OS MATERIAIS CERÂMICOS

Materiais e componentes de construção

Marco Antônio de Morais Alcantara

1)Histórico:

A história dos materiais cerâmicos tem início com a descoberta das propriedades tecnológicas do barro, através do contato do homem com os materiais naturais, ao longo da história das civilizações. As principais propriedades da matéria prima, o barro, são: a plasticidade quando umedecido (i), o ganho de resistência mecânica após a secagem deste (ii), e as transformações mineralógicas provocadas pelo efeito do calor (iii).Pode-se ainda acrescentar a ocorrência do vidrado (iv), dos materiais cerâmicos, de modo a poder se diferenciar entre estes os de maior ou de menor grau de vitrificação.

Não obstante que a história dos materiais cerâmicos seja tão antiga,deve-se considerar a sua trajetória desde a sua utilização sob condições primitivas,na forma de habitações ou de utensílios domésticos, como até aos produtos mais sofisticados que conhecemos hoje, originários desta; esta conheceu a evolução tecnológica, a partir com a evolução dos fornos, do aperfeiçoamento dos processos de secagem e de queimas, de modo a poder se efetuar o controle sobre as suas propriedades finais. Surge então a cerâmica de alta tecnologia. 

Hoje, a Engenharia de materiais considera os materiais como classificados em cerâmicos, metálicos, ou orgânicos, sendo os materiais cerâmicos um ramo de grande importância dentro da área, fomentando a criação de elementos para a construção, isolantes, paredes de fornos nucleares, e ainda na bio-medicina.

2) Aspectos relevantes para o estudo dos materiais cerâmicos:

São relevantes para estudo dos materiais cerâmicos: o tipo de matéria prima, o barro (i), o processo de produção (ii), e a caracterização do produto (iii). Este último item está em função dos dois primeiros.

A importância do estudo da matéria prima decorre de que, a partir de diferentes tipos de matéria prima, pode-se obter materiais com diferentes propriedades de comportamento, as quais se refletem no produto final.

Isto em função do processo de produção, o qual se torna importante, pois, ele está associado às diferentes contingências ás quais poderão se encontrar as matérias primas, e o tipo de ações que são implementadas, como, térmicas, ou mecânicas, com vistas às  características que se deseja que sejam impostas ao material. Observe que um material que vai ser prensado para a fabricação de um piso deverá ser menos úmido do que aquele que vai ser submetido ao processo de extrusão(passagem forçada por um bocal), para a fabricação de um bloco, de modo a receber a conformação apropriada.

A caracterização do material, será o resultado do tipo de matéria prima utilizada, e do processo de produção aplicado; juntamente definirão as propriedades finais do produto; serão responsáveis pelo desempenho da cerâmica em edificações. Neste sentido, pode-se falar de diferentes tipos de textura, grau de vitrificação, densidade, refletindo-se então em diferenças no grau de impermeabilidade, na resistência mecênica, e em outras propriedades que possam ser levantadas.

3) Os materiais cerâmicos e a ciência dos materiais:

Os materiais cristalinos se caracterizam por apresentar arranjo ordenado dos átomos, que o constituem, e de modo a formar desenhos repetitivos que possam se estender conforme as três direções. Os arranjos formados podem ser enquadrados conforme tipos básicos definidos pela mineralogia.Os materiais amorfos não possuem esta propriedade. 

Os materiais cerâmicos constituem-se em uma fase atípica: podem ter elementos constitutivos que apresentam regularidade na organização dos seus átomos e ligações, mas não à longa distância, para um determinado tipo; além disso, o material cerâmico agrega uma pluralidade de tipos de minerais. Ainda, pode-se falar do material vitrificado, amorfo, presente na estrutura formada.

Quanto aos tipos de ligações químicas, os materiais cerâmicos podem contemplar ligações covalentes, iônicas e metálicas, caracterizadas por serem ligações fortes.

Das peculiaridades da microestrutura dos materiais cerâmicos, estes podem ter como comportamento os seguintes: elevada resistência mecânica possível de ser alcançada, a qual é variável com o processo de produção, e o elevado módulo de elasticidade. 

Em face do elevado módulo de elasticidade, as deformações admissíveis nestes materiais são mínimas, sem que ocorra a ruptura. 

Ainda, considerando a pluralidade mineral, consider-se que este material está sujeito à apresentar concentrações de tensão nos estados últimos, em razão de que os diferentes minerais podem apresentar diferentes valores com relação ao módulo de elasticidade, e ainda, com relação ao efeito térmico, toma-se também em consideração que os respectivos minerais apresentam também diferentes coeficientes de dilatação térmica.   

Do exposto, considera-se uma justificativa para o fato que os materiais cerâmicos apresentam um comportamento frágil, em decorrência da tendência ao comportamento individual dos seus minerais, e ainda das heterogeneidades causadas pelos poros ou grão de areia incorporados à mistura.  

4) A matéria prima básica:

4.1) Características gerais: A matéria prima dos materiais cerâmicos é o barro, o qual pode conter teores variáveis de argila e de outros constituintes. Argilas são os materiais terrosos, com o diâmetro máximo de partícula de até 0,002mm. As argilas podem ser de forma lamelar ou não, com predominância amorfa ou cristalina, e são dotadas de elevada superfície específica. As argilas contém argilo-minerais que a representem, e o tipo de argilo-mineral poderá definir o seu comportamento no estado de matéria prima. Além das argilas temos os óxidos de ferro, a sílica(areia), a matéria orgânica, os carbonatos, os sais e os álcalis. A forma de argilo-minerais predominantes pode variar, conforme a sua procedência.

