Consolidação de argamassas históricas de revestimento com produtos compatíveis avaliação da eficácia

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1 Consolidação de argamassas históricas de revestimento com produtos compatíveis avaliação da eficácia Giovanni Borsoi LNEC Portugal Maria do Rosário Veiga LNEC Portugal António Santos Silva LNEC Portugal Resumo: A consolidação dos revestimentos baseia-se na utilização de materiais que possam restabelecer a coesão e portanto a estabilidade da superfície tratada. Neste artigo seleccionaram-se e analisaram-se vários produtos consolidantes compatíveis à base de cal, conjuntamente com materiais pozolânicos como metacaulino e diatomite. Os produtos consolidantes foram aplicados em provetes de argamassa. Foi feita uma caracterização físico-mecânica dos provetes antes e após os tratamentos consolidantes, analisando a dureza superficial e a resistência à compressão e à flexão, e uma análise microestrutural (microscopia óptica e electrónica) dos produtos consolidantes e dos provetes consolidados. Palavras chave: Consolidantes, Revestimentos Históricos, Compatibilidade, Produtos Pozolânicos. 1. INTRODUÇÃO A maioria dos materiais históricos e artísticos não apresentam uma estrutura homogénea; materiais porosos, como as argamassas, constituídos por uma mistura de ligante e agregado, são heterogéneos e caracterizam-se por micro-porosidades internas entre os elementos constituintes. Um fenómeno frequente de degradação é a perda de coesão do sistema agregado-ligante, que é usualmente seguido da perda de material, deposição de produtos de neoformação, redução de resistência mecânica, e alteração do aspecto visual [1]. Os factores que determinam estas tipologias de degradação estão ligados a processos de deformação mecânica devidos a variações termo-higrométricas ao longo de anos, a acções ambientais e a uma série de fenómenos químicos e biológicos que podem modificar a natureza do ligante [2]. A conservação dos revestimentos históricos, frequentemente baseados em argamassas de cal, ajuda a preservar a identidade dos edifícios e sítios onde estão aplicados [3,4]. É reconhecido que os materiais de restauro arquitectónico devem ser compatíveis com os

2 revestimentos pré-existentes, tanto em termos físico-químicos como estéticos, para garantir a sua integração e durabilidade. A restituição da coesão entre as partículas de uma argamassa, enfraquecida por perda de ligante, pode ser conseguida através da aplicação de consolidantes orgânicos ou inorgânicos [5]. Desde o século XIX foram experimentados consolidantes minerais, com base em silicatos, fluoretos, barite e água de cal [6], e no século XX, com a introdução de resinas epoxy e acrílicas [7], usaram-se também consolidantes orgânicos. Os compostos sintéticos são de mais fácil aplicação, mais flexíveis e com melhor aderência, mas não se podem considerar como satisfatórios na consolidação de revestimentos históricos com base em cal por falta de compatibilidade com o substrato. Os consolidantes inorgânicos são, assim, preferíveis, pela sua compatibilidade e durabilidade. Para uma consolidação eficiente é importante considerar algumas propriedades dos produtos escolhidos, como a capacidade de penetração, a dimensão das partículas, a capacidade consolidante e a compatibilidade. Um consolidante deve inicialmente apresentar uma forma fluida de baixa viscosidade, que garanta uma distribuição capilar homogénea no material. É fundamental manter uma adequada permeabilidade entre as camadas consolidadas e a parte mais interna, evitando assim tensões internas e os consequentes destacamentos. A finalidade deste trabalho é a caracterização experimental de dois produtos consolidantes compatíveis, nomeadamente duas dispersões aquosas de cal, respectivamente com metacaulino e com diatomite. Estes dois produtos apresentam características pozolânicas e podem portanto garantir um aumento da resistência mecânica das superfícies tratadas; além disso podem ser produzidos utilizando matérias-primas nacionais. Uma metodologia de ensaio foi desenvolvida, usando uma argamassa com degradação simulada através de um reduzido conteúdo de ligante. Os dois produtos consolidantes foram aplicados em provetes desta argamassa e a evolução dos seus efeitos foi acompanhada e periodicamente avaliada. 2. MATERIAIS E METODOLOGIA 2.1 Preparação dos provetes de argamassa Para simular uma argamassa com perda de coesão, foram preparados provetes com uma razão volumétrica ligante:agregado de 1:4. Esta razão permite obter uma argamassa com baixa coesão mas sem perda de material. Como ligante, utilizou-se uma cal aérea comercial disponível em Portugal; o agregado foi optimizado escolhendo uma mistura de 3 diferentes areias siliciosas calibradas com dimensão das partículas inferiores a 2 mm. A fig. 1 apresenta a distribuição granulométrica das areias e da mistura utilizada.

