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Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 29001
2 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.
APROVEITAMENTO DE UM RESÍDUO INDUSTRIAL EM UMA MASSA CERÂMICA PARA PISOS
J. Vicenzi e C. P. Bergmann
Av. Oswaldo Aranha 99/711 90.035-190 PoA/RS
e-mail: jvicenzi@vortex.ufrgs.br
Departamento de Materiais - EE - UFRGS
RESUMO
Este trabalho apresenta o estudo da utilização de um resíduo industrial, escória
de aciaria (EA) em uma massa cerâmica para piso. A adição desse resíduo, em
diferentes quantidades e granulometrias tem o objetivo de reduzir a porosidade aberta
e a temperatura de sinterização, bem como aumentar a resistência mecânica. Os
resultados deste estudo mostram que a utilização da EA em uma massa para piso
cerâmico diminui a porosidade aparente e absorção de água, enquanto que aumenta a
resistência mecânica e a retração linear, até um limite de temperatura de sinterização,
onde então a relação entre as propriedades se inverte.
Palavras-chaves: resíduo industrial, piso cerâmico, propriedades mecânicas
INTRODUÇÃO
A indústria siderúrgica é tradicionalmente geradora de variados resíduos sólidos
em grandes quantidades. A escória de aciaria – principalmente a originária da
fabricação de aços inoxidáveis, ao lado de outros resíduos como pó de aciaria, restos
de refratários, carepa, lama de decapagem – tem representado para o setor
siderúrgico uma preocupação constante, pois a solução tradicionalmente adotada –
deposição acumulativa -, não é a mais condizente com as novas tendências mundial
em questões ambientais.
Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 29002
2 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.
O estudo da incorporação de escória de aciaria de aço inox a massas cerâmicas
de argila vermelha tem por base dois aspectos relevantes que dizem respeito à
natureza do resíduo:
i) composição química. A composição química da escória de aciaria é
constituída predominantemente por óxidos típicos da composição de argilas, como é o
caso do Al2O3, CaO, SiO2 e Fe2O3;
ii) inércia térmica: as escórias apresentam estabilidade química elevada para as
temperaturas envolvidas no processamento cerâmico de argilas vermelhas. Portanto,
poderiam ser empregadas como inerte, assim como chamota é empregada, para
melhorar o comportamento das argilas durante o processamento térmico.
Outro aspecto é a quantidade gerada que é bastante compatível em relação às
quantidades processadas comumente por cerâmicas estruturais; uma única cerâmica
em média processa cerca 60 ton de argila por dia. Como conseqüência, a aditivação
pode dar-se a teores consideravelmente baixos, não acarretando em modificações
críticas na microestrutura do produto cerâmico e, portanto, em suas propriedades de
interesse;
No aspecto ambiental, a inertização de escórias na massa cerâmica sinterizada
apresenta como atrativo o fato do processamento cerâmico não gerar sub-produtos
sólidos. Com isso, estaria satisfeita a tendência atual, a nível mundial em tratamento
de resíduos sólidos, qual seja a de o resíduo de um determinado processo de
fabricação servir de matéria-prima para um outro processo, e assim sucessivamente,
até à um último processo, onde não haveria resíduo. Esta proposta tem o nome de
Resíduo Zero. Portanto, o processo de fabricação cerâmica torna-se atraente para
reduzir o número de etapas da cadeia para a obtenção de zero de resíduo.
Desta forma objetivou-se neste trabalho introduzir o resíduo industrial de uma
siderurgia (EA) a uma massa para piso cerâmico, visando a melhora na formulação
final, quanto as propriedades físicas e mecânicas e a reciclagem de um subproduto da
siderurgia.
MATERIAIS E MÉTODOS
Matérias-Primas Utilizadas
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2 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.
No desenvolvimento deste trabalho utilizou-se duas matérias-primas específicas:
material plástico- argila vermelha, material fundente, não plástico- escória de aciaria.
Argila Vermelha. A argila é um material de granulometria fina e que apresenta certa
plasticidade quando em contato com a água (GRIM,1955) (1). A argila investigada neste
trabalho é proveniente da região de Gravataí, na Grande Porto Alegre e após coletada
e preparada para uso foi caracterizada segundo sua mineralogia, composição química
e propriedades físicas (2). Os resultados de caracterização da argila são apresentados
na Tabela I.
Tabela I: Características mineralógicas, químicas e físicas da argila vermelha.
