Ciências e Tecnologia dos Materiais Aula 6 – Materiais Cerâmicos Prof. Felipe Ferrucio
Materiais Cerâmicos • Definição: • Chama-se cerâmica à pedra artificial obtida pela moldagem, secagem e cozedura de argilas ou misturas contendo argilas. Em certos casos, pode ser suprimida alguma das etapas citadas, mas a matéria-prima é a argila. Nos materiais cerâmicos a argila fica aglutinada por uma pequena quantidade de vidro que surge pela ação do calor de cocção sobre os componentes da argila. • Possuem grande durabilidade (alta temperatura de fusão). São isolantes térmicos e elétricos. São duros, mas frágeis.
Materiais Cerâmicos • As Argilas • Definição • Materiais terrosos que quando misturados com a agua apresentam alta plasticidade. Constituídas de partículas cristalinas extremamente pequenas formadas por um número estrito de substâncias: os argilominerais (uma argila pode ser constituída por um ou mais argilominerais). • As argilas são compostas por partículas coloidais de Ø<0,005mm, com alta plasticidade quando úmidas e que, quando secas, formam torrões dificilmente desagregáveis pela pressão dos dedos. (ABNT)
Materiais Cerâmicos • Tipos de depósitos de argila: • Na superfície das rochas, como resultado da decomposição superficial das mesmas; • Nos veios e trincas das rochas; • Nas camadas sedimentares, onde foram depositadas por ventos e chuvas;
• Argilas Residuais: Encontradas no local onde se originaram. • Caulins (primários) ricos em quartzo, mica e feldspato. • Cerâmica Branca
• Argilas Sedimentares: Depósito fica longe da rocha de origem, foi transportada: pela água (estratificada) ou pelo vento (não estratificada mas porosa). Mais rica em argilo-minerais e menos rica em quartzo e restos da rocha de origem. • Caulins (secundários) • Cerâmica Vermelha
Materiais Cerâmicos • Tipos de Argila • • • •
Argilas de cor de cozimento branca: Caulins e argilas plásticas; Argilas refratárias: Caulins, argilas aglomerantes aluminosas; Argilas para a produção de grés; Argilas para materiais cerâmicos estruturais, amarelas ou vermelhas;
• Classificação conforme a maior ou menor quantidade de colóides: • Argilas Gordas: plásticas, se deformam muito no cozimento (argilo-minerais ricos em alumina); • Argilas Magras: mais porosas e frágeis (argilo-minerais ricos me sílica).
Materiais Cerâmicos • Componentes das Argilas: • Caulim • É a argila com amplo predominância da caulinita, pó branco que é a matéria-prima da porcelana. A caulinita é a forma mais pura de argilo-minerais. Conforme sua pureza, é usada para porcelana, louças, azulejos, refratários e outros materiais. • Quando umedecida é muito plástica. Ao secar apresenta alta retração.
• Óxido de ferro • Mistura-se geralmente com a caulinita e dá a cor vermelha ou amarelada da maioria das argilas. Em outros casos forma pintas ou manchas. • Reduz a plasticidade e a propriedade de ser refratária.
Materiais Cerâmicos • Componentes das argilas: • Sílica livre (areia) • Reduz a plasticidade e o trincamento, mas também diminui a retração e facilita a secagem. Diminui a resistência mecânica mas o pouco que funde no cozimento é que dá o vidrado endurecedor. • Aumenta a brancura.
• Alumina livre (óxido de alumínio) • Reduz a plasticidade e a resistência mecânica, mas também reduz as deformações. • Aumenta a refratariedade.
• Feldspatos (fundentes) • Diminuem a plasticidade e o ponto de fusão; • Aumentam a massa específica, resistência e impermeabilidade.
Materiais Cerâmicos • Componentes das argilas: • Compostos cálcicos (sais solúveis) • Dão eflorescências de mau aspecto. • Reduzem a refratariedade e plasticidade
• Matéria Orgânica • Aumenta a plasticidade, porosidade e retração; • Dá cor escura as argilas antes do cozimento.
