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Boletim Técnico

Desenvolvimento de pavimentos com alto desempenho frente ao

desgaste e atrito

Projeto Pavimentos Tribológicos

Convênio: SCIT 52/2013 Processo: 364-25.0/13-9

BOLETIM

TÉCN

ICO

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GOVERNO DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL SECRETARIA DE DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO,

CIÊNCIA E TECNOLOGIA

DIVISÃO DE POLOS TECNOLÓGICOS POLO DE INOVAÇÃO TECNOLÓGICA DO VALE DO CAÍ

Boletim Técnico Projeto: Desenvolvimento de pavimentos com alto desempenho frente ao desgaste e atrito (Projeto Pavimentos Tribológicos)

Financiamento: SDECT/UCS Convênio: SCIT 52/2013 Processo: 364-25.00/13-9 Desenvolvimento de pavimentos com alto desempenho frente ao desgaste e atrito Equipe Executora: Dra. María Cristina Moré Farias* Dr. Márcio Ronaldo Farias Soares Dra. Jadna Catafesta * mcmfarias@ucs.br Universidade de Caxias do Sul (UCS) Instituto de Materiais Cerâmicos – IMC Rua Irmão Moretto, no 75, Bairro D. Vicente, Bom Princípio, CEP 95765-000, RS, Brasil (+55) 51 3634-1100 imc@ucs.br www.ucs.br/site/imc Algumas fotografias e esquemas foram adaptadas das seguintes fontes:

“Manual para el uso del Adoquín Cerámico”;

“Adoquín Cerámico” - Catálogo Cerámica Malpesa, S.A.; www.malpesa.es;

Brick Industry Association. Technical Notes on Brick Construction; www.gobrick.com

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Índice

4 Introdução

5 Sobre pavimento cerâmico

Descrição

Vantagens

Aplicações

Especificações técnicas

9 Matéria-prima para fabricação de pavimentos cerâmicos

Argilas

Aditivos

11

Fundamento de Tribologia

Desgaste

Atrito

Lubrificação

14 Resultados obtidos no âmbito do projeto

Preparação de formulações cerâmicas

Caracterização dos corpos cerâmicos

Seleção de formulações para pavimentos cerâmicos com base no

desempenho mecânico e tribológicos

18 Conclusões

18 Referências bibliográficas

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 4

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Introdução Documentos de planejamento estratégico da Região do Vale do Caí, Rio Grande do Sul

apontam para um grupo de ações para o desenvolvimento da região, como novas

tecnologias de desenvolvimento de produtos de cerâmica vermelha, coerente com as áreas

de atuação do Polo Tecnológico do Vale do Caí (área Cerâmicas) e com as áreas de atuação

do Programa RS Tecnópole. Esses materiais argilosos são amplamente utilizados na

construção civil para a fabricação de tijolos, blocos, telhas, pavimentos, entre outros. A

utilização de pavimentos cerâmicos a base de argila, não esmaltado, é uma prática adotada

há muito tempo em países como a Grã Bretanha, Holanda, Estados Unidos, Austrália,

Centro de Europa, entre outros. A pesar de suas grandes vantagens e variadas aplicações,

são poucos os registros de desenvolvimento deste produto no Estado de Rio Grande do

Sul, o que representa uma oportunidade de incremento da cadeia de produtos cerâmicos

no Estado e, em especial, na região do Vale do Caí com tradição na produção de cerâmicas

vermelhas.

Além da necessidade de produtos cerâmicos inovadores, há problemas ambientais e

econômicos decorrentes da geração de resíduos provenientes da mineração e

processamento industrial de rochas. Esses resíduos contaminam diretamente os rios e

solos e desfiguram as paisagens. Diante disso, sob o respaldo da resolução 307/2005 do

Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), as indústrias têm sido incentivadas

ao aproveitamento eficiente de materiais de mineração e reaproveitamento ou reciclagem

dos rejeitos de construção civil. Neste sentido, os resíduos de rocha podem ser utilizados

como agregados para fabricação de corpos cerâmicos que sustentam esforços elevados.

Diante dessas oportunidades, no âmbito do projeto intitulado “Desenvolvimento de

pavimentos com alto desempenho frente ao desgaste e atrito” (financiamento

SDECT/UCS) foram desenvolvidos pavimentos cerâmicos de argila com adição de rochas.

Neste Boletim Técnico, são apresentados os principias resultados do projeto.

