Carla Marisa Mendonça Ribeiro
Avaliação do Desempenho de
Revestimentos Superficiais na
Durabilidade de Pedra de Construção
Car
la Mar
isa Mendonça Ribeir
o outubro de 2013 UMinho | 2013 A valiação do Desem penho de R ev es timentos Super ficiais na Durabilidade de P edra de Cons tr ução
Escola de Engenharia
outubro de 2013
Tese de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Civil
Trabalho efetuado sob a orientação de
Professora Doutora Graça Vasconcelos
Professor Doutor Joaquim Carneiro
Carla Marisa Mendonça Ribeiro
Avaliação do Desempenho de
Revestimentos Superficiais na
Durabilidade de Pedra de Construção
Escola de Engenharia
AGRADECIMENTOS
A presente tese foi realizada na Universidade do Minho, no Departamento de Engenharia Civil. A investigação experimental decorreu no laboratório de Materiais de Construção, onde foram realizados todos os ensaios e experiências relacionadas com a tese apresentada.
Para que esta tese obtivesse os resultados esperados muitas pessoas contribuíram no desenvolvimento desta investigação. Devido a este facto, a investigadora agradece em particular a:
Professora Graça de Fátima Moreira de Vasconcelos, que orientou esta tese, pela troca de conhecimentos e por todo o incentivo e apoio transmitido.
Professor Joaquim Alexandre Oliveira Carneiro, pela cooperação na realização desta tese.
Indica ainda o seu muito apreço a:
Carlos Alberto Oliveira Fernandes Palha, técnico responsável pelo laboratório, pelo acompanhamento e o apoio na realização da investigação experimental.
Filipa Fernandes e Lurdes Martins pelo apoio na realização experimental. Deseja ainda expressar:
Um reconhecimento de gratidão aos pais pelo apoio incondicional prestado.
Um agradecimento especial ao marido Luís Sousa pela compreensão e o apoio prestado.
Um grande apreço aos amigos, em especial a Ricardo Silva, Francisco Oliveira, Susana Marques e Andreia Martins pelo apoio e pela força providenciada.
Um agradecimento à melhor amiga, Eng.ª Lurdes Neves, pelo incentivo e pela força que me deu para eu frequentar este curso.
RESUMO
A pedra consiste num dos materiais mais utilizados na construção, quer em construções monumentais, quer em construção vernácula. Em Portugal, e principalmente na zona norte, o granito é mais abundante e por isso mais utilizado na construção. O conhecimento das propriedades físicas dos granitos pode dar indicações sobre o seu comportamento em ambientes mais severos como é o caso de ambientes húmidos que promovam o aparecimento de fungos e climas onde haja variações de temperatura associados a ciclos gelo e degelo. Assim, este trabalho tem como objetivos: (1) caracterização física de diferentes tipos de granito; (2) avaliação do comportamento à água dos granitos; (3) avaliação da degradação de diferentes tipos de granito submetidos a ciclos de gelo-degelo; (4) avaliação do efeito de revestimento hidrófugo no comportamento dos granitos à água (absorção de água por imersão e capilaridade); (5) avaliação de um revestimento à base de nanopartículas de dióxido de titânio (TiO2) na capacidade autolimpante dos granitos.
Para o alcance dos objetivos propostos, foi efetuada uma alargada campanha experimental com base em (1) ensaios normalizados para caracterização física (porosidade, densidade, absorção de água por imersão e absorção de água por capilaridade antes e após a aplicação de material hidrófugo e revestimento de nanopartículas; (2) ensaios para a determinação da velocidade de propagação de ultrassons; (3) ensaios de gelo-degelo; (4) avaliação da morfologia das superfícies após a aplicação do revestimento de nanopartículas e ensaios para avaliação da função fotocatalítica do revestimento de nanopartículas.
A análise de resultados permitiu concluir que: (1) os granitos apresentam valores de propriedades físicas bastante distintas, o que está associado ao tipo de granito e estado de alteração; (2) a absorção por capilaridade depende consideravelmente do estado de alteração do granito e, consequentemente, da porosidade; (3) o material hidrófugo utilizado retarda a absorção por capilaridade; (4) verificou-se alguma degradação após 136 ciclos de gelo-degelo, com uma alteração significativa da porosidade; (5) foi possível a aplicação de um revestimento à base de nanopartículas de TiO2 com capacidade fotocatalítica, ainda que com
implicações na absorção de água por imersão e capilaridade.
ABSTRACT
The stone is a very ancient construction material that is used commonly in monumental buildings but also in vernacular architecture. In Portugal, and mainly in the northern region, the granite is the most abundant stone and thus is more used in the construction. The knowledge of the physical properties of the granites can give some indications about its behavior in severe environments as moist environments and environment associated to important temperature variations (consecutive freeze-thawing cycles). Therefore, the present work has as the main objectives: (1) physical characterization of distinct types of granites; (2) evaluation of the behavior of granites under water; (3) evaluation of the degradation of the distinct types of granites under freeze-thawing cycles; (4) evaluation of the hydrofuge coating in the behavior under water (water absorption by immersion and capillary); (5) evaluation of the performance of TiO2 nanoparticles coating as self-cleaning material.
For the achievement of the proposed objectives an extensive experimental program was carried out; (1) standard tests for the physical characterization (porosity, density, water absorption by imersion and capillary) before and after the application of the hydofuge material and the TiO2 nanoparticles coating; (2) tests for the ultrasonic pulse velocity; (3)
freeze-thawing tests; (4) evaluation of the coated surface morphology with TiO2 nanoparticles
and tests for evaluation of the photocatalitic efficiency of the TiO2 nanoparticles coating.
The analysis of results allowed to conclude that: (1) the granites presented physical properties in wide range, which is associated to the type of granite and to the weathering state; (2) the water absorption by capillary depend on the weathering state and consequently on the porosity; (3) the hydrofuge material delay the water absorption by capillary; (4) some degradation was obtained after 136 freezing-thawing cycles with an significant alteration of the porosity; (5) it was possible to obtain a TiO2 nanocoating wih moderate photocatalytic
activity, even if the superficial alteration resulted in high values of water absorption by immersion and capillary.
SIMBOLOGIA
A - Área da face imersa em água
A - Área da secção transversal do provete medida antes do ensaio
Ab - Absorção de água à pressão atmosférica
Au - Ouro
C1 - Coeficiente de correlação da reta de regressão com um valor >0,90 C2 - Coeficiente de correlação da reta de regressão com um valor >0,95 CdS - Sulfeto de cádmio
CO2 - Dióxido de carbono
E0 - Módulo de elasticidade dinâmica do provete seco antes do período de gelo
En - Módulo de elasticidade dinâmica do provete seco após n ciclos F - Tensão de rotura
FeO - Óxido de ferro H2O - Água
H - Hidrogênio
L - Distância de percurso md - Massa do provete seco
Mh0 - Massa do provete imerso em água antes do período de gelo Mhn - Massa do provete imerso em água após n ciclos
mi - Massas sucessivas dos provetes durante o ensaio ms - Massa do provete saturado
x Carla Marisa Mendonça Ribeiro Msn - Massa do provete saturado após n ciclos
msub – massa submersa NO - Óxido nítrico NO2 - Dióxido de Azoto O - Oxigênio
R - resistência à compressão uniaxial do provete η - Porosidade
SEM - Scanning Electron Microscopy Si - Silício
T - Tempo despendido pelo impulso para percorrer o trajeto
ti - Tempos decorridos deste do inicio do ensaio até obtenção das massas sucessivas dos provetes
TiO2 - Dióxido de titânio UV - Ultra violetas
V - Velocidade do impulso
Vb0 - Volume aparente do provete antes do período de gelo Vbn - Volume aparente do provete após n ciclos
Δ Vb - Variação no volume aparente do provete ΔE - Variação no módulo de elasticidade dinâmica
Ysl - Energia livre de interface sólido/líquido Ysg - Energia livre de interface sólido/gás Ylg - Energia livre de interface líquido/gás.
