Expansão por Umidade (EPU) em Blocos Cerâmicos mecanismos de expansão que se desenvolvem em...

INSTITUTO DE MATERIAIS CERÂMICOS R. Irmão Moretto nº 75 – Bom Princípio – RS – Brasil – CEP 95765-000

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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



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%)).



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).



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.



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.



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.



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.



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.



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



determinação da média aritmética do comprimento final (ℓ1). A expansão por umidade

(EPU)foicalculadaconformeaequaçãoabaixo:

EPU=((ℓ1-ℓo)/ℓo)x1000

Figura6–Banhotermostáticoconectadoadoisbarriletescomsolução.

Figura7–Recipienteparaacomodaroscorposdeprovanobanho.



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



temperaturadequeimade750°C,forammuitoinferioresaoslimitessugeridospelanorma

pelanormaNBR13818:1997utilizadaparaplacascerâmicas.

Figura9–ResultadosdeEPUobtidosparaacomposição15-07-014embanhotermostáticoeautoclave

Figura10–Móduloderesistênciaàflexãoparaoscorposdeprovadacomposição15-07-014queimadosà750,800,850,900e950°C.



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%.



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.



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

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