comportamento mecÂnico de amostras de grÊs porcelanato ... · comportamento mecÂnico de amostras...
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COMPORTAMENTO MECÂNICO DE AMOSTRAS DE GRÊS PORCELANATO CONTENDO RESÍDUO DE VIDRO COMO FUNDENTE
A. P. Luz; S. Ribeiro
Polo Urbo Industrial Gleba AI-6, s/n, Bairro Mondesir, Lorena- SP, CP 116, CEP:
12600-000, E-mail: [email protected]
Faculdade de Engenharia Química de Lorena (FAENQUIL)
Departamento de Engenharia de Materiais (DEMAR)
RESUMO
O grês porcelanato vem se destacando nos últimos anos por apresentar
propriedades como: resistência mecânica, elevada dureza, etc. Vários estudos estão
sendo realizados com a incorporação de resíduos industriais como aditivos em
revestimentos cerâmicos. O objetivo do trabalho é estudar o comportamento
mecânico de misturas contendo resíduo de vidro e feldspato como fundentes,
visando a obtenção de grês porcelanato. Foram preparadas cinco misturas contendo
diferentes teores de argila, feldspato, vidro e quartzo; compactaram-se os pós sob a
forma de barras, com pressão de 50 MPa. As amostras foram queimadas ao ar por
30 minutos em temperaturas de 1000 a 1250°C, com intervalos de 50°C. Foram
realizados testes de resistência à flexão e determinou-se as propriedades mecânicas
e módulo de Weibull. As amostras apresentaram módulo de ruptura de até 53,1
MPa. Conclui-se que as amostras obtidas atendem as normas de grês porcelanato e
a granulometria tem influência direta na resistência mecânica.
Palavras-chave: grês porcelanato; resíduos de vidro; resistência mecânica;
módulo de Weibull.
1
INTRODUÇÃO
Um dos produtos cerâmicos de grande destaque nas últimas décadas é o grês
porcelanato. O porcelanato é um revestimento cerâmico diferenciado das cerâmicas
tradicionais devido suas características técnicas mais elevadas, o que garante a
possibilidade de aplicação nos mais variados ambientes, desde alto tráfego, onde
demandam altíssimas resistências mecânicas e a abrasão, como nas fachadas onde
o quesito impermeabilidade é fundamental (1).
Pode-se definir revestimento porcelânico como sendo um revestimento
cerâmico impermeável, totalmente vitrificado, esmaltado ou não, cuja peça
queimada é branca ou colorida por meio de adição de pigmentos na composição
inicial, e feita a partir de uma mistura de caulim (ou argilas cauliníticas), quartzo e
feldspato (2).
Grandes esforços em pesquisa estão sendo feitos para o estudo de novas
matérias-primas e o aprimoramento do processamento deste material. Atualmente é
cada vez maior a necessidade de destinar de forma consciente os resíduos que são
produzidos em nossa sociedade. Uma saída mais interessante ainda do que
simplesmente achar uma rota para a eliminação de um resíduo é encontrar uma
maneira de reaproveitá-lo, seja reciclando ou incorporando a um outro produto de
modo a economizar em matéria-prima ou até mesmo agregar valor a este produto
final (1, 3).
O vidro é um rejeito industrial que não pode ser reaproveitado no próprio
processo por vários motivos. O pó de vidro, se misturado às matérias-primas para a
produção de vidro, é suspenso ao ar devido à ação dos queimadores, que sopram
sobre os constituintes da mistura para que ocorra a fusão dos mesmos. Além disso,
o pó de vidro adicionado gera bolha no material, pois possui um volume muito
grande de ar adsorvido na superfície das partículas (4).
Na avaliação de materiais cerâmicos utiliza-se comumente o conceito de
módulo de resistência a flexão como um parâmetro de processo e qualidade nas
etapas de fabricação de um determinado corpo cerâmico (5, 6).
Em um corpo cerâmico antes da queima somente as partículas de argila
encontram-se em contato, sendo assim, a resistência do corpo a verde se dá em
função das forças de ligação entre as partículas de argila. A resistência mecânica
2
será função do número de ligações existentes ao longo da superfície de fratura e da
energia de uma ligação simples entre as partículas (6).
