Avaliação do desempenho mecânico e térmico de tijolos de alvenaria cerâmica aditivada com lamas residuais de alumínio

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1 Avaliação do desempenho mecânico e térmico de tijolos de alvenaria cerâmica aditivada com lamas residuais de alumínio Inês Grilo 1, Santos P. 2, Gouveia J.P. 3, Júlio E. 4 1 ICIST & DEC FCTUC, Departamento de Engenharia Civil, FCTUC, Coimbra, Portugal. inesgrilo@dec.uc.pt 2 ISISE & DEC FCTUC, Departamento de Engenharia Civil, FCTUC, Coimbra, Portugal. pfsantos@dec.uc.pt 3 ISISE & DEC ISEC, Departamento de Engenharia Civil, ISEC, Coimbra, Portugal. jopamago@isec.com 4 ICIST & DECivil IST UTL, Departamento de Engenharia Civil e Arquitetura, IST, Lisboa, Portugal. ejulio@civil.ist.utl.pt RESUMO Os tijolos são, simultaneamente, um material de construção milenar e moderno. Neste artigo apresenta-se um estudo realizado com o objetivo de analisar a viabilidade de incorporar resíduos da indústria transformadora de alumínio na argila, matéria-prima para a produção de blocos de alvenaria cerâmica. Para além das vantagens ambientais, pretende-se verificar se é possível obter uma majoração das propriedades térmicas com o novo produto, traduzida numa redução significativa da sua condutibilidade térmica. Simultaneamente pretende-se garantir que não haja perdas significativas da sua resistência mecânica. Para a realização do estudo, adotou-se como referência um tijolo térmico da empresa Preceram, SA, tendo-se mantido a sua geometria melhorada mas adicionando lamas resultantes da anodização e lacagem do alumínio na matéria-prima. Realizaram-se ensaios normativos de caracterização do comportamento físico e mecânico dos dois tipos de bloco, i.e. com e sem adição de lamas. Analisou-se igualmente o desempenho térmico do tijolo existente e do novo tijolo, recorrendo a um método misto experimental e numérico. Neste trabalho, foi possível concluir que a introdução de lamas induz um incremento considerável no desempenho térmico do tijolo. Simultaneamente, verifica-se que o seu comportamento mecânico regista perdas pouco significativas. Palavras-chave: Adição de Resíduos, Alvenaria Cerâmica, Desempenho Mecânico/Térmico INTRODUÇÃO O tijolo cerâmico é um dos elementos de alvenaria mais antigos. O conhecimento das suas propriedades e características permitiu a sua evolução. O desenvolvimento e a diversificação destes elementos asseguram os requisitos funcionais da edificação e das práticas da construção. Atualmente o tijolo cerâmico é dos produtos mais usados na construção portuguesa [1]. Hoje exige-se dos materiais a aplicar nas alvenarias um comportamento adequado para o isolamento térmico, acústico e a possibilidade de se comportarem como elementos resistentes da estrutura da habitação [2]. Desde os anos 90 que a indústria cerâmica tem vindo progressivamente a melhorar o isolamento térmico e acústico do tijolo, através da alteração da geometria de septos. Os tijolos de furação vertical possuem diversas vantagens relativamente aos tijolos tradicionais [3] como: Maior resistência mecânica, sendo estes blocos até 3 vezes mais resistentes do que os tijolos tradicionais; Melhor isolamento térmico, na medida em que os furos de pequena dimensão existentes nestes blocos reduzem a convecção do ar e, consequentemente, a transmissão de calor; Redução de pontes térmicas e penetração da humidade devido à junta de argamassa descontínua. 1

2 Com estes elementos cerâmicos de elevado desempenho é possível melhorar as características térmicas, acústicas e mecânicas relativamente aos sistemas tradicionais de tijolo cerâmico furado. Paralelamente observou-se um contributo positivo da indústria cerâmica na construção sustentável, com a incorporação de resíduos de outras indústrias na produção de tijolo cerâmicos. Ensaios preliminares [4], realizados em laboratório, em tijolos maciços produzidos a partir de mistura manual de argilas com lamas resultantes do tratamento de superfície de alumínio, permitiram detetar uma redução significativa da condutibilidade térmica da argila, sem perdas significativas da sua resistência estrutural. Desta forma, aliando estas duas potencialidades na