3 Fig. 1 Distribuição granulométrica dos diferentes agregados utilizados. Vários provetes foram preparados com esta argamassa, nomeadamente provetes prismáticos (40x40x160 mm) para ensaios mecânicos e observações ao microscópio óptico e electrónico, e uma camada de argamassa aplicada em tijolos, para verificar a dureza superficial. 2.2 Produtos Consolidantes O trabalho foca-se na produção e caracterização de produtos consolidantes com propriedades pozolânicas e com compatibilidade físico-química com as argamassas tradicionais com base em cal. Além disso procuram-se produtos que possam garantir uma boa penetração, mas que não alterem a porosidade e o aspecto estético da argamassa consolidada. Estudaram-se dois consolidantes com base em cal aditivada com produtos pozolânicas, nomeadamente metacaulino (MK) e diatomite (DM). O MK e o DM são materiais sílico-aluminosos que em presença de água e à temperatura ambiente reagem quimicamente com o Ca(OH) 2 para formar compostos com propriedades hidráulicas [8]. Os materiais pozolânicos usados são caracterizados por apresentarem uma reduzida granulometria e elevada área superficial, o que lhes confere elevada reactividade [9]. O MK (Al 2 Si 2 O 7 ) é um material silicoaluminoso formado pela desidroxilação do caulino (Al 2 (OH) 4 Si 2 O 5 )) depois de um tratamento térmico a ºC. Este processo de activação comporta o colapso total ou parcial da estrutura cristalina, formando uma fase de transição que é altamente desordenada, reactiva e portanto com propriedades pozolânicas [10]. Este material, constituído por partículas lamelares, é um aditivo que pode aumentar as propriedades mecânicas da cal, nomeadamente a resistência mecânica, incrementar a durabilidade, reduzir a permeabilidade e aumentar a resistência aos ataques ácidos, inibindo assim a formação de subprodutos perigosos ou a ocorrência de reacções álcalis-sílica [11, 12]. Neste trabalho foi utilizado um MK comercial (Argical M-1200S, IMERYS), com elevado teor de sílica (55%) e alumina (39%) e diâmetro médio de partículas de 4-5 µm. A sílica diatomítica ou diatomite (DM) é composta por esqueletos de organismos fósseis diatomíticos de mar ou de água doce, com grande diversidade de formas, dimensões microscópicas e estruturas complexas [13].