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 5

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Sobre pavimento cerâmico (adoquim

cerâmico)

Descrição

Um adoquim é um elemento utilizados

frequentemente na pavimentação de superfícies

(revestimento de chão) para trânsito de pedestres

ou de veículos (Figura 1). Pode ser feito de pedra

natural, madeira, cimento, concreto, mosaicos,

asfalto etc. [1]. O adoquim cerâmico é um tipo

de pavimento intertravado fabricado

preferencialmente a partir de argila e de

materiais argilosos, com ou sem aditivos, que

conferem um aspecto não-esmaltado.

Em português, também

é conhecido como

pavimento cerâmico ou

adoquim cerâmico ou

paver cerâmico ou

tijolo para pavimentos,

em espanhol como

“adoquín cerámico”

e em inglês, “ceramic paver”.

Vantagens

A grande variedade de

cores confere às áreas

ou ambientes onde são

implementados um

aspecto rústico,

moderno e estética

harmoniosa (Figura 2).

O pavimento cerâmico é

pequeno e com diferentes

formas geométricas, o que

facilita o manejo, a

instalação e a correta

distribuição de cargas

impostas pelos diversos

tipos de tráfegos (Figura 3).

Em relação a outros tipos de pavimentos, os

pavimentos cerâmicos apresentam uma série de

vantagens, nas quais se destacam [2],[3]:

Durabilidade e permanência de cor: têm uma

vida útil em torno de 30 anos e a sua cor

natural dispensa o uso de tintas.

Possibilidade de aplicação em diferentes

designs ou configurações de superfícies:

podem ser fabricadas peças de diferentes

formas geométricas (Figura 4); podem ser

colocados em diferentes posições, arranjos,

para recriar temas ou desenhos e cores

(Figura 5).

Figura 1: Pavimento cerâmico

Figura 2: Pavimentos cerâmicos em

praças públicas

Figura 3: Pavimentos cerâmicos

em áreas de tráfego urbano

Figura 4: Diferentes formas geométricas de pavimento cerâmico

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 6

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Aplicação de um amplo espectro de cores:

múltiplas combinações de cores podem ser

obtidas durante processo de fabricação, que

podem ser de vermelho a cinza, de acordo

com o tipo de argila utilizada na composição

da massa, o que dispensa, assim, a

necessidade de pintura.

Conforto: área de passeio confortável;

amortece o ruído do tráfego automotivo.

Excelentes propriedades físicas: resistência ao

gelo; resistência a agentes químicos

agressivos (combustíveis, graxas, azeites e

lubrificantes); não sofrem alteração

dimensional em ambientes climáticos mais

quentes.

Boas propriedades mecânicas e tribológicas:

resistem a cargas concentradas e elevadas

originadas pelo tráfego de caminhões com

reboques; elevada resistência à compressão;

resistência a esforços combinados de flexão-

tração; resistência ao risco; resistência ao

desgaste; resistência ao escorregamento/

derrapagem.

Baixo custo de manutenção: a sua

manutenção é restrita à remoção de

vegetações que crescem entre as juntas e

preenchimento das juntas quando a ação

erosiva do ambiente o exige.

Reparo fácil e possibilidade de reutilização: as

peças individuais podem ser removidas e

substituídas; durante os processos de

restauração, de 90% a 95% das peças podem

ser reutilizadas. O custo desta atividade é

menor no caso dos pavimentos cerâmicos

flexíveis (assentados e selados com areia),

comparados com os pavimentos rígidos

(assentados com concreto e selados com

cimento) [4],[5].

Facilidade de execução: a sua execução

dispensa o uso de equipamentos de alto

custo, pois é possível o uso de ferramentas

manuais, e não requer de mão de obra

especializada; podem ser abertos ao tráfego

logo após de serem colocados, o que evita o

tempo de espera para secagem e cura.

Aplicações

Os pavimentos cerâmicos são produzidos

tradicionalmente em países como Grã-Bretanha,

Holanda, Espanha, Austrália, Estados Unidos,

Figura 5: Exemplo de padrão de cores de pavimentos cerâmicos

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 7

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Colômbia e, nos últimos anos, em Portugal. No

Brasil, todavia, são pouco difundidos.

A existência de vários polos industriais de

cerâmica vermelha no país, aliada às vantagens

técnicas, econômicas e ambientais que o

pavimento cerâmico oferece, despertaram

interesse da comunidade científica do Brasil, em

especial, do IMC-UCS, para desenvolvimento

desse tipo de pavimento. Nos países

anteriormente mencionados, os pavimentos

cerâmicos são usados em diferentes áreas, como

áreas de tráfegos de pedestres (calçadas, praças,

passagens, jardins, áreas de residências), áreas de

tráfego urbano, áreas de

tráfego leve e pesado

(indústrias, carga e descarga,

portos, aeroportos), áreas

submetidas a ambientes

agressivos (fábricas de

produtos químicos, áreas

industriais, postos de

gasolina), entre outras [2].

