EFEITO DOS ADJUVANTES NO COMPORTAMENTO REOLÓGICO DE ARGAMASSAS DE CAL AÉREA

Transcrição

1 EFEIT DS ADJUVANTES N CMPRTAMENT RELÓGIC DE ARGAMASSAS DE CAL AÉREA M.P. Seabra Universidade de Aveiro/CICEC, Portugal, pseabra@ua.pt H. Paiva Universidade de Aveiro/CICEC, Portugal, hpaiva@ua.pt J.A. Labrincha Universidade de Aveiro/CICEC, Portugal, joaolabrincha@ua.pt V. M. Ferreira Universidade de Aveiro/CICEC, Portugal, victorf@ua.pt Resumo: A restauração e reabilitação do património edificado antigo estão a tornar-se cada vez mais uma realidade em Portugal. Assim, o conhecimento e entendimento das propriedades das argamassas antigas são de elevada importância de modo a conseguir uma boa compatibilidade entre o suporte e as argamassas utilizadas no restauro e na reabilitação. No passado, as argamassas baseadas em cal aérea eram muito utilizadas. Neste trabalho pretende-se efectuar a caracterização reológica deste tipo de argamassas e estudar o efeito dos adjuvantes correntemente utilizados nas suas características no estado fresco. Para tal estudou-se a acção de um agente retentor de água, de um plastificante e de um introdutor de ar. Esta caracterização pode revelar-se útil para este tipo de materiais, nomeadamente no que concerne a questões como a sua trabalhabilidade e a rentabilização na aplicação. Palavras-chave: argamassas de cal aérea; reologia; adjuvantes. 1. INTRDUÇÃ Até ao início do século 2 a cal desempenhou um papel de extrema importância dado que era o ligante mais utilizado na preparação das argamassas, apresentando os edifícios antigos geralmente rebocos com base em argamassas de cal. No entanto, no início do século XX, este tipo de argamassas caiu em desuso, devido ao aparecimento do cimento Portland. cimento possui qualidades indiscutíveis, como por exemplo a constância composicional e a rapidez com que endurece. No entanto, quando utilizado como ligante em argamassas para a reabilitação de edifícios antigos apresenta diversos problemas como tem sido demonstrado em vários estudos [1-4]. Isto porque o uso indiscriminado de cimento tal qual confere às argamassas características que as torna incompatíveis com as antigas argamassas de cal, nomeadamente, elevada resistência mecânica, elevado módulo de elasticidade, insuficiente permeabilidade ao vapor de água e a presença de hidróxidos alcalinos que podem reagir com as soluções salinas que penetram por capilaridade, originando sais solúveis. Devido à incompatibilidade entre as novas argamassas e as existentes nos edifícios antigos que se pretendem restaurar ou reabilitar, as argamassas