4 A estrutura multiporosa da diatomite tem composição química similar à opala (SiO 2 nh 2 O), e apresenta quantidades reduzidas de argilas, quartzo e feldspatos [14]. A DM, pela sua microestrutura, apresenta elevada área específica e porosidade. Em virtude do alto teor de sílica amorfa, a DM é um material pozolânico com elevada potencialidade [15, 16]. A DM utilizada neste trabalho tem um teor de sílica de cerca de 82% e de CaO de 7,3%; o diâmetro médio de partículas é de cerca de 10 µm. Os consolidantes foram preparados em solução aquosa de cal, utilizando teores moderados (%, em volume) dos dois materiais pozolânicos, respectivamente 17% de MK e 15% de DM. Estes teores foram seleccionados com base em resultados da literatura [13, 17]. Foram ensaiadas várias razões sólido:líquido de forma a serem obtidas soluções aquosas diluídas e com um resíduo seco aceitável. A razão 1:4 revelou-se a mais adequada, com moderado resíduo seco e uma alteração cromática da superfície quase imperceptível, quer no caso da diatomite como no caso do MK. Os produtos consolidantes foram formulados considerando outras características mais relacionadas com a sua aplicação e que incluem: ph e tempo de decantação (como medida da estabilidade do produto) (Tab. 1). As soluções assim preparadas foram nebulizadas manualmente numa das faces dos provetes prismáticos e nas argamassas aplicadas nos tijolos, em dez aplicações consecutivas. Os provetes consolidados foram depois conservados numa sala condicionada a 20±2ºC e 50% de humidade relativa (HR). Tab. 1 Propriedades dos produtos consolidantes Produto consolidante ph Resíduo seco Tempo de decantação (g/l) inicial /final (min) Cal + Mk 17% + H / 35 Cal + D 15% + H / Caracterização dos tratamentos consolidantes A avaliação da eficácia dos tratamentos consolidantes foi feita através de várias técnicas, antes da aplicação do consolidante e 90 dias após essa aplicação. O incremento da dureza superficial foi verificado com o durómetro (Fig. 2a) (Shore A, PCE Group) [18, 19]. As resistências à flexão e à compressão foram efectuadas numa máquina ETI HM-S (Fig. 2b) [20]. No caso da resistência à flexão a face traccionada foi a superfície consolidada dos provetes. Superfícies de fractura e polidas foram observadas ao microscópio óptico e electrónico. As amostras polidas foram preparadas por secagem durante 24h numa estufa a 60ºC e impregnadas com resina epoxy, após o que foram cortadas e polidas com pastas de diamante (6, 3 e 1 µm). A superfície dos provetes de argamassa foi observada com um estereomicroscópio Olympus SZH e as imagens foram registadas digitalmente. As amostras foram depois recobertas com um filme de ouro para observação ao microscópio electrónico de varrimento MEV JEOL JSM-6400 (Fig. 2c), acoplado com umo espectrómetro em dispersão de energia Oxford (EDS). Para verificar a profundidade de penetração foram feitas algumas aplicações experimentais das duas soluções, misturando uma pequena quantidade de um corante azul

5 usualmente usado em petrografia (Keystone Blu Dye, Logitech), que permite visualizar facilmente a profundidade de penetração através da observação da superfície polida da amostra. Para verificar a variação da absorção de água das superfícies tratadas foram aplicados os tubos de Karsten sobre as argamassas aplicadas nos tijolos. A variação da cor superficial após tratamento consolidante foi verificada com uma escala cromática NCS. a) b) c) Fig. 2 Caracterização físico-mecânica e microestrutural dos tratamentos consolidantes: a) durómetro (Shore A); b) resistência a compressão; c) MEV-EDS. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Dureza superficial (Shore A) A dureza superficial foi verificada através do durómetro (escala Shore A), comparando os resultados obtidos dos provetes não tratados e 90 dias depois da aplicação dos dois produtos consolidantes (Fig. 3). Os resultados apresentados são médios de 12 medições cada provete. +14,7% +18,7% REF MK 17% DM 15% Fig. 3 Avaliação da dureza superficial (Shore A) e aumento em % comparativamente com a argamassa de referência. Os resultados mostram um incremento da dureza superficial dos provetes tratados. O tratamento com a solução aquosa de cal e 17% MK apresenta um aumento moderado (cerca de 15%) comparativamente à referência, aumento esse que é ligeiramente superior no caso da diatomite (cerca de 19%).

