A INFLUÊNCIA DAS AREIAS NO DESEMPENHO MECÂNICO DE ARGAMASSAS DE CAL

A INFLUÊNCIA DAS AREIAS NO DESEMPENHO MECÂNICO DE ARGAMASSAS DE CAL A. R. SANTOS M. R. VEIGA Eng.ª Civil Investigadora Principal com habilitação LNEC LNEC Lisboa; Portugal Lisboa; Portugal e-mail: arsantos@lnec.pt e-mail: rveiga@lnec.pt A. SANTOS SILVA J. de BRITO Investigador Auxiliar Prof. Catedrático LNEC IST Lisboa; Portugal Lisboa; Portugal e-mail: ssilva@lnec.pt e-mail: jb@civil.ist.utl.pt RESUMO As areias, pela sua distribuição granulométrica, natureza mineralógica, forma e textura superficial, têm uma importância significativa no desempenho das argamassas, quer no estado fresco, através da trabalhabilidade e aplicabilidade, quer no estado endurecido, através da sua resistência e durabilidade, nomeadamente no caso das argamassas de cal. Na presente comunicação, a influência dos agregados na estrutura e no comportamento das argamassas de cal é discutida. É analisado o efeito da natureza mineralógica nos resultados físico-mecânicos obtidos sobre diversas formulações de argamassas com base em cal. Avalia-se igualmente a adequabilidade destas argamassas para a reabilitação de edifícios antigos, com base na análise dos requisitos estabelecidos em estudos anteriores, para garantir o respeito por exigências básicas de compatibilidade e durabilidade. 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, a importância da seleção do tipo de agregados e o seu efeito na alteração das propriedades dos betões e das argamassas, tornou-se amplamente reconhecido. No contexto da reabilitação dos revestimentos de paredes, é particularmente importante este factor, uma vez que se pretende obter argamassas com características específicas e desempenhos compatíveis com as existentes nas alvenarias antigas; os agregados, sendo parte integrante das argamassas, e em alguns casos definido como o "esqueleto" dos sistemas de revestimento, têm influência directa nas suas propriedades, quer no estado fresco quer no estado endurecido. O desempenho das argamassas depende, em grande medida, da sua microestrutura que, por sua vez, é condicionada por diversos aspectos, dos quais se destacam: as características dos componentes utilizados (nomeadamente tipo de ligante e natureza mineralógica e granulometria do agregado); a formulação (proporção com que os componentes são misturados e quantidades de água de amassadura); a cura; os procedimentos de aplicação e o tipo de suporte. Os agregados, ao constituírem cerca de 75 a 85% do volume das argamassas, assumem um papel fundamental no comportamento físico, químico e mecânico das argamassas, assim como no acabamento e no aspecto final dos rebocos, principalmente no caso das argamassas de cal [1 a 7]. A forma e a distribuição granulométrica das areias têm influência, fundamentalmente, na microestrutura das argamassas, que se reflecte nas características mecânicas e hígricas, enquanto a natureza mineralógica tem influência sobretudo nas propriedades mecânicas e na durabilidade das argamassas. 1

A influência da natureza mineralógica da areia e das suas características físicas, mecânicas e químicas é de extrema importância no comportamento das argamassas. A composição mineralógica dos agregados, que poderão ser reactivos no ambiente alcalino do ligante e dar origem a novos compostos, influencia as resistências mecânicas e a durabilidade das argamassas. A adequabilidade das areias depende, naturalmente, das características a exigir às argamassas, as quais, por sua vez, estão relacionadas com as funções a que estas se destinam no edifício. De acordo com o conhecimento actual, a selecção das soluções de revestimentos de substituição deve basear-se em critérios de compatibilidade, tentando evitar a aceleração da degradação dos materiais pré-existentes, em particular das alvenarias [8] [9]. Para os casos em que não é possível proceder a uma caracterização completa dos materiais de suporte e das argamassas pré-existentes, foram definidas, com base na experiência adquirida no estudo de argamassas antigas e de argamassas de cal preparadas em laboratório, exigências de compatibilidade