Carcterização Argila
Análise Método do Pó: caolinita, ilita, hematita e quartzo
Mineralógica Método dos Argilominerais: caolinita, ilita, esmectita e quartzo
Análise Química*
69,86% SiO2; 13,94% Al2O3; 5,75% Fe2O3; 2,60% K2O; 1,09% MgO
Propriedades Limite de plasticidade 34%
Físicas Granulometria D10: 0,7m;D50: 2,9 m; D90: 12,6 m
Dilatação térmica linear = 8,47 x 10-6 °C-1
*Componentes de maiores concentrações
Escória de Aço. A escória de aço inox (EA) é derivada de uma indústria siderúrgica e
é recebida sob a forma de torrões ( 5 cm) cinzas. Este resíduo é de fácil acesso, com
disponibilidade de consumo e baixo custo. A análise por fluorescência de raio X
apresentou a seguinte composição química para EA: 22% SiO2; 37,1% CaO; 9,43%
FeO; 8,91% MgO; 8,59% Cr2O3; 7,54% Al2O3 e demais componentes de menores
concentrações. A Tabela II apresenta a granulometria utilizada para esta matéria-
prima.Tabela II: Distribuição granulométrica da escória de aço.
Nomenclatura Tamanho de Partícula (P)
Esçoria de aço fina (EF) 212 m P 106 m
Esçoria de aço média (EM) 300 m P 212 m
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Esçoria de aço grossa (EG) 850 m P 300 m
Procedimento Experimental
A argila foi seca em uma estufa de temperatura controlada a 110°C por 24 horas.
Após a secagem este material foi moído e peneirado em uma peneira de 20 mesh (P
850m) para desagregar o material(3). A EA foi primeiramente britada (britador de
rolos), em seguida pulverizada e moída em moinho de bolas, obtendo-se um pó cinza
com distintas granulometrias, separadas e classificadas conforme descrito na Tabela
II. Diferentes formulações de argila e escória foram definidas, conforme indicado na
Tabela III.Tabela III - Formulações efetuadas com escória de aço e argila vermelha.
Matérias-Primas Argila EF (%) EM (%) EG (%)
Formulação Vermelha (%)Massa Pura 100 0 0 0
2% EF 0 2 0 0
5% EF 0 5 0 0
10% EF 0 10 0 0
2% EM 0 0 2 0
5% EM 0 0 5 0
10% EM 0 0 10 0
2% EG 0 0 0 2
5% EG 0 0 0 5
10% EG 0 0 0 10
Após a formulação, homogeneizou-se cada composição utilizando-se um moinho
de bolas periquito com uma proporção de 1:0,5; respectivamente de massa e corpos
moedores, por dez minutos. A etapa seguinte foi a umidificação de cada composição
com 10% de água e a posterior granulação do pó. As amostras foram conformadas
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2 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.
com carga de prensagem de 20MPa e com área da base do corpo de prova de
60x20mm2.
Após a secagem, por 24 horas ao ar em local ventilado, secagem lenta, e em
estufa com temperatura controlada de 110°C por 24 horas, procedeu-se a sinterização
a temperaturas de 850°C, 950°C e 1050°C, com taxa de aquecimento de 150°C/h e
tempo de patamar de 8 horas.
Para cada formulação, as amostras sinterizadas tiveram sua resistência
mecânica (resistência à flexão a quatro pontos), porosidade aparente e absorção de
água (método de Arquimedes) e retração linear determinadas(3,4).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Absorção de Água e Porosidade Aparente
As Figuras 1 e 2 apresentam a variação da porosidade aparente e absorção de
água, respectivamente em função da temperatura de queima das amostras.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
800 850 900 950 1000 1050 1100
Temperatura (°C)
P. A
. (%
)
Massa Pura
2% EF5% EF
10% EF2% EM
5% EM
10% EM2% EG
5% EG10% EG
Figura 1: Porosidade aparente da massa pura e como das formulações, em função da
temperatura de queima.
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0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
800 850 900 950 1000 1050 1100
Temperatura (°C)
A. A
. (%
)
Massa Pura
2% EF
5% EF
10% EF
2% EM
5% EM
10% EM
2% EG
5% EG
10% EG
Figura 2: Absorção de água da massa pura bem como das formulações em função da
temperatura de queima.
Pelos resultados obtidos, pode-se verificar que todas as formulações apresentam
praticamente o mesmo comportamento, tanto em relação a porosidade quanto em
relação à absorção, com a diminuição acentuada destes valores com o aumento da
temperatura. Além disso, verifica-se que as formulações com escória de aciaria
apresentaram absorção de água e porosidade aparente inferiores a massa pura.
