Patologia envolvente - higrotérmica. SECAGEM DE MATERIAIS POROSOS POSSIVELMENTE CONTAMINADOS COM SAIS SOLÚVEIS Projecto DRYMASS

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1 Patologia envolvente - higrotérmica SECAGEM DE MATERIAIS POROSOS POSSIVELMENTE CONTAMINADOS COM SAIS SOLÚVEIS Projecto DRYMASS Teresa Diaz Gonçalves 1 e Vânia Brito 2 (1) Engenheira civil, doutorada pelo IST, investigadora do LNEC, teresag@lnec.pt (2) Lic. engenharia civil, mestre em reabilitação de edifícios pela FCT/UNL, bolseira FCT no LNEC, vbrito@lnec.pt RESUMO Na conservação de edifícios, a resolução de problemas associados à presença de humidade mobiliza uma fracção muito significativa dos recursos disponíveis. A situação é ainda mais crítica no caso dos edifícios antigos, onde os problemas de humidade são frequentemente crónicos. A humidade está presente nos poros de materiais da construção como a pedra, os cerâmicos ou as argamassas. Causa problemas estéticos, degrada as condições de habitabilidade e reduz resistências mecânicas. Promove a ocorrência de reacções químicas diversas e o desenvolvimento biológico. Está ainda na origem da cristalização de sais solúveis, um dos mais graves mecanismos de deterioração dos materiais de construção porosos. Contudo, a eliminação da humidade presente em alvenarias antigas não é, em geral, um propósito simples. Isto deve-se ao facto de estas paredes apresentarem tipicamente grande espessura, serem maciças, compostas por materiais porosos e absorventes e conterem em geral sais solúveis. Acresce que, devido ao incompleto estado do conhecimento sobre os mecanismos físicos da secagem, soluções ineficazes ou mesmo nefastas são muitas vezes usadas. O projecto de investigação DRYMASS, em curso no LNEC desde Fevereiro de 2010, tem como objectivo principal avançar o estado-da-arte no tema da secagem dos materiais de construção porosos. Há, de facto, importantes lacunas neste tema, nomeadamente no que se refere à influência das propriedades físicas dos materiais e dos próprios sais solúveis nestes processos. Neste artigo apresentamos o enquadramento, objectivos e metodologia do projecto, bem como um sumário dos principais resultados obtidos até ao momento e das conclusões a que estes conduzem. Palavras-chave: humidade, secagem, sais solúveis

2 I. ENQUADRAMENTO E OBJECTIVOS A humidade pode ser muito nefasta para materiais de construção porosos como a pedra, os cerâmicos ou as argamassas. Causa problemas estéticos, degrada as condições de habitabilidade e reduz resistências mecânicas. Dá também origem a reacções como o ataque de sulfatos e promove o desenvolvimento biológico. Pode ainda desencadear processos de degradação por cristalização de sais solúveis. Na conservação de edifícios, a reparação de anomalias decorrentes da presença de humidade mobiliza, de facto, uma fracção muito significativa dos recursos disponíveis [Burkinshaw e Parret 2004, Lourenço et al. 2006]. A situação é ainda mais crítica no caso dos edifícios antigos (edifícios construídos antes da utilização do cimento Portland), onde os problemas de humidade são crónicos [Massari e Massari 1993]. A humidade pode ter diferentes origens que muitas vezes coexistem, o que torna difícil o diagnóstico e a definição de soluções que possam conduzir não só à desactivação da origem mas também à eliminação da humidade que penetrou nos materiais. Nos edifícios antigos a eliminação da humidade pode ser particularmente complexa, devido às especificidades deste tipo de construção que se baseia normalmente em paredes espessas e maciças, compostas por materiais porosos e muitas vezes contaminados por sais solúveis. Devido também ao incompleto estado do conhecimento sobre os processos em que assenta a secagem dos materiais porosos de construção, são muitas vezes usadas na prática soluções ineficazes ou mesmo nefastas que acabam por acentuar o carácter recorrente das anomalias ou até piorar a situação. Há, de facto, importantes lacunas no tema da secagem dos materiais porosos, nomeadamente sobre a influência das propriedades físicas dos materiais e sobre o efeito dos sais solúveis nestes processos, como se verá na próxima secção. Um aprofundamento do conhecimento neste tema é pois essencial para se poderem definir soluções que promovam uma secagem eficiente e para compreender os mecanismos