Nessas áreas, os pavimentos

cerâmicos podem ser dispostos

em diferentes formatos ou

arranjos (Figura 6), facilitado

pela sua característica de

intertravamento.

Especificações técnicas

Em relação à determinação das

propriedades tecnológicas dos pavimentos

cerâmicos, o Brasil não dispõe de normas que

estabeleçam padrões tecnológicos, dada a pouca

produção e desenvolvimento desse produtos.

Diante disso, os desenvolvimentos recentes de

pavimentos cerâmicos se baseiam em normas

europeias, da Espanha (UNE-EM), Alemanha

(DIN), americanas (ASTM), ou em normas

internas (NBR 13816, NBR 13817, NBR 13818,

NBR 9781 e NBR 9817). As normas internas se

baseiam em normas ISO para placas cerâmicas

para revestimentos de pisos e paredes,

esmaltadas e não esmaltadas, compostas de argila

e outras matérias-primas inorgânicas. Portanto,

essas normas internas são mais gerais e não se

referem especificamente aos pavimentos

cerâmicos, como ocorre na Europa e em outros

países da América. Por exemplo, países como

Espanha, Colômbia e Estados Unidos, onde o

Figura 6: Exemplos dos implementação de pavimentos cerâmicos

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 8

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pavimento cerâmico já é um produto

consolidado se regem por normas internas para

determinar os parâmetros admissíveis para

utilização desses produtos em diferentes locais

(Tabela 1). Portugal, embora esteja na frente,

tem uma situação similar à do

Brasil e utiliza como referência o projeto de

norma europeia sobre pavimentos cerâmicos e

ainda as normas DIN [3]. Os requisitos técnicos

exigidos para os pavimentos cerâmicos podem

variar, dependendo das condições climáticas de

cada país e, de modo geral, são exigidas as

características seguintes: absorção de água,

resistência à ruptura transversal, resistência à

compressão, resistência à abrasão, resistência ao

escorregamento/derrapagem, resistência ao

ataque de ácidos, condutividade térmica,

resistência ao fogo, emissão de asbesto e

formaldeído e resistência ao gelo [2],[6].

Propriedades resistência à abrasão, à flexão e à

compressão, densidade aparente, retração linear,

absorção de água, exigidas para os pavimentos

cerâmicos são comumente avaliadas no IMC-

UCS. No que se refere ao desempenho

tribológicos, a resistência à abrasão é uma das

propriedades importantes que os pavimentos

cerâmicos devem atender.

Requisitos Técnicos (Pavimento cerâmico extrudado) UNE-NE 1344-2002

(Espanha)

NTC 5282-2002

(Colômbia)

Tráfego pesado

ASTM C1272-2006

(Estados Unidos)

Pavimento cerâmico rígido (R)

e flexível (F);

Tráfego pesado

Absorção de água média (%) - 6 (Tipo R e F) 6 (Tipo R e F)

Resistência à compressão média (MPa) - 55 (Tipo R)

69 (Tipo F)

55,2 (Tipo R)

69,0 (Tipo F)

Carga de ruptura transversal média (N/mm) 30 (Classes T1 e T2)

80 (Classes T3 e T4) - 83000 (Tipo F)

Resistência à abrasão (volume removido, mm3)

Índice de abrasão (máximo)

Volume de abrasão (cm3/cm2)

450 (Classe A3)

1100 (Classe A2)

2100 (Classe A1)

-

-

-

-

-

0,11 (Tipo R e F)

1,7 (Tipo R e F)

-

-

-

0,11 (Tipo R e F)

1,7 (Tipo R e F)

Resistência ao escorregamento/derrapagem sem

polimento (USRV – unpolished skid resistance value)

35 (Classe U1)

45 (Classe U2)

55 (Classe U3)

- (Método do pêndulo britânico,

ASTM E303)

Resistência à ácidos (perda de massa) 7% (Classe C) - -

Resistência ao gelo/degelo Resistente (Classe

FP100) - -

Tabela 1: Especificações técnicas para pavimentos cerâmicos.

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 9

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Essa propriedade tribológica é determinada por

meio de ensaios de abrasão (Figura 7), de acordo

com diferentes normas internacionais (NE 1344,

ISO 10545-7). A norma brasileira NBR 13818

[7], especifica a medição da resistência à abrasão

profunda de placas cerâmicas não esmaltadas

para revestimentos.

