UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
ARTHUR REICHERT DAMIAN PREVE
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES RADIANTES EM PAVIMENTOS DE PEÇAS PRÉ-MOLDADAS DE CONCRETO COM INCORPORAÇÃO DE VIDRO RECICLADO E DIÓXIDO DE TITÂNIO SUBMETIDAS À ALTERAÇÃO
SUPERFICIAL POR COLMATAÇÃO E DESGASTE
FLORIANÓPOLIS 2019
Arthur Reichert Damian Preve
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES RADIANTES EM PAVIMENTOS DE PEÇAS PRÉ-MOLDADAS DE CONCRETO COM INCORPORAÇÃO DE VIDRO RECICLADO E DIÓXIDO DE TITÂNIO SUBMETIDAS À ALTERAÇÃO
SUPERFICIAL POR COLMATAÇÃO E DESGASTE
Dissertação submetido ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do título de mestre em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Dr. João Victor Staub de Melo
Coorientador: Prof. Dr. Deivis Luís Marinoski
Arthur Reichert Damian Preve
Avaliação das propriedades radiantes em pavimentos de peças pré-moldadas de concreto com incorporação de vidro reciclado e dióxido de titânio submetidas à
alteração superficial por colmatação e desgaste
O presente trabalho em nível de mestrado foi avaliado e aprovado por banca examinadora composta pelos seguintes membros:
Prof. Joe Arnaldo Villena Del Carpio, Dr. Universidade Federal do Paraná
Prof. Saulo Güths, Dr.
Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Fábio Krueger da Silva, Dr. Instituto Federal de Santa Catarina
Certificamos que esta é a versão original e final do trabalho de conclusão que foi julgado adequado para obtenção do título de mestre em Engenharia civil obtido pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia civil PPGEC – UFSC.
____________________________ Profa. Dra. Poliana Dias de Moraes
Coordenadora do Programa
________________________________ Prof. Dr. João Victor Staub de Melo
Orientador
________________________________ Prof. Dr. Deivis Luís Marinoski
Coorientador
Florianópolis, 21 de novembro de 2019. Documento assinado digitalmente
Joao Victor Staub de Melo Data: 16/12/2019 15:14:12-0300 CPF: 008.890.339-78
Documento assinado digitalmente Deivis Luis Marinoski
Data: 16/12/2019 15:18:41-0300 CPF: 025.078.019-48 Documento assinado digitalmente
Poliana Dias de Moraes Data: 16/12/2019 16:40:56-0300 CPF: 613.571.209-82
Este trabalho é dedicado ao povo brasileiro, à minha família e amigos.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por mais um ato de iluminação do meu ser. Este período foi de bastante aprendizado.
Agradeço à Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), seus funcionários e instalações, por proporcionar a efetivação desta pesquisa. Também à CAPES e ao CNPq por financiar o Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPGEC) da UFSC.
Agradeço ao meu orientador e coorientador por disponibilizar seus tempos para orientar e contribuir com esta pesquisa.
Agradeço ao Laboratório de Pavimentação da UFSC (LabPav), ao Laboratório de Materiais de Construção Civil (LMCC), ao LEE (Laboratório de Experimentação de Estruturas) por proporcionar os equipamentos e ferramentas para preparo e confecção das PPCs. Também ao Laboratório de Valorização de Resíduos e Materiais (ValoRes) pelas análises de composição química dos materiais.
Agradeço ao Centro de Pesquisa e Capacitação em Energia Solar da UFSC por disponibilizar a área da implantação dos sítios e transporte diário para o local.
Agradeço ao Laboratório Centro Brasileiro de Eficiência Energética em Edificações (CB3E), ao professor Saulo Guths e ao professor Deivis Marinoski, por disponibilizar os equipamentos de medição e uma sala de estudos.
Agradeço aos meus pais Fernando e Elisabete, ao meu irmão Henrique pela ajuda emocional e financeira.
Aos meus colegas Geraldo, Luana, Lucas, Ícaro, Bruno, Fernanda, Thais, Cheila e Emmanuele pelo apoio e conversas.
Aos meus primos e amigos por me reafirmar que a felicidade se encontra em momentos simples e só existe quando compartilhada.
Agradeço aos bolsistas de Iniciação Científica por me ajudar nas atividades. A todos, meu muito obrigado.
São as nossas escolhas, mais do que as nossas capacidades, que mostram quem realmente somos (Rowling, J. K., 2008).
RESUMO
Os pavimentos de centros urbanos sujeitos à incidência de radiação solar são alvo de pesquisas que visam minimizar o efeito de ilhas de calor urbana através do melhoramento das propriedades radiantes. A emitância térmica, a refletância e absortância solar são os principais parâmetros que determinam o comportamento dos materiais frente à radiação. Dentre estas, a refletância solar é a mais comum de ser alterada, sendo feita através da incorporação de pigmentos e agregados de maiores albedos. Entretanto, em serviço, os pavimentos sofrem alterações em suas superfícies (colmatação e desgaste) capazes de alterar as propriedades radiantes. A nanomodificação de materiais com TiO2, é capaz de acrescentar o albedo (por
desempenhar papel de pigmento) e de torná-los autolimpantes, mantendo as propriedades radiantes por mais tempo. Peças pré-moldadas de concreto (PPCs) são amplamente empregadas como pavimentos em centros urbanos. Tendo em vista questões econômicas, ambientais e a aceitabilidade de materiais vítreos incorporados à matriz cimentícia, foram desenvolvidos cinco diferentes traços de concreto seco para PPCs de dupla camada, substituindo 46,2% dos agregados do traço de referência (R) por vidro incolor (traço I), vidro verde (traço V), vidro âmbar (traço A) e vidro incolor em peças fotocatalíticas (Traço FI - 9,0% de adição de TiO2).
Dessa forma, o objetivo deste estudo é avaliar a refletância solar e emitância térmica de PPCs fotocatalíticas e com incorporação de vidro reciclado empregadas na pavimentação urbana submetidas a alteração superficial. As PPCs foram analisadas em campo (procedimento E1918A) e em laboratório - procedimento: ASTM C1549 (2016), ASTM C1371 (2015) e ASTM E903(2012) - nos estados virgem, com a superfície colmatada, desgastada e colmatada após o desgaste. Procedimentos para alterar a superfície das peças foram desenvolvidos durante a pesquisa. A colmatação se deu por aplicação de pasta colmatadora e foi quantificado através do Grau de Colmatação Superficial (GCS), determinado por processamento de imagens. O desgaste aconteceu através de procedimentos químicos e físicos sequenciados sendo controlado pela altura de mancha de areia (HS). Foram analisados os componentes que constituem as PPCs, e observou-se que a incorporação de 9,0% de TiO2 (referente ao peso de cimento Portland) na
pasta de cimento Portland incrementou a refletância em 42,8%. No que se refere ao vidro reciclado, a refletância é de 5,0% (verde e âmbar) a 8,0% (incolor) sendo que o pigmento destes influenciam principalmente na transmitância e absortância da radiação solar. No estado virgem as propriedades radiantes foram bastante semelhantes. Houve uma queda proporcional nos valores de refletância com o aumento da colmatação (e do GCS) para todos os traços. Nos processos de desgaste, com o aumento da macrotextura (HS) obteve-se uma correlação bilinear em que os valores de refletância diminuíram até chegar em um patamar. Os patamares dos traços I, V e A são inferiores ao do R devido ao fenômeno da argamassa translúcida. No traço FI a alta refletância solar da pasta fotocatalítica compensa esse fenômeno. As análises da reflexão por espectro (ASTM E903-2012) revelou que os espectros VIS e IV são os que mais contribuem para a refletância. Para os procedimentos de colmatação superficial verificou-se que o espectro VIS é o mais sofrem alteração. Para o desgaste, os espectros VIS e IV acabam alterando. Dessa forma, as propriedades radiantes das PPCs inicialmente têm refletância solar e emitância térmica semelhantes. Com o desgaste, as características de cada traço ficam mais aparentes e revelam que os traços que contém vidro são menos eficientes na refletância solar que os traços convencionais. No entanto, o traço fotocatalítico possui maior refletância dentre os que contém vidro devido, principalmente à pigmentação da matriz cimentícia pelo TiO2.
Palavras-chave: Propriedades radiantes. Peças pré-moldadas de concreto. Vidro reciclado. Peças fotocatalíticas. Alteração superficial.
