Artigo Ceramica Vr

7/25/2019 Artigo Ceramica Vr

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Avaliao das propriedades tecnolgicas de cermicavermelha incorporada com resduo de rocha ornamental proveniente do

tear de fo diamantado

(Evaluation of technological properties of red ceramics incorporated with

dimension stone waste from diamond wire loom)

S. P. Taguchi, J. C. Santos,T. M. Gomes,N. A. Cunha

Universidade Federal do Esprito Santo - UFES, Campus de Alegre, Alto Universitrio s/n, C.P. 16, Alegre,

ES 29500-000

[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Resumo

O aumento expressivo na produo e consumo de rochas ornamentais tem causado impactos ambientais indesejveis. Noprocesso de serragem dos blocos so gerados resduos na forma de lama, que quando seca torna-se um resduo slido nobiodegradvel. Estes resduos apresentam alguns constituintes em sua composio similares aos normalmente apresentadosna massa argilosa utilizada na fabricao de produtos de cermica vermelha. O presente trabalho pretende avaliar aspropriedades tecnolgicas da cermica vermelha incorporada com resduo de rochas ornamentais proveniente do tear de odiamantado. Foram preparadas cinco composies argilosas contendo 0, 20, 40, 60 e 80% de resduo de rocha ornamental. Oscorpos de prova foram conformados por prensagem uniaxial com dimenses aproximadamente de 110 x 25 x 10 mm3. Foraminvestigadas as seguintes condies de sinterizao: 900 C/1 h e 2 h, 1000 C/1 h e 2 h e 1100 C/1 h e 2 h. As amostras decermica vermelha sinterizadas foram submetidas a ensaios de absoro de gua, densidade aparente e tenso de ruptura exo. A estatstica de Weibull foi usada para analisar a reprodutibilidade e conabilidade do ensaio de resistncia mecnica.Os resultados mostraram que a condio de sinterizao mais favorvel foi de 1100 C/1 h e a frao de 60% (m/m) de resduode rocha ornamental na argila pura a maior sem prejudicar a qualidade tcnica do produto nal. Ainda, a destinao doresduo de rocha ornamental para fabricao de cermica vermelha minimiza o impacto ambiental que o mesmo provoca nomeio ambiente.Palavras-chave: aproveitamento de resduo, rochas ornamentais, cermica vermelha, propriedades mecnicas.

Abstract

The increase in the production and use of dimension stones promotes undesirable environmental impacts. In the sawing

process of blocks, the slurry is generated and becomes a non biodegradable solid waste after drying. These wastes have some

composition similar to that of some components present in the clay mass used in the manufacture of red ceramic. This study

aims to evaluate the technological properties of red ceramic incorporated with dimension stone waste from the diamond wire

loom. The compositions were prepared with 0, 20, 40, 60 and 80 wt.% dimension stone waste in the clay. The samples were

uniaxially pressed with dimensions approximately 110 x 25 x 10 mm3. The following sintering conditions were investigated:900 C, 1000 C and 1100 C, all for 1 and 2 h. The sintered samples were characterized by water absorption, density and

exural strength. The Weibull statistics was used to analyze the reproducibility and reliability of the mechanical strength

testing. The results showed that the most favorable condition for sintering was 1100 C/1 h and that the use of up to 60 wt.%

dimension stone waste in pure clay is viable for production of red ceramics. Moreover, the allocation of the dimension stonewaste for the manufacture of red ceramics minimizes the environmental impact on the environment.

Keywords: dimension stones, red ceramic, mechanical properties.

INTRODUO

A indstria de rochas ornamentais experimentou um

notvel crescimento nos ltimos anos, impulsionadopelo setor de construo civil. O segmento de rochas

ornamentais somou exportaes de US$ 421,15 milhesno perodo de janeiro a maio de 2012. Registrou-se nesteperodo uma variao positiva de 12,29% no faturamento

e 7,34% no volume fsico das exportaes do pas frenteao mesmo perodo do ano de 2011. As perspectivas de
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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contnuos crescimentos neste setor so notveis [1]. Omunicpio de Cachoeiro do Itapemirim no estado do EspritoSanto o grande polarizador neste cenrio, pois, alm de

suprir o mercado nacional, grande parte da produo derochas ornamentais destina-se para exportao. Dada suaimportncia para a economia, este setor causa preocupao,pois o aumento da produo contribui paulatinamente para oaumento dos resduos que, geralmente, so depositados emlagos e aterros [2]. A reutilizao destes resduos consiste naforma mais eciente para minimizar seu descarte no meioambiente. Os resduos de rochas ornamentais apresentamuma composio favorvel para a incorporao nas massas decermica vermelha por serem constitudos majoritariamentepor xido de silcio (SiO

