MEDIÇÃO DO TEOR DE HUMIDADE EM MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO

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1 MEDIÇÃO DO TEOR DE HUMIDADE EM MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO PATRÍCIA NOGUEIRA DE CARVALHO Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL ESPECIALIZAÇÃO EM CONSTRUÇÕES Orientador: Professor Doutor Vasco Manuel Araújo Peixoto de Freitas JULHO DE 2010

2 MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2009/2010 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel Fax Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias PORTO Portugal Tel Fax Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil / Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respectivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir. Este documento foi produzido a partir de versão electrónica fornecida pelo respectivo Autor.

3 À minha Família e Amigos

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5 AGRADECIMENTOS Ao Professor Vasco Freitas por todo apoio, atenção e simpatia com que sempre me recebeu. Ao Engenheiro Pedro Pereira agradeço a sua simpatia, disponibilidade e pela ajuda que me forneceu no laboratório. Aos meus pais pela sólida formação que me ofereceram e pelo apoio, encorajamento que sempre me deram. À minha família e ao André obrigada pelo apoio, conselhos e incentivos e por estarem sempre do meu lado. i

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7 RESUMO A humidade é uma das principais causas de patologias em edifícios. Neste trabalho pretende-se sensibilizar os intervenientes da construção para a importância do teor de humidade de materiais de construção e para a sua determinação experimental. O teor de humidade é um parâmetro importante para a engenharia civil, requer cuidados em projecto, na execução e no controlo de qualidade. A sua especificação em projecto e o seu controlo na execução são decisivos, pelo que é necessário o conhecimento das propriedades físicas e higrotérmicas dos materiais de construção, de forma a evitar a sua degradação precoce. Não é admissível que os actores da construção continuem a usar materiais dos quais desconhecem as propriedades. Apresentam-se as diferentes formas de expressão do teor de humidade, bem como as definições dos diferentes níveis de teor de humidade que um material pode atingir. Elaborou-se um quadro com as propriedades dos materiais de construção correntes (valores de referência), baseadas nas escassas referências bibliográficas disponíveis, o que demonstra claramente a necessidade de investigação nesta área. Estabeleceu-se a ligação entre o teor de humidade e a simulação numérica, pois os programas de cálculo automático são ferramentas essenciais para a investigação de novos materiais, ou simplesmente para simular o comportamento dos materiais face a diferentes solicitações. Na parte principal deste trabalho apresentam-se onze técnicas de ensaio para a determinação do teor de humidade, cada uma com as suas vantagens e inconvenientes. Apresenta-se o princípio de medição (física), o equipamento experimental e a sua calibração, bem como o procedimento de ensaio e os erros de medição associados. Salienta-se que a maioria dos equipamentos apresentados não está disponível no Laboratório de Física das Construção da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (LFC - FEUP) e são pouco conhecidos em Portugal. Assim sendo, o trabalho desenvolvido procura melhorar os conhecimentos ligados à determinação experimental do teor de humidade. Realça-se que a escolha da técnica adequada, depende do material/ elemento a analisar e da precisão pretendida. Tendo em conta a necessidade crescente de utilização de equipamentos de medição do teor de humidade, propõe-se um modelo de fichas de ensaio para poderem ser aplicadas em obra ou em laboratório, que explicam de forma sucinta como realizar o ensaio, quais os equipamentos necessários e como interpretar os resultados obtidos. As fichas estão organizadas e redigidas de modo a que qualquer utilizador, independentemente do nível de formação, interpreta a informação disponibilizada. Finalmente, com alguns dos equipamentos de medição disponíveis no LFC realizou-se um ensaio muito simples com provetes de pedra calcária, que permitiram a familiarização com os aparelhos e com as dificuldades de medição e manuseamento que estes envolvem, bem como a interpretação dos resultados obtidos. PALAVRAS-CHAVE: Técnicas experimentais, Teor de humidade. iii

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9 ABSTRACT The humidity is one of the main causes of pathologies in buildings. This work aims to raise awareness among stakeholders of the construction for the importance of moisture content of building materials and for its experimental determination. The moisture content is an important parameter for civil engineering, requires care in project, implementation and quality control. Its specification in project and its control in the execution are decisive, it is necessary to know the physical and hygrothermal properties of building materials in order to prevent their premature degradation. It is unacceptable that actors involved in construction continue to use materials which properties are unknown. The different forms of expressing moisture content are presented, as well as definitions of different levels of moisture content that a building material can achieved. It was created a table with properties of current building materials (reference values), based on existing bibliographies that reveal themselves scarce, which clearly demonstrated the need for research in this area. It was established the link between the moisture content and numerical simulation, because the automatic calculation programs are essential tools for research on new materials, or simply to simulate the behavior of materials against different requests. The main part of this study presents eleven experimental techniques for the determination of moisture content, each with its advantages and disadvantages. Here is presented the measurement principle (physics), the experimental equipment and its calibration, as well as the experimental procedure and measurement error associated. It is noted that most of the presented equipment is not available at the Laboratory of Building Physics (LFC) FEUP- Engineering Faculty of Oporto s University- and are little known in Portugal. Thus, the work seeks to improve knowledge related to the experimental determination of moisture content. It is emphasized that the choice of appropriate technique depends on the material to be analyzed and the accuracy desired. Having in account the increasing need for the use of equipment for measuring the moisture content, a model for experimental sheets is proposed, which can be applied at work or at laboratory, explaining briefly how to perform the experiment, including the necessary equipment and how to interpret the results. The sheets are organized and written so that any user, regardless of the level of formation, can use the technique described in it. Finally, with some measuring equipment available at the LFC was performed a very simple experiment with limestone samples, which allowed familiarization with the equipment and the difficulty of measuring and handling that these involve, as well as the interpretation of results. Keywords: Experimental techniques, Moisture content. v

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11 ÍNDICE GERAL AGRADECIMENTOS... i RESUMO... iii ABSTRACT... v 1. INTRODUÇÃO ENQUADRAMENTO INTERESSE E OBJECTIVOS DO TRABALHO ORGANIZAÇÃO E ESTRUTURAÇÃO DO TEXTO VALORES DE REFERÊNCIA DO TEOR DE HUMIDADE CONSIDERAÇÕES INICIAIS DEFINIÇÕES E TERMINOLOGIA TEOR DE HUMIDADE GRAU DE SATURAÇÃO TEOR DE HUMIDADE IGUAL A ZERO TEOR DE HUMIDADE HIGROSCÓPICO TEOR DE HUMIDADE CRÍTICO TEOR DE HUMIDADE CAPILAR TEOR DE HUMIDADE DE SATURAÇÃO TEOR DE HUMIDADE MÁXIMO TEOR DE HUMIDADE E SIMULAÇÃO NUMÉRICA VALORES DE REFERÊNCIA PARA MATERIAIS USADOS NA CONSTRUÇÃO SÍNTESE MEDIÇÃO DO TEOR DE HUMIDADE - TÉCNICAS EXPERIMENTAIS DIFERENTES TÉCNICAS DE MEDIÇÃO MÉTODO GRAVIMÉTRICO PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL Calibração do equipamento vii

12 PROCEDIMENTO DE ENSAIO Erros de medição CARBONETO DE CÁLCIO PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL Calibração do equipamento PROCEDIMENTO DE ENSAIO Erros de medição RESISTÊNCIA ELÉCTRICA PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL Calibração do equipamento PROCEDIMENTO DE ENSAIO Erros de medição CONSTANTE DIELÉCTRICA PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL Calibração do equipamento PROCEDIMENTO DE ENSAIO Erros de medição MICROONDAS PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL Calibração do equipamento PROCEDIMENTO DE ENSAIO Erros de medição TDR PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL Calibração do equipamento PROCEDIMENTO DE ENSAIO Erros de medição ATENUAÇÃO DE RAIOS GAMA viii

13 PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL Calibração do equipamento PROCEDIMENTO DE ENSAIO Erros de medição NMR PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL Calibração do equipamento PROCEDIMENTO DE ENSAIO Erros de medição OUTROS TERMOGRAFIA RADIOACTIVIDADE VARIAÇÃO DA IMPEDÂNCIA DUM SEMICONDUTOR NOTAS FINAIS VANTAGENS E INCONVENIENTES DAS DIFERENTES TÉCNICAS DE MEDIÇÃO DO TEOR DE HUMIDADE INTRODUÇÃO AVALIAÇÃO DAS POTENCIALIDADES SÍNTESE CATÁLOGO DE FICHAS DE ENSAIO INTRODUÇÃO ORGANIZAÇÃO DAS FICHAS DE ENSAIO APLICAÇÃO DAS TÉCNICAS EXPERIMENTAIS INTRODUÇÃO MEDIÇÃO DO TEOR DE HUMIDADE DA PEDRA CALCÁRIA CARACTERIZAÇÃO GEOMÉTRICA DOS PROVETES MEDIÇÃO DO TEOR DE HUMIDADE Método gravimétrico ix