ABSTRACT
Pavements in urban centers subject to the solar radiance incidence are focus of research that aimed minimizing the effect of urban heat islands through the improvement of radiant properties. Thermal emittance, solar reflectance and absorbance are the main parameters that determine the behavior of the materials submitted at radiation. Among these, solar reflectance is the most common parameter to be altered, being made through the incorporation of pigments and aggregates of high albedos. However, in service, pavements changes their radiant properties through clogging and wear actions in surface. Nanomodification of materials with titanium dioxide (TiO2) is able to improve albedo (use as with pigment) and make them self-cleaning
and keeping their radiant properties longer. Concrete blocks are widely used as pavements in urban centers. In view of the economic, environmental and acceptability of vitreous materials incorporated into the cementations matrix, five different mortars of dry concrete in double layer blocks were developed. It was replacing 46.2% of the reference mortar aggregates (R) for wasted glass, using clear wasted glass (mortar I), green wasted glass (mortar V), amber wasted glass (mortar A) and clear glass in photocatalytic blocks (FI - add 9,0% TiO2). Thus, the
objective of this study is to evaluate the solar reflectance and thermal emittance of concrete block with add wasted glass and titanium dioxide when subjected to surface alteration. The concrete blocks were analysed in the field (procedure E1918A) and in the laboratory - procedure: ASTM C1549 (2016), ASTM C1371 (2015) and ASTM E903 (2012). The analyses occurred in four surfaces states: virgin, clogged, wear, and clogged after wear surface. Procedures for changing the surface were developed during the research. The clogging procedure was done by applying a paste and was quantified by the Surface Clogging Degree (GCS), determined by image processing. The wear occurred through sequenced chemical and physical procedures being controlled by the macrotexture (HS). The components of the concrete block were analyzed, and was observed that the incorporation of 9% TiO2 (referring to the
Portland cement weight) in the Portland cement paste increased the reflectance by 42.8%. Concerning to wasted glasses, the reflectance ranges from 5% to 8%, and their pigment mainly influences the transmittance and absorption of solar radiation. The concrete block surface in its virgin state the radiant properties were quite similar. There was a proportional reduce in reflectance values with increasing clogging (and GCS) for all mortars. In the wear processes, with the increase of macrotexture (HS) a bilinear correlation was obtained in which the reflectance values decreased until reaching a plateau. The I, V and A mortars are lower than R mortar due to the translucent mortar phenomenon. In the FI mortar, this phenomenon are compensated by the high solar reflectance of the photocatalytic paste. Spectrum reflection analysis (ASTM E903-2012) revealed that VIS and IR spectra contribute the most to reflectance. For surface clogging procedures, it was found that the VIS spectrum is the most altered. For wear process, the VIS and IR spectra eventually change. Thus, the radiant properties of concrete blocks initially have similar solar reflectance and thermal emission. With wear, the characteristics of each particle become more apparent and reveal that wasted glass particles are less efficient at solar reflectance than mineral ones. However, the photocatalytic mortar has greater reflectance among those containing wasted glass, mainly due to the cementation matrix pigmentation by TiO2.
Keywords: Radiant properties. Precast concrete pieces. Wasted glass. Photocatalytic pavers. Surface alteration
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Mapa das isotermas de uma ICU à noite. ... 26
Figura 2 – Seção de uma ICU. ... 27
Figura 3 – Espectro eletromagnético. ... 29
Figura 4 – Irradiação solar espectral que atinge a superfície terrestre. ... 30
Figura 5 – Interceptações na radiação solar. ... 31
Figura 6 – Interação da radiação solar com a matéria. ... 31
Figura 7 – Efeito do albedo na temperatura superficial. ... 36
Figura 8 – Aumento da absorção da radiação devido à rugosidade da superfície. ... 36
Figura 9 – Intervalo de sensibilidade dos aparelhos de medição de refletância e emitância térmica. ... 37
Figura 10 – Espectrofotômetro Lambda 1050. ... 38
Figura 11 – Componentes do refletômetro solar. ... 39
Figura 12 – Piranômetro. ... 40
Figura 13 – Suporte para uso do piranômetro. ... 41
Figura 14 – Comparação entre os resultados das metodologias ASTM E1918 e E1918A. .... 41
Figura 15 – Componentes do emissômetro portátil. ... 43
Figura 16 – Movimentos relativos entre as peças do pavimento de peças pré-moldadas de concreto. ... 44
Figura 17 – Estrutura de um pavimento de peças pré-moldadas de concreto. ... 44
Figura 18 – Camada de base e camada superficial de uma PPC (double-cap). ... 45
Figura 19 – Taxa de reciclagem de vidro em alguns países. ... 47
Figura 20 – Reflexão, refração, transmissão, da radiação através de um material translúcido. ... 50
Figura 21 – Variações da refletância, transmitância e absortância em função do ângulo de incidência solar para amostras de vidro duplo (A), vidro incolor (B) e vidro pigmentado (C). ... 51
Figura 22 – Alteração da refletância dos pavimentos de concreto de cimento Portland (cP) e de mistura asfáltica (MA). ... 52
Figura 23 – Comparação do pavimento de PPCs sextavadas com e sem desgaste superficial. ... 53
Figura 24 – Refletância do concreto de cimento Portland de diferentes traços submetidos ao processo de abrasão. ... 54
Figura 25 – Amostra de concreto de cimento Portland submetidas à exposição de agentes
colmatadores. ... 55
Figura 26 – Fluxograma das etapas do método do trabalho. ... 65
Figura 27 – PEV localizado dentro do Campus Trindade – UFSC. ... 67
Figura 28 – Fluxograma de descontaminação e tratamento de embalagens de vidro. ... 68
Figura 29 – Processo de lavação das garrafas e peneiramento após trituração. ... 68
Figura 30 – Local de coleta do material colmatante e material processado. ... 69
Figura 31 –Material colmatador e após secagem em estufa e após peneirado (n°4). ... 70
Figura 32 – Curva granulométrica adotada. ... 72
Figura 33 – Confecção das PPCs de dupla camada. ... 73
Figura 34 – Pastilha para avaliação em espectrofotômetro (dimensões em cm – sem escala).75 Figura 35 – Amostras dos componentes das PPCs e material colmatador analisadas no espectrofotômetro. Pastilhas de cimento Portland sem (a) e com adição de 9,0% de TiO2 (b); do vidro âmbar (c) do TiO2 puro (d), do vidro verde (e), do vidro incolor (f) do agregado mineral (g) e do material colmatador (h). ... 75
Figura 36 – Localização dos sítios experimentais. ... 77
Figura 37 – Disposição dos cinco sítios experimentais (dimensões em metros – sem escala). ... 78
Figura 38 – Exemplo da mosaico dos sítios experimentais (dimensões em metros – sem escala) e peças de controle destacadas. ... 78
Figura 39 – Posicionamento dos sensores de ensaio na superfície das PPCs: em a) projeção do refletômetro portátil e em b, do emissômetro portátil (dimensões em centímetros). ... 80
Figura 40 – Processo de escaneamento das PPCs. Posicionamento da PPC sobre o scanner (a) e posicionamento da caixa de para redução da iluminação externa (b)... 81
Figura 41 – Fluxograma dos processos de contaminação e desgaste. ... 83
