Comportamento acústico de argamassas de desempenho
térmico melhorado
Pedro Miguel Simões Afonso
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Orientadores
Prof.º Dr. Albano Luís Rebelo da Silva das Neves e Sousa
Prof.ª Dr.ª Inês dos Santos Flores Barbosa Colen
Júri
Presidente: Prof.º Dr. Augusto Martins Gomes
Orientador: Prof.º Dr. Albano Luís Rebelo da Silva das Neves e Sousa
Vogal: Prof.ª Dr.ª Maria Paulina Santos Forte de Faria Rodrigues
Agradecimentos
A realização deste trabalho e o fim deste ciclo no IST só foi possível graças à colaboração, apoio e encorajamento de algumas pessoas – um conjunto tão vasto que a sua lista completa não caberia nestas páginas. No entanto há algumas a quem faço questão de agradecer:
À professora Inês Flores-Colen e ao professor Albano Neves e Sousa, orientadores científicos desta dissertação, pela informação e conhecimentos partilhados sobre o tema, pelo rigor incansável na análise de resultados e revisão da dissertação, e por todo o incentivo e confiança demonstrados ao longo deste trabalho.
Ao Eng. António Soares, bolseiro de investigação no IST, pela amizade e paciência inesgotáveis e pelo apoio e partilha de conhecimentos ao longo de todo o trabalho.
Ao professor Manuel Pereira, pelas sugestões valiosas e ajuda prestada na realização dos ensaios de resistividade ao ar e microtomografia, bem como à Mónica Gominho, aluna de mestrado do IST, pela obtenção das imagens da lupa binocular e microtomografia, e à Maria Júlio, bolseira de investigação no IST, pela realização dos ensaios de porosimetria de mercúrio.
Ao Sr. Leonel Silva e Sr. João Lopes, técnicos do Laboratório de Construção do IST, pela simpatia e apoio prestado na realização dos ensaios realizados para esta dissertação, e ao Eng. Tiago Barroqueiro pela ajuda inicial prestada em alguns dos ensaios.
A todos os meus colegas que desenvolveram dissertações em paralelo com a minha e a todos os amigos que, ao me acompanharem durante o último ano no laboratório e no IST, fizeram com que este tenha sido infinitamente mais fácil – em especial ao Alexandre Silva, com quem fiz todo o meu percurso universitário, ao Rui Carrajola e à Patrícia Gameiro. Finalmente, um agradecimento especial à Andreia Borges, por todas estas razões e muitas mais.
Às empresas Secil, Diasen, Weber, Amorim e Argex pelo fornecimento dos materiais utilizados neste trabalho.
À FCT (Fundação para a Ciência e a Tecnologia), já que este trabalho foi desenvolvido no âmbito do projeto de investigação FCT PTDC/ECM/11826/2010 NANORENDER – Performance of sílica nanoaerogel – based renders.
Por último, um agradecimento especial aos meus pais – pela ajuda, motivação, preocupação e carinho constantes ao longo desta etapa da minha vida, sem os quais jamais teria sido possível; e ao meu irmão, tios e restante família e amigos que de alguma forma contribuíram para a minha formação universitária e pessoal.
Resumo
Nas últimas décadas, a redução do impacto ambiental têm vindo a tomar uma importância cada vez maior na concepção e construção de edifícios. Ao mesmo tempo, as exigências de conforto térmico e acústico presentes em vários regulamentos nacionais e europeus (REH, RRAE, entre outros) fazem crescer a necessidade de se produzirem novos materiais e sistemas de revestimento capazes de oferecer um elevado desempenho térmico e acústico sem reduzir demasiado a sua resistência mecânica. Entre estas soluções encontram-se as argamassas de desempenho térmico melhorado, as quais podem ser obtidas, por exemplo, através da incorporação de agregados isolantes.
Este trabalho pretende caracterizar o comportamento acústico de argamassas com comportamento térmico melhorado, através da incorporação de agregados isolantes (nanoaerogel de sílica, argila expandida, granulado de cortiça expandida e poliestireno expandido). Para este efeito, foram produzidas, em laboratório, duas argamassas industriais e cinco argamassas tradicionais com boas características térmicas, em que a areia foi substituída totalmente por agregados isolantes. Foram também produzidas quatro argamassas de areia para fins comparativos. Em algumas destas argamassas foram utilizados adjuvantes (introdutores de ar, agente reológico e agente ligante). Foram realizados ensaios para determinação da absorção sonora, massa volúmica aparente, porosidade aberta, permeabilidade e resistividade ao fluxo de ar, velocidade de propagação de ondas ultra-sónicas,módulo de elasticidade dinâmico, módulo de torção, coeficiente de Poisson, resistência à compressão e condutibilidade térmica. Por último, avaliou-se a influência das características físicas e mecânicas das argamassas no seu comportamento acústico, através da aplicação de modelos previsionais existentes na literatura.
Foi possível concluir que o comportamento acústico das argamassas é afectado pela incorporação dos agregados isolantes e adjuvantes. Verificou-se que as argamassas com melhor desempenho térmico não foram as que obtiveram o melhor desempenho acústico, tendo as formulações com granulado de cortiça e argila expandida obtido bons resultados.
Palavras-chave
Abstract
In recent decades, the reduction of the environmental footprint has assumed a growing importance in the conception and construction of buildings. At the same time, the thermal and acoustic confort demands presented in various national and international regulations (such as REH, RRAE, among others) have given rise to the necessity of producing new materials and coating systems. Ideally, these must capable of offering an improved thermal and acoustic behaviour without compromising too much their mechanical performance. Mortars with improved thermal performance, which can be obtained, for example, through the incorporation of insulating aggregates, are one such solution. This study aims to characterize the acoustic behaviour of mortars with improved thermal performance, through the incorporation of insulating aggregates (silica nanoaerogel, expanded clay, granulated cork and expanded polystyrene). To this effect, two industrial and five traditional mortars with thermal properties were produced in the laboratory, in which sand was totally replaced by insulating aggregates. Four sand mortars were also produced for comparative purposes. In some of these mortars, additions were also used (air entrainment agent, rheologic agent and binding agent).
Various tests were conducted in order to evaluate the mortars’ sound absorption, namely bulk density, open porosity, permeability and airflow resistivity, ultrasonic pulse velocity, dynamic elasticity modulus, shear modulus and Poisson coefficient, compressive strength and thermal conductivity. Lastly, the influence of the mortars’ physical and mechanical properties on their acoustical performance was evaluated through the implementation of predictive models found in related literature.
In conclusion, the mortars’ acoustic behaviour was influenced by the incorporation of insulating aggregates and admixtures. The mortars with the best thermal performance didn’t register an improvement in acoustic performance, whereas the mortars containing cork granulate and expanded clay obtained high results of sound absorption.
