Características de plasticidade de argilas para uso em cerâmica vermelha ou estrutural

 

(Plasticity characteristics of clays for use in structural clay products)

 

L. F. A. Campos¹, R. S. de Macedo¹, P. K. Kiyohara², H. C. Ferreira^1
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INTRODUÇÃO

O método de análise térmica diferencial (ATD) é de uso corrente no Brasil no estudo de argilas, visando principalmente a identificação dos argilominerais presentes. No caso de argilas plásticas para uso em cerâmica vermelha é tradicional o uso de ATD para identificação mineralógica [1]. Um dos mais completos estudos sobre a composição mineralógica de argilas para cerâmica pode ser encontrado no trabalho de Souza Santos e Souza [1], onde são consideradas as argilas plásticas para cerâmica vermelha. Estas matérias-primas tem como argilomineral predominante a caulinita mal cristalizada de origem quaternária recente, podendo também conter ilitas principalmente no caso de folhelhos e impurezas de esmectitas. Deve ser mencionado que o uso da ATD é restrito no caso de mistura de argilominerais devido ao fato da posição e intensidade dos picos das transformações endo e exotérmicas serem alteradas [2].

Uma das lacunas existentes na metodologia proposta por Souza Santos [2], para o estudo de argilas desconhecidas, é a falta de especificações relativas às características de plasticidade, que poderá ser parcialmente sanada através destes estudos propostos que trataram especificamente das argilas para uso na confecção de tijolos cerâmicos furados.

O mecanismo de plasticidade nas argilas tem sido muito estudado e discutido [3]. Plasticidade é a propriedade que um sistema rígido possui de deformar-se, sem romper-se, pela aplicação de uma força (tensão) e de reter essa deformação quando a força aplicada é retirada. Se o sistema argila-água não fosse adequadamente plástico, não seria possível moldagem de produtos de cerâmica vermelha por extrusão [4].

A plasticidade das argilas úmidas é essencialmente resultante das forças de atração entre as partículas lamelares de argilominerais carregadas eletricamente e a ação lubrificante da água que existe entre partículas lamelares. Pode-se admitir que a plasticidade desenvolve-se quando o sistema argila-água, tem água suficiente para cobrir a superfície acessível dos argilominerais com uma película de água rígida, isto é, não-líquida, e mais um pouco de água líquida, isto é, não orientada, a qual age como um meio lubrificante, facilitando o deslizamento das placas umas sobre as outras quando uma tensão tangencial for aplicada. Essas duas águas expressas porcentualmente em relação à massa da argila seca são os índices de Atterberg. Esse fato significa que a água age não somente como um meio inerte para separar as partículas dos argilominerais e para variar as forças de atração-repulsão entre elas, mas também tem um papel muito ativo na propriedade de plasticidade, orientando as partículas lamelares na direção do fluxo. Como as moléculas de água orientadas estão presas na superfície dos argilominerais por pontes de hidrogênio, elas também servem para ligar as partículas de argilominerais entre si na forma úmida (a verde) da argila, dando origem às várias formas da resistência mecânica da argila verde [4].

De um modo geral, a plasticidade das argilas é a propriedade que interessa a toda indústria cerâmica. As exigências relativas a esta propriedade variam todavia gradativamente de ramo para ramo industrial [5].

As características de plasticidade dos solos são tradicionalmente determinadas pelo método de Casagrande e são constituídas pelo limite de plasticidade (LP), limite de liquidez (LL) e índice de plasticidade (IP), também denominamos de índices de Atterberg [6]. O limite de plasticidade é o teor de água, expresso em porcentagem de argila seca a 110 ºC de uma massa plástica, acima do qual a massa pode ser moldada na forma de cilindros de cerca de 3 mm a 4 mm de diâmetro e 15 cm de comprimento, as argilas que não formam esses cilindros com qualquer teor de água são consideradas não-plásticas. O limite de liquidez é o teor de água, expresso em porcentagem de argila seca a 110 ºC, acima do qual a massa flui como um líquido, quando agitada ligeiramente. O índice de plasticidade é a diferença entre o limite de liquidez e o limite de plasticidade [7]. Modernamente a sistemática proposta por Casagrande para determinação dos índices de Atterberg tem sido criticada em função dos mais variados aspectos [6], tendo sido introduzidas recentemente determinações idênticas pelo cone de penetração. Segundo Casagrande [8], a principal desvantagem apresentada pelo tradicional ensaio de LL é o fato deste consistir em um ensaio dinâmico de cisalhamento, não podendo, portanto, produzir resultados reprodutíveis para estabelecer-se comparações entre solos argilosos de grãos finos, visto que, os mesmos apresentam diferentes reações se submetidos a ensaios com vibrações. Neste sentido, o ensaio do limite de liquidez determinado através do cone de penetração elimina a referida desvantagem, uma vez que este ensaio é do tipo estático.

