ADERÊNCIA DE SISTEMAS CERÂMICOS: USO DE MATERIAL ALCALINAMENTE ATIVADO.
Gomes, K.C.a* ; Rego, S.R. a; Felix, J. a; Torres, S.M. a; De Barros, S. a; Barbosa, N.P. a
a Universidade Federal da Paraíba – UFPB. João Pessoa ;kcgomes1411@gmail.com, sostenes_rego@yahoo.com.br, sandromardentorres@yahoo.co.uk,
silvio.debarros@gmail.com, nperazzo@lsr.ct.ufpb.br
* Membro correspondente
RESUMO
O descolamento de placas cerâmicas de revestimento em edificações é um problema que ainda persiste em diversas construções modernas. Embora disponham de um conjunto de técnicas específicas para a prevenção de quedas de materiais de fachadas, estes descolamentos acontecem principalmente em fachadas que são sujeitas a diversos fatores: a incidência de raios solares nas superfícies, diferentes coeficientes de dilatação dos materiais constituintes dos substratos das fachadas. Neste trabalho investigou-se a aderência do sistema porcelanato-adesivo-substrato através dos ensaios de propagação de fissura em modo misto MMF (Mixed-Mode Flexure Test). Para tanto, foram utilizados dois tipos de adesivos: um adesivo comercial classificado pela norma brasileira de alta aderência (ACIII-E) e outro desenvolvido através da ativação alcalina de metacaulinita (geopolímero). Os sistemas colados foram submetidos a temperaturas ambiente e 50oC. Em geral, os adesivos a base de geopolímero tiveram melhor aderência, especialmente a temperaturas mais elevadas.
Palavras-chave: revestimento cerâmico, ativação alcalina, aderência, sistemas colados.
1. INTRODUÇÃO
Embora disponha de um conjunto de técnicas específicas para a prevenção de quedas de materiais de fachadas, o descolamento de placas cerâmicas de revestimento em edificações é um problema que ainda persiste em diversas construções modernas. Estes descolamentos acontecem principalmente em fachadas que são sujeitas a diversos fatores, mas, principalmente, a incidência de raios solares nas superfícies, aliados aos diferentes coeficientes de dilatação dos materiais constituintes dos substratos das fachadas, que contribuem para deformações diferenciais, gerando tensões superiores aquelas dos substratos. Contudo, a definição da norma sobre aderência aparenta ser bastante simplista, não considerando fatores como: tipo de cerâmicas de revestimentos, tipo de argamassas, materiais constituintes da base, temperatura de exposição, etc.
Por sua vez, parâmetros como, por exemplo, a presença de uma fissura inicial, que reduziria significativamente a resistência dita de aderência, além dos gradientes de temperatura e possíveis variações na espessura do material colante não são contemplados pelas referidas normas. Isto pode ser avaliado de acordo com a mecânica do dano onde, quanto maior a fissura inicial menor a força de aderência de um sistema colado [1].
O processo de degradação da colagem durante toda a fase de carregamento até a ruptura total tem sido investigado por modelos de degradação interlaminar nos materiais compósitos [2, 3] e, posteriormente, adaptados à problemática da colagem estrutural. O fenômeno físico representado por esses modelos é exatamente o mesmo que se deseja estudar no caso das placas cerâmicas aderidas com argamassa colante: a aderência entre os substratos.
Neste trabalho utilizou-se o ensaio em modo misto ou MMF (Mixed Mode Flexure) que combinam os esforços de tração (devido a expansões térmicas diferenciais) e de cisalhamento (devido ao escorregamento e tensões devido ao peso próprio das camadas aderidas), ou seja, modos I (abertura pura) e II (cisalhamento puro) de propagação, sendo um dos mais comuns para placas coladas.
Investigações de campo realizadas na cidade de João Pessoa [1] constataram que a maioria dos descolamentos em fachadas revestidas com material cerâmico se deu entre a interface entre o material cerâmico e o adesivo, principalmente em superfícies da fachada expostas a maior incidência solar. Desta forma, observa-se que a temperatura tem um efeito complexo nas propriedades mecânicas da argamassa colante, pois se por um lado contribui para a hidratação da argamassa, por outro pode gerar tensões diferenciais e reduzir a aderência do sistema colado.
Por sua vez, os geopolímeros vêm despertando grande interesse na comunidade científica devido a suas elevadas propriedades termomecânicas, além de contribuir para a redução de emissões poluentes, imobilização de resíduos industriais, permitindo assim seu uso tanto em estruturas como em compósitos [4-6]. Contudo, sua aplicação como adesivo em revestimentos de fachadas de edificações ainda é bastante escasso de acordo com a revisão bibliográfica, embora já tenha sido apresentada suas elevadas propriedades adesivas para placas metálicas e vidros, superiores a resinas epóxicas, principalmente em temperaturas elevadas (400oC) [7, 8].