Obteve-se então uma diminuição destas propriedades devido à adição de substâncias
formadoras de fase vítrea durante o processo de queima, o que levou a uma mais
efetiva densificação da estrutura.
Resistência Mecânica
Os resultados obtidos de resistência mecânica para a massa pura, bem como de
argila vermelha aditivada com escória de aciaria, são apresentados na Figura 3.
Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 29007
2 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.
0
5
10
15
20
25
30
0 200 400 600 800 1000 1200
Temperatura (°C)
R. M
. (M
Pa)
Massa pura
2% EF
5% EF
10% EF
2% EM
5% EM
10% EM
2% EG
5% EG
10% EG
Figura 3: Resistência mecânica da massa pura e das formulações aditivadas com
escória de aciaria em função da temperatura de queima.
Pelos resultados obtidos de resistência mecânica, pode-se verificar um aumento
desta propriedade a verde para quase todas as formulações, com exceção das
formulações 5% EF e 2%EG. Este comportamento é decorrente da facilidade em que a
água estrutural proveniente da argila tem em sair do interior do corpo cerâmico, devido
à adição de inertes na massa cerâmica.
Observa-se também que após a sinterização nas temperaturas de 850 e 950°C
houve um aumento da resistência mecânica para todas as formulações, em relação a
massa pura, comportamento este que pode ser explicado devido à maior densificação
da massa cerâmica; isto porque adicionou-se a mesma uma maior quantidade de
material fundente formador de fase vítrea (podendo ser observado na comparação das
micrografias da massa pura e da formulação 10%EM, após a queima a 1050°C -
Figuras 4 e 5), promovendo a diminuição da porosidade aparente da massa cerâmica.
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2 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.
Figura 4: Micrografia da massa pura após a queima a 1050°C para a observação da
densificação ocorrida e a presença de fase vítrea.
Figura 5: Micrografia da formulação 10% EM após a queima a 1050°C para a
observação da densificação ocorrida e a presença de fase vítrea (em maior
quantidade que na massa pura).
A correlação de valores entre a resistência mecânica e a porosidade aparente
nas temperaturas de queima utilizadas pode-se observar na Tabela IV.
Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 29009
2 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.
Tabela IV correlação entre a resistência mecânica e a porosidade aparente das amostras.
FormulaçãoResistência mecânica Porosidade Aparente
850 950 1050 850 950 1050
Massa Pura 5,14 10,96 23,05 33,78 28,69 12,44
2% EF 11,51 25,40 29,73 27,73 12,26 0,77
5% EF 9,86 27,31 19,09 27,15 10,36 3,09
10% EF 11,72 20,45 15,00 28,90 14,16 3,16
2% EM 12,63 27,27 26,97 26,94 10,12 0,98
5% EM 11,84 23,95 21,22 29,01 11,70 0,82
10% EM 11,83 21,85 16,84 27,85 3,60 2,15
2% EG 11,39 26,42 25,93 29,80 12,46 2,20
5% EG 10,96 23,05 20,61 29,35 12,66 2,00
10% EG 11,40 22,01 20,62 22,67 12,47 1,53
Em relação à temperatura de sinterização de 1050°C a adição de 2% de escória
de aciaria tanto a fina como a média e grossa aumentou a resistência mecânica das
formulações em relação à massa pura, devido ao mesmo comportamento descrito
acima para as demais temperaturas de sinterização. Enquanto que a adição de 5 e 10
% de EA em diferentes granulometrias, diminuiu a resistência mecânica nesta
temperatura de sinterização, fato este explicado pela formação de gases no interior do
corpo cerâmico, aumentando a porosidade (e/ou tamanho do poro), com isto
aumentando defeitos e diminuindo a resistência mecânica do mesmo.
A Figura 6 apresenta a micrografia da formulação 5% EF após a queima a 850°C,
onde pode-se observar os poros de tamanho pequenos salientados na mesma. A
Figura 7 apresenta a micrografia da formulação 10% EM após a queima a 1050°C e os
poros de tamanho maior indicados na mesma. Assim, a evolução de tamanhos de
poros pode ser observada ao analisar-se ambas as micrografias, onde são indicados
os poros.
Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 290102 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.
Figura 6: Micrografia da formulação 5% EF após a queima a 850°C. As setas indicam
os poros observados.
Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 290112 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.
Figura 7: Micrografia da formulação 10% EM após a queima a 1050°C. As setas
indicam alguns dos poros observados.
