CARACTERIZAÇÃO DE ARGAMASSAS DE PROTECÇÃO EXTERIOR DE SUPORTES EM TERRA COMPACTADA

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1 CARACTERIZAÇÃO DE ARGAMASSAS DE PROTECÇÃO EXTERIOR DE SUPORTES EM TERRA COMPACTADA L. P. MATEUS M. R. VEIGA J. de BRITO Doutorando Eng. Civil Investigadora Principal Prof. Catedrático IST LNEC IST Lisboa; Portugal Lisboa; Portugal Lisboa; Portugal RESUMO A região do Algarve possui um legado muito significativo de construções em taipa, cuja reabilitação se afigura tecnicamente viável. Estas construções caracterizam-se pela sua susceptibilidade à presença da água, razão pela qual a função dos revestimentos exteriores é determinante para a sua longevidade. A falta de compatibilidade mecânica entre o sistema de protecção exterior e o suporte de terra é comum e está associada à consequente degradação precoce dos revestimentos exteriores. Foram caracterizados os revestimentos exteriores de um universo de 15 construções existentes no Barlavento Algarvio. As suas propriedades hídricas, físicas e mecânicas foram avaliadas em laboratório. A avaliação mecânica estendeu-se ao material terra que constitui o suporte. Os resultados foram analisados e discutidos com vista à definição de gamas de características que as argamassas de substituição devem possuir. 1. INTRODUÇÃO Este artigo baseia-se na recolha e caracterização de um universo de amostras de revestimentos exteriors tradicionais e de suportes de terra, recolhidas em construções antigas no Barlavento Algarvio. O uso de revestimentos de protecção exterior em construções em terra é comum em Portugal, compostos tradicionalmente por cal, terra e areia, e produzidos no local de aplicação [1]. Numa fase preliminar do estudo, foram aprovisionadas amostras para serem objecto de caracterização física, mecânica e química em laboratório. O presente artigo apresenta os aspectos relacionados com a caracterização física e mecânica. No âmbito da tese de doutoramento do primeiro autor, em curso no Instituto Superior Técnico, foram realizados ensaios de caracterização no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), permitindo estabelecer critérios de análise com vista à compreensão dos fenómenos de degradação desses revestimentos. 2. OBJECTIVOS E AMOSTRAS O revestimento assume a função de camada protectora que previne o contacto directo da água com o suporte resistente em terra, prevenindo a lavagem e perda progressiva de material fino que integra o suporte e a consequente perda de secção resistente. Os principais cenários patológicos presentes neste tipo de construção estão relacionados com

2 a sua fraca resistência a acções horizontais, tais como as geradas durante os sismos, e ainda a sua elevada susceptibilidade ao dano causado pela presença da água [2]. O principal objectivo do processo de caracterização dos revestimentos é compreender o seu processo de degradação natural e como este se relaciona com as características do suporte em terra [3], com o intuito final de obter linhas de orientação sobre a adequabilidade de aplicação de novos sistemas de revestimento, alternativos aos existentes, a aplicar em situações de reabilitação ou de construção nova. A recolha de amostras foi realizada num universo de 15 construções, com vista à sua caracterização física e mecânica (Figura 1). Os critérios de selecção das construções foram os seguintes: 1. Tipo de substrato: taipa; 2. Tipo de revestimento: exterior; 3. Localização geográfica: Barlavento Algarvio; 4. Tipologia e construção: corrente, com 1 ou 2 pisos acima do solo; 5. Data de construção: entre 1850 e As amostras de revestimento das 15 construções foram sujeitas a ensaios de absorção capilar e secagem, resistência à compressão, módulo de elasticidade, porosidade aberta e determinação de resíduo insolúvel. As amostras de suporte de terra das 15 construções foram sujeitas e ensaios de resistência à compressão. Estas construções apresentam degradação dos revestimentos exteriors, sobretudo na forma de destacamento laminar, perda de aderência e fendilhação relacionados com deformações do suporte em terra. 3. METODOLOGIA DE CARACTERIZAÇÃO A metodologia de caracterização compreendeu duas fases principais: 1. Trabalho de campo: selecção de construções e recolha de amostras de revestimento exterior e de suporte em terra; 2. Campanha laboratorial, realizada no LNEC, no Departamento de Edifícios e no Departamento de Materiais. Dada a irregularidade e fragilidade física das amostras recolhidas, não foram usados métodos normalizados para a determinação das taxas de absorção capilar, da resistência à compressão e da determinação do módulo de elasticidade. Para o efeito, foram aplicadas metodologias de ensaio definidas e desenvolvidas no LNEC no âmbito de outros projectos de investigação [2, 4, 5], aplicáveis a amostras de revestimentos antigos. 