A norma NBR 13817 [8] define limites de

resistência à abrasão profunda de placas

cerâmicas, de acordo com o método de

fabricação (extrusão, prensagem e outros) e

níveis de absorção de água (Tabela 2).

Matéria-prima para fabricação de

pavimentos cerâmicos

A grande disponibilidade de argila e de rochas,

de origem predominantemente basáltica, e a alta

densidade de indústrias cerâmicas de pequeno e

médio porte na região do Vale do Caí, n38a

região nordeste do Rio Grande do Sul [9],

são elementos favoráveis para a produção

de pavimentos cerâmicos, que se insere no

conjunto de novas e inovadoras

alternativas para a região. Basicamente, o

pavimento cerâmico é fabricado a partir

uma matéria-prima argilosa com aditivos,

os quais podem ser provenientes de

rejeitos de atividades industriais de

processamento de produtos cerâmicos

[10].

Argilas

Argila é um material natural, terroso, de grão

fino, que adquire plasticidade quando em

contato com água. As argilas disponíveis para

produção de cerâmica vermelha são produto do

intemperismo das rochas da serra geral, as quais

são classificadas a partir do local da coleta

em argilas primárias ou de morro ou em

argilas secundárias de depósitos

sedimentários no leito do rio Caí. Essas

argilas apresentam elevada plasticidade,

um teor de umidade natural de 20%, e

menor presença de seixos e torrões duros

[9], o que permite uma fácil desagregação

manual e homogeneização em

laminadores. As argilas podem, também,

Grupo de

absorção de

água

(Norma ABNT

NBR 13817)

Absorção de água,

Abs

(%)

Resistência à

abrasão profunda;

Processo de

extrusão

(mm3)

Resistência à

abrasão profunda;

Processo de

prensagem

(mm3)

Ia 0 < Abs ≤ 0,5 ≤ 275 ≤ 175

Ib 0,5 < Abs ≤ 3,0 ≤ 275 ≤ 175

IIa 3,0 < Abs ≤ 6,0 ≤ 393 ≤ 345

IIb 6,0 < Abs ≤ 10,0 ≤ 649 ≤ 540

IIIa Abs acima de 10,0 ≤ 2365 -

Figura 7: Esquema do equipamento para medição da abrasão profunda

Tabela 2: Requisitos exigidos para resistência à abrasão de placas cerâmicas.

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 10

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ser classificadas em argilominerais, minerais

associados e fases associadas.

Os argilominerais são geralmente cristalinos,

contribuem para a plasticidade na argila e são

endurecidos após secagem ou queima. Os cristais

de argilominerais contém silicatos hidratados e,

dependendo do tipo de mineral, podem conter

cátions de alumínio, ferro, cálcio, magnésio,

potássio e outros. São organizados em estruturas

bidimensionais ou folhas (filossilicatos)

tetraédricas e octaédricas de silicatos e hidroxilas.

Os argilominerais comumente encontrados nas

argilas são caulinita, ilita e esmectita. Por sua

vez. Os minerais associados não oferecem

plasticidade à argila e não endurecem pelo efeito

da secagem ou queima. Alguns exemplos são

óxidos (hematita, coríndon), carbonatos (calcita,

dolomita, magnesita) e silicatos (quartzo,

feldspatos, talco). Alguns minerais como os

óxidos e hidróxidos de ferro são os responsáveis

pela cor vermelha ou marrom-avermelhada que

se mantem após queima da argila. Por fim, as

fases associadas são componentes não minerais,

como sustâncias amorfas e sustâncias

inorgânicas e orgânicas. Alguns exemplos são

silicatos amorfos ou húmus como um

constituinte orgânico do solo [11],[12],[13].

Aditivos

Os aditivos podem ser incorporados na massa

cerâmica argilosa nas diferentes etapas de

processamento, o que auxilia os processos de

preparação das massas e a etapa subsequente de

queima. Além de benefícios no processamento, a

adição de aditivos traz benefícios do ponto de

vista ambiental, uma vez que resíduos industriais

de diferentes materiais podem ser aproveitados

[14]. Os aditivos podem ser classificados de

acordo com a sua funcionalidade em

defloculantes, que diminuem a viscosidade e

aumentam as propriedades de fluxo das

partículas (silicato de sódio, tripolifosfato de

sódio, hexametafosfato de sódio e carbonato de

sódio); em floculantes ou ligantes, que são

compostos poliméricos que aumentam a

viscosidade por molhar as partículas e formando

pontes entre elas (Ca(OH)2, PVA ou

argilominerais como a montmorrillonita); em

plastificantes, os quais são usados para aumentar

a plasticidade da massa cerâmica (argilas de

elevada plasticidade ou argilas gordas); em

desplastificantes ou emagrecedores, os quais

usados para reduzir a plasticidade, a retração

linear e a absorção de água das massas cerâmicas

(areias quartzosas, areias feldspáticas, e rochas

carbonatadas moídas como basalto ou granito);