2 baseadas em cal voltaram a suscitar o interesse da comunidade científica e técnica. seu uso tem vindo a aumentar nos últimos anos quer pelo facto de a necessidade de reabilitar edifícios antigos ser cada vez maior, porque estes se vão degradando, quer porque cada vez há uma maior sensibilização para a manutenção do património antigo. Apesar de o estado fresco de uma argamassa durar um período de tempo muito diminuto quando comparado à vida útil da mesma, o controle das suas características reológicas tem uma importância fundamental pois o seu comportamento durante este período influencia muito a sua aplicação e as propriedades após endurecimento. comportamento reológico de uma argamassa define a facilidade de projecção, espalhamento, nivelamento, acabamento e, também, os níveis de aperto. u seja, a produtividade de aplicação, seja manual ou mecânica, é controlada pelo comportamento reológico da argamassa. Existem diversos estudos sobre a reologia de argamassas de cimento [5-8], no entanto a caracterização reológica de argamassas de cal ainda é muito incipiente [9-1]. Tendo como objectivo melhorar ou ajustar determinadas características das argamassas, quer no estado fresco quer no estado endurecido, é usual utilizar diversos tipos de adjuvantes os quais são indispensáveis para conseguir determinadas características técnicas das argamassas modernas baseadas em cimento. Adjuvantes são substâncias utilizadas em pequenas percentagens (<5%) e que são adicionadas às argamassas durante a amassadura. s adjuvantes mais utilizados são os agentes retentores de água, os agentes redutores de água ou plastificantes e os agentes introdutores de ar, os quais são superficialmente activos e associados às interfaces líquido-ar e líquido-líquido, contribuindo para fenómenos de orientação e adsorção [11]. Neste trabalho pretende-se analisar o efeito do tipo e da quantidade de adjuvante no comportamento reológico de argamassas baseadas em cal aérea com uma razão ligante/agregado de 1/1 em volume. Para tal examinou-se a influência de um agente retentor de água, um plastificante e um introdutor de ar. Espera-se que, com base nos resultados obtidos, seja possível contribuir para optimizar as formulações deste tipo de argamassas de modo a garantir as condições de trabalho mais adequadas. 2. REALIZAÇÃ EXPERIMENTAL ligante é uma cal aérea comercial (Lusical H) sendo o agregado utilizado uma areia siliciosa, cujo tamanho máximo de partícula é de 63 µm e com um D 5 de 315 µm. s adjuvantes usados foram um agente retentor de água (Metilohidroxipropilcelulose, MHPC - Walocel), um agente redutor de água ou plastificante (Peramin SMF3 Perstorp) e um agente introdutor de ar (Silipon - Aqualon). A influência dos diversos adjuvantes foi testada para três quantidades:.5,.1 e.15 % em peso. A razão ligante/agregado foi de 1:1 (em volume) à qual corresponde, tendo em conta a densidade dos materiais, uma proporção em peso de cerca de 1/3.4. conteúdo de água foi ajustado, dentro de uma certa gama de trabalhabilidade, para a formulação sem aditivos. A preparação das argamassas seguiu um procedimento constante, descrito anteriormente [9]. A determinação dos parâmetros reológicos das argamassas frescas pode ser efectuada aplicando uma determinada taxa de deformação e medindo a tensão de corte resultante. Neste trabalho utilizou-se um reómetro específico para a caracterização de argamassas (Viskomat PC). material é colocado num recipiente cilíndrico o qual é sujeito a uma velocidade de rotação variável, sendo registados, ao longo do ensaio, os valores do torque (T), velocidade de rotação (N) e tempo (t). Representado o torque (T) em função da

3 velocidade de rotação (N) é possível determinar os parâmetros reológicos de acordo com o modelo de Bingham, aqui expresso como: T = g + hn (1) onde g (N.mm) e h (N.mm.min) são coeficientes característicos do material relacionados, respectivamente, com a tensão de cedência e a viscosidade plástica. Neste trabalho utilizou-se, para a variação da velocidade de rotação com o tempo, um perfil denominado de patamar, o qual consiste na manutenção de uma velocidade de rotação de 16 rpm durante 2.5h com descidas até zero rpm de 15 em 15 minutos, de modo a construir as curvas de fluxo (T versus N). 3. RESULTADS E DISCUSSÃ s valores do torque das argamassas de cal aérea aumentam com o tempo de agitação sendo afectados por diversos factores, nomeadamente, a quantidade de água de amassadura e a presença, tipo e quantidade dos adjuvantes utilizados na preparação da mesma Argamassa sem adjuvantes As argamassas de cal aérea, com uma razão ligante/agregado de 1/1, apresentam duas etapas distintas para a variação do torque com o tempo de agitação (Fig. 1). Na primeira fase, o incremento da resistência ao fluxo com o tempo de agitação é ligeiro mas, na segunda fase, os valores do torque já aumentam de uma forma considerável. 35 % H 3 2 4% H 2 Torque (N mm) Figura 1: Variação do torque com o tempo de agitação para argamassas de cal aérea sem adjuvantes (35 e 4% de água de amassadura).