4. ENSAIOS LABORATORIAIS 4.1 Absorção capilar e secagem - revestimentos Pretendeu-se simular a resposta ao contacto de superfície do revestimento com a água pluvial, num cenário de exposição natural. Definiu-se assim o nível e taxas de absorção de água, e a sua relação com a posterior secagem. Esta avaliação é especialmente relevante face à elevada susceptibilidade à água dos suportes em terra. Avaliou-se também o período de retenção esperado de água na interface de aderência do revestimento com o suporte após saturação do revestimento, e de que forma esse fenómeno pode afectar a integridade do suporte em terra. A Figuras 2 apresenta a metodologia aplicada, descrita e validada em campanhas anteriores [2, 5]. As 45 amostras testadas foram pesadas ao longo do processo de absorção capilar e do processo posterior de secagem, em condições constantes de humidade e temperatura. Foram registados os acréscimos de massa das amostras por absorção capilar de água, após períodos sucessivos de contacto com água. Processo idêntico ocorreu na fase de secagem das mesmas amostras. Figura 1: Exemplo de construção analisada no Barlavento Algarvio. Figura 2: Processo de absorção capilar de água por contacto.

3 4.2 Resistência à compressão - revestimentos e suporte O objectivo central foi estabelecer a relação entre a capacidade resistente dos revestimentos e a do suporte de terra das 15 construções seleccionadas, de modo a detectar padrões de resposta numa solicitação de compressão. Um diferencial significativo entre esses níveis de capacidade resistente é um indicador de incompatibilidade mecânica entre os materiais e um contributo para os processos de degradação dos revestimentos [6]. A resistência à compressão é uma das características a avaliar no contexto da caracterização mecânica, na medida em que se correlaciona com outras grandezas que determinam a resposta do material, tais como a resistência à tracção e à flexão, sendo estas últimas difíceis de avaliar em amostras de construções desta natureza, dada a sua irregularidade e fragilidade. Foram determinadas as resistências à compressão dos revestimentos e material de suporte das 15 construções seleccionadas (Figura 3). Dada a forma irregular das amostras e a sua fragilidade física, foi adoptada metodologia desenvolvida no LNEC, aplicável a amostras desta natureza [4]. 4.3 Módulo de elasticidade - revestimentos Pretendeu-se avaliar a rigidez das argamassas antigas das 15 construções em análise. Foi aplicado o método de determinação da velocidade de propagação de ultra-sons pelo método indirecto. Este método, alternativo ao método directo, impôe-se neste caso pela irregularidade na espessura das amostras e pela sua reduzida dimensão, resultando em valores menos rigorosos do que os obtidos pelo método directo. Esta metodologia, aplicada no LNEC (Ficha de ensaio Pa43) é baseada na Norma Brasileira NBR 8802/94. As velocidades de propagação são determinadas por medição do tempo de propagação entre dois pontos. Foram efectuadas medições de tempo de propagação para distâncias variáveis entre o ponto de emissão e o ponto de recepção (entre transdutores). Para o efeito, foi seleccionada uma amostra de revestimento para cada uma das 15 construções (Figura 4). Por regressão linear, obteve-se a velocidade de propagação, que, em conjunto com a massa volúmica da argamassa e o coeficiente de Poisson, se relaciona com o módulo de elasticidade. Figura 3: Ensaio de compressão sobre amostra irregular de terra (taipa). Figura 4: Ensaio de determinação da velocidade de propagação de ultra-sons. 4.4 Porosidade aberta - revestimentos Pretendeu-se avaliar a percentagem de volume das argamassas ocupado por poros abertos. Esta característica traduz o tipo e densidade de poros, a estrutura aberta, que poderão ser preenchidos por água. Por consequência, traduz também o potencial de penetração de sais solúveis na argamassa em condições normais de exposição em períodos prolongados de pluviosidade. A metodologia usada aplica-se a amostras de argamassa regulares e irregulares, de acordo com o estabelecido na RILEM I.1 [7] e RILEM I.2 [8]. Consiste na determinação da massa da amostra seca - M1, da amostra saturada imersa - M2, e da amostra saturada - M3. M2 obtém-se por pesagem hidroestática (Figura 5). A porosidade aberta é definida em percentagem pela relação (M3-M1)/(M3-M2) x 100.