Figura 42 – Superfície virgem (a) e realização da medição com a superfície colmatada (b). . 84
Figura 43 – Processo de colmatação e deposição de partículas de diferentes tamanhos sobre a superfície. ... 84
Figura 44 – Cinco graus de colmatação superficial (GCS). ... 85
Figura 45 – Fluxograma do Processo 1: Colmatação da superfície. ... 86
Figura 46 – Esquema da realização do ensaio de mancha de areia. ... 89
Figura 47 – Ensaio de mancha de areia realizado nas PPCs. ... 90
Figura 49 – Fluxograma de atividades para avaliação da influência de desgaste no albedo do
material. ... 92
Figura 50 – Pastilhas analisadas em espectrofotômetro em seu último grau de desgaste. ... 93
Figura 51 – Curva granulométrica do pedrisco utilizado na pesquisa. ... 99
Figura 52 – Micrografia do AEROXIDE TiO2 P25 EVONIK. ... 103
Figura 53 – Material colmatador antes e depois de ser aquecido a 440° C. ... 104
Figura 54 – Curva granulométrica do material colmatador. ... 104
Figura 55 – Escaneamento de uma das peças de controle de cada sítio em estado virgem. .. 109
Figura 56 – Binarização das imagens RGB da PPC de controle VD9 (limiarizador 175) e cálculo do GCS. ... 113
Figura 57 – Comportamento da refletância solar em função do GCS (Processo 1). ... 114
Figura 58 – Comportamento da emitância térmica em função do GCS (Processo 1). ... 116
Figura 59 – Comportamento do SRI em função do GCS (Processo 1). ... 117
Figura 60 – Comportamento da refletância solar em função do HS (Processo 2). ... 118
Figura 61 – Exemplo de argamassa translúcida (incorporação de grãos de vidro na composição). ... 120
Figura 62 – Comportamento da emitância térmica em função do HS (Processo 2). ... 121
Figura 63 – Comportamento do SRI em função do HS (Processo 2). ... 122
Figura 64 – Afloramento dos agregados com o desgaste (PPC de controle VB5). ... 123
Figura 65 – Comportamento da exposição da área de vidro em função do HS. ... 124
Figura 66 – Desagregação de partículas de vidro na superfície da PPC (AA8). ... 124
Figura 67 – Comportamento da refletância solar em função da área de vidro exposta. ... 125
Figura 68 – Comportamento da microtextura em função do HS (mm). ... 126
Figura 69 – Comportamento da refletância solar em função da microtextura. ... 127
Figura 70 – Processo de colmatação sobre a PPC de controle VD9 desgastada (HS= 1,66 mm) e limiarizador = 132. ... 128
Figura 71 – Comportamento da refletância solar em função do GCS após desgaste (Processo 3). ... 129
Figura 72 – Comportamento da emitância Térmica em função do GCS após desgaste (Processo 3). ... 131
Figura 73 – Comportamento do SRI em função do GCS após desgaste (Processo 3). ... 132
Figura 74 – Comportamento da refletância nos espectros (UV, Vis e IV) em função do GCS. ... 134
Figura 75 – Comportamento da refletância nos espectros (UV, VIS e IV) em função do HS. ... 136
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Consequência relacionadas às ICUs. ... 28
Tabela 2 – Albedos de algumas superfícies. ... 35
Tabela 3 – Estudos desenvolvidos para mitigação e controle de ICUs. ... 57
Tabela 4 – Granulometria adotada... 71
Tabela 5 – Traços para a camada de base e superficial dos traços de PPCs da pesquisa. ... 73
Tabela 6 – Massa necessária para confecção das PPCs (camada superficial). ... 74
Tabela 7 – Classificação da macrotextura em termos dos intervalos de altura de areia (HS), ou profundidade média de areia no ensaio de mancha de areia. ... 90
Tabela 8 – Classificação da microtextura em termos dos intervalos de BPN (British Pendulum Number). ... 91
Tabela 9 – Características físicas do pedrisco proveniente da empresa SBM. ... 100
Tabela 10 – Massa específica do vidro reciclado incolor. ... 101
Tabela 11 – Composição do Cimento Portland Votorantim CP II-Z-40. ... 101
Tabela 12 – Características Químicas, Físicas e Mecânicas do Cimento Portland Votorantim CP II-Z-40... 102
Tabela 13 – Características Físico-químicas do TiO2 utilizado nas PPCs do traço FI. ... 103
Tabela 14 – Composição química do material colmatador após isenção de matéria orgânica. ... 105
Tabela 15 – Especificações do ácido clorídrico P.A. 37%. ... 106
Tabela 16 – Propriedades radiantes dos materiais utilizados na pesquisa. ... 107
Tabela 17 – Propriedades radiantes dos traços em estado virgem. ... 111
Tabela 18 – Correlação linear entre a refletância solar em função do GCS. ... 114
Tabela 19 – Correlações lineares entre o SRI e o GCS. ... 117
Tabela 20 – Correlação linear entre a refletância solar em função do HS. ... 119
Tabela 21 – Correlação linear entre a SRI em função do HS. ... 122
Tabela 22 – Correlação entre a microtextura em função do HS. ... 126
Tabela 23 – Correlação entre a refletância solar em função do GCS. ... 129
Tabela 24 – Correlação entre o SRI em função do GCS após desgaste (Processo 3). ... 132
Tabela 25 – Grau de colmatação superficial das pastilhas para análise no espectrofotômetro. ... 133
Tabela 27 – Altura de mancha de areia HS (mm) nas pastilhas analisadas em espectrofotômetro. ... 135 Tabela 28 – Participação do espectro UV, VIS e IV na refletância solar. ... 137
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASTM American Society for Testing and Materials CCR Concreto Compactado a Rolo
Comcap Companhia de melhoramentos da capital COP21 Conferência das Partes 21
cP Cimento Portland DPI Dots Per Inch
EDX Espectrômetro de fluorescência de raios X por Energia Dispersiva EUA Estados Unidos da América
GSC Grau de colmatação superficial ICU Ilha de Calor Urbana
IV NIR Infravermelho (Near infrared) MA Mistura Asfáltica
MMA Ministério do Meio Ambiente NBR Norma Brasileira
ONU Organização das Nações Unidas PEV Ponto de entrega voluntária Pixel Picture element
POA Processo oxidativo avançado PPC Peças de pré-moldadas de concreto RAS Reação álcali-sílica
RGB Red Green Blue
RPM Revoluções por minuto
SBM Empresa Sul Brasileira Mineração SC Santa Catarina
SRI Solar reflectance index
UFSC Universidade Federal de Santa Catarina UHI Urban heat island
USEPA U. S. Environmental Protect Agency UV Ultravioleta
VIS Visível
VOCs Compósitos orgânicos voláteis VRD Valor de Resistência á Derrapagem
LISTA DE SÍMBOLOS α Absortância τ Transmitância ρ Refletância е Emitância h Coeficiente convectivo (W/m²K) ƞ Índice de refração
𝜒 Ângulo de refração do raio incidente θ Ângulo e incidência do raio solar HS Altura de mancha de areia
𝑝𝑁𝑖 Pixels negros (nível de cinza 0) da imagem i
𝑝𝑇𝑖 Pixels totais da imagem de i
𝑝𝑁0 Pixels negros (nível de cinza 0) da imagem de referência (estado virgem)
𝑝𝑇0 Pixels totais da imagem de referência (estado virgem)
𝐷𝑚 Diâmetro médio medido
V Volume de areia padronizada (25.000mm³)
GCS Grau de contaminação superficial (dado em porcentagem) σ𝑊2 Variância interclasse para um limiarizador t
σ𝑓2 Variância da classe f (foreground) σ𝑏2 Variância da classe b (background)
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 21 1.1 OBJETIVOS ... 23 1.1.1 Objetivo geral ... 23 1.1.2 Objetivos específicos ... 23 1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 24 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 25
2.1 ILHAS DE CALOR URBANA (ICUs) ... 25
2.2 PROPRIEDADES RADIANTES ... 29
2.2.1 Interação da radiação solar com matéria... 31
2.2.2 Albedo ... 34
2.2.3 Procedimentos para medição das propriedades radiantes ... 37
2.3 PAVIMENTOS DE PEÇAS PRÉ-MOLDADAS DE CONCRETO (PPCs) ... 43
2.3.1 Produção de peças pré-moldadas de concreto (PPCs) ... 45
2.3.2 Peças pré-moldadas de concreto fotocatalíticas ... 46
2.3.3 Incorporação de vidro reciclado em concreto de cimento Portland ... 47
2.3.3.1 Propriedades Radiantes dos vidros ... 49
