EFEITO DA NATUREZA DO LIGANTE NO COMPORTAMENTO EM FRESCO DE UMA ARGAMASSA DE REABILITAÇÃO

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1 EFEITO DA NATUREZA DO LIGANTE NO COMPORTAMENTO EM FRESCO DE UMA ARGAMASSA DE REABILITAÇÃO H. Paiva Universidade de Aveiro/CICECO, Portugal, M.P. Seabra Universidade de Aveiro/CICECO, Portugal, J.A. Labrincha Universidade de Aveiro/CICECO, Portugal, V. M. Ferreira Universidade de Aveiro/CICECO, Portugal, Resumo A utilização de ligantes mistos, por exemplo, cal aérea e cal hidráulica, pode ser uma opção para o desenvolvimento de argamassas de reabilitação. A adição de cal hidráulica a uma argamassa de cal aérea pode promover um endurecimento mais rápido e aumentar a resistência mecânica do produto final endurecido. Neste trabalho, pretende-se estudar o efeito sobre o comportamento no estado fresco destas argamassas causado pela modificação progressiva da natureza do ligante, de cal aérea por cal hidráulica. Para tal, foram preparadas diversas composições para avaliação reológica. Recorrendo a um reómetro específico para argamassas foram determinados os parâmetros reológicos críticos, isto é, a tensão de cedência e a viscosidade plástica. As argamassas de cal aérea apresentam alteração das características reológicas com o tempo enquanto as argamassas de cal hidráulica mostram características de fluxo muito estáveis até ao início de presa. A substituição de cal aérea por cal hidráulica promove a estabilização dos parâmetros reológicos. Palavras-chave: argamassas; cal; reologia. 1. INTRODUÇÃO As argamassas com ligante de cal aérea endurecem devido a um processo de carbonatação, que é promovido apenas pela reacção da cal com o dióxido de carbono da atmosfera (Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 ). Este processo de endurecimento é um fenómeno muito lento e que acontece, de uma forma progressiva, ao longo de toda a vida da argamassa [1]. Análises de argamassas antigas podem revelar a composição química e mineralógica do ligante, o tipo de agregado e sua distribuição granulométrica e mesmo a relação ligante/agregado. No entanto, quando se desenvolvem argamassas compatíveis com as tradicionais, utilizando matérias-primas actuais, normalmente as suas características de resistência mecânica são inferiores às apresentadas pelas argamassas antigas. Este 1

2 comportamento acontece porque se comparam argamassas de cal com décadas ou séculos de existência com argamassas com dias ou meses de idade. Contudo, as argamassas de cal aérea têm sido consideradas como as mais adequadas para a recuperação e reabilitação de edifícios antigos pois apresentam propriedades mecânicas compatíveis às apresentadas pelas estruturas antigas e conseguem acomodar as tensões promovidas por alterações de temperatura ou de outra natureza. Para além destes factores estas argamassas são macias e muito plásticas, logo fáceis de aplicar, bem como porosas e permeáveis o que as compatibiliza com as estruturas dos edifícios antigos. Um outro factor que pode ser relevante é o facto de as cais aéreas actuais serem muito puras e a areia ser normalmente lavada e pura. Tradicionalmente, propositadamente ou não, a matéria-prima para a produção do ligante cal, continha argila, formando-se, após cozedura, uma cal com algumas características hidráulicas. Também eram adicionadas pozolanas naturais e artificias para aumentar a hidraulicidade, durabilidade e resistência [2-4]. Os gregos já adicionavam terra de Santorin às argamassas. Este pó vulcânico desenvolvia propriedades hidráulicas nas argamassas, o que as tornava mais resistentes. De uma forma simples, a cal obtida tinha também características hidráulicas o que promovia o endurecimento em contacto com a água, para além do desenvolvido por via aérea. O teor em impurezas, em particular sílica (SiO 2 ) e alumina (Al 2 O 3 ) é responsável por este efeito [5,6]. A reacção entre a cal, a sílica e a alumina origina a formação de silicatos e aluminatos de cálcio. A hidratação destes compostos aumenta a consistência da argamassa o que facilita o seu endurecimento [7,8]. Assim, pode-se considerar que uma forma de proporcionar alguma hidraulicidade às argamassas de cal aérea actuais poderia passar pela incorporação de cal hidráulica, produzindo-se argamassas de ligante misto. A produção de cal hidráulica desenvolveu-se principalmente durante os últimos cem anos, mas pelo atrás referido este ligante já foi usado durante séculos de uma forma empírica. A adição de cal hidráulica em argamassas de cal aérea incrementa também o grau de hidratação, atendendo à elevada capacidade de retenção de água da cal aérea, já reportado [9]. Todavia, tendo sido menos abordado o efeito que esta substituição pode ter sobre o comportamento em fresco, tão importante para o manuseamento e a aplicação, este trabalho tem como objectivo estudar o efeito que a substituição, de cal aérea por cal hidráulica produz sobre as características reológicas de uma argamassa de reabilitação. 2. REALIZAÇÃO EXPERIMENTAL 2.1. Materiais O agregado utilizado foi uma areia siliciosa com um tamanho de partícula máximo de 63 µm e um valor de D 5 de 315 µm. O valor da densidade aparente determinada para o agregado é cerca de 1.57 g/cm 3. Os ligantes utilizados são ambos comerciais. A cal aérea (Lusical H1) apresenta um valor de densidade aparente de.46 g/cm 3. A cal hidráulica NHL5 (Cimpor), apresenta um valor de densidade aparente de.82 g/cm 3. Todas as composições foram formuladas com uma razão entre ligante e agregado de 1:1 em volume. A tabela 1 apresenta as composições estudadas. A quantidade de água de amassadura utilizada, para cada composição, foi ajustada de forma a garantir uma 2