2), xido de alumnio (Al

2O

3), xido

de clcio (CaO), xido de ferro (Fe2O

3) e xidos alcalinos

(K2O, Na2O). A massa padro tende a enriquecer-se decompostos fundentes, que so importantes na sinterizaodas peas e formulao dos produtos [2].

O estudo das matrias primas empregadas nas indstriasde cermica vermelha, busca informaes que possibiliteo melhoramento do processo produtivo e desenvolvimentode produtos. A investigao de todos os aspectos baseia-senas anlises que se reete na obteno de telhas e tijolos demelhor qualidade, seja por mudanas nas formulaes dasmisturas, seja por melhorias no processo de fabricao [3].

A plasticidade, propriedade de certos slidos seremmoldados sem aprecivel variao de volume ou ruptura,de misturas de argila com resduo de rochas ornamentais

reduzida quando se aumenta a frao de resduo na massacermica [4].

Foi observado um aumento no valor de absoro de guaproporcional a adio de resduos de rochas ornamentais de0, 10, 20 e 30% (m/m) [5]. Para a adio de 20% de resduode rocha ornamental o valor de absoro de gua aumentoude 11,5% para 14%. A retrao linear para 0% e 30% (m/m)de resduo foi 8,1% e 5,7%, respectivamente. Os valoresde tenso de ruptura exo obtidos para a composio de20% e 0% em massa foram prximos, sendo que existe umatendncia diminuio da resistncia mecnica conformeaumenta a quantidade de resduo [6]. As amostras sinterizadas

a 1050 C apresentaram 11 MPa e 14 M Pa de resistncia exo para 20% e 0% de resduo, respectivamente. A

possibilidade de utilizar os resduos de rochas ornamentaiscomo matria-prima cermica alternativa na produo deblocos e revestimentos cermicos, incorporando de 20 a 60%de resduo foi caracterizada e avaliada [7]. Esses resultadosmostraram que os resduos apresentam caractersticas fsicas emineralgicas semelhantes as das matrias-primas cermicasconvencionais e que corpos cermicos formulados comresduos apresentam caractersticas dentro das especicaesda normalizao brasileira para blocos [8, 9].

Existe uma diversidade de resultados referente spropriedades das cermicas vermelhas obtidas com aadio de resduos de rochas ornamentais. Tal fato sedeve a heterogeneidade dos tipos de resduos e variaesde composies estudadas, alm das particularidadesde processamento cermico aplicada em cada trabalho.Geralmente enfocado o uso de resduo de rocha ornamentalproveniente de teares que utilizam lminas metlicas egranalha [2, 5, 6]. Neste trabalho foi utilizado um resduo

de rocha ornamental proveniente do tear de o diamantado,que possui insignicante quantidade de xido de ferro, e,portanto, com potencial de aplicaes mais nobres. Altasconcentraes de xido de ferro sugerem que a colorao dacermica ser avermelhada aps a sinterizao. Para telhasde colorao natural, por exemplo, isto no inviabilizaria suaaplicao como produto cermico. Entretanto, para produtosesmaltados, quanto mais escura a base, maior a quantidade deopacicantes e corantes no engobe e esmaltes utilizados [10].

O objetivo deste trabalho estudar as propriedadestecnolgicas de cermica vermelha incorporada comdiferentes propores de resduo de rocha ornamental oriundo

de tear de o diamantado, para avaliar sua viabilidade comoproduto aplicado construo civil.

MATERIAIS E MTODOS

Os materiais utilizados foram argila coletada na cermicaAbud Wagner em Campos de Goytacazes, RJ, e o resduo derocha ornamental oriundo do tear de o diamantado de umaempresa de Cachoeiro de Itapemirim. A argila foi seca emestufa a 110 C por 24 h, moda em um moinho de bolaspor 4 h e passada em peneira 32 mesh. O resduo de rochaornamental foi seco em estufa a 120 C e passado na peneirade 32 mesh para homogeneizar o tamanho das partculas.