4 A cal aérea é constituída por partículas de dimensões muito reduzidas as quais têm naturalmente tendência para formar aglomerados. Assim, quando se adiciona a água, esta primeiro envolve os aglomerados originando, desde que em quantidade suficiente como é o caso, filmes de água de espessura elevada o que explica os baixos valores observados para o torque no início do ensaio reológico. A agitação inicial vai promover a homogeneização da argamassa e a quebra de alguns aglomerados mantendo-se os filmes de água com uma espessura considerável, daí o facto de os valores do torque serem mais ou menos estáveis e baixos durante este primeiro estágio. Logo que a argamassa é agitada os aglomerados vão sendo destruídos com o consequente aumento da área superficial e diminuição da espessura dos filmes de água. Uma vez que estes actuam como camadas lubrificantes a diminuição da sua espessura, a partir de um certo ponto, provoca um aumento significativo dos valores do torque, como observado no segundo estágio. Pode-se considerar que, uma vez atingido um determinado valor mínimo para a espessura dos filmes de água, o aumento da área superficial provoca um incremento notório dos valores do torque (Fig. 1). Isto explica a grande diferença na sua evolução com o tempo de agitação para argamassas com quantidades de água distintas (35 e 4%). primeiro estágio é bastante mais longo no caso da argamassa com mais água de amassadura. Isto porque, dado que existe mais água livre, é necessário mais tempo para que os filmes de água atinjam a tal espessura mínima. A variação, com o tempo de agitação, dos valores da viscosidade plástica (h) e da tensão de cedência (g) para as argamassas de cal aérea sem aditivos visualiza-se na figura 2. Ambos os parâmetros exibem um incremento com o aumento do tempo de agitação. No entanto, o tempo de agitação a que a argamassa está sujeita influencia particularmente os valores da tensão de cedência (Fig. 2b), verificando-se uma evolução muito similar à observada para a variação dos valores do torque (Fig. 1).,12 (a) (b) h (N mm),9,6,3 35% H 2 4% H 2 g (N mm min.) % H 2 4% H 2, Figura 2: Variação da viscosidade plástica (a) e da tensão de cedência (b) com o tempo de agitação de argamassas de cal aérea com diferentes teores de água de amassadura (35 e 4% H 2 ).

5 3.2. Argamassa com adjuvantes s adjuvantes, quando adicionados às argamassas, podem promover uma alteração significativa do seu comportamento reológico, o qual obviamente depende do tipo e da quantidade utilizada. No caso das argamassas de cimento a influência dos adjuvantes, mais correntemente utilizados, nas características do estado fresco e do estado endurecido tem sido bastante estudada [5-8,12-14]. No entanto, não existem trabalhos sobre o seu efeito nas argamassas de cal aérea Influência do agente retentor de água As propriedades das argamassas de cimento podem ser modificadas/ajustadas através da adição de agentes retentores de água. Este aditivo torna a sua aplicação mais fácil originando um melhor desempenho isto porque, além de reter a água da mistura, aumenta a sua coesão reduzindo a segregação dos constituintes. s agentes retentores de água são usados para controlar o espessamento, a quantidade de água de amassadura e a trabalhabilidade das argamassas no estado fresco, entre outras propriedades do produto endurecido, nomeadamente, a resistência mecânica. De acordo com os estudos efectuados para argamassas de cimento ou de cal hidráulica a introdução do agente retentor de água promove um efeito espessante ao qual corresponde um aumento dos valores da viscosidade plástica e da tensão de cedência [9,12-14]. Contudo, nalguns estudos [9,12,14] foi observada a existência, para um determinado conteúdo deste adjuvante, de um valor mínimo para a tensão de cedência, sendo este o conteúdo normalmente utilizado industrialmente por facilitar a aplicação. A figura 3 mostra a variação do torque com o tempo de agitação de uma argamassa de cal aérea com vários conteúdos de agente retentor de água. 3 35% H 2 %.5% Torque (N mm).15%.1% Figura 3: Influência da presença e quantidade de agente retentor de água (,.5,.1 e.15% em peso) na evolução do torque com o tempo de agitação.