2.4 MUDANÇA DAS PROPRIEDADES RADIANTES DE PAVIMENTOS ... 51
2.4.1 Desgaste superficial em pavimentos ... 52
2.4.2 Contaminantes superficiais em pavimentos ... 54
2.4.3 Estudos desenvolvidos ... 56
2.5 SÍNTESE DE REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 62
3 MÉTODO ... 63
3.1 ETAPA 1 – CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS ... 65
3.1.1 Agregados minerais ... 65
3.1.2 Cimento Portland ... 66
3.1.4 Vidro reciclado ... 66 3.1.5 Material colmatador ... 69 3.1.6 Ácido clorídrico para processo de desgaste ... 70 3.2 ETAPA 2 – DOSAGEM DA ARGAMASSA E CONFECÇÃO DAS PPCs ... 70 3.2.1 Dosagem da argamassa ... 70 3.2.2 Confecção das PPCs ... 72 3.3 ETAPA 3 – ANÁLISE DAS PROPRIEDADES RADIANTES DOS MATERIAIS EMPREGADOS (ÂMBITO LABORATORIAL) ... 74 3.4 ETAPA 4 – ANÁLISE DAS PROPRIEDADES RADIANTES DAS PPCs EM CAMPO E LABORATÓRIO (ESTADO VIRGEM) ... 76 3.4.1 Implantação dos sítios experimentais e avaliação da refletância solar em campo ...76 3.4.2 Avaliação das propriedades radiantes em laboratório ... 79 3.4.3 Digitalização das superficies ... 81 3.5 ETAPA 5 – ANÁLISE DA EVOLUÇÃO DAS PROPRIEDADES RADIANTES DAS PPCs EM FUNÇÃO DA ALTERAÇÃO SUPERFICIAL... 82 3.5.1 Processo 1: colmatação da superfície ... 83 3.5.1.1 Determinação do GCS ... 86 3.5.2 Processo 2: desgaste superficial dos sítios experimentais ... 87 3.5.3 Processo 3: colmatação após o desgaste superficial dos sítios experimentais .... 92 3.6 ETAPA 6 – ANÁLISE DA EVOLUÇÃO DAS PROPRIEDADES RADIANTES EM ESPECTROFOTÔMETRO... 92 4 ANÁLISE E DISCUSSÃO RESULTADOS ... 99 4.1 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS ... 99 4.1.1 Agregado mineral ... 99 4.1.2 Vidro reciclado ... 100 4.1.3 Cimento Portland ... 101 4.1.4 Dióxido de titânio ... 102
4.1.5 Material colmatador ... 103 4.1.6 Ácido clorídrico ... 106
4.2 ANÁLISE DAS PROPRIEDADES RADIANTES DOS MATERIAIS
EMPREGADOS (ÂMBITO LABORATORIAL) ... 106 4.3 ANÁLISE DAS PROPRIEDADES RADIANTES DAS PPCs EM CAMPO E LABORATÓRIO (ESTADO VIRGEM) ... 109 4.3.1 Avaliação das propriedades radiantes ... 110 4.4 PROCESSO 1: COLMATAÇÃO ... 112 4.4.1 Cálculo do grau de colmatação superficial (GCS) ... 112 4.4.2 Correlação refletância colmatação ... 114 4.5 PROCESSO 2: DESGASTE ... 118 4.5.1 Alteração das propriedades radiantes das peças ... 118 4.5.2 Alteração física das peças com o desgaste ... 123 4.5.2.1 Análise de área de vidro exposta. ... 123 4.5.2.2 MICROTEXTURA ... 125 4.6 PROCESSO 3: COLMATAÇÃO APÓS DESGASTE ... 127 4.7 ANÁLISE DA EVOLUÇÃO DAS PROPRIEDADES RADIANTES EM ESPECTROFOTÔMETRO... 133 4.7.1 Análise espectral com o aumento da colmatação superficial ... 133 4.7.2 Análise espectral com o aumento do grau de desgaste ... 135 5 CONCLUSÕES ... 138 5.1 LIMITAÇÕES DA PESQUISA ... 139 5.2 RECOMENDAÇÃO PARA FUTUROS TRABALHOS ... 140 REFERÊNCIAS ... 141 ANEXO 1 ... 153
1 INTRODUÇÃO
Em 1950, mais de 70% da população mundial residia em áreas rurais. Em meados de 2007 há a inversão deste cenário, sendo que a prospecção realizada para 2050 estima que 66% da população mundial passe a viver no meio urbano (ONU, 2014). Esta rápida transição gera consequências relacionadas a alteração da ocupação do solo em que materiais sintéticos empregados em edificações e em pavimentos passam a desempenhar um papel importante no equilíbrio térmico de uma cidade. A radiação solar que é absorvida pela superfície destes materiais promove um microclima que favorece a concentração de calor e, em conjunto com as características do entorno urbano, geram Ilhas de Calor Urbana (ICUs). A verticalização de centros urbanos, que reduz a eficiência de dispersão do calor, a ausência de arborização e a presença de fontes geradoras de calor (tráfego, climatizadores, atividades industriais, etc.) contribuem para tal fenômeno (STONE et al., 2010; HUANG et al., 2017). Os principais efeitos negativos de uma ICU consistem no aumento do desconforto térmico externo às zonas climatizadas, mal-estar, aumento de problemas de saúde, aumento da taxa de mortalidade, retenção de poluentes, aumento do nível de ozônio troposférico e aumento do consumo de energia elétrica para climatização (STONE et al., 2010; GADJA E VANGEEN, 2001; SANTAMOURIS et al., 2015; KOLOKOTSA, et al., 2017; ROSSO et al., 2017).
Algumas estratégias têm ajudado a mitigar os efeitos da ICU, dentre elas: a arborização da cidade, emprego de tetos jardins, uso de telhados especiais e uso de materiais frios (PISELLO, 2017). Os materiais frios fazem parte de uma tecnologia emergente, e são caracterizados por possuírem alto Índice de Refletância Solar – Solar Reflectance Index (SRI) (alta taxa de refletância e alta taxa de emitância térmica). Materiais com tais características atingem temperaturas de equilíbrio mais baixas quando expostos à radiação solar, reduzindo a transferência de calor para o entorno. Estes materiais geralmente são peças de cores claras ou tingidos com pigmentos de tons claros (FERREIRA E PRADO, 2003; ROMEU e ZINZI, 2013). No que compete ao gasto em energia elétrica, Akbari et al. (2008) comentam que o acréscimo de 20% no albedo de telhados e pavimentos, nos Estados Unidos da América, poderia representar uma economia de US$ 1 bilhão por ano em energia elétrica (economia de energia elétrica demandada para refrigeração descontado da energia de aquecimento). Entretanto, com a exposição dos materiais às intempéries, as propriedades radiantes tendem a modificar. Os processos mais comuns para tal alteração devem-se à contaminação por partículas e desgaste da superfície (LEVINSON e AKBARI, 2002; PEREIRA, 2014).
Coberturas de edifícios e pavimentos recobrem, respectivamente, cerca de 22% e 37% da superfície de centros urbanos, recebendo, portanto, maior intensidade de radiação solar direta e interferindo majoritariamente nos efeitos de uma ICU. Desse modo, estas estruturas são alvo de diversas pesquisas que visam tanto incrementar as propriedades ópticas e térmicas como mantê-las por mais tempo (ROSE et al., 2003; PISELLO, 2017).
No que se refere aos pavimentos flexíveis, apesar do concreto asfáltico convencional possuir baixa capacidade reflexiva, a adição de pigmentos na matriz asfáltica possibilita incrementar tal parâmetro. Os pavimentos de concreto de cimento Portland, em especial os que possuem peças pré-moldadas de concreto (PPCs), além de possuírem SRI maior que os de concreto asfáltico, também proporcionam troca de umidade do solo com o ambiente (através das juntas das peças), mitigando os efeitos da ICU. (USEPA, 2012; RAMIREZ e MUÑOZ, 2012; QIN, 2015; CARNIELO e ZINZI, 2012; DEL CARPIO, 2014; LI, 2016).
As PPCs são amplamente empregadas em centros urbanos (vias, passeios, calçadas, áreas de lazer e estacionamentos) devido à fácil implantação, manutenção e possibilidade de drenagem (mitigando efeitos de enxurradas). Além disso, a matriz cimentícia permite a incorporação de materiais reciclados como o vidro e cerâmicas, diminuindo o consumo de matéria-prima natural e tornando a PPC um material amigável ao meio ambiente pois contribui com diminuição do volume de resíduos sólidos em aterros sanitários (MEYER et al., 2001; POUTOS et al., 2007; ROUVAS, 2013). É possível observar ainda que a porosidade do concreto possibilita a incorporação de nanomateriais como o dióxido de titânio (TiO2) que, a partir dos Processos Oxidativos Avançados
(POA), degradam gases poluentes, tornam a superfície autolimpante frente a contaminantes biológicos e colmatadores, mantendo a capacidade refletiva da superfície por maior tempo (MELO, et al., 2011; BATTISTI, 2016; WU et al., 2018).