14 Método baseado na resistência eléctrica - PROTIMETER Método baseado na constante dieléctrica HUMIDÍMETRO APRECIAÇÃO DOS RESULTADOS CONCLUSÕES CONSIDERAÇÕES FINAIS DESENVOLVIMENTOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS x

15 ÍNDICE DE FIGURAS Fig.2.1 Níveis de teor de humidade em kg/kg [12]... 7 Fig.2.2 Curva higroscópica [14]... 8 Fig.2.3 Curva higroscópica de adsorção Fig.2.4 Níveis de teor de humidade do programa de simulação (kg/m 3 ) [21] Fig.2.5 Tabela com dados para traçado de curva higroscópica [21] Fig.3.1 Balança de precisão -LFC Fig.3.2 Estufa ventilada -LFC Fig.3.3 Equipamento de ensaio da ROMUS [30] Fig.3.4 Tabela de conversão para uma temperatura ambiente de 20ºC (kg/kg) [30] Fig.3.5 Equipamento baseado na resistência eléctrica -LFC Fig.3.6 Exemplo de aplicação do equipamento baseado na resistência eléctrica para medição do teor de humidade em rodapés Fig.3.7 Equipamento baseado na constante dieléctrica da DOSER [39] Fig.3.8 Aplicação do equipamento [40] Fig.3.9 Reflexão, absorção, transmissão e dispersão de ondas electromagnéticas [55] Fig.3.10 Equipamento baseado no método de microondas (MOIST 200) [43] Fig.3.11 Mapeamento dos valores recolhidos através do equipamento de microondas [43] Fig.3.12 Curva de calibração para a madeira (kg/kg) [46] Fig.3.13 Comparação das medições efectuadas com microondas e o método gravimétrico (m 3 /m 3 ) [27] Fig.3.14 Equipamento TDR para medição do teor de humidade da CAMPBELL SCIENTIFIC [52].. 33 Fig.3.15 Equipamento TDR para medição do teor de humidade e sondas [55] Fig.3.16 Comparação das medições efectuadas com o TDR e método gravimétrico para o tijolo [56]34 Fig.3.17 a) Detector e protecção com colimador. b) Protecção e colimador da fonte radioactiva [14]36 Fig.3.18 Unidade electrónica [14] Fig.3.19 Estrutura metálica de suporte Fig.3.20 Perfis hídricos de embebição do betão celular obtidos com uma fonte radioactiva de Americium [14] Fig.3.21 Descrição esquemática do princípio físico da NMR [62] Fig.3.22 Esquema de funcionamento do equipamento portátil NMR [62] Fig.3.23 Equipamento NMR de laboratório [64] Fig.3.24 Equipamento NMR portátil desenvolvido na IZFP [65] xi

16 Fig.3.25 Teor de humidade do betão leve obtido através de NMR; calibração através do método gravimétrico [65] Fig.3.26 Medição do perfil do teor de humidade num pilar em betão leve. O diagrama à esquerda ilustra o resultado da medição no local (linha vermelha), bem como os perfis de humidade (linha preta) e os valores do teor de humidade integral (linha recta) de laboratório [65] Fig.3.27 Equipamento para termografia (unidade de detecção) LFC [66] Fig.3.28 Equipamento para termografia (unidade de controlo) LFC [66] Fig.3.29 Monitor - LFC [66] Fig.3.30 Mancha de água no provete do ensaio detectada visualmente e na imagem térmica [66]. 44 Fig.3.31 Equipamento baseado na radioactividade [67] Fig.3.32 Equipamento baseado na radioactividade para determinação do teor de humidade: a) transmissão indirecta; b) transmissão directa [68] Fig.3.33 Imagem da cobertura plana à esquerda, mapeamento com identificação das zonas húmidas à direita [67] Fig.3.34 Equipamento baseado na variação da impedância dum semicondutor da SCANNTRONIK [70,71] Fig.6.1 Curva higroscópica da pedra calcária [16] Fig.6.2 Imersão do provete de pedra calcária Fig.6.3 Teores de humidade em kg/kg Fig.6.4 Provetes embrulhados Fig.6.5 Protimeter e acessórios - LFC Fig.6.6 Dispositivo para verificação de calibração Fig.6.7 Tabela de calibração fornecida com o equipamento Fig.6.8 Curva de calibração da pedra calcária em kg/kg Fig.6.9 Humidímetro Fig.6.10 Curva de calibração do betão (retirada do manual de instruções do equipamento) Fig.6.11 Curva de calibração da pedra calcária em kg/kg xii

17 ÍNDICE DE QUADROS Quadro 2.1. Teor de humidade de equilíbrio da madeira para a temperatura T [7]... 9 Quadro 2.2 Valores do teor de humidade Quadro 3.1 Métodos para determinação do teor de humidade Quadro 4.1 Principais vantagens e inconvenientes dos métodos de ensaio Quadro 4.2 Material que pode ser analisado com o método Quadro 6.1 Caracterização dos provetes ensaiados Quadro 6.2 Teores de humidade Quadro 6.3 Código de cores Quadro 6.4 Resultados obtidos através do Protimeter xiii

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19 SÍMBOLOS E ABREVIATURAS b factor de aproximação d espessura do material [m] I Intensidade de radiação recebida [contagens/s] I 0 * - Intensidade de radiação recebida do provete seco [contagens/s] m h massa da amostra húmido [kg] m s massa da amostra seca [kg] m v massa da cápsula de vidro [kg] S grau de saturação u teor de humidade ponderal [kg/m 3 ] V volume da amostra seca [m 3 ] w teor de humidade ponderal [kg/kg] w cr, u cr, θ cr teor de humidade critico [kg/kg, kg/m 3, m 3 /m 3 ] w cap, u cap, θ cap teor de humidade capilar [kg/kg, kg/m 3, m 3 /m 3 ] w h, u h, θ h teor de humidade higroscópico [kg/kg, kg/m 3, m 3 /m 3 ] w max, u max, θ max teor de humidade máximo [kg/kg, kg/m 3, m 3 /m 3 ] w sat, u sat, θ sat teor de humidade de saturação [kg/kg] u 80 teor de humidade de equilíbrio para uma humidade relativa de 80% [kg/m 3 ] ε constante dieléctrica µ w coeficiente de atenuação da água [m 2 /kg] ϴ - teor de humidade volúmico [m 3 /m 3 ] ρ 0 densidade da amostra seca [kg/m 3 ] ρ w densidade da água [kg/m 3 ] FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto HR Humidade relativa LFC Laboratório de Física das Construções LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil xv

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23 1 INTRODUÇÃO 1.1. ENQUADRAMENTO Sobre formas distintas e através de mecanismos diferentes, a água, é considerada uma das maiores causas de degradação precoce dos materiais de construção. Em elementos ou materiais de construção, a humidade pode ter diversas origens, ou seja, humidade de precipitação, de condensação, do terreno (ascensional), de construção, devida a fenómenos de higroscopicidade e humidade devido a causas fortuitas. Muitas patologias estão ligadas à humidade, por exemplo, a deterioração estrutural, variações dimensionais, a alteração das condições de conforto e de habitabilidade, como também a perda de revestimentos, diminuição da resistência mecânica e aumento da condutibilidade térmica. São ainda a causa de degradação da qualidade do ar interior de edifícios, e consequentemente, provoca efeitos negativos na saúde dos utentes. Resumidamente, a presença de humidade, modifica consideravelmente as propriedades físicas, mecânicas e térmicas dos materiais de construção e ainda afecta a durabilidade dos mesmos. Quais as razões porque se deve medir o teor de humidade? A aplicação de uma pintura, verniz ou parquet sobre um suporte húmido, leva a anomalias graves tais como: destacamento do revestimento aplicado, deformações e empolamento. Além disso, a humidade favorece o desenvolvimento de microrganismos. Segundo a norma CEN/TC89 N338E [1], a necessidade de determinação do teor de humidade de materiais de construção pode ter diferentes objectivos: Analisar o comportamento do material face à humidade; Caracterizar o estado do material; Necessidade de comparar o teor de humidade actual com um teor crítico ou seguro, ou ainda para ter acesso à distribuição do teor de humidade. Os métodos de ensaio para determinação do teor de humidade, são de grande interesse e desempenham um papel fundamental na engenharia civil, pois as propriedades finais dos materiais são afectadas, particularmente, pelas condições de temperatura e de humidade. Assim sendo, o estudo de materiais e elementos de construção reveste-se de grande importância para a caracterização do seu desempenho e qualidade. Hoje em dia, constata-se uma preocupação crescente com a qualidade da envolvente dos edifícios, embora o produto final nem sempre apresenta um comportamento adequado. As patologias associadas à humidade devem-se principalmente aos seguintes factores: Falta de compatibilização das exigências; Falta ou inadequada pormenorização construtiva; Ausência de dimensionamento das soluções do ponto de vista da física das construções. 1

