Comportamento de blocos cerâmicos estruturais produzidos a ...
Expansão por Umidade (EPU) em Blocos Cerâmicos mecanismos de expansão que se desenvolvem em...
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GOVERNODOESTADODORIOGRANDEDOSUL
SECRETARIADODESENVOLVIMENTOECONÔMICO,CIÊNCIAETECNOLOGIA
PROGRAMADEAPOIOAOSPOLOSTECNOLÓGICOS
POLODEINOVAÇÃOTECNOLÓGICADOVALEDOCAÍ
BoletimTécnico
ExpansãoporUmidade(EPU)
emBlocosCerâmicosConvênio:22/2013
Processo:172-25.00/12-0
Equipeexecutora:
RobinsonC.D.Cruz(Coordenador)CláudioA.PerottoniJaneteE.ZorziKátiadeOliveira
MairaFinklerSérgioG.Echeverrigaray
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Introdução
Expansão por umidade (EPU) é um termo utilizado para designar o aumento das
dimensões dos materiais cerâmicos ocasionado pela adsorção de água em sua
microestrutura.AEPUéumefeitoindesejávelnaconstruçãocivilpoisaáguaadsorvidaao
longo do tempo de vida útil desses materiais causa danos irreversíveis a estrutura das
edificaçõesemalvenaria.
Osmecanismosdeexpansãoquesedesenvolvememblocoscerâmicosdevidoàação
daumidadeeaolongodotemposãocruciaisedeterminamociclodevidaútildoproduto
acabado.Apesardaexistênciadepesquisassobreofenômenoemnívelnacionalemundial,
nenhumainformaçãoacercadasmateriaisprimaseprodutosproduzidosnoValedoCaí,e
porextensãoemtodooestadodoRioGrandedoSul,podeserencontradanaliteratura.
Neste trabalho foi realizada a caracterização de matérias-primas argilosas e
rochosas da região do Vale do Rio Caí usadas na produção de componentes cerâmicos
utilizadosnaconstruçãocivildoRS.
EsteboletimtécnicodescreveosprincipaisresultadosobtidosnoprojetoExpansão
porUmidade(EPU)emBlocoscerâmicos,sendoumdocumentodeorientaçãoparaseleção
de matérias primas, sugestões de formulações e condições de processamento que
minimizem o efeito gerado pela EPU e também apresenta a metodologia experimental
desenvolvidaparaaquantificaçãoemlaboratóriodaEPUemamostrascerâmicasporosas.
1.CiclodeProcessamento
As metodologias e parâmetros de processamento utilizadas nas etapas de
conformação, secagem e queima dos corpos de prova, bem como ametodologia para os
ensaios de EPU podem ser utilizadas como referência para trabalhos futuros. Todos os
corpos de prova tanto das matérias-primas quanto das formulações foram obtidos nas
mesmascondições,sendoociclodeprocessamentoeosensaiosdeEPUvalidadosatravés
dos resultados obtidos para a composição 15-07-014 ((argila 0043-14 (90%) + rocha
0038-13(10%)).
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1.1Formulaçõeselaboradas
Paraaexecuçãodoprojetoforamavaliadas3matérias-primasargilosasdaregiãodo
Vale do Caí, codificadas como 15-03-001, 0042-14 e 0043-14, alémda elaboração de 12
composiçõescomasargilase2rochas,estasúltimascodificadascomo0029-13e0038-13.
AsformulaçõeselaboradasecodificadasestãolistadasnaTabela1.
Tabela1–Formulaçõesargila+rocha.Formulação Argila Rocha
15-07-002 90%15-03-001 10%0029-13
15-07-003 80%15-03-001 20%0029-13
15-07-004 90%15-03-001 10%0038-13
15-07-005 80%15-03-001 20%0038-13
15-07-007 90%0042-14 10%0029-13
15-07-008 80%0042-14 20%0029-13
15-07-009 90%0042-14 10%0038-13
15-07-010 80%0042-14 20%0038-13
15-07-012 90%0043-14 10%0029-13
15-07-013 80%0043-14 20%0029-13
15-07-014 90%0043-14 10%0038-13
15-07-015 80%0043-14 20%0038-13
As argilas utilizadas são naturalmente classificadas como plásticas e possuem na sua
composiçãomineralógica como fases cristalinas principais o Quartzo (SiO2), Plagioclásio
(Na,Ca)(Si,Al)4O8,Feldspatoalcalino(KAlSi3O8)eCaulinita(Al2Si2O5(OH)4).Porsuavezas
rochas fazempartemdo grupodosBasaltos da Formação SerraGeral e possuemna sua
composição mineralógica como fases cristalinas principais o Quartzo, Plagioclásio,
PiroxênioeFeldspatoalcalino.
