Durabilidade de Materiais à Base de Cimento
Prever a durabilidade dos materiais utilizados em construção civil, através de ensaios de laboratório, é ainda um aspecto pouco estudado atualmente. Devido à falta de normalização que proporcionaria uma metodologia adequada ao estudo do envelhecimento do material, encontra-se muitas adaptações feitas para avaliar a durabilidade dos materiais utilizando outros métodos, como por exemplo, o método de secagem-molhagem utilizado em solo-cimento.
Segundo Mehta e Monteiro [1994], de acordo com a ACI – American Concrete Institute, a durabilidade do concreto de cimento Portland é definida como a sua capacidade de resistir à ação das intempéries, ataques químicos, abrasão ou qualquer outro processo de deterioração, isto é, o concreto durável conservará sua forma original, qualidade e capacidade de utilização quando exposto ao seu meio ambiente.
Pode-se afirmar, aportando-se à Ciência dos Materiais, que as interações ambientais à que os materiais estão expostos, influenciam na microestrutura do material e, claro, nas suas propriedades que variam ao longo do tempo.
De acordo com Agopyan e col. [1997], a avaliação da durabilidade é aspecto crítico, porém o mais importante em qualquer processo de desenvolvimento de um novo material. A avaliação da durabilidade inicia com a caracterização do ambiente e dos fatores de degradação relevantes em cada aplicação específica. Araújo e col. [1996], diz que a avaliação da vida útil consiste em medir o envelhecimento de uma propriedade relevante do material, ao longo do tempo, antes e após a sua exposição à situações de envelhecimento natural ou simuladas, de modo que a previsão da durabilidade possa ser efetuada.
Nessa dissertação considera-se indispensável estudar o envelhecimento do material à base de cimento constituído de uma argamassa com adição de resíduos sólidos industriais, visto a escassês de estudos nesta área, por falta de uma metodologia e equipamentos que possam simular as condições reais de exposição. Outro fator importante é o econômico, pois os custos de reparo e substituições em componentes de construção civil devido à falhas nos materiais têm se tornado cada vez mais frequentes.
Para se estudar a durabilidade de um material se faz indispensável o conhecimento dos chamados mecanismos de degradação, que sendo inúmeros e complexos, são os que interagem com os elementos construtivos ao longo de sua vida útil. É necessário que inicialmente se definam, o que constitue uma tarefa complexa, a gama de condições ambientais a que os materiais empregados em contrução civil interagem com o meio ambiente, sendo portanto, sensíveis a um conjunto de agentes de degradação com diversificados níveis de agressividade. Para Araújo e col. [1996], os agentes deletéreos atmosféricos são a umidade, água (é o primeiro agente degradante universal dos materiais), temperatura, radiação solar, radiação ultravioleta, gases de oxigênio (O, O2 e O3), gases ácidos, névoas salinas, bactérias, insetos e ventos com partículas em suspensão. Alerta-se que a combinação dos diferentes agentes climáticos produz um efeito maior de degradação ao material do que cada agente agindo separadamente sobre o material. Os outros agentes agressores são os provenientes do solo, isto é, sais, fungos, bactérias e insetos; agentes relativos ao uso, como por exemplo, os agentes químicos normais em uso doméstico e finalmente, os agentes decorrentes de vícios de projeto traduzidos na compatibilidade química, física, cargas permanentes e periódicas. De acordo com o autor Agopyan e col. [1997], deve-se alertar para a necessidade de um estudo profundo sobre os fatores de degradação, o que o mesmo caracteriza como fase crítica do processo, bem como os mescanismos de degradação associados, pois basear-se em experiências obtidas com materiais similares podem nos equivocar. Com essa colocação acima, pode-se exemplificar, para o concreto, onde a carbonatação de pastas de cimento é um conhecido fator de degradação em concretos. No entanto, quando se trata de compósitos reforçados com fibras sensíveis à álcalis, este mesmo processo deixa de ser fator de degradação para ser um mecanismo de estabilização química do processo. A sinergia entre os processos de degradação de cada fase, no caso de materiais com mais de uma fase, deve ser cuidadosamente analisada, porque desta sinergia podem surgir outros agentes degradantes. A interface entre o material e outros materiais durante o uso também segue a mesma idéia.