24 Quando um material/ componente apresenta anomalias ligadas à humidade interessa conhecer qual a zona afectada e qual o teor de humidade presente? A abordagem às técnicas de medição do teor de humidade tem crescido nos últimos anos, devido ao aumento das patologias nas construções. Para uma avaliação e um diagnóstico completo, a medição do teor de humidade é incontornável, visto que uma proposta de reparação/ reabilitação apenas é possível após um correcto diagnóstico. A execução de intervenções de recuperação sem prévio diagnóstico da situação e sem um projecto de recuperação suficientemente pormenorizado leva, na maioria dos casos, ao insucesso. É essencial que os projectistas tenham em conta o teor de humidade aquando do dimensionamento de um edifício. A física das construções lida com diversos critérios, por um lado os requisitos para o conforto humano e a saúde, por outro, factores económicos e ecológicos, e ainda as características/ propriedades dos materiais. Assim sendo os objectivos dos projectistas devem ser os seguintes [2]: Evitar deterioração prematura dos edifícios; Criar condições desejáveis para o ar interior/ conforto; Proporcionar economia na utilização da energia e materiais. É possível evitar a deterioração dos materiais de construção, se estes forem escolhidos de modo a dar resposta às solicitações previstas. O projectista deve propor soluções para evitar condensações superficiais e/ou internas, deve controlar a entrada de água por infiltrações, e ainda proteger as fundações e paredes enterradas da humidade do solo, garantindo condições de conforto e habitabilidade. É fundamental que o projecto de execução seja claro e que não suscite dúvidas em termos de interpretação, considerando as exigências funcionais e regulamentares. O caderno de encargos faz parte das peças escritas do projecto, e contém as condições técnicas gerais e específicas onde deve constar toda informação necessária à execução do projecto. Resumidamente, o caderno de encargos específica os materiais de construção a usar e como deve ser controlada a sua recepção e aplicação. O autor do projecto especificará neste documento quais os ensaios que deverão ser realizados, bem como as regras para apreciação dos resultados dos mesmos [3]. Quanto à execução, é fundamental que cada actor tenha conhecimento dos trabalhos a realizar, ou seja ter acesso ao projecto, não apenas às peças desenhadas, mas também às peças escritas, que muitas vezes não são tidas em consideração. A má execução corresponde a 25% [4] da origem de patologias, isto deve-se à inexperiência dos operários qualificados e à consequente má aplicação dos materiais e ao desconhecimento das propriedades dos materiais de construção. Resumidamente, as empresas estão mais preocupadas com aspectos de prazos e custos, a subcontratação tem vindo a crescer com reflexão na redução da qualidade das obras e, por último, há falta de formação de muitos intervenientes na construção. Mencionou-se o projecto e a execução, mas tal não é suficiente para garantir a qualidade da construção. Os fabricantes de materiais também são actores importantes da construção civil, pois sem materiais não é possível executar os projectos. Os fabricantes de materiais de construção devem fornecer todo tipo de propriedades que o material possui, permitindo aos projectistas escolher de modo mais fundamentado os materiais a usar na execução do projecto. Os projectistas e as empresas de construção devem exigir a publicação das propriedades dos materiais, pois não é possível continuar a aplicar materiais dos quais se desconhecem as propriedades. Muitas patologias estão associadas aos próprios materiais. Os erros inerentes ao comportamento dos materiais são resultado [5]: 2

25 Da não realização de estudos do comportamento dos materiais antes da comercialização; Da insuficiente certificação dos materiais ou componentes não tradicionais; Do não investimento no desenvolvimento tecnológico. O estudo dos materiais de construção reveste-se de enorme relevância, pois da sua boa ou má qualidade dependerá a solidez, a duração e a estabilidade duma obra [7]. No entanto, na maioria dos casos, aquando da escolha dos materiais prevalece o preço em detrimento da qualidade. Para promover o conhecimento das características dos materiais devia-se utilizar os laboratórios existentes, de forma a permitir a avaliação experimental das características dos materiais, principalmente para as exigências que muitas vezes são esquecidas ou postas em segundo plano, como o caso do comportamento térmico, estanquidade à água, etc.. É essencial que o responsável pela fiscalização de obra conheça os meios disponíveis para a determinação do teor de humidade, como os utilizar, quais os cuidados a ter e como interpretar os resultados. Em suma, através da medição do teor de humidade é possível acompanhar o processo de secagem/humidificação de um elemento ou material de construção, ou simplesmente avaliar o seu teor de humidade. Dispõe-se de ensaios destrutivos e ensaios não intrusivos, estes últimos são considerados mais vantajosos pelo facto de serem não destrutivos, de rápida aplicação e geralmente permitem a obtenção de resultados imediatos. Os ensaios podem ser de grande relevância para a avaliação de patologias e um correcto diagnóstico, sem o qual o sucesso das mediadas de reparação podem ficar comprometidas. Em obra é necessário acompanhar o processo de secagem de um elemento para posterior revestimento do mesmo. A dificuldade está em conhecer o momento em que o material apresenta o teor de humidade adequado para aplicação dum revestimento. Para tal, deve-se recorrer a valores de referência que são abordados neste trabalho. Esta informação deverá estar contida no caderno de encargos INTERESSE E OBJECTIVOS DO TRABALHO Em primeiro lugar pretende-se familiarizar os actores da construção com as definições e conceitos relacionados com o teor de humidade, e com as formas de expressão do mesmo. Realçando a importância da existência de valores de referência do teor de humidade. Existe muita informação dispersa sobre a humidade em edifícios e a determinação do seu teor de humidade através de métodos mais comuns, nomeadamente, métodos baseados na resistência eléctrica e constante dieléctrica. No entanto, verifica-se a existência de outras técnicas experimentais pouco conhecidas em Portugal, que são adequadas para a medição do teor de humidade. É de grande interesse que os actores da construção, disponham de um documento que lhes forneça valores de referência para o teor de humidade e também lhes dá a conhecer uma vasta gama de métodos para a determinação do mesmo. Ou seja, o objectivo deste trabalho é promover uma eficaz utilização dos equipamentos disponíveis para a medição do teor de humidade. Considera-se essencial elaborar um catálogo de fichas de ensaio, onde será explicado, de forma simples, como executar o ensaio e interpretar os resultados. O conhecimento das técnicas experimentais existentes para a determinação do teor de humidade, bem como saber utiliza-las e interpretar os resultados obtidos, é fundamental para a engenharia civil. Finalmente, recorrendo aos equipamentos de ensaio disponíveis no LFC, pretende-se aplicar algumas das técnicas de ensaio apresentadas e assim, tomar conhecimento das dificuldades que estão associadas à determinação do teor de humidade através de métodos experimentais. 3

26 1.3. ORGANIZAÇÃO E ESTRUTURAÇÃO DO TEXTO A presente dissertação está subdividida em cinco partes: O capítulo 2 caracteriza valores de referência do teor de humidade. Define-se em primeiro lugar os diferentes níveis de teor de humidade que um material pode atingir e apresenta-se um quadro com valores de referência para materiais usados na construção civil. Menciona-se ainda de forma sucinta a importância da simulação numérica para o estudo do comportamento higrotérmico dos materiais e componentes de construção. Os programas de cálculo automático constituem um instrumento fundamental para simular o comportamento à humidade de um material em função das condições climáticas interiores e exteriores. A segunda parte (capítulo 3) deste trabalho apresenta várias técnicas experimentais, destrutivas e não destrutivas, para a determinação do teor de humidade. Descreve-se cada um dos métodos, indica-se qual o equipamento necessário e a sua calibração, e também se explica o procedimento de ensaio e os erros associados. No capítulo 4, refere-se às vantagens e inconvenientes dos métodos apresentados no capítulo anterior. No capítulo 5 propõe-se um catálogo de fichas de ensaios, organizadas de forma simples. Estas explicam resumidamente os ensaios, enumeram os equipamentos necessários e como interpretar os resultados obtidos, o que permite, a quem tiver o equipamento de ensaio disponível, executar o ensaio sem grande dificuldade. Na última parte do trabalho (capítulo 6) apresenta-se a parte experimental, ou seja, o contacto com os equipamentos disponíveis no LFC. Descreve-se de forma sucinta os equipamentos e como os utilizar. Procede-se à realização de um ensaio que envolve os equipamentos apresentados, e a interpretação dos resultados obtidos. 4