Com os resultados obtidos no projeto verificou-se que a formulação 15-07-014 (90%m
argilae10%mderocha)apresentouosmelhoresresultadosdeEPU(Figura9,item3)sem
comprometer o desempenho técnico global do material desenvolvido, como pode-se
verificarnosresultadosobtidoscomacaracterizaçãotecnológica(Figuras10e11,item3).
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Portanto, a mistura desenvolvida com adição de rocha na proporção dessa formulação
serve como indicativode formulação a serutilizada, já que amesmaatendeu a todosos
requisitosdedesempenhoprevistonasnormasvigentesparadesempenhodeblocospara
alvenaria.
1.2Conformaçãodoscorposdeprova
Para a obtenção damassa a ser extrudada foi utilizado o processamento via seca
como rotadepreparação.Antesde serdesaglomerada, amatéria-primaargilosa foi seca
em estufa por nomínimo 24 horas a 110°C. Amesma foi utilizada com distribuição de
tamanho de partículas controlada por peneiramento,material passante em peneira com
abertura de 0,3 mm, após a moagem em laboratório. A matéria-prima rochosa foi
adicionadaaargilaemformadepónostamanhosdepartículaspassanteempeneiracom
aberturade0,5mm,sendopreparados15kgdecadacomposição.
Aargilaearochaforampesadasemisturadasmanualmentecomaadiçãodeágua
suficiente para atingir a plasticidade necessária para o processo de extrusão,
aproximadamente20%deáguapararotadepreparaçãoviaseca.Apósmisturamanuala
composiçãofoihomogeneizadanomisturadordemarcaEibel(Figura1)earmazenadaem
recipiente fechado durante 24 horas antes da homogeneização e do processamento na
extrusora.
Antes de ser extrudada na extrusora de marca Handle (Figura 2), a massa foi
homogeneizada através dapassagemdamesmapela extrusora, nosmesmosparâmetros
utilizados no processo de extrusão, porém sem a utilização de vácuo. Para a etapa de
extrusão da composição foi estabelecida em 6 min-1 a velocidade de rotação na pré-
extrusão (velocidade do parafuso de alimentação) e em 12min-1 no parafuso principal.
Utilizou-sepressãodevácuode1Bar.EstesvaloresestãoapresentadosnaTabela1.
Figura1–MisturadordemarcaEibelutilizadonahomogeneizaçãodasformulações.
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Figura2–ExtrusorademarcaHandleutilizadanoprocessamentodasformulações.
Tabela1–Configuraçãopadrãoparaoperaçãodaextrusora.Velocidadedapréextrusão(RPM)
Velocidadedoparafusodaextrusão(RPM)
Pressãodevácuo(Bar)
6 12 1
Paracadacomposiçãoforammoldadasporextrusão130corposdeprovade20x15
x100mm(largura,espessuraecomprimento)paraensaiosdecaracterizaçãotecnológicae
40corposdeprovade20x15x140mm(largura,espessuraecomprimento)paraensaios
deEPU.
1.3Secagemdoscorposdeprova
Foi estabelecidoumciclode secagemparaa remoçãodaágua combaixo riscode
quebradoscorposdeprova.Inicialmenteoscorposdeprovaforamacondicionadosa25°C
por 24 h para a relaxação das tensões resultantes da moldagem. Posteriormente foi
conduzida a secagem conforme Tabela 2, onde os corpos de prova foram lentamente
aquecidosaté40°Cparasecagemprévia, seguidadoaumentoda temperaturae secagem
intensapararemoçãocompletadaumidadedeextrusãocomumtotaldociclodesecagem
de22horas.