e em fundentes, que melhoram a sinterabilidade

da massa cerâmica durante o processo de queima

[14],[15]. Outros resíduos têm sido avaliados

quanto à viabilidade de seu aproveitamento para

a fabricação de produtos cerâmicos com

propriedades otimizadas, dentre eles, chamote,

argilito e rochas ornamentais [10],[16],[17],[18].

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 11

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Fundamento de Tribologia

A economia de energia e a proteção do meio

ambiente são duas importantes demandas

mundiais para o desenvolvimento tecnológico

dos países como o Brasil. Essas demandas estão

ligadas à Tribologia, que envolve estudo de

fenômenos de atrito, desgaste e lubrificação.

Custos associados ao desgaste e ao atrito são

economicamente significativos, pois podem

causar uma redução do PIB de 1 a 5%. O

descarte de lubrificantes, o consumo de recursos

não renováveis (consumo de elementos de liga e

degradação e oxidação de materiais) e as

emissões de poluentes são algumas das formas de

impacto ambiental associadas ao desgaste.

Assim, com a aplicação da tribologia é possível o

emprego de lubrificantes, de seleção de materiais

e de projetos adequados que minimizem as

perdas por atrito e a degradação insustentável do

meio ambiente. No Vale do Caí, o documento

do Planejamento Estratégico Regional do Vale

do Caí, aponta para um grupo de ações para o

desenvolvimento da região, e se destaca dentre

elas, novas tecnologias de design de cerâmicas

vermelhas. Estudos envolvendo conceitos de

atrito, desgaste e lubrificação podem auxiliar no

desenvolvimento de pavimentos cerâmicos alta

resistência ao desgaste. Para auxiliar o

entendimento dos resultados obtidos neste

projeto, são introduzidos de forma breve alguns

conceitos básicos sobre atrito, desgaste e

lubrificação.

Tribologia é a ciência e tecnologia das superfícies

que interagem entre si mediante um movimento

relativo, e abrange o estudo de atrito, desgaste e

lubrificação[19],[20]. O termo

Tribologia foi oficialmente utilizado pela

primeira vez em 1966 em

um relatório elaborado por

Peter Jost para o Comitê do

Departamento Inglês de

Educação e Ciência.

Os fenômenos tribológicos

estão presentes em muitas

aplicações, como

componentes mecânicos,

máquinas, processos de

manufatura, produtos,

construção civil, exploração de produtos

naturais e outros. A tribologia é estudada por

meio da análise do sistema de parâmetros que

influenciam o comportamento do atrito, da

lubrificação e do desgaste dos corpos em

contato. Além do contato propriamente dito,

também são importantes as características do

meio interfacial e do ambiente. Assim, um

sistema tribológico (Figura 8) ou tribossistema

Figura 8: Esquema de um sistema tribológico

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 12

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(tribo-system) consiste de vários elementos:

dois corpos que interagem entre si (chamados

de corpo e contracorpo), a interface entre estes

dois corpos (lubrificante ou óxido) e o

ambiente [21],[22].

Desgaste

O desgaste pode ser descrito como um dano

superficial caracterizado pela perda de massa

progressiva de um corpo sólido devido à sua

interação mecânica com outra superfícies sólida,

com fluído ou com gás. No entanto, a perda de

massa não é o único fator determinante para

afirmar que alguma superfície sofreu desgaste.

Superfícies ou corpos sólidos podem sofrer

desgaste se ocorrerem mudanças geométricas ou

dimensionais, ocasionadas pela deformação

plástica, ou ocorrer formação de trincas. Assim

sendo, é correto afirmar que desgaste é um

processo de remoção de material que envolve

fratura, deformação, fadiga, difusão, reações

químicas, abrasão, o que resulta na formação de

fragmentos do material de várias formas e

tamanhos [20],[23]. O tipo de interação entre as

superfícies, ao considerar como critério a forma

de remoção de material define os mecanismos de

desgaste, os quais podem ser classificados em

desgaste abrasivo, desgaste adesivo, desgaste

oxidativo (ou reação triboquímica) e desgaste

por fadiga (Figura 9). Essa classificação permite

identificar a dependência significativa de fatores

como tensões e velocidades aplicadas, geometria

e materiais (composição química, microestrutura

e propriedades mecânicas, etc.) no desgaste de

componentes. Várias condições macroscópicas

envolvem a situação de desgaste, como o

movimento relativo entre os corpos (desgaste por

deslizamento, por rolamento, alternado, por

impacto), o meio interfacial (desgaste a seco e

lubrificado) e a interação ou estado físico (por

exemplo, “desgaste metal-metal”) [24],[25].