A baixa atividade de reciclagem de vidro ainda é uma realidade em vários países, seja pelo custo envolvido ou pela falta de conscientização. Desse modo, este material passa a contribuir com o volume em aterros sanitários. Em contrapartida, diversos estudos (JAMSHIDI et al., 2016; QIN, 2018; ROSSO, 2019) têm comprovado que o vidro pode substituir, em parte, agregados minerais em concretos empregados na construção civil, inclusive em peças pré-moldadas para a pavimentação. Aliado a esse fato, atualmente, empresas de coleta de resíduos estão se mobilizando para reutilização de vidro. A título de exemplo, a Companhia Melhoramentos da Capital (Comcap) instalou em Florianópolis – SC, pontos de entrega voluntária (PEVs) exclusivos para vidro de recipientes de bebidas (vidro sodo–cálcico), sendo este sistema o primeiro a ser implantado na região sul do país. O
potencial de coleta de vidro no município é de 3,7 mil toneladas/ano. Poderá se economizar R$ 430 mil com aterramento de vidro e produzir R$ 220 mil de receita com triagem e comercialização deste material (COMCAP, 2018).
De encontro a isso, uma nova tecnologia desenvolvida para melhorar as propriedades radiantes de materiais foi objeto de estudo de Gotoh et al. (2001) e Kiletico (2014). Os autores propuseram a incorporação de vidro reciclado como substituição do agregado mineral em materiais asfálticos destinadas à coberturas e pavimentação obtendo resultados que contribuem para a mitigação das ICUs.
Embora haja um significativo emprego de artefatos de concretos em pavimentos, e mesmo conhecendo as inerentes alterações superficiais que estes são acometidos ao longo do tempo, ainda há uma lacuna quanto à investigação das propriedades radiantes de peças pré-moldadas de concreto com incorporação de vidro e também a evolução destas com o desgaste e colmatação superficial em serviço (LEVINSON e AKBARI, 2002; SILVA, 2008; FWA et al., 2014; DEL CARPIO, 2014; JAMSHIIDI; 2016).
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo geral
Avaliar as propriedades radiantes (refletância solar e emitância térmica) de peças pré-moldadas de concreto (PPCs) com incorporação de vidro reciclado e materiais fotocatalíticos submetidas ao processo de colmatação e desgaste superficial.
1.1.2 Objetivos específicos
Visando cumprir o objetivo geral, foram definidos os seguintes objetivos específicos:
● Produzir peças pré-moldadas de concreto convencionais (sem incorporações), peças com incorporação de partículas vidro e peças com incorporação de TiO2 + partículas de vidro,
assim como, sítios experimentais dos diferentes revestimentos, para avaliar as propriedades radiantes.
● Executar processos acelerados e controlados de desgaste e colmatação superficial sobre os sítios experimentais produzidos.
● Desenvolver correlações entre o comportamento das propriedades radiantes em função da alteração superficial das PPCs, por colmatação superficial, desgaste superficial e colmatação superficial após o desgaste.
1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Este trabalho está organizado nos seguintes capítulos:
● Capítulo 1: este capítulo apresenta a contextualização do tema, os objetivos da pesquisa e a justificativa;
● Capítulo 2: compreende a revisão bibliográfica e nas seções deste capítulo encontra-se: contextualização do tema Ilha de Calor Urbana (ICU); radiação solar e a interação com a matéria; definições de albedo; descrição dos procedimentos de medição das propriedades radiantes em materiais; produção de peças pré-moldadas de concreto destinadas a pavimentos e possíveis incorporações (dióxido de titânio e da reutilização do vidro como agregado da mistura); evolução das propriedades radiantes com o uso do pavimento (desgaste, contaminação da superfície de pavimentos por detritos externos, substrato de materiais); estudos desenvolvidos sobre o tema e, por fim, uma síntese do capítulo;
● Capítulo 3: descreve o método de pesquisa utilizado para atingir os objetivos indicando os procedimentos normatizados para caracterização dos materiais, para quantificação da refletância (em campo e em laboratório) e emitância térmica. Também descreve a elaboração dos concretos de cimento Portland desenvolvidos e analisados quanto às suas propriedades radiantes;
● Capítulo 4: apresenta e discute os resultados da pesquisa; ● Capítulo 5: apresenta a conclusão da pesquisa.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 ILHAS DE CALOR URBANA (ICUs)
Desde a metade de 1950, muitos países passaram por um rápido processo de urbanização, colaborando para grandes modificações na superfície terrestre (como desmatamento, ocupação do solo e impermeabilização) (WANG et al., 2007; BROW et al., 2009). Segundo Rose et al. (2003) cerca de 59% da superfície das cidades de Salt Lake City, Sacramento, Chicago e Houston nos Estados Unidos da América (EUA) é ocupada por construções e pavimentos, sendo 37% de pavimentos e 22% em coberturas de edificações (ROSE et al., 2003).
A substituição do revestimento natural por materiais sintéticos (principalmente os de construção) favorece a concentração de calor em certos locais. Dessa forma, áreas urbanas tendem a apresentar maiores temperaturas comparadas às áreas rurais, fenômeno este conhecido como Ilha de Calor Urbana (ICU, em inglês: Urban Heat Island – UHI) (HUANG et al., 2017). As ICUs ocorrem dentro de centros urbanos (por isso o nome do efeito), em regiões onde há predomínio de: construções com superfícies escuras (alta absorção de radiação solar); carência de vegetação; configuração urbana vertical ineficiente na dispersão do calor (fenômeno de re-radiação) e, concentração de fontes geradoras de calor (veículos, geradores, e outras fontes) (OKE, 1982; MARCEAU e VANGEEM, 2007; STONE et al., 2010).
Uma ICU pode ser ilustrada desenhando curvas isotermas sobre uma região, mapeando graficamente as mudanças de temperatura. A “ilha” seria representada por um pico de temperatura comumente encontrado sob o centro urbano (OKE, 1982). A Figura 1 ilustra a tendência geomórfica das isotermas (análoga a uma ilha). A linha vermelha tracejada indica o corte para formar o perfil indicado na Figura 2 (USEPA, 2012).
Figura 1 – Mapa das isotermas de uma ICU à noite.
Fonte: adaptada de USEPA (2012).
Na Figura 2, há a variação característica da temperatura do ar com a ocupação da superfície (em direção ao centro). O chamado platô acaba representando a maior parte da cidade, este nível é caracterizado por uma temperatura intermediária, sem mudanças bruscas de temperatura durante o intervalo. Evidentemente, a uniformidade do platô pode ser interrompida pela influência de espaços intra-urbanos, como: parques, lagos e áreas abertas. Algumas cidades ainda apresentam uma região de “pico”, onde a máxima temperatura da ilha de calor é atingida. A forma e a intensidade exata desse fenômeno variam no tempo e no espaço, como resultado das características meteorológicas, da localização e de fatores urbanos (OKE,1982).
Figura 2 – Seção de uma ICU.
Fonte: adaptada de USEPA (2012).
Dentro do perímetro urbano, a vegetação não só promove áreas sombreadas, por meio da interceptação de parte da radiação solar, como também refresca o ar através do próprio metabolismo da planta (evapotranspiração), processo que realiza a troca gasosa e umidifica o ar. O solo também auxilia na umidificação do ar por um processo semelhante, mitigando o aumento da temperatura. No entanto, com o recobrimento do solo por materiais impermeáveis (pavimentos impermeáveis e construções), esse processo deixa de existir (SOLECKI et al., 2005).
O interesse do controle e monitoramento da temperatura dentro de centros urbanos vem ganhando destaque devido às consequências relacionadas à saúde da população e aos custos de energia envolvidos. A Tabela 1 apresenta as principais consequências das ICUs.
Tabela 1 – Consequência relacionadas às ICUs. Autor Consequência Gadja e VanGeen, (2001); Mohajerani et al. (2017); Rosso et al. (2017). Desconforto térmico.
Stanley et al. (1996); Gadja e VanGeen, (2001); Stone et al. (2010); Mohajerani et al. (2017); Rosso et al. (2017).
Mal-estar, problemas de saúde e até mesmo mortes relacionadas às ondas de altas temperaturas aliadas às ICUs.
Walcek et al. (1995), Gadja e VanGeen, (2001); Lai e Cheng, (2009); Rosso et al. (2017).
Maior concentração de gases poluentes causado pela estagnação dentro do microclima de uma ICU. Além de ser patógeno à grande parte dos organismos biológicos, também possibilita a formação de outros compósitos ainda mais nocivos, como ozônio troposférico.
Gadja e VanGeen, (2001); Santamouris et al. (2015); Kolokotsa et al. (2017); Rosso et al. (2017).
Aumento do consumo de energia elétrica para climatização, interferindo consideravelmente o pico de demanda de energia e todos os efeitos secundários deste consumo (poluição, encarecimento nas contas de energia elétrica, etc.).
Fonte: elaboração própria (2019).