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Tabela2-Ciclodesecagemdoscorposdeprova.TemperaturaInicial(°C) TemperaturaFinal(°C) Tempo(h)
35 40 0,5
40 40 4,5
40 60 1
60 60 6
60 110 2
110 110 8
Tempototal: 22horas
1.4Queimadoscorposdeprova
O ciclo de queima foi determinado como objetivo de produzir as transformações
físico-químicasinerentesaqueimademateriaiscerâmicos,deformahomogêneaemtodoo
corpo conformado. Para a caracterização tecnológica e determinação da EPU da
composiçãoforamestabelecidosciclosparacincotemperaturasfinaisdequeima,asaber:
750,800,850,900e950°C.Foramvalidadososcicloscomtemperaturasfinaisdequeima
entre 800 e 950°C, faixa de temperatura onde o ciclo de processamento minimizou os
efeitosdaEPUconformeosresultadosmostradosnaFigura9doitem3desterelatório.
OscorposdeprovaforamqueimadosnofornodemarcaTermolab(Figura3)sendo
estabelecidos ciclos de queima, conforme a Tabela 3, onde estão detalhadas as
temperaturas iniciais e finaisdequeima, tempoparaatingir (rampadeaquecimento)ou
permanecer em cada ciclo de temperatura (isoterma). Foi realizado o aquecimento da
temperatura ambiente até 350 °C a uma taxa de 10 °C/min, para a remoção da água
adsorvidanaamostra.Aquecimentocomtaxareduzida(5°C/min)entre350e450°Cparaa
remoção da água ligada quimicamente das partículas de argilominerais e remoção da
matériaorgânica.Nopassoseguinte,ataxadeaquecimentofoimantidaem10°C/minatéa
temperatura final de queima onde foi estabelecida uma isoterma de 60 minutos para
garantir a homogeneidade de temperatura em toda a câmara do forno, seguida do
resfriamentoestáticonacâmaraeatmosferadoforno.
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Figura3–FornodemarcaTermolabutilizadonaqueima
Tabela3-Ciclosdequeimaestabelecidosparaoscorposdeprova.
Ciclo
1ºAquecimento 1°Isoterma 2ºAquecimento 2°Isoterma 3ºAquecimento 3°Isoterma
T(°C) T.A.
(°C/min)T(°C)
Tempo
(min)
T(°C) T.A.
(°C/min)T(°C)
Tempo
(min)
T(°C) T.A.
(°C/min)T(°C)
Tempo
(min) Inicial Final Inicial Final Inicial Final
1 25 350 10 350 5 350 450 5 450 10 450 750 10 750 60
2 25 350 10 350 5 350 450 5 450 10 450 800 10 800 60
3 25 350 10 350 5 350 450 5 450 10 450 850 10 850 60
4 25 350 10 350 5 350 450 5 450 10 450 900 10 900 60
5 25 350 10 350 5 350 450 5 450 10 450 950 10 950 60
2.Ensaiosdeexpansãoporumidade(EPU)
O método para a determinação da expansão por umidade (EPU) no Instituto de
Materias Cerâmicos (IMC) foi desenvolvido combase nametodologia sugerida pelaNBR
13818,quedescreveumprocedimentoparaadeterminaçãodaEPUparaplacascerâmicas
para revestimento. O procedimento sugerido pela norma foi adaptado e ajustado para a
determinação da EPU, de corpos de prova de cerâmica vermelha, no laboratório do IMC
visando a viabilidade de aplicabilidade nas fábricas do setor produtivo. Utilizou-se essa
normacomobaseparaosensaiosdevidoàinexistênciadenormabrasileiraespecífica.
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Para a avaliação da EPU foram obtidos corpos de prova através do processo de
moldagem por extrusão, com dimensões aproximadas de 20 x 15 x 140 mm (largura,
espessura e comprimento) e nas condições de processamento citadas anteriormente. A
EPU foi avaliada emcinco temperaturas finaisdequeima (750, 800, 850, 900 e950 °C).
Apósaqueima,ocomprimentodoscorposdeprova foicortadoentre125e135mmem
umacortadeira,demarcaClipper,modeloCompactCM41,indicadaparacortesdeblocos,
pisoscerâmicos,refratárioseporcelanato.Foiutilizadodiscodecortediamantadocom350
mm de diâmetro e 2,6 mm de espessura, 2800 RPM de rotação e avanço manual. O
acabamento final das faces dos corpos de prova foi obtido emuma cortadeira demarca
High Tech Products, modelo TechCutTM Step-By_Step (Figura 4), equipada com disco de
cortediamantadodebaixaconcentração,de152mmdediâmetroe0,5mmdeespessura.