A anlise qumica da argila e do resduo foi determinadapor anlise semi-quantitativa sem padres com anlise deelementos qumicos de or a urnio, em espectrmetro poruorescncia de raios X Axios Advanced PANalytical. Aperda ao fogo (PF) foi efetuada a 1050 C por 1 h. J as fasescristalinas foram analisadas em um difratmetro de raios Xcom radiao Cuk (l= 1,5418 ) no intervalo angular 2=4-90, passo angular 0,02 e tempo de contagem 2 s, a m deidenticar as fases cristalinas por meio dos arquivos JCPDS.

Foram preparadas posteriormente cinco massascermicas contendo adies de at 80% empeso de resduo de rocha ornamental (Tabela I).

Os corpos de prova foram conformados por prensagem uniaxialnas dimenses de aproximadamente 110 x 25 x 10 mm3, secos

Tabela I - Composies das misturas de resduo de rochas

ornamentais e argila.

[Table I - Compositions of dimension stone waste and clay

mixture.]

Amostra

Resduo

(%)

Argila

(%)AR0 0 100

AR20 20 80

AR40 40 60

AR60 60 40

AR80 80 20


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a 110 C em estufa por 48 h. No primeiro momento buscou-seinvestigar as melhores condies de sinterizao em relao temperatura e tempo. Para isso, sinterizou-se a amostra AR0em 900, 1000 e 1100 C por 1 h e 2 h. Foram analisadasa densidade aparente, absoro de gua, retrao linear emdulo de ruptura exo das amostras para determinara melhor condio de sinterizao. Analisou-se tambm omdulo de Weibull a m de estudar a reprodutibilidade dascermicas vermelhas produzidas.

Para o ensaio de absoro de gua foram usadas asnormas ABNT NBR 15270-3 [11] e 8947 [12]. Para tal, asamostras foram secas em estufa a 110 C at atingirem massaconstante e pesadas em balana analtica. Mergulharam-seos corpos de prova em gua fervente. Aps 2 h retirou-sea fonte de calor do recipiente e colocou-se os corpos de

prova sob circulao de gua temperatura ambiente paraser atingido o equilbrio da temperatura. Pesou-se os corposde prova. A absoro de gua (Abs) dada pela equao A,sendo m

0a massa seca e ma massa saturada:

Abs =(m - m

o)

mo

(A)

O comprimento das amostras foi medido antes e aps asinterizao para o clculo de retrao linear (RL).

O mdulo de ruptura exo em carregamento de trspontos das amostras foi determinado em uma mquinauniversal de ensaios mecnicos. As amostras forampreviamente submetidas a um processo de acabamento como objetivo de minimizar os defeitos que podem inuenciar oensaio de exo. Os valores do mdulo de ruptura de exo

(MRF) foram obtidos utilizando a equao B:

MRF = 3 F L / (2 b e2min

) (B)

na qual F a fora em Newton, L a distncia entre asbarras de apoio (mm), b a largura da amostra ao longo daruptura aps ensaio (mm) e e

min a mnima espessura da

amostra, medida na seo de ruptura, excludas as bordas daseo (mm).

O mdulo de Weibull (w) foi obtido por meio da equaoC, sendo este o coeciente angular da curva de lnln (1 - P

f)-1

em funo de ln .

lnln (1 - Pf)-1= ln V - w ln 0+ w ln (C)

sendo Pf a probabilidade de fratura,V o volume e

0 um

parmetro de ajuste da equao, caracterstico do material.

A probabilidade de fratura (Pf) estimada atravs

da Equao D e, por conseguinte, seus resultados foramaplicados na Equao (C) para determinao do mdulo deWeibull.

Pf= (i - 0,5) / n (D)

na qual i o nmero correlativo a cada valor de tensoordenada do menor ao maior, sem valores repetidos e n onmero total de valores de mdulo de ruptura.

Foi determinada a melhor condio de sinterizao daamostra AR0 para sinterizar as demais amostras, AR20,AR40, AR60 e AR80 e ento caracterizada quanto absoro de gua, mdulo de ruptura exo e retraolinear, conforme descritos anteriormente.