Em contrapartida, os materiais conhecidos como frios (cool materials) são caracterizados por altos valores de refletância e alta emitância térmica infravermelha. Assim, absorvem menos energia e são eficientes na dissipação do calor acumulado (sem transferi-lo para o meio interno de edificações). Estes materiais fazem parte de uma tecnologia emergente, em que, pelas composições utilizadas, melhoram as propriedades radiantes e dificultam o aumento de temperatura superficial, auxiliando na mitigação dos efeitos causados por ICUs (ROMEU e ZINZI, 2013). Diversos autores confirmam que após a implantação destes materiais os efeitos negativos de ICUs são reduzidos (TAHA, 1997; SATAMOURIS, 2012; BATISTA e PASTORE, 2016).
2.2 PROPRIEDADES RADIANTES
Os materiais recebem energia proveniente do Sol através da radiação eletromagnética. Esta energia é transferida aos corpos sólidos e fluidos através das rápidas oscilações de campos eletromagnéticos que viajam sob a forma de onda, e no vácuo possuem a velocidade de aproximadamente 3 x 108 m.s-1. O espectro eletromagnético é composto pelas seguintes regiões: raios
gama, raios X, ultravioleta (UV), luz visível (VIS), radiação infravermelha (IV), micro-ondas e ondas de rádio, como ilustrado na Figura 3 (LIOU, 2002; MODEST, 2013).
Figura 3 – Espectro eletromagnético.
Fonte: Dornelles (2008).
Após ser filtrada pela atmosfera, a radiação que atinge a superfície terrestre corresponde aos majoritariamente ao espectro infravermelho (48,7%), visível (44,7%) e ultravioleta (6,6%), conforme a Figura 4. No que se trata de troca de calor entre objetos da superfície terrestre, o espectro da radiação é essencialmente o infravermelho (USEPA, 2012; PEREIRA, 2014).
Figura 4 – Irradiação solar espectral que atinge a superfície terrestre.
Fonte: USEPA (2012).
A radiação solar, antes de atingir uma superfície, pode ter sua trajetória interceptada. Desta forma, a irradiância global ou total consiste na soma das componentes de:
Radiação direta é aquela que atinge diretamente a superfície desde o Sol sem ser refletida ou dispersa;
Radiação difusa é aquela interceptada por moléculas de ar, nuvens, particulados e aerossóis;
Irradiação refletida pelo solo é a parcela de radiação que incide na superfície do objeto e é refletida pela superfície terrestre.
Figura 5 – Interceptações na radiação solar.
Fonte: adaptada de Del Carpio (2014).
A título de exemplo, para o caso da radiação que incide nas placas indicadas da Figura 5, tem-se as parcelas de radiação direta, difusa e refletida pelo solo (DEL CARPIO, 2014).
2.2.1 Interação da radiação solar com matéria
A radiação incidente em um corpo pode se comportar de três maneiras: parte será refletida para o meio, parte será absorvida pelo corpo e o restante será transmitida através da superfície. A Figura 6 ilustra estas três parcelas (MODEST, 2013; SILVA et al., 2015).
Figura 6 – Interação da radiação solar com a matéria.
A capacidade que a superfície de um dado material possui de refletir a radiação incidente é conhecida como refletância (𝜌), sendo esta quantificada pelo quociente da parcela de radiação refletida por uma superfície pela parcela de radiação incidente sobre a superfície. A radiação incidente que penetra no material, caso ele seja translúcido ou transparente, será transmitida. Esta capacidade é conhecida como transmitância (𝜏) e corresponde à parcela da radiação que atravessa um elemento pela parcela de radiação solar incidente. A energia que não é refletida nem transmitida é absorvida pelo material elevando a temperatura deste. A propriedade que rege esse efeito é a absortância (𝛼) e corresponde ao quociente da parcela de radiação solar absorvida pela parcela de radiação incidente na superfície. (ABNT, 2003; MODEST, 2013). As Equações (1), (2) e (3) expressam as propriedades superficiais dos materiais:
𝜌 =𝑝𝑎𝑟𝑐𝑒𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑓𝑙𝑒𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (1) 𝜏 =𝑝𝑎𝑟𝑐𝑒𝑙𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (2) 𝛼 =𝑝𝑎𝑟𝑐𝑒𝑙𝑎 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (3)
Onde: 𝜌 é a refletância; 𝜏 a transmitância e 𝛼 é a absortância de um corpo.
Toda a radiação incidente no objeto deve ser refletida, absorvida ou transmitida. A partir dessa afirmação surge a Equação (4):
𝛼 + 𝜌 + 𝜏 = 1 (4)
A Equação (4) é utilizada para corpos translúcidos e transparentes. Para corpos opacos ou de grande espessura a transmitância τ é nula, ou seja, somente refletem ou absorvem radiação. Assim, a Equação (4) transforma-se na Equação (5):
As três propriedades são adimensionais e podem variar de 0 a 1, também é comum que sejam apresentadas em porcentagens. Quando a principal fonte de radiação é o Sol, costuma-se denominar as propriedades radiantes por refletância solar, transmitância solar e absortância solar (PEREIRA, 2014).
Os materiais também têm a capacidade de emitir radiação. Fazem isso emitindo ondas de comprimento mais longos (geralmente infravermelho) sob uma taxa que determina quanto calor será irradiado por unidade de área para uma dada temperatura, isto é, quão rápida a superfície libera calor. Essa propriedade térmica é conhecida como emitância térmica. Uma superfície emite calor por radiação quando estiver a qualquer temperatura acima do zero absoluto (zero Kelvin) (PEREIRA, 2014). Dessa forma, define-se a emitância térmica (ε), através da Equação (6).
𝜀 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑚 𝑢𝑚𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓í𝑐𝑖𝑒
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑚𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓í𝑐𝑖𝑒 𝑛𝑒𝑔𝑟𝑎 𝑛𝑎 𝑚𝑒𝑠𝑚𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 (6)
A emitância também varia entre os valores de 0 a 1, sendo que a possibilidade de máxima emitância é atribuída ao corpo negro ideal teórico (ε=1) (MODEST, 2013).
Quando uma superfície está exposta à radiação solar, irá aquecer até alcançar um equilíbrio térmico. Ao mesmo tempo que a radiação é absorvida, aquecendo o material, este emana energia. Estas propriedades auxiliam a determinar a contribuição do material no fenômeno da ICU (PEREIRA et al., 2014).
Um outro parâmetro associado às propriedades radiantes é dado pelo Índice de Refletância Solar (Solar Reflectance Index – SRI). Este índice correlaciona a refletância solar e a emitância térmica em uma única medida. Assim, o SRI indica a capacidade que uma superfície possui de acumular a radiação solar incidente por meio de sua temperatura superficial (𝑇𝑠), através de uma
correlação de temperaturas de estado de superfícies padronizadas. Onde o padrão negro (refletância 0,05, emitância 0,90 e SRI=0) possui temperatura de estado (𝑇𝑏𝑙𝑎𝑐𝑘) e o padrão branco (refletância 0,80, emitância 0,90 e SRI=100) temperatura de estado do padrão branco (𝑇𝑤ℎ𝑖𝑡𝑒).
Nesse sentido, por mais que a maioria dos materiais possuam refletância e emitância dentro desse intervalo, os limites podem ser ultrapassados quando estas características forem superiores ao do padrão branco e inferiores ao do padrão negro (ASTM E1980, 2011).
O SRI pode ser obtido pelo método da ASTM E1980 (2011), Calculating Solar Reflectance Index Of Horizontal and Low Sloped Opaque Surfaces, segundo a Equação (7) (ASTM, 2011).
𝑆𝑅𝐼 = 100 ∗ 𝑇𝑏− 𝑇𝑠 𝑇𝑏− 𝑇𝑤
(7)
Onde: SRI é o Índice de Refletância Solar, 𝑇𝑠 é a temperatura superficial da amostra, 𝑇𝑏 é a temperatura da superfície da amostra padrão negra e 𝑇𝑤 é a temperatura da superfície da amostra padrão branca.
Para condições solares padronizadas, a Equação (7) pode ser regredida para a Equação (8):
𝑆𝑅𝐼 = 123,97 − 141,35𝑥 + 9.655𝑥2 (8)
Em que x é obtido pela Equação 9.