27 2 VALORES DE REFERÊNCIA DO TEOR DE HUMIDADE 2.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS Considera-se essencial definir a terminologia usada neste trabalho, nomeadamente explicar todos os termos que serão nele mencionado, para melhor perceber o significado dos diferentes níveis do teor de humidade, bem como as formas de expressão do teor de humidade. Apresenta-se também um quadro com os valores de referência do teor de humidade correntemente usados em engenharia civil DEFINIÇÕES E TERMINOLOGIA TEOR DE HUMIDADE O teor de humidade tem as seguintes formas de expressão (segundo a norma ISO 9346 [8], excepto simbologia): Relação entre a massa de água contida no material e a massa do material no estado seco, é designada pelo símbolo w e expressa-se em kg/kg; Relação entre a massa de água contida no material e o volume da amostra seca, é designada pelo símbolo u e expressa-se em kg/m 3 ; Relação entre o volume de água contida no material e o volume aparente do material no estado seco. Designa-se pelo símbolo θ e expressa-se em m 3 /m 3 [9]. O primeiro caso, teor de humidade ponderal, é calculado através da expressão (2.1.). = 100 (2.1.) Em que: m h massa da amostra húmida (kg) m s massa da amostra seca (kg) 5

28 O teor de humidade expresso pela fórmula (2.2.) também é designado por teor de humidade ponderal: = 100 (2.2.) Em que o V representa o volume da amostra seca em análise em m 3. A expressão (2.2.) pode ainda ser apresentada da seguinte forma: = (2.3.) E por último, o teor de humidade volúmico caracterizado pela expressão (2.4.): = (2.4.) Onde : ρ 0 densidade da amostra seca (kg/m 3 ) ρ w densidade da água (kg/m 3 ) Quando se usa valores tabelados do teor de humidade é essencial verificar as unidades em que estão expressos. Caso este facto não seja tido em consideração podem obter-se conclusões erradas GRAU DE SATURAÇÃO O grau de saturação (S) de um material é definido pelo quociente entre o teor de humidade presente e o teor de humidade máximo que o material consegue atingir [10, 11]. Também pode ser definido como a fracção de poros abertos preenchidos por água em relação aos poros acessíveis à água [10]. = ; = ; = (2.5.) Em que: w, u, ϴ teor de humidade do material (kg/kg, kg/m 3, m 3 /m 3 ) w max, u max, ϴ max teor de humidade máximo do material (kg/kg, kg/m 3, m 3 /m 3 ) Assim sendo, o grau de saturação varia entre 0 e TEOR DE HUMIDADE IGUAL A ZERO O teor de humidade igual a zero não é atingido no estado natural do material, é necessário proceder à sua secagem artificial (por exemplo através da secagem em estufa) até massa constante, como se pode verificar na figura 2.1. O grau de saturação correspondente a este estado é igual a zero. 6

29 Fig.2.1. Níveis de teor de humidade em kg/kg [12] Na figura 2.1. referenciam-se os vários níveis de teor de humidade. Também se pode visualizar os diferentes mecanismos de transferência ligados a cada nível de teor de humidade. Salienta-se que o mecanismo de transferência associado ao domínio higroscópico é a difusão de vapor de água, enquanto que no domínio capilar é a difusão de água líquida TEOR DE HUMIDADE HIGROSCÓPICO A massa de certos materiais varia em função da humidade relativa do meio em que se insere. Ou seja, quando em contacto com uma ambiência de humidade relativa entre 0% e um máximo de 95%, esses materiais são capazes de fixar certas quantidades de água (moléculas de vapor de água) no interior da sua estrutura porosa. Quando a pressão de vapor de água do material é inferior à do ambiente, há adsorção de vapor de água até que o ponto de equilíbrio entre as duas pressões é obtido [9]. Este intervalo corresponde ao domínio higroscópico. A curva de adsorção higroscópica permite analisar a higroscopicidade de um material, esta representa o teor de humidade em equilíbrio de um material em relação à humidade relativa do ar, para uma determinada temperatura. A curva tem a forma de S, para a qual o ponto de inflexão se encontra, em geral, para humidades médias entre 30 e 70% [13]. 7

30 Fig.2.2. Curva higroscópica [14] Ilustra-se na figura 2.2. uma curva higroscópica, observam-se três fases distintas no processo de adsorção dum material [15, 16]: adsorção molecular (1ªfase), que ocorre para humidades relativas baixas (<20%) e caracteriza-se pela fixação de um camada de moléculas de água na superfície interior dos poros; adsorção plurimolecular (2ªfase), que ocorre para humidades relativas da ordem dos 50% e caracteriza-se pela fixação de várias camadas de moléculas de água na superfície interior dos poros; condensação capilar (3ªfase), corresponde à junção das camadas plurimoleculares, este fenómeno dá-se quando o diâmetro dos poros é suficientemente pequeno e a humidade relativa mais elevada. Para humidades mais elevadas no domínio higroscópico (3ªfase), até humidades relativas de aproximadamente 95%, existem fluxos simultâneos de vapor e líquido [17]. No quadro 2.1. estão representados os teores de humidade de equilíbrio (em kg/kg) que a madeira atinge para diferentes humidades relativas do ar e da temperatura. Neste quadro é perfeitamente visível que o teor de humidade de equilibro não depende apenas da humidade relativa do ar mas também da temperatura. No entanto, a variação do teor de humidade provocada pela temperatura (humidade relativa constante) na madeira é relativamente pequena quando comparada com a diferença causada pela alteração da humidade relativa (temperatura constante). 8

31 Quadro 2.1. Teor de humidade de equilíbrio da madeira para a temperatura T [7] Humidade relativa do ar (%) Temperatura T (ºC) , , ,5 13,4 12, , , , ,5 10 9, ,5 50 9,5 9,5 9,5 9 8,5 8 7, ,5 7 6,5 6 5, , , ,5 4,5 4, , ,5 10 2,5 2,5 2,5 2, ,5 1, TEOR DE HUMIDADE CRÍTICO O teor de humidade crítico (w cr,u cr, θ cr ) pode ser considerado como sendo o teor de humidade mínimo para o qual se inicia o transporte de água em fase líquida, ou seja, existe uma alteração do processo de transferência de humidade. Abaixo do teor de humidade crítico não é fundamental o transporte de água líquida no material [10], inicia-se a partir deste a transferência de água líquida para zonas mais secas, o que altera a distribuição da humidade dentro do material [19]. Se o teor de humidade dum material for superior ao crítico, existe, em geral, o risco de degradação desse material [20]. Neste trabalho fixa-se o teor de humidade crítico a 95%, visto que a norma ISO15148 [17] também assume que a partir desta humidade relativa, dependendo do material, o transporte de humidade processa-se em fase líquida. Além do mais o programa de simulação WUFI também considera esse valor como crítico. Quanto à norma ISO9346 [8], esta fixa o teor de humidade crítico para humidades relativas de 95 a 98%. Assim sendo, existem autores que fixam a humidade relativa a 98% para o teor de humidade crítico. Este valor, como já foi referido varia de material para material, salienta-se o caso da madeira, para o qual o teor de humidade crítico é atingindo para uma humidade relativa de 80% [20] e ainda as betonilhas e telhas cerâmicas para as quais a humidade relativa crítica corresponde a 100% [20] TEOR DE HUMIDADE CAPILAR A massa dos materiais em contacto com água líquida pode variar, caso varie, o material é capilar. Salienta-se que a higroscopicidade e a capilaridade não são necessariamente duas propriedades interligadas. A maioria dos materiais higroscópicos é capilar, mas certos materiais capilares não são higroscópicos [13]. 9

32 A capilaridade (mecanismo de fixação de água líquida) é a propriedade de um material absorver água líquida por sucção, quando em contacto com a mesma. A sucção é tanto menor quanto maior for o teor de humidade, anulando-se para o teor de humidade máximo TEOR DE HUMIDADE DE SATURAÇÃO Como o teor de humidade máximo é dificilmente atingível dada a existência de ar dentro do material, define-se o teor de humidade de saturação (w sat, u sat, θ sat ), que representa a quantidade de água que um material contém quando em contacto com um plano de água por um dado período [14] TEOR DE HUMIDADE MÁXIMO O teor de humidade máximo (w max, u max, θ max ) é atingido quando todos os poros abertos estão completamente preenchidos com água e sem ar. Este grau de saturação é obtido através da humidificação sob pressão, que pode passar pela absorção de água sob vácuo. O grau de saturação correspondente ao teor de humidade máximo é igual a 1. Agora que foram determinados todos os níveis de teor de humidade apresenta-se a figura 2.3. que resume as definições apresentadas. Fig.2.3. Curva higroscópica de adsorção 10