Atrito

Associado ao desgaste, o atrito influencia o

comportamento de dois corpos em movimento

relativo, seja de deslizamento, seja movimento de

rolamento. O atrito pode ser definido como a

força que se opõe ao movimento relativo entre

duas superfícies. O coeficiente de atrito,

comumente utilizado como parâmetro que

caracteriza o atrito do tribossistema, depende de

parâmetros do ambiente, níveis de pressão e

velocidade, tipo de lubrificante, material

(substrato e filmes superficiais), topografia das

superfícies e das forças/energias de interação

entre as superfícies. O atrito deve considerar a

Figura 9: Mecanismos de desgaste

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 13

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somatória de todas as forças que se opõe ao

movimento relativo de duas superfícies, entre

elas, as forças associadas com a adesão, abrasão

por sulcamento, dissipação de energia, entre

outras [26].

Lubrificação

A presença do lubrificante na interface de

sistemas deslizantes produz uma diminuição

tanto no desgaste quanto no atrito e, de forma

secundária, pode agir no resfriamento da

interface, na modificação das tensões de contato

e na eliminação de partículas de desgaste do

contato. Lubrificantes contribuem na redução da

expansão térmica devido ao calor gerado por

atrito, na redução de perda de potência em

motores, proteção à corrosão e selante e redução

de custos de manutenção. Entretanto, o

desempenho do lubrificante não se manifesta

com a mesma eficiência frente ao desgaste e ao

atrito, pois ele depende de parâmetros, como

tipo de lubrificante, condições de operação

(velocidade, temperatura e pressão de contato,

etc.), compatibilidade química entre o substrato

e lubrificante, entre outros. A degradação do

lubrificante como resultado de oxidação e

polimerização, pode diminuir a habilidade do

fluido de lubrificar o contato [26]. Os

lubrificantes podem ser líquidos (óleos), semi-

sólidos (graxas) ou sólidos.

Os lubrificantes fluídos podem ser classificados

como óleos minerais e sintéticos. A viscosidade,

volatilidade, ponto de fluidez, oxidação, extrema

pressão (capacidade de suportar pressões

elevadas) destacam-se dentre as propriedades dos

óleos lubrificantes. Para melhorar seu

desempenho os óleos lubrificantes podem conter

aditivos inibidores de corrosão, modificadores de

atrito, aditivos antidesgaste, aditivos de extrema

pressão, modificadores de viscosidade,

antioxidantes e outros.

A lubrificação sólida tem sido um foco

importante na área dos novos materiais, com

grandes possibilidades de aplicações na área

automotiva, o que permite alcançar coeficientes

de atrito cada vez mais baixos, filmes mais

aderentes, duros, resistentes, sem contaminação

e apropriados para ambientes com atmosferas

agressivas. Exemplos de lubrificantes sólidos

incluem a grafita, o bissulfeto de molibdênio

(MoS2) e politetrafluoretileno

(polytetrafluorethylene – PTFE) [20],[22].

A partir dos inúmeros e variados estudos

tribológicos de diferentes sistemas tem-se

verificado que: o coeficiente de atrito não é uma

propriedade do material, é um propriedade dos

sistema; a resistência ao desgaste depende do

modo de desgaste, a qual depende do sistema

tribológicos; a caracterização adequada e o

entendimento do sistema tribológico favorecerão

na escolha correta do materiais e das condições

de contato, assim como na realização adequada

das medições, de acordo com os objetivos

traçados.

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 14

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Resultados obtidos no âmbito do projeto

Preparação de formulações cerâmicas

Com base em resultados preliminares obtidos no

IMC-UCS, foram preparadas três formulações

cerâmicas para aplicação em pavimentos

cerâmicos (Figura 10). Essas formulações

continham um tipo de argila (0047-13) com

adições de dois tipos de

rocha, R1 (0030-13) e R2

(0039-13) e três quantidades

de rocha (20%, 30% e

40%). Essas formulações

foram confeccionadas pelo

processo de extrusão.

