Introdução

A Indústria de Cerâmica Vermelha é o segmento responsável pela produção de materiais de cor avermelhada, como telhas, blocos e tubos cerâmicos, os quais compõem um setor fundamental na construção civil brasileira. Essa esfera é majoritariamente composta por micro e pequenas empresas, muitas das quais se caracterizam por não terem um modelo organizacional bem definido e dependem da demanda por matéria-prima mineral (argila) em grandes quantidades. Nesse contexto, estima-se que, em nível nacional, existam aproximadamente sete mil olarias e cerâmicas de pequeno e médio porte, gerando 293 mil empregos diretos e cerca de 900 mil empregos indiretos (ANICER, 2019).

No âmbito do Ceará, Russas é um município brasileiro localizado na mesorregião do Baixo Jaguaribe (Figura 1), destacando-se como um polo econômico com o crescente desenvolvimento de seus serviços e a expansão das indústrias. Russas é reconhecida como a localidade que concentra a maior atividade no ramo das indústrias cerâmicas no estado, com 87 empresas de cerâmica (ICET, 2022). A produção média corresponde a 76.000 milhões de peças por mês, nas quais cerca de 3.200 empregos diretos são oferecidos (INT, 2012).

Os Arranjos Produtivos Locais (APLs) correspondem a aglomerações de empresas que operam em torno de uma atividade produtiva principal e que têm a capacidade de desenvolver redes colaborativas, fortalecendo a competitividade e fomentando a inovação e a interação entre as empresas (Cabral Junior et al., 2019).

O APL de Cerâmica Vermelha de Russas, por sua vez, é um tipo único de organização econômica e teve seu funcionamento iniciado por volta do ano de 2004. Atualmente, esse APL conta com a participação de 115 empresas entre os quatro municípios congregados: Russas, Limoeiro do Norte, Alto Santo e Quixeré (ICET, 2022). Essa iniciativa foi desenvolvida com o objetivo de promover o processo de organização do setor, por meio do aprimoramento tecnológico e fortalecimento da gestão empresarial vigente, visando contribuir para a consolidação e crescimento da economia regional (Rodrigues Neto; Mota, 2016).

Como parte integrante do sistema, diversas áreas produtivas dessa matéria-prima não são devidamente estudadas, ou seja, não possuem dados técnico-científicos suficientes para orientar sua aplicação industrial da forma mais racional e otimizada, considerando também a história cultural da gestão familiar na região (El OuahabI et al., 2019; Nunes; Barreto, 2019).

Em conformidade com os avanços tecnológicos crescentes, bem como progressivo interesse pelas propriedades e aspectos relacionados ao uso de argilas na construção civil, é relevante identificar plenamente o tipo de argila e suas propriedades, a fim de estabelecer as formulações e condições de processamento mais apropriadas para obtenção de um determinado produto, a depender da sua finalidade (Brito et al., 2015; Diao, Diagne, Dia, 2021; Moutou, 2018).

Em geral, as argilas são materiais muito heterogêneos, cujas características dependem da fragmentação das rochas, que têm formação geológica e localização de extração diferente. É considerado um material terroso, com granulação pequena, constituída essencialmente de argilominerais como caulinita, ilita e esmectitas, além de comumente conter outros minerais (quartzo, mica, hematita, entre outros), matéria orgânica e impurezas (Santos; Castilho; Costa, 2021; Silva; Pereira, 2021).

Os argilominerais são os minerais que compõem as argilas e fornecem a elas características específicas importantes para seu uso na indústria, como plasticidade, porosidade, compactação, resistência mecânica após a secagem e queima (ABCERAM, 2021).

Portanto, tendo em vista a heterogeneidade da matéria-prima, o conhecimento específico das características desses materiais para extração do seu máximo potencial tecnológico, de forma a poupar esforços e economia de recursos, torna-se essencial e ocorrerá mediante a caracterização do mineral. Através dela, agrega-se o valor acadêmico e comercial, fundamental para que haja a garantia de segurança e conformidade com os padrões de qualidade estabelecidos, bem como uso otimizado do recurso mineral (Macedo et al., 2008).

