ADERÊNCIA DE SISTEMAS CERÂMICOS: USO DE MATERIAL ALCALINAMENTE ATIVADO.

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1 TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON NON-CONVENTIONAL MATERIALS AND TECHNOLOGIES NOCMAT 2008 Cali, Colômbia November, 2008 ADERÊNCIA DE SISTEMAS CERÂMICOS: USO DE MATERIAL ALCALINAMENTE ATIVADO. Gomes, K.C.* ; Rego, S.R.; Felix, J.; Torres, S.M.; De Barros, S.; Barbosa, N.P. Universidade Federal da Paraíba UFPB. João Pessoa; kcgomes1411@gmail.com, sostenes_rego@yahoo.com.br, felixneto_jp@hotmail.com, sandromardentorres@yahoo.co.uk, silvio.debarros@gmail.com, nperazzo@ct.ufpb.br RESUMO O descolamento de placas cerâmicas de revestimento em edificações é um problema que ainda persiste em diversas construções modernas. Embora disponham de um conjunto de técnicas específicas para a prevenção de quedas de materiais de fachadas, há diversos parâmetros importantes que ainda necessitam de um maior aprofundamento. Estes descolamentos acontecem comumente em fachadas que são sujeitas a alguns destes parâmetros, tais como (i) a incidência de raios solares nas superfícies, (ii) diferentes coeficientes de dilatação dos materiais constituintes dos substratos das fachadas bem como as (iii) capacidades de absorção de calor devido a diferentes cores das superfícies cerâmicas. Neste trabalho investigou-se a aderência do sistema porcelanato-adesivo-substrato através dos ensaios de propagação de fissura em modo misto MMF (Mixed-Mode Flexure Test) e pelo teste de arrancamento (ABNT NBR-14084). Foram utilizados dois tipos de adesivos: um adesivo comercial, classificado pela norma brasileira como sendo de alta aderência (ACIII-E) e outro, não convencional, desenvolvido através da ativação alcalina da metacaulinita com silicato de sódio. Os sistemas colados foram submetidos a temperaturas ambiente e 50 o C. Em geral, os adesivos a base de geopolímero tiveram melhor aderência do que os sistemas aderidos com a argamassa colante ACIII-E, especialmente com o aumento da temperatura. Palavras-chave: revestimento cerâmico, geopolímero, aderência, sistemas colados.

2 1. INTRODUÇÃO A experiência brasileira com a tecnologia de revestimento de fachadas com material cerâmico remonta ao século XVII [1]. Embora disponha de um conjunto de técnicas específicas para a prevenção de quedas de materiais de fachadas, a definição das normativas sobre aderência aparenta ser bastante simplista, não levando em consideração fatores como: tipo de base, dureza dos substratos, cor, temperatura e idade de exposição, além do tipo de material adesivo. Por sua vez, parâmetros como, por exemplo, a presença de falhas de colagem e diferentes espessuras de material adesivo, típicas em construções, afetam grandemente a resistência dita de aderência, reduzindo-a significativamente. Isto pode ser avaliado de acordo com a mecânica do dano onde, quanto maior a fissura inicial menor a força de aderência de um sistema colado [2]. Desta forma, o processo de degradação da colagem de vigas aderidas durante toda a fase de carregamento até a ruptura total tem sido investigado através de modelos [3] que têm origem no estudo da representação da degradação interlaminar nos materiais compósitos [4] e, posteriormente, adaptados à problemática da colagem estrutural. O fenômeno físico representado por esses modelos tipifica as condições de colagem que se deseja estudar no caso das placas cerâmicas aderidas com argamassa colante, onde existem esforços combinados de tração (devido a expansões térmicas diferenciais) e de cisalhamento (devido ao escorregamento e tensões devido ao peso próprio das camadas aderidas). A identificação dos parâmetros do modelo de interface para o tipo de adesão em questão pode ser feita através de ensaios clássicos da mecânica da ruptura. Neste trabalho utilizou-se o MMF (Mixed Mode Flexure) que combinam os modos I (abertura pura ou DCB - Double Cantilever Beam) e II (cisalhamento puro ou ENF - End Notched Flexure) de propagação, sendo um dos mais comuns para placas coladas. O papel da temperatura nas características de argamassa colantes é complexo. Se por um lado, este aumento contribui para a aceleração da hidratação no caso de materiais à base de cimento Portland como é o caso da argamassa do tipo ACIII-E, por outro este aumento pode gerar tensões diferenciais na interface entre a peça cerâmica e a argamassa colante, reduzindo sua adesividade [2]. Uma investigação de campo constatou que a maioria dos descolamentos em fachadas revestidas com material cerâmico se deu entre a interface entre o material cerâmico e o adesivo, principalmente em superfícies da fachada expostas a maior incidência solar [2]. Por sua vez, diversos trabalhos indicam que a ativação alcalina de aluminosilicatos proporciona um material com elevadas propriedades termomecânicas. Este material cimentício resultante tem características que vêm despertando o interesse da comunidade científica, principalmente pela sua capacidade de contribuir para a redução de emissões poluentes, imobilizando resíduos industriais, mantendo propriedades termomecânicas eficientes o que permite seu uso tanto em estruturas como em compósitos [5-7]. Este tipo de material também vem mostrando propriedades adesivas para placas metálicas e cerâmicas (vidro) superiores às de resina epóxica, mesmo quando submetidos a temperaturas elevadas, da ordem de 400ºC [8,9]. No tocante ao uso deste material como adesivo de elementos cerâmicos

