CARACTERIZAÇÕES REALIZADAS COM ARGILAS DA REGIÃO DO CARIRI - CEARÁ

Amélia De Santana Cartaxo Engenharia de Materiais /UFCA ameliacartaxo@gmail.com

Laedna Souto Neiva Professora/UFCA laedna@cariri.ufc.br Antonio Demouthie de Sales Rolim Esmeraldo Engenharia de Materiais /UFCA tierolim@hotmail.com Maria Isabel Brasileiro Professora/UFCA isabelbras@cariri.ufc.br

1 Introdução

A indústria cerâmica brasileira tem participação de cerca de 1% no PIB nacional, sendo aproximadamente 40% desta participação representada pelo setor de cerâmica vermelha, também conhecida como cerâmica estrutural, a qual pertence a um segmento industrial de uso intensivo de mão de obra. Esse setor de cerâmica vermelha consome cerca de 70 milhões de toneladas de matérias-primas por ano, através das 12 mil empresas distribuídas pelo país, a maioria de pequeno porte, gerando centenas de milhares de empregos (MACEDO et al, 2008). No estado do Ceará, existem aproximadamente, 254 fábricas de produtos de cerâmica vermelha em atividade, distribuídas na sua maioria em pelo menos 10 municípios, oferecendo cerca de 8.000 empregos diretos e 30.000 indiretos (FIEC, 2012). Neste setor prevalecem as micro-empresas familiares com técnicas essencialmente artesanais e empresas de pequeno e médio porte que utilizam processos produtivos tradicionais (ANUÁRIO ESTATÍTICO, 2010, p.33). Na região do Cariri o número de fábricas chega a aproximadamente 30 empresas (MEHISUFC, 2014), sendo estas indústrias, de minerais não-metálicos, caracterizada como uma indústria “nativa” da Região, com uma estrutura de gestão marcadamente familiar, onde a presença das micro e pequenas olarias ainda é importante. O processo de manufatura, na maioria das fábricas da região do Cariri-CE, é simples e envolve a mistura de dois tipos de argila com água, passando em uma extrusora. A secagem, em algumas delas, é realizada ao ar livre, e a queima é feita usando lenha como combustível. Neste caso, todo o processo, na maioria das indústrias, fica comprometido, pois as peças não são monitoradas de forma adequada, comprometendo a sua qualidade e o rendimento da indústria. Outro agravante é que, a região do Cariri-CE, situa-se na região Sul do Estado do Ceará a aproximadamente 600km de distância da Capital Fortaleza e 500km de Campina Grande-PB, onde pode-se encontrar centros de pesquisa especializados, os quais poderiam realizar os testes necessários para aprimoramento das matérias-primas e dos produtos resultantes, sendo que a distância tornase um obstáculo. Este fato faz com que a região do Cariri-CE, possua um padrão produtivo considerado tecnologicamente atrasado quando comparadas a outras regiões do Brasil. Sendo que, o Anuário Estatístico (2010), relata que o Brasil também se encontra tecnologicamente atrasado frente a outros países produtores de cerâmica vermelha. Na opinião de Menezes et al. (2001), apesar da grande importância econômica e social da cerâmica vermelha no país, a grande maioria das jazidas de argilas não é devidamente estudada, não havendo, em geral, dados técnico-científicos que orientem sua aplicação industrial da maneira mais racional e otimizada possível. Desta maneira, este trabalho tem como objetivo a caracterização física e química das argilas utilizadas em olarias na região do Cariri- Ceará, como forma de desenvolver produtos que possuam características eficazes e que se enquadrem dentro das normas técnicas.

2 Fundamentação Teórica

As argilas são compostas normalmente por diferentes minerais, que se misturaram durante o processo de fabricação. A quantidade e a natureza desses compostos, a composição química, granulometria das partículas e outros parâmetros da matéria-prima como o comportamento em presença de água, determinam as características do produto cerâmico. Desta maneira, o estudo das matérias-primas faz-se necessário para otimização do processo de fabricação, porém isto não é realizado por muitas indústrias brasileiras. O termo argila permite vários conceitos subjetivos e interpretativos, tornando-o, de certa forma, indefinível e com vários sentidos. As várias definições de argila dependerão do profissional que irá utiliza-la ou estuda-la, sejam eles, engenheiros civis, geólogos, agrônomos, mineralogistas, químicos, petrólogos, ceramistas, pedólogos, sedimentólogos, etc., os quais a definirá pelas suas propriedades, sua gênese, ou ainda pelas suas aplicações. Segundo Souza Santos (1989), a argila é um material natural terroso, de granulação fina, que