Metodologia

As argilas estudadas (Figura 2) são oriundas da jazida localizada no município de Russas, região do baixo Jaguaribe do Estado do Ceará. O material cedido pela empresa colaboradora Cerâmica Kappa corresponde às matérias-primas utilizadas na massa cerâmica, cuja formulação de massa consiste na adição de argila gorda e argila magra.

Diante disso, coletou-se cerca de 20 kg das matérias-primas para caracterização dos materiais, no qual foram retiradas diretamente do depósito ao ar livre da empresa e encaminhadas ao Laboratório de Materiais Cerâmicos da Universidade Federal do Ceará, Campus Russas, para realização dos ensaios.

As amostras coletadas foram previamente secas à temperatura ambiente e, em seguida, posto em estufa a 60 °C durante 24 horas. Posteriormente, o material passou pelo processo de quarteamento para obter uma amostra representativa e destorroada manualmente com o auxílio de almofariz e pistilo.

Para análise das argilas por DRX foi necessário tratamento adicional de pipetagem, com intuito de se obter um concentrado mais representativo dos argilominerais presentes na amostra, facilitando assim a identificação das fases minerais. Os difratogramas de Raios-X das amostras foram obtidos por meio do equipamento PANalytical X'Pert PRO, nas seguintes condições de operação: radiação com tubo de cobalto (30 kV/ 40 mA), leitura de 2θ variando de 3° a 50°, com o passo de 0,013°. A identificação das fases cristalinas foi realizada utilizando o Software X’pert High Score Plus e a base de Dados PDF-2.

A composição química e a morfologia das matérias-primas foram determinadas, respectivamente, por Espectroscopia de Dispersão de Energia (EDS) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). O ensaio foi realizado no Laboratório de Microscopia Eletrônica de Geologia da Universidade Federal do Ceará, campus do PICI, utilizando o microscópio eletrônico de bancada HITACHI TM 3000 adicionado ao EDS SWIFT ED 3000.

As matérias-primas foram avaliadas termicamente por meio de análises de TG (Termogravimetria) e DTA (Análise Térmica Diferencial), realizadas simultaneamente no equipamento modelo STA 449 F3 Jupiter do fabricante alemão NETZSCH, a uma taxa de 10°C/min em atmosfera de nitrogênio, aquecimento da temperatura ambiente até 1000 °C, disponível no Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da UFC.

As distribuições granulométricas das argilas foram identificadas por técnicas de peneiramento e sedimentação usando dispersor e defloculante, de acordo com as normas NBR 6457-16 e NBR 7181-16 (ABNT, 2016a; ABNT, 2016d). O índice de plasticidade das argilas foi definido de acordo com as normas NBR 6459-16 e NBR 7180-16 (ABNT, 2016b; ABNT, 2016c) para cálculo dos limites de Atterberg.

Resultados e discussões

Os difratogramas obtidos a partir da análise das argilas mostram características semelhantes, conforme apresentados nas Figuras 3 e 4.

Os argilominerais identificados nas amostras foram pertencentes aos grupos da esmectita, mica e caulinita, e os minerais não argilosos encontrados foram o quartzo e feldspato.

A Figura 3 ilustra o difratograma referentes à argila gorda. A nontronita, pertencente ao grupo das esmectitas, ocorre sob a fórmula química (Fe,Al)(Si,Al)₂O₅(OH)H₂O e distância interplanar d(001) em torno 13,9 Å. A caulinita aparece com sua fórmula química expressa por Al₂(Si₂O₅)(OH)₄, d (001) igual a 7,1Å, podendo estar associada ao quartzo. A ilita, relativo ao grupo das micas, ocorre sob a fórmula empírica expressa por Al₃H₂KO₁₂Si₃, com o pico característico d(001) em torno de 10Å.

A Figura 4 apresenta o difratograma referente à argila magra. O grupo da esmectita é marcado pela presença da nontronita, que ocorre sob a fórmula química (Fe,Al)(Si,Al)₂O₅(OH)H₂O e d(001) em torno 13,9 Å. A caulinita aparece na forma de nacrita com sua fórmula química expressa por Al₂(Si₂O₅)(OH)₄, d (001) igual a 7,1Å. O grupo das micas aparece na forma de muscovita sob a fórmula empírica expressa por Al₃H₂KO₁₂Si₃, com o pico característico d(001) em torno de 10,1Å.

