Comportamento de Argamassas e Elementos de Alvenaria Antiga Sujeitos à Acção de Sais

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1 Comportamento de Argamassas e Elementos de Alvenaria Antiga Sujeitos à Acção de Sais Sílvia Oliveira Universidade de Aveiro, silviagoliveira@ua.pt Olga Barros Saint-Gobain Weber, olga.barros@weber-cimenfix.com M.P. Seabra Universidade de Aveiro, pseabra@cv.ua.pt Luís Silva Saint-Gobain Weber, luis.silva@weber-cimenfix.com J.A. Labrincha Universidade de Aveiro, joaolabrincha@ua.pt V. M. Ferreira Universidade de Aveiro, victorf@civil.ua.pt Resumo: Devido à capacidade de degradação dos sais, recomendam-se sistemas de reabilitação de alvenarias antigas que garantam compatibilidades mecânica e química tendo, esta última, especial significado na redução ou eliminação de sais. No caso de argamassas de reabilitação, o contexto é especialmente importante quando se considera que ligantes como o cimento são indesejáveis, por propiciarem ambientes salinos capazes da degradação de alvenarias antigas. O presente trabalho tem por objectivo o estudo do comportamento de argamassas e elementos de alvenaria antiga, como adobe e pedra, sujeitos à acção de sulfatos e cloretos. Palavras-chave: sais; elementos de alvenaria antiga; argamassas reabilitação; cimento; cal. 1. INTRODUÇÃO Existe um conjunto de sais capazes de serem transportados para o interior de materiais, como rochas, adobe ou outros materiais de alvenarias, e cristalizar nesse meio provocando perdas de coesão nos materiais por expansão. De facto, muitos sais apresentam pontos higroscópicos a humidades relativas consideravelmente abaixo dos 100%, o que significa que se podem tornar deliquescentes quando a sua humidade é excedida e recristalizar quando a sua humidade relativa baixar aquém do ponto critico. Conclui-se, deste modo, que pode haver muitos mais ciclos dissolução-recistalização do que seria previsto pelo número de chuvas por ano. Considerando que num clima temperado como o português, a humidade relativa varia entre 55%-85%, os sais realmente destrutivos são aqueles que apresentam higroscopicidade média, como a halite (NaCl), silvite (KCl), epsomite (MgSO 4.7H 2 O) e nitratos de sódio ou potássio, já que podem apresentar fenómenos contínuos de dissolução-recristalização [1,2,3].

2 Considerando esta questão, impõe-se que um dos requisitos fundamentais, de argamassas de reabilitação de alvenarias antigas, seja a garantia de que existe compatibilidade química com os suportes, o que significa dizer que deve, por um lado, resistir a sais solúveis, eventualmente existentes nas paredes e, por outro lado, limitar o teor de sais solúveis a transmitir às mesmas. Os dois princípios, por vezes podem ser antagónicos já que, geralmente, uma argamassa que apresente boa resistência mecânica é, à partida, mais resistente aos sais mas, no entanto, tal resistência pode advir da presença de ligantes ricos em sais, contribuindo para aumentar a cristalização dos mesmos na alvenaria. Neste contexto, surge o cimento Portland, um ligante de elevado potencial porque, a sua adição a argamassas, resulta na possibilidade de obter presa ao ar ou na água e por permitir a obtenção de elevadas resistências mecânicas. A experiência mostra, porém, que a sua utilização desmedida na reabilitação de edifícios antigos, com alvenaria em pedra ou adobe, pode resultar em resultados negativos, classificados por alguns autores como catastróficos. A justificação que se apresenta para este efeito prende-se, por um lado, com a obtenção de argamassas com elevadas resistências mecânicas, incompatíveis com suportes mais fracos e, por outro lado, com facto deste material ser uma fonte disponível de iões como SO 4 2+, K +, Na +, Ca 2+, entre outros, capazes de originarem sais como Na 2 SO 4.10H 2 O (mirabilite), Na 2 SO 4 (thenardite) e CaSO 4.2H 2 O (gesso) [4-8]. No entanto, a aplicação de argamassas exclusivamente baseadas em cal também tem revelado alguns insucessos, especialmente ao nível da longevidade, já que o principal ligante é o carbonato de cálcio, um sal com alguma solubilidade. A solução tem sido, frequentemente, o recurso a materiais pozolanicos, combinados com cal. Também neste caso, existem alguns problemas, especialmente ao nível da obtenção destes materiais, com regularidade de propriedades e, quando se fala do caso especifico das cinzas volantes, a questão é ainda mais notada. Adicionalmente, a mão-de-obra tende a ser menos especializada, com perdas valiosas da arte de bem trabalhar em obra, o que dificulta muito a aplicação destas argamassas já que tais implicam cuidados adicionais, especialmente durante os primeiros tempos de cura para minimizar fenómenos de fissuração por retracção. Inclusive, a questão põe-se aos fabricantes de argamassas, dado que a maioria dos adjuvantes usados em argamassas à base de cimento não apresentam a mesma eficiência quando o ligante é exclusivamente cal, o que exige um compromisso ao nível da formulação [8,9]. Por outro lado, alguns autores apresentam as argamassas com base de cimento como potencialmente capazes de se adequarem à reabilitação de alvenarias de edifícios antigos. Apresentam uma justificação com base na possibilidade de, por um lado, ser possível obter argamassas com resistências mecânicas menores, a partir de baixas dosagens de ligante, adição de cargas ligeiras ou incorporação de adjuvantes introdutores de ar e, por outro lado, por apresentarem baixo teor de cálcio livre quando comparada com argamassas baseadas em cal [10-15]. A partir das justificações apresentadas, fica-se, porém, com a dúvida, especialmente ao nível da compatibilidade química, sobre a possível transmissão de sais às alvenarias. Considera-se a questão especialmente pertinente, para o caso de argamassas bastardas, com baixas dosagens de cimento Portland. Por isso, é intenção do presente trabalho apresentar um estudo de comportamento de vários elementos de alvenarias comuns em Portugal, recolhidos em vários pontos do país, quando sujeitos a diferentes concentrações de cloretos e sulfatos e quando sujeitos a soluções aquosas de sais, derivadas da água de