Oscorposdeprovaforamcortadoscomtaxadeavançode19.0mm/me3000RPM.Após
serem cortados foram secos em estufa a 110°C durante 24 horas e posteriormente
requeimadosemfornocomtaxade150°C/horaaté550°Ccompatamarde2horasnesta
temperatura.As amostras foramemsequência resfriadas até110°Cna câmarado forno,
colocadasemestufaà70°Ceresfriadasatéatemperaturaambienteemdessecadoresde
vidro.Oscorposdeprovaforamnumeradosde01a05paracadatemperaturadequeimae
o comprimento inicial foi determinado em condições de temperatura e umidade
controladas (23 ± 2°C e 50 ± 10 % UR) e monitoradas com o auxílio de um termo
higrômetro. Para a determinação do comprimento dos corpos de prova foi utilizado um
micrômetrocomresoluçãode0,001mm(Figura5)eaposiçãodamedidafoimarcadana
face do corpo de prova. Para cada corpo de prova foram realizadas três medidas e
determinadaamédiaaritméticadocomprimentoinicial(ℓo)consideradanocálculoparaa
determinação da EPU. Após a medição os corpos de prova foram acondicionados em
dessecadoresdevidroatéaetapadobanhoemáguafervente.
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Figura4–Cortadeirautilizadaparaoacabamentorefinadodasfacesdoscorposdeprova.
Figura5–Mediçãodocomprimentodocorpodeprovacomautilizaçãodemicrômetro,
apósoprocessoderequeima.
Ahidrataçãodoscorposdeprovaemáguafervente,durante24horasconsecutivas,
foirealizadoembanhotermostáticocomcontroledeníveldeáguaetemperatura(Figura
6),sendooscorposdeprovaacomodadosdentrodeumrecipiente(Figura7),demaneira
queocontatoentreosmesmosfosseevitado,facilitandoassimapermeaçãodaágua.Após
a etapa do banho, osmesmos foram submersos (Figura 8) na solução à 60°C e o banho
aquecido até a fervura. As amostras permaneciam embanho por 24 horas consecutivas.
Após, o banho foi abastecido com água deionizada fria até a temperatura de 30°C e os
corposdeprovaforamretiradosecondicionadosdurante3horasemcondiçõesambientais
controladas(23±2°Ce50±10%UR)paraatingiroequilíbriotérmicocomoambientedo
laboratório. Após o equilíbrio térmico e monitoramento da temperatura dos corpos de
provaportermômetroalaser,foramrealizadastrêsmediçõesnaposiçãomarcadaparaa
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determinação da média aritmética do comprimento final (ℓ1). A expansão por umidade
(EPU)foicalculadaconformeaequaçãoabaixo:
EPU=((ℓ1-ℓo)/ℓo)x1000
Figura6–Banhotermostáticoconectadoadoisbarriletescomsolução.
Figura7–Recipienteparaacomodaroscorposdeprovanobanho.
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Figura8–Corposdeprovasubmersosnobanhotermostatizado.
3.Resultadosobtidosparaaformulação15-07-014
ConformecitadonãoexistejuntoaABNTnormaespecíficaparaadeterminaçãoda
EPU em blocos cerâmicos. Sendo assim foram comparados os resultados obtidos com a
metodologiadesenvolvidanoIMC(banhotermostático)comametodologiautilizadapara
placa cerâmica (autoclave), umavezquena alvenaria estesprodutosdevemdemonstrar
seu desempenho perante critérios técnicos comuns e a EPU é um deles. Foram
encaminhadoscorposdeprova(blocosmaciços)elaboradosnoIMCparaadeterminação
daEPU,atravésdométododeDeterminaçãodaExpansãoporUmidadeemPlacaCerâmica
–Autoclave,noLaboratóriodeDesenvolvimentoeCaracterizaçãodeMateriais-LDCMdo
SENAI/FIESCemCriciúma,SC. NaFigura9sãoapresentadososresultadosdeEPUobtidosnoIMC(BanhoT.)enoLDCM(Autoclave)paraacomposição15-07-014(90%argila0034-
14+10%rocha0038-13).Os resultadosda caracterização tecnológica estãomostrados
nasFiguras10e11.
ComopodeserobservadonaFigura9,osresultadosdeEPUparaacomposição15-
07-014 atingiram seu menor valor para a temperatura de ~800°C. Com o aumento da
temperaturade queima (>800°C) se verificou a tendência de aumentodaEPUpara essa
mistura,porémsemcomprometerodesempenhoparaesserequisitotécnico(<0,6mm/m).