𝑥 =(𝛼 − 0,029𝜀)(8,797 + ℎ𝑐)
(9,5205𝜀 + ℎ𝑐) (9)
Onde: 𝛼 é a absortância, ε é a emitância térmica e ℎ𝑐 é o coeficiente convectivo podendo ser: 5, 12, 30 W/(m²K), que correspondem às respectivas condições de vento: baixo, médio e alto.
Para condições equivalentes, a 𝑇𝑠 em superfícies escuras (de baixa refletância) é maior que para superfícies claras (de alta refletância). Superfícies de baixa emitância térmica possuem 𝑇𝑠 mais
alta que superfícies de alta emitância (ASTM, 2011).
Os valores do Índice de Refletância Solar auxiliam os projetistas escolherem os materiais energeticamente eficientes, uma vez que materiais com altos valores de SRI apresentam temperaturas superficiais comparativamente menores quando exposto a radiação solar. Dessa forma, o uso de tais materiais é estratégia para mitigar os efeitos de ICUs (ALCHAPAR, 2013; SANTOS, 2013).
2.2.2 Albedo
Coakley (2003) define albedo como sinônimo de refletância, sendo, portanto, a capacidade que a superfície possui de refletir a luz solar incidente. Segundo USEPA (2012) o albedo é tipicamente medido numa escala de 0 a 1. Assim, uma superfície de refletância solar de 5% corresponde a um albedo de 0,05. Tabela 2 expõe os albedos de diferentes tipos de superfícies:
Tabela 2 – Albedos de algumas superfícies. Superfície Albedo Neve 0,65 – 0,88 Gelo 0,30 – 0,50 Florestas 0,05 – 0,15 Oceanos 0,05 – 0,10 Rocha 0,20 – 0,25
Média da superfície terrestre 0,35
Telhado de alta refletância 0,60 – 0,70
Telha vermelha/ marrom 0,10 – 0,35
Telhado corrugado 0,10 – 0,15
Tinta branca 0,50 – 0,90
Tinta colorida 0,10 – 0,35
Tijolo/ pedra 0,20 – 0,40
Pavimento de concreto cimento Portland 0,25 – 0,70
Pavimento de concreto asfáltico 0,02 – 0,10
Fonte: adaptada de RENS (2009) e USEPA (2012).
No que se refere aos pavimentos, o incremento de albedo pode ser alcançado pela incorporação de pigmentos, utilização de matéria-prima de maior refletância e também por tratamentos superficiais. Além dos benefícios de mitigação dos precursores ICUs (menor absorção da radiação), um maior albedo nos pavimentos permite maior dispersão de raios luminosos economizando energia elétrica utilizada na iluminação pública durante o período noturno (SYNNEFA, et al., 2010; DEL CARPIO, 2014; ANTING et al., 2018).
USEPA (2012) mostra, através da Figura 7, que ao alterar apenas o albedo, a temperatura de equilíbrio da superfície pode sofrer mudanças significativas. A Figura 7a mostra a uma superfície com revestimentos de cores marrom e branca. A Figura 7b mostra a mesma imagem em infravermelho com escala de temperatura em graus Fahrenheit (°F). A superfície branca aparece no infravermelho em cores mais escuras, representando menores temperaturas. O revestimento marrom mostra que esta superfície absorve mais radiação e, portanto, possui temperaturas superficiais mais elevadas.
Figura 7 – Efeito do albedo na temperatura superficial.
Fonte: USEPA (2012).
O albedo dos materiais de construção é influenciado pela composição, morfologia da superfície, textura superficial, tempo de utilização e orientação da radiação incidente. A composição do material é responsável pela coloração deste. Assim, superfícies claras indicam valores mais altos de albedo do que superfícies escuras (USEPA, 2015).
No que se refere à textura, superfícies lisas tendem a possuir maior albedo do que superfícies ásperas, uma vez que as irregularidades promovem a reflexão difusa da radiação podendo os raios retornar à própria superfície aumentando a absorção desta. Além disso, um aumento da textura eleva a área superficial disponível para absorção da radiação solar permitindo que as variações do albedo de superfícies em uso possam ser correlacionadas ao desgaste superficial. Os efeitos supracitados, são esquematizados nas Figura 8a e a Figura 8b, onde, respectivamente há o efeito da radiação solar sobre uma superfície lisa e uma superfície rugosa (ou desgastada) (CARNEIRO, 2010; DEL CARPIO, 2014; ZHANG, 2015).
Figura 8 – Aumento da absorção da radiação devido à rugosidade da superfície.
2.2.3 Procedimentos para medição das propriedades radiantes
Nesta seção são apresentados três diferentes métodos de medição de refletância e um método de medição de emitância. O equipamento para medição de refletância utilizado em laboratório é o espectrofotômetro, para as medições em campo utiliza-se o piranômetro, o refletômetro portátil pode ser utilizado em ambos casos. As principais diferenças entre os aparelhos são: sensibilidade ao comprimento de onda do espectro solar, a fonte de radiação (somente o piranômetro capta a radiação solar). O emissômetro portátil realiza as medições com maior precisão em laboratório, uma vez que as condições em campo podem interferir nos dados. Os intervalos do espectro solar cujos equipamentos de medição supracitados são sensibilizados estão ilustrados na Figura 9 (PEREIRA, 2014).
Figura 9 – Intervalo de sensibilidade dos aparelhos de medição de refletância e emitância térmica.
Fonte: adaptada de Pereira (2014).
Os seguintes procedimentos de medição da refletância e emitância térmica são normatizados pela American Society for Testing and Materials (ASTM).
A normativa ASTM E903 (2012) (Solar Absorptance, Reflectance, and Transmittance of Materials Using Integrating Spheres) é utilizada como modelo de procedimento para medir a refletância, transmitância e absortância de materiais planos usando espectrofotômetros equipados com esferas integradoras.
Para tal, utiliza-se um espectro eletromagnético padronizado de referência que compreende ondas de 300 a 2500 nm abrangendo as regiões ultravioletas, visível e infravermelho próximo (tentando simular o espectro solar). Uma esfera integradora de 150 mm de diâmetro auxilia na identificação captação dos feixes de radiação refletido, quantificando o valor integral da reflexão (MARINOSKI et al, 2013; PEREIRA, 2014). O equipamento é ilustrado na Figura 10a, e o local
onde são fixadas as amostras para ensaio de refletância e transmitância espectral são indicadas na Figura 10b, bem como a localização da esfera integradora.
Figura 10 – Espectrofotômetro Lambda 1050.
Fonte: adaptada de Pereira (2014).
Quando associado à esfera de integração (posicionada dentro do compartimento 2 ilustrado na Figura 10), o espectrofotômetro passa a medir propriedades radiantes de superfícies homogêneas com incerteza de ordem de 2%. A esfera é oca e de diâmetro de 150 mm revestida internamente por um material branco altamente reflexivo difuso capaz de coletar o fluxo reflexivo ou transmitido pela amostra. Um software controla a esfera transmitindo e armazenando os dados para computadores. A principal limitação do equipamento é a impossibilidade de avaliação de amostras em campo. Além disso, para a obtenção da refletância solar da amostra, deve-se ainda realizar correções nas medidas obtidas, uma vez que a intensidade da radiação solar não é constante no espectro. Essa correção pode ser realizada com base da irradiação solar global espectral proveniente de um espectro solar padrão (PEREIRA et al., 2014).
A normativa ASTM C1549 (2016) (Solar Reflectance Near Ambient Temperature Using a Portable Solar Reflectometer) determina a refletância do espectro solar através da integração da radiação captada por quatro detectores dotados de filtro para comprimentos de ondas específicos (380 nm, 500 nm, 650 nm e 1220 nm). Este teste é bastante recomendado para superfícies planas e homogêneas, sendo necessário que estas estejam secas e possuam área de dimensões maiores que 2,5 cm x 2,5 cm. Este método não substitui o método proposto pela ASTM E903 (ASTM, 2016).
O equipamento é composto por: cabeçote com lâmpada de tungstênio halogênio (para detectar os quatro comprimentos de ondas), cabo conector e central de controle e de aquisição, que comanda o procedimento através de um software e interpreta os sinais elétricos em dados. A Figura 11 apresenta essas três peças, além da amostra de refletância padronizada utilizada para calibração do equipamento (PEREIRA et al., 2015).
Figura 11 – Componentes do refletômetro solar.
Fonte: Marinoski et al. (2013).