4 4.5 Determinação do resíduo insolúvel - revestimentos A execução de ensaios de dissolução ácida aplicados aos revestimentos tradicionais à base de cal recolhidos in situ teve como objectivo central a determinação aproximada do traço das argamassas utilizadas. O processo de dissolução ácida por ataque de ácido nítrico (HNO 3 ) resulta na obtenção de uma parcela não solúvel, designada por resíduo insolúvel (RI), à qual se pode fazer corresponder, de forma aproximada, a parcela de agregados de natureza não calcária. O RI traduzir-se-á na parcela de agregados das amostras após dissolução dos ligantes pelo ataque ácido, possibilitando estabelecer a relação, em peso, da parcela de agregados em relação à parcela de ligante calcário. O procedimento de ensaio de determinação da percentagem de resíduo insolúvel por via da dissolução ácida foi desenvolvido conforme procedimentos e metodologia descritos em publicações no âmbito de projectos de investigação decorridos no LNEC [9,10,11]. O ensaio de resíduo insolúvel foi realizado no Departamento de Materiais do LNEC (Figura 6). Figura 5: Pesagem hidrostática de amostra saturada de reboco. Figura 6: Filtração do resíduo insolúvel em vácuo. 5. RESULTADOS E ANÁLISE A função do revestimento é atrasar a absorção de água e promover um processo de secagem rápido. Deve possuir baixos coeficientes de capilaridade e taxas de secagem elevadas. Os resultados obtidos traduzem-se em diagramas de absorção e secagem. Os valores de coeficiente de capilaridade estão apresentados na Tabela 1, da qual se retira as seguintes conclusões: 1. A absorção de água é um processo rápido; a taxa mais elevada de absorção é atingida no período inicial (nos primeiros 5 minutos), traduzindo-se num coeficiente de capilaridade muito elevado em todos os revestimentos analisados; 2. Na maioria dos casos, quase a totalidade da absorção ocorre num período reduzido de tempo (nos primeiros 25 minutos); a restante absorção até à saturação ocorre a taxas reduzidas; 3. Apenas duas construções revelam taxas de absorção mais lentas - Ferragudo e Sargaçal; 4. O processo de secagem é lento; os períodos de secagem são significativamente superiors aos de absorção, e as taxas de secagem menores ao longo do processo; 5. Por consequência, existe uma diferença significativa entre o período de saturação total da espessura do revestimento e o período de secagem total, implicando a retenção de água na interface entre o revestimento e o suporte em terra no decurso de cada ciclo de molhagem / secagem (Figura 7); 6. A elevada capilaridade dos revestimentos testados promove o contacto de água infiltrada com o suporte de terra, e a sua progressiva degradação devido à perda de agregados finos do suporte, perda de secção resistente e consequente perda de aderência dos revesimentos ao suporte. Os resultados de resistência à compressão são apresentados na Figura 8, da qual se retira as seguintes conclusões: 1. Na maioria das construções, verifica-se uma diferença significativa na resistência à compressão de revestimento e respectivo suporte. Nalguns casos, a resistência do revestimento é 3,5 vezes superior à do suporte, revelando a incompatibilidade mecânica entre os dois materiais; apenas 5 construções apresentam valores próximos de resistência entre o revestimento e o suporte, embora um pouco superiores nos revestimentos; 2. Alguns revestimentos revelam resistências elevadas (cerca de 3,7 MPa) quando comparados com as de argamassas de cal correntes [5], resultando do processo lento da carbonatação da cal ao longo do tempo, o qual aumenta lentamente a resistência em argamassas antigas; isto gera tensões excessivas na interface com o suporte de terra em resultado de deformabilidades muito distintas entre os dois materiais [12], promovendo perda de aderência entre eles e destacamento laminar frequente neste tipo de construções;

