Departamento de Engenharia Civil, Arquitectura e Georrecursos. Centro de Química-Física Molecular e Institute of Nanoscience and Nanotechnology

Transcrição

1 Resistência à água de argamassas com incorporação de agregados leves A. Soares 1,a, M. Júlio 2,b, I. Flores-Colen 1,c, L. Ilharco 2d, J. de Brito 1,e, J. Gaspar Martinho 2f 1 Departamento de Engenharia Civil, Arquitectura e Georrecursos 2 Centro de Química-Física Molecular e Institute of Nanoscience and Nanotechnology 1,2 Instituto Superior Técnico Av. Rovisco Pais, Lisboa a ortiz.soares@gmail.com, b maria.julio@ist.utl.pt, c ines.flores.colen@ist.utl.pt, d lilharco@ist.utl.pt; e jb@civil.ist.utl.pt; g martinho@ist.utl.pt Palavras-chave: Resistência à água, porosidade, agregados leves, aerogel Resumo: A incorporação de agregados leves em argamassas de revestimento contribui para um melhor desempenho de algumas características físicas, influenciando o seu comportamento higrotérmico. O presente trabalho experimental analisa o efeito de alguns agregados leves (argila expandida, cortiça e aerogel de sílica) nas seguintes características das argamassas: porosidade, massa volúmica aparente, absorção capilar, secagem e permeabilidade ao vapor de água. Os resultados experimentais demonstraram que a incorporação de uma pequena percentagem de agregados leves conduziu a argamassas mais porosas, com menor massa volúmica aparente, com tendência para uma maior absorção de água por capilaridade, mas com maior facilidade de secagem, relativamente à argamassa de referência de base cimentícia. Verificou-se que a incorporação de aerogel de sílica resultou em argamassas com diferenças significativas na resistência à água, tendo apresentado benefícios significativos ao nível da secagem devido à sua estrutura porosa. 1

2 Introdução: Para a produção de argamassas com menor impacto ambiental e/ou melhores propriedades, tem sido estudada a incorporação de diferentes materiais, tais como agregados reciclados, naturais, fibras, materiais leves ou materiais nano-estruturados [1-10]. De acordo com as normas europeias EN [11] e NP EN [12], citadas por [13], podem ser considerados agregados leves materiais de origem mineral com baridade inferior a 1200 kg/m 3. Os agregados leves são geralmente usados para reduzir a densidade das argamassas e melhorar as suas propriedades de isolamento térmico e acústico [14, 15]. Assim, a introdução destes agregados pode contribuir para aumentar o campo de aplicação das argamassas de revestimento, em situações que exijam a necessidade de desempenho térmico melhorado. Os agregados leves podem ser também classificados, de acordo com a sua natureza e processo de transformação, em inorgânicos naturais (ex: rochas sedimentares porosas) ou artificiais (ex: argila expandida) e orgânicos (como é o caso do poliestireno expandido ou da cortiça) [16, citado por 13], pelo que existe uma vasta gama de agregados leves, variando a matéria-prima, densidade ou forma. O caso dos aerogéis é particularmente interessante, porque podem ser puramente inorgânicos, orgânicos ou híbridos [17]. Para ter em conta a sustentabilidade, importa selecionar destes materiais os que são naturais, como o granulado de cortiça e as rochas sedimentares porosas, ou obtidos a partir de materiais naturais, como a argila expandida, vermiculite, xisto ou o aerogel de sílica. Na presente comunicação, foram utilizados como agregados de argamassas materiais leves obtidos por diferentes processos, tendo-se escolhido para o efeito a argila expandida, um aerogel de sílica e cortiça. A argila expandida é caracterizada pela sua baixa densidade (300 e 700 kg/m 3 ), elevada porosidade e elevada resistência térmica (aproximadamente 0,10 W/m.K) [18]. Tem sido utilizada como material de construção, devido à sua elevada estabilidade físico-química e ao seu baixo custo [19, 20]. Os aerogéis de sílica são materiais inorgânicos nano-estruturados, altamente porosos, com densidades entre 3 e 500 kg/m 3, que apresentam excelentes propriedades térmicas (condutibilidade térmica na gama de 0,01-0,02 W/m.K), o que os coloca em conformidade com as exigências atuais de poupança de energia e redução de ruído [21]. Uma revisão extensiva sobre estes materiais e as suas aplicações pode ser encontrada em [17]. O granulado de cortiça é um material natural, renovável, obtido dos desperdícios de produção de materiais à base de cortiça (como as rolhas), que apesar de ser um material orgânico apresenta uma combustão lenta e boas propriedades físicas e mecânicas [22-25]. A cortiça apresenta uma massa volúmica entre 100 e 140 kg/m 3 com condutibilidades térmicas entre 0,035 e 0,070 W/m.K [26, 27]. Ao introduzir estes materiais leves como agregados de argamassas, a estrutura porosa pode ser alterada, assim como a porosidade aberta. Esta depende dos espaços vazios que comunicam entre si, permitindo o transporte de água no interior das argamassas, sendo a sua permeabilidade função das dimensões, geometria e grupos funcionais que revestem a parede dos poros [28]. Dado que a absorção de água e a permeabilidade ao vapor são características relevantes das argamassas de revestimento, é importante avaliar a estrutura interna das mesmas e a sua porosidade, de modo a compreender o seu comportamento face à água. Com esta finalidade, foram realizados ensaios físicos e de caracterização da estrutura porosa de argamassas com incorporação de materiais leves. 2

