Argamassas de cal aérea com incorporação de cinzas de
casca de arroz
Estudo da influência da granulometria das cinzas
João Carlos Duarte Tiago
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Júri
Presidente: Prof. Doutor Jorge Manuel Caliço Lopes de Brito
Orientador: Prof.ª Doutora Ana Paula Teixeira Ferreira Pinto França de Santana
Co-Orientador: Prof. Doutor Augusto Martins Gomes
Vogal: Eng. João Manuel Bessa Pinto
i
R
ESUMOA aplicação de argamassas de cal aérea com incorporação de materiais pozolânicos não é recente na construção. Contudo, nos últimos anos a sua aplicação foi gradualmente substituída por argamassas à base de cimento e de cal hidráulica, o que provocou um esquecimento das técnicas e conhecimentos associados à aplicação de argamassas de cal aérea com adição de materiais pozolânicos. Porém, estas novas técnicas nem sempre são compatíveis com os materiais existentes nos edifícios a reabilitar, o que suscitou o interesse de readquirir os conhecimentos relativos à utilização de argamassas de cal aérea com incorporação de adições pozolânicas.
A presente dissertação teve como objectivo estudar a reactividade pozolânica de cinzas de casca de arroz numa argamassa de cal aérea e avaliar a influência da granulometria das cinzas no desempenho de argamassas de cal aérea formuladas com estas cinzas.
O trabalho experimental incidiu sobre o estudo de quatro argamassas formuladas com cinza de casca de arroz, igual relação cal/cinza (1:2) e consistência (165 ± 5 mm) e uma argamassa de referência. A cinza comercial foi previamente preparada para se obter amostras com granulometrias diferentes. A caracterização das argamassas foi efectuada com base em várias determinações utilizadas neste tipo de estudos.
A melhoria de várias características das argamassas estudadas evidenciou a reactividade pozolânica da cinza estudada, a possibilidade do seu incremento através da redução da dimensão das suas partículas, bem como o interesse da sua aplicação em argamassas de reabilitação, uma vez que cumprem alguns dos requisitos de compatibilidade com os suportes antigos.
Palavras-chave: argamassas de cal aérea, cinza de casca de arroz, reactividade pozolânica, granulometria.
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Abstract
The use of lime based mortars with pozzolanic material is not new in constrution. Its application has been gradually replaced by cement-based mortars and hydraulic lime. However, cement based mortars and hydraulic lime are often incompatible with the materials used to rehabilitate buildings. That increase the interest in recovering the lost knowledge associated with the use of lime mortars with pozzolanic materials.
The aim of the present work is to study the pozzolanic reactivity of rice husk ash in lime mortars and evaluate the effect of rice husk ash particle size in lime based mortars. For the purpose, four mortars were studied with three fixed parameters: the rice husk ash type), ratio lime/ash (1:2) and consistency (165 ± 5 mm). The commercial rice husk ash was previously prepared in order to obtain samples with different particle sizes. As a reference a pure lime mortar sample was also formulated. The latter was subjected to dry cure whereas the lime mortars with rice husk ash were subjected to saturated environments. Mortars characterization tests included: determination of consistence of fresh mortar, bulk density, water retention, flexural resistance, compressive resistance, ultrasonic propagation velocity, superficial hardness, capillarity water absorption, open porosity, karsten tube penetration test.
Improved characteristics of the mortars suggest that rice husk ash is pozzolanic reactive. Furthermore pozzolanic reactivity of rice husk ash is increased by particle size reduction. Given that the studied mortars fulfill most of the requirements for old buildings applications, the present study highlights its potential as repair mortars.
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A
GRADECIMENTOSProfessora Ana Paula Pinto pela definição das linhas mestras desta dissertação, pelos esclarecimentos, disponibilidade e orientações prestadas.
Professor Augusto Gomes pela paciência, pela disponibilidade e auxilio na conclusão deste trabalho.
Engenheiro Nuno Almeida, um agradecimento muito especial pela motivação incansável, acompanhamento laboratorial e companheirismo, sem o qual esta dissertação não seria a mesma.