Caderno de Experiências geralmente adquire, quando umedecido com água, certa plasticidade. E todas as argilas são constituídas principalmente por partículas cristalinas extremamente pequenas de um número restrito de minerais conhecidos como “argilominerais”. Os argilominerais são silicatos de alumínio, ferro e magnésio hidratados, com estruturas cristalinas em camadas (filossilicatos), constituídos por folhas contínuas de tetraedros SiO4, ordenados de forma hexagonal, condensados com folhas octaédricas de hidróxidos de metais di e trivalentes; a maioria dos argilominerais, naturalmente, é constituídas essencialmente por partículas(cristais) com algumas dimensões geralmente abaixo de 2μm. (SOUZA SANTOS, 1989). A partir da complexibilidade da composição da argila, não existem duas argilas iguais e suas propriedades são definidas pelos constituintes mineralógicos que a compõem (SOUZA SANTOS, 1989). Dessa forma, a caracterização, a identificação e o conhecimento das propriedades das argilas utilizadas, tornam-se fundamental para o processamento e uso das matérias-primas, pois, fornecerão informações sobre o comportamento de um produto cerâmico durante sua preparação e as suas propriedades finais (ANUÁRIO BRASILEIRO DE CERÂMICA, 2012). O método utilizado para caracterizar a composição química de matérias-primas é a análise química. É um processo que fornece informações químicas ou físicas sobre uma amostra ou sobre a amostra, sabendo do que se trata o material assim como, a quantidade de cada elemento químico presente. Uma das características físicas mais importantes de uma argila é a sua plasticidade. É o que a faz ser utilizada nos vários processos industriais. O termo plasticidade se refere à propriedade que um sistema possui de se deformar pela aplicação de uma força e de manter sua forma quando essa força é retirada. Nas argilas, a resultante das forças de atração entre partículas de argilominerais e a plasticidade é a ação lubrificante da água entre as partículas anisométricas lamelares. A plasticidade se desenvolve quando a argila tem água suficiente para cobrir toda a superfície acessível do argilomineral com uma película de “água rígida” (água um pouco orientada, com propriedades mais próximas do gelo do que a água no estado líquido) mais um pouco de água líquida, não orientada, que age como um meio lubrificante facilitando o deslizamento das placas umas sobre as outras quando uma tensão tangencial é aplicada (SOUZA SANTOS, 1989). Sendo assim, argilas com composições mineralógicas diferentes apresentam comportamentos plásticos diferentes, embora os seus teores de água possam ser iguais. Para Ribeiro et al. (2004), ao se estudar a plasticidade das massas plásticas cerâmicas, existem vários métodos de determinação, os quais podem ser divididos em dois grupos, um deles são os métodos indiretos. Os métodos indiretos incluem medições da: proporção de água necessária para desenvolver na massa uma determinada consistência; proporção de matéria coloidal presente na argila; viscosidade da massa; penetrabilidade da massa; resistência à flexão e retração à verde. De acordo com Ribeiro et al. (2003), geralmente uma massa com maior plasticidade incorpora mais água até fluir (comportamento de uma barbotina). Isto significa que uma argila mais plástica precisa de mais água, para desenvolver a plasticidade, do que outra menos plástica. Este é o fundamento de índice de plasticidade de Atterberg. Quando pequenas quantidades de água são adicionadas pouco a pouco a uma massa seca, alcança-se inicialmente um estado em que esta começa a apresentar alguma coesão. Este estado corresponde à quantidade mínima de água requerida para formação de um filme estável envolvendo cada partícula argilosa. Se continuar a ser adicionada mais água, a massa plástica torna-se cada vez mais mole, alcançando-se um estado em que começa a fluir sob ação do seu próprio peso (passa a comportar-se como uma barbotina). Segundo Caputo (1994), sendo a umidade (h) de um solo argiloso muito elevada, este se apresenta como um fluido denso e em estado líquido. À medida que evapora a água, ele se endurece e, para certo h = LL, perde sua capacidade de fluir, porém, pode ser moldado facilmente e conservar sua forma. O material encontra-se, agora, no estado plástico. Continuando a perder umidade, o estado plástico desaparece até que, para h = LP, o solo se desmancha ao ser trabalhado. Este é o estado semisólido. A continuar a secagem, ocorre a passagem gradual para o estado sólido. A Figura 1 a seguir, ilustra tal fenômeno físico.