3 Campanha experimental Foram produzidas argamassas à base de cimento com um traço volumétrico 1:4, em que se substituiu a areia siliciosa, em igual percentagem de volume (entre 20 e 30%), pelos diversos agregados leves (argila expandida, aerogel de sílica e granulado de cortiça) com granulometrias entre 0,5 e 2 mm e baridades, apresentadas na Tabela 1, determinadas de acordo com a norma NP EN [29]. Tabela 1 - Baridade dos materiais utilizados nas formulações estudadas MATERIAL Cimento Areia Argila expandida Aerogel Cortiça Baridade [kg/m 3 ] As argamassas foram produzidas e armazenadas de acordo com a norma europeia EN [30], tendo-se variado a relação água / ligante (como indicado na Tabela 2) de modo a obter o mesmo espalhamento (175 ± 10 mm) para todas as formulações, de acordo com a norma europeia EN [31]. Tabela 2 - Relação água / ligante das formulações estudadas ARGAMASSA Referência Argila expandida Aerogel Cortiça Relação água / ligante 1 1 1,25 0,95 Para analisar a influência do agregado leve no comportamento à água das argamassas, foram realizados ensaios de absorção de água por capilaridade, secagem e permeabilidade ao vapor de água. Para o cálculo do coeficiente de capilaridade, procedeu-se de acordo com a norma EN [32], utilizando-se meios provetes normalizados, com 69 ± 1 mm de altura e com faces laterais não impermeabilizadas. Este ensaio dá a indicação da velocidade com que ocorre a absorção de água traduzida pelo coeficiente de capilaridade (Cc) e do valor máximo de água absorvida por unidade de área através do valor assimptótico (VA). O índice de secagem é um parâmetro indicativo da resistência de uma argamassa à difusão de vapor de água. Para o ensaio de secagem, foram utilizados provetes saturados provenientes do ensaio de porosidade aberta e massa volúmica aparente, sem impermeabilização das faces laterais, procedendose à sua secagem numa câmara de ambiente controlado, com humidade relativa (HR) de 55 ± 5% e temperatura de 20 ± 2 C. Este índice foi calculado através da relação entre o integral da curva de secagem, que relaciona o teor em água com o tempo do ensaio (em horas) e o teor em água inicial multiplicado pelo tempo de ensaio [33] (citado por [34]), tendo-se considerado o ensaio de secagem finalizado quando se atingiu uma variação da massa inferior a 2% em relação à massa inicial seca. Para o ensaio de permeabilidade ao vapor, seguiu-se o método da EN [35] mas com provetes de menores dimensões, com 40 mm de lado e 14 mm de altura, impermeabilizados lateralmente e acoplados sobre um copo com cloreto de cálcio anidro no seu interior de modo a criar uma humidade relativa interior próxima dos 0%. Estando a câmara climática a 55 ± 5% HR, dá-se a transferência de vapor de água de fora para dentro do copo. Tratando-se de argamassas com incorporação de materiais leves, que podem alterar de forma benéfica a condutibilidade térmica, esta propriedade foi também avaliada, através do equipamento ISOMET2114. Este equipamento portátil mede de forma dinâmica as propriedades termofísicas de materiais, com base na análise da resposta térmica, do material ensaiado, a impulsos de fluxo de calor. O fluxo de calor é introduzido através do aquecimento eléctrico de uma resistência inserida na sonda que está em contacto directo com o provete a ensaiar. A avaliação da condutibilidade térmica e do calor específico é feita com base nos registos periódicos, em função do tempo, da temperatura do provete. 3