Keywords
Índice geral
Agradecimentos ... I Resumo... III Abstract ... V Índice geral ... VII Índice de figuras ... X Índice de tabelas ...XVI Abreviaturas ... XVIII Simbologia ...XIX Alfabeto latino ...XIX Alfabeto grego ...XIX
1. Introdução ... 1
1.1. Considerações iniciais ... 1
1.2. Objectivos e metodologia da dissertação ... 2
1.3. Estrutura da dissertação ... 2
2. Estado da arte ... 5
2.1 Considerações gerais ... 5
2.2. Argamassas térmicas ou de desempenho térmico melhorado ... 5
2.2.1. Revestimentos de desempenho térmico melhorado ... 5
2.2.2. Características das argamassas de desempenho térmico melhorado ... 7
2.2.3. Constituintes das argamassas ... 8
2.5. Comportamento acústico de argamassas ... 16
2.6. Estudos já realizados sobre argamassas de comportamento térmico melhorado ... 20
2.7. Síntese do capítulo ... 28
3. Caracterização do trabalho experimental ... 29
3.1. Considerações gerais ... 29
3.2. Descrição geral do plano de ensaios ... 29
3.3. Caracterização dos materiais constituintes das argamassas... 31
3.3.1. Constituintes das argamassas tradicionais ... 31
3.3.2. Argamassas industriais ... 34
VIII
3.4.1. Provetes ... 35
3.5. Ensaios realizados no estado fresco ... 37
3.5.1. Consistência por espalhamento ... 37
3.5.2. Massa volúmica aparente ... 39
3.6. Ensaios realizados no estado endurecido ... 40
3.6.1. Absorção sonora ... 40
3.6.2. Porosidade aberta e massa volúmica aparente ... 41
3.6.3. Permeabilidade ao gás e resistividade ao fluxo de ar ... 45
3.6.4. Velocidade de propagação de ondas ultra-sónicas ... 47
3.6.5. Módulo de elasticidade dinâmico, módulo de torção e coeficiente de Poisson ... 49
3.6.6. Resistência à compressão ... 54
3.6.7. Condutibilidade térmica ... 56
3.6.8. Comprimento térmico e comprimento viscoso (microtomografia/lupa binocular) ... 57
3.7. Síntese do capítulo ... 59
4. Apresentação e discussão dos resultados ... 61
4.1. Considerações gerais ... 61
4.2. Caracterização das argamassas no estado fresco ... 61
4.2.1. Massa volúmica aparente ... 61
4.2.2. Consistência por espalhamento ... 64
4.3. Caracterização das argamassas no estado endurecido ... 65
4.3.1. Massa volúmica aparente ... 65
4.3.2. Porosidade aberta ... 69
4.3.3. Permeabilidade e resistividade ao fluxo de ar ... 72
4.3.4. Velocidade de propagação das ondas ultra-sónicas ... 74
4.3.5 Módulo de elasticidade dinâmico, módulo de torção e coeficiente de Poisson ... 78
4.3.6 Resistência à compressão ... 90
4.3.7. Coeficiente de condutibilidade térmica ... 95
4.3.8. Comprimento viscoso e comprimento térmico (lupa binocular/ microtomografia) ... 99
4.3.9. Absorção sonora ... 106
4.4. Síntese dos resultados ... 113
5.1. Considerações gerais ... 117 5.2. Modelos de cálculo ... 117 5.2.1. Modelo de Attenborough ... 117 5.2.2. Modelo de Allard-Johnson ... 120 5.3. Análise de sensibilidade ... 121 5.3.1. Procedimento ... 121 5.3.2. Modelo de Attenborough ... 122 5.3.2 Modelo de Allard-Johnson ... 125
5.3.3 Desempenho das argamassas em estudo ... 128
5.4. Conclusão do capítulo ... 131
6. Conclusões e desenvolvimentos futuros ... 133
6.1 Considerações finais... 133
6.2. Conclusões gerais ... 133
6.3. Propostas de desenvolvimentos futuros ... 136
Referências Bibliográficas ... 137
Anexos ... 1
Anexo A.4.1. Consistência por espalhamento ... 2
Anexo A.4.2. Massa volúmica aparente no estado endurecido... 3
Anexo A.4.3. Porosidade aberta ... 8
Anexo A.4.4. Permeabilidade e resistividade ao fluxo de ar... 11
Anexo A.4.5. Velocidade de propagação das ondas ultra-sónicas ... 15
Anexo A.4.6. Módulo de elasticidade dinâmico, módulo de torção e coeficiente de Poisson .... 18
Anexo A.4.7. Resistência à compressão... 20
Anexo A.4.8. Porosidade aberta e volume de poros (porosimetria de mercúrio) ... 21
Anexo A.4.9. Absorção sonora (exemplo de relatório de ensaio) ... 23
Anexo A.5.1. Curvas teóricas de Allard-Johnson para as argamassas ETradGC, FControlo (1ª produção) e IControlo ... 27
X
Índice de figuras
Figura 2.1 – Reparação de fissuras na estrutura de nanotubos de carbono (Raki et al, 2010) ... 12
Figura 2.2 – Igreja “Dives in Misericordia”, com propriedades de auto-limpeza, construída com betões com NanoTiO2 (Pacheco-Torgal & Jalali, 2010) ... 12
Figura 2.3 – Representação esquemática da estrutura do aerogel (Akimov, 2002, citado por Hanus & Harris, 2013) ... 13
Figura 2.4 – Estrutura do aerogel de sílica observada por MEV (Dorcheh & Abbasi, 2008, citado por Hanus & Harris, 2013) ... 13
Figura 2.5 – Estrutura do aerogel de sílica observada por MEV (Dorcheh & Abbasi, 2008, citado por Hanus & Harris, 2013) ... 13
Figura 2.6 – Agregados de cortiça expandida entre 2 e 3 mm de diâmetro (Asdrubali & Horoshenkov, 2002) ... 14
Figura 2.7 – Estrutura miscroscópica da cortiça observada por MEV (Brás et al, 2013) ... 15
Figura 2.8 – Granulado de cortiça [W1] ... 15
Figura 2.9 – Aglomerado de cortiça [W2] ... 15
Figura 2.10 – Grânulos de EPS [W3] ... 16
Figura 2.11 – Aplicação de placa de EPS para isolamento térmico [W4] ... 16
Figura 2.12 - Curvas-tipo de absorção sonora de vários materiais, em bandas de oitava (adaptado de Neves e Sousa (2013), citado por Pedroso (2014). Legenda: MP - Materiais porosos; RH - Ressoadores de Helmholtz; PFP - Painéis de face perfurada; PR - Painéis ressonantes. ... 18
Figura 2.13 – Curvas de absorção sonora experimental (esq.) e calculada pelo modelo de Allard-Johnson (dir.) obtidas por Knapen et al (2003) ... 24
Figura 3.1 – Molde com 2 provetes cilíndricos de diâmetro 99,5 mm e espessura 40 mm ... 31
Figura 3.2 – Molde de 4 provetes cilíndricos de diâmetro 28,5 mm e espessura 40 mm... 31
Figura 3.3 – Molde de 3 provetes prismáticos de 160x40x40 mm... 31
Figura 3.4 – Agregados de argila expandida ... 32
Figura 3.5 – Agregados de granulado de cortiça ... 32
Figura 3.6 – Agregados de aerogel ... 33
Figura 3.7 – Peneiração dos agregados ... 33
Figura 3.8 – Tensioactivos em pó ... 33
Figura 3.9 – Éter de celulose em pó ... 33
Figura 3.10 – Resina líquida com água ... 33
Figura 3.11 – Esquematização dos provetes cilíndricos ... 36
Figura 3.12 – Moldagem de provetes cilíndricos de diâmetro 99,5 mm e espessura 40 mm ... 36
Figura 3.13 – Moldagem de provetes cilíndricos de diâmetro 28,5 mm e espessura 40 mm ... 36
Figura 3.14 – Compactação das argamassas com pilão metálico... 37
Figura 3.15 – Compactação mecânica das argamassas ... 37
Figura 3.16 – Esquematização dos provetes prismáticos ... 37
Figura 3.18 – Compactação da argamassa com o pilão ... 38
Figura 3.19 – Compactação da argamassa através de 15 pancadas da mesa de espalhamento ... 38
Figura 3.20 – Medição do diâmetro de espalhamento ... 38
Figura 3.21 – Argamassa de aerogel durante a fase de mistura com formação de “espuma” ... 39
Figura 3.22 – Retracção de argamassa com tensioactivos ... 39
Figura 3.23 – Enchimento do recipiente com a argamassa ... 40
Figura 3.24 – Pesagem do recipiente contendo a argamassa ... 40
Figura 3.25 – Esquema de tubo de impedância utilizado para obtenção do coeficiente de absorção sonora [W5] ... 41
Figura 3.26 – Exemplo de ensaio de tubo de impedância para obtenção do coeficiente de absorção sonora [W6] ... 41
Figura 3.27 – Ensaio de porosidade através de tubos de ensaio ... 41
Figura 3.28 – Suportes de aço inoxidável ... 42
Figura 3.29 – Colocação da amostra no tubo ... 42
Figura 3.30 – Gel de sílica... 44
Figura 3.31 – Colocação das amostras no exsicador ... 44
Figura 3.32 – Balança para pesagem hidrostática ... 44
Figura 3.33 – Suporte com ranhuras de escoamento de gás ... 46
Figura 3.34 – Colocação do provete no suporte ... 46
Figura 3.35 – Fecho do suporte e ligação à mangueira de gás ... 46
Figura 3.36 – Permeâmetro PMI GP-M100A ... 46
Figura 3.37 – Mangueira de gás (nitrogénio) do permeâmetro... 46
Figura 3.38 – Equipamento Pundit Lab+ ... 48
Figura 3.39 – Transdutores de 54 kHz ... 48
Figura 3.40 – Transdutores de 150 kHz ... 48
Figura 3.41 – Aplicação de material de contacto (pasta de dentes) ... 48
Figura 3.42 – Medição do tempo de propagação das ondas ... 48
Figura 3.43 – Equipamento GrindoSonic MK5 ... 50
Figura 3.44 – Ensaio para obtenção da frequência de vibração à flexão ... 50
Figura 3.45 – Ensaio para obtenção da frequência de vibração à torção ... 50
Figura 3.46 – Ensaio para obtenção da frequência de vibração à flexão (provetes cilíndricos) ... 52
Figura 3.47 – Ensaio para obtenção da frequência de vibração à torção (provetes cilíndricos) ... 52
Figura 3.48 - Esquema do ensaio à tração por flexão (EN 1015-11 (CEN, 1999)) ... 55