Figura 1 - Esquema dos estados de consistência e suas fronteiras

Fonte: CAPUTO, 1994. De acordo com Barba et al.,1997, o Limite de Plasticidade é determinado através da modelagem manual de pequenos cilindros. Assim, o LP corresponde ao teor de água em porcentagem do peso de massa seca a 110ºC, acima do qual a amostra de argila pode ser enrolada em cilindros,

com diâmetro de 3mm e aproximadamente 15cm de comprimento. O limite de liquidez (LL) é medido por meio da colher de Casagrande. Para isso, a massa é colocada na tigela e se determina o número de golpes que são necessários para que os lados do sulco, realizado com um cinzel padronizado, unamse em pelos menos 1 cm. Os ensaios são repetidos várias vezes através de massas preparadas com distintas quantidades de umidade, definindo o limite de liquidez (LL) como a quantidade de umidade a qual o sulco se fecha em 25 pancadas. No caso de não se conseguir obter a condição estipulada pelo método para as 25 pancadas, emprega-se a equação 1, que segundo o American Society for Testing Materials, pode-se chegar a esse valor em função de um número de pancadas compreendido entre certos limites. Limite de Liquidez = WN (N/25)0,12 (1) Onde, WN = percentagem de umidade correspondente N = o número de pancadas da determinação O índice de plasticidade (IP) que é calculado pela equação (2), define a zona em que o solo se acha no estado plástico. Assim, quanto maior o índice de plasticidade, mais plástico será o solo (CAPUTO, 1994). IP = LL - LP (2) Para Macedo (2005), as argilas são tanto mais compressíveis quanto maior for o IP. Os solos argilosos poderão ser classificados em: • fracamente plásticos................................1 < IP < 7 • medianamente plásticos.........................7 < IP < 15 • altamente plásticos...................................... IP > 15

3 Procedimentos Metodológicos

Foram analisadas quatro amostras provenientes da Cerâmica Pé Seco localizada no município do Crato-CE denominada como na indústria: argila branca 1(AB1), argila branca 2(AB2), argila verde(AV) e barro preto(BPps) e quatro amostras provenientes da Cerâmica Batateiras localizada na região do Crato-CE denominadas argila do meio(AM), barro vermelho(BV), Barro preto(BPcb) e Barro Branco(BB). Primeiramente as amostras foram submetidas a um beneficiamento, sendo trituradas em um moinho tipo galga e colocadas na estufa para secagem. Uma parte das argilas foram passadas em peneira ABNT nº200 e enviadas ao Departamento de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Campina Grande – Paraíba, com o propósito de serem analisadas quimicamente. A análise semiquantitativa dos elementos presentes nas amostras foi determinada por fluorescência de raios-X por energia dispersiva, utilizando um equipamento da marca SHIMADZU, modelo EDX-720. A fluorescência de raios-X (XRF) utiliza sinais de raios-X para excitar uma amostra desconhecida. Os elementos individuais presentes na amostra emitem seus raios-X característicos (fluorescentes). O EDX detecta estes raios-X e, qualitativamente, determina quais elementos estão presentes no material. Para o estabelecimento do índice de plasticidade, realizou-se o peneiramento em malha ABNT Nº 40 de abertura 0,42mm e o método empregado nessa determinação foi o Atterberg. Assim, pode-se calcular limite de plasticidade, o limite de liquidez e o índice de plasticidade segundo as Normas da ABNT 6459 e 7180. A umidade em cada ponto foi calculada por: H (%) = [(P1 – P2) / (P2 – P)] x 100 (3) Onde P1 é a massa úmida, P2 é a massa seca e P é a massa do recipiente. O limite de liquidez foi determinado através do aparelho Casagrande e calculado pela Equação (1) anteriormente citada, da American Society for Testing Materials. Essa equação é utilizada no caso de não se conseguir obter a condição estipulada pelo método para as 25 pancadas. Para o limite de plasticidade (LP), foram confeccionados cilindros que ao se fragmentar, imediatamente seus pedaços foram colocados em um recipiente e a umidade foi determinada pela Equação (3). Essas operações foram reproduzidas até que três valores obtidos ficaram no intervalo de 5% da média. Então o limite de plasticidade foi expresso pela média dos teores de umidade obtidos como indicado acima, aproximando-se para o número inteiro mais próximo. Diante disso, o índice de plasticidade (IP) foi calculado pela subtração entre os limites de liquidez e de plasticidade, a partir da Equação (2), para cada uma das argilas, fazendo uma análise comparativa entre elas.

4 Resultados e discussão

A Tabela 1 e a Tabela 2 apresentam a composição química das amostras que estão sendo estudadas das indústrias, Cerâmica Pé Seco e Cerâmica Batateiras, respectivamente.