A Tabela 1 apresenta os percentuais coletados das medições de Espectroscopia de Dispersão de Energia (EDS) das amostras de argila gorda e argila magra. O resultado indica que a composição básica das amostras estudadas é formada majoritariamente por sílica, alumina e óxido de ferro, característico de matérias-primas usadas na indústria de cerâmica vermelha.

Conforme a Tabela 1, o teor de óxido de silício (SiO₂) varia entre 46 e 51%, estando associado à presença de silicatos e sílica livre (quartzo, feldspato, mica, entre outros). O óxido de alumínio (Al₂O₃), em sua maior parte disponível na forma combinada, varia entre 22 e 23% e contribui para a formação dos argilominerais, como a caulinita. A presença de argilominerais que contém alumina aumenta a plasticidade da argila e confere um produto mecanicamente resistente (Diao; Diagne; Dia, 2021).

O óxido de magnésio (MgO), o óxido de potássio (K₂O) e o óxido de cálcio (CaO) são agentes fundentes que contribuem para a formação da fase líquida durante o processo de queima e são responsáveis pela vitrificação dos materiais cerâmicos. Os altos teores de óxido de ferro (FeO) variam entre 16 e 22%, conferindo ao material uma cor avermelhada e refratariedade reduzida. A presença de óxidos alcalinos e alcalino-terrosos propicia o aumento da resistência mecânica dos tijolos e leva a uma temperatura de sinterização mais baixa (Brito et al., 2015; Macêdo et al., 2011; Rehman; Ahmad; Rashid, 2020).

A Figura 5 apresenta as análises de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e Espectroscopia por dispersão de elétrons (EDS) da argila gorda no estado natural (a) e da argila magra (b). As análises demonstram uma morfologia característica de argilominerais do tipo ilita, caulinita e nontronite, confirmando os resultados expostos no DRX.

A Figura 6 mostra as curvas de distribuição do tamanho de partículas das matérias-primas. Observa-se que o teor de "fração argila", associada ao tamanho de partícula inferior a 0,002 mm, é de 36% para a amostra de argila gorda, 17% para a argila magra e 29% para a massa composta pela mistura de argila gorda e argila magra (MAGM).

A Tabela 2 apresenta a classificação das amostras de acordo com a porcentagem de diâmetros dos grãos. As partículas de argila são menores que 2 μm, o que confere uma área de superfície específica muito grande, proporcionando-lhes uma grande capacidade de adsorver água, bem como outras substâncias. Essa grande superfície adsorvente, formada pelas partículas de argila, permite a moldagem da mistura em sua forma úmida, de forma a ser obtida uma massa coesa de acordo com o processo gradual de secagem (Brady; Weil, 2010).

A classificação das propriedades do solo adequadas para a produção de cerâmica vermelha é realizada de acordo com o diagrama de Winkler, no qual relaciona o tamanho de partícula das misturas com as diferentes aplicações (Djeran-Maigre et al., 2023; Mesrar et al., 2021).

A Figura 7 mostra o Diagrama de Winkler aplicado aos valores de granulometria obtidos na Tabela 2. A amostra de argila gorda apresenta maior potencial para a produção de telhas, e a massa composta pela mistura das argilas gorda e magra (MAGM) apresentou melhores resultados para a produção de tijolos furados. A argila magra está fora das áreas identificadas, caracterizando um ponto de descontinuidade cuja plasticidade deve ser ajustada antes do uso.

O comportamento plástico das matérias-primas foi definido mediante a determinação dos limites de consistência de Atterberg. A Tabela 3 apresenta os limites de liquidez, limite de plasticidade e índice de plasticidade. A argila gorda possui um alto nível de plasticidade e, portanto, é classificada como muito plástica, enquanto a argila magra possui plasticidade média. A massa cerâmica usada na fabricação de blocos e telhas cerâmicas, formada pela adição de argila gorda e magra, alcança o resultado desejado: obtenção de uma massa menos plástica, quando comparada à argila gorda.