• A água na Argila • Água de constituição: faz parte da estrutura da molécula; • Água de plasticidade ou absorvida: adere a superfície das partículas coloidais; • Água de capilaridade ou livre: preenche os poros e vazios.
Propriedades das Argilas • Plasticidade • Propriedade que um sistema possui de se deformar pela aplicação de uma forma e de manter essa deformação quando a força é retirada. Resulta das forças de atração entre partículas de argilo-minerais e a ação lubrificante da água entre as partículas lamelares; forças de atração que podem ser anuladas se a película de água entre as lamelas é excessiva. • Limite de plasticidade • Teor de água expresso em % de argila seca à 110°C de uma massa plástica de argila, acima da qual a massa pode ser enrolada em cilindros com 3 a 4mm de diâmetro e 15cm de comprimento.
• Limite de Liquidez • Teor de água expresso em % de argila seca a 110°C , acima do qual a massa flui como um líquido, quando agitada.
Propriedades das Argilas • ÍNDICE DE PLASTICIDADE • Índice de Plasticidade = Limite de liquidez – limite de plasticidade
• ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA
Propriedades das Argilas • Retração • Secagem Evaporação da água. Quando a distância entre as partículas diminui, ocorre a retração. A retração é proporcional ao grau de umidade, composição da argila e ao tamanho das partículas. • Quando a retração não é uniforme, o bloco pode se deformar. • Fatores que aumentam a plasticidade (aspecto positivo), também aumentam a retração (aspecto negativo).
Propriedades das Argilas • Secagem • A secagem no interior da peça ocorre pela difusão da água até a superfície onde acontece a evaporação. Se a velocidade de evaporação é maior que a velocidade de difusão da água do interior da peça até a superfície, a superfície secará antes do interior e irá se retrair. Ocorre tensão diferencial, ocasionando fissuras e deformação da peça. É necessário controlar a velocidade de evaporação a fim de que ela seja no mínimo da ordem de grandeza da velocidade de difusão da água. É feito o controle da temperatura, umidade e fluxo de ar. • A espessura da peça terá influencia na secagem.
Propriedades das Argilas • Sinterização (queima) Até 110°C: evaporação da água de capilaridade e amassamento. A partir de 300-400°C: Perda da água absorvida, a argila se enrijece. Entre 600 e 800°C:
Perda de água de constituição. Combustão da matéria orgânica; Decomposição da pirita FeS2 Fe2O3 (cor); Decomposição dos hidróxidos; Transformação alotrópica do quartzo 573°C
Entre 800 e 950°C Calcinação dos carbonetos óxidos; Decomposição dos sulfetos;
Acima de 950°C Início da vitrificação (sinterização). A sílica de constituição e as das areais, assim como os feldspatos, formam uma pequena quantidade de vidro que aglutina os demais elementos dando após o resfriamento, dureza, resistência e compactação ao conjunto. A qualidade de um artigo cerâmico depende da quantidade de vidro formado: é ínfima nos tijolos comuns e grande nas porcelanas.
Fabricação da Cerâmica • De modo geral, a fabricação dos materiais cerâmicos obdece às seguintes fases: • • • • • •
Extração do barro; Preparo da matéria-prima; Moldagem; Secagem; Cozimento; Esfriamento;
Em muitos casos, ainda existe a vitrificação especial.
Fabricação da Cerâmica • Extração do Barro • Cada tipo de cerâmica requer um tipo próprio de barro. • A importância do tipo do barro é tanta, que muitas vezes as indústrias preferem jazidas localizadas a grande distância das fábricas, que são instaladas onde há abundância de energia, transporte e mão-de-obra.
Fabricação da Cerâmica • Preparo da Matéria-Prima • Sazonamento ( ou Apodrecimento da Argila) • A argila é levada para depósitos ao ar livre, onde é revolvida sumariamente e passa por um período de descanso. Tem por finalidade a fermentação das partículas orgânicas, transformando-as em coloidais, aumentando a plasticidade.
