Desenvolvimento de material vitrocerâmico através da vitrificação e cristalização de areia descartada de fundição e lodo de eta

Abstract

Numa perspectiva de economia circular, a recuperação e reutilização de resíduos desempenha um papel fundamental. As fundições compram milhões de toneladas de areias siliciosas todos os anos para criar moldes que dão forma às peças fundidas. Essas areias, após diversos ciclos de uso, tornam-se resíduos conhecidos como areias descartadas de fundição, que precisam ser recuperadas ou encaminhadas para aterros industriais. Esta pesquisa mostrou resultados do desenvolvimento de um material vitrocerâmico pertencente ao sistema ternário CaO-Al2O3-SiO2 utilizando dois resíduos sólidos, areia de descartada de fundição e lodo de estação de tratamento de água. A areia foi submetida a uma análise granulométrica para remoção de partículas indesejáveis e caracterizada por técnicas como FRX, DRX, TG e MEV. Já o lodo da estação de tratamento foi avaliado por FRX e DRX. Uma composição foi preparada com o objetivo de obter um vidro que, após o processo de cristalização, apresentou a fase wollastonita como único componente cristalino. Os vidros produzidos foram analisados por DRX, DSC e FRX, tratados termicamente para a formação do material vitrocerâmico e posteriormente caracterizados por técnicas como DRX, espectroscopia de micro-Raman, microdureza, MEV e ensaios tecnológicos. Para compreender os mecanismos de cristalização, foi realizado um estudo cinético utilizando os métodos de Kissinger, Augis Bennett, Matusita Sakka e Kazumasa Matusita. A energia média de ativação foi de 538,5 kJ/mol com n = m = 2 indicando que o mecanismo de cristalização é controlado por interface e o crescimento de cristais são bidimensionais. Os resultados obtidos por DRX confirmaram a formação da fase wollastonita, desejada no material final. Os dados da espectroscopia de micro-Raman identificaram modos vibracionais característicos das ligações Ca-O e Si-O, confirmando a presença da wollastonita. Os ensaios de microdureza revelaram um aumento da resistência mecânica nos materiais vitrocerâmicos, com valores variando de 5,7 - 7,1 GPa em função da temperatura de tratamento térmico. Os resultados demonstram que o material vitrocerâmico obtido apresentou dureza e absorção de água próximo aos de pedras naturais - granito e mármore - que são utilizadas como revestimentos em aplicações internas e externas na construção civil.

From a circular economy perspective, the recovery and reuse of waste play a fundamental role. Foundries purchase millions of tons of silica sand annually to create molds for casting parts. After multiple usage cycles, this sand becomes waste, known as discarded foundry sand (DFS), which must either be recovered or sent to industrial landfills. This study presents results on the development of a glass-ceramic material within the ternary system CaO-Al₂O₃-SiO₂, using two solid wastes: discarded foundry sand and sludge from a water treatment plant (WTP). The sand underwent granulometric analysis to remove impurities and was characterized via XRF, XRD, TG, and SEM. The WTP sludge was analyzed by XRF and XRD. A specific composition was formulated to produce a glass that, after crystallization, yielded wollastonite as the sole crystalline phase. The synthesized glasses were analyzed by XRD, DSC, and XRF, then thermally treated to form the glass-ceramic material. The resulting product was characterized using XRD, micro-Raman spectroscopy, microhardness testing, SEM, and technological performance tests. To elucidate crystallization mechanisms, a kinetic study was conducted using the Kissinger, Augis-Bennett, Matusita-Sakka, and Kazumasa Matusita methods. The average activation energy was 538.5 kJ/mol, with n = m = 2, indicating an interface-controlled crystallization mechanism with bidimensional crystal growth. XRD confirmed the formation of the wollastonite phase, the target crystalline component. Micro-Raman spectroscopy identified vibrational modes characteristic of Ca-O and Si-O bonds, further confirming wollastonite presence. Microhardness tests revealed enhanced mechanical strength in the glass-ceramic materials, ranging from 5.7 to 7.1 GPa, depending on heat treatment temperature. The results demonstrate that the obtained glass-ceramic exhibits hardness and water absorption properties comparable to natural stones (e.g., granite and marble), commonly used as interior and exterior coatings in civil construction.