ÍNDICE DE TEXTO
AGRADECIMENTOS ... III RESUMO ... V ABSTRACT ... VII SIMBOLOGIA ... IX ÍNDICE DE TEXTO ... XI ÍNDICE DE ILUSTRAÇÕES ... XV ÍNDICE DE TABELAS ... XIX1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1. Objetivos ... 4
1.2. Metodologia ... 4
1.3. Organização da Tese ... 5
2. ESTADO DO CONHECIMENTO ... 7
2.1. Fatores de Degradação da Pedra ... 7
2.2. Agentes de Degradação Física... 7
2.2.1. Ação do Ciclo Gelo-Degelo ... 8
2.2.2. Efeitos de Ações Térmicas ... 10
2.2.3. Efeitos dos Sais Solúveis ... 10
2.3. Agentes de Degradação Biológicos ... 11
2.3.1. Bactérias e Fungos ... 11
2.3.2. Algas ... 11
2.3.3. Líquenes ... 12
2.3.4. Plantas e Vegetação ... 13
2.4. Patologias que surgem nas Pedra ... 14
2.5. Aplicação da Pedra em Estruturas de Alvenaria ... 17
xii Carla Marisa Mendonça Ribeiro
2.7. Descrição petrográfica da pedra ... 20
2.8. Impermeabilizantes existentes no mercado – hidrófugos ... 21
3. AVALIAÇÃO DE CAUSAS NATURAIS ... 23
3.1. Riscos Geológicos e Geomorfológicos ... 23
3.1.1. Cheias progressivas ... 23
3.1.2. Cheias repentinas... 24
3.1.3. Movimento de vertente ... 26
3.2. Enquadramento Climático ... 27
3.2.1. Fatores que influenciam o clima português... 27
3.3 Normas climatológicas da região de “Trás-os-Montes e Alto Douro e Beira Interior” correspondentes a 1931-1960 e 1941-1970 ... 28 3.3.1. Pressão atmosférica ... 28 3.3.2. Humidade relativa do ar ... 30 3.3.3. Temperatura do ar ... 31 3.3.4. Vento ... 32 3.3.4.1. Frequência do vento ... 32 3.3.4.2. Velocidade do vento... 33 3.3.5. Precipitação ... 34 3.3.6. Nebulosidade... 36 3.3.7. Insolação ... 36 3.3.8. Evaporação... 38
4. METODOLOGIA DO ESTUDO EXPERIMENTAL ... 39
4.1. Introdução ... 39
4.2. Descrição petrográfica da pedra ... 39
4.3. Estudo das Propriedades Físicas ... 40
4.3.1. Absorção de água por imersão ... 40
4.3.3. Velocidade de propagação de ultrassons ... 48
4.3.4. Ciclo gelo-degelo ... 50
4.4. Aplicação de revestimento superficial - hidrófugo ... 56
4.4.1 Descrição do revestimento... 56
5. ANÁLISES DOS RESULTADOS DA INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL... 59
5.1. Introdução... 59
5.2. Análise dos parâmetros dos granitos ... 59
5.2.1. Parâmetros físicos ... 59
5.2.2. Absorção de água por imersão e capilaridade ... 61
5.2.3. Velocidade de propagação de ultrassons ... 65
5.3. Ação gelo-degelo ... 66
5.3.1. Absorção de água por capilaridade e imersão ... 72
5.3.2. Correlações da porosidade com a absorção de água por capilaridade e imersão 74 5.4. Aplicação de revestimento superficial – hidrófugo ... 76
5.5. Correlações estatísticas entre as propriedades físicas ... 78
6. APLICAÇÃO DE REVESTIMENTOS SUPERFICIAS DE NANOPARTÍCULAS DE TIO2 ... 83
6.1. Introdução... 83
6.2. Definição dos revestimentos ... 84
6.3. Caracterização Morfológica e Superficial ... 86
6.3.1. Microscopia eletrónica de varrimento (SEM do inglês Scanning Electron Microscopy) ... 86
6.3.2 Análise de resultados da microscopia eletrónica de varrimento (SEM) ... 87
6.4. Caracterização da capacidade autolimpante ... 93
6.4.1. Avaliação da atividade fotocatalítica das pedras ... 93
6.5. Avaliação do comportamento à ação da água ... 96
6.5.1. Determinação do coeficiente de absorção de água por capilaridade ... 96
xiv Carla Marisa Mendonça Ribeiro
7. CONCLUSÕES ... 101
7.1. Considerações finais e principais conclusões ... 101
7.2. Propostas para Futuras Investigações ... 103
Í
NDICE DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Exemplos aplicação da pedra a) Castelo de São João da Foz, Porto
(http://mjfs.wordpress.com s.d.) b) Mosteiro da Batalha (http://en.wikipedia.org s.d.) ... 1
Figura 2 - Habitação em Portugal (ano da construção 2005) ... 2
Figura 3 - Presença de agentes de degradação biológica “algas” no Castelo de Penedono, Viseu (http://cincodemaio.blogs.sapo.pt s.d.) ... 12
Figura 4 - Líquenes – Mosteiro dos Jerónimos em Belém (http://percursosquimicos.blogspot.pt, s.d.) ... 13
Figura 5 - Eflorescência (Araújo, 2004) ... 14
Figura 6 - Criptoflorescência (Araújo, 2004) ... 15
Figura 7 - Sopa de Pedra (Araújo, 2004) ... 15
Figura 8 - Incrustação negra (Araújo, 2004) ... 16
Figura 9 - Alveolização (Almeida, 2000)... 16
Figura 10 - Esfoliação (Almeida, 2000) ... 17
Figura 11- Pitting (Almeida, 2000) ... 17
Figura 12 – Distribuição por centros de extrações de calcário, granito, xisto e ardósia (Rodrigues et al. 2001) ... 19
Figura 13 – Mapa regional da zona norte de Portugal (Bateira, et al, 2007) ... 23
Figura 14 – Setores afetados por cheias naturais progressivas (Bateira, et al, 2007) ... 24
Figura 15 – Perigosidade e cheias naturais repentinas (Bateira, et al, 2007) ... 25
Figura 16 – Perigosidade à ocorrência de movimentos de vertentes (Bateira, et al, 2007) ... 27
Figura 17 - Pressão atmosférica ao nível do mar (mb) a) meses de 1931 a 1960 b) meses de 1941 a 1970 ... 29
Figura 18 - Pressão atmosférica no local registada a) meses de 1931 a 1960 b) meses de 1941 a 1970 ... 30
Figura 19 – Percentagem de humidade relativa do ar a) meses de 1931 a 1960 b) meses de 1941 a 1970 ... 31
Figura 20 - Temperatura do ar (ºC) a) meses de 1931 a 1960 b) meses de 1941 a 1970 ... 32
Figura 21 – Rosa-dos-ventos (http://pt.wikipedia.org s.d.) ... 33
Figura 22 – Frequência do vento (%) a) meses de 1931 a 1960 b) meses de 1941 a 1970... 33
Figura 23 – Velocidade média do vento (km/h) a) meses de 1931 a 1960 b) meses de 1941 a 1970 ... 34
xvi Carla Marisa Mendonça Ribeiro
Figura 24 – Pluviómetro (http://www.prof2000.pt s.d.) ... 34
Figura 25 – Precipitação (mm) a) meses de 1931 a 1960 b) meses de 1941 a 1970 ... 35
Figura 26 – Precipitação máxima (diária) a) meses de 1931 a 1960 b) meses de 1941 a 1970 35 Figura 27 – Nebulosidade (0-10) a) meses de 1931 a 1960 b) meses de 1941 a 1970 ... 36
Figura 28 – Insolação Total (horas) a) meses de 1931 a 1960 b) meses de 1941 a 1970 ... 37
Figura 29 – Insolação expressa em percentagem (%) a) meses de 1931 a 1960 b) meses de 1941 a 1970 ... 37
Figura 30 – Evaporação (mm) a) meses de 1931 a 1960 1b) 1941 a 1970 ... 38
Figura 31 – Provetes no interior da estufa ... 41
Figura 32 – Colocação dos provetes num recipiente a) recipiente de base plana b) distâncias entre provetes ... 42
Figura 33 – Utensílios utilizados para obter a massa submersa a) recipiente b) cesto ... 43
Figura 34 - Indicação da direção ascendente indicada em cada provete... 45
Figura 35 – Provetes para ensaio capilaridade ... 46
Figura 36 – Absorção de água por capilaridade ... 47
Figura 37 – Equipamento utilizado para determinar velocidade propagação de ultrassons .... 48
Figura 38 – Determinação de velocidade de propagação de ultrassons relacionado com a colocação de transdutores (NP EN 14579 2007) a) transmissão direta b) transmissão semi-direta c) transmissão insemi-direta ... 49
Figura 39 – Sistema automático de controlo das tarefas da realização ensaio gelo-degelo ... 51