• Eliminação de impurezas e classificação • Maceração: Desintegração, trituração, peneiramento. • Para a obtenção de partículas menores
• Loteamento ou Correção do Barro • Correção para dar a mistura a constituição desejada relacionada à aplicação. • Adição de areia fina ou argila já cozida; • Eliminação de grãos graudos.
• Amassamento e Mistura • Prepara a argila para a moldagem. • Usa-se ou não água.
Fabricação da Cerâmica • Moldagem • É a operação que dará a forma desejada a pasta ceramica. Podese dividir em quarto processos básicos de moldagem: • • • •
Moldagem a seco ou semi-seco (com 4% a 10% de água); Moldagem com pasta plástica consistente (com 20% a 35% de água); Moldagem com pasta plástica mole (com 25% a 40% de água); Moldagem com pasta fluida (com 30% a 50% de água);
• Moldagem a seco ou semi-seco • É feita por prensagem. A argila é moldada quase seca, mas para adquirir a forma desejada deve ir para prensas de alta potência. • Essa moldagem é usada para ladrilhos, azulejos além de tijolos e telhas de qualidade superior.
Fabricação da Cerâmica • Moldagem com pasta plástica consistente • É utilizada na extrusão, que consiste em forçar a massa a passar, sob pressão, através de um bocal apropriado, formando uma fita uniforme e contínua. • O moldagem por extrusão é usual para tijolos, telhas e refratários.
• Moldagem com pasta plástica mole • É o processo mais antigo. A cerâmica, bastante pastosa é moldada em moldes de madeira. • É usado para fabricação de vasos, tijolos brutos. • É usado na fabricação do adobe, onde formas individuais são utilizadas no processo.
Fabricação da Cerâmica • Moldagem com pasta flúida • É o chamado processo de barbotina. A cerâmica é dissolvida em água e a solução é então vertida em moldes porosos de gesso. • É o processo usado para porcelanas, louças sanitárias e peças de formato complexo.
Fabricação da Cerâmica • Secagem • A secagem é tão importante quanto o cozimento, uma vez que ainda permanece na peça de 5% a 35% de água após a moldagem. • Se a secagem não for efetuada de maneira correta, a quantidade de água presente na peça prejudicará o cozimento, com o aparecimento de tensões internas e o consequente fendilhamento. • Existem quatro processos básicos de secagem: • Secagem Natural É o processo comum nas olarias, mas é demorado e exige grandes superfícies. As vezes é utilizado o calor proveniente dos fornos. • Secagem por ar quente-úmido o material é posto nos secadores, onde recebe ar quente com alto teor de umidade, até que desapareça a água absorvida. Ai então recebe somente ar quente, para perder a água de capilaridade. • Secadores de túnel São túneis que aproveitam o calor residual dos fornos, pelo qual se faz passar lentamente em vagonetas as peças durante a secagem. • Secagem por radiação infravermelha é pouco usada, em razão do custo e por só servir para peças delgadas. É utilizada para peças de precisão.
Fabricação da Cerâmica • Cozimento • É o processo mais importante na fabricação dos materiais cerâmicos. É nele onde ocorrem as reações químicas necessárias a vitrificação e as características finais do produto. • É de suma importância a eficiência térmica, uma vez que o cozimento usualmente necessita de grandes quantidades de combustível. • O forno pode ser realizado em fornos contínuos ou intermitentes. Sendo os primeiros os mais eficientes. • Tipos mais usados de fornos: • • • • • • •
Forno de Meda; Intermitente comum; Forno semícontinuo; Forno intermitente de chama invertida; Forno de cuba; Forno de Hoffman; Forno de Túnel;
Materiais Cerâmicos • Comercialmente os materiais cerâmicos usados na construção civil podem ser dividos em: • Materiais cerâmicos secos ao ar; • Materiais cerâmicos de baixa vitrificação; • Materiais cerâmicos de alta vitrificação: • Materiais de louça; • Materiais de grês cerâmico;
• Refratários.