5 3. Registam-se diferenças significativas entre os níveis de resistência dos vários revestimentos testados, variando entre 0,5 (Aljezur 1) e 3,7 MPa (Aljezur3); por outro lado, os níveis de resistência entre os suportes de terra são mais uniformes, variando entre 0,5 (Monte Ruivo) e 1,4 MPa (Ferragudo). Tabela 1: Coeficientes de capilaridade - revestimentos. Coeffcient de capilaridade por contacto (kg/m 2.min 1/2 ) - Média Total absorção (kg/m 2 ) Caso de estudo Cc 5 Cc (90-10) Cc24 Ferragudo 0,33 0,18 0,07 2,47 Vale da Pinta 0,84 0,02 0,07 2,67 Monte Vidal 0,67 0,15 0,09 3,24 Barragem 0,77 0,09 0,10 3,87 Monte Bravura 0,60 0,05 0,07 2,78 Sargaçal 0,10 0,20 0,12 4,70 Monte Ruivo 0,46 0,06 0,05 1,95 Vale Figueira 0,72 0,04 0,07 2,50 Aljezur A 0,82 0,20 0,12 4,37 Bensafrim 0,43 0,26 0,09 3,38 Benagil 0,58 0,00 0,04 1,58 Silves 0,48 0,19 0,08 2,90 Praia Benagil 0,68 0,05 0,07 2,80 Aljezur B 1,46 0,01 0,10 3,88 Aljezur C 0,77 0,06 0,08 2,97 Figura 7 - Diagramas de absorção capilar e secagem. Exemplo de uma das construções seleccionadas (Ferragudo). Figura 8: Resistência à compressão de revestimentos vs. suporte terra, para cada construção.

6 Os resultados de módulo de elasticidade dinâmico são apresentados na Figura 10 (afectados de factor de multiplicação (1/1000)). A título exemplificativo, apresenta-se um gráfico de registo de tempos de propagação na Figura 9. Retiram-se as seguintes conclusões: 1. Os valores de módulo de elasticidade dinâmico por ultra-sons são, em alguns casos, elevados comparativamente com os determinados pelo mesmo método em argamassas tradicionais, indiciando fraca capacidade de deformação; 2. Registam-se diferenças significativas entre os módulos de elasticidade dinâmico por ultra-sons das várias argamassas que compõem os revestimentos, variando entre 427e 3951 N/mm 2 ; o valor médio no universo de revestimentos é de 1408 N/mm 2 ; 3. Em grande parte dos revestimentos estudados, os níveis elevados de resistência à compressão, e, em alguns casos, também de módulo de elasticidade, traduzem-se na incompatibilidade mecânica com os respectivos suportes em terra, que apresentam menor resistência e são mais deformáveis. Figura 9: Determinação da velocidade de propagação de ultra-sons. Exemplo de gráfico de leituras (Aljezur2). Os resultados da porosidade aberta são apresentados na Figura 10 (afectados de factor de multiplicação (1/10)). Os níveis de porosidade aberta determinados são coerentes com os níveis correntes em argamassas cujo ligante base é a cal aérea. Os níveis percentuais registados oscilam entre 22,7 e 32,3%. O valor médio é 26,3%. Traduz argamassas bastante porosas, com elevado potencial de retenção e cristalização de sais solúveis na sua espessura Figura 10: Relação entre a resistência à compressão, módulo de elasticidade (factor de multiplicação 1/100) e porosidade aberta (factor de multiplicação 1/10) dos revestimentos.