6 No início do ensaio reológico, a adição deste adjuvante induz um aumento dos valores do torque, ou seja, promove um aumento da resistência da argamassa ao fluxo tal como observado para as argamassas de cimento e de cal hidráulica. Este comportamento deve-se ao facto de as cadeias poliméricas do agente retentor de água fixarem, na sua periferia, moléculas de água diminuindo assim a quantidade de água livre presente na argamassa. Esta diminuição é tanto mais acentuada quanto maior é o conteúdo deste adjuvante, pois a quantidade de água por ele fixada é maior. No entanto, à medida que o ensaio decorre observa-se uma inversão, apresentando as argamassas com o agente retentor de água valores de torque inferiores aos da argamassa sem adjuvantes. Além disto, uma vez verificada esta inversão, a resistência ao fluxo é menor para as argamassas com as maiores quantidades de adjuvante (.1 e.15%). facto de os valores do torque, a partir de determinado tempo de agitação, serem inferiores para as argamassas de cal aérea com o agente retentor de água pode resultar da possível introdução de ar na mistura, devido à presença deste adjuvante, que contribui para a lubrificação da argamassa. A figura 4 mostra a evolução dos valores da viscosidade plástica (h) e da tensão de cedência (g) com o tempo de agitação e com o conteúdo de agente retentor de água. A adição deste adjuvante promove a diminuição dos valores da viscosidade plástica das argamassas de cal aérea (Fig. 4a). s valores da tensão de cedência (Fig. 4b) apresentam uma evolução muito semelhante à verificada para a variação do torque, quer com o tempo de agitação quer com a presença e quantidade de agente retentor de água, o que demonstra a sua predominância no comportamento do material. h (N mm),1,5 (a) %.5%.1%.15% g (N mm min.) 3 (b) %.5%.1%.15%, Figura 4: Variação da viscosidade plástica (a) e da tensão de cedência (b) com o tempo de agitação para argamassas com diferentes conteúdos de agente retentor de água (,.5,.1 e.15% em peso).

7 Influência do agente plastificante Segundo os estudos efectuados para argamassas de cimento [5,6] e de cal hidráulica [9] a utilização do agente plastificante reduz a sua resistência ao fluxo devido à desfloculação e dispersão das partículas, além de promover a libertação da água que se encontra retida entre os flocos das mesmas. A sua influência é particularmente notória nos valores da tensão de cedência, os quais apresentam uma diminuição acentuada; enquanto os valores da viscosidade plástica não são muito afectados nem pela sua presença nem pela quantidade utilizada. Na figura 5 encontra-se patente o efeito da adição de diversas quantidades (.5,.1,.15%) de um agente plastificante no comportamento reológico de argamassas de cal aérea. A sua presença promove uma diminuição considerável dos valores do torque a qual, para os teores testados, é tanto maior quanto mais elevada a quantidade de agente plastificante adicionada. uso de.15% em peso deste adjuvante mantém os valores do torque bastante estáveis e reduzidos ao longo das 2.5h de ensaio. Assim, se necessário, é possível diminuir a quantidade de água utilizada na preparação da argamassa mantendo aceitáveis os valores da trabalhabilidade o que pode contribuir para o aumento da resistência mecânica do produto endurecido. 3 35% H 2 %.5%.1% Torque (N mm).15% Figura 5: Influência da presença e quantidade do agente plastificante (,.5,.1 e.15% em peso) na evolução do torque com o tempo de agitação. A variação dos valores da viscosidade plástica e da tensão de cedência com o conteúdo de agente plastificante e com o tempo de agitação encontram-se patentes na figura 6. s valores de h não são muito afectados pela adição deste adjuvante observando-se, no entanto, uma ligeira diminuição (Fig. 6a). Pelo contrário, a tensão de cedência destas argamassas é fortemente influenciada verificando-se o seu claro decréscimo, o qual é tanto mais acentuado quanto maior é a quantidade de adjuvante adicionada. A evolução dos valores de g, com o tempo de agitação e com a quantidade de adjuvante (Fig. 6b), é muito similar à observada para os valores do torque (Fig. 5).