Materiais Cerâmicos • Adobe • Argila seca ao ar sem cozimento. • Utilizado em construções rústicas e/ou de baixa qualidade. • Pode resistir a tensões de compressão de até 7 MPa, o que é um bom índice. • Tem como desvantagem o fato de retornar ao regime plástico quando úmida. Por isso a alvenaria confeccionada com adobe deverá ser revestida com material isolante.
Materiais Cerâmicos • Tijolos Comuns • Tijolos comuns tem alta porosidade, superfícies ásperas e foram fabricados com pequena prensagem. • A resistência a compressão dos tijolos comuns varia de 1 até 15 MPa, que será determinada pela qualidade da argila. • Características de Qualidade: • Procedência; • Transporte Se houve grande porcentagem de quebra durante o transporte, isto indica que se trata de um material fraco; • Percução Som metálico indica um bom cozimento; • Cor A cor não tem muita importância, mas pode ser observado a cor dos miolos, que pode indicar material cru ou cores muito carregadas indicarão peças muito vitrificadas; • Regularidade de forma e igualdade de dimensões; • Arestas vivas e cantos resistentes; • Homogeneidade da massa Ausência de fendas, trincas, cavidade e corpos estranhos; • Absorção de água entre 15 e 25%;
Materiais Cerâmicos • Fabricação do Tijolo • Os processos usados são os mais econômicos possíveis. • A moldagem é feita com pasta plástica consistente; • O Cozimento varia entre 900 e 1000 °C;
• Normas: • Tijolos Maciços Comum: • NBR 5711 - Tijolo modular de barro cozido – Padronização; • NBR 6460 – Tijolo maciço cerâmico para alvenaria – Verificação de resistência a compressão; • NBR 7170 – Tijolo maciço cerâmico para alvenaria – especificação; • NBR 8041 – Tijolo maciço cerâmico para alvenaria – forma e dimensões;
Materiais Cerâmicos • Normas • Blocos Cerâmicos • NBR 6561 – Bloco cerâmico para alvenaria – Verificação da resistência a compressão; • NBR 7171 – Bloco cerâmico para alvenaria – Especificação; • NBR 8042 – Bloco cerâmico para alvenaria – Formas e dimensões; • NBR 8043 – Bloco cerâmico portante para alvenaria – Determinação da área líquida;
Materiais Cerâmicos • Telha Cerâmica • O processo de fabricação das telhas é quase idêntico à fabricação dos tijolos comuns, mas o barro deve ser mais fino e homogêneo. A moldagem é feita por prensagem. A secagem deve ser mais lenta que para tijolos, de modo a diminuir a deformação. • Características de qualidade: • Regularidade de forma e dimensões; • Arestas finas e superfícies sem rugosidades (para facilitar o escoamento); • Homogeneidade de massa, com ausência de trincas, fendas e etc; • Cozimento parelho; • Fraca absorção de água e impermeabilidade; • Peso reduzido; • Não conter sais solúveis; • Resistencia mecânica à flexão adequada, mesmo na condição saturada de água.
Materiais Cerâmicos • Tipos de Telhas • Capa e Canal: • São fabricadas pelo processo de prensagem. Se caracterizam por peças côncavas apoiadas nas ripas (canais) e peças convexas apoiadas nos canais (capa). • Colonial: é oriunda das primeiras telhas do brasil. Apresenta um único tipo de peça destinado tanto para o canal como para a capa. • Paulista: apresenta a capa com largura ligeiramente inferior à largura do canal, o que confere ao telhado um efeito estético bem diferente daquele obtido com a colonial. • Plan: Apresenta formas acentuadamente retas, o que agrega um novo padrão estético na cobertura da edificação.