Alguns fatores que influenciam a resistência à flexão de peças cerâmicas (6):
Variação na conformação: a pressão e a umidade de prensagem influem
de forma considerável sobre a porosidade da peça exercendo uma
influência marcante sobre a resistência da peça final.
Dimensões da peça: a resistência de materiais frágeis depende da
geometria da peça e do sistema de aplicação da carga.
Distribuição granulometria: partículas grandes podem gerar defeitos
diminuindo a resistência da peça.
Temperatura: ao aumentar a temperatura de sinterização, aumenta-se
também a resistência à flexão, devido a uma menor porosidade. Porém,
isso não acontece de uma forma linear, pois em temperaturas muito
elevadas pode ocorrer a degradação dessa propriedade mecânica.
As cerâmicas são frágeis apresentando uma grande dispersão dos valores da
resistência mecânica quando comparados com os materiais dúcteis. A previsão de
fratura de materiais cerâmicos deve ser baseada numa abordagem de
probabilidades, ou seja, o ensaio mecânico utilizado deve fornecer informações
sobre a distribuição da carga de ruptura tanto quanto sobre a média dos valores (4).
Para uma análise de propriedades em um material através de ensaios
mecânicos, deve ser considerado além dos fatores geométricos que influenciam de
maneira direta na distribuição de tensões, a análise estatística e metrológica. Um
ponto importante na estatística é a determinação de um lote mínimo significativo
evitando gastos com grandes lotes e a não representatividade com lotes pequenos (4, 7).
Devido às grandes variações da resistência mecânica encontrada num mesmo
lote de materiais cerâmicos, tratamentos estatísticos foram explorados como auxílio
para se garantir uma certa confiabilidade. O que determina a resistência mecânica
de um material é a existência de falhas críticas na região de máxima solicitação
mecânica. O modelo estatístico que tem sido mais utilizado é o da distribuição de
Weibull, que faz analogia entre um material frágil submetido a tensões trativas e uma
corrente que se rompe quando a resistência de seu elo mais fraco é superada (8 – 10).
3
O objetivo deste trabalho é analisar o comportamento mecânico de peças de
grês porcelanato contendo em sua composição um resíduo de vidro.
MATERIAIS E MÉTODOS DE ANÁLISE
Materiais
1- Argila – fornecida pela cerâmica Nova Canas Sociedade Agro-industrial
Ltda.
2- Feldspato Sódico, fornecido pela Prominex Mineração Ltda.
3- Pó de vidro – é um resíduo gerado devido à lapidação de peças de vidro e
respectiva lavagem, doado pela Pilkington Brasil Ltda.
4- Pó de quartzo – composto por óxido de silício (SiO2) com pureza de
aproximadamente 99,95%.
A composição química das matérias primas é apresentada na Tabela I.
Tabela I – Composição química dos materiais (% em massa).
Composição Argila Feldspato Pó de vidro SiO2 50,94 69,0-72,0 72,4 Al2O3 28,2 16,5-19,5 0,7 Fe2O3 3,41 0,05-0,25 0,11 CaO 0,17 <0,42 8,6 MgO 0,84 <0,01 4,0 Na2O 0,19 7,6-8,5 13,6 K2O 2,02 1,0-2,0 0,3 TiO2 0,93 - 0,02
Perda ao fogo 12,8 0,40-0,55 - SO2 - - 0,2
Métodos
Foram preparadas cinco misturas (20V, 15V, 15FV, 25FV e F20FV) cujas
composições encontram-se na Tabela II. A quantidade de pó de vidro adicionado
teve como base de cálculo os teores de Na2O e K2O contidos neste e
correlacionados com as quantidades de K2O e Na2O contidos no trabalho
apresentado por Mateucci et al. (2). Foi escolhido este artigo dentre outros, devido a
semelhança entre as composições das matérias-primas deste com as que serão
utilizadas neste trabalho.
4
Tabela II – Composição das misturas usadas (% em massa seca).