Existem alguns trabalhos que serão mais detalhados adiantes que mostram a análise do envelhecimento de materiais à base de cimento onde se analisa a variação de propriedades mecânicas antes, durante e após a exposição do material aos agentes de degradação em ciclos com tempos definidos. Essa análise pode ser chamada de indicador de degradação, que são definidos como propriedades utilizadas para medir o avanço da
degradação ao longo do tempo. Esses indicadores de degradação podem ser: resistência à compressão, resistência à tração, resistência à flexão, lixiviação, alongamento na ruptura.
Para avaliar a durabilidade de um compósito à base de cimento pode-se recorrer a três processos diferentes: (a) ensaio de envelhecimento acelerado que consiste em colocar o material exposto à elevadas concentrações dos fatores de degradação ou temperaturas elevadas que favorecem as reações químicas. (b) ensaio de envelhecimento natural que seria expor corpos-de-prova do material ao ambiente em que os mesmos seriam utilizados. No caso de fatores climáticos, a exposição é feita normalmente num ângulo de 30º na direção Norte (para o caso do hemisfério sul) e (c) estudos de deterioração em uso que envolveria um monitoramento de uma ou mais construções onde os materiais a serem analisados estivessem aplicados em condições reais de uso.
Alguns trabalhos já realizados utilizando metodologias variadas serão aqui abordados, visto que não há a possibilidade de se obter uma metodologia específica, pois para cada tipo de material e também de acordo com o seu uso, agentes de degradação diferentes estarão agindo e nos trabalhos aqui apresentados, percebe-se a diferença entre essas metodologias, bem como nos tempos dos ciclos de exposição dos materiais aos agentes degradantes.
O trabalho de Agopyan e col. [1997] trata de avaliar a durabilidade de compósitos de cimento e fibras vegetais (sisal e côco) através dos ensaios de envelhecimento existentes mostrados anteriormente. Os resultados apresentados envolvem um estudo de 12 anos simulando a ação de diferentes fatores. O emprego das fibras teve como principal objetivo, o que é normalmente citado em outros trabalhos envolvendo matrizes de cimento reforçadas com fibras, o melhoramento do compósito à cargas dinâmicas (impactos) e comportamento pós fissuração, visto que a presença da fibra diminue a velocidade de propagação da fissura. Segundo seus estudos anteriores com fibras, o emprego delas também reduz o risco da fissuração devido à retração por secagem de matrizes. Para avaliar a durabilidade das fibras, os fatores e mecanismos de degradação reportados foram a solubilidade da lignina em soluções fortemente alcalinas, a radiação ultra-violeta que age pelo mecanismo de fotodegradação (quebra de cadeias poliméricas). O último mecanismo foi desprezado visto que as fibras estão inteiramente embutidas na pasta. Os indicadores de degradação foram a resistência à tração, o alongamento na ruptura e a análise microestrutural da superfície da fibra. Na matriz, buscou-se uma redução de sua alcalinidade, desenvolvendo-se um tipo especial de cimento a fim de proteger a fibra. O
CO2 e a água foram um importante fator de degradação da matriz e a carbonatação o seu mecanismo. Os indicadores de degradação foram a lixiviação acompanhada por microscopia de superfície. Para o compósito, a interação entre a fibra e a matriz, ou seja, incompatibilidade física, como movimentação da fibra dentro da matriz provocando microfissuras e incompatibilidades químicas, como sensibilidade das fibras vegetais à ambientes alcalinos que, embora pequeno, foi considerado. Os indicadores de degradação foram a resistência à flexão, microestrutura e lixiviação. O compósito foi submetido à ensaios de envelhecimento acelerados, naturais e de uso. Para o ensaio de envelhecimento acelerado, os corpos de prova, com dimensões 10 x 50 x 200 mm foram submetidos ao QCT (Quick Condensation Test) composto de ciclos de molhagem-secagem acelerado, que simula a incompatibilidade física entre componentes. Os corpos de prova foram submetidos a ciclos de vapor de água à 100ºC e, a seguir, secagem a 45ºC. Foram adotados ciclos de 8 horas saturados e 8 horas expostos à secagem, com um total de 648 horas de exposição. A figura 4.1 mostra a comparação.
Figura 4.1 – Comparação dos resultados de envelhecimento acelerado através do QCT com resultados dos corpos de prova mantidos em condições normais de laboratório.