8 h (N mm),2,1 (a) %.5%.1%.15% g (N mm min.) %.5%.1%.15% (b), Figura 6: Variação da viscosidade plástica (a) e da tensão de cedência (b) com o tempo de agitação para argamassas com diferentes conteúdos de agente plastificante (,.5,.1 e.15% em peso) Influência do agente introdutor de ar A principal função de um agente introdutor de ar é incorporar na argamassa uma quantidade de bolhas de ar homogeneamente distribuídas. A sua presença reduz a densidade e aumenta a trabalhabilidade da argamassa fresca. Em termos de produto endurecido pode originar materiais mais porosos e mecanicamente menos resistentes [15]. s valores da viscosidade plástica das argamassas de cimento [5,6] são bastante afectados pela presença deste aditivo ao contrário do que acontece com os valores da tensão de cedência. Pelo contrário, no caso das argamassas de cal hidráulica [9] a utilização de um agente introdutor de ar afecta particularmente os valores da tensão de cedência. Nas argamassas de cal aérea, a adição de um agente introdutor de ar tem efeitos muito dependentes do teor utilizado. Para a menor quantidade (.5%) a evolução dos valores do torque com o tempo de agitação é similar à observada para a argamassa sem aditivos (Fig. 7). Pelo contrário, a utilização de quantidades maiores (.1 e.15%) altera consideravelmente esta evolução. Para estes conteúdos, as bolhas de ar resultantes da introdução do agente introdutor de ar já são em quantidade suficiente para provocar uma diminuição significativa dos valores do torque permitindo efectuar o ensaio reológico durante mais tempo. A resistência da argamassa ao fluxo aumenta com o tempo de agitação mas de uma forma bastante mais lenta do que no caso da argamassa sem aditivos ou com.5% de agente introdutor de ar.

9 3 35% H 2 %.15% Torque (N mm).5%.1% Figura 7: Influência da presença e quantidade do agente introdutor de ar (,.5,.1 e.15% em peso) na evolução do torque com o tempo de agitação. s valores da viscosidade plástica destas argamassas aumentam com o tempo de agitação (Fig. 8a). A argamassa com.5% apresenta valores de h superiores aos da argamassa sem aditivos, observando-se o efeito contrário para os conteúdos mais elevados (.1 e.15%). s valores da tensão de cedência (Fig. 8b), e tal como verificado nos casos anteriores, exibem uma evolução muito semelhante à verificada para a variação dos valores do torque com o tempo, sendo portanto muito afectados pela presença e pela quantidade deste adjuvante. h (N mm),2,1 %.5%.1%.15% (a) g (N mm min.) %.5%.1%.15% (b), Figura 8: Variação da viscosidade plástica (a) e da tensão de cedência (b) com o tempo de agitação para argamassas com diferentes conteúdos de agente introdutor de ar (,.5,.1 e.15% em peso).

