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: ana@ppgem.faenquil.br

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.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. F. J. S. Arantes, D. F. Galesi, E. Quinteiro, F. G. Melchiades, A. O. Boschi, Anais

do 45o Congresso Brasileiro de Cerâmica, Florianópolis, S.C., maio/junho de

2001, (CD-ROM) p.0501601-11.

2. F. Mateucci, M. Dondi, G. Guarini, Ceramics International 28 (2002) 873-880.

3. L. I. PEREIRA FILHO, S. M. TOFFOLI, Anais do 47° Congresso Brasileiro de

Cerâmica, João Pessoa, PB, junho de 2003, (CD-ROM), p. 1187-1196.

4. L. E. G. SILVA, S. RIBEIRO, M. M. S. M. PEREIRA, Anais do 45° Congresso

Brasileiro de Cerâmica, Florianópolis, SC, maio/junho de 2001, (CD-ROM), p.

0207001-13.

5. G. B. Remmey Jr., Firing Ceramics, World Scientific Publishing, London, (1996),

p.5.

6. C. M. F. VIEIRA, S. N. MONTEIRO, D. G. PINATTI, Anais do 43° Congresso

Brasileiro de Cerâmica, Florianópolis, SC, junho de 1999, (CD-ROM), p. 46201-

10.

11

7. H. A. OLIVEIRA, E. C. RABELO Jr., J. C. BRESSIANI, Anais do 44º CBC, CD-

Rom, p.40501-10.

8. C. M. F. Vieira, J. N. F. Holanda, D. G. Pinatti, Dissertação de Mestrado em

Engenharia e Ciência dos Materiais - CCT/UENF, Campos dos Goytacazes, R.J.,

julho de 1997.

9. P. Appendino, M. Ferraris, I. Matekovits, M. Salvo, J. Eur. Ceram. Soc. 24 (2004)

803-810.

10. A. Tucci, L. Esposito, E. Rastelli, C. Palmonari, E. Rambaldi, J. European Ceram.

Soc. 24 (2004) 83-92.

11. M. DONDI, G. ERCOLANI, C. MELANDRI, C. MINGAZZINI, M. MARSIGLI,

Interceram, 28, n. 2 (1999), 75-82.

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