Para o envelhecimento natural, corpos de prova com 10 x 50 x 150 mm foram expostos na Estação de Envelhecimento natural do IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas) em São Paulo, com inclinação de 30º, na direção norte. A figura 4.2 mostra a evolução do módulo de ruptura observado no ensaio.
0 1 2 3 4 5 1 2
Módulo de Ruptura (MPa)
Figura 4.2 – Variação do módulo de ruptura no ensaio de envelhecimento natural.
O envelhecimento em condições de serviço está sendo avaliado em um protótipo de 20 m2, desde 1989, construído em painéis pré-moldados de compósito, revestidos com pintura PVA. O protótipo inclui paredes expostas a diferentes microclimas, como áreas secas internas, áreas úmidas expostas a águas servidas como banheiros, pia e tanque com o objetivo de maximizar condições de lixiviação e biodeterioração, alguns painéis foram deitados no chão e, sem qualquer pintura de proteção, foram deixados em contato direto com o solo e expostos à chuva. Após três anos de uso o único dano, atesta o autor, possível de detectar visualmente foi a ocorrência de pontos de lixiviação. Foi observado também um crescimento de microorganismos na região exposta aos respingos produzidos pela pia de lavar louças. As paredes externas e internas encontram-se em perfeitas condições após mais de 8 anos de exposição. Atualmente estão sendo analisadas as fibras em microscopia eletrônica de varredura e óptico. Os primeiros resultados mostram que, embora com aparência mais opaca que as fibras novas, as fibras aparentemente não sofreram qualquer tipo de dano, como o desfibramento característico do ataque alcalino.
Concluindo esta primeira exposição, os resultados mostram que a durabilidade do material é um sucesso. O estudo apresentado de durabilidade possibilitou melhorar o sistema pela redução de gipsita, o que permitiu também a redução do custo de produção.
O trabalho de Araújo e col. [1996], através do ensaio de molhagem-secagem para solo-cimento, teve como objetivo avaliar a durabilidade de uma argamassa alternativa com cal pozolânica. O ensaio submeteu 280 corpos de prova, divididos em cinco períodos de cura, ou seja, um total de 56 corpos de prova para cada classe. Foram feitas modificações com relação à norma de dosagem e métodos de ensaios de solo-cimento, para que o mesmo pudesse ser utilizado na avaliação da durabilidade das argamassas alternativas. Todos os
corpos de prova foram curados em um tanque de imersão. Após 2 horas, 4 corpos de prova foram submetidos ao ensaio de compressão. Outros 4 corpos de prova permaneceram em câmara de imersão. O restante foi então submetido à ciclos de molhagem e secagem. Eles, foram primeiramente retirados da câmara de imersão e levados à estufa à 71ºC durante 42 horas. Ao término do primeiro ciclo, quatro corpos de prova foram rompidos na prensa manual, determinando-se suas resistências à compressão. Os outros corpos de prova foram submetidos ao segundo ciclo de molhagem secagem, isto é, passaram 5 horas imersos e 42 horas em estufa, sendo então rompidos por compressão, e assim sucessivamente até o 12º ciclo. No final foram rompidos os 4 corpos de prova que ficaram imersos durante todos os 12 ciclos para comparar os resultados com os do envelhecimento acelerado. Foram feitas análises para cura de 28, 60, 90 e 180 dias. As aplicações das argamassas foram para tijolos e revestimentos. Os resultados dos ensaios estão nas figuras 4.3 a 4.10.
Figura 4.3 – Variação da Resistência à Compressão Simples R.C.S. (MPa) da argamassa alternativa para assentamento de tijolo, traço 0,45:4:28, cura de 28 dias, em função dos
ciclos de molhagem e secagem.
Figura 4.4 – Variação da R.C.S. (MPa) da argamassa alternativa para assentamento de tijolo, traço 0,45:4:28, cura de 60 dias, em função dos ciclos de molhagem e secagem.
Figura 4.5 – Variação da R.C.S. (MPa) da argamassa alternativa para assentamento de tijolo, traço 0,45:4:28, cura de 90 dias, em função dos ciclos de molhagem e secagem.
Figura 4.6 – Variação da R.C.S. (MPa) da argamassa alternativa para assentamento de tijolo, traço 0,45:4:28, cura de 180 dias, em função dos ciclos de molhagem e secagem.