3 amassadura de uma argamassa bastarda. Os resultados apresentados reflectem apenas uma primeira parte do trabalho e referem-se essencialmente à medição da perda de massa dos provetes de análise quando sujeitos à acção de soluções salinas. 2. DESCRIÇÃO DOS MATERIAIS USADOS Para o estudo em questão, decidiu-se avaliar um conjunto de materiais comuns em alvenarias antigas de edifícios comuns portugueses. Para o efeito, recolheram-se amostras em vários locais do país de forma a conseguir um leque com alguma abrangência para o estudo (tabela 1). Tabela 1. Descrição geral das amostras recolhidas para ensaio Amostra Zona de recolha Descrição Geral Aveiro Adobe Fátima Pedra Calcária Estremoz Pedra Mármore Braga Granito Braga Granito com deterioração visível 3. ENSAIOS REALIZADOS As amostras foram cortadas com o auxílio de uma rebarbadora em provetes com dimensões próximas de 4*4*8 cm; no caso de provetes de argamassas, esta dimensão foi obtida directamente pelas metades de provetes resultantes do ensaio de flexão. Nas amostras onde se obteve uma geometria razoavelmente paralelipipédica, realizaramse ensaios mecânicos de compressão e flexão e determinou-se a porosidade aberta (P) e absorção de água (A) a partir das seguintes equações: P (%) = m m m m A (%) = m m m Onde: m 1 : massa da amostra seca m 2 : massa da amostra suspensa na água m : massa da amostra saturada 3

4 A determinação do coeficiente de absorção de água por capilaridade e das resistências mecânicas foi feito de acordo com os métodos de ensaio da norma EN Resistência à Acção de Sais No ensaio de resistência à acção dos cloretos utilizaram-se soluções de a) cloreto de sódio a 0.1M, b) cloreto de sódio a 0.01M e c) água resultante do processo de filtração de uma argamassa bastarda, após o processo de amassadura (água de amassadura). As amostras secas e pesadas (massa inicial) foram imersas nas respectivas soluções durante 24 horas e, posteriormente, secas em estufa (a 70 ºC) por igual período de tempo. A percentagem de cloretos retidos foi calculada através da diferença de massas (antes e após imersão) em relação à massa inicial. As amostras foram então sujeitas a ciclos diários de 12 horas a 90% Hr e 12 horas a 60% Hr (a temperatura manteve-se constante a 22ºC). Registou-se a massa no final de cada ciclo para posterior cálculo da variação de massa em relação à massa inicial e foi avaliado o estado de integridade das amostras. No ensaio de resistência à acção de sulfatos utilizaram-se soluções de a) sulfato de sódio anidro a 0,1 M, b) sulfato de sódio anidro a 0,01M, c) água resultante do processo de filtração de uma argamassa bastarda (água de amassadura), após o processo de amassadura, e d) água destilada. O ciclo consistiu na imersão das amostras nas respectivas soluções, durante 2 horas, e secagem em estufa a 70ºC durante 22 horas. Após cada ciclo as amostras foram pesadas, determinando-se assim a variação de massa em relação à massa inicial e avaliado o seu estado de integridade. 4. RESULTADOS 4.1. Características das Amostras antes de Exposição aos Sais A tabela 2 apresenta algumas propriedades dos elementos de alvenaria, determinadas experimentalmente ou de acordo com dados bibliográficos. Tabela 2. Propriedades relativas aos elementos de alvenaria em estudo Propriedade Absorção de água (%) Porosidade aberta (%) R comp. (MPa) (1) 88 (1) 81 (1) 1.34 R flexão (MPa) Módulo Young (MPa) (1) Valores obtidos da bibliografia [16] (1) 16 (1) 15 (1)