da degradação por cristalização de sais, que decorrem basicamente de processos evaporativos. O projecto DRYMASS tem como principal motivação avançar o estado-da-arte no tema da secagem dos materiais de construção porosos contaminados com sais. Este projecto (refª PTDC/ECM/100553/2008) é financiado por Fundos Nacionais através da Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) e do LNEC. Teve início em Fevereiro de 2010 e tem duração prevista de três anos. A aplicação, à prática da conservação, dos resultados desta investigação, que visa uma melhor compreensão de processos a que estão sujeitos os materiais de construção, tendo portanto carácter um pouco mais fundamental, pode obviamente não ser imediata. Pensamos que, não obstante, é importante dar a conhecer aos técnicos os contornos e objectivos dos trabalhos de investigação desta natureza. Por um lado, é importante que os investigadores obtenham dos técnicos feedback sobre as necessidades e as questões em aberto na prática. Por outro lado, a incorporação de conhecimentos avançados é cada vez mais imprescindível para permitir o desenvolvimento (e também a correcta utilização) de produtos e materiais high tech, de elevado valor acrescentado, que interessam cada vez mais ao País. De facto, a patologia em análise, nomeadamente a decorrente da cristalização de sais solúveis, é complexa e ainda não está totalmente compreendida, pelo que certamente beneficiará do investimento feito a nível da investigação.

3 II. QUESTÕES DE INVESTIGAÇÃO A secagem dos materiais porosos envolve transporte de água, no estado líquido e no estado de vapor, através da rede de poros. O mecanismo geral destes processos (Figura 1) está relativamente bem estabelecido [Sherwood 1929, Scherer 1990] mas há diversos pormenores que ainda não foram totalmente compreendidos. Investigadores franceses [Hammecker 1993, Jeannete 1997, Rousset-Tournier 2001], por exemplo, observaram que a taxa de evaporação da água contida em alguns tipos de pedra (em condições próximas da saturação) podia ser tão elevada que ultrapassava a taxa de evaporação de uma superfície livre de água. Colocaram a hipótese de tal ser em larga medida devido à rugosidade superficial, que originaria uma maior superfície efectiva de evaporação. Transporte de vapor Transporte de líquido 1ª fase 2ª fase Figura 1 Processo de secagem dos materiais porosos A influência dos sais solúveis no transporte líquido (por capilaridade) através da rede de poros não é também consensual. Alguns autores indicam que esta influência não é relevante [Hall e Hoff 2002], enquanto outros argumentam que os sais podem reduzir significativamente o fluxo capilar [Ruíz-Agudo et al. 2007]. Há também dúvidas quanto ao transporte de vapor (que é um processo difusivo). É facto conhecido que os sais solúveis dificultam a evaporação, sendo esta uma das principais razões para a recorrência dos problemas de humidade em paredes com sais [Hall e Hoff 2002, Gonçalves et al. 2007, Gonçalves 2007]. Uma das razões para a menor taxa de evaporação é o abaixamento da pressão de vapor do líquido, devido à presença de sais: a humidade relativa (HR) acima de uma solução salina é sempre inferior aos 100% que se atingem no caso da água pura. Isto origina um menor gradiente de pressão do vapor entre a superfície do material e o ambiente circundante e, em consequência, uma menor taxa de difusão do vapor de água do material para o ambiente. O abaixamento da pressão do vapor não consegue, contudo, justificar totalmente a redução da taxa de secagem causada pelos sais solúveis [Pel et al. 2003, Gonçalves et al. 2007]. Um possível factor adicional, de que no entanto não há ainda prova, é a diminuição da superfície efectiva de evaporação devido ao bloqueio dos poros pelos cristais. Há também trabalhos recentes [Prat 2008] que indicam que, em certas circunstâncias, os sais podem acelerar a secagem. Isto é atribuído à natureza porosa e à consequente elevada capacidade de sucção de certos tipos de eflorescências, mas os contornos e significado deste tipo de processo não estão ainda totalmente esclarecidos. O projecto DRYMASS procura resolver este tipo de questões, no sentido de contribuir para uma melhor compreensão global dos processos de secagem e de degradação por cristalização de sais solúveis dos materiais de construção porosos.