3 para revestimento de fachada de edifícios, uma revisão crítica da literatura indica que estudos acerca de seu potencial de uso são bastante limitados, haja vista a ausência de publicações em periódicos especializados. Desta forma, este trabalho se propõe a investigar o efeito da ciclagem térmica na aderência e no comportamento mecânico de sistemas constituídos de revestimento cerâmico-adesivo-substrato, bem como nas suas interfaces, contribuindo para o entendimento de condições de utilização de peças em estruturas reais sujeitas a variações térmicas cíclicas, além de contribuir para o desenvolvimento de tecnologias sustentáveis através da utilização de materiais ativados alcalinamente em substituição as argamassas colantes tradicionais. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Materiais Material Cerâmico Neste trabalho foi utilizado um porcelanato polido. Foram utilizadas duas cores (branca e preta) com o objetivo de avaliar a influência da cor do revestimento cerâmico na aderência dos sistemas colados Material Adesivo (ACIII-E e Geopolímero de Metacaulinita ou GP-MK) Foi utilizada, neste trabalho, a argamassa colante ACIII-E classificada pela norma brasileira como um adesivo comercial de alta aderência e o geopolímero de metacaulinita. Estes materiais podem ser observados na Figura 01. Figura 01: (a) Argamassa colante ACIII-E, (b) Metacaulinita. A caracterização da metacaulinita foi obtida através do espectrômetro de florescência de raios-x por comprimento de onda em equipamento Shimadzu XRF Os resultados estão descritos na Tabela 01. Tabela 01: Composição Química da Metacaulinita. SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO Na 2 O K 2 O SO 3 Metacaulinita 62,96 34,61 0,63 0,05 0,12 0,07 1,34 0,04

4 Ativador Alcalino Utilizou-se o silicato de sódio como ativador, cuja composição química pode ser observada na Tabela 02. O silicato de sódio foi fornecido pela Pernambuco Química S/A com um módulo de sílica (relação SiO 2 /Na 2 O, em massa) igual a 2,17 e ph em torno de 13. Este é um dos silicatos solúveis mais comuns. 2.2 Métodos Preparação das Pastas Tabela 02: Composição química do Silicato de Sódio. SiO 2 Na 2 O H 2 O Ativador 36,25 16,63 47,12 A preparação das argamassas foi realizada por meio de processo manual, como pode ser observado na Figura 02, de acordo com as especificações do fabricante da argamassa colante. No caso da metacaulinita, a mistura manual foi empregada com o objetivo de avaliar a viabilidade da síntese de materiais resistentes que não necessitam de processo de produção especializado, com elevada tecnologia, viabilizando seu uso em obras de construção civil Condições de Cura Figura 02: Preparação das pastas: (a) ACIII-E, (b) GP-MK. Os sistemas colados foram submetidos a dois regimes de cura, de acordo com a Tabela 03. Tabela 03: Regimes de cura aos quais os sistemas colados foram submetidos (tempo acumulado). Tipo 1/dia 7/dias Regime Normal 30 o C 30 o C Regime com Irradiação Cíclico: 50ºC por 4 horas ao dia O regime cíclico ocorreu de acordo com o diagrama apresentado na Figura 03.