indústria cerâmica, desenvolveu-se um tijolo ecológico, mantendo a sua geometria aperfeiçoada e integrando lamas resultantes da indústria de anodização e lacagem do alumínio na sua matéria-prima. Pretende-se obter elementos cerâmicos com elevada resistência térmica, não comprometendo a sua potencial utilização como bloco estrutural, para aplicação em paredes da envolvente e de compartimentação de edifícios. O desenvolvimento e a inovação associada a este novo elemento cerâmico requerem o conhecimento das suas características físicas e mecânicas. Para a realização deste estudo, adotou-se como referência um tijolo térmico da empresa Preceram, SA, tendo-se mantido a sua geometria melhorada mas adicionando à matéria-prima lamas resultantes da anodização e lacagem do alumínio. Numa primeira fase, foi conduzido um estudo com corpos de prova em laboratório [5] e, posteriormente, foram produzidos em fábrica os blocos de alvenaria cerâmica aditivados. Realizaram-se ensaios normativos de caracterização do comportamento físico e mecânico dos dois tipos de bloco, i.e. com e sem adição de lamas. Analisou-se igualmente o desempenho térmico do tijolo existente e do novo tijolo, recorrendo a duas abordagens: experimental e numérica. CARACTERIZAÇÃO FÍSICA E MECÂNICA DOS TIJOLOS Para o desenvolvimento deste trabalho, foi necessário caracterizar física e mecanicamente os dois tipos de tijolos, i.e. com e sem adição de lamas. Os ensaios realizados foram executados de acordo normas europeias e tentam englobar, de forma criteriosa, os ensaios normalizados indispensáveis à caracterização dos elementos cerâmicos. Os ensaios mecânicos privilegiam a caracterização da resistência de cada bloco. Propriedades físicas como a massa volúmica, absorção de água e percentagem de furação de cada bloco foram também determinadas. O número de provetes utilizado para cada tipo de ensaio é adotado em função das suas exigências normativas, tal como o arredondamento dos resultados finais. Geometria e dimensões Para a realização da campanha laboratorial, os tijolos foram retirados aleatoriamente do lote/palete. Utilizaram-se dois tipos de tijolos, com e sem adição de lamas de alumínio, denominados nesta comunicação de tijolo ecológico e tijolo normal, respetivamente. A unidade de alvenaria utilizada neste estudo é designada por Tijolo Térmico e Acústico 30x19x24 com dimensões nominais indicadas na Figura 1. Figura 1 Aspeto e dimensões do Tijolo Térmico e Acústico, Preceram S.A. 2

3 Determinação das características físicas As propriedades físicas dos tijolos foram caracterizadas de acordo com as referidas normas: Massa volúmica real seca e aparente seca (NP EN ) [6]; Absorção de água (NP EN 772-7) [7]; Percentagem de vazios (NP EN 772-3) [8]. A massa volúmica real seca e aparente seca dos dois tipos de tijolo foi obtida através da secagem dos blocos até massa constante, tendo-se registado o peso dos mesmos. Foi necessário conhecer também o valor de volume real e aparente de cada tijolo. Na determinação da taxa de absorção de água dos blocos, secou-se e pesou-se as amostras e, posteriormente, foram emersas em água até atingirem massa constante. Determina-se a taxa de aumento das amostras saturadas. Por fim, na determinação da percentagem de vazios obteve-se o volume do valor líquido do provete através da pesagem em ar e pesagem em água. O volume de vazios foi obtido pela diferença entre o volume bruto e o volume líquido. O volume bruto é calculado pela multiplicação do comprimento, largura e altura do provete, como indicado na norma NP EN [9]. Para cada ensaio e tipo de bloco foram utilizados 6 provetes. Alguns dos equipamentos utilizados para a determinação dos parâmetros físicos dos blocos e a sua imersão estão ilustrados na Figura 2. (a) (b) (c) (d) Figura 1 Equipamentos utilizados: (a) balança; (b) forno; (c) paquímetro; (d) tanque. Determinação das características mecânicas A determinação da resistência à compressão de uma unidade de alvenaria é definida na norma NP EN [10]. Neste ensaio os provetes são colocados e centrados sobre o prato da máquina de ensaio de compressão, é aplicada uma carga uniformemente distribuída e incrementada continuamente