DEFINIÇÃO DE PARÂMETROS PARA A FORMULAÇÃO DE MISTURAS DE ARGILAS VERMELHAS

Grun, E.(1); Denardi, C. D.(1); Correia, S. L.(1); Folgueras, M. V.(1)

Departamento de Engenharia Mecânica. Campus Universitário Avelino Marcante s/n

Bairro Bom Retiro, Joinville, SC CEP 89223-100

dem2mvf@joinville.udesc.br

Universidade do Estado de Santa Catarina

RESUMO

As indústrias de cerâmica vermelha, em geral utilizam como única matéria prima

argilas , que em geral apresentam elevado teor de ferro e boa plasticidade. Na

preparação das massas pode-se considerar o uso de uma única argila ou trabalhar

com a combinação de várias argilas, buscando melhorar as condições de

processamento e as propriedades do produto acabado. Com o intuito de valorizar o

processo de formulação das massas, foi desenvolvido um estudo de caracterização

física, mineralógica, morfológica e térmica de diferentes argilas provenientes da

região de Canelinha, em Santa Catarina, com a finalidade de encontrar os

parâmetros adequados para uso no estudo de formulação de massas para cerâmica

vermelha. O estudo foi desenvolvido utilizando como principais técnicas de

caracterização a análise química por fluorescência de raios-X, a difratometria de

raios-X e a análise térmica. Foram consideradas 7 argilas, denominadas A, B, C, D,

E, F e G, selecionadas entre várias disponíveis em duas empresas de produção de

tijolos e telhas. Os resultados obtidos mostram as semelhanças e diferenças entre

as argilas, e as dificuldades encontradas na definição de critérios para uso no

processo de formulação.

Palavras-chave: Tijolos, argilas, Difração de raios-x, Formulação

1

INTRODUÇÃO

O estudo de matérias primas argilosas empregadas nas indústrias de cerâmica

vermelha estrutural, têm como meta a busca de informações que possam auxiliar no

desenvolvimento de produtos e processos. O resultado poderá ser refletido através

da obtenção de tijolos e telhas de melhor qualidade, seja por mudanças nas

formulações das misturas, seja por melhorias no processo de fabricação, através do

controle das propriedades das matérias primas.

A importância da busca do conhecimento sobre as matérias primas argilosas,

e sua relação com a qualidade dos produtos, pode ser confirmada pela grande

quantidade de material científico disponível (1)(2)(3)(4). Estes trabalhos concentram

seus estudos em argilas encontradas em grandes pólos de produção de cerâmica

vermelha, como a região de Campos dos Goytacazes no Rio de Janeiro, região de

Santa Gertrudes, em São Paulo e algumas regiões do nordeste Brasileiro.

Em alguns casos, o alvo dos trabalhos é a avaliação das características de

argilas coletadas em uma mesma jazida, considerando diferentes posições e

profundidades de extração. Em outros casos, foram consideradas argilas, com

características bastante diferenciadas, oriundas de diferentes jazidas, situadas em

locais próximos(4). Em todos os casos as argilas foram caracterizadas quanto a sua

composição química e mineralógica, distribuição granulométrica, comportamento

térmico e, em alguns casos, comportamento mecânico após aquecimento. Os

resultados encontrados foram utilizados para mostrar a importância de conhecer as

características das argilas empregadas nos processos industriais.

Os resultados obtidos neste tipo de trabalho também foram empregados como

base para a construção de propostas para o estudo das diversas possibilidades de

misturas de argilas para a composição de massas mais adequadas aos processos

utilizados na confecção das peças cerâmicas. Assim, a formulação de massas foi

estudada com diferentes enfoques. Em alguns casos procurou-se avaliar a

adequação de uma mistura considerando a composição química como critério

fundamental(5). Em outras situações procurou-se o uso do critério granulométrico

como forma de adequar a mistura de argilas às condições ideais de processamento,

considerando que esta classificação faz uma associação indireta com a composição

mineralógica do material(6). Por fim, a formulação pode ser definida com base na

2

composição mineralógica das argilas, o que exige um estudo mais detalhado para

permitir a quantificação das fases presentes em cada argila considerada(7)

Estudos recentes tem utilizado como ferramenta adicional para o processo de

formulação o uso de design de experimentos, que permite um ganho de informações

sobre o processo de formulação com base nos dados que já vêm sendo estudados a

vários anos(8).