RESULTADOS E DISCUSSO

A Tabela II mostra a composio qumica da argila e doresduo de rochas ornamentais. Pode-se observar que a argilapossui predominncia de slica (SiO

2), xido de alumnio

(Al3O

3) e xido de ferro (Fe

2O

3). Os compostos SiO

2e

Al

3O

3

indicam a presena do argilomineral do grupo caulinita.O teor, no muito expressivo de K

2O indica a presena

do argilomineral da ilita e feldspato. A massa apresentatambm percentual expressivo de hematita (Fe

2O

3)

e TiO

2

responsveis pela cor avermelhada aps a sinterizao. Aargila apresenta 12,6% de perda ao fogo, indicando que namassa contm teor de material orgnico e/ou carbonatos.

A anlise das fases cristalinas (DRX) da argila e do

resduo de rochas ornamentais est apresentada na Fig. 1.Nota-se uma predominncia de quartzo (SiO2) e caulinita

(Al2O

3.2SiO

2.2H

2O). O xido de silcio (SiO

2) na forma

de quartzo presente na massa confere sustentao ao corpocermico, pois no retrai durante a secagem e sinterizaoo que contribui para a diminuio de trincas. A caulinita um argilomineral que apresenta pequena expanso, difcildisperso na gua e moderada plasticidade em comparaocom os demais argilominerais. Foram identicadostambm picos caractersticos da ilita ((K, H)Al

2(Si,

Al)4O10

(OH)2xH2O ), corroborando a anlise de composio

qumica. A ilita atua como fundente [3].A composio qumica o resduo constitudo

basicamente por SiO2e Al2O3, que corresponde cerca de86%. Os altos teores de slica e alumina so tpicos de rochasmetamrcas ornamentais do tipo gnaisse. O resduo tambmpossui xidos alcalinos (Na

2O, K

2O), muito importantes nas

Anlise Qumica (%)

Amostra SiO2

Fe2O

3TiO

2Al

2O

3K

2O MgO CaO Outros PF

Argila 45,60 8,67 1,31 28,40 1,22 0,81 0,32 1,07 12,60

Resduo 71,60 3,87 0,03 14,05 4,10 1,09 1,77 2,89 0,60

Tabela II - Composio qumica e perda ao fogo da argila e resduo de rocha ornamental.[Table II - Chemical composition and Loss to the Fire (LF) of clay and dimension stone wastes.]


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formulaes cermicas, pois atuam como agentes fundentescontribuindo para a sinterizao das peas. Foi observadauma pequena quantidade de Fe

2O

3, quando comparado com

resduos de rochas ornamentais apresentados na literatura [2,5, 6]. Este constituinte geralmente relacionado com a adiode granalha como abrasivo no processo de corte/serragemde rochas ornamentais. Porm, neste trabalho o resduo oriundo de corte utilizando o diamantado e, portanto, oxido de ferro identicado na anlise de uorescncia deraios X possivelmente de alguma fase cristalina da rocha,

por exemplo, Biotita. A alta concentrao de ferro na massacermica pode ocasionar a piroplasticidade, caracterizada poruma deformao que ocorre devido formao de um excessode fase lquida durante a sinterizao do material [10].

A perda ao fogo do resduo foi de aproximadamente 0,6%m/m, valor considerado pequeno para o tipo de resduo, queoriginalmente tratava-se de uma lama. Isto ocorreu devidoa previa secagem da amostra a 110 C at massa constante.

No resduo, verica-se que do ponto de vista mineralgico constitudo basicamente de SiO

2(slica), Na(AlSi

3O

8)

(Albita) e K2(Fe

2.786Mg

2.321Ti

0.550)(Al

2.413Si

5.587O

20)(OH)

4

(Biotita). Estes resultados conrmam a presena dosconstituintes principais de rochas metamrcas, que so

ricas em feldspatos e quartzo.A Fig. 2 mostra os valores de densidade aparente

e absoro de gua da amostra AR0 sinterizada emdiferentes condies de temperatura e tempo. Verica-seque a densidade aparente das peas aumentou conformea temperatura de maneira mais signicativa do que com otempo, isso rearma estudos [13], no qual discute-se quea temperatura um parmetro importante na sinterizao.O aumento na densicao ocorreu, principalmente acimade 1000 C, porque parte da massa se transformou em umlquido viscoso e promoveu o rearranjo das partculas,aumentando o tamanho dos gros e reduzindo a porosidade.