3 trabalhabilidade aproximada. Para tal, utilizou-se o ensaio da mesa de espalhamento tendo o resultado, em termos de diâmetro final, se situado entre 17 e 19 mm. As amostras foram preparadas de acordo com um procedimento padrão que consiste num período inicial de mistura de 3 segundos a baixa velocidade (~6 rpm), seguido por um período de repouso de 1 minuto e terminando com uma segunda mistura, com a mesma velocidade inicial, durante 1 minuto. As medidas de reometria são efectuadas imediatamente a seguir ao término do processo de mistura. Tabela 1: Composições das argamassas estudadas. Componentes Referência Cal aérea (% massa total de cal) Cal hidráulica (% massa total de cal) Água amassadura (% massa total material seco) CA 1 3 CB CB CB CH Ensaios reológicos O reómetro utilizado (Viskomat) foi especificamente desenhado para medir o comportamento reológico de argamassas contendo partículas com dimensões até 2 mm. Este reómetro consiste num contentor cilíndrico onde a amostra é colocada quando já devidamente misturada, sendo este copo depois montado num suporte de rotação variável. Uma pá concêntrica de geometria adequada está montada numa cabeça que mede o torque, pois à medida que o copo roda, a resistência viscosa que a argamassa oferece ao fluxo através das lâminas da pá origina um torque que é continuamente registado ao longo de toda a duração do ensaio. Os testes a efectuar são definidos através de perfis de velocidade em função do tempo. O perfil utilizado, denominado patamar zero, impõe que se mantenha a amostra em repouso, com velocidade nula, com subidas de velocidade periódicas até 16 rpm, retomando o repouso após 6 segundos. Nas zonas de variação de velocidade podem construir-se as curvas de fluxo e, quanto maior for a velocidade máxima, maior a quantidade de pontos disponíveis para traçar a curva. As curvas de fluxo são representações da variação do torque em função da velocidade de rotação, a partir das quais é possível determinar coeficientes proporcionais à viscosidade plástica (h) e à tensão de cedência (g) através do declive da recta e da ordenada na origem, respectivamente, considerando tratar-se de um comportamento Binghamiano típico (T=g+hN). 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Argamassas de Cal Aérea A cal apresenta-se sob a forma de um pó muito fino, com tendência a formar aglomerados quando absorve humidade e também como forma de minimizar a sua energia superficial. Através da mistura com a água e de agitação vigorosa é possível destruir estes aglomerados. 3