Neste trabalho foram caracterizadas 7 argilas oriundas de diferentes olarias da

região de Canelinha, em Santa Catarina. As argilas foram analisadas quanto a sua

composição química, composição mineralógica, distribuição de tamanho de

partícula, análise termogravimétrica e comportamento de queima utilizando a curva

de gresificação. Os dados foram utilizados para definir as variáveis mais adequadas

para o desenvolvimento de estudos de formulação de massas, assim como para

identificar as principais diferenças encontradas entre as argilas utilizadas na região

para a produção de tijolos e telhas.

MATERIAIS E MÉTODOS

As argilas selecionadas foram misturadas com água (35%) e então

desaglomeradas em moinho giratório por 40 minutos. As barbotinas foram secas em

estufa a 110o C. A argila seca, passada em peneira 50 mesh, foi utilizada para a

realização dos ensaios de caracterização. Os ensaios de análise térmica foram

realizados em equipamento marca Netzsch, sendo utilizada alumina como material

de referencia e taxa de aquecimento de 10 ºC/ min. As curvas de distribuição

granulométrica foram obtidas em equipamento a laser. A caracterização

mineralógica foi realizada utilizando difratômetro de Raios X, marca Shimadzu, com

tubo de cobre e intervalo de ensaio de 4 a 70 º . Os ensaios foram realizados com

amostras calcinadas, glicoladas, orientadas e compactadas(9)(10). As curvas de

gresificação foram construídas utilizando amostras submetidas a aquecimento em

forno mufla, em temperaturas que variaram entre 900 e 1250 ºC. Para estes ensaios

foram utilizados corpos de prova preparados pela compactação do pó, com 10 % de

umidade, utilizando dispositivo de prensagem uniaxial.

3

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A tabela I apresenta os resultados de análise química das argilas. De todas as

amostras apenas a argila B apresenta um teor de sílica significativamente inferior às

demais, o que, aliado aos baixos teores de Na2O e K2O, é indicativo de que esta

argila apresenta elevado teor de argilomineral, baixos teores de sílica livre e

praticamente ausência de feldspatos. Esta argila apresenta também como diferencial

o elevado teor de ferro que pode estar presente em solução na estrutura dos

argilominerais ou na forma de óxidos como hematita ou magnesita. As demais

amostras apresentam valores semelhantes de teor de sílica, sendo que as argilas C

e D podem ser consideradas como semelhantes em toda a composição,

apresentando a possibilidade de presença de feldspatos, principalmente potássicos.

Todas as demais argilas devem apresentar teores de sílica livre e argilominerais

semelhantes.

TABELA I – Composição química das argilas, obtidos por Fluorescência de Raios-X.

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O K2O MnO TiO2 MgO P2O5 PF

Argila A 64,07 19,26 6,65 0,06 0,12 1,49 0,04 1,11 0,22 0,04 6,94

Argila B 40,48 25,80 19,55 0,06 0,06 0,44 0,08 1,37 0,22 0,04 11,9

Argila C 65,38 17,86 4,54 0,21 0,55 3,3 0,06 0,93 0,57 0,12 6,48

Argila D 64,27 18,70 4,94 0,19 0,49 3,24 0,06 0,94 0,61 0,11 6,46

Argila E 66,66 19,33 3,38 0,12 0,14 1,61 0,03 1,11 0,3 0,04 7,27

Argila F 62,39 17,75 6,79 0,38 0,66 2,78 0,22 1,00 1,42 0,09 6,52

Argila G 66,61 17,82 5,36 0,14 0,14 1,11 0,04 1,13 0,34 0,04 7,27

A semelhança na composição das argilas pode ser visualizada através da

representação das composições em um diagrama ternário, considerando como

vértices o SiO2, como indicativo da presença de sílica livre, o Al2O3, como indicativo

da presença de argilominerais e o vértice constituído pela soma de Fe2O3, Na2O,

K2O, CaO e MgO. (Figura 01). Este último vértice considera a soma de componentes

presentes em óxidos livres, carbonatos e feldspatos.