Figura 40 – Ensaio de gelo-degelo com provete munido de um dispositivo de medição de temperatura ... 51
Figura 41 – Câmara de gelo-degelo ... 53
Figura 42 – Câmara de gelo-degelo a) ventoinha b) resistência de aquecimento e a ventoinha de movimentação de água ... 53
Figura 43 – Produto impermeabilizante ... 56
Figura 44 – Equipamentos utilizados para a aplicação do hidrófugo ... 57
Figura 45 – Absorção de água por capilaridade: a) GA-6 b) GM-6 ... 64
Figura 46 – Absorção de água por capilaridade a) PTA-3 b) PTM-L2 ... 65
Figura 47 – Variação do volume aparente (%) em função do número de ciclos de gelo-degelo ... 67
Figura 48 – Variação da massa seca (g) em função do número de ciclos de gelo-degelo ... 69
Figura 50 – Velocidade de propagação de ultrassons ... 70
Figura 51 – Deteriorações detetadas nas amostras devido aos ciclos gelo-degelo ... 72
Figura 52 – Capacidade de absorção de água por capilaridade a) antes 136 ciclos gelo-degelo b) após 136 ciclos gelo-degelo ... 73
Figura 53 – Capacidade de absorção de água por capilaridade a) antes 136 ciclos gelo-degelo b) após 136 ciclos gelo-degelo ... 73
Figura 54 – Correlações entre a porosidade e Capacidade de absorção de água por capilaridade após 136 ciclos de gelo-degelo ... 75
Figura 55 - Correlações entre a porosidade e Capacidade de absorção de água por imersão a) Antes ação gelo-degelo b) Após 136 ciclos de gelo-degelo ... 75
Figura 56 – Capacidade de absorção de água por capilaridade sem aplicação do hidrófugo .. 77
Figura 57 - Capacidade de absorção de água por capilaridade com aplicação do hidrófugo .. 77
Figura 58 – Relação da absorção de água por imersão com a porosidade ... 79
Figura 59 – Relação da absorção de água por capilaridade com a porosidade ... 80
Figura 60 – Relação da velocidade de propagação de ultrassons com a porosidade ... 80
Figura 61 – Relação da absorção de água por capilaridade e imersão... 81
Figura 62 – Relação velocidade de propagação de ultrassons com a capacidade de absorção de água por capilaridade ... 82
Figura 63 – Relação entre velocidade de propagação de ultrassons e capacidade de absorção de água por imersão ... 82
Figura 64 – Microscópico eletrónio varrimento (http://www.semat.lab.uminho.pt s.d.) ... 86
Figura 65 – Feixe incidente sobre a superfície da amostra (http://www.ebah.com.br s.d.) ... 87
Figura 66 – Micrografia de microscopia eletrónica de varrimento referente à pedra amarela (sem aspersão de nanoparticulas de TiO2) ... 88
Figura 67 – Espectro de EDS da pedra amarela (sem aspersão de nanoparticulas TiO2) ... 88
Figura 68 - Micrografia de microscopia eletrónica de varrimento referente à pedra amarela (com aspersão de nanoparticulas de TiO2) ... 89
Figura 69 - Espectro de EDS da zona Z1 da pedra amarela identificada na micrografia eletrónica de varrimento (com aspersão de nanoparticulas TiO2) ... 89
Figura 70 - Espectro de EDS da zona Z2 da pedra amarela identificada na micrografia eletrónica de varrimento (com aspersão de nanoparticulas TiO2) ... 90
Figura 71 - Micrografia de microscopia eletrónica de varrimento referente à pedra azul (sem aspersão de nanoparticulas de TiO2) ... 90
xviii Carla Marisa Mendonça Ribeiro
Figura 73 - Micrografia de microscopia eletrónica de varrimento referente à pedra azul (com aspersão de nanoparticulas de TiO2) ... 91
Figura 74 - Espectro de EDS da zona Z1 da pedra azul identificada na micrografia eletrónica de varrimento (com aspersão de nanoparticulas TiO2) ... 92
Figura 75 - Espectro de EDS da zona Z2 da pedra azul identificada na micrografia eletrónica de varrimento (com aspersão de nanoparticulas TiO2) ... 92
Figura 76 – Principio fotocatálise de uma partícula TiO2 (Bonancêa, 2005) ... 94
Figura 77 – Espectro de absorvância de uma solução aquosa de rodamina B obtido para diferentes instantes de tempo. Este espectro refere-se à amostra azul revestida. ... 95 Figura 78 – Absorção de água por capilaridade sem aplicação de TiO2 ... 97
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 - Tipos de rochas existentes em Portugal e a sua localização (Rodrigues et al. 2001)
... 20
Tabela 2 - Local extração das pedras em estudo (Vasconcelos, 2004) ... 40
Tabela 3 - Temperaturas no interior dos provetes de acordo com o tempo do ensaio “NP EN 12371 2006” ... 52
Tabela 4 – Classificação e análise da inspeção visual do ensaio dos ciclos gelo-degelo “NP EN 12371 2006” ... 54
Tabela 5- Quadro das propriedades físicas dos granitos ... 60
Tabela 6- Valores obtidos da capacidade de absorção de água por imersão e por capilaridade ... 62
Tabela 7- Valores obtidos na determinação da velocidade de propagação de ultrassons ... 66
Tabela 8- Número de ciclos de gelo-degelo e respetivo números de controlo ... 67
Tabela 9- Massa seca ... 68
Tabela 10 – Variação propagação de ultrassons e do módulo de elasticidade dinâmica referentes ao início do ensaio ... 71
Tabela 11 – Porosidade, capacidade de absorção de água por imersão e capilaridade antes e após os ciclos gelo-degelo ... 74
Tabela 12 – Coeficiente de Absorção de água por capilaridade antes e após aplicação do impermeabilizante o Hidrófugo ... 76
Tabela 13 – Coeficiente de Absorção de água por capilaridade sem aplicação de TiO2 e com TiO2 ... 96
Tabela 14 – Coeficiente de absorção de água por capilaridade (porosidade) com e sem aplicação TiO2 ... 99
1. INTRODUÇÃO
A pedra é, desde há muitos anos, um dos materiais mais utilizados na construção, especialmente para arquiteturas vernaculares e monumentais (Vasconcelos et al, 2003). Desde o tempo dos romanos, árabes e da era medieval que a pedra é um dos materiais mais prestigiados e aplicados na construção de qualquer edifício (Martins, 2011). A pedra é um material muito utilizado na construção e verificámos que faz parte de edifícios conceituados como monumentos culturais, históricos e arquitetónicos espalhados por todo o mundo. Em Portugal, como demostra a Figura 1, o património físico, histórico e cultural caracteriza-se pelo uso da pedra na elaboração das construções (à semelhança do que acontece em todo o mundo) por razões de estética, elegância, resistência e durabilidade (Pinho et al. 2012).
Figura 1 - Exemplos aplicação da pedra a) Castelo de São João da Foz, Porto (http://mjfs.wordpress.com s.d.) b) Mosteiro da Batalha (http://en.wikipedia.org s.d.) As pedras utilizadas para alguns fins arquitetónicos devem possuir dureza média, permitindo desta forma a respetiva moldagem e preparação para a sua aplicabilidade - como podemos verificar nos monumentos, que contêm pedras bastantes trabalhadas obtendo obras muito esbeltas como é ilustrado na Figura 1.
Para além da utilização da pedra para os fins mencionados, nos dias de hoje a pedra é também muito utilizada para novas construções e reabilitações de habitações e edifícios, como demostra a Figura 2, sendo colocada maioritariamente como revestimento exterior.