O LL executado através do cone de penetração vem sendo adotado como método alternativo em diversos países. Recentemente pesquisadores como: Wasti [9] , Wood e Wroth [10], Silveira [11], entre outros, propõem o uso do cone de penetração também para determinação do IP.

Schofield e Wroth [12] baseados na teoria do estado crítico, mostraram que existe um relacionamento direto entre o teor de umidade (h) e a resistência ao cisalhamento do solo (R_c):

h + A log R_c = cte (A)

onde A é uma constante.

Levando em consideração a indicação de Skempton e Norkey [13] é possível, usando-se o critério de resistência, definir o IP como sendo o teor de umidade o qual produz também, uma variação de 100 vezes na resistência do solo. Desta maneira tem-se que:

h_LL + A log R_cLL = h_LP + A log R_cLP, como R_cLP = 100 R_cLL

tem-se que:

IP = 2A (B)

Com cones geometricamente semelhantes, Hansbo [14] baseado no mecanismo da penetração do cone (d) e Wood e Wroth [15] com base em análise dimensional, obtiveram a mesma relação:

Sendo P o peso do cone.

Para cones de peso (P) constante, a relação (C) pode ser expressa desta maneira:

Se na relação (A) substituímos as relações (B) e (D) tem-se que:

h = IP log d + cte (E)

Observa-se que esta relação assemelha-se com a relação do tipo y = ax + b. Assim sendo, a relação (E) serve para determinar tanto o LL (teor de umidade correspondente a penetração de 20 mm) como também o IP (declividade da reta no plano h x log d), onde:

IP = LL – LP (F)

O objetivo deste trabalho é estudar a mineralogia de 15 amostras de argilas plásticas usadas na indústria de cerâmica vermelha do estado da Paraíba, pelo método de ATD, bem como sua faixa de plasticidade através dos índices de Atterberg determinados pelo método de Casagrande e cone de penetração.

 

PARTE EXPERIMENTAL

Materiais

Foram selecionadas 15 amostras de um lote de 25 amostras de argilas plásticas para cerâmica vermelha, usadas na fabricação de tijolos furados. Estas argilas são provenientes de diferentes regiões hidrográficas do estado da Paraíba e foram estudadas por Macedo e colaboradores [16, 17].

A seguir, são listadas as amostras e as respectivas bacias hidrográficas.

• A-02, A-07, A-08, A-09, A-10, A-11, A-12 e A-13 - Rio Mamanguape.
• A-04, A-05, A-16, A-18, A-19 e A-20 - Rio Paraíba.
• A-21 - Rio Seridó.

 

MÉTODOS

Análise Térmica Diferencial (ATD)

Para análise térmica diferencial foi utilizado o método de ATD descrito por Souza Santos [2]. A taxa de aquecimento foi de 12,5 ºC/min da temperatura ambiente até 1100 ºC. O padrão utilizado foi o óxido de alumínio (Al₂O₃) calcinado até 1500 ºC e com granulometria inferior a peneira ABNT n.º 200 (0,074 mm).

Características de plasticidade

As características de plasticidade das amostras foram determinadas através dos métodos abaixo relacionados.

Método de Casagrande - Após secagem em temperatura ambiente, as amostras foram passadas em peneira ABNT N.º 40 (0,42 mm) e em seguida foram determinados o LL, LP e IP pelo ensaio de Casagrande, segundo método do DNER [18].

Método do cone de penetração - Após secagem em temperatura ambiente, as amostras foram passadas em peneira ABNT N.º 40 (0,42 mm) e em seguida foi determinado o LL pelo ensaio do cone de penetração segundo método da BSI [19]. O LP e IP pelo método do cone de penetração foram determinados através da sistemática analítica descrita por Silveira [20].

Análise Estatística

Correlações Lineares Simples – Com os resultados obtidos para as características de plasticidade determinadas pelo método de Casagrande e pelo método do cone de penetração, efetuou-se análises estatísticas através de correlações lineares simples verificando-se a interdependência entre as características de plasticidade obtidas através dos dois métodos. As correlações estatísticas lineares simples foram efetuadas no Microsoft Excel 97, por meio do método dos mínimos quadrados.