4 Quando as argamassas de cal aérea são misturadas com a água, o seu comportamento é característico. A água, num processo lento, liga-se fisicamente às partículas de cal, por adsorpção, diminuindo a quantidade livre para lubrificação do sistema, promovendo assim um espessamento da suspensão. Este comportamento espessante já foi reportado por outros autores [9] que adicionaram cal aérea a argamassas de cimento com a função de agente retentor de água. O perfil em patamar zero foi desenvolvido com o objectivo de aproximar os ensaios reométricos da realidade, pois em obra, após a mistura, as argamassas são mantidas em repouso. Este repouso é relativo uma vez que durante a aplicação estas são movimentadas periodicamente e, na sua projecção contra o suporte está também associada uma força que nem sempre é reduzida. A figura 1 mostra, para o caso de uma argamassa de cal aérea, a evolução dos valores de torque durante um ensaio com perfil em patamar zero (Z16). Os valores de torque vão aumentando acentuadamente com o tempo de ensaio Figura 1: Variação do torque com o tempo de ensaio para a argamassa com cal aérea, preparada com 3% água de amassadura, sujeita a um perfil de patamar zero. A figura 2 apresenta curvas de fluxo, com as respectivas áreas de histerese, correspondentes a este perfil de velocidades (patamar Z16), para tempos diferentes de ensaio. A curva de fluxo é obtida pela subida da velocidade de rotação até 16 rpm, em 3 segundos, seguida de descida de velocidade até zero, no mesmo tempo. A área de histerese está associada à destruição da estrutura formada pela agitação e à tixotropia do sistema, ou seja, à capacidade que o sistema tem para se organizar quando está em repouso. Este processo tixótropico é reversível, pois o sistema em repouso reorganiza-se sempre da mesma forma e as curvas de fluxo, para cada tempo de ensaio, apresentam sempre a mesma área de histerese. A curva de fluxo desenvolve-se porque, durante o aumento de velocidade, a desagregação não ocorre tão rapidamente quanto o aumento da tensão aplicada e, durante a diminuição de velocidade, o sistema não se reorganiza tão rapidamente quanto a diminuição da tensão aplicada [1]. 4

5 Vários autores [1-12] consideram que a área da histerese confinada em cada curva de fluxo é proporcional à energia necessária para destruir a estrutura. A figura 2 mostra uma diminuição da área de histerese até aos 12 minutos, pois quando se agita o sistema e se destrói a estrutura, parte dessa destruição é irreversível. Banfill [13] mostrou que as argamassas de cimento, devido ao processo de hidratação, apresentam um fenómeno de destruição irreversível. Nas argamassas de cal aérea é a adsorpção da água e a sua ligação física à superfície das partículas, rodeando-as completamente e impedindo que se aproximem e voltem a reorganizar quando retomam o repouso, o factor responsável pela irreversibilidade do processo. A ligação física da água às partículas de cal implica uma diminuição de água livre para lubrificação do sistema, por isso, simultaneamente com a diminuição de área de histerese observada na figura 2, a figura 1mostra um aumento do torque devido ao espessamento da argamassa. De um ponto de vista prático, este fenómeno observado nas cais aéreas implica que, ao longo de um dia de aplicação, seja necessário acrescentar água à argamassa para manter a trabalhabilidade. Esta redução da trabalhabilidade está relacionada com a adsorpção da água na superfície das partículas de cal, diminuindo a fluidez. Assim, a argamassa aplicada após a mistura, não tem a mesma quantidade de água de amassadura que a argamassa aplicada horas depois. Para além da quantidade de água de amassadura, também na sua estrutura a argamassa após mistura não é igual à argamassa horas depois. A aplicação de uma argamassa logo após mistura, pressupõe uma argamassa com aglomerados, com grande porosidade interna, que não terão tempo para se desfazer pois o suporte vai absorver parte da água e a restante vai evaporar rapidamente. A argamassa aplicada sobre o suporte, horas depois pode ter maior quantidade de água de amassadura, o que aumenta a porosidade mas estará mais desagregada, ou seja, com as partículas separadas o que pressupõe um material mais compacto min min min min Figura 2: Curvas de fluxo obtidas com a argamassa de cal aérea após diferentes tempos de ensaio (15, 6, 12 e 18 minutos). Patamar zero com subidas até 16 rpm. 5