33 Na figura 2.3. pode-se observar uma curva higroscópica dum material poroso. Aqui encontra-se o domínio higroscópico ente B e C. No ponto C assinala o teor de humidade crítico. O intervalo entre C e D corresponde ao domínio capilar. O teor de humidade de saturação está indicado na figura pela letra D. A partir desta e até E é a humidificação sob pressão até atingir o teor de humidade máximo em E TEOR DE HUMIDADE E SIMULAÇÃO NUMÉRICA Nesta parte do trabalho descreve-se sucintamente o programa de simulação numérica WUFI e os vários níveis de teor de humidade que este necessita para a avaliação de um material. O WUFI é um programa para avaliar o comportamento higrotérmico da envolvente dum edifício. Este pode ser usado para avaliar a distribuição de calor e humidade para uma ampla gama de materiais de construção e condições climáticas. Com o WUFI é possível estimar o tempo de secagem dum determinado material, investigar o perigo de condensações ou até estudar a influência da chuva em componentes de construção exteriores. Este programa também ajuda a seleccionar estratégias adequadas para reparações ou reabilitação, pois permite a comparação e a avaliação de diversas propostas em relação ao desempenho higrotérmico. Além do mais, este pode ser uma ferramenta para auxiliar o desenvolvimento e optimização de materiais de construção e componentes inovadores. Apresenta-se a figura 2.4. que ilustra os diferentes níveis de teor de humidade que este programa considera. Fig.2.4. Níveis de teor de humidade do programa de simulação (kg/m 3 ) [21] O u f corresponde ao teor de humidade de saturação livre, o que foi definido neste trabalho como teor de humidade de saturação (2.2.7.). Quanto ao u max, este representa o teor de humidade máximo que é determinado pela porosidade, tal como definido em

34 Entre o u f e o u max o teor de humidade varia, mas a humidade relativa é sempre 100%, ou seja, neste intervalo o teor de humidade não depende da humidade relativa do ar, é determinado pelas condições de contorno: aumenta sob condições de condensação e diminui em condições de evaporação. Neste intervalo o WUFI considera humidades relativas entre 1 e 1,01, estas são apenas fictícias, mas permitem ao programa diferenciar o domínio em que se encontra, neste caso no domínio de humidificação sob pressão. O u 80 corresponde à humidade de equilíbrio para uma humidade relativa de 80%, este também é considerado o teor de humidade de referência que pode ser determinado segundo a norma alemã DIN Quanto ao u 95 (não representado na figura), este representa a separação do domínio higroscópico e o domínio capilar, no fundo é o teor de humidade crítico apresentado em Como referido anteriormente, o programa já contém uma vasta gama de materiais, no entanto, é possível editar dados ou inserir novos materiais. Para o caso em estudo basta conhecer vários valores (número arbitrário) do teor de humidade, e inserir os mesmos no WUFI para este traçar a curva higroscópica. Apresenta-se um exemplo de dados que consta no Help deste programa na figura 2.5., onde HR representa a humidade relativa do ar. Fig.2.5. Tabela com dados para traçado de curva higroscópica [21] Caso não seja possível ter acesso aos dados mencionados anteriormente, o WUFI apenas necessita de conhecer o u 80 e o u sat (u f ). Com estes valores é lhe possível traçar a curva higroscópica, para grande parte dos materiais. Esta curva passa pelas humidades relativas de 0% (u=0), 80% (u 80 ) e 100% (u f ), e é descrita pela seguinte função de armazenamento de humidade: ( )= ( ) ( ) (2.6.) Em que: u(hr)- teor d humidade em função da humidade relativa (kg/m 3 ) u sat teor de humidade de saturação (kg/m 3 ) 12

35 HR humidade relativa (-) b factor de aproximação (-) A função 2.6. é apenas uma expressão de aproximação que é válida para materiais higroscópicos, e foi, como é óbvio, validada experimentalmente VALORES DE REFERÊNCIA PARA MATERIAIS USADOS NA CONSTRUÇÃO A obtenção de valores de referência do teor de humidade de materiais de construção foi conseguida recorrendo à bibliografia existente, devido ao facto do período de tempo para conclusão desta dissertação não permitir a execução de ensaios para elaboração dum catálogo próprio. Apresenta-se de seguida o quadro 2.2. que contém a designação do material, a sua densidade, ou intervalo de densidade, e os três níveis de teor de humidade considerados mais importantes, nomeadamente, o teor de humidade crítico, o de saturação e o máximo. Quadro 2.2. Valores do teor de humidade Material Densidade ρ (kg/m 3 ) w cr, u cr w sat, u sat w max, u max Unidades Argamassa [11] 1050 a kg/m 3 Betão [11] 2200± kg/m 3 Betão [23] kg/m 3 Betão [22] ,84 (1) - 0,07 kg/kg Betão celular [23] 455 a 800 ± ,383ρ 972-0,35ρ kg/m 3 Betão leve [11] 600 a a 190 (ρ=872 a 980) 580 (ρ=973) kg/m 3 Betão leve [23] 644 a (ρ=935) (ρ=872 a 980) 584 (ρ=973) kg/m 3 Betão leve [22] 700 7,83 (1) 14,3 (HR=0,99) (1) 1,00 kg/kg Betão de poliestireno [23] 259 a (ρ=422) kg/m 3 Contraplacado [23] 445 a kg/m 3 Cortiça [23] kg/m 3 Espuma fenólica [22] 32,6 25,76 (1,2) 30 (HR=0,98) (1) 29,8 kg/kg Fibrocimento [23] 823 a (ρ=840) 358 (ρ=1495) 430 (ρ=1495) kg/m 3 Gesso [23] kg/m 3 Gesso [22] ,00 (1) 3,2 (HR=0,99) (1) 0,39 kg/kg 13

36 Quadro 2.2. Valores do teor de humidade (cont.) Material Densidade ρ (kg/m 3 ) w cr, u cr w sat, u sat w max, u max Unidades Lã de vidro [22] 77 0,41 (1,2) 0,5 (HR=0,99) (1) 13,5 kg/kg Madeira [22] ,33 (1) (HR=80%) 26 (HR=0,98) (1) 1,35 kg/kg Painel de aglomerado de partículas de madeira [11] Placa cimentícia de madeira (3) [11] 570 a 800 0,85 0,90 0,99 kg/kg 300 a 800-0,569 0,875 kg/kg Placa cimentícia de madeira (3) [23] 314 a (ρ=360) 240 (ρ=360) - kg/m 3 Placas de gesso [11] Placas de isolamento Perlite [23] 700 ± kg/m a a 210 > kg/m 3 Poliuretano [22] 31,9 1,80 (1,2) 1,94 (HR=0,99) (1) 30,1 kg/kg Poliestireno expandido [22] 10,3 1,58 (1,2) 1,7 (HR=0,98) (1) 96,1 kg/kg Tijolo [23] 1505 a 2047 ± ,287ρ ,4036ρ kg/m 3 Nota: (1) Valor em %. (2) Valores obtidos através de interpolação (HR=95%). (3) Conhecido por WWCB (Wood Wool Cement Board) Os materiais estudados por Kumar Kumaren[11] são muito parecidos com os da International Energy Agency (IEA) [23] por este ter usado, em parte, esta bibliografia como referência. Resumindo, o quadro 2.2. apresenta um total de 19 materiais de construção diferentes, alguns repetidos mas expressos em unidades diferentes ou simplesmente para densidades diferentes. Concluise que este número de materiais é relativamente reduzido em relação ao universo de materiais existentes. Assim sendo, este tipo de quadro necessita de ser aumentado, pois é uma ferramenta essencial para os actores da construção civil. Insere-se aqui alguns extractos retirados dum documento [25] publicado pelo LNEC que se refere à preparação de superfícies para posterior revestimento por pintura e contém informações interessantes para este capítulo, ou seja, contêm a informação que deve constar no caderno de encargos. A pintura de qualquer substrato exige que, pelo menos, se tenha atingido o grau de secagem correspondente ao estado de equilíbrio com a atmosfera circundante, o qual varia em função da natureza do material, das condições exteriores, etc. 14

37 A pintura da madeira apenas se deverá iniciar quando o material apresenta um teor de humidade que não exceda 16 a 20% (kg/kg) para as peças expostas e 10 a 12% (kg/kg) para as peças mantidas ao abrigo da intempérie. A presença de humidade em paredes e tectos favorece a agressividade química dos rebocos e estuques e pode conduzir à formação de manchas e eflorescências, à diminuição da adesão, ao retardamento no endurecimento da película de tinta e até mesmo ao seu ataque, se for hidrolisável; assim, as pinturas de paredes e tectos apenas deverão ser efectuadas desde que apresentem um teor de humidade inferior a 5% (kg/kg) SÍNTESE A dificuldade encontrada neste capítulo deve-se ao facto de cada autor ter as suas próprias definições dos diferentes níveis de teor de humidade. Assim sendo, chegou-se à conclusão que para facilitar a compreensão e para que no meio técnico todos falem a mesma linguagem há a necessidade de usar definições universais. A simulação numérica é um instrumento essencial para simular o comportamento dos elementos de construção, face à presença de humidade, para diversas condições climáticas interiores e exteriores. Pode ser uma ajuda preciosa na escolha de materiais e também para o desenvolvimento de novos materiais. Contudo, a concretização de programas de cálculo automático exige a existência de uma base de dados com as características físicas e higrotérmicas dos materiais, sem as quais a simulação numérica não é possível. O desenvolvimento dos quadros com os valores de referência do teor de humidade é fundamental, pois o quadro apresentado apenas representa uma pequena amostra de materiais existentes na construção. No início deste trabalho estava previsto anexar uma listagem completa, contudo a informação disponível é escassa e tal não foi possível. Assim sendo, conclui-se que é importante desenvolver mais investigação nesta área. 15