5 4.2. Resultados após Acção de Cloretos Na tabela 3 estão indicadas as quantidades de cloretos retidos no interior das amostras. As figuras 1 e 2 representam a variação de massa, em função do número de ciclos decorridos, respectivamente, para uma concentração de cloretos de 0.01M e 0.1M (com e sem os resultados relativos à amostra para melhor interpretação das restantes). Tabela 3. Quantidade de cloretos retida, após ensaio de imersão em solução de NaCl. % Cl - retida 0,1 M 0,89 0,28 0, ,09 0,01 M 0,31 0,00 0, ,09 Água de amassadura 0,33 0, ,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Figura1. Variação de massa em função do número ciclos de exposição a uma solução de cloretos 0.01M

6 1, ,0 0,5 0,0-0,5-4 -1, , Figura 2. Variação de massa em função de ciclos de exposição a uma solução de cloretos 0.1M (esquerda: todas as amostras; direita: sem a amostra ) 4.3. Resultados após Acção de Sulfatos As figuras 3 e 4 representam a variação de massa das amostras, em função do número de ciclos decorridos, respectivamente para uma concentração de sulfatos de 0.01M e 0.1M (com e sem os resultados relativos às amostras e, para melhor interpretação das restantes) Figura 3. Variação de massa em função do número de ciclos de exposição a uma solução de sulfatos, 0.01M.

7 0 0,2 0, , , ,6-0,8-1,0-1,2-1, , Figura 4. Variação de massa em função do número de ciclos de exposição a uma solução de sulfatos, 0.1M (esquerda: todas as amostras; direita: com exclusão das amostras e ) Resultados após Acção de Água Destilada A figura 5 representa a variação de massa, em função do número de ciclos decorridos, respectivamente, com e sem representação da amostra, quando expostas a água destilada e de acordo com o método adoptado para os sulfatos. 0, ,0-0,1-0,2-0,3-0, ,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1,0-1, Figura 5. Variação de massa em função do número ciclos de exposição a água destilada (esquerda: todas as amostras; direita: com exclusão da amostra ) Exposição a uma Solução Aquosa de Sais, Obtida a Partir da Água de Amassadura de uma Argamassa Bastarda de Reabilitação. Por último, a figura 6 apresenta a variação de massa observada, para as amostras e, depois de sujeitas a ciclos segundo os métodos adoptados para cloretos e sulfatos, mas a partir da água recolhida da amassadura de uma argamassa bastarda de reabilitação. Uma análise qualitativa de sais presentes na água recolhida da amassadura, indica que, relativamente à presença de cloretos, se verifica uma aproximação a uma solução de 0.01M e, relativamente à presença de sulfatos, existe uma aproximação a uma solução de 0.1M deste ião.