Figura 4.7 – Variação da R.C.S. (MPa) da argamassa alternativa para revestimento, traço 0,29:2:9, cura de 28 dias, em função dos ciclos de molhagem e secagem.
Figura 4.8 – Variação da R.C.S. (MPa) da argamassa alternativa para revestimento, traço 0,29:2:9, cura de 60 dias, em função dos ciclos de molhagem e secagem.
Figura 4.9 – Variação da R.C.S. (MPa) da argamassa alternativa para revestimento, traço 0,29:2:9, cura de 90 dias, em função dos ciclos de molhagem e secagem.
Figura 4.10 - Variação da R.C.S. (MPa) da argamassa alternativa para revestimento, traço 0,29:2:9, cura de 180 dias, em função dos ciclos de molhagem e secagem.
Verifica-se sobre as figuras 4.3 à 4.10 um comportamento característico para os traços estudados. Para todos eles, há no início do ensaio, um aumento nos valores de R.C.S. evidenciando que o período de cura não se completou [ARAÚJO e col.,1996]. Esse aumento é percebido até o 4º ou 5º ciclo de molhagem e secagem, ocorrendo a partir daí, um decréscimo desses valores, resultantes do fenômeno de envelhecimento da argamassa
alternativa. Percebe-se que para os períodos de cura mais longos (Fig 4.6 e 4.10), esse efeito não é tão evidente. Estudos de envelhecimento para 360 dias ainda estão em andamento. Outros trabalhos que dão continuidade a este estudo de envelhecimento da argamassa com cal pozolânica mostram que a presença de materiais pozolânicos nas argamassas de alvenaria e revestimento aumenta a sua sensibilidade às condições simuladas no ensaio de durabilidade, ou seja, de acordo com os valores máximo e mínimos de R.C.S. aos ciclos de molhagem-secagem as argamassas alternativas com cais pozolânicas são mais influenciadas pelos agentes degradantes.
Veiga e Carvalho [1998] sob a tendência dominante em regiões da Europa para a recuperação de aspectos fundamentais de técnicas e materiais antigos para intervenções em edificações antigas, avaliaram argamassas de cal que reportam as melhores características de compatibilidade com as alvenarias antigas já existentes. As dúvidas no que concerne à prescrição de argamassas de cal aérea, sua resistência e sua durabilidade, tanto quanto a sua capacidade para proteger paredes de alvenaria contra a água da chuva levaram a avaliar o desempenho através de ensaios específicos nos quais um deles foi o ensaio de durabilidade, ou seja, ensaio de desgaste acelerado para as argamassas de cal. O ensaio de durabilidade revela-se importante, pois os requisitos para o uso de argamassas em paredes antigas está no seu desempenho contra o dano e a aceleração da degradação das paredes antigas. Foram utilizados 4 corpos de prova preparados para cada traço de argamassa apresentando um revestimento de 10 mm aplicado nas faces de 3 tijolos com uma área de 300 mm x 220 mm cada e uma pequena placa de alvenaria com 3 filas e 2 colunas de tijolos que foram curados por 28 dias em laboratório por 23 +/- 2ºC e 50 +/- 5% de umidade relativa. Esse ensaio inclui 10 ciclos durante 10 dias de calor-frio de 24 horas cada, onde a temperatura é de 60 ºC durante 8 horas e –15 ºC durante 15 horas, 10 ciclos de calor-chuva com temperatura de 70 ºC durante 3 horas e 1 litro/minuto de água durante 5 horas, secagem durante 16 horas, um ciclo chuva-gelo com chuva durante 8 horas e temperatura de -15ºC durante 15 horas e uma espera de 1 hora entre os ciclos para mudar de corpos de prova e as condições. Os testes foram aplicados em uma argamassa de cimento, cimento-cal e duas de cal com dois tipos de areias diferentes (areia de rio e areia de minas de carvão) com o objetivo de avaliar a influência do tipo de areia, isto é, o conteúdo de argila em argamassas de cal. Os resultados dos testes mostraram que uma boa resistência ao desgaste foi observado para todas as argamassas nos ciclos calor-frio e calor-chuva onde nenhuma degradação foi observada. Nos ciclos de gelo-degelo as
argamassas de cal mostraram degradação já no segundo ciclo, enquanto argamassa de cimento e cimento-cal não apresentaram nenhuma degradação.