Figura 3.49 – Ensaio de resistência à flexão ... 56
Figura 3.50 - Ensaio de resistência à compressão ... 56
Figura 3.51 – Equipamento Isomet 2114 ... 56
Figura 3.52 - Ensaio de condutibilidade térmica ... 56
Figura 3.53 – Geometria do leque de raios X (in: SkyScan, 2005, citado por Fontes, 2011) ... 57
Figura 3.54 – Reconstrução de um objecto usando vários ângulos de rotação (in: SkyScan, 2005, citado por Fontes, 2011) ... 58
XII
Figura 3.55 – Microtomógrafo de raios-X SkyScan ... 58 Figura 3.56 – Lupa binocular ... 58 Figura 4.1 – Massa volúmica no estado fresco das argamassas com incorporação de agregados
isolantes ... 62 Figura 4.2 – % de diferença na massa volúmica no estado fresco, relativamente à argamassa Icontrolo,
das argamassas tradicionais ... 62 Figura 4.3 – Massa volúmica no estado endurecido, pelo método hidrostático e geométrico ... 68 Figura 4.4 – % de diferença na massa volúmica no estado endurecido, relativamente à argamassa
Icontrolo, das argamassas tradicionais ... 68 Figura 4.5 – Relação entre a massa volúmica no estado endurecido e a porosidade aberta para as
argamassas de areia da 3ª e 4ª produções ... 71 Figura 4.6 – Exemplo de gráfico Caudal vs. Pressão obtido para a argamassa ETrad
GC ... 73 Figura 4.7 – Exemplo de gráfico Caudal vs. Pressão obtido para a argamassa DTrad
AE ... 73 Figura 4.8 - Velocidade de propagação das ondas ultra-sónicas ... 75 Figura 4.9 – % de diferença na velocidade das ondas ultra-sónicas, relativamente à argamassa Icontrolo , das argamassas tradicionais com substituição de agregados... 75 Figura 4.10 – Relação entre a velocidade de propagação das ondas ultra-sónicas e a massa volúmica
no estado endurecido ... 77 Figura 4.11 – Relação entre os valores da velocidade de propagação das ondas ultra-sónicas para 54
kHz e para 150 kHz ... 77 Figura 4.12 – Módulo de elasticidade dinâmico das argamassas com incorporação de agregados
isolantes (1ª e 2ª produções, calculado pelo software) ... 79 Figura 4.13 – Módulo de elasticidade dinâmico das argamassas com areia (calculado pelo software) ... 79 Figura 4.14 – % de diferença no módulo de elasticidade dinâmico, relativamente à argamassa IControlo , das argamassas tradicionais com substituição de agregados (calculado pelo software) ... 81 Figura 4.15 – Relação entre o módulo de elasticidade dinâmico (calculado pelo software) e a massa
volúmica no estado endurecido, para os provetes da 1ª e 2ª produções ... 82 Figura 4.16 – Relação entre a velocidade de propagação das ondas ultra-sónicas e o módulo de
elasticidade dinâmico (calculado pelo software), para os provetes prismáticos (2ª e 4ª produções) ... 82 Figura 4.17 – Relação entre os valores do módulo de elasticidade dinâmico calculados através da
norma ASTM E1876-01 e do software Genemod ... 83 Figura 4.18 – Relação entre os valores do módulo de elasticidade dinâmico dos provetes cilíndricos e
prismáticos (calculados pelo software Genemod) ... 83 Figura 4.19 – Módulo de torção das argamassas com incorporação de agregados isolantes (1ª e 2ª
produções, calculado pelo software) ... 85 Figura 4.20 – Módulo de torção das argamassas com incorporação de agregados isolantes da 3ª e 4ª
Figura 4.21 – % de diferença no módulo de torção, relativamente à argamassa IControlo, das argamassas tradicionais com substituição de agregados (calculado pelo software) ... 85 Figura 4.22 – Relação entre o módulo de elasticidade dinâmico e o módulo de torção, calculados pelo
software ... 86 Figura 4.23 – Relação entre os valores do módulo de elasticidade dinâmico calculados através da
norma ASTM E1876-01 e do software GENEMOD ... 86 Figura 4.24 – Coeficiente de Poisson das argamassas com incorporação de agregados isolantes.... 87 Figura 4.25 – % de diferença no coeficiente de Poisson, relativamente à argamassa IControlo
, das argamassas tradicionais com substituição de agregados (calculado pelo software) ... 88 Figura 4.26 – Relação entre o módulo de elasticidade dinâmico obtido experimentalmente e
calculado a partir da velocidade de propagação das ondas ultra-sónicas, para os provetes prismáticos ... 89 Figura 4.27 – Resistência à compressão das argamassas com incorporação de agregados isolantes ... 91 Figura 4.28 – % de diferença na resistência à compressão, relativamente à argamassa Icontrolo, das
argamassas tradicionais ... 91 Figura 4.29 – Relação entre a resistência à compressão e a massa volúmica no estado endurecido
das argamassas dos provetes prismáticos (2ª e 4ª produções) ... 94 Figura 4.30 – Relação entre a resistência à compressão e a velocidade de propagação das ondas
ultra-sónicas dos provetes prismáticos (2ª e 4ª produções) ... 94 Figura 4.31 – Relação entre a resistência à compressão e a porosidade aparente das argamassas de
areia (4ª produção) ... 95 Figura 4.32 – Relação entre a resistência à compressão e o módulo de elasticidade dinâmico dos
provetes prismáticos (2ª e 4ª produções) ... 95 Figura 4.33 – Coeficiente de condutibilidade térmica das argamassas com agregados isolantes ... 96 Figura 4.34 – Coeficiente de condutibilidade térmica das argamassas de areia ... 96 Figura 4.35 – % de diferença no coeficiente de condutibilidade térmica, relativamente à argamassa
IControlo, das argamassas tradicionais com substituição de agregados ... 97 Figura 4.36 – Relação entre o coeficiente de condutibilidade térmica e a massa volúmica no estado
endurecido ... 98 Figura 4.37 – Relação entre o coeficiente de condutibilidade térmica e a velocidade de propagação
das ondas ultra-sónicas ... 98 Figura 4.38 – Relação entre o coeficiente de condutibilidade térmica e o módulo de elasticidade
dinâmico ... 99 Figura 4.39 – Relação entre o coeficiente de condutibilidade térmica e a resistência à compressão . 99 Figura 4.40 – Argamassa ATradAG+AE, escala 1cm:500μm (lupa binocular) ... 101 Figura 4.41 – Argamassa BTradAG+GC, escala 1cm:250μm (lupa binocular) ... 101 Figura 4.42 – Argamassa CTradAG, escala 1cm:250μm (lupa binocular) ... 101 Figura 4.43 – Argamassa ATrad
AG+AE, escala 1cm:1mm (micro-CT) ... 101 Figura 4.44 – Argamassa BTrad
XIV Figura 4.45 – Argamassa CTrad
AG, escala 1cm:1mm (micro-CT) ... 101 Figura 4.46 – Argamassa DTradAE, escala 1cm:250μm (lupa binocular) ... 101 Figura 4.47 – Argamassa DTrad
AE, escala 1cm:1mm (micro-CT) ... 101 Figura 4.48 – Argamassa ETradGC, escala 1cm:250μm (lupa binocular) ... 102 Figura 4.49 – Argamassa ETrad
GC, escala 1cm:1mm (micro-CT) ... 102 Figura 4.50 – Argamassa FControlo, 1ª produção, escala 1cm:250μm (lupa binocular) ... 102 Figura 4.51 – Argamassa FControlo
, 1ª produção, escala 1cm:1mm (micro-CT) ... 102 Figura 4.52 – Argamassa FControlo, 3ª produção, escala 1cm:250μm (lupa binocular) ... 103 Figura 4.53 – Argamassa FControlo
, 3ª produção, escala 1cm:1mm (micro-CT) ... 103 Figura 4.54 – Argamassa GRef, escala 1cm:250μm (lupa binocular) ... 103 Figura 4.55 – Argamassa GRef
, escala 1cm:1mm (micro-CT) ... 103 Figura 4.56 – Argamassa Hcontrolo, escala 1cm:250μm (lupa binocular) ... 104 Figura 4.57 – Argamassa Hcontrolo
, escala 1cm:1mm (micro-CT) ... 104 Figura 4.58 – Argamassa Icontrolo, escala 1cm:250μm (lupa binocular) ... 104 Figura 4.59 – Argamassa Icontrolo
, escala 1cm:1mm (micro-CT) ... 104 Figura 4.60 – Argamassa JIndGC, escala 1cm:250μm (lupa binocular) ... 105 Figura 4.61 – Argamassa JInd
GC, escala 1cm:1mm (micro-CT) ... 105 Figura 4.62 – Argamassa KIndEPS, escala 1cm:250μm (lupa binocular) ... 105 Figura 4.63 – Argamassa KInd
EPS, escala 1cm:1mm (micro-CT) ... 105 Figura 4.64 – Sobreposição dos gráficos do coeficiente de absorção sonora em função da frequência
obtidos para as argamassas da 1ª produção... 107 Figura 4.65 – Sobreposição dos gráficos do coeficiente de absorção sonora em função da frequência
obtidos para as argamassas da 3ª produção... 108 Figura 4.66 - Sobreposição dos gráficos do coeficiente de absorção sonora em função da frequência
obtidos para todas as argamassas ... 110 Figura 4.67 – Relação entre a resistividade ao fluxo de ar e o coeficiente de absorção sonora médio e
máximo e NRC das argamassas da 1ª produção ... 112 Figura 4.68 – Relação entre a resistividade ao fluxo de ar e o coeficiente de absorção sonora médio e
máximo.e NRC das argamassas da 3ª produção ... 113 Figura 5.1 – Efeito da variação da porosidade aberta sobre a absorção sonora pelo modelo de
Attenborough (exemplo) ... 122 Figura 5.2 – Efeito da variação do factor de forma sobre a absorção sonora pelo modelo de
Attenborough (φ = 15º, r= 2040 kPa.