À Ana Rita pela ajuda, companhia e pelos bons momentos passados durante o trabalho experimental.
Ao Sr. Leonel pelo apoio prestado durante o período de ensaios.
À Engª. Ângela Nunes da SECIL assim como ao Centro de Desenvolvimento de Aplicações de Cimento pelo importante contributo para uma melhor caracterização da Cinza de Casca de Arroz.
A todos os meus amigos que ao longo deste anos sempre estiveram ao meu lado em todas as aventuras!
vii
ÍNDICE DE TEXTO
1 Introdução ... 1
1.1 Justificação ... 1
1.2 Objectivos da dissertação ... 3
1.3 Estrutura e organização da dissertação ... 3
2 Argamassas de Cal Aérea em edifícios antigos ... 5
2.1 Considerações gerais ... 5
2.2 Argamassas de cal aérea para paredes de edifícios antigos ... 6
2.2.1 Principais anomalias em argamassas de cal aérea e princípios orientadores de intervenção face às anomalias ... 6
2.2.2 Características das argamassas para rebocos exteriores de edifícios antigos ... 11
2.2.2.1 Requisitos e características relacionadas com a protecção dos substratos... 12
2.2.2.2 Requisitos e características relacionadas com a durabilidade das argamassas 13 3 Argamassas de cal aérea e componentes pozolânicos ... 15
3.1 Cal aérea ... 15
3.2 Definição de materiais pozolânicos ... 17
3.3 Reactividade das pozolanas ... 18
3.4 Medição da reactividade das pozolanas ... 20
3.4.1 Ensaios mecânicos ... 20
3.4.2 Ensaios químicos ... 21
4 Cinzas de casca de arroz ... 23
4.1 Contextualização histórica ... 23
4.2 Propriedades da casca de arroz ... 24
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4.4 Influência da granulometria das cinzas de casca de arroz na reactividade pozolânica 33
5 Materiais utilizados na produção das argamassas ... 43
5.1 Areia de rio ... 43
5.1.1 Análise granulométrica da areia de rio ... 43
5.1.2 Determinação da baridade ... 45
5.2 Cal aérea hidratada em pó ... 45
5.3 Cinza de casca de arroz comercial ... 46
5.3.1 Pré – peneiração ... 46
5.3.2 Moagem ... 49
5.3.3 Peneiração – fraccionamento da cinza em diferentes granulometrias ... 53
6 Plano de ensaios experimentais ... 61
6.1 Considerações gerais ... 61
6.2 Descrição do plano de ensaios ... 62
6.2.1 Primeira fase do trabalho experimental... 62
6.2.2 Segunda fase do trabalho experimental... 63
6.3 Caracterização das argamassas estudadas ... 65
6.4 Produção das argamassas e preparação dos provetes... 66
6.4.1 Produção da argamassa ... 66
6.4.2 Produção dos provetes prismáticos ... 69
6.4.3 Aplicação da camada de revestimento sobre tijolos ... 71
6.5 Caracterização das argamassas no estado fresco ... 72
6.5.1 Avaliação da consistência por espalhamento ... 73
6.5.2 Retenção de água ... 75
6.5.3 Determinação da massa volúmica aparente ... 76
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6.6 Caracterização das argamassas no estado endurecido ... 79
6.6.1 Características mecânicas ... 79
6.6.1.1 Resistência à flexão e à compressão ... 79
6.6.1.2 Determinação da velocidade de propagação de ultra-sons ... 81
6.6.1.3 Determinação da dureza superficial – Esclerómetro Pendular ... 84
6.6.2 Avaliação das características físicas ... 85
6.6.2.1 Determinação da absorção de água por capilaridade ... 85
6.6.2.2 Determinação da porosidade aberta ... 87
6.6.2.3 Determinação da absorção de água sob baixa pressão – Método do cachimbo 89 6.6.2.4 Avaliação da cinética de secagem ... 90
6.6.2.5 Avaliação da profundidade de carbonatação com o indicador de fenolflaleína 93 7 Apresentação, Análise e discussão dos resultados ... 95
7.1 Caracterização das argamassas no estado fresco ... 95