5 Onde: t = temperatura H = h = altura para atingir a temperatura de 50 o C Figura 03: Esquema de sistema térmico de irradiação cíclica. Este sistema térmico de irradiação cíclica foi desenvolvido por Rego (2007) em que consta de uma fonte de irradiação situada na parte superior do equipamento conectado a um temporizador, com finalidade de proporcionar um acionamento automático. Este sistema teve monitorado a sua altura para atingir a temperatura de 50 C em um globo negro através de um termopar colocado na parte inferior do mesmo, de modo a garantir uma uniformidade de fluxo de iluminação em toda a superfície dos corpos de prova. A temperatura de 50 C foi escolhida por ser ela normalmente atingida nas cerâmicas expostas a incidência solar Testes de Propagação de Fissuras (Ensaio em Modo Misto - MMF) O teste de Modo Misto (MMF) está esquematizado na Figura 04. Na Figura 05 vê-se o ensaio realizado. Figura 04: Esquema do Ensaio MMF

6 Figura 05: Realização do Ensaio MMF para revestimentos cerâmicos. Os ensaios de propagação de fissuras realizados neste trabalho foram conduzidos em um equipamento de ensaios universais da Shimadzu Servopulser. A determinação da força de propagação da primeira fissura (F 1 C) foi determinada a partir da visualização do primeiro pico, como observado na Figura 06. Figura 06: Gráfico de propagação da primeira fissura Ensaio de resistência à aderência a tração (Ensaio de Arrancamento) Os ensaios de arrancamento foram realizados segundo a NBR [10] com as peças de 5x5 cm aderidas em substrato padrão [11]. Foi utilizado um Aderímetro Novus N1500 fabricado pela Contenco. O nível horizontal da base do equipamento foi controlado através do uso de um nível de bolha colocado em diversas direções da superfície do equipamento. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1 Propagação da Primeira Fissura Porcelanato em Regime de Temperatura Ambiente

7 A Figura 07 apresenta a força de propagação da primeira fissura dos porcelanatos, submetidos à temperatura ambiente em função do tipo de cola e da cor do porcelanato, bem como o tipo de colagem (com ou sem fissura inicial, CF e SF respectivamente). Figura 07: Força de propagação de fissura em função do tipo de cola (ACIII-E e MK), cor do revestimento (branco e preto) e tratamento (com ou sem fissura). Na Figura 07, observa-se que tanto para as peças com (CF) ou sem (SF) fissura inicial, os porcelanatos colados com geopolímero de metacaulinita apresentaram forças de propagação da primeira fissura maiores quando comparadas com as coladas com ACIII-E. Isto ocorreu tanto para os porcelanatos de cor branca quanto para os de cor preta. Pode-se observar ainda que os porcelanatos brancos colados com metacaulinita apresentassem, aproximadamente, uma força 3 vezes maior quando comparados com os sistemas colados com ACIII-E. Já para os porcelanatos pretos, a força de propagação da fissura foi em torno de 30% maior para os de metacaulinita Porcelanato em Regime de Temperatura Cíclico (50 o C) A Figura 08 apresenta a força de propagação da primeira fissura dos porcelanatos, submetidos à temperatura de 50 o C, em função da espessura e tipo de cola e da cor do porcelanato, bem como o tipo de colagem (com ou sem fissura inicial).

8 Figura 08: Força de propagação de fissura em função do tipo de cola (ACIII-E e MK), cor do revestimento (branco e preto) e tratamento (com ou sem fissura). Na figura 08, observa-se que os porcelanatos submetidos à 50 o C apresentaram um comportamento semelhante daqueles submetidos à temperatura ambiente, tanto para as peças coladas com (CF) ou sem (SF) fissura inicial, onde os porcelanatos colados com geopolímero de metacaulinita apresentaram forças de propagação da primeira fissura maiores quando comparadas com as peças coladas com ACIII-E. Pode-se observar ainda que os porcelanatos brancos colados com metacaulinita apresentaram força 4 vezes maior quando comparados com o de ACIII-E e os pretos 3 vezes maior, evidenciando o efeito positivo da elevação da temperatura para as peças coladas com metacaulinita. 3.2 Ensaio de Arrancamento (Ensaio ABNT- NBR 14084) As peças ensaiadas podem ser observadas nas Figuras 09a, 09b, 09c e 09d.