2 Carla Marisa Mendonça Ribeiro
Possuem um aspeto morfológico irregular e são extraídas de pedreiras através de equipamentos mecânicos. Poderão ser aplicadas e preparadas em obra diretamente através de um processo de picagem manual, até possuírem a forma adequada para a aplicação na estrutura, ou poderão ser reencaminhadas para uma central de preparação da pedra onde serão submetidas ao corte através de equipamento mecânico.
Figura 2 - Habitação em Portugal (ano da construção 2005)
As pedras surgem das rochas existindo vários tipos podendo ser classificados como rochas eruptivas, sedimentares e metamórficas. As rochas eruptivas resultam da consolidação do magma, sendo homogéneas e isotrópicas, uma vez que resultam do arrefecimento de material fundido. As rochas sedimentares resultam da deposição e consolidação de substâncias como por exemplo poeiras, dando origem a estratos. Podemos caraterizar estas rochas como anisotrópicas. As rochas metamórficas resultam das rochas eruptivas e sedimentares quando estas estão sujeitas a outras condições ambientais (Brito, 1994).
Todas as pedras requerem uma atenção redobrada, pois encontram-se expostas a vários tipos de ciclos climatéricos como o ciclo molhado-seco, o ciclo gelo-degelo e a variação de temperatura. São também sujeitas a ataques de dióxido de carbono dissolvido na água proveniente da precipitação. Além dos ataques provenientes do local e do clima poderão surgir os ataques biológicos quando as condições atmosféricas forem propícias ao seu aparecimento. Consequentemente podem verificar que o aparecimento e desenvolvimento de bactérias, fungos, algas, líquenes e vegetação, surgem quando reunidas as condições e se verificam a presença de ácidos propícios para o seu desenvolvimento. Os ataques biológicos estão presentes quando se verifica em simultâneo o ciclo húmido e seco, que provocam a degradação da pedra, num processo designado como biodegradação. É de salientar que as
bactérias e fungos, após o seu aparecimento e colonização na superfície da pedra, provocam a deterioração e corrosão da camada superficial da mesma devido à libertação de ácidos (ácido cítrico) (Moreira, 2008).
Quando se verificam variações de temperaturas propícias para o desenvolvimento de algas verifica-se o desenvolvimento de um habitat favorável para vários tipos de micro-organismos. Existem várias espécies de algas mas salientamos duas espécies mais propícias no aparecimento na superfície da pedra: as elípticas e endolíticas.
Para além de termos em conta os ataques de degradação que os agentes agressivos poderão causar na pedra, será necessário analisar revestimentos que podem ser aplicados na superfície da pedra, por forma a evitarem o aparecimento e desenvolvimento dos agentes agressivos proporcionando uma maior durabilidade da pedra. Os revestimentos utilizados poderão conter propriedades que permitam garantir, por um lado, uma elevada proteção por forma a garantir a durabilidade da pedra, e por outro evitar qualquer deterioração física e estética dos edifícios arquitetónicos, monumentais e vernaculares (Tsakalof et al. 2007). Segundo Xeidakis e Samaras (1996) a análise da durabilidade poderá obter-se através de dois ensaios laboratoriais, sendo um elaborado através do teste de imersão em ácido sulfúrico e o outro por um teste de imersão em cristalização de sulfato de sódio.
Ao longo de alguns anos, o construtor deu mais ênfase ao aspeto económico, minimizando, desta forma, características como a durabilidade da vida da estrutura. Com o passar do tempo essa mentalidade foi-se modificando, já que, atualmente, é dada maior relevância ao ciclo de vida passou a ser um dos fatores mais importantes. Através de ensaios laboratoriais foi possível estimar a durabilidade de alguns materiais. Durante alguns anos, e com a ajuda de várias investigações, foi possível desenvolver produtos químicos que, aplicados sobre a pedra, possibilitaram a obtenção de uma maior durabilidade, aumentando assim o ciclo de vida da pedra e desenvolvendo um mercado de produtos químicos para este fim. Com o aumento da durabilidade da pedra, verifica-se uma mais-valia em termos ambientais, pois é reduzida a quantidade de resíduos provenientes da construção. Assim, verificamos que com uma maior durabilidade das estruturas, menor será o impacto ambiental.
Mais recentemente têm surgido revestimentos à base de nanopartículas com aplicações multifuncionais como por exemplo a autolimpeza, o aumento da resistência mecânica e da durabilidade, e um aumento do ciclo de vida da estrutura (Gomes, 2012). Existem diferentes
4 Carla Marisa Mendonça Ribeiro
semicondutores sendo os principais o sulfeto de cádmio (CdS), óxido de zinco (ZnO), óxido de ferro III (Fe2O3) onde se destaca o dióxido de titânio (TiO2) devido ao facto de possuir
maior atividade fotocatalítica e ser mais económico (Santos, 2010). As nanoparticulas absorvem radiações ultravioletas que na presença de água possuem um forte poder oxidante, obtendo assim um melhor desempenho a nível da autolimpeza. As nanoparticulas têm um efeito nocivo sobre as ações biológicas pois permitem combater estes tipos de agente eliminando-os da superfície da pedra conferindo uma maior durabilidade e resistência mecânica (Pinho et al. 2012).
1.1. Objetivos
As construções antigas de pedra apresentam diversas patologias associadas a condições ambientais como humidade, variações extremas de temperatura e sucessivos ciclos de gelo-degelo que contribuem para a degradação da pedra. Estes fenómenos estão relacionados com o tipo de pedra, sendo a porosidade, geometria e configuração dos poros, fatores decisivos para o impacto das ações ambientais.
Este trabalho tem como principais objetivos: (1) estudo das propriedades físicas de diferentes tipos de granitos de construção tendo em consideração diferentes níveis de alteração, nomeadamente granitos menos alterado e mais alterados; (2) avaliação do impacto de sucessivos ciclos de gelo-degelo nas propriedades físicas dos granitos; (3) utilização de revestimentos superficiais com vista ao melhoramento funcional de pedra de construção. Entre as propriedades físicas destacam-se a porosidade, absorção de água por capilaridade e absorção por imersão e velocidade de propagação de ultrassons Alguns granitos (com valores mais elevados de porosidade) foram submetidos a ciclos de gelo-degelo e foi feita a avaliação do efeito da degradação nas propriedades físicas. Por outro lado, foi aplicado um revestimento à base de nanopartículas o semicondutor TiO2 com o objetivo de dotar as superfícies de uma
capacidade autolimpante.
1.2. Metodologia
O trabalho a desenvolver para atingir os objetivos do presente trabalho assenta numa extensa campanha experimental baseada em diferentes tipos de ensaios de caracterização petrográfica e física antes e depois da aplicação de diferentes tipos de revestimento, nomeadamente dos revestimentos à base de nano-partículas. O trabalho foi realizado com a colaboração do
Departamento de Física da Universidade do Minho no que respeita ao estudo dos revestimentos superficiais à base de nanopartículas, nomeadamente ao nível das quantidades de nanopartículas e análise das superfícies após a aplicação dos revestimentos (microscopia eletrónica de varrimento). A caracterização física foi efetuada com base na determinação da porosidade, capacidade de absorção de água por imersão e capilaridade. A realização dos ciclos de gelo-degelo foram efetuado com base num procedimento de ensaio normalizado e de uma forma automática.
Em termos de organização do trabalho a efetuar distinguem-se as diferentes etapas: (1) caracterização física em provetes de referência. Para o efeito foram selecionados 4 tipos de granito, nomeadamente granito de Gonça (GA – azul e GM, amarelo), granito de Póvoa de Lanhoso (PLA – azul e PLM – amarelo), granito de Ponte de Lima (PTA – azul e PTM – amarelo) e granito de Mondim (MDB – branco e MDM – amarelo). Entre estes granitos foram selecionadas ainda duas diferentes direções, correspondentes à direção de mais fácil desmonte e direção perpendicular; (2) campanha experimental de ensaios de gelo-degelo para avaliação do efeito da degradação nas propriedades físicas e avaliar o número de ciclos correspondente à degradação dos granitos. Para este efeito foram selecionados os provetes com maior porosidade, dado que devem ser estes granitos os mais vulneráveis a este tipo de ação; (3) aplicação de revestimentos superficiais à base de nanopartículas em provetes inseridos em ambiente que proporcione a ocorrência de manchas e verdetes e comparação com provetes de referência colocados nas mesmas condições ambientais; (4) caracterização das superfícies com revestimentos de nanopartículas; (5) avaliação da influência dos revestimentos nas propriedades físicas, nomeadamente porosidade, absorção de água por imersão e capilaridade.