s/m2, σ = 60%) ... 123 Figura 5.3 – Efeito da variação do factor de forma sobre a absorção sonora pelo modelo de
Attenborough (φ = 75º, r= 3990 kPa.
s/m2, σ = 50%) ... 123 Figura 5.4 – Efeito da variação da resistividade ao fluxo de ar sobre a absorção sonora pelo modelo
de Attenborough (exemplo) ... 124 Figura 5.5 – Efeito da variação do ângulo dos poros sobre a absorção sonora pelo modelo de
Figura 5.6 – Efeito da variação do comprimento térmico sobre a absorção sonora pelo modelo de Allard-Johnson (exemplo) ... 125 Figura 5.7 – Efeito da variação do comprimento viscoso sobre a absorção sonora pelo modelo de
Allard-Johnson (exemplo) ... 125 Figura 5.8 - Efeito da variação da porosidade aberta sobre a absorção sonora pelo modelo de Allard-Johnson (Λ e r elevados, φ reduzido) ... 126 Figura 5.9 - Efeito da variação da porosidade aberta sobre a absorção sonora pelo modelo de Allard-Johnson (Λ, r e φ elevados) ... 126 Figura 5.10 – Efeito da variação da resistividade ao fluxo de ar sobre a absorção sonora pelo modelo
de Allard-Johnson (exemplo) ... 127 Figura 5.11 – Efeito da variação do ângulo dos poros sobre a absorção sonora pelo modelo de Allard-Johnson (exemplo) ... 127 Figura 5.12 – Comparação dos espectros de absorção sonora obtidos experimentalmente com os
previstos pelo modelo de Attenborough... 128 Figura 5.13 – Comparação dos espectros de absorção sonora obtidos experimentalmente com os
previstos pelo modelo de Attenborough para φ = 85º, sf=10, σ = 50% ... 129 Figura 5.14 – Comparação dos espectros de absorção sonora obtidos experimentalmente com os
previstos pelo modelo de Allard-Johnson ... 129 Figura 5.15 – Comparação dos espectros de absorção sonora obtidos experimentalmente com os
previstos pelo modelo de Allard-Johnson para φ = 15º e Λ = 0,30 μm, e φ = 75º e Λ = 5 μm .... 130 Figura 5.16 – Curva obtida pelo modelo de Allard-Johnson para a argamassa DTrad
AE (φ=60º, Λ = 15 μm) ... 131
XVI
Índice de tabelas
Tabela 2.1 – Requisitos para argamassas térmicas, segundo a norma EN 998-1 (CEN, 2010) ... 8
Tabela 2.2 – Influência dos nanomateriais sobre as argamassas de revestimento (adaptado de Flores-Colen et al, 2014) ... 12
Tabela 2.3 – Classificação de materiais absorventes segundo a norma EN 11654 (1997) ... 18
Tabela 2.4 – Características das argamassas estudadas por Soares et al (2015) e Silva et al (2015) 21 Tabela 2.5 – Características de argamassas isolantes acústicas ... 27
Tabela 3.1 – Composição das argamassas tradicionais ... 30
Tabela 3.2 – Distribuição granulométrica das curvas utilizadas (% de volume) ... 32
Tabela 3.3 – Baridade média dos agregados constituintes das argamassas tradicionais ... 33
Tabela 3.4 – Constituintes das argamassas industriais pré-doseadas produzidas em laboratório ... 34
Tabela 3.5 – Relação entre a massa volúmica e o espalhamento segundo a EN 1015-2 (CEN, 1998) ... 39
Tabela 3.6 – Número de ensaios realizados no estado endurecido ... 60
Tabela 4.1 – Massa volúmica média no estado fresco ... 61
Tabela 4.2 – Consistência por espalhamento no estado fresco ... 64
Tabela 4.3 – Massa volúmica média no estado endurecido dos provetes cilíndricos (1ª e 3ª produções) ... 66
Tabela 4.4 – Massa volúmica média no estado endurecido dos provetes prismáticos (2ª e 4ª produções) ... 67
Tabela 4.5 – Porosidade aberta média no estado endurecido dos provetes cilíndricos (1ª e 3ª produções) ... 69
Tabela 4.6 – Porosidade aberta média no estado endurecido dos provetes prismáticos (2ª e 4ª produções) ... 70
Tabela 4.7 – Permeabilidade média no estado endurecido das argamassas ensaiadas (provetes cilíndricos) ... 72
Tabela 4.8 – Resistividade média no estado endurecido das argamassas de 1ª e 3ª produções (provetes cilíndricos) ... 73
Tabela 4.9 – Velocidade de propagação de ondas ultra-sónicas, para os provetes prismáticos (2ª e 4ª produções) ... 75
Tabela 4.10 – Módulo de elasticidade dinâmico no estado endurecido, para os provetes cilíndricos (1ª e 3ª produções) ... 78
Tabela 4.11 – Módulo de elasticidade dinâmico no estado endurecido, para os provetes prismáticos (2ª e 4ª produções) ... 79
Tabela 4.12 – Módulo de torção no estado endurecido, para os provetes cilíndricos (1ª e 3ª produções) ... 84
Tabela 4.13 – Módulo de torção no estado endurecido, para os provetes prismáticos (2ª e 4ª produções) ... 84
Tabela 4.14 – Coeficiente de Poisson no estado endurecido, para os provetes cilíndricos (1ª e 3ª produções) ... 86
Tabela 4.15 – Coeficiente de Poisson no estado endurecido, para os provetes prismáticos (2ª e 4ª produções) ... 87 Tabela 4.16 – Módulo de elasticidade dinâmico obtido experimentalmente e calculado a partir da
velocidade de propagação das ondas ultra-sónicas ... 89 Tabela 4.17 – Resistência à compressão média para as argamassas de 2ª e 4ª produções (provetes
prismáticos) ... 90 Tabela 4.18 – Coeficiente de condutibilidade térmica para os provetes cilíndricos (1ª e 3ª produção) 95 Tabela 4.19 – Comprimentos térmicos e comprimentos viscosos estimados para as argamassas .. 105 Tabela 4.20 – Espectros de absorção sonora em função da frequência, para diâmetros de 28,5 e 99,5 mm, para frequências de 100 a 800 Hz ... 106 Tabela 4.21 – Espectros de absorção sonora em função da frequência, para diâmetros de 28,5 e 99,5 mm, para frequências de 1000 a 6300 Hz ... 107 Tabela 4.22 – NRC e classificação pela norma EN 11654 das argamassas analisadas à absorção
acústica (1ª e 3ª produções) ... 109 Tabela 4.23 – Síntese dos resultados obtidos para os provetes prismáticos (2ª e 4ª produções) ... 115 Tabela 4.24 – Síntese dos resultados obtidos para os provetes cilíndricos (1ª e 3ª produções) ... 116 Tabela 5.25 – Intervalos de variação dos parâmetros a introduzir nos modelos de Attenborough e
XVIII
Abreviaturas
APFAC – Associação Portuguesa dos Fabricantes de Argamassas de Construção ASTM – American Society for Testing and Materials
CEN – Comité Européen de Normalisation EN – European Standard
EPS - Expanded Polystyrene
ETIC - External Thermal Insulating system IPQ – Instituto Português da Qualidade
ISO – International Organization for Standardization IST – Instituto Superior Técnico
ITeCons – Instituto de Investigação e Desenvolvimento Tecnológico em Ciências da Construção LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil
NRC – Noise Reduction Coefficient
RCCTE – Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios REH – Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação
RILEM – Réunion Internationale des Laboratoires D’Essais et de Recherches sur les Matériaux et les Constructions
Simbologia
Alfabeto latino
Ed – módulo de elasticidade dinâmico G – módulo de torção
Lcanal – comprimento das ligações entre os poros m – massa
MV – massa volúmica
R – resistência ao fluxo de ar r – resistividade ao fluxo de ar Rc – resistência à compressão
Rs – resistência específica ao fluxo de ar V – volume
Vm – velocidade média de propagação das ondas ultra-sónicas
Alfabeto grego
α – coeficiente de absorção sonora
αw – coeficiente de absorção sonora ponderado δ – permeabilidade ao gás Λ – comprimento viscoso Λ’ – comprimento térmico λ – condutibilidade térmica ν – coeficiente de Poisson σ – porosidade aberta
ϕcanal – diâmetro das ligações entre os poros ϕporos – diâmetro dos poros
1. Introdução
1.1. Considerações iniciais