38 16

39 3 MEDIÇÃO DO TEOR DE HUMIDADE TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 3.1. DIFERENTES TÉCNICAS DE MEDIÇÃO Neste capítulo apresentam-se as diferentes técnicas de ensaio para a determinação do teor de humidade em materiais de construção. Estas técnicas podem ser divididas em dois tipos diferentes, ou seja, em processos não-destrutivos e processos destrutivos. Quanto aos processos não-destrutivos, existem vários equipamentos para a medição do teor de humidade que funcionam segundo princípios distintos, cada um com as suas vantagens e desvantagens, sem causar danos significativos no elemento em análise. Alguns dos métodos usam eléctrodos sobre forma de agulhas que penetram superficialmente no elemento, essas agulhas apresentam dimensões reduzidas, que levam a destruições mínimas. Ou seja, pode-se desprezar estes orifícios, visto que são de fácil reparação. No entanto, o mesmo tipo de aparelho pode usar sondas de profundidade em vez dos eléctrodos, neste caso é necessário a prévia furação do elemento a estudar, o que causa destruição importante e não desprezável. As técnicas que determinam o teor de humidade através de processos destrutivos também se baseiam em diferentes princípios, cada um com as suas vantagens e desvantagens. Os equipamentos com sondas de profundidade, como explicado anteriormente, podem ser incluídos neste grupo. Nem todos os métodos são aplicáveis a todos os tipos de materiais, o que limita a escolha do ensaio. Apresentam-se no quadro 3.1. as técnicas de ensaio que serão descritas. Este quadro inclui informações sobre o tipo de ensaio, ou seja, não-destrutivo ou destrutivo e ainda se é efectuado in situ ou em laboratório. Os onze ensaios escolhidos foram agrupados em cinco processos diferentes. 17

40 Quadro 3.1. Métodos para determinação do teor de humidade Ref. Método Processo Destrutivo In situ 1 Gravimétrico Secagem em estufa Sim Não 2 Carboneto de cálcio Químico Sim Sim Resistência eléctrica Constante dieléctrica Micro-ondas TDR Eléctrico Não Não Não Não Sim Sim Sim Sim Raios gama e raios X NMR Termografia Radioactividade Variação da impedância dum semicondutor Nuclear Outros Provete específico Não/ Provete específico Não Não Não Não Sim/Não Sim Sim Sim A classificação dos métodos apresentada no quadro 3.1. é bastante simples, pode-se ainda dividir os processos em métodos directos e indirectos. Em que o método directo corresponde ao processo de secagem em estufa e ao processo químico. Os métodos indirectos são processos que apenas indicam valores aproximados (a sua calibração baseia-se num processo de referência). Estes, são geralmente não destrutivos, como se pode confirmar no quadro MÉTODO GRAVIMÉTRICO PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO O método gravimétrico consiste na recolha de amostras para posteriormente serem pesadas em laboratório, nas condições em que se apresentavam in situ e após secagem. A diferença entre a massa da amostra húmida e da massa da amostra seca, corresponde à massa de água que o material contém. O teor de humidade é dado pelo quociente entre a diferença das duas massas referidas anteriormente e a massa da amostra no estado seco, tal como indica a expressão (3.1.): = 100 (3.1.) em que: m h massa da amostra com as características recolhidas in situ (kg) m s massa da amostra após secagem em estufa (kg) m v massa da cápsula de vidro (kg) w teor de humidade em percentagem (%) 18

41 EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL Para que seja possível proceder à determinação do teor de humidade através do método gravimétrico, é necessário possuir os seguintes equipamentos para a recolha de amostras: Berbequim de baixa rotação ou escopro e martelo; Frascos plásticos com tampa estanque ou saco estanque. A utilização de um berbequim de baixa rotação (cerca de 300 rpm) serve para evitar o aquecimento excessivo e a consequente secagem do material. Mesmo assim, deve-se evitar furações prolongadas, pois pode-se produzir calor suficiente para provocar a evaporação da água. Os provetes, depois de recolhidos devem ser guardados em frascos plásticos estanques (ou sacos estanques) até serem ensaiados, afim de não perderem o teor de humidade neles contidos. Os equipamentos necessários no laboratório para prosseguir com o ensaio são: Balança (figura 3.1.) de elevada precisão (não inferior a 1mg); Estufa ventilada (figura 3.2.) que permita obter temperaturas de cerca de 105ºC; Cápsula de vidro. Fig.3.1. Balança de precisão - LFC 19

42 Fig.3.2. Estufa ventilada -LFC Calibração do equipamento A balança deve ser calibrada antes da sua utilização PROCEDIMENTO DE ENSAIO Com o escopro e martelo retira-se o número de provetes necessários para efectuar o ensaio, estes devem ser mantidos fechados em frascos de plástico estanques até serem ensaiados. Pesa-se a cápsula de vidro, de seguida coloca-se parte do provete nesta, e pesa-se imediatamente (m h ). Leva-se o conjunto à estufa ventilada a uma temperatura de cerca 105ºC até massa constante (m s ). A partir destas pesagens, tem-se todos os dados para proceder ao cálculo de teor de humidade no material em estudo através da expressão (3.1.). É necessário ter cuidado com a temperatura programada na estufa, pois os 105ºC não são adequados para todos os tipos de material. O gesso, por exemplo, deve ser seco na estufa a uma temperatura de cerca de 40ºC [27]. Apresenta-se de seguida uma pequena listagem de normas relacionadas com a técnica explicada anteriormente: NP 1042 (1985): Cortiça. Aglomerados puros expandidos em placas. Determinação do teor de humidade. NP 606: Cortiça. Granulados de cortiça. Determinação da humidade. NP 614 (1973). Madeira. Determinação do teor em água. NP EN :2002: Ensaios das propriedades mecânicas e físicas dos agregados - Parte 5: Determinação do teor de humidade por secagem em estufa ventilada. CEN-EN ISO 12570:2000: Higrothermal performance of building materials and products. Determination of reference moisture content by drying at elevated temperature. 20

43 Erros de medição Na recolha de amostras sob forma de pó (berbequim), deve-se ter algum cuidado para evitar uma furação prolongada, que pode levar à evaporação da água contida no material em estudo, e como consequência à alteração do teor de humidade do mesmo. Este processo de recolha tem as seguintes limitações [1]: Não é permitido usar este processo em materiais muito duros, como o betão e algumas pedras naturais; Velocidade de rotação máxima é de 300r.p.m.; O diâmetro da broca deve ser pelo menos de 20mm; O aumento da temperatura da broca não deve exceder 15ºC durante a furação; A massa seca do provete deve estar no intervalo de 10 a 20g. Deve-se colocar a balança num ambiente limpo de poeiras, livre e sem correntes de ar para não afectar a leitura. A evaporação de outras substâncias voláteis presentes no material (por exemplo resina dos pinheiros, no caso da madeira) pode levar a resultados diferentes da realidade. Segundo a norma CEN/TC 89 N338E [1], a temperatura de secagem em estufa deve ser escolhida conforme o tipo de material, pois temperaturas muito elevadas não levam apenas à evaporação da água livre mas também à da água de ligação CARBONETO DE CÁLCIO PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO Este método baseia-se no facto da reacção química entre o carboneto de cálcio e a água produzir acetileno em quantidade proporcional ao volume daquele líquido [29]. O carboneto de cálcio (CaC 2 ), que é sensível à humidade e à água, reage com esta, formando acetileno (C 2 H 2 ) (que é inflamável sob forma líquida), hidróxido de cálcio (Ca(OH) 2 ) e libertando energia (a energia libertada é perceptível pelo aquecimento do recipiente). A reacção química que se processa no interior do recipiente escreve-se da seguinte forma [27,30,31,32]: +2 ( ) + (3.2.) A reacção descrita ocorre apenas na superfície da amostra, assim a água deve deslocar-se do interior da amostra para a sua superfície, para poder reagir com o carboneto de cálcio. Devido ao facto de a água ter de percorrer um percurso mais longo até atingir a superfície, o aumento de pressão no interior do recipiente torna-se demorado EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL O equipamento experimental vem, geralmente, dentro de um cofre (figura 3.3.) com os seguintes instrumentos: Recipiente metálico estanque com manómetro; Ampolas com carboneto de cálcio; 21