4 Para o estudo da estrutura porosa e morfologia das argamassas, procedeu-se à determinação da porosidade aberta por pesagem hidrostática, após imersão em vácuo, de acordo com a norma NP EN 1936 [36]. A área superficial específica e a estrutura dos poros foram determinadas por análise de isotérmicas de adsorção-desadsorção de nitrogénio líquido, a 77 K, obtidas com um ASAP 2020 (da Micromeritics). As amostras foram previamente desgaseificadas sob vácuo, para garantir a completa remoção de compostos adsorvidos na superfície dos poros, evitando a densificação parcial do material. O tempo de equilíbrio para cada ponto foi de 15 segundos. A massa volúmica aparente (Map) foi determinada por dois métodos diferentes: pesagem hidrostática, após imersão em vácuo, com base na norma europeia EN [37], e método de destacamento com um fluido que não penetra nos poros da amostra, permitindo determinar o seu volume envolvente. Utilizou-se para este fim um Geopyc 1360 (da Micromeritics), com uma força de consolidação de 15 N e 15 ciclos de medida. As amostras foram previamente desgaseificadas. Resultados Na Tabela 3, são apresentados os resultados obtidos nos ensaios físicos das argamassas e os respectivos métodos de ensaio. Tabela 3 - Resultados dos ensaios físicos para as argamassas estudadas PROPRIEDADE A REF A AG A C A AE Porosidade aberta (P ab) [%] Massa volúmica aparente M ap [kg/m 3 ] (pesagem hidrostática) M ap [kg/m 3 ] (Geopyc) Capilaridade Coeficiente de capilaridade (Cc) [kg/m 2.min 0,5 ] 1,0 1,6 1,0 1,1 Valor assimptótico (VA) [kg/m 2 ] 14,8 19,4 16,4 15,3 Tempo para atingir o valor assimptótico [min] Ensaio de secagem Índice de secagem (Is) 0,34 0,20 0,24 0,28 Tempo de secagem [min] Coeficiente de resistência à difusão do vapor de água (μ) Coeficiente de condutibilidade térmica (λ) [W/m.K] 1,51 0,66 1,00 1,09 Legenda: AREF - argamassa de referência; AAG - argamassa com aerogel; AC - argamassa com cortiça; AAE - argamassa com argila expandida. Com a incorporação de materiais leves na argamassa de referência, verificou-se um aumento da porosidade aberta (Pab) de aproximadamente 23% para as argamassas com cortiça (AC) e argila expandida (AAE) e de 56% para a argamassa com aerogel (AAG), registando-se assim um maior efeito do aerogel nesta propriedade, apesar de o agregado apresentar uma baridade superior (200 kg/m 3 ) à da cortiça (100 kg/m 3 ). Uma justificação para este aumento significativo pode ser o facto de a modificação da estrutura de poros da argamassa ser mais afectada pelo aerogel. Esta hipótese foi estudada comparando as isotérmicas de adsorção de nitrogénio a 77 K para as várias argamassas, apresentadas na Figura 1. A análise visual das isotérmicas permite inferir sobre o volume específico de poros do material (através do volume total adsorvido no patamar próximo da pressão de vapor de saturação) e sobre o tipo e estrutura dos poros (pela própria forma da isotérmica) [38-40]. De acordo com a classificação da IUPAC [38], todas as isotérmicas são do tipo II, o que é compatível com materiais não porosos (pouco porosos) ou materiais macroporosos (poros de dimensão média superior a 50 nm [38]). Não obstante, todas apresentam ciclos de histerese entre os ramos de adsorção (inferior) e desadsorção (superior), o que indica a ocorrência de condensação capilar em mesoporos (com diâmetro médio entre 2 e 50 nm [38]). Esta histerese é do tipo H3, característico de poros tipo fenda [38]. 4