Recentemente, as exigências de conforto térmico e acústico têm vindo a adquirir uma importância cada vez maior na concepção e construção de edifícios. O REH (Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação), em vigor em Portugal desde 2013, é um exemplo de legislação que impõe requisitos de conforto térmico e acústico na construção, atingidos com um desperdício de energia tão baixo quanto possível (Veiga, 2010). Para além destas exigências, devem ser também tidas em conta as preocupações dos próprios utilizadores; num estudo de Pereira et al (2004), citado por Pedroso (2014), conclui-se que a maioria dos potenciais compradores e arrendatários de fogos de habitação tem como principal factor de escolha o seu conforto acústico, seguido apenas pela ausência de problemas de humidade.
Neste sentido, existe uma procura crescente por materiais capazes de combinar características de isolamento térmico e acústico com uma adequada resistência mecânica. Entre estes materiais encontram-se as argamassas de revestimento de desempenho térmico melhorado, as quais podem ser obtidas, por exemplo, através da substituição de areia por outros agregados com características isolantes. Estas constituem uma solução de revestimento capaz de oferecer uma baixa condutibilidade térmica, comprometendo o mínimo possível as suas características de durabilidade e resistência.
Apesar de alguns dos agregados leves utilizados normalmente na constituição destas argamassas serem relativamente bem conhecidos e disponíveis no mercado (tais como a cortiça e a argila expandida), têm vindo a surgir outros, como o nanoaerogel de sílica, cuja aplicação a argamassas de revestimento é ainda pouco estudada. Existem também poucos estudos que abordem o comportamento acústico de argamassas térmicas, sendo necessário analisar quais as características físicas e mecânicas que mais influenciam o seu desempenho.
No âmbito desta dissertação, foi realizada uma campanha experimental que visa estudar o comportamento acústico de argamassas de desempenho térmico melhorado, bem como avaliar quais os factores que o influenciam através da introdução de agregados isolantes (argila expandida, granulado de cortiça expandida e nanoaerogel de sílica). O trabalho experimental foi desenvolvido no âmbito de um projecto financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), intitulado
NANORENDER – Performance of silica nanoaerogel-based renders, através do qual se pretende
estudar o comportamento do nanoaerogel de sílica e as suas aplicações em argamassas de revestimento de paredes.
2
1.2. Objectivos e metodologia da dissertação
O objectivo desta dissertação é caracterizar o comportamento acústico de argamassas de desempenho térmico melhorado, tanto tradicionais como industriais, tendo em conta os estudos já realizados sobre este assunto. Desta forma, a dissertação seguiu a seguinte metodologia:
analisar experimentalmente a influência da incorporação de agregados isolantes (aerogel de sílica, granulado de cortiça expandida, argila expandida e EPS), bem como de vários adjuvantes (resina líquida, éter de celulose e tensioactivos em pó) na constituição de argamassas térmicas;
caracterizar acústica, física e mecanicamente estas argamassas através de ensaios de absorção sonora. porosidade e massa volúmica aparente, resistividade ao fluxo de ar, velocidade de propagação de ondas ultra-sónicas, módulo de elasticidade dinâmico, módulo de torção, coeficiente de Poisson, resistência à compressão, condutibilidade térmica, comprimento térmico e comprimento viscoso;
relacionar o desempenho físico e mecânico das argamassas com o seu desempenho acústico, de forma a avaliar quais são os parâmetros que mais o influenciam;
comparar os resultados obtidos através dos ensaios de absorção sonora com os previstos por modelos teóricos existentes na literatura (Attenborough e Allard-Johnson) e avaliar a sua sensibilidade/aplicabilidade nestas argamassas.
1.3. Estrutura da dissertação
A presente dissertação encontra-se dividida em 6 capítulos, além das referências bibliográficas e anexos.
No capítulo 1 faz-se um enquadramento e introdução ao tema, bem como a apresentação dos objectivos e estrutura da dissertação.
No capítulo 2 é feita uma síntese das características físicas, mecânicas e acústicas das argamassas de desempenho térmico melhorado, bem como dos materiais isolantes e adjuvantes que as constituem. Apresenta-se também uma recolha de estudos anteriores feitos sobre o tema, e de características de argamassas térmicas semelhantes às desta campanha experimental produzidas por outros autores ou disponíveis no mercado.
No capítulo 3 é descrito o trabalho experimental, passando pela descrição dos ensaios feitos no estado fresco e endurecido, tendo em vista a caracterização acústica, física e mecânica das argamassas.
No capítulo 4 são apresentados os resultados obtidos através dos ensaios experimentais descritos no capítulo 3, assim como a respectiva discussão e correlação .
No capítulo 5 é apresentada uma explicação dos modelos previsionais acústicos (Attenborough e Allard-Johnson) aplicados às argamassas. Em seguida, faz-se uma análise de sensibilidade destes modelos, tendo em conta os resultados obtidos na campanha experimental, e discute-se a sua aplicabilidade às argamassas estudadas através da comparação com os resultados do ensaio de absorção sonora obtido experimentalmente.
No capítulo 6 estão presentes as conclusões finais da dissertação. São também sugeridas algumas propostas para desenvolvimentos futuros, tendo em conta os resultados alcançados na campanha experimental e através da aplicação de modelos previsionais.
No final da dissertação, são apresentadas as referências bibliográficas consultadas no âmbito deste trabalho. Incluem-se também em anexo os resultados individuais dos ensaios realizados na campanha experimental.
2. Estado da arte
2.1 Considerações gerais
Neste capítulo apresenta-se uma perspectiva geral sobre argamassas com características térmicas com incorporação de agregados isolantes. Apresentam-se informações quanto às características e requisitos destas argamassas, bem como dos materiais (agregados e adjuvantes) que se têm vindo a aplicar na sua constituição, dando ênfase aos utilizados no âmbito da campanha experimental. Indicam-se também alguns estudos existentes sobre argamassas de desempenho térmico melhorado, tendo em vista a sua caracterização térmica e acústica.
2.2. Argamassas térmicas ou de desempenho térmico melhorado
2.2.1. Revestimentos de desempenho térmico melhorado
As argamassas de revestimento, especialmente as exteriores, constituem a primeira barreira contra os agentes de degradação de uma construção, assumindo por isso, além da componente estética, um papel de protecção; a aplicação correcta de uma argamassa aumenta efectivamente o tempo de vida útil do suporte, encontrando-se mesmo argamassas em edifícios com centenas de anos que continuam, ainda hoje, a desempenhar o seu papel protectivo (Brás et al, 2012; Faria, 2012). Assim, para garantir um bom desempenho de argamassas de revestimento, estas “devem ser adequadas à base onde são aplicadas; ter resistência mecânica suficiente; serem relativamente deformáveis, de modo a absorverem deformações naturais a que uma estrutura está sujeita; ter impermeabilidade suficiente; um bom comportamento aos sais; garantir um bom acabamento ao paramento revestido e conceber uma aparência estética agradável” (Appleton (2003) citado por Melo (2014)).