 

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Análise Térmica Diferencial (ATD)

Através das curvas de análise térmica diferencial (Figs. 1 e 2), as amostras apresentam as seguintes composições mineralógicas. A amostra A-2 apresenta os picos endotérmicos: a 135 ºC de média intensidade, característico da perda de água livre e adsorvida, a 590 ºC característico da perda de hidroxilas e a 855 ºC apresenta um pico exotérmico de pequena intensidade, característico da nucleação de mulita. A amostra A-4 apresenta os picos endotérmicos: a 130 ºC de média intensidade, característico de água livre e adsorvida, a 567 ºC de pequena intensidade, característico da perda de hidroxilas; entre 275 ºC e 530 ºC há uma banda exotérmica de baixa intensidade, característica da combustão de matéria orgânica e entre 595 ºC e 710 ºC há uma banda exotérmica de baixa intensidade com máximo a 697 ºC, característico da combustão de matéria orgânica na forma de grafite. A amostra A-5 apresenta os picos endotérmicos: a 134 ºC de alta intensidade, característico de água livre e adsorvida, a 574 ºC de pequena intensidade, característico da perda de hidroxilas; entre 282 ºC e 475 ºC há uma banda exotérmica de baixa intensidade, característica da combustão de matéria orgânica e a 881 ºC apresenta um pico exotérmico de baixa intensidade, característico da nucleação da mulita. A amostra A-7 apresenta os picos endotérmicos: a 129 ºC de alta intensidade, característico de água livre e adsorvida, a 590 ºC de alta intensidade, característico da perda de hidroxilas; entre 697 º e 715 ºC há uma pequena banda exotérmica, com máximo a 705 ºC, característica da combustão de matéria orgânica na forma de grafite e pico exotérmico de baixa intensidade com máximo a 914 ºC, característico da nucleação de mulita. A amostra A-8 apresenta os picos endotérmicos: a 132 ºC característico de água livre e adsorvida, a 583 ºC de média intensidade, característico da perda de hidroxilas e entre 610 ºC e 990 ºC há uma banda exotérmica, com máximo a 941 ºC, característico da combustão de matéria orgânica na forma de grafite. A amostra A-9 apresenta os picos endotérmicos: a 129 ºC de alta intensidade, característico de água livre e adsorvida, a 582 ºC de alta intensidade, característico da perda de hidroxilas e a 871 ºC, um pequeno pico exotérmico característico da nucleação mulita. A amostra A-10 apresenta os picos endotérmicos: a 134 ºC de alta intensidade, característico de água livre e adsorvida, a 586 ºC de alta intensidade, característico da perda de hidroxilas e a 900 ºC apresenta um pico exotérmico de média intensidade, característico da nucleação da mulita. A amostra A-11 apresenta picos endotérmicos: a 134 ºC de alta intensidade, característico de água livre e adsorvida, a 593 ºC de alta intensidade, característico da perda de hidroxilas; entre 635 ºC e 825 ºC há uma banda exotérmica, com máximo a 795 ºC, característica da combustão de matéria orgânica na forma de grafite e a 914 ºC há um pico exotérmico, característico da nucleação da mulita. A amostra A-12 apresenta os picos endotérmicos: a 134 ºC de alta intensidade, característico de água livre e adsorvida, a 586 ºC de média intensidade, característico da perda de hidroxilas; entre 620 ºC e 750 ºC há uma banda exotérmica, com máximo a 725 ºC, característico da combustão de matéria orgânica na forma de grafite e a 900 ºC há um pico exotérmico, característico da nucleação da mulita. A amostra A-13 apresenta os picos endotérmicos: a 134 ºC de alta intensidade, característico de água livre e adsorvida, a 575 ºC de alta intensidade, característico da perda de hidroxilas e a 910 ºC há um pico exotérmico de média intensidade, característico da nucleação da mulita. A amostra A-16 apresenta os picos endotérmicos: a 132 ºC de alta intensidade, característico de água livre e adsorvida, a 574 ºC de baixa intensidade, característico da perda de hidroxilas e a 876 ºC há um pico exotérmico de baixa intensidade, característico da nucleação da mulita. A amostra A-18 apresenta os picos endotérmicos: a 135 ºC de alta intensidade característico de água livre e adsorvida, a 565 ºC de baixa intensidade, característico da perda de hidroxilas; entre 425 ºC e 500 ºC há um pequeno pico exotérmico, característico da combustão de matéria orgânica e a 905 ºC há um pico exotérmico de baixa intensidade, característico da nucleação da mulita. A amostra A-19 apresenta os picos endotérmicos: a 129 ºC de alta intensidade, característico de água livre, a 583 ºC de alta intensidade, característico da perda de hidroxilas e a 916 ºC há um pico exotérmico de baixa intensidade, característico da nucleação da mulita. A amostra A-20 apresenta os picos endotérmicos: a 129 ºC característico da perda de água livre e adsorvida, a 564 ºC de baixa intensidade, característico da perda de hidroxilas e a 921 ºC há um pico exotérmico de baixa intensidade, característico da nucleação da mulita. A amostra A-21 apresenta os picos endotérmicos: a 142 ºC de média intensidade, característico da perda de água livre e adsorvida, a 571 ºC de baixa intensidade, característico da perda de hidroxilas; entre 375 ºC e 490 ºC há uma pequena banda exotérmica característica da combustão de matéria orgânica e a 961 ºC há um pico exotérmico de baixa intensidade, característico da nucleação da mulita.