6 3.2 Resistência à compressão e à flexão Na tabela 2 resumem-se os resultados das resistências à compressão e à flexão obtidos antes e após o tratamento com os dois produtos consolidantes. Os valores apresentados são médias de três determinações para a flexão e de seis para a compressão. Tab. 2 Resultados da resistência mecânica (valores médios e relativos desvios padrão) Provetes Resistência a flexão Resistência a compressão (N/mm 2 ) (N/mm 2 ) Referência - não tratado 0,30 ± 0,03 0,37 ± 0,03 Cal + Mk 17% + H 2 0 0,41 ± 0,01 0,65 ± 0,06 Cal + D 15% + H 2 0 0,44 ± 0,06 0,74 ± 0,05 Os resultados obtidos mostram um aumento da resistência mecânica com os dois tratamentos consolidantes. O tratamento com a dispersão de cal e MK apresenta um aumento moderado da resistência a flexão (cerca de 37%) comparativamente à referência, enquanto a solução de cal e DM evidencia um aumento um pouco maior (46%). Recentes estudos [5] recomendam um aumento moderado da resistência à flexão, e esta condição é satisfeita no caso dos dois tratamentos consolidantes. 3.3 Tubos de Karsten Para verificar a variação de absorção de água entre os provetes de referência e os consolidados, foram usados tubos de Karsten nas argamassas aplicadas sobre tijolos. Estes tubos permitem simular uma pressão equivalente a um vento de 140 km/h na superfície vertical onde são aplicados. Os resultados são expressos em termos do tempo necessário à absorção de 4 ml de água, em segundos. Com uma pasta adesiva, foram aplicados 2 tubos na superfície de cada provete; foram ensaiados 3 provetes de cada tratamento. Tab. 3 Absorção média de água dos provetes analisados Produto Absorção média de água e desvios padrão (s) Não tratado Referência 33,3 ± 10,7 Cal + Mk 17% + H ,8 ± 51,5 Cal + DM 15% + H ,1 ± 76,6 Comparativamente com os provetes de referência, nota-se uma diminuição considerável da absorção de água no caso dos provetes tratados com os dois produtos pozolânicos, respectivamente de cerca 5 (no caso do MK 17%) e 7 vezes (com o DM 15%). Esta redução de absorção pode dever-se ao tipo de compostos hidráulicos formados e também, possivelmente, ao efeito fíler desses produtos pozolânicos, que permitem alterar a estrutura porosa superficial e assim diminuir a macroporosidade. Os resultados evidenciaram no entanto uma grande variabilidade, devida à heterogeneidade intrínseca das argamassas; os valores mínimos para uma comparação são de cerca de 5 min (para absorção dos 4 ml de água), e não são atingidos no caso dos provetes consolidados. Pode-se considerar assim que os tratamentos consolidantes são portanto moderados e não alteram muito a permeabilidade dos provetes consolidados.

7 3.4 Observações microscópicas com estereomicroscópio A avaliação das variações morfológicas e microestruturais 3 das superfícies tratadas foi feita através de observações à lupa binocular (estereomicroscópio). As amostras tratadas com dispersões aquosas de cal com MK e DM (Fig. 4) apresentaram superfícies mais compactas e com menor porosidade superficial, comparativamente à referência. Essas alterações poderão estar relacionadas com o efeito de fíler, além dos compostos hidráulicos resultantes das reacções pozolânicas. a) b) c) Fig. 4 Microfotografias ao estereomicroscópio (20x): a) Amostra não tratada; b) Amostra tratada com solução aquosa de cal e MK 17%; c) Amostra tratada com solução aquosa de cal e DM 15%. O MK apresenta uma distribuição mais uniforme, provavelmente pela sua granulometria mais fina, enquanto o tratamento com DM parece estar mais concentrado e menos uniformemente distribuído. A nível microscópico é evidente uma alteração do aspecto cromático das superfícies tratadas, que assumem uma cor levemente mais esbranquiçada, principalmente no tratamento com DM. Tab. 4 Valores cromáticos NCS dos provetes analisados Produto Consolidante Não consolidado Referência Cores NCS relacionadas Cal + MK17% + H 2 0 Cal + DM 15% + H 2 0 A verificação da eventual variação cromática das superfícies consolidadas foi feita através de uma escala NCS (Tab. 4); confirma-se uma leve alteração da cor superficial, nomeadamente um leve branqueamento, sobretudo no caso do tratamento com DM. A profundidade de penetração dos consolidantes foi verificada através de aplicações experimentais das duas dispersões com adição de corante azul (Keystone Blu Oil, Logitech). O corante apresenta granulometria muito reduzida (<5 µm) e foi introduzido