Matérias-primas (% em massa seca) Mistura Argila Feldspato Pó de Vidro Quartzo
20V 80 - 20 -
15V 73 - 15 12
15FV 75 15 10 -
25FV 65 25 5 10
F20FV 65 20 10 5
Para a mistura F20FV a argila de várzea foi beneficiada para se preparar uma
mistura contendo a fração fina de argila (fração passante em peneira de 325 “mesh”
– abertura de 44µm).
Foi realizado o peneiramento a úmido da argila de várzea em peneira de 325
“mesh” e a fração passante foi recolhida e deixada em repouso durante uma
semana, para que as partículas suspensas no líquido se sedimentassem no fundo
do recipiente. Após este período, a água excedente foi removida e o material
recolhido foi seco em estufa, na temperatura de 110ºC. Este material se apresentava
na forma de aglomerados que foram desfeitos manualmente com o uso de um
almofariz. Posteriormente, realizou-se o peneiramento desta argila em peneira de
170 “mesh” (abertura de 90 µm).
As matérias-primas foram pesadas em balanças com capacidade de 2,5 kg,
com precisão de 0,01. Após pesagem nas quantidades pré estabelecidas, os
materiais foram colocados em um moinho de aço revestido de alumina, com bolas
de alumina para auxiliar a mistura. Esta mistura foi realizada em meio aquoso,
durante 60 minutos. A suspensão foi separada das bolas de alumina por meio de
uma peneira 40 “mesh” (0,425 mm). A suspensão obtida foi levada a um evaporador
rotativo, a 100oC, até secar, formando aglomerados com umidade residual variável.
O material obtido apresentou-se sob a forma de grandes aglomerados que
foram quebrados utilizando-se um pilão, e os aglomerados menores obtidos eram
totalmente passantes em peneira de 40 “mesh”. Foi determinada a umidade dos pós
das misturas (NBR 6457), e corrigida para teores que variaram entre 8 a 10%.
Realizou-se prensagem uniaxial em matriz de aço, com pressão de 50 MPa. O pó foi compactado na forma de barras de massa em torno de 40 g, dimensões de
5
114x25 mm2 e após compactação as peças apresentaram espessura em torno de
7mm.
As amostras foram queimadas em um forno elétrico de laboratório, nas
temperaturas de 1000 a 1250ºC, com intervalos de 50ºC e isoterma de 30 minutos.
As taxas de aquecimento usadas foram 5, 7 e 10ºC/min.
Determinou-se a massa específica das amostras queimadas pelo método
geométrico, usando um paquímetro com precisão de 0,01mm e balança analítica
com precisão de 10-5 g.
A retração linear das amostras foi calculada a partir da Equação (A) (8):
100% ⋅
−=
v
sv
LLLRL (A)
onde:
Lv = comprimento da amostra a verde (mm);
Ls = comprimento da amostra sinterizada (mm);
%RL = percentagem de retração linear.
O ensaio de absorção de água foi realizado com as amostras secas em estufas
até massa constante, mergulhadas em água a 100 °C por 2 horas. Determinou-se a
massa úmida, e então a absorção de água, segundo a Equação (B) (8).
100% ⋅−
=s
su
mmm
AA (B)
onde :
mu = massa úmida (g);
ms = massa seca (g);
%AA = percentagem de absorção de água.
A partir dos valores de retração linear e absorção de água foram construídos
gráficos para as amostras nas várias condições de queima e determinada a melhor
condição para casa mistura.
A resistência à flexão em 3 pontos foi determinada para as amostras em sua
temperatura de queima ótima, em testes realizados numa máquina universal de
6
ensaios mecânicos MTS, modelo 810.23M, usando carga máxima de 500 N, com
velocidade de carregamento de 0,5 mm/min. Determinou-se o módulo de ruptura
através da Equação C (8).
23
23bhPLP =σ (C)
onde :
σ3P= módulo de ruptura em 3 pontos [MPa];
P= carga aplicada [N];
L= distância entre os cutelos [m];
b= largura do corpo de prova [m]
h= altura do corpo de prova [m].
A partir dos resultados obtidos neste ensaio foram plotados gráficos de tensão
de ruptura versus deslocamento e calculou-se o módulo de Young para as amostras
das duas misturas. Além disso, foi calculado também o módulo de Weibull para um
total de 30 amostras de cada mistura, segundo a Equação D (6).