7.1.1 Avaliação da consistência por espalhamento ... 95
7.1.2 Retenção de água ... 98
7.1.3 Massa volúmica aparente ... 100
7.1.4 Exsudação ... 100
7.2 Caracterização das argamassas no estado endurecido ... 102
7.2.1 Avaliação das características mecânicas... 102
7.2.1.1 Resistência à flexão e à compressão ... 102
7.2.1.2 Determinação da velocidade de propagação de ultra-sons ... 107
7.2.2 Avaliação das características físicas ... 111
x
7.2.2.2 Determinação da porosidade aberta ... 114
7.2.2.3 Determinação da absorção de água sob baixa pressão – Método do cachimbo 121 7.2.2.4 Avaliação da cinética de secagem ... 122
7.2.2.5 Determinação da dureza superficial – Esclerómetro Pendular ... 125
7.2.2.6 Avaliação da profundidade de carbonatação ... 127
8 Considerações finais ... 129
8.1 Conclusões ... 129
8.2 Propostas para desenvolvimentos futuros ... 131
Bibliografia ... 133
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2-1 – Esquema da metodologia proposta para intervenção envolvendo a aplicação de
novas argamassas. ... 10
Figura 4-1 – Distância (aproximadamente 50 μm) entre superfície externa, A, e interna, B. ... 25
Figura 4-2 – Possibilidades de aplicação da casca de arroz e da respectiva cinza. ... 26
Figura 4-3 – (a) – Estrutura da sílica cristalina formada por átomos orientados a longa distância; (b) – Sílica amorfa cuja orientação dos átomos ocorre apenas a curta distância. ... 27
Figura 4-4 – Curvas que representam a perda da massa durante o processo de incineração. . 30
Figura 4-5 – Curva que representa a perda da massa durante o processo de incineração. ... 31
Figura 4-6 – Curvas granulométricas cinza de casca de arroz utilizada na argamassa cp3 e cpm3, cp e cpm3 respectivamente... 34
Figura 4-7 – Evolução da resistência à compressão ao longo do tempo. ... 35
Figura 4-8 – Esquema do processo de moagem das várias cinzas volantes ... 38
Figura 4-9 – Relação entre o diâmetro média das partículas e o índice da actividade resistente ... 40
Figura 4-10 – Variação do índice de actividade pozolânica com o tempo de moagem. ... 41
Figura 5-1 – Curva granulométrica da areia de rio. ... 44
Figura 5-2 – Peneiração da cinza da cinza de casca de arroz. ... 47
Figura 5-3 – (a) – Cinza de casca de arroz comercial – C –;(b)– Cinza de casca de arroz peneirada – CP –. ... 48
Figura 5-4 – Curvas granulométricas da cinza de casca de arroz comercial (C) e da cinza de casca de arroz passada pelo peneiro de abertura 500 m (CP). ... 48
Figura 5-5 – Moinho para o ensaio de Los Angeles utilizado na moagem da cinza de casca de arroz. ... 49
xii
Figura 5-6 – Curvas granulométricas da cinza de casca de arroz passada em 500 μm – CP – e das cinzas de casca de arroz obtidas durante o processo de moagem – CPm15, CPm30 –. ... 50
Figura 5-7 – Curvas granulométricas da cinza de casca de arroz passada em 500 μm – CP – e das cinzas de casca de arroz obtidas durante o processo de moagem – CPm15, CPm30, CPm60 e CPm75 –. ... 51
Figura 5-8 – Curvas granulométricas da cinza de casca de arroz passada em 500 μm – CP – e das cinzas de casca de arroz obtidas durante o processo de moagem – CPm30 e CPm60 –. . 51
Figura 5-9 – Curvas granulométricas da cinza de casca de arroz passada em 500 μm – CP – e da cinza de casca de arroz obtidas durante o processo de moagem – CPm60 e CPm75 –. .... 52
Figura 5-10 – À esquerda – Cinza de casca de arroz peneirada – CP –. À direita – Cinza de casca de arroz moída – CPm75 –. ... 52