Caracterização dos

corpos cerâmicos

Os produtos cerâmicos foram avaliados quanto:

microestrutura, adsorção de água, retração

linear, resistência à compressão, resistência à

abrasão profunda e níveis de atrito e de desgaste

no deslizamento. Os

principais resultados

deste projeto referem-se

à caracterização

tribológica, que

consistiu de etapas

preliminares, para

seleção dos parâmetros

de ensaio adequados e

de ensaios definitivos

(em equipamento de

ensaios tribológicos,

Tribômetro, Figura 11),

para a caracterização do produtos cerâmicos.

Neste sentido, para a determinação do

coeficiente de atrito e da perda de massa devido

ao desgaste dos produtos cerâmicos, foram

realizados ensaios com a geometria de contato de

deslizamento alternado, sem meio líquido (a

seco), carga normal, velocidade e distância de

deslizamento constantes, utilizando o

equipamento (tribômetro)

adquirido no âmbito do

projeto. O perfil e morfologia

das superfícies desgastadas

foram caracterizados por

perfilometria 3D e por

microscopia eletrônica de

varredura. Os resultados dessas caracterizações

foram correlacionados com os resultados de

coeficiente de atrito e de perda de massa.

Seleção de formulações para pavimentos

cerâmicos com base no desempenho mecânico e

tribológicos

Visto que o Brasil não dispõe de

uma norma que determine os

requisitos técnicos para pavimento

cerâmico, os resultados obtidos

foram comparados com os

requisitos técnicos de pavimento

intertravado de cimento [27], de

ampla produção no Brasil

(Tabela 3). A pesar de se tratar de

materiais diferentes, essa

comparação permite avaliar

qualitativamente a qualidade dos

Figura 10: Pavimentos cerâmicos produzidos

Figura 11: Tribômetro UMT TriboLab, Bruker

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 15

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novos materiais produzidos. A formulação com

30% de rocha R1 atingiu uma resistência à

compressão superior a 35 MPa, correspondente

ao mínimo exigido para pavimentos

intertravados de cimento para tráfego de

pedestres e veículos leves. De acordo com a

norma NBR 13818, para placas cerâmicas

extrudadas para revestimos não esmaltados,

(Tabela 2), os produtos desenvolvidos contendo

30% de rochas R1 e R2, atendem os requisitos

de absorção de água e de resistência à abrasão

profunda para a Classe Tipo IIIa. Os valores

obtidos também foram comparados com os

requisitos da norma NE 1344 para pavimentos

cerâmicos (Tabela 3). Essa comparação indicou

que as formulações com 30% de rocha R1 e R2

apresentaram maior resistência à abrasão que o

adoquim cerâmico Classe A1.

A partir dos resultados da caracterização física e

mecânica e tribológica, foram determinados

índices de desempenho mecânico e de

desempenho tribológico, os quais auxiliaram na

seleção de formulações de composição argila-

rocha mais apropriadas para pavimentos

cerâmicos. O índice de desempenho mecânico

(IPM) proposto permitiu a identificação das

formulações com maior densidade, menor

retração linear e maior resistência mecânica, ao

levar em conta a massa específica, a retração

linear, o módulo de resistência à flexão, assim

como a largura e comprimento do corpo

cerâmico. A análise do IPM dos corpos cerâmicos

mostrou que, exceto a amostra com 20% de

rocha R2, todas as composições tiveram índice

de desempenho superior ao da argila. A

formulação com 40% de rocha R1 teve o maior

valor de IPM, porém, foi desconsiderada, pois

Requisito Técnico

Pavimento intertravado de cimento

(ABNT NBR 9781)

Pavimento intertravado tipo adoquim cerâmico

(NE 1344)

Resultados do IMC-UCS

P1

(30% R1)

P2

(30% R2)

P3

(40% R2)

Resistência à compressão

(MPa)

≥ 35,0 (tráfego de pedestres, veículos leves e veículos comerciais de linha)

≥ 50,0 (tráfego de veículos especiais e solicitações capazes de produzir

efeitos de abrasão acentuados)

- 48,8 33,7 25,4

Resistência à abrasão

[mm]

(mm3)

23 (tráfego de pedestres, veículos leves e veículos comerciais de linha)

20 (tráfego de veículos especiais e solicitações capazes de produzir efeitos de abrasão acentuados)

Classe A1: ( 2100)

Classe A2: ( 1100)

Classe A3: ( 450)

[57,1] (1593,3)

[57,4] (1622,8)

[67,5]

(2658,9)

Absorção de água (%)

6 - 15,1 15,3 14,6

Tabela 3: Resultados obtidos para os pavimentos cerâmicos produzidos no IMC-UCS

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 16

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Materiais

Cerâmicos

apresentou a menor resistência à flexão

(Figura 12).