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−=
m
F
VVF
00
exp1σσ (D)
onde:
V = volume do corpo de prova;
V0= volume de valor unitário;
σ0= fator de escala;
m = módulo de Weibull
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figuras 1 apresenta os resultados de retração linear e absorção de água das
amostras queimadas nas várias temperaturas em estudo.
Analisando o gráfico da Figura 1a observa-se que, as amostras 20V
apresentaram os maiores valores de retração linear, chegando ao valor de 12,12%
na temperatura de 1150°C. Estas amostras contêm elevadas quantidades de vidro
7
em sua composição, desta forma, o vidro proporcionou a formação de uma fase
vítrea de baixa viscosidade durante o processo de queima acarretando num
aumento considerável da retração das peças. Para corrigir este problema, deve ser
adicionado a esta mistura um material não plástico, como quartzo, que irá causar a
diminuição dos valores de retração como foi observado nos resultados da mistura
15V. Outra solução é usar pó de vidro em adição com feldspato como fundentes,
como nas misturas 15FV, 25FV e F20FV, o que proporcionou um aumento na
viscosidade da fase líquida formada ocasionando maior estabilidade dimensional as
peças. A mistura F20FV apresentou os melhores valores de retração chegando a
8,15% a 1200°C.
1000 1050 1100 1150 1200 1250
0
2
4
6
8
10
12
14
16
20V 15V 15FV 25FV F20FV
Abso
rção
de
Água
(%)
Temperatura (°C)
(b)
1000 1050 1100 1150 1200 1250
0
2
4
6
8
10
12
20V 15V 15FV 25FV F20FV
Ret
raçã
o Li
near
(%)
Temperatura (°C)
(a)
Figura 1: (a) Retração linear e (b) absorção de água das amostras após a
queima.
Os resultados de absorção de água (Figura 1b) mostram que apenas as
amostras 20V atingiram um valor de 0,1% a 1150°C, as demais amostras
apresentaram valores próximos de 0% a 1200°C.
Através das análises de resistência à flexão foi determinado o módulo de
ruptura, módulo de Young e módulo de Weibull para as amostras em sua condição
ótima de queima, conforme é apresentado na Tabela III.
A amostra 20V possui uma menor quantidade de alumina contida na sua fase
líquida contribuindo para a obtenção de valores menores do módulo de ruptura.
Apesar destes valores serem menores do que os encontrados para as outras
amostras, todos eles atendem as normas para o revestimento grês porcelanato que
exige um valor maior ou igual a 35 MPa para o módulo de ruptura.
8
Tabela III: Resistência mecânica das amostras.
Resultados 20V
(1150°C)
15V (1200°C)
15FV (1200°C)
25FV (1200°C)
F20FV (1200°C)
Módulo de ruptura (MPa) 39,0 44,1 53,1 40,0 46,0
Módulo de Young (GPa) 66,5 65,3 72,1 66,6 66,8
Módulo de Weibull (m) 3,4 7,9 10,1 10,6 7,8
As amostras 25FV apresentaram módulo de ruptura de 40,0 MPa e este
resultado ocorreu devido a presença da grande quantidade de quartzo em sua
composição. O tamanho das partículas de quartzo era maior do que as partículas de
argila e vidro, o que gerou a presença de defeitos proporcionando o rompimento das
peças, demonstrando que a granulometria interfere diretamente nos resultados de
resistência mecânica. As peças da mistura 15FV apresentaram o melhor resultado
do módulo de ruptura confirmando que o uso do feldspato juntamente com o pó de
vidro, parece ser a alternativa mais viável para a obtenção de um produto final que
possa garantir que todos os requisitos técnicos do produto grês porcelanato sejam
atingidos.
De acordo com os dados da literatura (10 – 12) em testes com diversos produtos
comerciais do tipo grês porcelanato foram obtidos valores para o módulo de Young
variando de 66 a 74 GPa. Os resultados encontrados neste trabalho estão dentro
desta faixa de valores. De acordo com estes autores, a resistência mecânica do grês
porcelanato depende primeiramente do quão denso esteja o material, ou seja,
quanto maior a densidade final maiores serão os valores de resistência à flexão e
módulo de elasticidade. Entretanto, uma melhora na resistência mecânica também
pode ser obtida devido a presença de quantidades de alumina e mulita na
composição do material.