Tabela 1. Composição química das amostras da Cerâmica Batateiras

Amostra

Óxidos AM BB BPcb BV

SiO2 Al2O3 Fe2O3 60,14% 67,44% 62,46% 65,18% 23,17% 25,44% 23,37% 26,71% 7,4% 2,81% 5,98% 4,37%

K2O 3,77% 1,78% 2,78% 1,70% MgO 3,16% 0,97% 2,44% 1,25% CaO 0,61% 0,38% 0,98% -TiO2 1,04% 0,86% 0,97% 0,67% Outros óxidos 0,71% 0,31% 1,01% 0,11%

Tabela 2. Composição química das amostras da Cerâmica Pé Seco Amostras

Óxidos AV BPps AB1 AB2 Tabela 4. Relações entre os teores de óxidos das matérias-primas da Cerâmica Pé Seco

AMOSTRA SiO2/Al2O3

AV BPcp AB1 AB2 2,33 2,63 2,35 2,42 TOTAL DE FUNDENTES 8,18 6,98 7,26 7,63

SiO2 56,114% 61,263% 58,104% 63,149% Al2O3 24,045% 23,274% 24,685% 26,091% Fe2O3 10,259% 6,807% 8,612% 2,453% K2O 4,286% 3,30% 3,62% 2,644% MgO 3,445% 2,347 3,181% 4,147% CaO 0,447% 1,332% 0,457% 0,834% TiO2 1,215% 1,085% 1,147% 0.478%

Outros óxidos 0,19% 0,593% 0,194% 0,199%

Pode-se observar, a partir das tabelas 1 e 2, que todas as amostras analisadas apresentaram composições típicas, segundo Souza Santos (1989), de matérias-primas utilizadas na indústria de cerâmica vermelha, com altos teores de sílica (SiO2) e óxido de alumínio (Al2O3). Destaque pode ser dado aos teores de óxidos de ferro, os quais podem ser encontrados na forma de hematita (Fe2O3) e magnetita (Fe3O4), e que proporcionarão a cor vermelha dos produtos. De acordo com Silva et al. (2011), as argilas possuem cor avermelhada quando o ferro está na forma de hematita e cor preta quando está na forma de magnetita. As amostras que apresentam maiores teores de SiO2, pode resultar na redução da plasticidade das massas, entretanto, podendo vir a influenciar de forma positiva na permeabilidade e na estabilidade dimensional dos copos de prova. As amostras designadas por BB (Tabela 1) e AB2 (Tabela 2) apresentaram predominância de SiO2 e Al2O3, entretanto, diferente das demais, a porcentagem de Fe2O3 provavelmente não será suficiente para proporcionar a coloração avermelhada após a queima. Nas tabelas 3 e 4 estão descritas as relações entre os óxidos presentes em porcentagem nas amostras da Cerâmica Batateiras e Cerâmica Pé Seco, respectivamente. Tabela 3. Relações entre os teores de óxidos das matérias-primas da Cerâmica Batateiras

AMOSTRA SiO2/Al2O3 TOTAL DE FUNDENTES

AM 2,6 7,54

BB

BPcb

BV 2,65 2,67 2,44 3,13 6,2 2,95 Observou-se, a partir das Tabelas 3 e 4, que as porcentagens de álcalis e fundentes variaram de 2% a 8%. Esses óxidos, chamados fundentes são responsáveis pela redução do ponto de fusão da mistura das matérias-primas e auxiliam o processo de densificação das peças, deixando-as mais compactas e com maior resistência mecânica. Desta maneira, as amostras com maiores teores desses elementos provavelmente terão a temperatura de sinterização dos corpos de prova reduzida quando comparadas as demais. Possivelmente, as proporções de óxidos que as amostras possuem, influenciarão tanto nas características de plasticidade quanto no comportamento após a sinterização das peças. As Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados dos limites de plasticidade, limite de liquidez e índice de plasticidade das amostras de argilas da Cerâmica Batateiras e Cerâmica Pé Seco, respectivamente.