Este fenmeno conhecido como sinterizao por faselquida [14]. Com a reduo da porosidade e, conseqente

aumento da densidade da pea, a absoro de gua reduziu.As amostras sinterizadas a 110 C por 2 h foi condio

que promoveu maior densidade e menor absoro de gua

das amostras. Entretanto nesta condio, as amostras

apresentaram trincas e empenamentos que comprometeram

a qualidade nal do produto. Neste caso, a condio detempo e temperatura mais favorvel fabricao de peas

foi a de 1100 C por 1 h, apresentando valores de densidade

aparente e absoro de gua iguais a 1,87 0,04 g/cm 3 e11,18 0,53%, respectivamente.

Observa-se na Tabela III que os valores de mdulo de

ruptura aumentaram com a temperatura e so diretamente

proporcionais densidade aparente das peas e inversamente

absoro de gua. Observa-se tambm que a retrao linear

aumentou de maneira mais signicativa com a temperaturado que o tempo.

A mdia dos valores do mdulo de ruptura para amostras

sinterizadas a 1100 C/1 h foi de 11,9 2,3 MPa. O mdulo

de Weibull foi determinado por meio da linha de tendncia

da Fig. 3 em comparao com a equao C, apresentando

um valor de w igual a 5,6. O mdulo de Weibull obtidoest dentro dos valores que materiais cermicos geralmente

Figura 2: Densidade aparente e absoro de gua da amostra AR0sinterizada a 900, 1000 e 1100 C por 1 e 2 h.[Figure 2: Density and water absorption of the AR0 sample sintered

at 900, 1000 and 1100 C for 1 to 2 h.]

Figura 1: Difratogramas de raios X: (a) argila pura, (b) resduo derochas ornamentais.[Figure 1: X-ray diffraction patterns: (a) pure clay, (b) dimension

stones waste.]

Intensidade

2q(grau)10 20 6040 908030 7050

900; 1

1,926

24

22

20

18

16

14

12

10

1,8

1,7

1,6

1,5

1,4

Temperatura (C); Tempo (h)

Densidadeaparente(g/cm3

)

Absorode

gua(%)

1000; 1 1000; 3900; 2 1000; 2 1000; 4

CondioMdulo de Ruptura

Flexo (MPa)Retrao

Linear (%)

900/1 5,53 2,2

900/2 6,21 2,5

1000/1 7,66 3,8

1000/2 7,60 3,91100/1 12,73 6,4

1100/2 13,35 6,6

Tabela III - Mdulo de ruptura exo e retrao linear daamostra AR0 sinterizada a 900, 1000 e 1100 C por 1 e 2 h.

[Table III - Bending strength and linear shrinkage of the AR0

sample sintered at 900, 1000 and 1100 C for 1 and 2 h.]

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apresentam, entre 3 e 15 [15]. Possivelmente devido

heterogeneidade das amostras ocasionadas na etapa de

conformao, acarretando a presena de defeitos superciais.

Na Fig. 4 observa-se que a amostra AR60 obteve valor deabsoro de gua aproximadamente 9,3 0,1% e mdulo deruptura exo 15,99 0,29 MPa. Foram reportados valoresde absoro de gua entre 9% e 13% para composies de 0 a30% de resduos de rochas ornamentais [5], e 11-14 MPa deresistncia exo [5].

Pela norma ABNT NBR 15270-2 [16], o ndice mximode absoro de gua indicado para bloco cermico de 22%, epara telhas do tipo romana segundo a ABNT NBR 13582 [17] 18%. Com a adio de resduo de rocha ornamental observa-se que as cermicas apresentaram valores prximos peloexigido pela norma quando sinterizados at 1000 C, e valoresmais satisfatrios quando sinterizada a 1100 C e, portanto,tem potencial para ser aplicado em produtos de cermicavermelha. A amostra AR60 indica a composio de uma massacermica com a maior frao de resduo de rocha ornamentalque atende as especicaes tcnicas para fabricao de telhase blocos estruturais, por exemplo. A amostra AR80 extrapolouo limite de carga da mquina universal de ensaios mecnicose, portanto no foi apresentado na Fig. 4.