10 4. CNCLUSÕES A utilização de adjuvantes (agente retentor de água, plastificante e introdutor de ar) altera significativamente o comportamento reológico das argamassas de cal aérea. De uma forma geral pode dizer-se que o seu efeito no comportamento reológico das argamassas de cal aérea não é muito diferente do observado para as argamassas de cimento ou de cal hidráulica. agente retentor de água tem inicialmente um efeito espessante mas, a partir de um certo tempo de agitação, tem um efeito fluidificante. primeiro está associado à fixação de moléculas de água pelas suas cadeias poliméricas e o segundo resulta provavelmente da introdução de ar e sua acção lubrificante na mistura. A introdução do agente plastificante, mesmo que em pequena quantidade (.5%), faz com que a resistência da argamassa ao fluxo diminua, sendo este decréscimo tanto mais acentuado quanto maior o seu conteúdo. A utilização deste adjuvante permite, caso seja necessário, diminuir a quantidade de água de amassadura mantendo aceitáveis os valores da trabalhabilidade. Para a gama estudada (.5-.15%), maiores teores de plastificante permitem uma maior redução da quantidade de água utilizada na amassadura da argamassa. Nas argamassas de cal aérea a adição de um agente introdutor de ar pode promover uma diminuição significativa da sua resistência ao fluxo, sendo o seu efeito muito dependente da quantidade utilizada. Pequenas quantidades (.5%) não promovem uma alteração significativa; a partir de um certo valor (>.1%) a adição de um maior conteúdo deste adjuvante também não provoca alterações. A introdução deste adjuvante numa argamassa de cal aérea pode, contudo, contribuir para uma eventual redução da resistência mecânica, relação esta que deverá ser por isso investigada. Agradecimentos s autores agradecem à Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT-Portugal) o suporte financeiro (projecto PCI/HEC/5879/4 e bolsa SFRH/BPD/19482/4) e à companhia Weber Cimenfix as matérias-primas e as proveitosas discussões. Referências [1] P. Degryse, J. Elsen, M. Waelkens, Study of ancient mortars from Salassos (Turkey) in view of their conservation, Cem. Concr. Res., 32, (2). [2] A. Moropoulou, K. Polikreti, V. Ruf, G. Deodatis, San Francisco Monastery, Quito, Equador: characterisation of building materials, damage assessment and conservation considerations, J. Cult. Herit., 4, (3). [3] K. Callebaut, J. Elsen, K. Van Balen, W. Viaene, Nineteenth century hydraulic restoration mortars in the Saint Michael's Church (Leuven, Belgium) Natural hydraulic lime or cement?, Cem. Concr. Res., 31, (1). [4] A. Moropoulou, A.S. Cakmak, G. Biscontin, A. Bakolas, E. Zendri, Advanced Byzantine cement based composites resisting earthquake stresses: the crushed brick/lime mortars of Justinian s Hagia Sophia, Constr. Build. Mater., 16, (2). [5] P.F.G. Banfill, The rheology of fresh mortar, Mag. Concr. Res., 43, (1991).

11 [6] P.F.G., Banfill, Rheological methods for assessing the flow properties of mortar and related materials, Constr. Build. Mater., 8, 43-5 (1994). [7] C.K. Park, M.H. Noh, T.H. Park, Rheological properties of cementitious materials containing mineral admixtures, Cem. Concr. Res., 35, (5). [8] P.F.G. Banfill, G. Starrs, G. Derruau, W.J. McCarter, T.M. Chrisp, Rheology of low carbon fibre content reinforced cement mortar, Cem. Concr. Comp., 28, (6). [9] M.P. Seabra, J.L. Labrincha, V.M. Ferreira, Rheological behaviour of hydraulic lime based mortars, J. Eur. Ceram. Soc., 27, (7). [1] C. Atzeni, A. farci, D. Floris, P. Meloni, Effect of aging on rheological properties of lime putty, J. Am. Ceram. Soc., 87, (4). [11] F.M. Lea, The Chemistry of Cement and Concrete, 4 th ed., Chemical Publishing Co., New York, 1. [12] M. Lachemi, K.M.A. Hossain, P.C. Nkinamubanzi & N. Bouzoubaâ, Performance of new viscosity modifying admixtures in enhancing the rheological properties of cement past, Cem. Concr. Res., 34, (4). [13] K.H. Khayat, Viscosity-Enhancing admixtures for cement-based materials - An verview, Cem. Concr. Comp., 2, (1998). [14] H. Paiva, L.M. Silva, J.A. Labrincha, V.M. Ferreira, Effects of a water-retaining agent on the rheological behaviour of a single-coated render mortar, Cem. Concr. Res., 36, (6). [15] R. Bayer & H. Lutz, Dry Mortars, Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2, 9, pp.1-22