44 Ampolas de controlo; Balança digital ou de mola (no caso da balança de mola é ainda necessário o seu suporte); Esferas de aço; Juntas de reserva; Material para recolha e preparação do provete; Material de limpeza. Este equipamento é de fácil utilização, é usado in situ e fornece valores fiáveis. As esferas de aço têm três funções: Iniciam a reacção (destruição das ampolas); Efeito de esmagamento do material; Garantem a mistura dos dois materiais sólidos. Fig.3.3. Equipamento de ensaio da ROMUS [30] Calibração do equipamento Para verificar a aptidão do manómetro e da junta, usa-se a ampola de controlo contida no cofre do equipamento. Estas ampolas contêm uma quantidade exacta de água, geralmente, 1 ml [30]. Antes de proceder ao controlo, é necessário certificar-se que o recipiente está limpo e seco, e que a junta não apresenta qualquer dano. Se a junta apresentar algum defeito, deve-se proceder à sua substituição. 22

45 Começa-se por colocar as esferas de aço dentro do recipiente, com cuidado introduz-se a ampola de água e de seguida, a de carboneto de cálcio. Fecha-se o recipiente, e agita-se o equipamento durante alguns minutos. Após o tempo de reacção, o manómetro deve indicar uma determinada pressão, para uma determinada temperatura, por exemplo 1±0.05 bar (20ºC) [30]. Se o valor indicado no manómetro não estiver dentro do intervalo indicado pelo fornecedor, deve-se substituir a junta e repetir o processo. Se após este controlo o manómetro ainda indica um valor fora do intervalo, considera-se que este está com defeito PROCEDIMENTO DE ENSAIO A amostra deve ser recolhida com equipamento adequado (berbequim ou escopro e martelo), a quantidade desta depende do teor de humidade previsto (pode-se medir com aparelhos eléctricos, para obter uma estimativa). Quanto mais húmido o material, mais pequena deve ser a amostra, por exemplo, para 0,5 kg/kg de teor de humidade recolhe-se 1 g, para 0,03 kg/kg recolhe-se 50g [31]. Reduz-se a amostra a pó (partículas com cerca de 2mm de diâmetro) e pesa-se. O material em análise é colocado dentro do recipiente, ao qual se adiciona as esferas de aço. Inclina-se o recipiente e introduzse com cuidado a ampola de carboneto de cálcio, de modo a não danificar a mesma, por último fechase o recipiente. De seguida agita-se com intensidade, as esferas de aço vão destruir as ampolas de vidro e dar início à reacção química entre os elementos. Dentro do recipiente gera-se uma determinada pressão que é possível ler através do manómetro. Para garantir uma boa mistura dos materiais convém agitar o recipiente de 5 em 5 minutos durante aproximadamente um minuto. Após 15 a 20 minutos, antes da leitura final, deve-se anotar o valor do manómetro e agitar o recipiente novamente durante pelo menos 15 segundos, se este não alterar o seu valor é porque a reacção está estabilizada, e consequentemente a pressão é constante. Em equipamentos modernos, é possível a leitura do teor de humidade directamente através do manómetro, em equipamentos mais antigos, é necessário retirar o valor do teor de humidade de tabelas (figura 3.4.), em função do peso da amostra e da pressão final lida no manómetro, para uma determinada temperatura. Fig.3.4. Tabela de conversão para uma temperatura ambiente de 20ºC (kg/kg) [30] Após o ensaio, é essencial proceder à limpeza do equipamento, pois torna-se mais fácil a limpeza directamente após sua utilização. 23

46 Erros de medição Apresenta-se de seguida uma listagem com possíveis erros de medição: O fornecedor deve indicar a classe de precisão do manómetro, através desta é possível conhecer o erro máximo associado ao mesmo; Tendo em conta a lei dos gases, a temperatura pode influenciar a pressão; Erros devido à pesagem, tais como a qualidade deste equipamento e o cuidado do operador; Deve-se ter o cuidado de retirar partículas mais grossas da amostra, visto que estas apenas falsificam os resultados; É essencial conhecer o material que se está a ensaiar, pois este não deve reagir com o carboneto de cálcio; Se o equipamento não estiver perfeitamente limpo, os resultados não são fiáveis devido aos vestígios contidos no recipiente RESISTÊNCIA ELÉCTRICA PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO Os aparelhos de medição do teor de humidade baseados na resistência eléctrica contêm dois eléctrodos, que são introduzidos ou colocados em contacto com o material em análise. Através destes faz-se passar uma corrente eléctrica, ou seja, este aparelho mede essencialmente a resistência ao fluxo de corrente eléctrica entre os dois eléctrodos. Sabe-se que a humidade aumenta a condutibilidade eléctrica, logo quanto maior for o teor de humidade menor é a resistência eléctrica do material. Como a resistência eléctrica dum meio poroso varia com a quantidade de água, é possível estabelecer uma correlação entre as duas grandezas. Sabe-se que a resistência eléctrica de um material é inversamente proporcional ao seu teor de humidade [29] EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL Existe uma grande variedade de equipamentos experimentais para medir o teor de humidade através da resistência eléctrica. Geralmente, estes aparelhos portáteis são constituídos por um par de eléctrodos (agulhas ou sondas de profundidade) e um visor de afixação de resultados. A corrente eléctrica é, geralmente, contínua (DC) [33]. Em geral, serão necessárias tabelas de conversão, pois na maior parte dos casos este tipo de equipamento vem preparado para um determinado material, geralmente madeira [29,34]. Mas existem aparelhos que contêm uma lista de materiais para os quais é possível medir o teor de humidade, essa lista é geralmente muito limitada. Estes equipamentos apenas funcionam para uma determinada gama de temperatura, para as quais muitos aparelhos conseguem fazer correcções automáticas dos resultados obtidos, isto é, a temperatura pode ser ajustada directamente no aparelho. No caso de aparelhos que não fazem as correcções é necessário usar tabelas de correcção [34]. 24

47 Fig.3.5. Equipamento baseado na resistência eléctrica - LFC Calibração do equipamento A maioria dos aparelhos estão calibrados para uma determinada temperatura, para temperaturas diferentes é necessário proceder a conversão dos resultados obtidos. Como já referido anteriormente, estes equipamentos vêm calibrados essencialmente para a madeira. O aparelho vem, em geral, acompanhado por um dispositivo de verificação da calibração. Para calibrar o equipamento recorre-se ao método de referência, ou seja, ao método gravimétrico. Pesam-se vários provetes de tamanho conhecido, de seguida procede-se à saturação dos mesmos através da imersão em água até massa constante. Ao atingir a saturação pesa-se os provetes e mede-se o teor de humidade com o equipamento. Passa-se agora à secagem em estufa por fases, isto é, pesa-se regularmente os provetes, embrulha-se os mesmos num filme de polietileno, deixa-se estabilizar durante algum tempo e mede-se o teor de humidade com o equipamento, este processo é repetido até ser atingido o estado seco do material. Com os valores obtidos, pode-se correlacionar o teor de humidade calculado através dos resultados do método gravimétrico com os resultados obtidos através da leitura do equipamento PROCEDIMENTO DE ENSAIO O procedimento de ensaio é bastante simples, pois é apenas necessário introduzir os eléctrodos no material em estudo. Para eléctrodos apresentados sobre forma de agulhas, são eles próprios a perfurar o elemento em estudo, mas apenas superficialmente. Caso o equipamento esteja equipado com sondas de profundidade, é necessário garantir a furação prévia do elemento em estudo, para permitir a sua introdução. No caso da medição do teor de humidade em madeira, deve-se medir perpendicularmente à direcção das fibras, isto é, a linha de ligação entre ambos os eléctrodos deve cruzar as fibras. Nesta direcção de medição, ocorrem as menores variações [34]. Apresenta-se na figura 3.6. um exemplo de aplicação deste método a um rodapé de madeira. 25

48 Fig.3.6. Exemplo de aplicação do equipamento baseado na resistência eléctrica para medição do teor de humidade em rodapés Erros de medição Como a resistência eléctrica não depende apenas do teor de humidade, mas também do tipo de material e da presença de sais, o valor obtido através do equipamento é influenciado por esses parâmetros o que leva a resultados errados [29]. Os sais aumentam a condutibilidade eléctrica, ou por outras palavras, os sais diminuem a resistência eléctrica. A temperatura é um parâmetro que influência bastante a resistência eléctrica. O aumento da temperatura conduz a uma diminuição da resistência eléctrica. A variação em função da temperatura não é constante, cresce com o aumento do teor de humidade do material [34]. Se o aparelho for inadequado para a medição do teor de humidade de um determinado material, ou de uma dada espécie desse material, é natural que os valores obtidos estejam errados. Pelo que é essencial conhecer as características do aparelho, e o tipo de material que este é capaz de analisar. Pois a resistência eléctrica varia em função do tipo de material, para um mesmo teor de humidade. Um factor importante é o grau de saturação da madeira, acima do ponto de saturação das fibras o equipamento não apresenta valores fiáveis, pois as alterações da resistência eléctrica são muito pequenas para permitir uma medição precisa [34]. Outros factores que podem influenciar os valores são: o gradiente de humidade, tratamentos químicos/ tratamento da superfície, força de aplicação na amostra, tempo de electrificação e os eléctrodos [33,34]. Para evitar leituras erradas, é fundamental manter um bom contacto entre o elemento em estudo e os eléctrodos CONSTANTE DIELÉCTRICA PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO O aumento do teor de humidade não se caracteriza apenas pelo aumento da condutividade eléctrica, mas também pelo aumento da constante dieléctrica. O princípio de medição baseia-se no facto da 26