1.3.
Organização da Tese
No âmbito desta tese que é constituída por sete capítulos, sendo apresentados de forma objetiva e evidenciando os aspetos relevantes da investigação desenvolvida.
Para além do capítulo introdutório, onde se faz um enquadramento e se apresentam os objetivos e a metodologia, existem mais seis capítulos de desenvolvimento e conclusões. No capítulo dois apresentam-se os fatores de degradação que possam surgir na pedra quando estão criadas as condições para o seu aparecimento e desenvolvimentos. Indicam-se os agentes de degradação física e biológica responsáveis por essa degradação. São apresentadas as patologias que possam surgir na pedra, devido à presença dos agentes indicados, bem como
6 Carla Marisa Mendonça Ribeiro
apresentação de alguns produtos existentes no mercado que permitem retardar o efeito desses mesmos agentes. Neste capítulo, são, também, apresentados, vários tipos de pedra, bem como a sua descrição petrográfica, sendo realçada a sua aplicabilidade em obras de pedra.
No capítulo três é realizado um estudo por forma apresentar os riscos geológicos e geomorfológicos da região Trás-os-Montes e Alto Douro. É ainda apresentado o enquadramento climático da região, bem como descrição dos fatores que constituem a análise da norma climática.
No capítulo quatro indicam-se os procedimentos a adotados em cada campanha experimental realizada para caracterizar os vários tipos de granito em estudo. Esta investigação engloba a determinação das propriedades físicas das pedras. São fornecidos os procedimentos de ensaios de caracterização física (porosidade, densidade, absorção de água por imersão e capilaridade, velocidade de propagação de ultrassons). Adicionalmente, descreve-se o procedimento e o equipamento utilizado para os ensaios para a simulação acelerada dos ciclos de gelo-degelo. No capítulo cinco apresentam-se os resultados obtidos da investigação experimental realizada no laboratório do Departamento de Civil da Universidade do Minho segundos as normas indicadas da análise das propriedades físicas das pedras. Desenvolveu-se experimentalmente aplicação de um revestimento impermeabilizante por forma a permitir avaliar as alterações nas propriedades da pedra.
No capítulo seis apresenta-se a investigação experimental, que consistiu na aplicação de um revestimento à base de nanopartículas de dióxido titânio (TiO2). Foi realizada a caracterização
morfológica da superfície da pedra através da análise realizada com o microscópico eletrónico de varrimento (SEM do inglês Scanning Eletron Microscopy). Foi ainda realizada a caracterização fotocalítica e autolimpante sobre a pedra bem como a avaliação da influência da aplicação do revestimento nas propriedades físicas dos granitos (porosidade, densidade, absorção de água por imersão e capilaridade).
2. ESTADO DO CONHECIMENTO
2.1.
Fatores de Degradação da Pedra
A pedra natural é muito apreciada devido à sua beleza e à sua resistência mas, devido à presença de agentes agressivos, poderá estar sujeita a deteriorações diminuindo a sua durabilidade e resistência.
Já existem alguns estudos efetuados em algumas localidades rurais de Portugal com intuito de analisar as características das pedras utilizadas, quando expostas ao clima local (Lourenço, et al, 2005).
A deterioração poderá verificar-se a nível estético, quando se verificam agressões a nível superficial da pedra. Poderá verificar-se ainda a nível da resistência do material, quando os agentes agressores surgem no seu interior, devido à existência de poros e capilares que permitem a penetração.
A pedra é considerada durável quando está garantido o seu desempenho estrutural durante um determinado período de tempo, garantindo as mesmas condições de que no início do ciclo de vida, quando exposta ao meio ambiente.
A degradação inicia-se quando a pedra se encontra em contacto com as condições climatéricas, sendo que na presença de um elevado teor de humidade é possível verificar o aparecimento de agentes biológicos. O que se verifica com o aparecimento destes agentes é que possuem a capacidade de libertação de substâncias químicas que poderão causar danos na pedra. Esses danos poderão ser à superfície ou no interior da pedra, verificando-se alterações nas propriedades iniciais a nível químico, físico e mecânico da pedra.
2.2.
Agentes de Degradação Física
Os agentes de degradação são inúmeros e, no caso concreto da pedra, os agentes que normalmente surgem devem-se ao facto de se encontrar reunidas as condições climatéricas favoráveis ao seu aparecimento, como a presença de água proveniente da chuva, a radiação solar e o vento. Além destes agentes podemos referir aqueles que provêm da localização geográfica, como é o caso da poluição devido à circulação de veículos.
8 Carla Marisa Mendonça Ribeiro
No que concerne aos agentes físicos consideramos o vento como o principal agente de degradação, devido à função abrasiva sobre a superfície da pedra causada pelo transporte de partículas sólidas. Este agente é também responsável pela cristalização dos sais pois, quando a velocidade do vento aumenta, a água retida nos poros evapora-se, formando sais cristalinos. A temperatura é outro agente que está relacionado com a degradação da pedra, devido às variações de volume provocadas pelas dilatações e contrações, que poderão originar rotura e aparecimento de fissuras na pedra. Existem inúmeras variações como a do coeficiente de dilatação térmica dos minerais, do volume e das direções de tensões interiores que provocam o aparecimento de fendas na pedra.
A água é outro agente agressivo uma vez que poderá transportar sais solúveis, que são uma causa frequente da degradação da superfície da pedra e que poderão possibilitar o aparecimento e desenvolvimento de agentes biológicos.
2.2.1. Ação do Ciclo Gelo-Degelo
O ciclo gelo-degelo é um dos agentes responsáveis pela degradação da pedra. Este facto deve-se a predeve-sença de água, após ter penetrado na pedra através de capilares e poros abertos, e quando submetida a temperaturas baixas, provoca na pedra tensões internas resultantes da variação de volume. Estas variações do volume, provocadas pelo congelamento e descongelamento da água no interior da pedra, provocam tensões internas que podem levar a aberturas de fendas e provocar a desagregação mecânica da pedra (Costa, 2009).
Este fenómeno acontece quando se verifica temperaturas negativas estando relacionados com a quantidade de água que a pedra absorve e o tempo que a pedra está sujeita a essa temperatura. As pedras que se verificam este efeito com mais intensidade, são as que possuem pequenos poros (Cerqueira, 2008).
Para a realização do ensaio do ciclo gelo-degelo baseada na norma EN 12371, que permite a avaliação das alterações a nível das características físicas e mecânicas da pedra.
Para a realização deste ensaio, foram utilizados provetes cúbicos de dimensão 70 mm, que foram submetidos (por um período de seis horas) a uma temperatura mínima de gelo até -12ºC. De seguida os provetes foram sujeitos a seis horas de degelo onde ficaram imersos em água destilada (água sem qualquer tipo de impurezas) a temperatura 20ºC.
Existem dois ensaios possíveis para determinar a resistência do material ao ciclo gelo-degelo: o ensaio de identificação e o ensaio tecnológico. O ensaio de identificação é executado de forma a se proceder ao registo e análise das variações de volume das pedras naturais. O ensaio tecnológico é realizado quando o objetivo é determinar a resistência à flexão, compressão e choque térmico por análise do efeito do ciclo gelo-degelo aplicado a uma pedra.
O ensaio gelo-degelo, é executado em ciclos consecutivos até se atingir a degradação da pedra, sendo que o valor máximo de ciclos é cento e sessenta e oito e o número mínimos de provetes que devem ser utilizados são sete, de acordo com a norma indicada anteriormente para a execução deste ensaio.