Na Fig. 5 esto dispostos os valores das retraes linearesdas amostras estudadas. As composies apresentam umaleve reduo nos valores de retrao, aproximadamente 6%.Estes valores foram os mesmos j reportados [5]. possveldizer que h uma tendncia de reduo na retrao linear medida que aumenta-se a frao de resduo. Portanto,a adio de resduo de rocha ornamental confere maiorestabilidade dimensional, o que pode reduzir os defeitosinternos e superciais dos produtos cermicos. Este efeitocorrobora a anlise da composio qumica quanto ao teorde ferro e slica. Como exposto, neste trabalho foi utilizadoresduo de rocha ornamental isento de granalha (baixasconcentraes de ferro), assim o aumento da frao deresduo na massa cermica implicou na reduo do teor dexido de ferro. A maior estabilidade dimensional pode serexplicada pelo afastamento do efeito da piroplasticidade nacermica em conseqncia do baixo teor de ferro do resduo.Alm disso, a alta quantidade de slica no resduo minimiza

os efeitos da retrao.

CONCLUSES

A temperatura um fator decisivo na densicao depeas de cermica vermelha em comparao com o tempo,

e inuencia diretamente nas propriedades tecnolgicasdo produto cermico. Com o aumento da temperatura,aumentou-se a densidade e tenso de ruptura das peas ereduziu-se a absoro de gua. Das condies avaliadas at1000 C as cermicas apresentaram propriedades necessriaspara aplicao como cermica vermelha, e a 1100 C por 1 htem potencial para ser aplicado como revestimento cermicoporoso. O mdulo de Weibull encontrado foi baixo, pormdentro do intervalo que, geralmente, materiais cermicosapresentam, indicando a reprodutividade das amostras ea conabilidade do ensaio. Observa-se uma reduo naretrao linear com aumento da frao de resduo na massa

cermica. Assim, a adio de resduo de rocha ornamentalsugere maior estabilidade dimensional s placas cermicas.

Figura 3: Diagrama de Weibull da cermica vermelha sinterizadaa 1100 C por 1 h[Figure 3: Weibull diagram of sintered ceramic at 1100 C for 1 h.]

Figura 4: Mdulo de ruptura exo e absoro de gua dasamostras.

[Figure 4: Tensile modulus of rupture and water absorption of thesamples.]

12,0

11,5

10,5

Absorodegu

a(%)

Tensoderuptura

(MPa)

Amostras

9,5

11,0

10,0

9,0AR 0

20

15

10AR 20 AR 40 AR 60 AR 80

Figura 5: Retrao linear das amostras estudadas.

[Figure 5: Linear shrinkage of the samples.]

7,0

6,5

6,0

Retraolinear(%)

Composies

5,5

5,0AR 0 AR 20 AR 40 AR 60 AR 80



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Tal fenmeno pode ser atribudo aos baixos teores de ferrodo resduo de rocha ornamental utilizado neste trabalho.As amostras AR20, AR40 e AR60 podem ser empregadasna fabricao de telhas e blocos de cermica vermelhaestrutural, pois possuem propriedades tecnolgicassuperiores ao indicado pelas normas tcnicas dessas classesde produtos. A utilizao da composio AR60 aquela que

mais favorece a mitigao de impactos ambientais gerados

pelas indstrias de rochas ornamentais, uma vez que possui

a maior quantidade de resduo sem alterar as propriedades

tecnolgicas signicativamente.

AGRADECIMENTOS

FAPES/CNPq pelo apoio nanceiro.

REFERNCIAS

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[15] E. D. Zanotto, A. R. Migliore Jr., Propriedades Mec-nicas de Materiais Cermicos: Uma Introduo, Cermica37, 247 (1991) 07-16.[16] Associao Brasileira de Normas Tcnicas - ABNT,NBR 15270-2, Componentes cermicos parte 2: Blocoscermicos para alvenaria estrutural - Terminologia erequisitos, Rio de Janeiro, RJ (2005).[17] Associao Brasileira de Normas Tcnicas ABNT,NBR 13582, Telha cermica tipo romana, Rio de Janeiro,RJ (2002).(Rec. 01/05/2013, Rev. 04/07/2013, Ac. 08/08/2013)


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