 

 

 

 

De acordo com as características das curvas de análise térmica diferencial analisadas, é possível observar, com base nos dados da literatura [21], que se tratam de amostras de argilas quaternárias recentes, onde a caulinita mal cristalizada, é o argilomineral predominante, apresentando também matéria orgânica.

Características de Plasticidade

Os resultados obtidos para as características de plasticidade pelo uso do aparelho de Casagrande e do cone de penetração estão contidos na Tabela I.

 

 

Para o LL obtido pelo aparelho de Casagrande, verifica-se que os valores variam de 24,70% (amostra A-08) a 71,00% (amostra A-05). Para o LP obtido pelo aparelho de Casagrande, verifica-se que os valores variam de 15,42% (amostra A-09) a 37,72% (amostra A-05). Para o IP obtido pelo aparelho de Casagrande verifica-se que os valores variam de 6,82% (amostra A-08) a 34,28% (amostra A-05).

Para o LL obtido pelo cone de penetração, verifica-se que os valores variam de 26,50% (amostra A-8) a 71,60% (amostras A-05). Para o LP obtido pelo cone de penetração verifica-se que os valores variam de 6,60% (amostra A-12) a 47,70% (amostra A-05). Para o IP obtido pelo cone de penetração, verifica-se que os valores variam de 4,00% (amostra A-08) a 47,70% (amostra A-19).

Após análise do conjunto de dados obtidos pelo aparelho de Casagrande, segundo critérios utilizados em mecânica dos solos [22], estas amostras podem ser classificadas como se segue: 6,7% (A-08) fracamente plástica (1%<IP<7%), 53,3% (A-04, A-09, A-11, A-12, A-16, A-18, A-20 e A-21) mediamente plásticas (7%<IP<15%), e as demais 40% são consideradas altamente plásticas (IP>15%). Após análise do conjunto de dados obtidos pelo cone de penetração, segundo os mesmos critérios, estas amostras podem ser classificadas como se segue: 6,7% (A-08) fracamente plástica (1%<IP<7%), 6,7% (A-04) mediamente plástica (7%<IP<15%), e as demais 86,60% são consideradas altamente plásticas (IP>15%).

Análise Estatística

Existe uma correlação positiva (Fig. 3) altamente significativa entre o LL determinado através do aparelho de Casagrande e o LL determinado pelo método do cone de penetração, cuja equação representativa é Y=8,13 + 0,88X, com coeficiente de correlação igual a 0,96 e nível de significância 1,83 x 10^-6%, onde:

Y = LL determinado através do cone de penetração
X = LL determinado através do aparelho de Casagrande.

 

 

Entre o LP determinado através do aparelho de Casagrande e o LP determinado pelo método do cone de penetração existe uma pobre correlação (Fig. 4), cuja equação representativa é Y=1,12X – 5,66, com coeficiente de correlação igual a 0,65 e nível de significância 0,84%, onde:

Y = LP determinado através do cone de penetração
X = LP determinado através do aparelho de Casagrande.

 

 

É necessário desenvolver uma sistemática analítica mais adequada para a determinação do LP pelo cone de penetração, de forma a melhor representar as argilas estudadas.

Entre o IP determinado através do aparelho de Casagrande e o IP determinado pelo método do cone de penetração existe uma correlação pouco significativa (Fig. 5), cuja equação representativa é Y = 15,29 + 0,44X, com coeficiente de correlação igual a 0,36 e nível de significância 18,88%, onde:

Y = IP determinado através do cone de penetração
X = IP determinado através do aparelho de Casagrande.

 

 

CONCLUSÕES

Após estudar a mineralogia de 15 amostras de argilas plásticas usadas na indústria de cerâmica vermelha do estado da Paraíba, pelo método de ATD, e sua faixa de plasticidade através dos índices de Atterberg determinados pelo método de Casagrande e cone de penetração, bem como um estudo estatístico de correlação das características de plasticidade existentes entre esses métodos, chegou-se as seguintes conclusões:

1 – os resultados obtidos da ATD indicam tratarem-se de argilas quaternárias recentes cauliníticas com matéria orgânica;

2 – obteve-se uma faixa de plasticidade através dos dois métodos, onde o LL variou de 24,70% a 71,00%, o IP variou de 6,82% a 34,28% e o LP variou de 15,42% a 36,72% pelo método de Casagrande e o LL variou de 26,50% a 71,60%, o IP variou de 4,00% a 47,70% e o LP variou de 6,60% a 47,70% pelo cone de penetração, que são faixas de plasticidades recomendadas para argilas plásticas para utilização na indústria de cerâmica vermelha;

3 – existe uma correlação altamente significativa entre os limites de liquidez determinados pelo método de Casagrande e cone de penetração.

 

REFERÊNCIAS

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(Rec. 11/11/98, Ac. 09/02/99)