Durante a realização deste ensaio será executada uma avaliação às pedras, através do aspeto visual e análise ao decréscimo do módulo de elasticidade dinâmico. Para a realização destes ensaios são utilizados dois conjuntos de provetes: um conjunto para ser analisado após a submissão ao ciclo gelo-degelo e outro conjunto para realizar ensaios sem a submissão ao ciclo mencionado. Se as variações entre os dois conjuntos, as resistências forem superiores a 20% considera-se que a pedra não resiste ao ciclo gelo-degelo (Rebola, 2011).
Para a determinação da compressão após o teste de gelividade não existe um ensaio universal que permita a análise da gelividade de uma pedra. Dentro dos ensaios possíveis para a análise da gelividade descrevemos, de seguida, uma das hipóteses que permite realizar a avaliação pretendida. Coloca-se progressivamente a pedra em água destilada que deve estar a uma temperatura ambiente entre 17 e 20ºC, sendo determinado desta forma o coeficiente embebido (E). Se o coeficiente embebido tiver um valor acima de 0,8 estamos perante uma pedra geladiça e se mesmo valor for inferior a 0,75 trata-se de uma pedra não geladiça. É de salientar que no intervalo entre 0,75 e 0,8 a pedra deve ser submetida a ensaios de gelo-degelo e de porometria.
Podemos ainda determinar a tensão de rotura à compressão após o teste de gelividade. Para isso são utilizados seis provetes cúbicos, sujeitando-os a vinte e cinco ciclos de congelação e descongelação. Após esta análise é possível obter o resultado do ensaio à compressão (Anabela, 2008/2009; Zeferino e Martins, 2010).
10 Carla Marisa Mendonça Ribeiro
2.2.2. Efeitos de Ações Térmicas
A variação da temperatura pode causar degradação na pedra. Esta característica está relacionada com o desempenho mecânico da mesma.
Podemos verificar que a degradação deve-se ao facto da pedra sofrer uma variação de volume causada pela variação de temperatura.
A variação do volume derivada da dilatação e contração pedra, provoca tensões internas que levam à deterioração da pedra, podendo levar mesmo à rotura.
Verifica-se que, na pedra, as zonas mais expostas a este tipo de degradação situam-se em zonas expostas ao sol e sombreamento.
Podemos verificar que a degradação acontece na fronteira entre a camada interior e a camada superficial da pedra.
O aumento de temperatura é bastante vantajoso, uma vez que provoca a secagem dos sais por cristalização e a evaporação de agentes químicos que estão submetidos a efeitos molhados (Costa, 2009).
2.2.3. Efeitos dos Sais Solúveis
Os sais presentes nas águas do solo podem ser os sulfatos, cloretos, nitratos e carbonatos. Estes dissolvem-se na água e penetram na pedra através da existência de poros e capilares. Os sais que entram em contacto com a superfície de pedra vão enfraquecendo à medida que se dirigem para o interior da pedra formando uma crosta superficial na pedra.
As variações de humidade e teor líquido permitem cristalizar e hidratar os sais, possibilitando a repetição deste ciclo até à destruição do material pétreo.
É de salientar que ação destes sais, que poderão penetrar a pedra, provoca um aumento de tensões internas da pedra, podendo levar à sua degradação (Costa, 2009).
2.3. Agentes de Degradação Biológicos
A ação de agentes biológicos é justificadamente enfatizada, pois estes agentes provocam um tipo específico de degradação designada por biodegradação. Esta ação deve-se à colonização de microrganismos, espécies vegetais e animais.
A degradação provocada pelas plantas surge devido ao desenvolvimento de raízes que poderão penetrar na pedra provocando fendas e ações químicas devido a libertação de CO2.
A degradação devido à ação animal deve-se ao facto dos depósitos de excrementos, provenientes de uma pluralidade de espécimes, conterem uma percentagem de ácidos elevada, que poderão provocar a degradação da superfície da pedra que se encontra em contacto com os mesmos.
A presença de humidade favorece o aparecimento de líquenes que são seres vivos que contribuem para uma simbiose de organismos entre algas e fungos. Esta espécie desenvolve- -se à superfície ou no interior da alvenaria de pedra tendo nos dois casos efeitos nocivos.
2.3.1. Bactérias e Fungos
As bactérias e fungos surgem na pedra devido à possibilidade de existência de reações químicas que possibilitam a sobrevivência destas bactérias, reunindo as condições necessárias para o seu aparecimento e desenvolvimento, possibilitando a sua propagação. Estas patologias surgem na superfície da pedra, podendo libertar ácidos e originar a corrosão e deterioração da pedra.
2.3.2. Algas
As algas surgem na superfície da pedra, quando se verificam ciclos de clima quentes e húmidos, reunindo desta forma as condições necessárias para o seu aparecimento e desenvolvendo na superfície de pedra. Realça-se ainda o facto de que a existência de algas poderá possibilitar o aparecimento de outras bactérias e fungos.
Existem dois tipos de algas que poderão surgir na superfície de alvenaria de pedra: algas elípticas e algas endolíticas.
12 Carla Marisa Mendonça Ribeiro
As algas elípticas promovem a dissolução de calcário para a superfície da pedra. O aparecimento destas algas está associado a climas húmidos e à presença sistemática de humidade. Podemos também verificar que em ambientes secos as algas desenvolvem-se em pequenas quantidades e em certos locais da pedra, não existindo, contudo, cobertura total. Em ambientes secos podemos verificar ainda que o aparecimento e desenvolvimento de algumas algas que penetram na pedra deve-se ao facto das mesmas possuírem capacidade de produzirem calcário para o seu desenvolvimento. Na presença do ciclo do clima quente e húmido é assinalável a multiplicação extensiva das algas, o que pode levar à cobertura total da superfície da pedra (Figura 3).
As algas endolíticas desenvolvem-se no interior dos poros da pedra e a sua existência é verificada quando está garantida a presença de luz solar. Assim, estas bactérias provocam a deterioração da pedra a partir do seu interior.
Figura 3 - Presença de agentes de degradação biológica “algas” no Castelo de Penedono, Viseu (http://cincodemaio.blogs.sapo.pt s.d.)
2.3.3. Líquenes
Os líquenes surgem da associação das algas e fungos, quando reunidas as características favoráveis ao seu desenvolvimento. O respetivo ataque destes agentes é caracterizado por uma extrema severidade, pois permite a penetração destes agentes para o interior da pedra devido à produção de ácidos orgânicos e à junção destes agentes biológicos. Estes ataques possibilitam a desfiguração superficial e a dissolução da pedra. Existem estudos em que é referido que
quando há retração devido à seca dos líquenes, é favorecida a dissolução da pedra devido à remoção de grãos. Devido ao desenvolvimento e multiplicação das algas e fungos verificamos que a cobertura (por estes organismos) da superfície impede a pedra de estar em contacto com o ar o que permite a multiplicação de mais bactérias e fungos provocando ainda mais ações químicas na pedra, levando à sua deterioração.
Estas patologias estão também presentes em edifícios localizados em zonas urbanas e expostos à poluição produzida, por exemplo, pela circulação de veículos que permitem a produção de óxidos de azoto propícios para o desenvolvimento destes agentes agressivos (Figura 4).
Este tipo de patologia, devido à sua ação química, degrada a superfície da pedra, provocando danos físicos que poderão resultar numa deterioração superficial, em que os grãos da superfície soltam-se devido à ação de penetração dos líquenes.
Figura 4 -Líquenes – Mosteiro dos Jerónimos em Belém
(http://percursosquimicos.blogspot.pt, s.d.)
2.3.4. Plantas e Vegetação
As plantas e a vegetação, em contacto com a pedra (que pode ser de grande, médio e pequeno porte) podem provocar a degradação devido ao seu crescimento a nível de raízes e de caule, induzindo a destruição da pedra. As raízes das plantas provocam na pedra uma perturbação física pois as raízes vão-se desenvolvendo pelas fachadas dos edifícios, levando à deterioração da pedra.
14 Carla Marisa Mendonça Ribeiro
2.4. Patologias que surgem nas Pedra
Segundo Araújo (2004) é normal o aparecimento de algumas patologias na superfície da pedra, sendo necessário desenvolver técnicas no combate a estes agentes. Estas patologias provocam a deterioração, alteração e depósito de agentes agressivos na pedra.