gerais, válidas para as argamassas de revestimento da maioria das paredes de alvenaria irregular ( ordinária ) nacionais, que são compiladas na tabela 1 [8] [10]. Tabela 1 - Selecção dos requisitos estabelecidos para as características mecânicas e de comportamento à água das argamassas de substituição para edifícios antigos Características mecânicas (MPa) C Argamassa Rt Rc E (kg/m 2.min 1/2 ) Reboco exterior 0,20-0,70 0,40-2,50 2000-5000 1,0-1,5 Reboco interior 0,20-0,70 0,40-2,50 2000-5000 - Juntas 0,40-0,80 0,60-3,00 3000-6000 1,0-1,5 Rt - Resistência à tração por flexão; Rc - Resistência à compressão; E - Módulo de elasticidade dinâmico por frequência de ressonância; C - Coeficiente de capilaridade. Vários estudos têm apontado a utilização de argamassas de cal aérea como sendo uma solução adequada e compatível para a execução de revestimentos para edifícios antigos; no entanto, a sua utilização é difícil em ambientes que se encontrem permanentemente húmidos e em locais com acesso limitado de dióxido de carbono. Além disso, implicam mão-de-obra com um certo grau de especialização. Assim, a utilização de cal hidráulica natural, produzida tendo em conta as exigências da NP EN 459-1:2011 [11], pode ser particularmente adequada para edifícios sem um elevado valor histórico ou arquitectónico, cuja conservação tenha que ser garantida com meios limitados e mão-de-obra pouco especializada ou em obras de reabilitação localizadas em zonas muito húmidas ou em contacto directo com a água. 2. TRABALHO EXPERIMENTAL 2.1 Definição e preparação das argamassas Tendo como objectivo a análise da influência da mineralogia dos agregados no desempenho das argamassas para a utilização na reabilitação dos revestimentos de edifícios antigos, foram preparadas diversas formulações, com base em cal aérea hidratada em pó (CL90) e cal hidráulica natural (NHL 3,5), com uma relação volumétrica ligante:agregado de 1:3 (tabela 2). De forma a estudar o efeito da mineralogia do agregado, foram usadas cinco areias naturais distintas, respectivamente, areia lavada de areeiro (Foros de Benfica), areia de seixo britado (Foros de Benfica), areia calcária (Fátima), areia granítica (Castelo de Vide) e areia basáltica (Rio Maior). De modo a evitar a variável da distribuição granulométrica, as areias em análise foram calibradas para a composição granulométrica da areia de referência CEN, definida na NP EN 196-1:2006 [12] (figura 1). A água adicionada em cada mistura de argamassa foi a necessária para garantir uma trabalhabilidade adequada para uma argamassa de revestimento, tendo-se fixado o espalhamento, após algumas experiências, em 150±2 mm. Todas as argamassas foram preparadas de acordo com a norma europeia EN 1015-2:1998 [13], com as condições de cura definidas na EN 1015-11:1999 [14], à excepção das argamassas de cal aérea, que foram sujeitas às condições de 20 C ± 2 C e 65 % de humidade relativa, desde a moldagem até às datas de ensaio. 2

Tabela 2 - Composição das argamassas em estudo Ligante Areia Argamassa MV MV Traço Definição (kg/m 3 Definição ) (kg/m 3 ) volumétrico Ca - Al CP Areia de areeiro 1490 1:3 Ca - Sb CP Seixo britado 1475 1:3 Cal aérea cálcica Ca - C CP 340 Calcária 1460 1:3 CL90 Ca - Gr CP Granítica 1430 1:3 Ca - B CP Basáltica 1640 1:3 Ch - Al CP Areia de areeiro 1490 1:3 Ch - Sb CP Seixo britado 1475 1:3 Cal hidráulica natural Ch - C CP 665 Calcária 1460 1:3 NHL 3,5 Ch - Gr CP Granítica 1430 1:3 Ch - B CP Basáltica 1640 1:3 MV - Massa volúmica aparente Figura 1: Curva de distribuição granulométrica da areia de referência CEN As areias em estudo foram analisadas por difracção de raios X (DRX), onde foi possível a identificação dos compostos cristalinos presentes em cada amostra e, consequentemente, identificar a composição mineralógica destas. Na tabela 3, são apresentados os principais compostos cristalinos das areias em estudo, identificados na análise difractométrica de raios X (DRX) e, nas figuras 2 a 6, são apresentadas algumas observações microscópicas à lupa binocular. Tabela 3 - Composição mineralógica das areias em estudo Compostos cristalinos