Figura 5-11 – Curvas granulométricas da cinza obtida após 75 minutos de moagem e das cinzas utilizadas na produção de argamassas resultantes da peneiração – CM500, CM250, CM125, CM75 –. ... 53
Figura 5-12 – (a) – Cinza de casca de arroz moída – CM500 –; (b) – Cinza de casca de arroz moída à direita – CM250 –. ... 54
Figura 5-13 – (a)– Cinza de casca de arroz moída – CM125 –; (b) – Cinza de casca de arroz moída – CM75 –. ... 54
Figura 5-14 – Análise granulométrica da cinza de casca de arroz comercial (C) pelo método de peneiração (lavagem e peneiração). ... 57 Figura 5-15 – Análise granulométrica da cinza CM500, CM250, CM125 e CM75 por difracção laser. ... 58
Figura 6-1 – Ensaios mecânicos e número de provetes que foram efectuados sobre cada composição na primeira fase do trabalho. ... 63
Figura 6-2 – Esquema de ensaios dos provetes prismáticos realizados na segunda fase do trabalho. ... 64 Figura 6-3 – Esquema de ensaios realizados sobre os provetes constituídos por uma camada e acabamento aplicado tijolos cerâmicos. ... 65
xiii
Figura 6-4 – Sequência de procedimentos da produção de argamassa. (a) – Preparação previa dos constituintes; (b;c) – Pré-mistura manual dos ligantes; (e;f) – Período inicial de amassadura; (g;h) – Introdução de areia; (i) – Remoção do material das faces laterais; (j;m) – Período final da amassadura. ... 68
Figura 6-5 – Sequência de procedimentos da preparação dos provetes prismáticos: (a) – Aparelho de compactação mecânica; (b;e) – Colocação da argamassa; (f) – Colocação dos moldes em câmara saturada. ... 70
Figura 6-6 – Sequência de procedimentos da preparação da camada de revestimento em tijolos. (a) – Molde e tijolo; (b;e) – Aplicação da argamassa; (f) – Regularização da camada de revestimento; (g;i) – Desmoldagem. ... 72
Figura 6-7 – Sequência de procedimentos realizados para a avaliação da consistência por espalhamento. (a) – Colocação de argamassa no molde; (b) - Compactação; (c;d) – enchimento do molde; (e) – Alisamento da superfície; (g) – Limpeza da mesa de espalhamento; (h;i) – Argamassa; (j) – Medição com craveira. ... 74
Figura 6-8 – Esquema de ensaio da retenção de água. ... 75
Figura 6-9 – Avaliação da retenção de água. (a) – Preparação do material; (b) – Ensaio de retenção de água. ... 76 Figura 6-10 – Sequência de procedimentos realizados para a determinação da massa volúmica aparente.(a) – Colocação de argamassa no recipiente; (b;c) – Compactação da argamassa; (d;e) – Alisamento da superfície; (f) – Determinação da massa do conjunto. ... 77
Figura 6-11 – Sequência de procedimentos realizados para a determinação da exsudação. (a) – Proveta com argamassa isolada; (b) – Argamassa em repouso; (c) – Determinação da lâmina liquida de água. ... 79 Figura 6-12 – Determinação da resistência à flexão e à compressão. (a) – Máquina de ensaio; (b) – Provetes a ensaiar; (c;d) – Ensaio de resistência à flexão; (e;f) – Ensaio de resistência à compressão. ... 81
Figura 6-13 – Calibração do aparelho e medição directa em provetes prismáticos. (a) – Equipamento; (b;c) – Realização do ensaio de velocidade de propagação de ultra-sons. ... 82
Figura 6-14 – Calibração do aparelho e medição indirecta em provetes constituídos por argamassa aplicada como camada de revestimento em tijolos. (a) – Calibração do
xiv
equipamento; (b) – regularização da superfície de contacto; (c;d) – Colocação dos
transdutores; (e;f) – Medição do tempo de propagação da onda. ... 84
Figura 6-15 – Determinação da dureza superficial – Esclerómetro Pendular. (a) – Ensaio de esclerómetro nos pontos principais; (b) – Ensaio de esclerómetro em pontos secundários. ... 85