Tabela 5 - Limite de Liquidez, Limite de Plasticidade e Índice de plasticidade das amostras da Cerâmica Batateiras Amostra Limite de Liquidez LL

AM BB BPcb BV 46,1 27,3 35,7 20,8

Limite de Plasticidade LP 23,1 7,8 18,2 --

Índice de PlasticidadeIP 23,0 19,5 17,5 -Tabela 6 - Limite de Liquidez, Limite de Plasticidade e Índice de Plasticidade das amostras da Cerâmica Pé Seco

Amostra Limite de Liquidez LL

AV

63,4 BPpc 23,7 AB1 AB2 58,8 37,1 Limite de Plasticidade LP 33,06 8,32 27,3 23,3

Índice de Plasticidade IP 30,4 15,4 31,6 8,9 Pelas Tabelas 5 e 6, observou-se que as amostras apresentaram limite de liquidez variando de 20% a 63,4%. A amostra Barro vermelho – BV, a qual apresentou limite de liquidez de 20,8% não foi capaz de ser moldada, sendo considerada uma argila não plástica. A medida do limite de liquidez ou a porcentagem da umidade de uma amostra, a qual passa do estado

líquido para o estado plástico, determina quando a mesma pode ser moldada sem perder a sua forma. Isso acontece se o número de golpes for próximo de 25. Portanto, o cálculo do limite de liquidez é um fator importante na indústria de cerâmica vermelha, pois marca o momento em que as técnicas de moldagem podem ser utilizadas sem desperdícios de matéria-prima e energia. Quanto ao índice de plasticidade, as amostras AM, BB, BPcb, AV, AB1 e BPcp apresentaram valores dentro da faixa de plasticidade alta adequada para a produção de materiais cerâmicos, os quais se podem citar: blocos e telhas, segundo (MACEDO, 2005). Observou-se também, que a argila AB2 apresentou um índice de plasticidade, que segundo Macedo (2005) caracteriza plasticidade mediana e que a argila AV apresentou índice de plasticidade superior as demais, provavelmente por apresentar em sua composição teores de SiO2 menores e teores de fundentes maiores, vindo proporcionar uma plasticidade maior na argila. Ao compararmos os dados obtidos entre as amostras, pôde-se observar que as argilas utilizadas pela Cerâmica Pé Seco, apresentaram plasticidade maior que as da Cerâmica Batateiras, sendo assim quando adicionada a massa cerâmica, necessitará de uma quantidade de água superior para moldagem dos produtos.

Considerações Finais

Foram estudadas 8 amostras de argilas fornecidas por duas indústrias de cerâmicos da Região do Cariri-CE, objetivando analisá-las preliminarmente e compara-las quanto às características química e de plasticidade. Na análise das propriedades observou-se o seguinte: As argilas denominadas AM, BPcb, BV, AV, BP e AB1 as quais possuem teores elevados de óxido corante, Fe2O3, provavelmente fará com que os produtos queimem com a cor vermelho-marrom, sendo que esse teor é ainda maior nas argilas denominadas AV, BPps e AB1. Por outro lado, as argilas denominadas por BB e AB2, devido ao baixo teor de óxido corante, provavelmente dará cor clara aos produtos fabricados com as mesmas. As amostras AV, BPps, AB1 e AB2 apresentaram teores de óxidos fundentes mais elevados que as demais, e dessa forma provavelmente apresentarão menor temperatura de queima. A argila AB1 apresentou índice de plasticidade mais elevado seguida da amostra AV, AM, BB, BPcb, BPps e AB2. A argila BV não apresentou plasticidade, e, portanto é utilizada na indústria em misturas com outras argilas plásticas, já que normalmente numa massa cerâmica nunca se usa apenas uma argila. Contudo, com os resultados e conclusões obtidos no estudo, foi possível conhecer as composições químicas e as características de plasticidade das argilas utilizadas pelas empresas e a partir daí, traçar metas para estudos mais amplos. Foi possível observar também que as argilas utilizadas pela região apresentam características típicas das que estão sendo utilizadas pelo país como um todo. Essa pesquisa torna-se pioneira na região do Cariri, pois está sendo feita próxima as indústrias e com parcerias bastante promissoras, o que torna viável para as indústrias visto que, além de diminuir distâncias entre empresa-centro de pesquisa, estão sendo feitos estudos das matérias-primas utilizadas pelas mesmas acarretando em possíveis diminuições dos custos dos produtos, diminuição das perdas além de adequar os produtos aos padrões estabelecidos por Normas. Entretanto, esse estudo ainda é preliminar, sendo feito em algumas indústrias cerâmicas com as matérias-primas por elas utilizadas. Para que haja uma ampliação na pesquisa de forma geral e mais matérias-primas e produtos e mais indústrias sejam alcançadas com o estudo, torna-se necessário que nossos laboratórios estejam com mais equipamentos e assim, mais análises sejam realizadas aqui na UFCA, pois muitas das análises que são feitas fora da região leva tempos superiores ao previsto, atrasando desta maneira as conclusões e medidas que poderiam ser tomadas para dar êxito ao estudo, sendo esta uma das nossas limitações.

Referências

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