A eflorescência é um dos agentes agressivos que ocorrem quando a pedra se encontra contaminada de sais e exposta a um ciclo húmido e posteriormente seco que pode possibilitar a migração dos sais para a superfície da pedra. A eflorescência são depósitos cristalinos de cor branca que surge na superfície da pedra.
O aparecimento destes sais realiza-se através da evaporação de água na superfície da pedra, provocando um aspeto de eflorescência de cor branca na mesma. A eflorescência surge a nível do solo, quando a água presente se encontra com elevada quantidade de sais dissolvidos. Estes sais podem atingir a superfície da pedra através dos capilares. (Figura 5).
Figura 5 - Eflorescência (Araújo, 2004)
Segundo Araújo (2004), a criptoflorescência verifica-se quando os sais que se encontram no interior da pedra se cristalizam. Este tipo de patologia não é visível á primeira vista. Pode provocar a delaminação de contorno de uma parte à superfície, levando à queda superficial das camadas da pedra. O aparecimento de sais no interior da pedra está relacionado com ciclos de humidade e secagem presentes no interior (Figura 6).
Figura 6 - Criptoflorescência (Araújo, 2004)
A Sopa de Pedra (Rm-Rock Meal) resulta da desintegração granular da pedra. Esta patologia pode ser removida da superfície da pedra através de um processo de escovagem. Na figura abaixo (Figura 7) podemos observar a existência de uma sopa de pedra fixa.
Figura 7 - Sopa de Pedra (Araújo, 2004)
A crosta de alteração resulta de afloramento devido a lentas alterações químicas, frequentes em pedras que contêm grande percentagem de ferro. Esta patologia surge na camada superficial da pedra após a exposição a ciclos húmidos e secos. Normalmente surge em fissuras devido à fragilidade característica destes locais, impossibilitando a resistência do material a este tipo de agentes.
As manchas ferrosas surgem na superfície da pedra, alterando a cor da mesma devido à presença de ácidos ou substâncias com teores de ferro que provocam manchas ferrosas na superfície.
Outra patologia que pode surgir na superfície da pedra é a crosta negra devido às impurezas ambientais provocadas pela poluição, que se depositam em camadas na superfície da alvenaria de pedra, formando uma camada escura que leva à deterioração do material.
16 Carla Marisa Mendonça Ribeiro
A incrustação negra surge mediante a presença de elevados níveis de poluição atmosféricos, que permitem o desenvolvimento de crosta negra. É caraterizada pelo aparecimento, na superfície da pedra, de partículas designadas por botiroides que cobrem progressivamente a superfície de pedra (Figura 8).
Figura 8 - Incrustação negra (Araújo, 2004)
Segundo Araújo (2004), a alveolização produz um efeito de descamação devido à desintegração granular, associada à acumulação de sais dissolvidos nas águas da chuva. Desenvolve também cavidades na superfície da pedra, provocando irregularidades caracterizadas pela criação de cavidades de dimensões variadas (Figura 9).
Figura 9 - Alveolização (Almeida, 2000)
Segundo Araújo (2004), a degradação diferenciada é uma patologia que modifica a textura superficial. A degradação provocada é profunda devido à heterogeneidade do material.
A esfoliação surge quando podemos verificar que na superfície da alvenaria de pedra existe um destacamento de uma ou mais camadas do substrato superficial (Figura 10).
Figura 10 - Esfoliação (Almeida, 2000)
Segundo Araújo (2004), em ambientes de ciclo seco e húmido o pitting (perfuração) deve-se a presença de calcário, e com a ajuda do microscópico eletrónico de varrimento (SEM) é possível verificar que nestas perfurações estão colonizadas algas, fungos e bactérias. A presença do calcário provoca o aparecimento de pequenos orifícios múltiplos de pequenos diâmetros na superfície da pedra, designada por degradação puntiforme (Figura 11).
Figura 11- Pitting (Almeida, 2000)
2.5. Aplicação da Pedra em Estruturas de Alvenaria
A pedra é um dos materiais mais utilizados na construção devido à sua estética e à sua resistência. É utilizada abundantemente na arquitetura monumental e vernacular onde se destacam palácios, castelos, torres, muralhas, igrejas, pontes e edifícios. A pedra normalmente utilizada na construção destes edifícios provinha de jazidas próximas do local da construção (Costa, 2011). Este material era utilizado em todo o mundo por razões de estética, elegância, resistência e durabilidade (Pinho et al. 2012).
Internacionalmente surgiram medidas para proteger edifícios históricos. Em 1921 realizou-se um congresso onde participaram vários países europeus onde foi elaborado um documento designado por Carta de Atenas. O grande objetivo deste documento era reabilitar monumentos
18 Carla Marisa Mendonça Ribeiro
arquitetónicos. Antes da elaboração da reabilitação deve ser elaborado um estudo de todo o historial do edifício, analisando toda a documentação existente sobre o mesmo e realizando de forma correta as reparações. A reabilitação dos monumentos tem como objetivo preservar e conservar as obras antigas por forma a assegurar a durabilidade destas obras.
É de salientar que, para além dos monumentos, as zonas urbanas típicas (onde a maioria dos edifícios é construída em pedra) são também consideradas património histórico, sendo necessário intervir de forma a garantir a sua preservação (Gonçalves, 2010).
O património monumental e cultural caracteriza um povo e um país, e é de grande interesse preservar e conservar estas obras de arte pois as mesmas permitem manter a cultura própria de um país ou de um local.
A arquitetura vernacular caracteriza uma comunidade e o seu território, contendo uma diversidade de indicadores geográficos, económicos, climáticos, sociais e culturais. Durante milhares de anos a arquitetura vernacular evoluiu em função das necessidades das populações sendo transmitida de geração em geração até à Revolução Industrial (Fernandes e Mateus, 2011).
Em Portugal, como no resto do mundo, a arquitetura vernacular está interligada com os contrastes topográficos, geológicos, climáticos e culturais. Com o desenvolvimento industrial entraram para o nosso mercado novas técnicas e materiais de construção, iniciando uma nova era na construção em Portugal. Durante essa época verificou-se uma tendência para a demolição de edifícios antigos, procedendo-se à substituição destes por novas construções. No seculo XX assistimos à valorização do restauro, o que resultou um grande desenvolvimento nesta área por forma a proteger o património histórico e cultural, atribuindo-lhe maior importância e aproximando-se às construções modernas aos aspetos estéticos e aos locais onde se inserem (Fernandes e Mateus, 2011).
Com o decorrer do tempo e ajustando-se a cada geração, a construção passou a possuir desafios a nível sustentável, onde incidiu numa melhoria da qualidade de vida, da qualidade do ambiente interior e na diminuição dos custos do ciclo de vida. Para a adequação das construções a este desenvolvimento foi publicado o Decreto-lei n.º 40/90, o Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE) e o Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização de Edifícios (RSECE) (Chaves, 2009).
2.6. Vários tipos de rochas existentes em Portugal
Em Portugal verifica-se que a extração das pedras resultantes das rochas, disponíveis para a construção encontra-se implementada há alguns séculos. Para extração de pedras existem quatro princípios fundamentais: segurança, economia (exploração rentável), bom aproveitamento da exploração e proteção ambiental (Esteves, 2007). Através dessas explorações têm sido possível averiguar a existência de vários tipos de rochas no Continente Português como o xisto, o granito, o calcário e o basalto. Este facto contribuiu para uma diversidade acentuada no que diz respeito à variedade de pedras utilizadas nas construções mais antigas, já que normalmente era utilizado o material mais próximo do local da elaboração da construção.
Em Portugal foram-se desenvolvendo centros de triagem de pedra que recorrem ao uso de equipamentos mecânicos para a sua extração - locais representados na Figura 12.
Estes locais de extração permitem a seleção de uma determinada pedra, de acordo com as propriedades pretendidas. A existência de vários locais de extração, cada um especializado num determinado tipo de pedra, permite a possibilidade de escolha entre diversas variedades.
