Steatite/Epoxy Composites for Restoration Works Through a Statistical Mixture Design Methodology

Authors

  • Robinson Antonio Aparecido Alves

    Centre for Innovation and Technology in Composite Materials (CITeC), Department of Mechanical Engineering, Fed-eral University of São João del Rei (UFSJ), 36307352, Brazil
  • Julio Cesar dos Santos

    Centre for Innovation and Technology in Composite Materials (CITeC), Department of Mechanical Engineering, Fed-eral University of São João del Rei (UFSJ), 36307352, Brazil
  • Kurt Strecker

    Centre for Innovation and Technology in Composite Materials (CITeC), Department of Mechanical Engineering, Fed-eral University of São João del Rei (UFSJ), 36307352, Brazil
  • Tulio Hallak Panzera

    Centre for Innovation and Technology in Composite Materials (CITeC), Department of Mechanical Engineering, Fed-eral University of São João del Rei (UFSJ), 36307352, Brazil
  • Robson Bruno Dutra Pereira

    Centre for Innovation and Technology in Composite Materials (CITeC), Department of Mechanical Engineering, Fed-eral University of São João del Rei (UFSJ), 36307352, Brazil

DOI:

https://doi.org/10.30564/jbms.v1i1.546

Abstract

Currently many works of art made of soapstone and recognized as cultural patrimony of humanity are in an advanced stage of degradation. Hence, it is necessary to interrupt this process and recover the deteriorated parts. Composite materials consisted of steatite particles and epoxy polymer are designed and characterised for their application in the repair of sculptures made of soapstone. The material applied in restorations should provide coloration and texture similar to soapstone besides structural requirements. The degree of similarity of the artificial material to the rock is enhanced by the proper selection of the particle size range and the increase of steatite incorporation in the composites. A statistical methodology based on the mixture design is used to optimize the relative amount of three particle size fractions of steatite particles in order to maximise the proportion of the dispersed phase in the composites. The maximum particle packing density (1.50 g/cm³) is obtained for a ternary mixture, composed of 62% of coarse particles (1.18 mm - 0.60 mm), 6% of medium sized particles (0.60 mm - 0.30 mm) and 32% of fine particles (0.30 mm - 0.15 mm). In this manner, the fabrication of composites based on an epoxy polymer matrix with 70wt% of incorporated steatite particles has been possible, increasing the maximum amount by 10% as used in previous works.

Keywords:

Planning of experiments, Composites, Restoration, Steatite

References

[1] SILVA, M. E. Avaliação da susceptibilidade de rochas ornamentais e de revestimentos à deterioração: um enfoque a partir do estudo em monumentos do barroco mineiro. Tese de Doutorado, Instituto de Geociências da Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, 2007.

[2] SILVA, M. E.; ROESER, H. M. P. Mapeamento de deteriorações em monumentos históricos de pedra-sabão em Ouro Preto. Revista Brasileira de Geociências, v. 33, n. 4, p. 331-338, 2003. DOI:https://doi.org/10.25249/0375-7536.2003334329336

[3] STRECKER, K.; PANZERA, T. H.; SABARIZ, A. L. R. The effect of incorporation of steatite wastes on the mechanical properties of cementitious composites. Materials and Structures, v. 43, p. 923-932, 2010. DOI:https://doi.org/10.1617/s11527-009-9556-1

[4] PANZERA, T. H.; STRECKER, K.; MIRANDA, J. S.; CHRISTOFORO, A. L.; BORGES, P. H. R. Cement – Steatite Composites Reinforced with Carbon Fibres: an Alternative for Restoration of Brazilian Historical Buildings. Materials Research, v. 14, p. 118-123, 2011. DOI:https://dx.doi.org/10.1590/S1516-14392011005000007

[5] COTA, F. P.; ALVES, R. A. A.; PANZERA, T. H.; STRECKER, K.; CHRISTOFORO, A. L.; BORGES, P. H. R. Physical properties and microstructure of ceramic–polymer composites for restoration works. Materials Science and Engineering A, v. 531, p. 28-34, 2012. DOI:https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.10.003

[6] ALVES, R. A. A. Desenvolvimento e caracterização de compósitos cerâmicos e cerâmico-poliméricos destinados a restauração de monumentos históricos fabricados em esteatito (pedra-sabão). Dissertação de mestrado, Programa de pós-graduação em engenharia mecânica da Universidade Federal de São João Del Rei. São João Del Rei, 2017.

[7] MCGEARY, R. K. Mechanical packing of spherical particles. Journal of the American Ceramic Society, v. 44, n. 10, p. 513-522, 1961. DOI:https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1961.tb13716.x

[8] MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concrete: Microstructure, Properties and Materials. 3. ed. United States of America: McGraw-Hill Companies, 2006.

[9] CONCEIÇÃO, E. S. Influência da distribuição granulométrica no empacotamento de matérias-primas na formulação de porcelânicos. Dissertação de Mestrado, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo, 2011.

[10] NUNES, D. B. Rotinas para a otimização experimental de misturas. Dissertação de mestrado, Programa de pós-graduação em engenharia de produção da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, 1998.

[11] CORNELL, J. A. Experiments with mixtures: Designs, Models, and the Analysis of Mixture data. 3. ed. New York: John Wiley & Sons, 2002.

[12] PINHEIRO, J. C. F. Perfil Analítico do Talco. Rio de Janeiro: DNPM, 1973.

[13] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM C136M-14: Standard Test Method for Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates, 2014.

[14] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 248: Agregados - Determinação da composição granulométrica, Rio de Janeiro, 2003.

[15] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7211: Agregados para concreto - Especificação, Rio de Janeiro, 2009.

[16] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM C144-11: Standard Specification for Aggregate for Masonry Mortar, 2011.

[17] PANDOLFELLI, V. C. et al. Dispersão e empacotamento de partículas– Princípios e aplicações em processamento cerâmico. São Paulo: Fazendo Arte Editora, 2000.

[18] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7389: Apreciação petrográfica de materiais naturais, para utilização como agregado em concreto, Rio de Janeiro, 2009.

[19] NEVILLE, A. M. Properties of concrete. 5. ed. Harlow: Pearson Longman, 2011.

[20] PANZERA, T. H. Estudo do comportamento mecânico de um compósito particulado de matriz polimérica. Dissertação de mestrado, Escola de engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, 2003.

[21] BUTTON, S. T. Metodologia para planejamento experimental e análise de resultados. Campinas: UNICAMP, 2005.

[22] MONTGOMERY, D. C. Design and Analysis of Experiments, 8. ed. Cary: John Wiley & Sons, 2013.

[23] SCHEFFÉ, H. Experiments with mixtures. Journal of the Royal Statistical Society, v. 20, p. 344-360, 1958. https://www.jstor.org/stable/2983895

[24] NEPOMUCENA, T. M. Análise da crista em experimentos de misturas com restrição na variância de predição. Tese de doutorado, Programa de Pós-Graduação em Estatística e Experimentação Agropecuária da Universidade Federal de Lavras. Lavras, 2013.

[25] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D695-10: Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics, 2010.

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How to Cite

Alves, R. A. A., dos Santos, J. C., Strecker, K., Panzera, T. H., & Pereira, R. B. D. (2020). Steatite/Epoxy Composites for Restoration Works Through a Statistical Mixture Design Methodology. Journal of Building Material Science, 1(1), 1–9. https://doi.org/10.30564/jbms.v1i1.546

Issue

Vol. 1 , Iss. 1 (April 2019)

Article Type

Articles

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Copyright © 2019 Tulio Hallak Panzera

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