até à rotura. Os tijolos foram ensaiados à compressão em cada uma das 3 faces identificadas na Figura 1. Por cada face determinou-se a carga de rotura em 6 provetes, perfazendo, no total, 18 provetes para o tijolo normal e 18 provetes para o tijolo ecológico. Após se remover qualquer material supérfluo existente no bloco, as faces do provete sobre as quais vai ser aplicada a carga devem ser planas e paralelas. Para satisfazer os requisitos de planeza e paralelismo definidos na respetiva norma [10], optou-se por retificar as faces dos blocos (Figura 3). Figura 3 Retificação das faces dos tijolos antes do ensaio à compressão. 3

4 A carga foi aplicada com uma velocidade conforme a referida norma. A Figura 4 apresenta imagens dos ensaios à compressão efetuados a cada uma das três faces do tijolo. Figura 4 Ensaios à compressão nas faces 1, 2 e 3, respetivamente. CARACTERIZAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DOS TIJOLOS O desempenho térmico dos dois tipos de tijolos foi avaliado experimental e numericamente. Inicialmente determinou-se o coeficiente de condutibilidade térmica das respetivas matériasprimas: argila não aditivada, argila aditivada e argamassa para assentamento/reboco. Posteriormente determinou-se, experimental e numericamente, o coeficiente de transmissão térmica de cada bloco. Efetuou-se uma campanha de ensaios para a determinação do coeficiente de transmissão térmica, pelo método Hot Box [11], de duas paredes compostas por tijolos térmicos, com e sem adição de lamas, da empresa Preceram S.A. As paredes de alvenaria foram ensaiadas com e sem reboco. Coeficiente de condutibilidade térmica das matérias-primas A caraterização térmica de cada material foi realizada através da determinação da sua condutibilidade térmica, λ (W/mºC). Os provetes do material constituinte dos tijolos foram obtidos através da extração de pastilhas cilíndricas com dimensões médias de 30 mm de diâmetro e 9,5 mm de espessura (Figura 6). Os provetes da argamassa tinham a mesma forma/geometria. Utilizou-se o mesmo processo de medição para se obter a condutibilidade térmica do reboco utilizado nas paredes ensaiadas. Para este efeito, utilizou-se o equipamento da marca Isomet 2104 com gamas de medição compreendidas entre 0,015 a 6 (W/mºC) e temperaturas de operação de -20 a 70ºC. O equipamento e algumas das amostras utilizadas estão ilustrados na Figura 5. Figura 2 Equipamento utilizado para determinação da condutibilidade térmica (Isomet 2104) das amostras. Os resultados obtidos estão apresentados no Quadro 1. Quadro 1: Coeficientes de condutibilidade térmica obtidos λ (W/mºC) Argila normal Argila ecológica Argamassa 0,53 0,34 0,8 4

5 Coeficiente de transmissão térmica dos tijolos - Abordagem experimental No decorrer deste trabalho, desenvolveu-se um programa experimental que consistia na análise térmica de paredes de alvenaria constituídas pelos dois tipos de blocos. Para tal, executaram-se paredes compostas por Tijolos Térmicos 30x19x24, com e sem adição de lamas, de dimensões aproximadas 1,50 x 1,25 m 2. Está em desenvolvimento a campanha experimental para a determinação do coeficiente de transmissão térmica, U (W/m 2 ºC), destas paredes e dos respetivos tijolos pelo método Hot Box (Figura 6). É possível obter o mesmo parâmetro térmico dos tijolos que constituem estas paredes. No entanto, nesta comunicação apenas é apresentado o valor de U para o tijolo normal, uma vez que ainda não se finalizou a análise térmica da parede de alvenaria constituída por tijolo ecológico. O equipamento Hot Box é constituído por duas câmaras, uma quente e outra fria, separadas por um pórtico envolvido com EPS com uma abertura com as dimensões do provete a ensaiar, permitindo assim criar um fluxo de calor que atravessa o provete de ensaio, minimizando as perdas térmicas laterais. (a) (b) (c) Figura 6 Método Hot Box: (a) Aro de montagem do provete; (b) Parede sem reboco; (c) Parede rebocada. Os ensaios foram realizados de acordo com a norma Internacional ISO 8990 [11]. O primeiro ensaio foi realizado sem reboco. Posteriormente, foi aplicada uma camada de reboco com cerca de 15 mm de espessura em ambas as faces. O ensaio da parede