7 Figura 11: Relação entre coeficiente de absorção aos 5 minutos (factor de multiplicação 2) e prosidade aberta (factor de multiplicação 1/10) dos revestimentos. Os resultados da determinação do resíduo insolúvel são apresentados na Figura 12 Retiram-se as seguintes conclusões: 1. As percentagens de RI obtidas são muito elevadas; oscilam entre 78,6 e 92,3%, sendo o seu valor médio 88,3%; 2. Os valores de RI obtidos denunciam a presença de uma parcela reduzida de ligante de cal; 3. O processo de decantação do resíduo insolúvel no decurso do ensaio de dissolução ácida evidenciou a presença de componentes de granulometria fina, insolúvel, que poderá corresponder à existência de um ligante complementar à base de argilas (terra). Figura 12: Gráfico resumo da parcela insolúvel e parcela solúvel dos revestimentos das 15 construções.

8 Pela observação das Figuras 10 e 11 retiram-se as seguintes conclusões complementares: 1. Na generalidade dos revestimentos estudados, a uma resistência à compressão superior corresponde um módulo de elasticidade superior; 2. Os níveis de porosidade aberta são relativamente constantes no universo de revestimentos estudado. Não se estabelece, por isso, uma relação directa com os níveis de resistência à compressão e com o seu módulo de elasticidade; 3. As velocidades de absorção inicial de água por contacto não dependem directamente da porosidade aberta do revestimento. Registam-se variações importantes na velocidade de absorção inicial apesar de os níveis de porosidade aberta serem relativamente equivalentes entre os vários revestimentos. Esse facto deverá estar relacionado com a estrutura porosimétrica dos vários revestimentos, densidade e dimensão capilar dos poros de transporte de água e também, possivelmente, com o teor e tipo de ligante de terra. 6. CONCLUSÕES O renascimento da construção em terra tem causas diversas, ligadas ao reconhecimento das suas vantagens enquanto legado de construção tradicional e de algumas das suas características de comportamento e durabilidade. No entanto, revela também fragilidades, em particular relacionadas com a sua fraca sismo-resistência e elevada susceptibilidade à presença da água. O conjunto de construções estudado encontra-se disperso no Barlavento Algarvio. Por isso, esperam-se variações na composição dos revestimentos e sobretudo dos suportes de terra que faziam recurso da matéria-prima local para a sua construção. Apesar de se confirmar essas variações, foi possível detectar padrões de resposta comuns a todas as construções, quer ao nível da sua susceptibilidade à água, quer das suas características mecânicas e físicas. Destacam-se os seguintes: 1. Absorção de água rápida pelos revestimentos, revelando elevada susceptibilidade à água; 2. Processos de secagem lentos, implicando retenção de água na interface, promovendo a absorção de água pelo suporte de terra e consequente perda de compacidade e coesão desse material, assim como perda de aderência dos revestimentos; 3. Na maioria das construções, a resistência à compressão dos revestimentos é muito superior à dos respectivos suportes, gerando tensões excessivas na interface e perda de aderência, fendilhação e destacamento laminar dos revestimentos; 4. Baixa deformabilidade de alguns revestimentos, traduzida por módulos de elasticidade elevados, traduzindo incompatibilidade mecânica entre esses revestimentos e os suportes; 5. Não existe uniformidade na composição e/ou dosagens das argamassas existentes no universo de construções analisado, revelado pela elevada variabilidade das características mecânicas dos revestimentos testados; 6. Níveis de porosidade aberta relativamente elevados em todas as argamassas testadas, comuns em argamassas