9 Figura 09: Peças ensaiadas: (a) Porcelanato Branco com ACIII-E, (b) Porcelanato Preto com ACIII-E (c) Porcelanato Branco com GP-MK, (d) Porcelanato Preto com GP-MK. Para a cola ACIII-E, o descolamento nos porcelanatos, tanto na cor branca quanto na preta, foi predominantemente entre a peça cerâmica e a cola (Figura 09a e 09b). Em ambas as cores, nota-se que a ruptura predominante foi à adesiva entre a cerâmica e a argamassa ACIII-E. As peças brancas apresentaram uma maior incidência de ruptura coesiva, indicada pela presença de argamassa colante remanescente na peça cerâmica (Figura 09a). É importante ressaltar que a ruptura ocorreu sempre entre a cerâmica e a argamassa colante. Já nas peças coladas com geopolímero de metacaulinita, o modo de ruptura foi bastante diferente. Neste caso, o descolamento se deu entre a cola e o substrato de concreto, evidenciando a capacidade adesiva superior deste material. Também pode-se ressaltar que o adesivo de geopolímero não sofreu processo de dano em nenhuma amostra, excluindo-se, portanto, rupturas do tipo coesiva como evidenciado nas Fig. 9c e 9d. A resistência ao arrancamento das peças cerâmicas pode ser observada na Figura 10.

10 Figura 10: Resistência a Aderência dos Porcelanatos com ACIII-E e GP-MK. Nota-se que o aumento de temperatura teve um efeito deletério na resistência à aderência nos porcelanatos colados com ACIII-E, para ambas as cores. Já para os sistemas contendo adesivo à base de geopolímero de metacaulinita, o aumento da temperatura apresentou um efeito positivo na resistência à aderência para ambas as cores. Pode-se observar, ainda, que quando analisados as temperaturas em separado (ambiente e 50 o C) e as colas (ACIII-E e GP-MK), nota-se que não houve uma variação significativa da resistência à aderência quando comparadas às peças brancas e pretas. 4. CONSIDERAÇÕES GERAIS 4.1 Efeito da temperatura A temperatura teve um efeito adverso nos sistemas cerâmicos colados, dependendo do tipo de material adesivo utilizado. Enquanto este efeito foi negativo para o sistema contendo argamassa colante do tipo ACIII-E, o aumento da temperatura resultou numa maior eficiência quando o adesivo foi o de metacaulinita alcalinamente ativada (Figuras 07, 08 e 10). Embora o mecanismo pelo qual este efeito contribua para a aderência destes sistemas ainda necessita de estudos mais sistemáticos, o aumento da resistência de geopolímeros com o aumento de temperatura está bem estabelecido na literatura [12,13]. Por outro lado, em virtude dos sistemas colados terem sido expostos ao ambiente, uma maior evaporação da água necessária para a hidratação das argamassas do tipo ACIII-E pode ter sido o principal fator responsável pela redução de suas propriedades mecânicas e adesivas.