4 Área Relativa - RA III. MATERIAIS, MÉTODOS E RESULTADOS III.1 Propriedades dos materiais A tarefa T3 tem como objectivo perceber de que forma as propriedades físicas dos materiais (rugosidade, porosidade, etc.) influenciam a taxa de secagem. Os principais resultados já obtidos são objecto de um artigo recente [Gonçalves et al. 2012]. O trabalho incidiu sobre oito materiais porosos (seis tipos de pedra, uma argamassa de cal e um tijolo cerâmico). Utilizaram-se provetes cúbicos com cerca de 24 mm de aresta e cinco níveis de rugosidade: superfície polida, superfície decorrente do corte e três níveis de rugosidade obtidos num equipamento de abrasão (W. Farrance, modelo 403) com areias siliciosas de diferente granulometria ( , e mm). Foram efectuados ensaios de secagem com água pura através do método da RILEM [1980] a 20 o C e seis HR (14%, 28%, 37%, 58%, 70% e 80%). A caracterização dos materiais incluiu ainda a determinação da porosidade acessível à água, porosimetria por intrusão de mercúrio (MIP), permeabilidade ao vapor de água e capilaridade [RILEM 1980]. Os resultados dos ensaios de secagem [Gonçalves et al. 2012] mostram que as pequenas diferenças observadas entre os vários níveis de rugosidade não são estatisticamente significativas, pelo que não se confirma a hipótese de haver uma influência relevante da rugosidade na taxa de secagem dos materiais. A textura superficial de dois dos materiais foi estudada com um instrumento óptico (Talysurf CLI 1000, da Taylor Hobson) com sonda de luz branca com campo vertical de 3 mm, resolução vertical de 100 nm e resolução lateral de 5 µm. As medições foram realizadas com passo de medição de 5 μm em X e em Y e velocidade de 2 mm/s. Determinou-se a área relativa (RA) para diferentes passos (escalas) de medição, utilizando o operador "resampling" do software (Talymap Gold). RA é a razão entre a área projectada e a área desenvolvida, sendo igual a 1 para uma superfície idealmente plana. Observou-se que RA aumenta exponencialmente quando a escala diminui, tendendo para infinito quando a escala se aproxima de zero (Figura 2). Isto sugere que a superfície destes materiais tem características fractais. A natureza fractal destas superfícies não é normalmente considerada nas ciências da engenharia civil. No entanto, ela implica que o conceito de rugosidade deve ser repensado, aspecto que está a ser analisado no projecto. MB.II.2 MB.V Escala de medição - S (μm) Figura 2 Variação da área relativa (RA) da superfície de dois materiais com o passo de medição Finalmente, observou-se uma boa correlação entre a taxa de secagem durante a primeira fase (Figura 1) e a porosidade capilar, o que indica que a secagem ocorre ao nível dos poros, não havendo indícios da presença de um filme líquido na superfície.