4

Fe2O3+ CaO+MgO+Na2O + K2O

SiO2

Al2O3

A

B

CD

EF

G

Fe2O3+ CaO+MgO+Na2O + K2O

SiO2

Al2O3

A

B

CD

EF

G

FIGURA 01 – Diagrama ternário do sistema SiO2-Al2O3-

Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+K2O

Como alternativa para melhor avaliação das diferenças observadas nas

argilas, com base em sua composição química, foi construído um novo diagrama

ternário considerando como vértices o Fe2O3, maior responsável pela coloração

após sinterização, a soma dos teores de Na2O e K2O, como indicativo da presença

de fundentes, e a soma CaO+MgO, como indicativo da presença de

carbonatos.(Figura 2).

CaO+MgO

Fe2O3

K2O + Na2O

A

B

CD

EF

G

CaO+MgO

Fe2O3

K2O + Na2O

A

B

CD

EF

G

FIGURA 02 – Diagrama ternário do sistema Fe2O3-CaO+MgO-K2O+Na2O

5

Neste diagrama podemos notar que em todas as amostras a possibilidade da

presença de carbonatos é bastante reduzida. Que, como observado anteriormente, a

argila B deve ser considerada como uma grande fonte de ferro. Na prática esta argila

é empregada para conferir a coloração vermelha às telhas. Quanto às demais

argilas, apesar de apresentarem composições bastante semelhantes, existe a

tendência de apresentarem variações em relação às proporções de feldspatos e

óxidos livres, indicando que algumas devem apresentar caráter fundente mais

acentuado que outras.

A efetiva identificação das fases cristalinas presentes nas diferentes argilas foi

obtida através da difratometria de raios-x. A Figura 3 apresenta os difratogramas

obtidos utilizando amostras na forma de pó, compactadas manualmente no porta-

amostras de difração. Para a definição das fases presentes foram também

realizados ensaios com amostras glicoladas, para avaliar o efeito do etileno glicol no

espaçamento interplanar na direção 001; amostras térmicamente tratadas a 500oC,

para promover a remoção da água adsorvida nos argilominerais, alterando também

a distância interplanar na direção (001). Por fim foram analisadas amostras

orientadas, para verificar possíveis efeitos de orientação preferencial.

Os resultados mostraram que todas as argilas tem como características

principais a presença de argilominerais na forma de Caulinita e Ilita/Mica. Como

previsto inicialmente, a argila B apresenta reduzido teor de quartzo livre e não existe

a identificação de linhas características da presença de feldspatos. Para esta argila a

presença de Hematita é nítida, com baixo grau de ordenamento. Para as argilas A e

B existem indícios da presença de TiO2 na forma de anatásio. As argilas A e G não

apresentam linhas características da presença de feldspato, indicando que estas

argilas devem apresentar menor caráter fundente. Por outro lado, para as argilas C,

D e F é claramente identificada a presença de feldspatos, tanto sódico como

potássico. Estas informações estão em conformidade com as observações feitas

com base apenas na análise química.

A combinação dos dados de difratometria de raios-X e análise química permitiu

a construção da tabela II onde são apresentados valores de análise mineralógica

quantitativa. Os resultados foram obtidos utilizando o método proposto por

pesquisadores da Universidade Federal de Santa Catarina(7).

6

5 10 15 20 25 30 35 40 45

H

K

K - CaulinitaQ - QuartzoA - AnatasioH - Hematita

H

A

Q

K

Q

K

K

2θ

5 10 15 20 25 30 35 40 45

QI QK

I - IlitaK - CaulinitaQ - QuartzoA - AnatasioM - Magnetita

M

AQ

K

Q

KK

I

2θ

5 10 15 20 25 30 35 40 45

VMFNa

Fk

I QI QK

I - IlitaK - CaulinitaQ - QuartzoFK - Feldspato potásicoFNa - Feldspato sódicoA - AnatasioV - VermiculitaM - MagnetitaH - Hematita

H

Q

Q

KKI

2θ

5 10 15 20 25 30 35 40 45

VMFNa

Fk

QI QK

I - IlitaK - CaulinitaQ - QuartzoFK - Feldspato potásicoFNa - Feldspato sódicoA - AnatasioV - VermiculitaM - MagnetitaH - Hematita