Identificação das amostras identificados Areeiro Seixo britado Calcário Granito Basalto Quartzo +++ +++/++++ - +++ +/++ Feldspatos +/++ Vtg - +++ ++/+++ Mica Vtg Vtg - ++? Calcite - Vtg +++/++++ - +/++ Dolomite - Vtg + - - Caulinite? Vtg - - - Clorite - - - +/++ - Piroxenas - - - - ++ Montmorilonite - - - -? Hematite - - - Vtg - Olivina - - - - + Vermiculite - - - - Vtg/+ Talco - - - - Vtg Dickite - - - - Vtg Diópsido - - - - Vtg ++/++++ - composto predominante; +++ - composto em proporção elevada; +/+++ - composto em proporção média; +/++ - proporção média/fraca; + - composto em proporção fraca; Vtg - vestígios;? - dúvidas na presença. 3

A areia lavada de areeiro, da zona de Foros de Benfica, caracteriza-se por um grão sub-rolado pouco esférico, de cor predominantemente clara, destacam-se os cristais de quartzo e de feldspatos. Figura 2: Observação microscópica da areia lavada de areeiro A areia de seixo britado, da zona de Foros de Benfica, apresenta cor predominantemente laranja; caracteriza-se por um grão sub-angular a angular, pouco esférico e de textura rugosa. Esta areia apresenta uma elevada percentagem de sílica na sua constituição. Figura 3: Observação microscópica da areia de seixo britado A areia de calcário, da zona de Fátima, apresenta cor bege e caracteriza-se por um grão angular, de estrutura laminada. Esta areia é constituída essencialmente por minerais de calcite, tendo sido identificados em menor percentagem minerais de dolomite. Figura 4: Observação microscópica da areia calcária A areia de granito, da zona de Castelo de Vide, apresenta cor cinza; caracteriza-se por um grão angular, pouco esférico e de textura rugosa. Esta areia é constituída essencialmente por quartzo, feldspatos, mica e clorite. Figura 5: Observação microscópica da areia de granito A areia de basalto, da zona de Rio Maior, apresenta cor escura; caracteriza-se por um grão sub-angular, pouco esférico e de textura rugosa. Esta areia é constituída essencialmente por minerais de quartzo, feldspatos, calcite, piroxena e olivina. São ainda detetados minerais argilosos como a vermiculite. Figura 6: Observação microscópica da areia de basalto 4

2.2 Metodologia adoptada Tendo em conta os objectivos definidos de avaliar o desempenho físico-mecânico de diversas formulações de argamassas com base em cal e diferentes tipos de areias naturais, e ainda comparar os comportamentos obtidos com os critérios de compatibilidade definidos com base em estudos anteriores para argamassas de substituição de revestimentos antigos [8] [10], foi estabelecida uma metodologia que envolveu diversos ensaios laboratoriais. Foram realizados os ensaios sobre as argamassas no estado fresco, e sobre as argamassas no estado endurecido aos 28 e aos 90 dias. Os ensaios realizados sobre os provetes prismáticos (40x40x160 mm) seguem as especificações das normas europeias em vigor: EN 1015-11:1999 [14] no caso dos ensaios de resistência mecânica - Resistência à compressão (Rc) e resistência à tracção por flexão (Rt); NP EN 14146:2006 [15] para o ensaio de determinação do módulo de elasticidade dinâmico (E); o ensaio de absorção de água por capilaridade (CC) foi realizado com base na norma EN 1015-18:2002 [16], tendo-se optado por ensaiar os provetes prismáticos na sua dimensão original e sem o envolvimento lateral com parafina. Foi ainda realizado o ensaio de avaliação da porosidade aberta das argamassas com base na norma portuguesa NP EN 1936:2008 [17]. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados dos ensaios realizados nas argamassas estão sintetizados na tabela 4 e nas figuras 7 a 9. Tabela 4 - Resultados médios dos ensaios de consistência por espalhamento e de massa volúmica aparente Argamassa Ligante Areia Massa volúmica Razão Espalhamento aparente [kg/m 3 ] água/ligante [mm] fresco 28d(*) 90d(*) Ca - Al CP Areeiro 2,42 149 1955 1805 1800 Ca - Sb CP Seixo britado 2,33 149 1980 1865 1840 Ca - C CP Cal aérea Calcária 2,23 149 2020 1920 1910 Ca - Gr CP Granítica 2,43 149 1945 1820 1790 Ca - B CP Basáltica 2,34 148 2115 1980 1960 Ch - Al CP Areeiro 1,21 148 1990 1820 1830 Ch - Sb CP Seixo britado 