tradicionais desta natureza, potenciando a penetração de água e de sais solúveis; Reduzida presença de ligante de cal nas argamassas aplicadas em todos os revestimentos testados, traduzida por percentagens muito elevadas de resíduo insolúvel; tal poderá significar a presença de ligantes de natureza distinta, de base argilosa. Apesar de assim se promover a compatibilidade física e química com o suporte de terra, poderá justificar as elevadas taxas de absorção de água por contacto e, por outro lado, a lentidão de secagem, prejudiciais à durabilidade do suporte de aderência No prosseguimento do estudo procurar-se-á clarificar melhor a relação entre as características físicas e mecânicas obtidas e a composição das argamassas, nomeadamente da eventual parcela de terra e da estrutura porosa resultante. 7. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio do LNEC - Laboratório Nacional de Engenharia Civil, em particular à equipa do Núcleo de Revestimentos e Isolamentos do Departamento de Edifícios e à equipa do Departamento de Materiais, pela colaboração e orientação na execução dos ensaios laboratoriais. Os autores agradecem também o apoio do ICIST (Instituto de Engenharia de Estruturas, Território e Construção), IST (Instituto Superior Técnico).

9 8. REFERÊNCIAS [1] Margalha, G.; Veiga M. R.; Silva A. S.; de Brito J., Traditional methods of mortar preparation: the hot lime mix method, Cement and Concrete Composites, 2011, 33 (8), pp [2] Magalhães, A.; Veiga, M. R., Physical and mechanical characterization of ancient mortars. Application to the evaluation of the state of conservation, Materiales de Construcción, 2009, 59 (295), pp [3] Mateus L.; de Brito J.; Veiga. M. R., Metodologia de caracterização laboratorial e in situ de revestimentos tradicionais de construções existentes em taipa, IV SIACOT - Iberian-American Seminar of Earth Construction, Monsaraz, 2005, pp [4] Valek, J.; Veiga, M. R., Characterization of mechanical properties of historic mortars, STREMAH Ninth International Conference on Structural Studies, Repairs and Maintenance of Heritage Architecture, Malta, [5] Veiga, M. R.; Magalhães, A.; Bosilikov, V., Capillarity tests on Historic mortar samples extracted from site. Methodology and compared results, 13 th International Masonry Conference, Amsterdam, [6] Mateus L.; de Brito J.; Veiga. M. R., Characterization of external renderings of rammed earth constructions in the Algarve, International Conference on Vernacular Heritage, Sustainability and Earthen Architecture, Valencia, Espanha, 2014, pp [7] RILEM Test No. I.1 - Porosity accessible to water, RILEM 25-PEM - Recommandations provisoires. Essais recommandés pour mesurer l altération des pierres et évaluer l efficacité des méthodes de traitement. Matériaux et Construction, 1980, Vol. 13, Nº 75. [8] RILEM Test No. I.2 - Bulk densities and real densities, RILEM 25-PEM - Recommandations provisoires. Essais recommandés pour mesurer l altération des 102 pierres et évaluer l efficacité des méthodes de traitement. Matériaux et Construction, 1980, Vol. 13, Nº 75. [9] SILVA, A.S., Caracterização de argamassas antigas - Casos paradigmáticos, 2002, Cadernos de Edifícios Nº 2 - Revestimentos de paredes em edifícios antigos, LNEC. [10] SILVA, A.S., Caracterização de argamassas antigas, 3º Encore - Encontro sobre conservação e reabilitação de edifícios, LNEC, [11] VEIGA, M. R. et al, Methodologies for characterization and repair of mortars of ancient buildings, 3 rd International Seminar Historical Constructions, Guimarães, Universidade do Minho, [12] Binda, L.; Saisi, A.; Tiraboschi, C., Investigation procedures for the diagnosis of historic masonries, Construction and Building Materials, 2000, 14, pp