consistiu na determinação do fluxo de calor que atravessa a mesma quando é imposta um gradiente térmico entre as duas faces da parede. As temperaturas na câmara quente e fria foram 20ºC e 0ºC, respetivamente. A realização destes ensaios permitiu também a determinação das resistências térmicas superfícies em ambas as faces da parede. Estes valores foram utilizados posteriormente no cálculo do coeficiente de transmissão térmica global da parede. Quando se ensaiou a parede simples, sem reboco, constituída por tijolo normal verificou-se que não existia aderência/contacto suficiente entre o tijolo e o fluxímetro devido à superfície do tijolo ser irregular. Por este motivo não foi possível determinar este parâmetro para esta condição de ensaio. Desta forma, obteve-se apenas o coeficiente de transmissão térmica do bloco na parede rebocada (0.80 W/m 2 ºC). Para a medição deste valor posicionou-se o fluxímetro no centro da face do tijolo. O fluxímetro mede diretamente o fluxo de calor que atravessa um elemento. Dividindo o fluxo de calor pelo respetivo gradiente térmico, obtém-se o valor de U. - Abordagem numérica Para simular a propagação de calor através do tijolo, ou da parede, foi utilizado o software THERM 6.3 [12], contendo um algoritmo de cálculo baseado no Método dos Elementos Finitos. As furações verticais dos blocos podem ser consideradas pequenas caixas-de-ar não 5

6 ventiladas, sendo necessário quantificar a resistência térmica de cada uma delas. Para o efeito determinou-se a condutibilidade térmica equivalente das furações de acordo com três documentos regulamentares/normativos: RCCTE [13], NFRC 100 [14] e EN ISO 6946 [15]. Os valores estipulados no RCCTE para a resistência de espaços de ar não ventilados são baseados na EN ISO No entanto, a metodologia da EN ISO 6946 torna-se mais próxima da realidade, uma vez que a determinação da resistência das caixas-de-ar depende da sua dimensões e geometria. Tendo conhecimento dos valores de coeficiente de condutibilidade térmica das amostras dos dois tipos de tijolos e do reboco, assim como do desempenho térmico das caixas-de-ar formadas pela furação vertical, foi possível simular o comportamento térmico do tijolo (Figura 7). Para a determinação do fluxo de calor através do tijolo rebocado foram impostas temperaturas de 20ºC e 0ºC nas suas faces opostas, assim como a resistência térmica superficial obtida experimentalmente. Ao impor estas condições de fronteira pretendeuse reproduzir numericamente as condições utilizadas experimentalmente na Hot Box. (a) (b) (c) Figura 3 Simulação numérica da propagação de calor num tijolo rebocado em ambas as faces (a) geometria do modelo; (b) temperatura ao longo do tijolo (ºC); (c) fluxo de calor ao longo do tijolo (W/m 2 ). RESULTADOS E DISCUSSÃO Propriedades físicas e mecânicas Os resultados obtidos nos ensaios experimentais para caracterizar fisicamente e mecanicamente os dois tipos de blocos, i.e. com e sem adição de lamas de residuais de alumínio, estão apresentados no Quadro 2. Quadro 2: Resultados obtidos: Caracterização física e mecânica Propriedades Tijolo normal Tijolo ecológico Massa volúmica real (kg/m 3 ) Físicas Massa volúmica aparente (kg/m 3 ) Absorção de água (%) 9,5 12,5 Percentagem de vazios (%) Mecânicas Resistência à compressão (MPa) Face 1 7,3 6,3 Face 2 2,1 1,8 Face 3 0,3 0,3 6

7 Comparando as propriedades físicas e mecânicas dos blocos produzidos atualmente na Preceram (tijolo normal) e o novo produto (tijolo ecológico) é possível verificar que: A massa volúmica decresce com a adição de lamas de alumínio na produção de blocos cerâmicos de alvenaria; Existe um aumento (3%) de absorção de água com a adição das lamas; A percentagem de vazios aumentou 4%; A adição de lamas de alumínio na produção de tijolos cerâmicos não alterou significativamente a resistência à compressão do bloco, diminuindo 1,0 MPa e 0,3 MPa quando a carga é aplicada nas faces 1 e 2, mantendo-se inalterada se aplicada na face 3. Propriedades térmicas O Quadro 3 apresenta os valores obtidos nas simulações numéricas para caracterização térmica dos tijolos normais e ecológicos. Quadro 3: Resultados obtidos: Caracterização térmica