Em conjunto com o IPM, o índice de

desempenho tribológico (IPT) proposto foi usado

como critério de seleção das formulações argila-

rocha para adoquins cerâmicos. O IPT representa

a razão entre o coeficiente de atrito e o

coeficiente de desgaste e depende da massa

específica e propriedades mecânicas das

formulações, assim como dos parâmetros dos

ensaios tribológicos (força normal e distância

deslizamento). A análise do IPT indicou que as

formulações com 30% de rochas R1 e R2

apresentam desempenho tribológico satisfatório,

superior ao da argila (Figura 13).

Para fins comparativos, também foram

realizados ensaios tribológicos de três produtos

comerciais, dois pisos cerâmicos e um pavimento

intertravado de concreto. Também foi avaliado o

comportamento tribológico de outra formulação

com maior temperatura de queima (de 950oC

para 1100oC).

Pela comparação dos valores do coeficiente de

atrito (Figura 14) e de perda de massa

(Figura 15) dos produtos desenvolvidos com os

dos pisos comerciais 1 e 2 e do pavimento

intertravado de concreto, foram consideradas

apropriadas as formulações com 30% de rocha

Figura 12: Índice de desempenho mecânico

dos pavimentos cerâmicos produzidos Figura 13: Índice de desempenho tribológicos

dos pavimentos cerâmicos produzidos

Figura 14: Coeficiente de atrito dos pavimentos

cerâmicos produzidos e de pavimentos comerciais

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 17

Instituto de

Materiais

Cerâmicos

R1 e R2, assim como a 009014 (maior

temperatura de queima).

Cabe ressaltar que a formulações com 30% de

R1 e R2 também atingiram o requisito de

resistência à abrasão profunda e tiveram índices

de desempenho mecânico e tribológicos

superiores ao da argila.

Na análise das trilhas de desgaste, observou-se a

formação de uma camada aderida, comumente

chamada tribofilme ou terceiro corpo, devido ao

contato por deslizamento (Figura 16). Esse

tribofilme era composto por uma mistura de

material das amostras de argila ou da

composição argila-rocha e do contracorpo. O

tribofilme formado teve, provavelmente, uma

natureza química e mecânica que prejudicou o

desempenho tribológico das formulações com

menor índice de desempenho tribológicos. Os

resultados da caracterização tribológica, atrito e

desgaste por deslizamento alternado, apontaram

para uma correlação entre o comportamento

Figura 16: Trilhas de desgaste dos pavimentos cerâmicos produzidos e de pavimentos comerciais

Figura 15: Perda de massa devido ao desgaste dos

pavimentos cerâmicos produzidos e de pavimentos

comerciais

Projeto Pavimentos Tribológicos Boletim Técnico 18

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Materiais

Cerâmicos

tribológico e as características químicas,

mineralógicas e microestruturais das diferentes

formulações argila-rocha. A diferença na

composição das rochas, em especial, a presença

de fases cristalinas mais duras se reflete no

comportamento do atrito e desgaste.

Conclusões

O comportamento tribológico dos produtos para

pavimentos cerâmicos está correlacionado com

as características químicas e mineralógicas das

formulações.

Em conjunto com o índice de desempenho

mecânico, o índice de desempenho tribológico

proposto neste projeto foi usado como critério de

seleção das formulações argila-rocha para

pavimentos cerâmicos que, quando apropriadas

do ponto de vista mecânico, tenham valores de

coeficiente de atrito na faixas dos comerciais

(associado com a baixa ocorrência de

escorregamento de indivíduos e com a baixa

ocorrência de derrapagem do veículos) e menor

perda de massa específica devido ao desgaste

(associado com a durabilidade do pavimento).

O comportamento tribológico dos pavimentos

cerâmicos desenvolvidos depende do tipo e

quantidade de resíduo de rocha e da temperatura

de queima. Pavimentos com 30% em massa de

rocha R1 e R2 apresentam melhor desempenho

frente ao desgaste por deslizamento, com níveis

comparáveis a os dos comerciais. O pavimento

com 30% em massa de rocha R1 atende os

requisitos de resistência à abrasão exigidos pela

norma brasileira para placas cerâmicas não

esmaltadas e pela norma espanhola para

pavimentos cerâmicos Classe A1. Pavimentos

cerâmicos produzidos com maior temperatura de

queima também têm comportamento frente ao

desgaste por deslizamento comparável com o de

pavimentos comerciais.

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Instituto de

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Cerâmicos

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Projeto Pavimentos Tribológicos

RS, Abril, 2017