4.2) Propriedades importantes da matéria prima básica: Como propriedades importantes da matéria prima têm-se a plasticidade, a retração, o efeito do calor, a fusibilidade, e a resistência mecânica após a queima.

As contribuições dos componentes nas propriedades do barro podem ser:

a)Dos argilo-minerais: Estes podem contribuir proporcionando plasticidade, retração,fusibilidade ou infusibilidade, as quais variam conforme o tipo do argilo-mineral. Por exemplo, a caulinita tende a atribuir menor plasticidade e ser menos fusível, a montmorilonita tende a ser mais plástica e mais fusível. Os materiais mais plásticos, de modo geral, precisam de mais água para alcançar a trabalhabilidade requerida por meio do processo de produção, tendendo então a apresentar maior retração.

b) Sílica: Reduz a plasticidade e a retração da argila. São utilizados como corretivos de plasticidade.

c) Óxidos de ferro: Aumentam a fusibilidade, e diminuem a refratariedade.

d) Cálcio: Aumenta a fusibilidade.

e) Sais: São indesejáveis, podem produzir eflorescência na peça final. 

f) Matéria orgânica: atribui porosidade à peça, pois ela é eliminada durante a queima.

4.3) Tipos de barro mais conhecidos: Referenciados ao tipo de argila, pode-se falar que dentre as argilas mais citadas pela indústria cerâmica têm-se o caulim, de menor plasticidade quando comparado a outros tipos, e praticamente infusível (com predominância de caulinita); as argilas “ball-clays”, apresentando boa plasticidade e também certo grau de refratariedade ( com mineralogia distribuída entre caulinita, mica, quartzo, montmorilonita e outros minerais menos frequentes) ; as argilas refratárias ( com predominância de caulinita e contendo outros minerais associados); e a argila comum. Esta última é a mais variada de todas, podendo trazer também muitos compostos indesejados, como sais e matéria orgânica.

O Quadro 1, abaixo, apresenta a composição básica do barro para a produção de alguns materiais cerâmicos:

Quadro 1: Tipos de barros e de composição conhecidos para a fabricação da cerâmica.

Corpos cerâmicos	“ball clays”	Caulim	Feldspatos	Quartzo	Calcário
Azulejo	30	20	-	40	10
Grês sanitário	20-30	20-30	15	35	-
Porcelana elétrica	30	20	25	25	-

Fonte: GOMES (1988)

4.4) Importância das propriedades da matéria prima para o processo de produção:

- Plasticidade: É desejável para a conformação do produto, em todos os casos, mas é controlada quanto à condição de retração (um material muito plástico geralmente apresenta também a tendência de elevada retração).

- Retração: É indesejável quando em condição descontrolada, pois pode comprometer as peças nas fases de secagem ou da queima, quando não ocorre de forma homogênea (produzindo trincas ou empenamentos); mas é útil em alguns tipos de moldagem, como no processo “barbotina” (o material é vertido semi-fluido em moldes apropriados, e descolam no momento oportuno quando da secagem da peça).

- Efeito do calor: Confere à matéria prima as transformações mineralógicas, e o vidrado.

- Fusibilidade: Condiciona a formação do vidrado. Alguns barros são mais fusíveis do que outros, e utilizados quando se deseja o material mais vitrificado.

- Resistência mecânica (da argila crua): É útil para o manuseio das peças, durante o processo de produção.

5) O processo de produção:

O processo de produção pode ser resumido em:

- Extração do barro;

- preparo da matéria prima( eliminação de impurezas, correção granulométrica, umidificação);

- moldagem( manual, extrusão, prensagem);

- secagem( natural, ar quente, radiação infra-vermelha);

- cozimento;

- esfriamento.

Algumas peças recebem pintura especial e retorno ao cozimento para a fixação do vidrado (como no caso das louças sanitárias).

6) Cuidados no processo de produção:

-A umidade deve ser compatível com o tipo de moldagem;

- a secagem deve ser compatível com a retração, de modo que ela seja controlada;

- a velocidade de aquecimento na queima deve ser compatível com a velocidade de retração ou deformação das peças, para que não ocorra retrações desuniformes, empenamentos ou fendilhamentos;

- o material não deve ser submetido ao calor quando ainda úmido;

- a queima deve ser compatível com com o cozimento e grau de vitrificação desejados.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

BAUER, L.A.F  Materiais de construção, São Paulo, 1992, Livros Técnicos e Científicos, 2, p.526-554.

GOMES, C.F. Argilas, o que são e para que servem. Lisboa, 1988, Fundação Calouste Gulbenkian, 457p.

VAN VLACK, L.H. Ciência dos materiais. São Paulo, 1970, Edgard Blücher, 427p. 

Sobre o autor:

Marco Antônio de Morais Alcantara é Engenheiro Civil formado pela Universidade Federal de São Carlos-BR, com ênfase em Engenharia Urbana (1986); Mestre em Engenharia Civil, área de concentração em Geotecnia, pela Universidade Federal de Viçosa-BR (1995); Master Génie Civil, Matériaux et Structures, pelo Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse-FR (2001); Docteur Génie Civil, Matériaux et Structures, pelo Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse-FR (2004);  e tem pós-doutorado em Estruturas pela Universidade do Porto-PT (2012). É docente da FEIS/UNESP desde 1987.