Figura 12 – Distribuição por centros de extrações de calcário, granito, xisto e ardósia (Rodrigues et al. 2001)
20 Carla Marisa Mendonça Ribeiro
Assim, através da Figura 12 e da tabela 1 é possível observar em que localidade se pode encontrar determinada pedra. A pedra, após a extração, sofre um tratamento de transformação que permite a adequação da pedra à finalidade a que se destina.
Tabela 1 - Tipos de rochas existentes em Portugal e a sua localização (Rodrigues et al. 2001)
Rochas Localização
Granito Norte do país, no Minho e Douro Litoral, na Beira Alta e em menores
quantidades na zona de Portalegre, Évora e Beja.
Xisto Trás-os-Montes, Beiras e Alentejo.
Calcário e Mármore Regiões da Estremadura, Beira Litoral e Algarve.
Areia, Arenito e Argila Beira Litoral, Alentejo e Algarve.
Basalto Arquipélagos dos Açores e da Madeira e um pouco na zona de Lisboa.
É de salientar que a exploração destes centros de extrações de pedra tem também um impacto ambiental. Para minimizar esse impacto foi criada legislação na área para configurar a adequação ao meio envolvente. A extração da pedra dos centros existentes em Portugal obteve, desde o início, um papel significativo no mercado de exportação, uma vez que além da comercialização em Portugal verificou-se um grande interesse a nível mundial.
2.7. Descrição petrográfica da pedra
Segundo Vasconcelos (2005) para a determinação de todos os parâmetros que têm impacto no comportamento mecânico da pedra é necessário analisar o conteúdo, a textura e o tamanho dos grãos que constituem a pedra. O tamanho de grão está diretamente correlacionado com a resistência à compressão. Através da análise do tecido mineral, do tamanho do grão, da microfissuração e da porosidade é possível determinar a degradação de uma rocha anisotrópica. O procedimento a adotar consiste na preparação de grãos finos que permitem determinar os minerais que possam estar presentes, as microfraturas existentes, as alterações secundárias visíveis, o tamanho do grão e a análise do tecido mineral. O resultado de um exame petrográfico deve ser apresentado de forma sintética.
2.8. Impermeabilizantes existentes no mercado – hidrófugos
Os tratamentos utilizados com o intuito de proteger a superfície da pedra já advêm da antiguidade. Como a água é um dos principais responsáveis pela degradação da pedra surgiu, como forma de prevenção da deterioração e proteção do material, a aplicação de substâncias hidrorrepelentes (Castro, 1984).
A aplicação de um hidrófugo é um método de proteção e conservação das pedras que visa a minimização da deterioração. Estes produtos são constituídos por sabões, ceras e resinas orgânicas e artificiais. Com a aplicação destes produtos prevê-se a alteração das propriedades da pedra por forma a possuir um comportamento diferente perante a humidade. O comportamento desejado consiste na diminuição da capacidade de absorção de água após a aplicação destes produtos. Assim, podemos salientar que a aplicação do hidrófugo sobre a superfície da pedra permite-lhe a aquisição de propriedades hidrorrepelentes (Pinto, 1994). Atualmente existem no mercado hidrófugos destinados à incrementação da capacidade de proteção das pedras contra agentes agressivos. Este produto funciona como hidrofugante de silicone, podendo ser aplicado nas fachadas de edifícios históricos, culturais ou mesmo em habitações. Este produto tem como função impedir a penetração de humidade e evitar a acumulação de sujidades. Constata-se também que o efeito de degradação do ciclo gelo-degelo é reduzido pela aplicação deste impermeabilizante, pois este impede a penetração da água através da superfície da pedra.
Existem no mercado endurecedores de substrato com a principal função de bloquear os poros. Em poros que contêm sais e humidade permite a redução do volume dos mesmos, o que previne o aparecimento de eflorescência e sais. Permite aumentar a resistência química e mecânica da pedra. O produto penetra no substrato até aos 2 cm de profundidade desde a superfície da pedra. Normalmente a aplicação é através de spray sobre a superfície da pedra. Os hidrofugantes protetores da superfície da pedra mantêm o seu aspeto original. Estes produtos protegem a superfície da pedra contra agentes climatéricos agressivos. São transparentes, após a secagem, e penetram na superfície da pedra. Possuem a capacidade de resistência à alcalinidade e podem ser aplicados sobre substratos.
Os impregnantes de alta capacidade, com aplicação direta na superfície da pedra, possuem a capacidade de resistir aos ciclos gelo-degelo e ao ataque de sais e condições climatéricas
22 Carla Marisa Mendonça Ribeiro
agressivas. Estes produtos apresentam-se como uma pasta cremosa podendo ser aplicados por spray. A superfície deverá estar seca e limpa de impurezas antes da sua aplicação.
As soluções à base de resina de silicone podem ser utilizadas em vários produtos. São aplicadas na superfície da pedra, conferindo uma proteção eficaz contra os agentes agressivos. Esta substância protege a pedra de ataques químicos, físicos e biológicos. Possui uma elevada resistência a condições climatéricas adversas. Este produto deve ser aplicado sobre uma superfície seca e livre de impurezas.
3. AVALIAÇÃO DE CAUSAS NATURAIS
3.1. Riscos Geológicos e Geomorfológicos
As causas naturais provocam prejuízos materiais, naturais e humanos. Os riscos naturais que se verificam com mais frequência são as cheias progressivas e repentinas e o movimento de vertentes. Para evitar prejuízos causados por esses riscos, é necessária a criação de infraestruturas (drenos, esgotos) (Bateira, et al, 2007).
No âmbito do presente estudo foram analisadas pedras provenientes de locais de extração situados na região norte do país. Devido a este facto, importa estudar os riscos geológicos e geomorfológicos com particular incidência na zona norte do país, representada na figura seguinte (Figura 13).
Figura 13 – Mapa regional da zona norte de Portugal (Bateira, et al, 2007)
3.1.1. Cheias progressivas
As cheias progressivas surgem devido à precipitação. As precipitações responsáveis pelas cheias progressivas são homogéneas e de intensidade média, ocorrendo num intervalo de tempo extenso. Pelo facto da intensidade ser média, e de longa duração permitem um
24 Carla Marisa Mendonça Ribeiro
diagnóstico precoce relativamente à ocorrência das mesmas, sendo relativamente fácil acionar as estruturas necessárias (esgotos, drenos) que permitem minimizar os danos causados pelas mesmas em bens e estruturas existentes. Devido a este facto, não existe normalmente e diretamente ocorrência de vítimas mortais (Bateira, et al, 2007).
Figura 14 – Setores afetados por cheias naturais progressivas (Bateira, et al, 2007)
3.1.2. Cheias repentinas
As cheias repentinas, pelo facto de não possibilitarem o aviso prévio à população, provocam danos materiais e, consequentemente, podem colocar a vida das populações em risco. Normalmente o tipo de precipitação responsável por este fenómeno ocorre com grande intensidade e num curto espaço de tempo. O seu grau de devastação e de prejuízos acentua-se onde se verificam declives muito acentuados e em áreas montanhosas onde o relevo é mais acentuado, que é o caso da região Norte.
As inundações poderão verificar-se com maior frequência se não forem criadas condições de evacuação de águas provenientes das precipitações de grande caudal. Devem-se criar infraestruturas (esgotos, drenos) por forma a evacuar grandes quantidades de águas afluente e encaminhá-las para locais de recolha.
A precipitação repentina está associada às condições meteorológicas mas também aos fatores morfológicos, que criam locais propícios à ocorrência deste tipo de fenómenos ambientais. Uma das situações perigosas que se podem verificar é o encontro de uma planície com uma superfície montanhosa, onde a ocorrência de uma precipitação repentina poderá causar elevados prejuízos.
O facto das montanhas, nalguns casos, possuírem sub-bacias com capacidade de armazenar grandes quantidades de água, permite que, com a ocorrência de precipitações repentinas, as mesmas possam armazenar as águas, não causando danos devastadores na natureza, bens e seres humanos.
A perigosidade associada às cheias naturais e repentinas resulta da interação de vários fatores a nível natural e antrópico. Os fatores considerados para a análise foram a litologia, declive, densidade de drenagem hidrográfica, precipitação, pressão antrópica e a camada rochosa (que não permite a existência da capacidade de absorção) (Bateira, et al, 2007).