Coeficiente de Resistência térmica transmissão térmica U (W/m 2 R (m 2 ºC/W) ºC) Modelação das caixas-de-ar Tijolo (1) normal Tijolo (1) ecológico Tijolo (1) normal Tijolo (1) ecológico RCCTE 0,80 0,64 1,25 1,56 NFRC 100 0,79 0,63 1,27 1,59 EN ISO ,75 0,60 1,33 1,67 (1) Tijolo rebocado (15 mm) em ambas as faces. O desempenho térmico dos tijolos melhorou consideravelmente com a incorporação de lamas residuais resultantes do tratamento de alumínio. Das simulações numéricas realizadas assumindo diferentes estratégias para modelação das caixas-de-ar no interior dos tijolos verifica-se que as que apresentam um valor mais próximo do obtido experimentalmente são o NFRC100 e o RCCTE, sendo neste último caso igual (0,80 W/m 2 ºC). Pode-se assim concluir que a modelação numérica, em particular a versão RCCTE, está validada pelos resultados experimentais. CONCLUSÕES As lamas residuais obtidas durante o tratamento de alumínio podem ser recicladas com a adição destas na matéria-prima de tijolos cerâmicos. Da análise dos resultados obtidos, é possível concluir que a introdução de lamas induz um incremento considerável no desempenho térmico do tijolo rebocado (redução de aproximadamente 20% no coeficiente de transmissão térmica). As propriedades físicas dos novos tijolos (massa volúmica, absorção de água e percentagem de vazios) apresentam valores adequados para as suas exigências normativas. Simultaneamente, verifica-se que o seu comportamento mecânico regista perdas pouco significativas (diminuição de 7.3 para 6.3 MPa para uma carga vertical aplicada na face 1). AGRADECIMENTOS Este estudo foi financiado pelo Projeto QREN SeTiverNano Produção de tijolos térmica e estruturalmente mais resistentes por introdução de nanomateriais. 7

8 Bibliografia [1] Baio Dias, A., Construção em Tijolo Cerâmico: das exigências normativas do produto à pratica de aplicação, Atas do Seminário sobre Paredes de Alvenaria, Porto, páginas 41-64, (2002). [2] Manual de Alvenaria de Tijolo. APICER Associação Portuguesa da Indústria de Cerâmica, Coimbra, (2000). [3] Desenvolvimento de elementos de alvenaria cerâmica de elevado desempenho, Apresentações cbloco Coimbra, (2008). [4] Neto, V., Efeito do óxido de alumínio no barro vermelho, Tese de Mestrado Integrado, Universidade de Coimbra, Coimbra, (2010). [5] Marques, I., Neto, V., Grilo, I., Vieira, M.T., Júlio, E., Recycling of residual sludge from aluminium anodizing and lacquering in clay bricks Case study of Portuguese industries, 4 th International Conference on Engineering from Waste and Biomass Valorization, Porto, (2012). [6] Norma Portuguesa (NP EN ), Métodos de ensaio de blocos para alvenaria: Determinação da massa volúmica real seca e da massa volúmica aparente seca de blocos para alvenaria, (1998). [7] Norma Portuguesa (NP EN 772-7), Métodos de ensaio para elementos de alvenaria: Determinação da absorção de água em água fervente de elementos cerâmicos para alvenaria, (1998). [8] Norma Portuguesa (NP EN 772-3), Métodos de ensaio para elementos de alvenaria: Determinação do volume líquido e da percentagem de furação em elementos cerâmicos para alvenaria por pesagem hidrostática, (2000). [9] Norma Portuguesa (NP EN ), Métodos de ensaio de blocos para alvenaria: Determinação das dimensões, (2002). [10] Norma Portuguesa (NP EN 772-1), Métodos de ensaio de blocos para alvenaria: Determinação da resistência à compressão, (2002). [11] Norma Europeia (EN ISO 8990), Thermal insulation. Determination of steady-state thermal transmission properties: Calibrated and guarded hot box. (1996). [12] THERM Simulador de Elementos Finitos (Versão Freeware), Versão , Universidade da Califórnia, (2010). [13] Decreto-Lei n.º 80/2006 (4 de Abril), Regulamento das Características do Comportamento Térmico de Edifícios RCCTE, (2006). [14] National Fenestration Rating Council Incorporated (NFRC ), Procedure for Determining Fenestration Product U-Factors, (2004). [15] Norma Europeia (EN ISSO 6946), Building components and building elements Thermal resistance and Thermal transmittance Calculation Method, (2007). CINCOS`12 Congresso de Inovação na Construção Sustentável Congress of Innovation on Sustainable Construction 8