Figura 6-16 – Sequência do ensaio de absorção de água por capilaridade. (a;b) – Posicionamento dos provetes; (c) – Realização do ensaio. ... 87
Figura 6-17 – determinação da porosidade aberta. (a) – Exsicador ligado a bomba de vácuo; (b) – Esquema de ensaio (pesagem hidrostática) ... 89
Figura 6-18 – Ensaio de absorção de água sob baixa pressão ... 90
Figura 6-19 – Exemplo de uma curva de secagem. ... 92
Figura 6-20 – Preparação dos provetes para o ensaio de secagem. ... 93
Figura 6-21 – Procedimentos para a determinação da profundidade de carbonatação. (a) – Material utilizado; (b;d) – Ensaio em provetes de argamassa com cinza de casca de arroz; (e;f) – Ensaio em provetes de argamassa de referência. ... 94
Figura 7-1 – Determinação da relação água/ligante (Cal). ... 96
Figura 7-2 – Determinação da relação água/(mistura ligante) (CM500)... 96
Figura 7-3 – Determinação da relação água/(mistura ligante) (CM250)... 96
Figura 7-4 – Determinação da relação água/(mistura ligante) (CM125)... 96
Figura 7-5 – Determinação da relação água/(mistura ligante) (CM75). ... 97
Figura 7-6 – Relação água/mistura ligante para a obtenção de um espalhamento de 165±5mm. ... 98
Figura 7-7 – Influência da máxima dimensão da cinza na relação água/(mistura ligante) para a obtenção de consistência por espalhamento de 165±5mm. ... 98
Figura 7-8 – Retenção de água das argamassas estudadas. ... 99
Figura 7-9 – Massa volúmica das argamassas estudadas. ... 100
xv
Figura 7-11 – Libertação de água de amassadura durante o ensaio de espalhamento. ... 101
Figura 7-12 – Valores médios das tensões de rotura à compressão aos 14 dias de idade. .... 103
Figura 7-13 – Valores médios das tensões de rotura à flexão aos 14 dias. ... 103
Figura 7-14 – Valores médios das tensões de rotura à compressão em provetes aos 28 dias de idade. ... 105
Figura 7-15 – Valores médios das tensões de rotura à flexão em provetes aos 28 dias de idade. ... 105
Figura 7-16 – Valores médios das tensões de rotura à compressão em provetes aos 14 e 28 dias de idade. ... 106
Figura 7-17 – Valores médios das tensões de rotura à flexão em provetes aos 14 e 28 dias de idade. ... 106
Figura 7-18 – Influência da máxima dimensão da cinza de casca de arroz nos valores médios da resistência mecânica aos 14 e 28 dias de idade. ... 107
Figura 7-19 – Valores médios da velocidade de propagação de ultra-sons das diferentes argamassas. ... 108
Figura 7-20 – Evolução da velocidade de propagação de ultra-sons avaliada com o método indirecto. ... 110
Figura 7-21 – Comparação das velocidades de propagação de ultra-sons entre ensaio directo e indirecto. ... 110
Figura 7-22 – Curvas de absorção de água por capilaridade. ... 112
Figura 7-23 – Curvas de absorção de água por capilaridade (0-120 minutos). ... 113
Figura 7-24 – Valores de coeficiente de absorção de água por capilaridade. ... 114
Figura 7-25 – Valores assimptóticos da absorção de água por capilaridade. ... 114
Figura 7-26 – Valores médios da porosidade aberta das argamassas estudadas. ... 116
Figura 7-27 – Valores médios da massa volúmica aparente e real. ... 117
xvi
Figura 7-29 – (a) – Resistência mecânica (compressão e flexão) de cada argamassa estudada; (b) – Resistência mecânica (compressão e flexão) em função da porosidade das argamassas. ... 118
Figura 7-30 – (a) – Influência da porosidade aberta no coeficiente de absorção de água por capilaridade das argamassas estudadas; (b) – Coeficiente de absorção de água em função da porosidade das argamassas. ... 119