6 Por outro lado, a partir dos 12 minutos, o sistema começa a mostrar um comportamento ligeiramente reopético, ou seja, contrariamente ao que acontece num sistema tixotrópico, em que o material fluidifica quando é aplicada uma tensão, reorganizando-se quando a tensão é retirada, nos materiais reopéticos observa-se o fenómeno contrário. Este facto pode ser observado pela orientação das linhas de subida e descida das curvas de fluxo. Na prática, este facto implica que os apertos que algumas vezes são efectuados às argamassas de cal, já aplicadas no suporte, como forma de aumentar o seu grau de compactação, não tem efeito real pois o sistema vai voltar a relaxar quando a tensão for retirada e as partículas retomarem a sua posição inicial. A figura 3 apresenta a variação dos parâmetros h e g, proporcionais à viscosidade plástica e à tensão de cedência, com o tempo de ensaio. Relativamente à viscosidade plástica, observa-se uma diminuição dos seus valores, devido à destruição dos agregados e orientação das partículas unitárias com o fluxo, até a um valor mínimo. Este situa-se próximo dos 135 minutos e corresponde ao momento em que todas as partículas estão separadas. A partir daqui observa-se um aumento da viscosidade devido ao carácter reopético do sistema, pois estes sistemas são caracterizados por um aumento da viscosidade com o tempo de aplicação da tensão. O espessamento da suspensão, com a progressão do ensaio, causado pela diminuição da quantidade de água livre para lubrificação do sistema, reflecte-se na tensão de cedência que apresenta um aumento acentuado dos seus valores.,2 2,16 16 h (Nmm min),12, g (Nmm),4 h g Figura 3: Efeito do tempo de ensaio nos parâmetros reológicos de uma argamassa de cal aérea, preparada com 3% de água de amassadura. Tradicionalmente, a cal aérea era usada em pasta, ou seja, completamente imersa em água de modo a prevenir qualquer carbonatação e facilitar a mistura posterior com os agregados. A produção das argamassas consistia assim na mistura dessa pasta com os agregados [13]. Actualmente, usa-se a cal aérea em pó. Neste sentido, está já em curso um estudo para determinar qual o efeito sobre as propriedades do produto endurecido deste 6

7 tempo de permanência em água de uma argamassa de cal aérea em pó Argamassas de Cal Hidráulica Quando uma argamassa de cal hidráulica é misturada com água, imediatamente após o contacto, ocorre um período de hidratação rápida durante o qual é formada uma camada de produtos de hidratação à superfície das partículas que funciona como barreira entre o material não hidratado e a fase líquida. Esta película formada é semipermeável desacelerando a hidratação por um período, que nas argamassas de cimento é denominado dormente. A duração deste período depende, principalmente, da composição da cal hidráulica ou do cimento. Após este período a reacção de hidratação acelera novamente e a argamassa inicia o seu processo de endurecimento. A figura 4 mostra que o aumento do torque é pequeno ao longo de todo o ensaio, apenas com um ligeiro incremento depois dos 15 minutos, provavelmente devido à evolução lenta da hidratação. Até se iniciar a segunda fase de hidratação, as propriedades de fluxo da argamassa permanecem constantes. Para esta argamassa o tempo de início de presa, determinado pelo aparelho de Vicat, foi de 39 minutos. Na prática, estes resultados garantem a aplicação da argamassa com características homogéneas durante muito tempo Figura 4: Variação do torque com o tempo de ensaio para a argamassa de cal hidráulica sujeita a um perfil em patamar zero com subidas de velocidade até 16 rpm. A figura 5 mostra que as curvas de fluxo apresentam uma área de histerese, que se mantém constante até aos 15 minutos. A área de histerese é resultante do comportamento tixótropico apresentado pela argamassa. A partir dos 15 minutos já se observa um aumento da área de histerese resultante da evolução da hidratação e consequente aumento na organização do sistema. Relativamente aos parâmetros reológicos h e g (figura 6), verifica-se uma diminuição inicial de h com o tempo, resultante da desaglomeração e orientação das partículas com o 7