H

Q

Q

KKI

2θ

5 10 15 20 25 30 35 40 45

KFkQ

MQK

M - MicaK - CaulinitaQ - QuartzoFK - Feldspato potásico

Q

Q

KKM

2θ

5 10 15 20 25 30 35 40 45

FNa

MFk QM

Q

M - MicaK - CaulinitaQ - QuartzoFK - Feldspato potásicoF

Na - Feldspato potásico

Q

Q

KKM

2θ

5 10 15 20 25 30 35 40 45

K QK

QM

Q

M - MicaK - CaulinitaQ - Quartzo

Q

Q

KKM

2θ

Argila A Argila B

Argila C Argila D

Argila E Argila F

Argila G

FIGURA 03 – Difratogramas de Raios X das argilas A, B, C, D , E , F e G

compactadas

7

A tabela II resume as informações apresentadas até o momento, mostrando a

composição das argilas estudadas em termos de argilominerais, quartzo livre e

fundentes. Fica claro que as argilas C, D e F são as que devem apresentar o maior

caráter fundente, enquanto as argilas A e G devem apresentar comportamento

tendendo a refratário. O diferencial fica sempre definido para a argila B que

apresenta características bastante especiais. Esta comparação pode ser melhor

apresentada em um diagrama ternário (Figura 4) tendo como vértices as

composições em argilominerais, quartzo livre e fundentes.

TABELA II – Composição mineralógica quantitativa

Argilomineral Quartzo Feldspato Outros*

Argila A 50,19 40,1 0,00 9,71

Argila B 61,71 10,02 0,00 28,27

Argila C 46,09 39,4 14,51 0,00

Argila D 48,4 37,59 14,00 0,01

Argila E 49,34 43,81 6,85 0,00

Argila F 42,82 38,91 18,27 0,00

Argila G 45,39 45,6 0,00 9,01

* Em outros incluem-se todos os outros componentes mineralógicos identificados por difração de raios-X.

Argila

Fundentes

QuartzoAB

CD

E

F

GArgila

Fundentes

QuartzoAB

CD

E

F

G

FIGURA 04 - Diagrama ternário do sistema Argila-Quartzo-Feldspatos

A análise do diagrama mostra de forma clara que a argila B é

predominantemente composta por argilominerais. As argilas B, A e G são as que

8

apresentam menor teor feldspatos. Entretanto não se pode esquecer que a argila B

apresenta elevado teor de ferro que também deve atuar como fundente. As argilas

C, D e F apresentam teores de feldspatos semelhantes.

A confirmação, e complementação, das informações obtidas até o momento foi

obtida através de resultados obtidos por análise termogravimétrica, apresentados na

figura 05. As curvas indicam que para todas as argilas são identificados três eventos

associados a perda de massa durante o aquecimento no intervalo de 25 a 1400 ºC.

O primeiro deles, no intervalo entre 25 e 200 ºC, está associado a perda de umidade

superficial. Entre 200 e 450 ºC existe perda de massa, que em geral está associada

a decomposição da matéria orgânica presente. Por último, entre 450 e 600 ºC existe

a perda de hidroxilas resultantes da decomposição dos argilominerais.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

86

88

90

92

94

96

98

100

TG (%

)

Temperatura (oC)

A B C D E F G

FIGURA 05 – Curva de análise termogravimétrica das argilas estudadas

Da comparação das curvas pode-se dizer que a argila B, novamente,

apresenta comportamento diferenciado, com indícios de que esta apresenta maior

perda de massa associada a presença de matéria orgânica, e também com maior

perda associada a decomposição de argilominerais. As argilas C e D, confirmando o

que foi definido anteriormente, apresentam comportamento bastante semelhante,

sugerindo que estas argilas podem ser substituídas entre si em qualquer processo

sem que ocorram mudanças significativas. A argila A foi a que apresentou a menor

perda de massa no intervalo entre 200 e 450o.C, o que leva a concluir que esta

9

argila apresenta menor teor de matéria orgânica, o que pode influir diretamente no

seu comportamento plástico.

Complementando a análise do comportamento térmico das argilas, foram

avaliados o comportamento durante a sinterização de peças obtidas por

compactação uniaxial. Os resultados de absorção de água e retração linear,

apresentados na figura 6 mostram que a argila F é a única que apresenta um caráter

fundente um pouco mais acentuado, atingindo absorção de água próximo a 0 em

temperaturas da ordem de 1200 ºC. As argilas C e D apresentam comportamento

intermediário, enquanto as demais mostram-se como materiais com baixa

sinterabilidade, apresentando absorção de água final da ordem de 10%.