49 constante dieléctrica da água apresentar um valor muito superior (ε =80) em relação a materiais em estado seco (ε= 3 a 6). Através desta propriedade é então possível determinar o teor de humidade existente num determinado material. No fundo, é a capacidade de um capacitor (ou condensador) que se mede. Dependendo do tipo de dieléctrico, altera-se a capacidade do condensador, isto é, ao encontrar material com elevado teor de humidade no campo de dispersão, este aponta para uma constante dieléctrica elevada. O teor de humidade é, geralmente, apresentado como percentagem de peso (kg/kg) no aparelho. Este equipamento permite efectuar medições até uma profundidade de 7cm [32]. No fundo a constante dieléctrica é como a resistência eléctrica, são características de materiais, em que os valores se alteram, quando o teor de humidade aumenta. Como o intervalo dos valores é relativamente elevado, consegue-se, através deste método, determinar pequenos teores de humidade [29] EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL Este aparelho é constituído por eléctrodos que são colocados sobre o material a analisar. O coração deste equipamento é um condensador, pois o que se mede é a capacidade deste. Um microprocessador recebe o sinal e transforma os dados recolhidos de modo a permitir a leitura do teor de humidade. Aparelhos mais recentes permitem a programação do tipo de material (grupos de material), pois é necessário conhecer a densidade do material para a obtenção de valores credíveis [34]. Fig.3.7. Equipamento baseado na constante dieléctrica da DOSER [39] Calibração do equipamento A calibração pode ser executada a partir de uma função própria do aparelho ou através de um software adequado [39]. Um controlo regular e a calibração do equipamento é importante, sugere-se que esse seja efectuado através do método gravimétrico explicado no ponto

50 PROCEDIMENTO DE ENSAIO Os eléctrodos são encostados contra o material em análise, para que o aparelho possa emitir ondas de alta-frequência e assim criar um campo eléctrico dentro do material (figura 3.8.). É essencial programar o tipo de material que se irá estudar antes de proceder à medição. Fig.3.8. Aplicação do equipamento [40] Deve-se ter em conta a espessura do material em análise, no caso de espessuras reduzidas (< 3cm) é conveniente colocar uma base, que pode ser uma placa de poliestireno (não se deve em caso algum usar material metálico) ou simplesmente colocar o material no ar. Deve-se ter o cuidado de colocar os eléctrodos a uma distância superior a 1cm do limite (bordo) do material [39] Erros de medição Apresenta-se de seguida uma listagem com possíveis origens dos erros de medição: Um mau contacto entre o aparelho e a superfície do elemento em análise; A presença de sais no material; Amostras de espessura reduzida; Medições junto dos limites do material MICROONDAS PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO As microondas são ondas electromagnéticas com frequências de 300MHz a 30GHz que conseguem penetrar matérias. O funcionamento destes equipamentos é baseado nas propriedades dieléctricas da água, nomeadamente a constante dieléctrica relativa. Esta é composta por duas partes, a constante dieléctrica real e a parte imaginária. A parte real, é a mesma que possibilita a medição do teor de humidade baseada na constante dieléctrica, enquanto que a parte imaginária corresponde à perda dieléctrica que se caracteriza pela deslocação de fase do movimento das moléculas [46]. Em materiais compostos por moléculas polares, como o caso da água, as moléculas são postas em movimento de rotação (polarização) através dum campo electromagnético alternado à frequência de microondas (geralmente, cerca de 2,45GHz). Este efeito é caracterizado pela constante dieléctrica [49]. Com o aumento da frequência, as moléculas de água não conseguem acompanhar o campo 28

51 electromagnético alternado exterior, devido a forças de ligação internas. Entre o movimento de rotação das moléculas (polarização) e o campo electromagnético induzido gera-se uma deslocação de fase (aquecimento) [46]. A energia necessária para pôr as moléculas em rotação é retirada ao sinal de microondas. A parte de energia absorvida, bem como a deslocação de fase, está ligada à quantidade de moléculas de água presentes no material [41]. No caso da medição por reflexão, mede-se as ondas electromagnéticas induzidas no material, bem como as reflectidas pelo mesmo [26,46]. Assim sendo, no domínio das microondas além da elevada constante dieléctrica da água, ainda se tira partido da perda dieléctrica para determinar o teor de humidade EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL O equipamento é constituído por um emissor e um receptor. O receptor pode ser colocado do mesmo lado que o emissor, neste caso trata-se de uma medição por reflexão, ao colocar o receptor do lado oposto do emissor a medição será realizada por transmissão [29] (figura 3.9.). Hoje em dia, existem equipamentos que contêm apenas uma cabeça de medição (figura 3.10.), que integra o emissor e o receptor (medição por reflexão). Fig.3.9. Reflexão, absorção, transmissão e dispersão de ondas electromagnéticas [42] Há aparelhos nos quais é possível trocar a cabeça de medição, ou seja, pode-se utilizar a que melhor se adapta à medição pretendida (em profundidade ou apenas superficial). As profundidades atingidas com este aparelho podem chegar aos 30cm [31]. 29

52 Fig Equipamento baseado no método de microondas (MOIST 200) [43] Tem-se a possibilidade de registar um grande número de medições num curto espaço de tempo. Com um software adequado, pode-se em posterior analise, criar um gráfico que ilustra a distribuição do teor de humidade através de um elemento (figura 3.11.). Fig Mapeamento dos valores recolhidos através do equipamento de microondas [43] Calibração do equipamento O aparelho já está calibrado para grande parte dos materiais de construção corrente. A calibração é realizada para cada material, dependendo da temperatura e da densidade. Esta usa como referência o método gravimétrico ( ) [44]. Para a medição em materiais em que não se conhece a curva de calibração, o equipamento indica um valor adimensional que pode, por exemplo, variar entre 0 e 4000 [44, 45]. Um valor elevado aponta para um teor de humidade mais elevado [46], ou seja, é necessário proceder à calibração do material, como ilustrado na figura

53 Fig Curva de calibração para a madeira (kg/kg) [46] PROCEDIMENTO DE ENSAIO Coloca-se a sonda emissora em contacto com o material, a sonda receptora pode ser colocada do mesmo lado ou do lado oposto tal como explicado anteriormente. No entanto, é necessário ter alguns cuidados tais como: A superfície não se deve apresentar muito rugosa, nem com saliências, ou seja, a medição deve ser efectuada numa superfície lisa. Caso tal não seja possível, deverá proceder-se a várias medições na mesma zona e usar um valor médio; É fundamental afastar-se dos limites (bordos) do material, pois a onda electromagnética também se dispersa lateralmente; O material deve apresentar pelo menos uma espessura igual à profundidade de medição. Apresenta-se, a título de exemplo de aplicação, a figura onde são comparados os valores obtidos pelo método gravimétrico com os obtidos através do método de microondas. 31

54 Fig Comparação das medições efectuadas com microondas e o método gravimétrico (m 3 /m 3 ) [27] Erros de medição Apresenta-se de seguida uma listagem com possíveis origens dos erros de medição: Um mau contacto entre o aparelho e a superfície do elemento em análise; Elemento com espessura reduzida (<1cm); Este equipamento é sensível às variações das propriedades dos materiais, isto é, variações na cor, da densidade ou de outros parâmetros podem afectar as medições [50]; Medições junto dos limites do material TDR PRINCÍPIO DE MEDIÇÃO O método TDR (Time Domain Reflectometry) baseia-se na medição do tempo de percurso (t) e da atenuação da amplitude de um impulso electromagnético, transmitido a partir de sondas com comprimento (L) conhecido, para o interior do elemento em análise. Os impulsos electromagnéticos de alta frequência (cerca de 1GHz) criam um campo entre as sondas e consequentemente no interior do material. A energia não dissipada no trajecto é reflectida na extremidade das sondas e regressa ao receptor, mede-se o tempo decorrido entre a emissão do sinal e a recepção da sua reflexão. O tempo de percurso da onda electromagnético ao longo dos condutores paralelos fornece a constante dieléctrica (expressão 3.3.) do material que os separa [51]. ε=( ). (3.3.) Em que: ε constante dieléctrica do meio c velocidade da luz (3,0*10 8 m/s) 32