8 fluxo, estabilizando de seguida. O parâmetro g, proporcional à tensão de cedência, tende a aumentar a partir dos 12 minutos, devido às razões já atrás discutidas. A estabilidade visível destes dois parâmetros reológicos confirma a adequada trabalhabilidade do material, por um longo período de tempo após preparação min min min min Figura 5: Curvas de fluxo obtidas com a argamassa de cal hidráulica após diferentes tempos de ensaio (, 15,75 e 15 minutos). h (Nmm min),2,16,12,8,4 2 h 18 g g (Nmm) Figura 6: Efeito do tempo de ensaio nos parâmetros reológicos de uma argamassa de cal hidráulica (preparada com 23% de água de amassadura). 8

9 3.3 Cais Bastardas As argamassas de ligantes mistos (cais bastardas) foram misturadas com diferentes teores de água de amassadura (tabela 1) para garantir trabalhabilidade semelhante. A figura 7 apresenta a variação dos parâmetros reológicos g e h retirados das curvas de fluxo (T vs. N). Todas as composições mostram um comportamento semelhante no que respeita à viscosidade plástica, verificando-se uma diminuição de h com o tempo de ensaio, embora a argamassa de cal aérea (CA), apresente uma maior variação, diminuindo acentuadamente até aos 135 minutos e depois invertendo a tendência, ao aumentar até ao fim do ensaio. A adição crescente dos teores de cal hidráulica a uma argamassa de cal aérea tende a estabilizar o valor de h (fig. 7).,2 h (Nmm min),16,12,8,4 CA CB1 CB2 CB3 hch g (Nmm) CA CB1 CB2 CB3 CH Figura 7: Efeito do tempo de ensaio nos parâmetros reológicos (h e g) para as diferentes composições de argamassas estudadas. 9

10 Relativamente ao parâmetro g, tal como para a viscosidade plástica, a figura 7 mostra que a introdução de teores crescentes de cal hidráulica, numa argamassa de cal aérea, tende a estabilizar os valores da tensão de cedência durante um maior período de tempo. A alteração das características reológicas tem efeito sobre as propriedades após endurecimento. De um ponto de vista das características mecânicas, a utilização simultânea das duas cais deve ser favorável, pois, a capacidade de retenção de água observado na cal aérea favorece as reacções de hidratação [9]. A ligação física da água às partículas de cal aérea desacelera o processo de secagem, possibilitando uma maior reacção dos silicatos e aluminatos de cálcio com a água, aumentando o grau de hidratação do sistema. 4. CONCLUSÕES A utilização de reómetros adequados para a avaliação reológica de argamassas garante uma análise sensível e fiável das características de fluxo dos materiais, permitindo separar a tensão de cedência e a viscosidade plástica. As argamassas de cal aérea têm um comportamento espessante com o tempo, pois a água liga-se fisicamente às partículas de cal diminuindo a água livre para lubrificação do sistema. Este fenómeno promove um aumento da tensão de cedência que se reflecte sobre a trabalhabilidade do material. Relativamente à viscosidade, após uma diminuição promovida pela desaglomeração das partículas, observa-se um aumento devido ao desenvolvimento do carácter reopético do sistema. As argamassas de cal hidráulica apresentam características reológicas muito estáveis até ao início de presa. A substituição da cal aérea por cal hidráulica promove a estabilização dos parâmetros reológicos. A partir dos 5% (em peso) de substituição as argamassas têm características reológicas estabilizadas, pelo menos até aos 18 minutos. Agradecimentos Os autores agradecem à FCT o suporte financeiro (projecto POCI/HEC/5879/24 e bolsa SFRH/BPD/19482/24). Bibliografia [1] A. S. Coutinho, Fabrico e Propriedades do Betão, LENEC, Lisboa, (1994). [2] P.R. Ellis, Analysis of Mortars by Differential Thermal Analysis, PRO 12, Historic Mortars: Characteristics and Tests, Proceedings of the International RILEM workshop, RILEM Publications S.A.R.L., Cachan Cedex, France, (1999). [3] A. Santos Silva et all, Characterization of Roman Mortars from the Archeological Site of Tróia (Portugal), Materials 25, Aveiro, Portugal, (25). [4] A. Velosa, Argamassas de Cal com Pozolanas para Revestimento de Paredes Antigas, Tese de Doutoramento, Universidade de Aveiro, (26). [5] C. Sabbioni et al., Damage on Hydraulic Mortars: The Venice Arsenal, J. Cult. Heritage, 83-88, (22). 1

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