Desta forma, este trabalho se propõe a investigar o efeito da ciclagem térmica na aderência e no comportamento mecânico de sistemas colados compostos por revestimento cerâmico-adesivo-substrato, bem como nas suas interfaces, contribuindo para o entendimento de condições de utilização de peças em estruturas reais sujeitas a variações térmicas cíclicas, alem de contribuir para o desenvolvimento de tecnologias sustentáveis através da utilização de materiais geopoliméricos em substituição as argamassas colantes tradicionais.
2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Materiais
2.1.1. Material Cerâmico
Neste trabalho foi utilizado um tipo de porcelanato polido em duas cores (branco e preto) com o objetivo de avaliar a influência da cor do revestimento cerâmico na aderência dos sistemas colados.
2.1.2. Argamassa Colante e Metacaulinita
Foi utilizada, neste trabalho, a argamassa colante ACIII-E classificada pela norma brasileira como um adesivo comercial de alta aderência e o geopolímero de metacaulinita.
O espectrômetro de florescência de raios-x por comprimento de onda em equipamento Shimadzu XRF-1800 foi utilizado para a caracterização química da metacaulinita (matéria-prima da síntese do geopolímero). Os resultados estão descritos na Tabela 01.
Tabela 01: Composição Química da Metacaulinita.
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3
Metacaulinita 62,96 34,61 0,63 0,05 0,12 0,07 1,34 0,04 2.1.2. Ativador Alcalino
Utilizou-se o silicato de sódio como ativador, cuja composição química pode ser observada na tabela 02.
Tabela 02: Composição química do Silicato de Sódio.
SiO2 Na2O H2O
Ativador 36,25 16,63 47,12
2.2 Métodos
2.2.1 Preparação das Pastas
A preparação das argamassas foi realizada por meio de processo manual de acordo com as especificações da argamassa colante para a cola ACIII-E e no caso do geopolímero de metacaulinita com o objetivo de avaliar a viabilidade da síntese de materiais resistentes que não necessitam de uma produção especializada.
2.2.2 Condições de Cura
Os sistemas colados foram submetidos a diferentes regimes de cura, de acordo com a tabela 03.
Tabela 03: Regimes de cura aos quais os sistemas colados foram submetidos (tempo acumulado).
Tipo 1/dia 7/dias
Regime Normal 30oC 30oC
Regime com Irradiação Cíclico: 55ºC por 4 horas ao dia O regime cíclico ocorreu de acordo com o diagrama apresentado na Figura 01.
Onde: t = temperatura
H = h = altura para atingir a temperatura de 50oC
Figura 01: Esquema de sistema térmico de irradiação cíclica.
O sistema térmico de irradiação cíclica foi projetado por Rego e Torres (2007). Consta de uma fonte de irradiação, na parte superior do equipamento conectado a um temporizador. Este sistema atinge a temperatura de 50°C em toda a superfície inferior onde foram colocados os corpos de prova.
2.2.3 Testes de Propagação de Fissuras (Ensaio em Modo Misto - MMF)
Os ensaios de propagação de fissuras realizados neste trabalho foram conduzidos em um equipamento de ensaios universais da Shimadzu Servopulser, no Laboratório de Solidificação Rápida da UFPB. Foi utilizado o teste de Modo Misto (MMF), para a realização dos ensaios de aderência, que podem ser observado na Figura 02.
Figura 02: Realização do Ensaio MMF para revestimentos cerâmicos.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1 Propagação da Primeira Fissura
3.1.1 Porcelanato com Fissura Inicial (CF) em Regime de Temperaturas Variadas (30oC e 50oC)
A Figura 03 apresenta a força de propagação da primeira fissura dos porcelanatos, submetidos à temperatura ambiente e 50oC em função do tipo de cola e da cor do porcelanato.
Figura 03: Força de propagação de fissura em função do tipo de cola (ACIII-E e MK), da cor do revestimento (branco e preto) e da temperatura (30oC ou 50oC).
Na Figura 03, observa-se que os porcelanatos colados com geopolímero de metacaulinita apresentaram forças de propagação da primeira fissura maiores quando comparadas com os porcelanatos colados com ACIII-E, tanto para os porcelanatos brancos quanto para os pretos, quando submetidos à temperatura ambiente. Pode-se observar ainda que os porcelanatos de cor branca colados com metacaulinita apresentaram força da ordem de 3,6 vezes maior, aproximadamente, quando comparados com os sistemas colados com ACIII-E. Já para os porcelanatos de cor preta colados com metacaulinita, a força de propagação da fissura foi em torno de 40% maior quando comparados com a argamassa colante ACIII-E.
Observa-se ainda que os porcelanatos submetidos à temperatura de 50oC apresentaram um comportamento semelhante daqueles submetidos à temperatura ambiente. Pode-se observar ainda que os porcelanatos brancos colados com metacaulinita apresentaram força 4 vezes maior quando comparados com os colados com ACIII-E e os porcelanatos pretos a ordem de aproximadamente 2,5 vezes maior, evidenciando, assim, o efeito positivo da elevação da temperatura para os sistemas colados com metacaulinita.