O desenvolvimento de novos tipos de argamassas visa obter produtos que cumpram com eficiência os requisitos cada vez mais severos exigidos aos revestimentos, a nível mecânico, térmico e acústico. Para este fim, têm-se utilizado novos constituintes na sua composição e métodos de fabrico, procurando-se manter as características físicas e mecânicas mínimas para o seu funcionamento adequado (Frade et al, 2012).
Na década de 1990 entrou em vigor o RCCTE (Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios), tendo este sido actualizado em 2006 e substituído em 2013 pelo REH (Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH, 2013)). Este regulamento impõe requisitos de conforto térmico nos edifícios novos e remodelados em Portugal, obrigando-os a atingir condições de conforto térmico sem grandes desperdícios de energia (Veiga, 2010). Estes novos requisitos são um dos motivos que levam à procura de soluções mais eficientes para o controlo térmico. Surgiram, por isso, as argamassas de desempenho térmico melhorado, com o objectivo de reduzir as pontes térmicas e as trocas de calor pela envolvente vertical, contribuindo
6
assim para a eficiência energética dos edifícios. Do mesmo modo, os requisitos acústicos exigidos pelos regulamentos europeus mais recentes, como o RRAE (2008), obrigam a revestimentos que cumpram certos intervalos dos índices de isolamento acústico e ruídos de impacto (Frade et al, 2012; Branco et al, 2010).
Recentemente, tem havido no sector da construção um esforço no sentido de melhorar o comportamento térmico e a eficiência térmica dos edifícios, bem como o seu comportamento acústico. Para atingir este objectivo, tem de existir uma procura por materiais de isolamento com características melhoradas, tanto a nível térmico e acústico, como de impacto ambiental e energético, e que cumpram os requisitos de desempenho cada vez mais restritos destes materiais (Labrincha et al, 2006).
De acordo com Veiga (2012), os principais sistemas de isolamento térmico pelo exterior são os seguintes:
revestimentos compósitos de isolamento térmico pelo exterior (ETICS);
revestimentos constituídos por painéis isolantes fixados directamente ao suporte (Vêtures);
revestimentos de fachada ventilada com isolante na caixa de ar;
revestimentos aderentes constituídos por argamassas isolantes.
Os sistemas de isolamento térmico pelo exterior têm a vantagem de não reduzir a área interior das habitações, diminuirem o impacto das variações de temperatura e choques térmicos, minimizarem as pontes térmicas e condensações, e melhorarem o desempenho energético dos edifícios por diminuirem as necessidades de aquecimento/arrefecimento ao longo do ano.
As argamassas isolantes têm, no entanto, um desempenho térmico limitado e directamente proporcional à sua espessura (entre 2 e 10 cm), desempenho este que no entanto é geralmente inferior ao de outros sistemas de isolamento pelo exterior com uma camada de isolante (Veiga, 2012; Frade et al, 2010).
A principal vantagem das argamassas isolantes térmicas é a redução das transferências de calor entre o exterior e o interior de uma construção. As transferências de calor ocorrem sempre que existem diferenças de temperatura entre dois meios, efectuando-se sempre do ambiente mais quente para o mais frio e segundo três modos fundamentais: condução, convecção e radiação. Se se verifirarem fenómenos de transferência de água, podem verificar-se também transferências de calor por evaporação e condensação do vapor de água, ou através de escoamento líquido. Em edifícios correntes podem verificar-se várias combinações entre os processos referidos, dependendo das características do edifício e das condições envolventes (Labrincha et al, 2006). A vantagem principal das argamassas isolantes seria minimizar estas trocas de calor, mantendo intactas as características mecânicas e físicas associadas ao funcionamento normal do revestimento de um edifício, e com custos mais baixos que os exigidos por um sistema de isolamento pelo exterior (Veiga, 1998).
Tanto quanto foi possível averiguar, as argamassas de desempenho térmico melhorado não estão sujeitas a quaisquer requisitos ou normas que regulem o seu comportamento acústico. No entanto, o conforto acústico de edifícios está sujeito às normas do Regulamento dos Requisitos Acústicos em Edifícios (RRAE), em vigor em Portugal desde 2002 e revisto em 2008. A transmissão de ruído e vibrações de elementos de construção é contemplada por várias normas europeias, como a EN 140-1 (CEN, 1997) ou a ISO 717-1 (ISO, 2013), as quais são aplicáveis a argamassas de revestimento. Idealmente, um revestimento acústico deve maximizar a absorção sonora e minimizar a transmissão de vibrações. Sendo as argamassas de revestimento materiais porosos, o seu desempenho acústico é maioritariamente afectado por factores macroscópicos (porosidade, resistividade ao fluxo de ar, deformabilidade, entre outros) e por factores microscópicos, que se prendem com a sua estrutura, tamanho e geometria dos poros (Vigran, 2008).
O uso de argamassas de revestimento de paredes com fins de isolamento acústico é comum na construção, existindo no mercado uma grande variedade de produtos com este propósito, algumas das quais são apresentadas na secção 2.6. Quanto às argamassas térmicas obtidas através da incorporação de agregados isolantes, estas podem atingir um bom desempenho acústico devido às propriedades isolantes dos seus materiais, tanto através da absorção directa das ondas sonoras como através da atenuação de vibrações (Ferreira et al, 2007).
2.2.2. Características das argamassas de desempenho térmico melhorado
Tal como o nome indica, a principal característica das argamassas térmicas é a sua capacidade de isolamento, através de uma condutibilidade térmica reduzida. A condutibilidade térmica (λ) é uma propriedade física de um material, que quantifica a “quantidade de calor que na unidade de tempo atravessa perpendicularmente a unidade de área de uma amostra de extensão infinita, espessura unitária e com faces planas e paralelas, quando se estabelece um gradiente de temperatura entre as duas faces de 1 K” (Flores-Colen, 2009). A condutibilidade térmica traduz, por isso, a facilidade de transferência de calor por um material; esta varia conforme as características do material, nomeadamente a sua porosidade, massa volúmica, teor de humidade, estrutura interna, idade e condições de fabrico do material, entre outras (Franco, 2007; Soon-Ching & Low, 2007; Abdou & Budawi, 2013; Saleh, 2006).
As argamassas térmicas de revestimento constituem uma solução sustentável no que toca à eficiência energética e conforto térmico de edifícios. Segundo Veiga (2010), são argamassas compostas por agregados isolantes e de massa volúmica inferior a 600 kg/m3. A norma EN 998-1 (CEN, 2010) estabelece requisitos para este tipo de argamassas que vão além do coeficiente de condutibilidade (inferior a 0,2 W/m.K). Como se observa na tabela 2.1, as argamassas térmicas (“T”) devem também apresentar valores de resistência à compressão entre 0,4 a 5 MPa, coeficiente de permeabilidade ao vapor de água (µ) inferior a 0,15, e absorção de água por capilaridade inferior a
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0,40 kg/m2.min0,5. No entanto, não são mencionados quaisquer requisitos quanto ao comportamento acústico das argamassas nesta norma.
Tabela 2.1 – Requisitos para argamassas térmicas, segundo a norma EN 998-1 (CEN, 2010)
Argamassas térmicas (T)
Propriedades Valores Classificação Resistência à
compressão 0,4 a 5 MPa CS I a CS II Absorção de água por
capilaridade C ≤ 0,40 kg/m 2. min0,5 W1 Coeficiente de permeabilidade ao vapor de água n/a µ ≤ 15 Condutibilidade térmica T1 ≤ 0,1 W/(m.K) T2 ≤ 0,2 W/(m. K)
2.2.3. Constituintes das argamassas
2.2.3.1. Argamassas de base cimentícia
Os ligantes mais correntes em argamassas são os cimentos e as cais, podendo estas últimas ser classificadas como cais aéreas e cais com propriedades hidráulicas. Em camadas de revestimento de rebocos interiores, é também comum utilizar-se gesso, podendo este ser encontrado em argamassas pré-doseadas, normalmente em conjunto com outros ligantes (Faria, 2012).