O procedimento da ASTM E1918 (2006) (Standard Test Method for Measuring Solar Reflectance of Horizontal and Low–Sloped Surfaces in the Field), também conhecido como método do piranômetro, determina a refletância solar global a partir da correlação entre da radiação solar incidente (direta e difusa) e a refletida pela superfície. Assim, contempla todos os tipos de superfícies planas, podendo serem elas irregulares e heterogêneas, no entanto, devem ser de baixa inclinação.
Para detectar ambas radiações, utiliza-se o equipamento piranômetro, ilustrado na Figura 12. Este método é sensível às condições atmosféricas, exigindo um céu com poucas nuvens. Também, o ensaio deve ser realizado quando o ângulo do sol com a normal da superfície em questão for menor que 45°, o que corresponderia ao intervalo das 9:00 h às 15:00 h (verão) e 10:00 h às 14:00 h (inverno) para superfícies niveladas na horizontal (ASTM, 2006).
Figura 12 – Piranômetro.
Fonte: Del Carpio (2014).
O procedimento orienta a instalação do piranômetro a 50 cm da superfície a ser avaliada, e, de forma a minimizar os efeitos de sombras nas medições, geralmente é utilizada um aparato com uma haste semelhante ao da Figura 13a. Além disso, para cada leitura, o piranômetro é rotacionado de cima (radiação incidente: direta e difusa) para baixo (radiação refletida pela superfície analisada), o que pode contribuir para o aumento de erros nas leituras. Nesse sentido, pode-se adaptar o aparelho, inserindo mais um piranômetro na haste, conforme ilustra a Figura 13b, eliminando assim a etapa de rotação do piranômetro. Li (2012), Del Carpio (2014) e Maestri (2015) utilizaram esta adaptação em suas pesquisas, este aparato é denominado albedômetro.
Figura 13 – Suporte para uso do piranômetro.
Fonte: adaptada da ASTM (2006) e Maestri (2015).
Segundo a ASTM E1918 (2006), a superfície a ser analisada deve possuir pelo menos 4 metros de diâmetro, caso seja uma superfície quadrada, terá 16 m². Todavia, Akbari e Levinson (2008) desenvolveram um procedimento (definido como E1918A) para medição de refletância solar em campo em uma área de aproximadamente 1 m² diferentemente do que preconiza a ASTM E1918 (2006). Ao comparar 10 amostras (6 telhas de cor única e 4 multicores) com diferentes dimensões de área experimental, os autores obtiveram resultados semelhantes. Para medidas de telhas de cor única, os valores entre as metodologias diferenciam 2%. Para as 4 telhas multicoloridas o que diferencia os resultados entre as metodologias não excede 3%; a Figura 14 mostra tal comparação.
Figura 14 – Comparação entre os resultados das metodologias ASTM E1918 e E1918A.
A pouca diferença entre os valores dos resultados da refletância solar obtidos pela metodologia ASTM E1918 e E1918A em diferentes superfícies, demonstra que o procedimento E1918A pode substituir o da ASTM E1918. Dessa forma, medidas de refletância solar podem ser obtidas usando áreas experimentais de 1 m². Assim, há redução de gastos com materiais (para elaboração de novas superfícies) e permite a análise de espaços também menores que não totalizavam a área analisada pela ASTM E1918 (2006), ampliando a possibilidade de uso do equipamento (AKBARI e LEVINSON, 2008).
O procedimento E1918A consiste em utilizar 2 membranas de papel opacas de cores negra e branca (superfícies de referências) com dimensões iguais a da área experimental. São estipulados três estágios, dos quais o primeiro consiste na avaliação da refletância da membrana branca, seguida da avaliação da membrana negra e então da superfície de estudo. A partir desses dados de referência é possível quantificar a refletância da superfície de estudo (AKBARI e LEVINSON, 2008).
A emitância pode ser verificada com o emprego de emissômetros. Dentre as normativas para obter tal parâmetro destaca-se a ASTM C1371 (2015) (Determination of Emittance of Materials Near Room Temperature Using Portable Emissometers), a qual prescreve o procedimento para obter a emitância de um corpo opaco e de alta condutividade térmica usando emissômetro portátil. O princípio de avaliação de um emissômetro portátil baseia-se na comparação direta entre a amostra de teste e duas amostras padronizadas de emitância conhecida (usadas também para calibração do aparelho) (PEREIRA, 2014; ASTM, 2015). A Figura 15 apresenta os componentes de um emissômetro portátil.
Figura 15 – Componentes do emissômetro portátil.
Fonte: Marinoski et al. (2013).
2.3 PAVIMENTOS DE PEÇAS PRÉ-MOLDADAS DE CONCRETO (PPCs)
O pavimento de peças pré-moldadas de concreto (PPCs) está presente em grandes cidades. Sendo instalado em vias de baixo e médio volume de tráfego, estacionamentos, áreas de lazer e praças. Nesse sentido, este tipo de pavimento tem papel fundamental no conforto térmico do entorno uma vez que está exposto a radiação solar dentro desses grandes centros (JAMSHIDI, et al., 2018).
Estes pavimentos são caracterizados pela contribuição da unidade da peça e seu entorno para resistir aos esforços verticais provenientes de veículos. O intertravamento é garantido por uma estrutura de juntas de areias entre as peças e de contenções laterais (meio-fio, bocas de lobo, canaletas) que minimizam a rotação das peças bem como seus movimentos relativos ilustrados na Figura 16. O intertravamento das PPCs confere características de continuidade ao pavimento, promovendo estabilidade estrutural do sistema (ABCP, 2011; SHAKEL e LIM, 2003 apud LIN et al., 2016).
Figura 16 – Movimentos relativos entre as peças do pavimento de peças pré-moldadas de concreto.
Fonte: ABCP (2015).
A estrutura do pavimento de peças pré-moldadas de concreto tem como função reduzir a intensidade da tensão vertical aplicada na superfície que chega ao topo do subleito. A composição da estrutura compreende: camada de rolamento, base, sub-base e subleito. A camada de rolamento é aquela formada pelas PPCs e pela fina camada de areia usada para assentamento e nivelamento das peças. Esta camada deve manter um baixo nível de umidade nas camadas subjacentes e protegê-las contra desgaste provocado pelos veículos. A camada de base é, normalmente, o principal componente estrutural do pavimento e pode ser composta de material puramente granular ou estabilizado. Sua função assim como eventuais as camadas subjacentes (sub-base) é receber as tensões provenientes das camadas sobrejacentes e retransmiti-las em intensidades significativamente menores até a camada final de subleito (GODINHO, 2009; ABCP, 2015). A Figura 17, ilustra as camadas da estrutura do pavimento.
Figura 17 – Estrutura de um pavimento de peças pré-moldadas de concreto.
Nesse sentido, segundo Takeyama et al. (2000), dentre as vantagens do uso de pavimento de PPCs estão: baixo custo de implantação; tem elevada capacidade de drenagem; sem necessidade de esperar a cura do concreto; rápida instalação e fácil manutenção.
2.3.1 Produção de peças pré-moldadas de concreto (PPCs)
Como mencionado anteriormente, a camada de rolamento do pavimento de peças pré-moldadas de concreto é composta por elementos unitários, as PPCs. Segundo Ling (2012), na fabricação destas, o concreto passa por processo de compactação sobre altas frequência de vibração realizado por máquinas conhecidas como vibroprensas. Estas são compostas, basicamente por: um silo de armazenamento, gaveta, sistema de compressão, forma ou molde e sistema de vibração.
Existem ainda sistemas de alimentação de vibro compressão dotados de dois silos e duas gavetas, permitindo a moldagem de peças de duas camadas (double-cap). Esse sistema possibilita produzir peças com camadas superiores e inferiores com diferentes traços (BARFOOT, 1988 apud PIROLA, 2011). Dessa forma, é possível economizar material na produção de PPCs com funções desempenhadas a nível superficial: como é o caso de peças pigmentadas empregadas na sinalização e na mitigação de ICUs, como propôs Del Carpio (2014) e fotocatalíticas (que necessitam da radiação solar UV-A para realizar a fotocatálise) proposto por Melo (2011). Na Figura 18 é possível observar uma PPC de duas camadas desenvolvida por Melo (2011).
Figura 18 – Camada de base e camada superficial de uma PPC (double-cap).
Fonte: Melo (2011).
Melo (2011) utilizou diferentes traços na camada superficial e na de base da PPC. A técnica de double-cap foi utilizada pois o TiO2 não é ativado sem radiação solar, ou seja, não há necessidade
de incorporação no traço de base pois não há funcionalidade fotocatalítica. Assim, além de economizar TiO2, o custo final da peça é diminuído.