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Retração Linear
A retração linear é apresentada na Figura 8 para a massa pura e para as
formulações efetuadas.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
800 850 900 950 1000 1050 1100
Temperatura (°C)
R. L
. (%
)
Massa Pura2% EF5% EF10% EF2% EM5% EM10% EM2% EG5% EG10% EG
Figura 8: Retração linear da massa pura bem como das formulações, em função da
temperatura de queima.
A retração linear das formulações medida após a sinterização das amostras
aumentou de forma significativa para as temperaturas de queima de 850 e 950°C,
estando de acordo com as demais propriedades físicas analisadas. Na temperatura de
queima de 1050°C, a retração linear diminuiu devido ao inchamento e produção de
gases no interior do corpo cerâmico (provavelmente devido a quantidade de CaO
presente na escória de aço inox), mesmo tendo ocorrido uma maior densificação do
material, sendo comprovado pela diminuição da porosidade aparente e absorção de
água. Mas, em contrapartida, a resistência mecânica apresenta uma diminuição
conforme a diminuição da retração linear no intervalo de 950°C a 1050°, conforme
pode ser comprovado pela comparação das Figuras 3 e 4, apresentando um
comportamento semelhante para ambas as propriedades físicas.
Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 290132 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.
Perda ao Fogo
A perda ao fogo dos corpos cerâmicos em função da temperatura de queima é
apresentada na Figura 9.
0
1
2
3
4
5
6
800 850 900 950 1000 1050 1100
Temperatura (°C)
P. F
. (%
) Massa Pura2% EF5% EF10% EF2% EM5% EM10% EM2% EG5% EG10% EG
Figura 9: Perda ao fogo da massa pura e formulações com escória de aciaria em
função da temperatura de queima.
A perda ao fogo de um material argiloso é caracterizada pela perda da água
higroscópica, perda da água estrutural e por reações ocorridas com a matéria
orgânica. Portanto, era de se esperar que com o aumento da temperatura de
sinterização da massa cerâmica sua perda ao fogo aumentasse, o que realmente
ocorre em todas as formulações para as temperaturas de 850 e 950°C, com exceção
da massa pura. A perda ao fogo diminui para as formulações na temperatura de
queima de 1050°C pelo mesmo fato citado anteriormente que diminui a retração linear
e diminui a resistência mecânica, ou seja a presença de material que se volatiliza e
cria bolhas internas.
Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 290142 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.
CONCLUSÕES
I. A adição de escória de aciaria diminui a temperatura de sinterização da massa
cerâmica, obtendo-se melhores resultados para a formulação 2% EF.
II. Para as formulações com escória de aciaria obteve-se significativa diminuição da
porosidade aparente e absorção de água para praticamente todas as proporções
deste aditivo adicionado à massa pura.
III.A resistência mecânica das formulações apresenta-se superior a massa pura para a
temperatura de queima de 950°C, utilizada na indústria cerâmica.
IV. A EA é um material fundente, que ao ser adicionada à argila provoca a
diminuição da temperatura de sinterização, através da formação de fase vítrea, bem
como da porosidade aparente da massa cerâmica
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] SANTOS, P.S. “Tecnologia de Argilas: Aplicações”. V. 2, São Paulo, EDUSP
Ed., p. 341-347, 1975.
[2] SAKA, Sinhitiro. “Matérias Primas: Ensaios Tecnológicos de Argilas Visando Aplicações em Cerâmica”. Curso do IPT, v. 8, São Paulo, p. 27-39, 1993.
[3] FABBRI, B; FIORI, C e RAVAGLIOLI, A. “Materie Prime Ceramiche. Tecniche Analitiche e Indagini di Laboratorio”. V. 2, Faenza Ed., p. 293-329, 1989.
[4] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. “Standard Specification for Clay Roof Tiles”, ASTM - C 1167/90. Puiladelphia, 1990.
Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 290152 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.
RECYCLE OF AN WASTE INDUSTRIAL IN A CERAMIC MASS FOR TILE FLOOR
ABSTRACT
This work presents the study of the scum aciaria used with the raw materials to tile
floor. The addition of EA in different amounts and granulometry, have the objective to
reduce the porosity open and the temperature sintering and increase the mechanical
resistence. The results displaied that the use of EA in tile floor mass decreases the
apparent porosity and absorption of water while it increases the mechanical resistance
and the lineal shrinkage, until a limit of emperature sintering, where the relationship
among the properties is inverted.
Word-keys: tile floor, waste industrial, mechanical properties
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