5 30 25 A AG A AE A C 20 A REF V ads / cm 3.g Figura 1. Isotérmicas de adsorção-desadsorção de N 2 das diferentes argamassas. Por análise quantitativa das isotérmicas, foi possível estimar o volume total de poros (Vp) e a área superficial específica (ASE) para todas as argamassas, indicados na Tabela 4. Tabela 4 - Propriedades morfológicas dos agregados leves e das argamassas estudadas: Volume total de poros (Vp), área superficial especifica (A SE), parâmetro c da equação de BET. AGREGADOS LEVES ARGAMASSAS (a) BET; (b) ponto único a P/P0=0, V p (cm 3 /g) A SE (m 2 /g) c Cortiça Argila expandida - 12 [10] - Aerogel 1, (a) 65 AREF 0,016 6 ± 0,07 (b) (-) 428 AC 0,021 6 ± 0,04 (a) 230 AAE 0,021 7 ± 0,06 (b) 509 AAG 0,036 9 ± 0,06 (a) 165 Todas as argamassas possuem um volume total de poros muito baixo, aumentando com a incorporação de agregados leves. O efeito do aerogel é o mais claro. A análise das isotérmicas pelo modelo de BET (Brunauer-Emmett-Teller) apenas é válida para a argamassa com aerogel (AAG), uma vez que o valor do parâmetro c se encontra no intervalo , sendo ainda uma aproximação razoável para a argamassa com cortiça (AC) [39]. Este parâmetro da equação de BET é negativo para AREF e muito elevado para a argamassa com argila expandida (AAE), o que indica a presença de microporos (poros de dimensão média inferior a 2 nm) [40]. Para estas amostras, a área superficial específica foi obtida para o valor de pressão relativa P/P0 = 0,3 sendo apenas uma aproximação, útil em termos comparativos. A estrutura de poros é modificada pela incorporação de agregados leves: apesar de todas serem macroporosas com mesoporos do tipo fenda, a fração de microporos presente na argamassa de p/p 0

6 Teor em água [%] Absorção capilar [kg/m 2 ] referência (AREF) diminui, desaparecendo quando o agregado é o aerogel de sílica. Nesta argamassa (AAG), a contribuição dos mesoporos é superior, dado o aumento simultâneo de volume de poros e de área superficial. Esta alteração na estrutura de poros pode justificar o grande aumento de porosidade aberta observado para o mesmo teor de agregado (40% para AAG e na ordem de 30% para as argamassas AAE e AC, visível na Tabela 3). Retomando à análise da Tabela 3, as diferentes argamassas com introdução de agregados leves apresentam massas volúmicas aparentes inferiores à de referência, apesar das diferenças entre os valores absolutos encontrados pelos dois métodos. Esta redução é de 13 a 16% (pesagem hidrostática) ou de 23 a 27% (Geopyc), efeito este esperado tendo em conta a baridade dos agregados utilizados. Com os resultados de capilaridade, foi possível observar que as argamassas AC e AAE, apesar de apresentarem maior porosidade aberta do que a AREF, conduziram a comportamentos semelhantes com coeficientes de capilaridade comparáveis, atingindo o valor assimptótico no mesmo instante (254 minutos) e com valores aproximados, como se pode observar na Figura 2 e na Tabela Tempo [min 0,5 ] Figura 2. Absorção de água por capilaridade. AREF AAG AC AAE A argamassa AAG apresenta maior absorção capilar, tendo atingido o valor assimptótico aos 90 minutos de ensaio, o que pode ser explicado pela diferente estrutura porosa e também pelo facto de o agregado ser um aerogel inorgânico, com alguns grupos silanol residuais, que são hidrofílicos. Contudo, esta argamassa exibe também o menor índice de secagem (visível na Tabela 3) e portanto uma maior facilidade de secagem, como se observa na Figura 3, o que indica um melhor comportamento de permeabilidade ao vapor de água (também confirmado pelo menor coeficiente de resistência à difusão do vapor de água, visível na Tabela 3), explicado pela maior contribuição de mesoporos Tempo [h 0,5 ] AREF AAG AC AAE Figura 3. Curvas de evaporação 6