8 em quantidade reduzida (1 g/100 ml de solução), para não aumentar muito o resíduo sólido da solução e dificultar a penetração. As amostras consolidadas com a dispersão de cal e MK 17% (fig. 5a) apresentaram uma profundidade de penetração entre 1,3 e 3,6 mm, enquanto as amostras consolidadas com a dispersão de cal e DM 15% (Fig. 5b) evidenciaram uma penetração levemente maior, entre 1,7 e 4,2 mm. a) b) Fig. 5 Microfotografias ao estereomicroscópio das superfícies polidas das amostras consolidadas com as dispersões e corante azul (10x): a) Amostra tratada com solução aquosa de cal e MK 17%; b) Amostras tratada com solução aquosa de cal e DM 15%. 3.5 Observações microestruturais com MEV-EDS O uso do MEV-EDS garante dados adicionais que podem elucidar o comportamento dos consolidantes com aditivos pozolânicos, considerando a possível relação entre o aumento da resistência mecânica e o desenvolvimento de CSH na superfície tratada [21]. A amostra tratada com MK apresenta uma superfície homogeneamente consolidada, com preenchimento uniforme do espaço poroso (fig. 6a). O MK reage à temperatura ambiente com o Ca(OH) 2 produzindo fases silico-aluminosas (C 4 AH 13, C 2 ASH 8 e CSH), que originam uma matriz mais densa [9, 10, 12]. a) b) Fig. 6 Imagens MEV das amostras tratadas com a solução aquosa de cal e 17% MK: a) pormenor (800x) da pasta ; b) pormenor (2500x) com carbonatação da cal e quase ausência de produtos pozolânicos. As análises químicas por microanálise de raios X (EDS) evidenciaram porém uma quantidade muito reduzida e só pontual de produtos pozolânicos, nomeadamente de CSH.

9 É evidente uma elevada quantidade de portlandite livre (fig. 6b) devido ao elevado teor de cal. O efeito de consolidação foi portanto atribuído principalmente à carbonatação da cal, tendo o MK tido um efeito de fíler. No caso da amostra tratada com a dispersão aquosa de cal e 15% DM nota-se uma microestrutura menos uniforme (fig. 7a), devido à presença difusa de conchas diatomíticas com uma grande variedade de formas (cilíndricas, anéis, espinhas de peixe, etc.). A sílica diatomítica, em presença de água, reage rapidamente com produtos alcalinos como a cal e forma silicatos hidratados (fig. 7b), que são inicialmente geles; com elevados teores de cálcio ((CaO) 3 SiO 2 ). Neste caso as análises por EDS evidenciaram a formação de CSH, em resultado da reacção entre a sílica amorfa da diatomite e a cal hidratada [16, 22]. a) b) Fig. 7 Imagens ao MEV das amostras tratadas com a solução aquosa de cal e 15% DM: a) pormenor (700x) da pasta homogeneamente consolidada; b) pormenor em maior ampliação (1500x) com formação de produtos pozolânicos (setas). 4. CONCLUSÕES Dois produtos consolidantes, nomeadamente duas dispersões aquosas de respectivamente MK (17%) e DM (15%), ambos com compatibilidade físico-química com argamassas de cal, foram seleccionadas e aplicadas em provetes experimentais com uma perda de coesão simulada. O uso destes aditivos minerais permite obter materiais compatíveis, de baixo custo e impacto ambiental, obtidos por calcinação a temperatura moderada ( ºC), sendo ideais para reabilitação de revestimentos antigos. Os resultados mecânicos obtidos, avaliados através da dureza superficial e das resistências à compressão e à flexão, evidenciam algumas diferenças entre os dois consolidantes estudados. A aplicação da dispersão à base de cal e 17% MK apresenta um aumento significativo da resistência mecânica, que é porém inferior ao tratamento com 15% DM. Os dois produtos garantem um aumento moderado e portanto adequado das propriedades mecânicas, sem criar um gradiente excessivo de resistência mecânica entre a parte externa consolidada e parte mais interna da argamassa. Além disso contribuem para uma ligeira redução da permeabilidade à água. Os dois produtos consolidantes evidenciaram um leve branqueamento da superfície, mas a variação estética a nível macroscópico é mínima. As observações microscópicas evidenciaram que o tratamento com MK apresenta uma superfície uniformemente consolidada, com redução da porosidade superficial; a profundidade de penetração é suficiente para uma consolidação adequada. As observações