11 4.2 Efeito da Cor De modo geral, em ambos os sistemas com geopolímero e com argamassa colante ACIII-E, os porcelanatos brancos apresentaram maior resistência quando comparadas com as peças pretas (Figuras 07, 08 e 10). Esta tendência também ocorreu para os sistemas submetidos à ciclagem térmica. Se por um lado ambos os porcelanatos tenham apresentado absorção semelhante, o porcelanato branco apresentou um tardoz mais rugoso (Figuras 09a e 09c), podendo este parâmetro ter sido preponderante para a adesividade. Possivelmente, por esta razão, observou-se ruptura do tipo coesiva em maior incidência nos sistemas de cor branca colados com ACIII-E (Figuras 09a e 09b). O papel da absorção de calor diferenciada na interface entre o adesivo e a cerâmica necessita de maiores experimentações de ordem microestruturais, avaliando a variação das características dos compostos na região da interface em comparação com as características da matriz. 4.3 Efeito do tipo de adesivo Sob esforços mistos, todos os sistemas contendo geopolímeros também apresentaram maiores resistência adesiva (Figuras 07 e 08). Porém, a presença de uma fissura, representando falhas na colagem, reduziu significativamente esta resistência (Figuras 07 e 08). Embora o sistema com geopolímero tenha sido mais sensível à presença da fissura em temperaturas elevadas, os seus sistemas obtiveram forças superiores aos sistemas com ACIII-E da ordem de 3 a 5 vezes. Em temperatura ambiente, a presença da fissura atuou negativamente em ambos os sistemas em ordem de grandeza semelhante, com redução na capacidade adesiva da ordem de 50%. Quando submetidos a esforços de tração pura, os sistemas colados com geopolímero de metacaulinita (Figura 10) obtiveram resultados superiores aos sistemas colados com argamassa ACIII-E. Em temperatura ambiente, a aderência foi da ordem de 2 vezes maior enquanto que este valor foi da ordem de 4 vezes maior quando os sistemas foram submetidos à ciclagem térmica. A aderência dos sistemas contendo ACIII-E reduziu com a ciclagem térmica, enquanto que o inverso ocorreu com os sistemas contendo geopolímero de metacaulinita (Figura 10). 5. CONCLUSÃO O efeito da temperatura é deletério para a aderência de materiais cerâmicos colados com ACIII-E e positivo para os sistemas colados com metacaulinita. Os sistemas colados tanto com ACIII-E quanto com metacaulinita utilizando os porcelanatos brancos apresentaram maior resistência adesiva quando comparadas com as peças pretas, tanto para temperatura ambiente quanto para temperatura mais elevadas, possivelmente isto está associado com a maior rugosidade do seu tardoz. Os sistemas colados com ACIII-E apresentaram descolamento predominantemente adesivo na interface entre a cola e placa cerâmica. Já os sistemas colados à base

12 de metacaulinita apresentaram uma resistência adesiva bastante significativa, evidenciada pela ruptura adesiva entre a cola e o substrato. A presença de falhas na colagem das peças cerâmicas (presença de fissura inicial) acarreta numa redução significativa da resistência adesiva de ambos os sistemas colados, mais pronunciada para os sistemas contendo metacaulinita ativada em regime de variação cíclica da temperatura. O geopolímero de metacaulinita tem potencial de ser utilizado como material adesivo para placas cerâmicas com desempenho mais elevado quando comparado com a argamassa colante ACIII-E, tanto para temperaturas amenas (30 o C) quanto para o regime de variação cíclica da temperatura. 6. REFERÊNCIAS [1] SILVA, C.O. Analise critica dos requisitos e critérios de qualidade da argamassa colante. São Paulo, p. Dissertação (Mestrado), escola Politécnica, Universidade de São Paulo. [2] REGO, S.R.; Aderência de placas cerâmicas submetidas a variações térmicas cíclicas - Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-graduação em Eng. Mecânica da Universidade Federal da Paraíba PB, [3] CHABOCHE J. L.; FEYEL, F.; MONERIE, Y. Interface debonding models: a viscous regularization with a limited rate dependency. International Journal of Solids and Structures, 38(18): , [4] MI,Y., M.A., CRISFIELD,G.A.O., DAVIES, H. B. HELLWEG. Progressive delamination using interface elements. J. Composite Materials, 32 (14), , [5] DAVIDOVITS, J. Synthesis of new high-temperature geo-polymers for reinforced plastics/composites. Annual Pacific Technology Conference Thecnical Displays, 4: (1979). [6] PALOMO, A.; PALACIOS, M. Alkali-activated cementitious materials: Alternative matrices for the immobilisation of hazardous wastes - Part II. Stabilisation of chromium and lead. Cement and Concrete Research 33(2): (2003). [7] DUXSON, P et al. Geopolymer technology: the current state of the art. Journal Material Science, 42: (2007). [8] GOMES, K.C. et al. Geopolymer Bonded Steel Plates. ETDCM8-8th Seminar on Experimental Techniques and Design in Composite Materials. 3-6 October 2007 Sant Elmo Beach Hotel Castiadas Costa Rei Sardinia (Italy). (2000b). [9] LATELLA B.A., PERERA, D. S., ESCOTT, T. R., Cassidy, D. J. Adhesion of glass to steel using a geopolymer. J. Mater Sci (2006).

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