O que se observa é que todos os valores de EPU da mistura, com exceção àqueles da
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temperaturadequeimade750°C,forammuitoinferioresaoslimitessugeridospelanorma
pelanormaNBR13818:1997utilizadaparaplacascerâmicas.
Figura9–ResultadosdeEPUobtidosparaacomposição15-07-014embanhotermostáticoeautoclave
Figura10–Móduloderesistênciaàflexãoparaoscorposdeprovadacomposição15-07-014queimadosà750,800,850,900e950°C.
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Foram observados resultados de módulo de resistência a flexão satisfatórios, conforme
valoressugeridospelanormaABNTNBR15270-3,paraacomposiçãocerâmica15-07-014
aqualminimizouosefeitosdaEPU.Aresistênciaàflexãoaumentousignificativamentecom
o aumento da temperaturas de queima de 750 e 950°C, tendendo a um valor constante
paratemperaturasmaisaltasnestascondiçõesdeensaio.
Figura11–Absorçãodeáguaparaoscorposdeprovadacomposição15-07-014queimadosà750,800,850,900e950°C.
Osvaloresdeabsorçãodeáguaobtidosparaacomposição15-07-014diminuíram
como consequência das maiores interações fisico-químicas das matérias primas
(argila+rocha)provocadaspeloaumentonatemperaturadequeima.Paraastemperaturas
de queima investigadas esse é um resultado muito positivo, pois confere ao produto
desempenho finalmuito superior ao que se observa nomercado, o qual exige produtos
(blocoscerâmicos)comabsorçãodeáguadenomáximo22%.
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4.Conclusão
Através dos resultados obtidos para a EPU da composição 15-07-014 pode-se
concluirqueociclodeprocessamentovalidadoparaastemperaturasdequeimaentre800
e 950°C minimizou os efeitos da EPU, com uma redução do valor inicial de
aproximadamente58%paraatemperaturade800°C.Alémdisso,eprincipalmente,nãofoi
comprometido o desempenho técnico do material desenvolvido, como pode-se verificar
nosresultadosobtidoscomacaracterizaçãotecnológica,tantodomóduloderesistênciaà
flexãoquantodaabsorçãodeágua.Portanto,amisturadesenvolvidacomadiçãoderocha
naproporçãodefinidaparaessaformulaçãoatendeuatodososrequisitosdedesempenho
previsto nas normas vigentes no país para desempenho de blocos para alvenaria. Estes
resultados, mesmo tendo em conta a escala na qual foram desenvolvidos, validam e
permitemqualificarodesempenhodosmateriaiscerâmicosaseremfabricadoscomessas
matériasprimas regionais, umavez respeitadasasvariáveisdeprocessamentoaplicadas
paraocontroledemicroestruturaobtida,comoporexemploagranulometriadarochaeas
temperaturas de queima. A adição de rocha na argilamaximizou a resistênciamecânica
entre40a70%ereduziuaabsorçãodeáguaentre10e18%,paratemperaturasde800a
950°C.Estesdois indicadoresseconstituemnosprincipaiscritériosdedesempenhopara
blocos cerâmicos normatizados pela ABNT. Pode-se facilmente conjecturar que as novas
formulações venham a servir de base para novos conceitos de desenho de produto,
permitindoafabricaçãodeblocoscomnovasgeometrias,maislevesparaasuaprodução,
manipulação, transporte e aplicação no canteiro de obra. Consequentemente haverá
impactopositivotambémnaeficiênciaenergéticaparaacadeiadaproduçãodacerâmica
vermelhadeblocosparaalvenariacomobônus deofereceraomercadoumprodutode
baixaEPU.
PS. Em anexo pode ser encontrado um Guia de Certificação de Materiais, em forma de
fluxograma,oqualexpõepassoapassocadaetapanecessáriadeseleção,processamento,
caracterizaçãotecnológicaedeexpansãoporumidade,válidotantoparamatériasprimas
comoparaformulações,emconformidadecomametodologiaapresentadanesteboletim.
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ANEXO
onde:
STA – Análise térmica simultânea (termogravimétrica, TG, e calorimétrica diferencial, DSC)
DRX – Difração de raios X
FRX – Fluorescência de raios X
EPU – Expansão por umidade