O cimento mais correntemente utilizado é o de tipo Portland, essencialmente composto por clínquer e produzido a partir de marga calcária a temperaturas entre 1300 e 1500 ºC. Em Portugal predomina o uso de portland composto, mas existem outros tipos de cimento, tais como o portland normal, portland branco, cimento de alto-forno e cimento pozolânico, em que uma pequena parte do clínquer é substituído por pozolanas (Faria, 2012; Veiga, 1998). Os cimentos correntes são classificados de acordo com a norma EN 197-1 (CEN, 2011), em que se distinguem as respectivas composições e requisitos físicos e mecânicos.
Os adjuvantes e adições são utilizados desde a Antiguidade para melhorar as características das argamasass e betões. Definem-se como adjuvantes as substâncias adicionadas durante a amassadura, em percentagens inferiores a 5% da massa do ligante, com o fim de modificar certas propriedades dos betões e argamassas, tanto no estado sólido como fluido (Coutinho, 1973). Normalmente os adjuvantes são substâncias orgânicas ou, por vezes, inorgânicas, que modificam as propriedades químicas da mistura, tal como o tempo de presa, a trabalhabilidade ou a permeabilidade à água; entre os adjuvantes mais utilizados em argamassas de reboco destacam-se os plastificantes, os introdutores de ar, os promotores de aderência, os retentores de água, os hidrófugos e os fungicidas (Galvão, 2009; Veiga, 1998).
Por outro lado, as adições são materiais orgânicos ou inorgânicos em pó, adicionados com o objectivo de melhorar as propriedades físicas das argamassas, especificamente a resistência mecânica, ductilidade, módulo de elasticidade e comportamento aos sulfatos e reacções sílica/agregados, entre outros. Utilizam-se normalmente fibras, cargas leves e pozolanas (Galvão, 2009; Veiga, 1998).
Em seguida apresentam-se os adjuvantes utilizados nesta campanha experimental.
i. Introdutores de ar
Os introdutores de ar são substâncias, normalmente orgânicas, capazes de modificar a tensão superficial da água, sendo formados por moléculas com uma parte hidrófuga e uma parte hidrófila. Entendem-se como tensioactivos os adjuvantes que reduzem a quantidade de água de amassadura (plastificantes) e os que introduzem ar na mistura, sendo que o mesmo produto pode servir as duas funções (Coutinho, 1973).
Como plastificantes, os tensioactivos têm a função de dispersar as partículas de cimento na fase aquosa da argamassa, aumentando a sua superfície específica e facilitando a sua hidratação. A sua finalidade é aumentar a trabalhabilidade, permitindo reduzir a quantidade de água de amassadura, e eventualmente de ligante, o que leva a uma menor relação a/c e a uma menor retracção das argamassas; também têm o efeito de diminuir a permeabilidade (Coutinho, 1973; Veiga, 1998). Por outro lado, a introdução de ar na mistura permite transformar os vazios que normalmente se formam durante a mistura em bolhas de ar esféricas, fechadas, de diâmetros entre 10 nm a 1 mm. Este processo funciona como corte da capilaridade, o que se traduz numa diminuição da permeabilidade e consequente impermeabilização da argamassa, uma maior resistência aos ciclos gelo-degelo e, no caso de utilização em betões, uma maior resistência aos sulfatos. A massa volúmica e o módulo de elasticidade são também reduzidos, o que melhora o comportamento à retracção, embora reduza a resistência à tracção e à compressão. A dosagem óptima de tensioactivos é muito variável, dependendo da granulometria do ligante e dos agregados, bem como da relação a/c e do tempo de amassadura (Coutinho, 1973; Veiga, 1988).
ii. Retentores de água
Os retentores de água, normalmente sobre a forma de derivados celulósicos, são polímeros orgânicos usados correntemente em betões e argamassas como agentes espessantes. Os retentores de água aprisionam a água no interior da argamassa até à reacção de presa, tornando-a mais gradual e completa, resultando num aumento de viscosidade e coesão. Este efeito é vantajoso já que permite reduzir a segregação dos constituintes e melhorar a homegeneidade do produto endurecido. No entanto, para um aumento da quantidade de retentores de água torna-se necessário acrescentar também um plastificante, de modo a garantir uma boa consistência e evitar perdas de resistência à compressão (Paiva et al, 2005; Patural et al, 2011).
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O éter de celulose é especialmente adequado como retentor de água devido às características das moléculas que o constituem (polisacarídeos), que actuam como estabilizantes durante o processo de retenção. Alguns autores apontam, no entanto, o atraso na hidratação do cimento causado por estas moléculas (Patural et al, 2011; Petit & Wirquin, 2013). De acordo com Nunes & Jacinto (2011), é possível usar celulose em argamassas leves numa proporção de 0,05 a 1% da massa total da mistura.
iii. Agente ligante
Os agentes ligantes utilizados mais correntemente em argamassas e betões consistem em emulsões sintéticas, normalmente fabricadas a partir de polímeros e copolímeros orgânicos, tais como a borracha ou a resina. Estes polímeros incluem polivinis, acrílicos e estirenos, por vezes usados em combinação. Existem inúmeros produtos e aplicações no mercado, destacando-se a função de tapa-juntas, reparação de elementos de betão, caldas cimentícias ou promotores de aderência (Gambhir, 2004).
As resinas são geralmente adicionadas à composição das argamassas em quantidades equivalentes a 5 a 20% da massa de cimento, dependendo do efeito pretendido. Para quantidades superiores de resina, esta deixa de ser classificada como um adjuvante e passa a ter a função de ligante (LNEC, 1996). Quando adicionadas à mistura, a água é consumida na reacção de hidratação do cimento, enquanto o agente ligante faz a ligação entre os agregados, complementando assim a função do cimento e conferindo uma maior resistência à argamassa. Têm também o efeito acrescido de facilitar a ligação entre agregados muito heterogéneos ou de baridades muito diferentes (Gambhir, 2004; Elsen, 2005). Por outro lado, podem melhorar as propriedades das argamassas térmicas: Fu & Chung (1997) verificaram que a condutibilidade térmica decresce em materiais cimentícios com a introdução de resinas de látex e celulose.
2.2.3.2. Agregados isolantes
Os agregados mais comuns em argamassas tradicionais em Portugal são areias correntes. Estas provêm de leitos de rios ou areeiros e têm granulometrias muito variáveis, com dimensões compreendidas entre alguns micrómetros e 5 mm (Veiga, 1998). As areias são normalmente de natureza siliciosa, embora possam também pertencer a outras famílias mineralógicas (calcárias, graníticas ou basálticas), resultantes de subprodutos de exploração e preparação de rochas. Pontualmente podem também conter argila, que altera o seu comportamento à retracção (Faria, 2012).
Por outro lado, nas argamassas de desempenho térmico melhorado a areia é substituída parcial ou integralmente por agregados com características isolantes térmicas. Um isolante térmico é aquele em que “a relação, resistência térmica/espessura é significativamente superior à que pode ser obtida com
os materiais de construção correntes” (Labrincha et al, 2006). Estes materiais devem, por isso, apresentar uma proporção de matéria sólida (condutora de calor) tão baixa quanto possível, ou seja, a sua porosidade deve ser elevada; com efeito, os isolantes mais eficazes são aqueles que apresentam uma estrutura celular fechada com células de dimensões reduzidas e preenchidas por um gás de baixa condutibilidade térmica. De acordo com Bogas (2013) e as normas BS EN 13055-1 (2002) e BS EN 206-1 (2000), os agregados com uma massa volúmica inferior a 1200 kg/m3 podem ser considerados como agregados leves, sendo geralmente utilizados para reduzir a massa volúmica de betões e argamassas e melhorar as suas características isolantes térmicas e acústicas. Um aspecto importante é o de que nem sempre se consegue encontrar um equilíbrio entre o desempenho térmico e o desempenho acústico, embora isto não resulte necessariamente das características dos materiais, mas sim da sua má aplicação nas fases de projecto e execução. (Labrincha et al, 2006; Soares et al, 2015).
O custo e sustentabilidade ecológica do material deve também ter sido em conta. Actualmente existe uma preocupação crescente na indústria da construção no que toca ao aproveitamento de materiais residuais provenientes de outras indústrias, tais como a cortiça (Brás et al, 2012), ou fabricados com o objectivo específico de melhorar o desempenho dos produtos já existentes, como é o caso do aerogel. Em seguida apresentam-se os materiais isolantes utilizados nas argamassas deste trabalho.
i. Nanoaerogel de sílica
A nanotecnologia é utilizada para designar um conjunto de materiais cuja manipulação é feita à escala nanométrica (<100 nm). A esta escala, as propriedades dos materiais são significativamente alteradas e resultam num desempenho melhorado, o que se traduz em novas funcionalidades no campo da construção, particularmente através da sua interacção com o cimento e o aço (Hanus & Harris, 2013). Aplicando os nanomateriais a argamassas de revestimento, verifica-se uma melhoria do seu comportamento mecânico, físico, térmico e acústico, bem como da manutenção estética e resistência à água e purificação do ar envolvente. Entre os nanomateriais mais correntemente utilizados encontram-se as partículas de nanosílica, os nanotubos de carbono, as nanopartículas de dióxido de titânio e o aerogel de sílica (Flores-Colen et al, 2013).