3.1.2 Porcelanato sem Fissura Inicial (SF) em Regime de Temperaturas Variadas (30oC e 50oC)
A Figura 04 apresenta a força de propagação da primeira fissura dos porcelanatos, submetidos à temperatura ambiente e 50oC em função do tipo de cola e da cor do porcelanato.
Na Figura 04, observa-se um comportamento semelhante dos sistemas colados que apresentavam uma fissura inicial. Contudo, as forças de propagação da primeira fissura apresentaram valores maiores como o esperado, uma vez que possuíam uma colagem mais eficiente, isto é, aproximadamente 100% da superfície colada.
Pode-se observar ainda que os porcelanatos de cor branca colados com metacaulinita apresentaram força da ordem de 3,3 vezes maior quando comparados com os colados com ACIII-E, no regime de temperatura ambiente. Já para os porcelanatos de cor preta colados com metacaulinita, a força de propagação da fissura foi em torno de 40% maior quando comparados com os sistemas colados com a argamassa colante ACIII-E.
Para os porcelanatos submetidos à temperatura de 50oC observa-se que os porcelanatos brancos colados com metacaulinita apresentaram força 5 vezes maior, aproximadamente, quando comparados com os de ACIII-E e os porcelanatos pretos aproximadamente 3,2 vezes maior. Observa-se ainda que a eficiência na colagem contribui de forma significativa na aderência dos revestimentos de fachadas das edificações.
4. CONCLUSÃO
A temperatura teve um efeito adverso nos sistemas cerâmicos colados, dependendo do tipo de material adesivo utilizado. Enquanto este efeito foi negativo para o sistema contendo argamassa colante do tipo ACIII-E, o aumento da temperatura resultou numa maior eficiência quando o adesivo foi o de metacaulinita alcalinamente ativada.
De modo geral, em ambos os sistemas colados (com geopolímero ou com argamassa colante ACIII-E), os porcelanatos brancos apresentaram maior resistência quando comparadas com os porcelanatos de cor preta, tanto para os submetidos a temperatura ambiente quanto para os submetidos à ciclagem térmica.
A presença de fissuras iniciais nos sistemas colados (falhas na colagem das peças cerâmicas) acarretou em redução da resistência adesiva de ambos os sistemas colados.
Embora o sistema a base de geopolímero de metacaulinita tenha sido mais sensível à presença da fissura em regime cíclico de temperatura, os seus sistemas obtiveram forças superiores aos sistemas com ACIII-E da ordem de 3 a 5 vezes maior. Em temperatura ambiente, a presença da fissura atuou negativamente em ambos os sistemas.
O geopolímero de metacaulinita tem potencial de ser utilizado como material adesivo para placas cerâmicas com desempenho mais elevado quando comparado com a argamassa colante ACIII-E, tanto para temperaturas amenas (30oC) quanto para o regime de variação cíclica da temperatura (50oC).
5. REFERÊNCIAS
[1] REGO, S.R.; Aderência de placas cerâmicas submetidas a variações térmicas cíclicas - Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-graduação em Eng. Mecânica da Universidade Federal da Paraíba – PB, 2008.
[2] CHABOCHE, J. L.; FEYEL, F.; MONERIE, Y. Interface debonding models: a viscous regularization with a limited rate dependency. International Journal of Solids and Structures, 38(18):3127–3160, 2001.
[3] MI, Y., M.A., CRISFIELD,G.A.O., DAVIES, H. B. HELLWEG. Progressive delamination using interface elements. J. Composite Materials, 32 (14), 1246-1272, 1998.
[4] DAVIDOVITS, J. Synthesis of new high-temperature geo-polymers for reinforced plastics/composites. Annual Pacific Technology Conference Thecnical Displays, 4:
151-154 (1979).
[5] PALOMO, A.; PALACIOS, M. Alkali-activated cementitious materials: Alternative matrices for the immobilisation of hazardous wastes - Part II. Stabilisation of chromium and lead. Cement and Concrete Research 33(2):289-295. (2003).
[6] DUXSON, P et al. Geopolymer technology: the current state of the art. Journal Material Science, 42:2917–2933 (2007).
[7] GOMES, K.C. et al. Geopolymer Bonded Steel Plates. ETDCM8- 8th Seminar on Experimental Techniques and Design in Composite Materials. 3-6 October 2007 – Sant’Elmo Beach Hotel – Castiadas – Costa Rei – Sardinia (Italy). (2000b).
[8] LATELLA B.A., PERERA, D. S., ESCOTT, T. R., Cassidy, D. J. Adhesion of glass to steel using a geopolymer. J. Mater Sci 41 1261–1264 (2006).