8 2,0 0,8 1,5 0,6 1,0 m(%) 0,4 0,5 0,2 0,0 0, Figura 6. Variação de massa em função do número de ciclos de exposição a água de amassadura de uma argamassa de reabilitação (esquerda: procedimento para cloretos; direita; procedimento para sulfatos) Comportamento de Argamassas após Sujeição a Soluções Aquosas de Cloretos e Sulfatos. A figura 7 apresenta o comportamento de duas argamassas de reabilitação, uma bastarda e a outra com base em cal e ligante orgânico, após sujeição aos ciclos de cloretos e sulfatos. A argamassa bastarda consiste numa relação volumétrica cal:cimento:agregado de 1:0.5:5, com um agente hidrófugo (estearato de cálcio), um agente introdutor de ar (olefinasulfonato de sódio) e 20ml água/100g de pó; a argamassa base de cal, consiste numa mistura cal aérea:agregado de 1:4, com adição de 1% de um polímero de acetato de vinilo e um agente hidrófugo (estearato de cálcio), para uma relação de 25g H 2 O/100g de pó. A preparação dos provetes de ensaio e condições de cura foi realizada de acordo com as recomendações dos métodos de ensaio da norma EN A porosidade aberta foi determinada de acordo com indicado na secção relativa à parte experimental. A tabela 4 apresenta alguns valores específicos de propriedades relativas às argamassas em questão. Tabela 4. Resultados relativos a propriedades de produto endurecido, para as argamassas em análise. Propriedade Argamassa Bastarda Argamassa cal R compressão (MPa) µ C (kg/m 2.min 1/2 ) Porosidade aberta (%) Aderência (N/mm 2 ) 0.25 (1) 0.11 (2) (1) rotura coesiva; (2) rotura parcialmente coesiva

9 7 6 5 rotura do provete Sulfatos Cloretos Variação massa (%) perda de coesão (friabilidade) sulfatos cloretos 4 Variação de massa (%) Figura 7. Comportamento de uma argamassa bastarda (em cima) e de cal aérea (em baixo) em função do número de ciclos de exposição a cloretos e sulfatos. 5. DISCUSSÃO DE RESULTADOS A análise da tabela 2, relativa às propriedades das amostras de estudo, permite notar que existem duas particularmente frágeis, a e, com elevada tendência à desagregação, por simples toque. O caso da amostra, refere-se a um exemplo de um adobe comum da região de Aveiro, com um tempo de vida estimado em 200 anos e constituída por areia de saibro e carbonato de cálcio [17]. A amostra é uma pedra de granito em elevado estado de degradação, só por acção do toque, claramente corroborado pelos valores determinados da resistência à compressão. As amostras restantes apresentam-se num estado de conservação consideravelmente bom e, por dificuldades de obtenção de espécies geometricamente aceitáveis para o ensaio de compressão, dada a excessiva dureza dos materiais, optou-se por indicar valores de referência próprios de cada zona de recolha da amostra. A análise da tabela 3 e figuras 1 e 2, relativas ao ensaio de resistência aos cloretos, revela que a acção deste sal afecta especialmente as amostras com maior fragilidade. Assim, as amostras e tendem a apresentar um ganho de massa inicial maior e,

10 especificamente, a amostra inicia um processo de degradação brusco a partir do 20º ciclo, especialmente notório para uma concentração de 0.1M do ião cloreto. As amostras e apresentam a maior resistência à penetração do ião, assim como a menor degradação, sugerindo a importância da reduzida porosidade como elemento essencial neste processo. Curioso, é o comportamento da amostra, que apresenta uma diferença significativa de comportamento entre os ensaios relativos às duas concentrações do ião cloreto, sendo especialmente relevante o elevado grau de degradação observado, para um número de ciclos superior a 15, quando a concentração do sal é 0.1M, ainda que, para uma concentração de 0.01M, já apresente alguns indícios de desagregação. A acção do ião sulfato parece ser mais agressiva, especialmente quando a sua concentração é de 0.1M, dado que todas as amostras tendem a apresentar perda de massa e degradação após um intervalo entre 10 e 15 ciclos, conforme se pode observar pela análise das figuras 3 e 4. Por outro lado, para uma concentração de 0.01M, apenas as amostras mais frágeis, como a e, apresentam sinais de degradação após os primeiros ciclos de exposição. Curiosamente, quando se observa a acção da água destilada, a partir da análise da figura 5, nota-se que o seu efeito é similar ao obtido para uma concentração de 0.01M de ião sulfato. No caso particular da amostra, é evidente que o efeito da humidade adquire um papel tão preponderante quanto uma solução de concentração reduzida de um sal. Finalmente, a análise da tabela 3 e figura 6, sugere que o comportamento das amostras estudadas, e, quando o procedimento de ensaio é de acordo com o estabelecido para a determinação da resistência aos cloretos, é similar à situação testada para uma concentração de 0.01M deste sal (ver figura 1), embora tal análise contemple apenas 15 ciclos decorridos. Relativamente à realização do ensaio de acordo com o procedimento adoptado para a análise de resistência a sulfatos, verifica-se que a amostra apresenta um ganho de massa substancial, nunca observado em qualquer ensaio anterior, sugerindo que a elevada porosidade e capacidade de absorção de água, permite a penetração de vários sais presentes na solução de água de amassadura de uma argamassa; por outro lado, a amostra, nestas condições particulares, comporta-se similarmente à situação em que o ensaio é exclusivamente feito com uma solução de sulfato de sódio, para os primeiros 15 ciclos efectuados até ao momento (ver figuras 3 e 4). Por último, observa-se, como seria de prever, uma relação directa entre propriedades como porosidade aberta e capacidade de absorção de água dos materiais e a resistência à acção dos sais, por parte dos mesmos. Assim, verifica-se que pedras com maior porosidade, que apresentam superior capacidade de absorção de água, tendem a ganhar maior acumulação de sais e, por conseguinte, apresentam menor resistência á acção dos mesmos, até porque lhes são associadas resistências mecânicas menores. A análise da tabela 4 evidencia que uma argamassa bastarda, com uma formulação equilibrada, pode apresentar propriedades similares a argamassas à base de cal e mecanicamente compatíveis com suportes frágeis e similares, próprios das alvenarias antigas. Relativamente aos ensaios de compatibilidade física, observa-se uma maior resistência à absorção de água por capilaridade e, simultaneamente, um valor aceitável de permeabilidade ao vapor de água, resultante de uma porosidade aberta elevada. Esta mesma porosidade permite acomodar maior quantidade de sais, enquanto a superior