Todos estes materiais se caracterizam por uma massa volúmica reduzida e uma nanoestrutura porosa, a qual está associada a uma melhoria geral do desempenho das argamassas de revestimento. Verificam-se também melhorias de durabilidade e resistência química destes elementos. Alguns efeitos são particularmente interessantes, tais como a reparação de fendas na estrutura dos nanotubos de carbono (figura 2.1) ou a capacidade de auto-limpeza e anti-bacteriana das nanopartículas de dióxido de titânio (figura 2.2).
No entanto, existem alguns inconvenientes, tais como as dificuldades no processo de mistura, a diminuição de resistência mecânica das argamassas e a toxicidade dos materiais. Além disso, o custo associado à sua produção e o facto de serem produtos relativamente recentes e pouco estudados
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torna-os, por enquanto, pouco utilizados na contrução. Prevê-se que a melhoria dos processos de fabrico resolva este problema no futuro, bem como a combinação com produtos cimentícios a curto prazo para substituir os isolantes térmicos já existentes no mercado (Kim et al, 2012).
Figura 2.1 – Reparação de fissuras na estrutura de nanotubos de carbono (Raki et al, 2010)
Figura 2.2 – Igreja “Dives in Misericordia”, com propriedades de auto-limpeza, construída com betões com NanoTiO2 (Pacheco-Torgal & Jalali,
2010)
Na tabela 2.2 resumem-se as principais características destes materiais.
Tabela 2.2 – Influência dos nanomateriais sobre as argamassas de revestimento (adaptado de Flores-Colen et al, 2014) Tipo % de influência Trabalhabilidade e mistura Resistência à tracção Resistência à compressão Propriedades físicas Nanotubos de
carbono Baixa Diminuição Aumento Aumento
Diminuição da absorção capilar Nanosílica Baixa Diminuição Aumento
Aumento aquando da produção; diminuição em idades mais avançadas Diminuição da permeabilidade à água líquida Nanopartículas de dióxido de titânio (NanoTiO2)
Baixa Diminuição Desconhecido
Aumento aquando da produção; aos 28 dias Foto-catalítica e de auto-limpeza
Aerogel de sílica Alta Depende do tipo
de aerogel Desconhecido Desconhecido
Diminuição da condutibilidade térmica; aumento do tempo de secagem, porosidade e absorção capilar
Neste estudo produziram-se argamassas com aerogel de sílica. O aerogel é um material nanoestruturado, descoberto nos anos 30 do século XX. Caracteriza-se por uma estrutura reticulada (figuras 2.3 a 2.5) de partículas de sílica (SiO2) com cerca de 95% de nano-poros abertos preenchidos com ar, o que lhes confere uma massa volúmica de apenas 3 a 500 kg/m3, bem como boas propriedades térmicas e acústicas (condutibilidade térmica de 0,01 a 0,02 W/(m.K) e impedância acústica de 103 a 106 kg/m2s). Este material é hidrofóbico, não reactivo e
incombustível, sendo no entanto frágil e de custo elevado (Kim et al, 2012; Oliveira et al, 2012; Soares et al, 2012).
Alguns autores apontam um excelente comportamento acústico do aerogel devido às características absorsoras da sua estrutura porosa. Quando aplicado numa camada de 40 mm, Schmidt e Schwertfeger (1998) obtiveram coeficientes de absorção sonora que ultrapassaram os 90% para altas frequências, enquanto Ricciardi et al (2002) atingiram um índice de redução sonora de cerca de 60 dB em camadas de aerogel com 70 mm de espessura.
Tradicionalmente, o processo de fabrico deste material envolve a secagem forçada de um gel de sílica; através de acção capilar a componente líquida é retirada, deixando apenas as partículas sólidas. No entanto, este processo é perigoso, devido às altas pressões e temperaturas necessárias, e os custos associados são muito elevados, pelo que têm vindo a ser desenvolvidos processos alternativos de fabrico, como por exemplo a secagem subcrítica (Hanus & Harris, 2013; Júlio & Ilharco, 2014).
Figura 2.3 – Representação esquemática da estrutura do aerogel (Akimov, 2002, citado por
Hanus & Harris, 2013)
Figura 2.4 – Estrutura do aerogel de sílica observada por MEV (Dorcheh & Abbasi, 2008, citado
por Hanus & Harris, 2013)
Figura 2.5 – Estrutura do aerogel de sílica observada por MEV (Dorcheh & Abbasi, 2008, citado
por Hanus & Harris, 2013)
Os aerogeis de sílica têm uma elevada resistência à compressão (0,15 a 0,30 MPa), mas a sua estrutura altamente porosa resulta numa massa volúmica extremamente reduzida. Pelo mesmo motivo são também bons isolantes, uma vez que estes poros são compostos principalmente por gás, que é um mau condutor, e este não circula facilmente através da estrutura reticulada, o que minimiza as trocas de calor por convecção. A própria estrutura de sílica é também uma má condutora de calor, o que contribui para as propriedades térmicas do aerogel (Hanus & Harris, 2013).
As formas mais correntes de aerogel disponíveis comercialmente são encontradas sob a forma de aerogel granular translúcido para materiais de isolamento e de aerogel monolítico transparente. Este último tem propriedades térmicas e ópticas melhoradas, mas é mais dispendioso, o fabrico é mais demorado e deve ser protegido de tensões e humidades, pelo que é mais vulgar utilizar aerogel sob a forma de grânulos (Hanus & Harris, 2013). Estes têm também a vantagem de poderem ser combinados, em argamassas de reboco, com outros agregados isolantes.
14 ii. Argila expandida
Devido à sua disponibilidade, a argila é usado como material de construção há séculos (Kalhori et al, 2013), tendo-se aproveitado recentemente as suas propriedades para a produção de argila expandida. Os agregados de argila expandida leve constituem um material de massa volúmica reduzida (300 a 700 kg/m3), altamente poroso, de pH neutro e alta resistência térmica (até 1000 ºC); estas características, aliadas a uma resistência mecânica relativamente elevada, a uma estabilidade física e química e a um custo reduzido, tornam a argila expandida num material muito vantajoso (Bartolini et al, 2010; Vašina et al, 2006), sendo utilizado tanto em betões como em argamassas como forma de substituição de agregados.
A argila expandida é produzida através de cozedura a altas temperaturas (cerca de 1000 a 1250ºC) de grânulos de argila previamente formados por moldagem ou fragmentação. Durante este processo, dá-se uma libertação de gases que causa a formação de poros no interior do material. A gama de temperaturas utilizada condiciona fortemente a qualidade do produto final, tendo que ser suficientemente elevada para ocorrer a expansão da argila (Ferreira et al, 2007). O resultado é um material com uma elevada proporção de poros semi-fechados, que podem chegar a constituir 90% do seu volume. A estrutura porosa é formada pelos vazios entre os agregados individuais e os espaços abertos entre o ligante e os agregados (Vašina et al, 2006). Estes vazios possibilitam uma condutibilidade térmica reduzida (cerca de 0,10 W/m.K), graças à contribuição dos poros fechados, e uma retenção de humidade e poluentes atmosféricos (Kalhori et al, 2013); por outro lado, os microporos presentes na estrutura contribuem para o seu desempenho acústico, ao absorverem o excesso de ligante que de outra forma se acumularia em redor dos macroporos (Asdrubali & Horoshenkov, 2002).
Figura 2.6 – Agregados de argila expandida entre 2 e 3 mm de diâmetro (Asdrubali & Horoshenkov, 2002)
Existem muitas opções de argilas expandidas no mercado, podendo escolher-se a granulometria das mesmas conforme as características pretendidas das argamassas a produzir. A dimensão e distribuição dos agregados influencia significativamente o comportamento das argamassas, sendo que o uso de partículas de menor dimensão conduz geralmente a uma estrutura porosa mais fechada, uma massa volúmica e resistência à compressão mais elevadas, e também uma condutibilidade térmica mais elevada (Silva, 2007).