Telha Plan
Telha Colonial
Materiais Cerâmicos • Encaixe: • Apresentam bordas e reentrâncias que permitem o encaixe entre elas. • Francesa: Feita por prensagem, possui encaixes laterais e um ressalto na face inferior para o apoio na ripa. • Romana: também feita por prensagem, apresentando uma capa e canal interligados na mesma peça. • Termoplan: é fabricada por extrusão, apresenta furos ao longo de seu comprimento que permitem a passagem do ar, com o intuito de melhorar o desempenho térmico d
Telha Romana
Telha Francesa
Revestimentos Cerâmicos • O Brasil é o quarto maior produtor mundial de Revestimento Cerâmico, ficando atrás apenas de China, Itália e Espanha, e é o terceiro maior exportador mundial. Em 1997, foram produzidos 383,3 milhões de metros quadrados de revestimentos cerâmicos, entre pisos e azulejos, volume 13,94% maior que o de 1996. Do total produzido, foram vendidos no mercado interno 339,8 milhões de metros quadrados, ou seja, mais de 88% da produção nacional.
Revestimentos Cerâmicos • Classificação dos Revestimento : • Absorção de Água: • A absorção da água está diretamente relacionada a resistência mecânica do revestimento.
Revestimentos Cerâmicos • Classificação dos Revestimento : • Resistência a Abrasão Superficial - PEI: • A índice PEI classifica os revestimentos cerâmicos acerca a resistência que o mesmo apresenta aos esforços abrasivos. O desgaste é principalmente causado pelas sujeiras abrasivas presentes nos ambientes somada a aplicação dos esforços mecânicos pelos solados dos sapatos.
Revestimentos Cerâmicos • Classificação dos Revestimento : • Resistência a Abrasão Superficial - PEI: • PEI 1: Produto recomendado para ambientes residenciais onde se caminha geralmente com chinelos ou pés descalços. Exemplo: banheiros e dormitórios residenciais sem portas para o exterior. • PEI 2: Produto recomendado para ambientes residenciais onde se caminha geralmente com sapatos. Exemplo: todas as dependências residenciais, com exceção das entradas. • PEI 3: Produto recomendado para ambientes residenciais onde se caminha geralmente com alguma quantidade de sujeira abrasiva que não seja areia e outros materiais de dureza maior que areia (todas as dependências residenciais). • PEI 4: Produto recomendado para ambientes residenciais (todas as dependências) e comerciais com alto tráfego. Exemplo: restaurantes, churrascarias, lojas, bancos, entradas, caminhos preferenciais, vendas e exposições abertas ao público e outras dependências. • PEI 5: Produto recomendado para ambientes residenciais e comerciais com tráfego muito elevado. Exemplo: restaurantes, churrascarias, lanchonetes, lojas, bancos, entradas, corredores, exposições abertas ao público, consultório, outras dependências.
Revestimentos Cerâmicos • Classificação dos Revestimento : • Coeficiente de Atrito: • Corresponde a resistência ao escorregamento que o revestimento cerâmico irá apresentar. Principalmente importante quando da aplicação em áreas externas, rampas, calçadas, ou áreas molhadas.
Revestimentos Cerâmicos • Classificação dos Revestimento : • Resistência ao Ataque Químico: • Está relacionada primordialmente a resistência que o esmalte apresenta contra o ataque de produtos químicos (produtos de limpeza). Também é importante a temperatura e o tempo de queima no forno que o material foi submetido durante a fabricação.
Revestimentos Cerâmicos • Classificação dos Revestimento : • Resistência ao Manchamento (limpabilidade): • Está relacionada a queima incompleta da matéria-prima.
Revestimentos Cerâmicos • Classificação dos Revestimento : • Classes de Qualidade: • Classificação com a qual os produtos são comercializados. Está principalmente relacionada a qualidade e ao padrão construtivo da edificação.
Revestimentos Cerâmicos • Argamassas de Assentamento • Argamassas Industrializadas: • ACI - Argamassa com características de resistência às solicitações mecânicas típicas de revestimentos internos, com exceção daqueles aplicados em áreas especiais, como saunas, churrasqueiras, estufas e outros. • ACII - Indicada para uso de ambientes externos. Possui propriedades que diminuem a interferência das variações de temperatura e umidade típicas do trabalho ao ar livre. • ACIII - É indicada para condições de altas exigências. • ACIIIE - É indicada para condições de altas exigências, com tempo em aberto estendido.