A plasticidade é um dos parâmetros mais importantes para a fabricação de produtos cerâmicos argilosos, havendo a relação entre os limites de Atterberg obtidos e o prognóstico de extrusão, mediante a tabela de trabalhabilidade de Bain e Highly (1979). Considerando o diagrama de trabalhabilidade exposto na Figura 8, a argila investigada está localizada dentro da região de extrusão ótima, implicando em um material com boas propriedades plásticas de moldagem (Rat et al., 2023).

O limite de plasticidade da argila gorda foi de 17,76%, correspondendo à quantidade de água necessária para que a matéria-prima atinja a consistência plástica, permitindo a sua formação por extrusão. O índice de plasticidade foi de 18%, e está associado à quantidade máxima de água que pode ser acrescentada à argila, a partir de seu limite de plasticidade, de modo que ela mantenha o aspecto plástico (Moreno-Maroto; Alonso-Azcaratey, 2018). De maneira semelhante, a massa composta pela argila gorda e magra apresentou altos níveis de plasticidade.

A argila magra está em uma zona de extrusão aceitável, com um limite de plasticidade de 22,79%, necessitando de mais água que a argila gorda e a MAGM para que atinja a consistência plástica, entretanto, também possibilita a extrusão. O índice de plasticidade encontrado é de 10,65%, sendo associado à máxima quantidade de água que pode ser absorvida de modo a manter a consistência plástica, considerando seu limite de plasticidade de 34,4%.

A Figura 9 apresenta o comportamento térmico das amostras por meio das técnicas termoanalíticas de Termogravimetria (TG) e Análise Térmica Diferencial (DTA). Os resultados indicam uma perda de massa de 9,56% e 8,62% entre 30 °C e 1000 °C para as amostras de argila gorda e argila magra, respectivamente.

Analisando o gráfico apresentado na Figura 9, a perda de massa de 4,54% da argila gorda e 4,14% da argila magra são referentes à perda de água de hidratação, em virtude da evaporação da água de umidade, entre 0° e 230 °C com pico endotérmico em aproximadamente 95° e 91 °C. Entre 230° e 680 °C há um segundo pico de perda de massa da argila gorda e magra de, respectivamente, 5,02% e 4,48%, associados à perda de água estrutural dos argilominerais, transição da caulinita para metacaulinita e possível oxidação da matéria orgânica, com picos endotérmicos em aproximadamente 490 °C e 487 °C (Rat et al., 2023; Sousa, 2017).

Entre 680° e 1000 °C não ocorre perda significativa de massa, porém é verificado um pico exotérmico em aproximadamente 903 °C, em ambos os materiais, indicando a formação de uma nova de fase, por meio da recristalização e formação da mulita (Okada; Otsuka; Ossaka, 1986).

Conclusão

A compreensão das características das matérias-primas utilizadas nas massas de cerâmica vermelha é essencial para o entendimento do processo de fabricação desses produtos, assim como para antecipar as propriedades que irão adquirir. Além disso, permite prever o potencial de utilização desse material de forma racional e otimizada, dentro das normas de qualidade existentes.

O estudo indica que as matérias-primas são constituídas predominantemente por sílica e alumina, com uma presença significativa de óxido de ferro contribuindo para a coloração vermelha após a queima. Além disso, a identificação de óxidos fundentes enfatiza sua influência na redução da refratariedade do material.

Os parâmetros físicos dos limites de consistência apontam que a amostra de argila gorda apresenta alta plasticidade com capacidade de extrusão ótima. Por outro lado, a amostra de argila magra apresenta média plasticidade com potencial de extrusão dentro dos limites aceitáveis.

Mediante análise da distribuição granulométrica e aplicação do diagrama de Winkler, ferramenta poderosa para a determinação destas composições, constata-se que as amostras estão dentro do intervalo indicado para sua utilização em produtos da cerâmica vermelha de alta qualidade. Seu potencial de utilização está orientado para produção de aplicações industriais como telhas e tijolos cerâmicos

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