10 ao MEV evidenciaram uma quase total ausência de produtos pozolânicos com este consolidante, portanto o seu efeito consolidante pode ser atribuído à carbonatação da cal tendo o MK funcionado como fíler. Este facto pode ser atribuído à cura em condições secas (50% HR e 20ºC) aplicada aos provetes após a consolidação, que não favorece as reacções pozolânicas [23]. A influência da humidade e das condições iniciais no desenvolvimento da resistência mecânica das argamassas consolidadas com aditivos pozolânicos parece ser muito importante [21]. No caso do tratamento com 15% DM, constatou-se que a superfície apresenta uma frente de consolidação mais heterogénea. A profundidade de penetração também neste caso é suficiente para uma consolidação adequada. Neste caso, as observações microestruturais evidenciaram a formação de produtos pozolânicos, nomeadamente CSH. O consolidante à base de cal e DM apresentou os melhores resultados mecânicos, provavelmente incrementados pelo efeito pozolânico, garantindo assim a restituição da perda de coesão das superfícies tratadas. Em conclusão, verificou-se que os dois tratamentos garantem um aumento da resistência mecânica e a restituição da perda de coesão das superfícies tratadas, evidenciando também boa compatibilidade estética. Os resultados da absorção de água garantem que os tratamentos consolidantes alteram só minimamente a estrutura porosa e a permeabilidade dos revestimentos tratados. Os desenvolvimentos futuros do estudo passarão pelo aumento da capacidade de penetração dos produtos através do uso de outros solventes [24] e pela melhoria das condições de cura dos tratamentos de forma a potenciar o efeito pozolânico. AGRADECIMENTOS Este estudo foi desenvolvido no âmbito de um projecto de investigação (Limecontech Conservação e Durabilidade de revestimentos históricos: técnicas e matérias compatíveis) financiado pela FCT Fundação para a Ciência e a Tecnologia. Os autores agradecem ao técnico Bento Sabala pela realização dos ensaios mecânicos. REFERÊNCIAS [1] Tavares, M., Veiga, R., Fragata, A., Conservation of old renderings the consolidation of renders with loss of cohesion, in 1 st Historical Mortars Conference HMC08 characterization, Diagnosis, Conservation, Repair and Compatibility, 2008, Lisbon. [2] Gullotta, D., Tedeschi, C., Binda, L., and Toniolo, L., Durability of porous material to salt decay, proceeding do 11 th International Congress in Deterioration and Conservation Stone, Torun, Poland, September 2008, p [3] Brandi, C., Teoria del restauro, Torino, Einaudi, [4] Norberg-Schulz, C., Genius Loci - Paesaggio ambiente architettura, Milano, Electa, [5] Toniolo, L., Paradisi, A., Goidanich, S., and Pennati, G., Mechanical behaviour of lime based mortars after surface consolidation, Construction and Building Materials, Vol. 25, Issue 4, Abril 2010, p [6] Hansen, E., Doehne, E., Fidler, J., Larson, J., Martin, B, Matteini, M., Rodrigues- Navarro, C., Sebastian Pardo, E., Price, P., de Tagle, A., Teutonico, J.M., and Weiss, N., A review of selected inorganic consolidants and protective treatment for porous calcareous materials, Reviews in Conservation, n. 4, 2003, p

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