1,19 149 2025 1855 1870 Cal Ch - C CP Calcária 1,10 150 2090 1925 1925 hidráulica Ch - Gr CP Granítica 1,25 150 1990 1815 1805 Ch - B CP Basáltica 1,21 150 2165 1975 1980 (*) Determinada por pesagem hidrostática Os resultados apresentados na tabela 4 mostram que as argamassas de cal hidráulica apresentam menor razão água/ligante e maior valor de massa volúmica no estado fresco. As massas volúmicas de todas as composições de argamassas diminuem desde o estado fresco até aos 28 dias; contudo, as argamassas de cal hidráulica, à excepção da composição com areia granítica, inverte esta tendência dos 28 para os 90 dias, aumentando o valor da massa volúmica. As argamassas com areias basálticas têm massas volúmicas superiores às das restantes argamassas com outras areias. Os coeficientes de capilaridade (figura 7) das argamassas com cal aérea são inferiores aos coeficientes das argamassas com cal hidráulica, sendo que as argamassas com areias basálticas são, em geral, as que apresentam coeficientes superiores. Esta tendência é igualmente verificada no ensaio de porosidade aberta, o que demonstra que as argamassas com agregados basálticos apresentam maior volume de vazios. Os valores dos coeficientes de capilaridade das argamassas aumentam em geral ligeiramente com o tempo de cura, facto associado às alterações da estrutura porosa e da microestrutura que ocorrem durante o processo de endurecimento. Os resultados obtidos no ensaio de porosidade aberta revelam porosidades ligeiramente superiores das argamassas de cal hidráulica em relação às de cal aérea. As argamassas de cal aérea com areia de seixo britado, calcária e granítica sofrem ligeiros aumentos de porosidade com o tempo de cura de 28 para 90 dias, enquanto nas outras argamassas não se detectou variação da porosidade com a idade. 5

Figura 7: Resultados médios dos ensaios de absorção capilar e de porosidade aberta Os valores das resistências à compressão (figura 8) são superiores nas argamassas de cal hidráulica em relação às de cal aérea e apresentam em geral um aumento com a idade dos provetes (de 28 para 90 dias), mais acentuado no caso das argamassas de cal aérea; exceptua-se a composição de cal hidráulica com areia de areeiro (Ch - Al CP), que se mantém praticamente inalterada, e com areia basáltica (Ch - B CP) que sofre uma redução. Figura 8: Resultados médios dos ensaios de resistência à compressão 6

Figura 9: Resultados médios dos ensaios de resistência à tracção por flexão e módulo de elasticidade dinâmico As resistências à tracção por flexão (figura 9) aumentam com o tempo de cura nas argamassas de cal aérea e diminuem nas de cal hidráulica, com excepção da composição com areia granítica. Aos 90 dias, as resistências à flexão são da mesma ordem de grandeza ou superiores para as argamassas com cal aérea. Ao contrário do que foi verificado nas argamassas de cal aérea, em todas as amostras de argamassas de cal hidráulica foi verificado um ligeiro decréscimo do módulo de elasticidade. A explicação deste decréscimo, associado à diminuição da resistência à tração nestas argamassas, pode estar na ocorrência de alguma microfissuração interna destas argamassas, resultante de tensões internas provocadas pela retracção. Quer nas argamassas de cal aérea quer nas de cal hidráulica, observa-se, em geral, um aumento significativo das características mecânicas com a utilização de areias calcárias. Contudo, os resultados obtidos estão todos de acordo com os requisitos gerais estabelecidos para edifícios antigos (tabela 1). 