11 resistência mecânica contrapõe a degradação devida à acção de soluções salinas de cloretos e sulfatos, comparativamente à argamassa exclusiva de cal. 6. CONCLUSÕES Os sais solúveis presentes em alvenarias antigas de adobe ou pedra degradam os elementos construtivos das mesmas de uma forma significativa. O grau de degradação de tais elementos depende de factores como a natureza dos materiais da alvenaria, das suas propriedades físicas e mecânicas, do seu estado de conservação, mas também da concentração do sal presente. As argamassas de reabilitação, usadas para a correcção dos panos de parede relativos às alvenarias em degradação, poderão contribuir para a degradação por libertação de sais, caso apresentem elevadas concentrações de ligantes ricos em iões, como é o caso do cimento. Por outro lado, uma adição relativamente baixa deste componente hidráulico, a argamassas, não parece contribuir significativamente para uma degradação rápida e intensa dos elementos de alvenaria antiga, por acção de libertação de sais solúveis. Ao contrário, parece conduzir a argamassas com maior resistência à acção destes sais, mesmo implicando a sua acumulação no seu interior, porque confere, por um lado, um aumento das resistências mecânicas, evidenciando maior coesão interna e, por outro lado, uma redução da penetração de água por capilaridade. Adicionalmente, quanto à compatibilidade a nível mecânico, tal pode ser assegurada por um formulação equilibrada entre a quantidade de cimento e de cal, com adição de cargas leves e agentes introdutores de ar, se necessário, para garantir uma porosidade adequada e recomendada aos sistemas de reabilitação. 7. REFERÊNCIAS [1] Aires-Barros, L., Alteração e alterabilidade de rochas, Instituto Nacional de Investigação Cientifica, UTL, Lisboa, [2] Henriques, F. M. A., Fenómenos de higroscopicidade devidos à presença de sais solúveis, 1º Encontro nacional sobre patologia e reabilitação de edifícios, Porto, [3] Begonha, A. J. Sá de, Meteorização do granito de deterioração da pedra em monumentos e edifícios da cidade do Porto, dissertação apresentada à Universidade do Minho, para obtenção do grau de doutor, FEUP edições, Porto, [4] Veiga, M. R., Carvalho, F., Argamassas de reboco para paredes de edifícios antigos: requisitos e características a respeitar, Caderno edifícios 2, LNEC, [5] Rossi-Manaresi, R., Tucci, A., Pore structure and the disruptive or cementing effect of salt crystallization in various types of stone, Stud. Conserv., 36, 1991, [6] Arandigoyen, M., Alvarez, J. I., Pore structure and mechanical properties of cementlime mortars, Cement and concrete research, 37, 2007, [7] Lanas, J., Alvarez, J. I., Masonry repair lime-based mortars: factors affecting the mechanical behaviour, Cement and concrete research, 33, 2003, [8] Teles, Madalena, Reflexões sobre a composição de argamassas, A intervenção no património, práticas de conservação e restauro, pág , FEUP, [9] Silva, L., Rehabilitation mortars- An Industrial approach, Workshop Argamassas de reabilitação, Universidade de Aveiro, Outubro, 2006.

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