O módulo de Weibull demonstra que a as amostras 15FV e 25FV apresentaram
uma melhora significativa no aumento de sua resistência mecânica com a adição de
feldspato em sua composição (Figura 2), obtendo-se um aumento de quase 3 vezes
em relação a 20V.
9
0 10 20 30 40 50 60 70 80
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100Pr
obab
ilida
de d
e Fr
atur
a (%
)
Módulo de ruptura (MPa)
90
100
%)) )
0 10 20 30 40 50 60 70 80
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Prob
abilid
ade
de F
ratu
ra (%
)
Módulo de ruptura (MPa)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Prob
abili
dade
de
Frat
ura
(%)
Figura 2: Gráficos da Est
e (e) F20FV.
O módulo de Weibull
resistência mecânica do prod
dispersão dos valores de resis
CONCLUSÕES
Conclui-se que todas as
e módulo de ruptura que aten
10
(a
90 100
10 15 20 25 30 35 40 45 50 550
10
20
30
40
50
60
70
80
Prob
abili
dade
de
Frat
ura
(
Módulo de Ruptura (MPa)
90 100
)
0 10 20 30 40 50 60 70
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Pro
babi
lidad
e de
Fra
tura
(%)
Módulo de ruptura (MPa)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Módulo de ruptura (MPa)
atística de Weibull (a) 20V, (b) 15V, (c) 15F
(m) fornece um indicativo da reprodutib
uto. Quanto maior é o módulo de Weibull,
tência mecânica e maior é a confiabilidade
amostras apresentaram valores de absorçã
dem às normas para a produção de grês p
(b
60 65 70
(c
80 90 100
V, (d) 25FV
ilidade da
menor é a
das peças.
o de água
orcelanato.
(e)
As amostras que continham elevados teores de vidro (20V) apresentaram elevados
valores de retração linear e menores valores de módulo de ruptura, devido à
formação de uma fase líquida pouco viscosa e com menor quantidade de alumina.
Já as amostras que continham vidro e feldspato como fundentes apresentaram
melhor resistência mecânica e maior módulo de Weibull indicando que o uso destes
fundentes proporciona a obtenção de peças que possa garantir que todos os
requisitos técnicos do produto grês porcelanato sejam atingidos.
A granulometria das matérias primas demonstrou ser um fator que influencia
diretamente a resistência mecânica das peças, proporcionando o aparecimento de
defeitos que irão agir negativamente nos resultados do módulo de ruptura das
amostras.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos à FAPESP (Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado de São
Paulo), processo n° 02/13491-8 e a Pilkington do Brasil Ltda, pelo apoio e incentivo
ao desenvolvimento desse trabalho.
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10.
11
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12. P. S. Santos, Ciência e Tecnologia de Argilas, 2a Edição, Edgard Blücher, São
Paulo, Brasil (1989), vol. 1, p. 408.
MECHANICAL BEHAVIOUR OF PORCELAIN STONEWARE’S SAMPLES
CONTAINING SCRAP GLASS AS FLUXING AGENT
ABSTRACT
Porcelain stoneware has been pointed out in the last years due to present good
properties as: mechanical resistance, hardness surface, etc. Many studies have been
realized with the incorporation of industrial wastes as additive in ceramic tiles. The
aim of this work is to study the mechanical behaviour of mixtures containing scrap
glass and feldspar, in order to obtain porcelain stoneware. They were prepared five
mixtures containing different grades of clay, feldspar, glass and quartz; and pressed
into bar shape, with pressure of 50 MPa. They were fired in air, for 30 minutes at the
range of 1000-1250°C, with regular temperature intervals of 50°C. They were made
tests of flexural strength to determine the mechanical properties and Weibull’s
modulus of until 53,1 MPa. It was concluded that the samples obtained attempt the
standards of porcelain stoneware and granulometry has direct influence on
mechanical resistance.
Key-words: porcelain stoneware, scrap glass; mechanical resistance;
Weibull’s modulus.
12