4. CONCLUSÕES A influência da natureza mineralógica da areia e das suas características físicas, mecânicas e químicas é de extrema importância no comportamento das argamassas. A composição mineralógica dos agregados, que poderão ser reactivos no ambiente alcalino do ligante e dar origem a novos compostos, influencia as resistências mecânicas e a durabilidade das argamassas. Neste trabalho, a utilização de areias calcárias conduz a aumentos das características mecânicas das argamassas, não alterando significativamente o comportamento a água. O agregado calcário apresenta uma afinidade química com as argamassas de cal, nomeadamente as de cal área. As semelhanças na matriz das argamassas de cal aérea e do agregado calcário conduzem ao aumento das resistências mecânicas. No que se refere à utilização destas argamassas para a reabilitação de revestimentos de edifícios antigos, a gama de resultados obtidos permitiu concluir que, no que diz respeito às características mecânicas, todas as composições estão de acordo com os requisitos estabelecidos (tabela 1), e se consideram portanto adequadas para revestimentos de paredes antigas; no que respeita ao comportamento à água, a velocidade de absorção de água, em todas as composições em estudo, apresenta valores elevados, sendo o valor mais elevado nas areias basálticas, o que pode estar associado à presença de vermiculite, na sua composição. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a colaboração das empresas Lena Agregados S.A., Lusical S.A. e Secil Martingança S.A. 7

6. REFERÊNCIAS [1] Borges, Cristina et al, Role of aggregates in durability of air lime mortars: influence of curing conditions. In Proceedings of the 3 rd Historic Mortars Conference (HMC 2013). Glasgow, 2013, 9 p. [2] Botas, Sandro et al, Influence of grain size of aggregate in freeze/thaw cycles of lime mortars. In Proceedings of the XII DBMC - 12 th International Conference on Durability of Building Materials and Components. Porto, 2011, vol. 2. [3] Fragata, Ana; Veiga, Maria Rosário Air lime mortars: the influence of calcareous aggregate and filler addition. Materials Science Forum, 2010, vols. 636-637, pp. 1280-1285. [4] Pavía, Sara; Toomey, B. Influence of the aggregate quality on the physical properties of natural feebly-hydraulic lime mortars. Materials and Structures, 2008, vol. 41, pp. 559-569. [5] Stefanidou, Maria; Papayianni, Ioanna The role of aggregates on the structure and properties of lime mortars. Cement and Concrete Research, 2005, vol. 27 (9-10), pp. 914-919. [6] Von Konow, Thorborg Aggregate grain size distribution: a major influence on many properties of lime mortars for restoration. In Euromat 2003 - European Congress on Advanced Materials and Processes, Symposium P2 - Materials and Conservation of Cultural Heritage. Lausanne, 2003, 9 p. [7] Catinaud, S. et al, Influence of limestone addition on calcium leaching mechanisms in cement-based materials. Cement and Concrete Research, 2000, vol. 30 (12), pp. 1961-1968. [8] Veiga, Maria Rosário et al. Conservação e renovação de revestimentos de paredes de edifícios antigos. Lisboa: LNEC, Julho de 2004. Colecção Edifícios, CED 9. [9] Moropoulou, Antonia et al. Correlation of physico-chemical and mechanical properties of historical mortars and classification by multivariate statistics. Cement and Concrete Research 33, 2003, pp. 891-898. [10] Veiga, Maria Rosário; Carvalho, Fernanda Argamassas de reboco para edifícios antigos. Requisitos e características a respeitar. Lisboa: LNEC, Outubro de 2002. Cadernos de Edifícios, n.º 2, pp. 39-55. [11] Instituto Português da Qualidade (IPQ) Cal de construção - Parte 1: Definições, especificações e critérios de conformidade. Lisboa, 2011. NP EN 459-1. [12] IPQ Métodos de ensaio de cimentos - Parte 1: Determinação das resistências mecânicas Lisboa, 2006. NP EN 196-1 [13] Comité Européen de Normalisation (CEN) Methods of test for mortar for masonry - Part 2: Bulk sampling of mortars and preparation of test mortars. Brussels, 1998. EN 1015-2. [14] CEN Methods of test for mortar for masonry - Part 11: Determination of flexural and compressive strength hardened mortar. Brussels, 1999. EN 1015-11. [15] IPQ Métodos de ensaio para pedra natural. Determinação do módulo de elasticidade dinâmico (através da medição da frequência de ressonância fundamental). Lisboa, 2006. NP EN 14146. [16] CEN Methods of test for mortar for masonry - Part 18: Determination of water absorption coefficient due to capillary action of hardened rendering mortar. Brussels, 2002. EN 1015-18. [17] IPQ Métodos de ensaio para pedra natural: Determinação das massas volúmicas real e aparente e das porosidades total e aberta. Lisboa, 2008. NP EN 1936. 8