5 III.2 Influência dos sais solúveis A tarefa T4 tem como objectivo perceber a influência dos sais solúveis na secagem. Três dos oito materiais usados na tarefa anterior (três tipos de pedra) foram seleccionados procurando-se que representassem uma gama alargada em termos de porosidade, coeficiente de absorção capilar e permeabilidade ao vapor de água. Os três materiais foram submetidos a ensaios de absorção capilar com soluções salinas (com diversas concentrações de cloreto de sódio, sulfato de sódio e nitrato de sódio), bem como ensaios de secagem similares aos realizados com água pura na tarefa T3. Está ainda em curso a realização de ensaios de permeabilidade ao vapor de água em provetes onde a cristalização de sais foi previamente induzida. Os resultados dos ensaios de capilaridade estão actualmente em análise. Quanto aos de secagem, verificou-se sempre uma redução da taxa de secagem em presença do sal. A diferença depende do tipo de sal (secagem mais lenta para o cloreto, intermédia para o nitrato e mais rápida para o sulfato) e aumenta com a sua concentração. Na sequência da secagem, ocorreu degradação dos materiais (Tabela 1). Esta degradação depende do tipo de sal: o cloreto e o nitrato originam padrões de degradação muito idênticos (eflorescências) nos dois calcários. A degradação devida ao sulfato é bastante distinta das anteriores e varia também com o material (delaminação perfeita para o Ançã, destacamento da camada superficial para o calcário cinza e formação de crosta na Bentheimer). Tabela 1.- Degradação ocorrida nos ensaios de secagem com soluções saturadas de três sais Tipo de Sal Calcário Ançã Calcário Cinza Bentheimer NaCl Na 2 SO 4 NaNO

6 V. CONCLUSÕES A resolução dos problemas de humidade tem importância estratégica devido à frequência de ocorrência e consequente alto impacto económico de tais problemas. Nos edifícios antigos, onde a degradação por sais solúveis acresce frequentemente aos problemas de humidade, a situação é ainda mais crítica. A correcta abordagem destes problemas requer, contudo, o avanço do estado-da-arte na matéria. Este avanço é o principal objectivo do projecto DRYMASS. Nos ensaios realizados até agora verificou-se sempre uma redução da taxa de secagem em presença do sal: a diferença em relação à água pura depende do tipo de sal e aumenta com a sua concentração. Mas a degradação originada pela secagem depende do tipo de sal e pode variar muito com o material. Os resultados não confirmam a hipótese de haver uma influência relevante da rugosidade na taxa de secagem dos materiais. Não sendo obviamente possível fazer neste artigo um tratamento aprofundado das matérias abordadas, a equipa do DRYMASS afirma a sua total disponibilidade para fornecer os esclarecimentos adicionais que forem necessários. Esta equipa aceita contactos sobre o tema do projecto, valorizando em particular as contribuições de técnicos ligados à conservação de edifícios com problemas de humidade e sais solúveis. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BURKINSHAW, R., PARRET, M. - Diagnosing Damp. RICS, Coventry, UK ISBN GONÇALVES, T.D., BRITO, V., PEL, L. Water vapour emission from rigid mesoporous materials during the constant drying rate period. Drying Technology. Accepted for publication in GONÇALVES, T.D.-Salt crystallization in plastered or rendered walls,tese de Doutoramento, LNEC e IST,Lisboa, GONÇALVES, T.D., PEL, L., RODRIGUES, J.D. Drying of salt contaminated masonry: MRI laboratory monitoring. Environmental Geology 52 (2007), DOI /s HALL, C., HOFF, W.D - Water Transport in Brick, Stone and Concrete. Spon Press, London and New York ISBN X. HAMMECKER, C. - Importance des transferts d'eau dans la dégradation des pierres en œuvre. Thèse de doctorat (PhD thesis). Université Louis Pasteur, Strasbourg, France JEANNETTE, D. - Structures de porosité, mécanismes de transfert des solutions et principales altérations des roches des monuments - in R.A. Lefèvre (ed.) La pietra dei monumenti in ambiente fisico e culturale, European University Centre for Cultural heritage, Ravello, p.49-77, LOURENÇO, P. B., LUSO, E., ALMEIDA, M. G. - Defects and moisture problems in buildings from historical city centres: a case study in Portugal. Building and Environment 41 (2006), MASSARI, G., MASSARI, I. - Damp Buildings - Old and New. ICCROM, Rome ISBN PEL, L., HUININK, H., KOPINGA, K. - Salt transport and crystallization in porous building materials. Magnetic Resonance Imaging 21 (2003), PRAT, M. - Interplay between drying and salt crystallization in model porous media: book of abstracts of the workshop CRYSPOM, CRYStallisation in Porous Media: Paris, Mai, ROUSSET-TOURNIER, B. - Transferts par capillarité et évaporation dans des roches. Rôle des structures de porosité. Thèse de doctorat (PhD thesis), University Louis Pasteur, Strasbourg, France, RUÍZ-AGUDO, E., MEES, F., JACOBS, C., RODRIGUEZ-NAVARRO, C. The role of saline solution properties on porous limestone salt weathering by magnesium and sodium sulfates. Environmental Geology 52 (2007), SCHERER, G.W. - Theory of drying. Journal of the American Ceramics Society 73 (1990), SHERWOOD, T.K. - The drying of solids II. Industrial and Engineering Chemistry 21 (10),