900 950 1000 1050 1100 1150 1200 12500

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Abso

rção

(%)

Temperatura (oC)

A B C D E F G

900 950 1000 1050 1100 1150 1200 12500

2

4

6

8

10

12

A B C D E F G

Ret

raçã

o (%

)

Temperatura (0C)

FIGURA 06 – (a) Curva de Retração de linear das argilas (b) Curva de Absorção de

água após tratamento térmico

Quando observado o comportamento de retração linear em função da

temperatura temos que a argila B, apresenta a maior retração, que pode estar

associado as características de compactabilidade da argila, o que pode ser um

diferencial negativo do uso desta argila na formulação. A argila F apresenta

comportamento típico de argilas com elevado grau de fundência, enquanto as

demais argilas, principalmente as argilas E, G e A, apresenta baixa retração linear, o

que confirma a baixa sinterabilidade da argila, que deve ser refletido na qualidade do

produto sinterizado.

10

CONCLUSÕES

A região de Canelinha, em Santa Catarina, constitui-se em um pólo de

produção de cerâmica vermelha por apresentar grande disponibilidade de argilas de

qualidade adequada para este fim. Dentre as argilas disponíveis, algumas foram

coletadas e analisadas para avaliar suas características visando encontrar critérios

de classificação que facilitem o processo de formulação e preparação de massas.

Dos resultados obtidos foi possível observar que as argilas, com exceção da

argila B, apresentam composição química bastante semelhante, e que este critério

não pode ser considerado como decisivo na escolha das argilas. Todas as argilas

apresentam como argilominerais constituintes a caulinita e Ilita/Mica, entretanto o

grande diferencial entre os materiais analisados está no teor de ferro e no teor e tipo

de feldspato formado. Esta diferença pode ser avaliada como responsável pelo

comportamento térmico das argilas, podendo ser considerado como critério de

formulação de massas.

De qualquer forma, todas as argilas consideradas apresentaram

comportamento efetivo de sinterização em temperatura superior a 1000o.C , que é

elevado para o fim a que se destinam, visto que a temperatura de queima das peças

industrialmente, não raramente atingem valores inferiores a este.

AGRADECIMENTOS

À CAPES pelo apoio ao programa de Pós Graduação em Ciência e

Engenharia de Materiais da UDESC.

REFERÊNCIAS

1 G.C. Luna da Silveira, R.G. Sallet. Anais do CBCIMAT, Natal, 2002, 143.

2 R.R. Menezes, H.S. Ferreira et al. Cerâmica, 49 (2003) 120-127.

3 C.M.F. Vieira, S.N. Monteiro, Cerâmica, 49, (2003)6-10.

4 A.C.Fernandes, et al. Cerâmica Industrial, 3, (4-6), (1998), 24-29.

5 C.M.F.Vieira, et al. Cerâmica Industrial, 6, (6), (2001), 43-49.

6 C. Fiori et al. Applied clay science, (4), 1989, 461-673

7 C. Coelho, N. Roqueiro, D. Hotza, Mater. Lett. 52 (2002), 394

11

8 S.L.Correia, et al. Journal of the European Ceramic Society, 24 (2004), 2813-

2818.

9 A.P.F. Albers, A.O.Boschi, et al. Cerâmica 48(305), (2002), 35-37.

10 D.M.Moore, R.C.Reynolds, X-Ray diffraction and the identification and

analysis of clay minerals. Oxford, New York,1997.

Defining parameters for clays materials formulation

ABSTRACT

In general brick and tile industry use one or more clays as raw material to

prepare their products. These clays mixtures often presents elevated amount of iron

and good plasticity. The choice of clays to prepare a mixture is made aiming at

improving the conditions of processing and the quality of the product. The present

work had as objective to study 7 different clays from Canelinha – Santa Catarina

region. These clays are used in the fabrication of bricks and tiles. The results were

used to identify right parameters to formulate clays mixtures. The clays were

qualitatively and quantitatively investigated by means of X-ray diffraction (XRD), X-

ray fluorescence, thermal analysis (TG) and thermal behavior. The clays are named

A, B, C, D, E, F and G. The results obtained show the resemblances and differences

between the clays, and the difficulties to found only one criteria to select adjusted

mixture of clays.

Key-words: ceramic tile, clays, formulation, X-ray diffraction.

12