7 Verifica-se que a argamassa com aerogel apresenta um baixo coeficiente de resistência à difusão do vapor de água (μ = 14), cumprindo o exigido pela norma europeia EN [41] (μ 15) para argamassas térmicas (argamassas com λ 0,2 W/m.K). De facto, apesar de as argamassas com incorporação de agregados leves terem massas volúmicas aparentes aproximadas, a argamassa AAG apresenta um menor coeficiente de condutibilidade térmica (0,67 W/m.K), ou seja, uma redução de 56% em relação à AREF e de 36 3% em relação às restantes argamassas. Embora não sendo objecto desta comunicação, salienta-se que, apesar da melhoria térmica verificada com a introdução de agregados leves, para a produção de argamassas térmicas designadas de acordo com a EN [41], é necessária uma maior incorporação dos agregados leves na argamassa e melhoria ao nível da absorção capilar, pois, segundo esta norma, o coeficiente de capilaridade para argamassas térmicas deve ser menor ou igual a 0,4 kg/m 2.min 0,5. Conclusões A resistência à água de argamassas com incorporação de agregados leves (argila expandida, aerogel de sílica e cortiça) foi analisada experimentalmente ao nível dos mecanismos de absorção de água capilar e de secagem no processo de evaporação. Foram realizados vários ensaios físicos e de caracterização da estrutura porosa das argamassas cimentícias produzidas. O mesmo teor em agregado leve (percentagem fixa de substituição situada no intervalo de 20 a 30% do volume de areia) conduziu a uma absorção de água por capilaridade ligeiramente superior à da argamassa de referência, mas com maior permeabilidade ao vapor de água (maior facilidade de secagem) e melhor comportamento térmico. Verificou-se que o aerogel de sílica é responsável pelos efeitos mais pronunciados nos resultados obtidos, o que foi correlacionado com as alterações da estrutura porosa da argamassa produzida devido à excepcional área superficial deste agregado. A incorporação de outras percentagens e tipos de aerogel nas argamassas e as formas de melhoria de resistência à água, em particular a absorção capilar, constituem objectivos de um projecto de investigação em curso. Agradecimentos Os autores agradecem ao ICIST e à FCT o financiamento do projecto de investigação NANORENDER - PTDC/ECM/118262/2010. Referências [1] M.J. Hanus and A.T. Harris: Nanotechnology innovations for the construction industry. Progress in Materials Science Vol. 58 (2013) p [2] M.R.P. Rodrigues and O.P. Ferreira: Argamassa com partículas de borracha derivada da reciclagem de pneus inservíveis. In: 3º Congresso Português de Argamassas de Construção, Lisboa (2010). [3] A.A. Brás, M. Leal and P. Faria: Argamassas com comportamento térmico melhorado com materiais sustentáveis. In: 2ª Conferência Construção e reabilitação Sustentável de Edifícios no Espaço Lusófono, FCT UNL (2012). [4] J.A. Canova, R. Bergamasco and G. Neto: Estudo comparativo entre dois tipos de argamassa de revestimento com adição de pó de borracha de pneus inservíveis. In: VIII Simpósio Brasileiro de Tecnologia das Argamassas, Curitiba (2009). 7

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