Figura 7-31 – (a) – Influência da porosidade aberta no valor assimptótico das argamassas estudadas; (b) – Valor assimptótico em função da porosidade das argamassas ... 120
Figura 7-32 – (a) – Influência da porosidade aberta na velocidade de propagação de ultra-sons das argamassas estudadas; (b) – Velocidade de propagação de ultra-sons em função da porosidade das argamassas. ... 120 Figura 7-33 – (a) – Valores de absorção de água a baixa pressão das argamassas estudadas; (b) – Curvas de regressão polinomial dos valores de absorção de água a baixa pressão. ... 121
Figura 7-34 – Curvas de secagem da argamassa CAL. ... 123
Figura 7-35 – (a) – Curvas de secagem da argamassa A500; (b) – Curvas de secagem da argamassa A250. ... 123
Figura 7-36 – (a) – Curvas de secagem da argamassa A125; (b) – Curvas de secagem da argamassa A75. ... 124 Figura 7-37 – Comparação das curvas de secagem médias das várias argamassas. ... 125
Figura 7-38 – Relação entre índice esclerométrico e resistência à compressão das diferentes argamassas. ... 126 Figura 7-39 – Ábaco do esclerómetro pendular do Tipo PT. ... 127
xvii
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2-1 – Principais fenómenos de deterioração... 8
Tabela 2-2 – Fontes de humidade mais comuns nos edifícios antigos. ... 8
Tabela 3-1 – Vantagens e desvantagens associadas aos diferentes métodos de extinção da cal viva. ... 16
Tabela 3-2 – Classificação, composição e caracterização de materiais com características pozolânicas ou hidráulicas latentes. ... 18
Tabela 3-3 – Classificação pozolânica de materiais baseada na medição da condutividade. ... 22
Tabela 4-1 – Listagem dos 10 maiores produtores de arroz do mundo. ... 24
Tabela 4-2 – Constituições químic0as das cinzas obtidas por Della e Zhang. ... 29
Tabela 4-3 – Métodos de incineração controlada da casca de arroz. ... 32
Tabela 4-4 – Métodos de incineração não controlada da casca de arroz. ... 32
Tabela 4-5 – Caracterização química de cinzas de casca de arroz resultante de vários estudos. ... 33
Tabela 4-6 – Características das cinzas de casca de arroz . ... 35
Tabela 4-7 – Características físicas da CCA. ... 36
Tabela 4-8 – Resistência à compressão da CCA. ... 36
Tabela 4-9 – Propriedades físicas do cimento e das cinzas volantes analisadas. ... 39
Tabela 4-10 – Valores da resistência à compressão e restantes relações. ... 40
Tabela 5-1 – Caracterização da areia de rio. ... 44
Tabela 5-2 – Determinação da baridade da areia de rio. ... 45
Tabela 5-3 – Ensaios realizados por tipologia de cinza de casca de arroz. ... 55
Tabela 5-4 – A análise química obtida pelo ensaio de fluorescência de raio-X das cinzas C e CP. ... 55
xviii
Tabela 5-5 – Superfície específica – Método de Blaine. ... 56
Tabela 5-6 – Determinação da superfície específica pela análise granulométrica por difracção laser. ... 59
Tabela 6-1 – Composições das argamassas estudadas experimentalmente. ... 66
Tabela 7-1 – Caracterização no estado fresco das diferentes argamassas. ... 95
Tabela 7-2 – Resistência à compressão e à flexão aos 14 dias de idade. ... 102
Tabela 7-3 – Resistência à compressão e à flexão aos 28 dias de idade. ... 104
Tabela 7-4 – Valores médios da velocidade de propagação de ultra-sons das diferentes argamassas. ... 108
Tabela 7-5 – Velocidade de propagação de ultra-sons (ensaio indirecto). ... 109
Tabela 7-6 – Valores de coeficiente de absorção de água por capilaridade, quantidade de água absorvida e valor assimptótico. ... 113
Tabela 7-7 – Valores médios da porosidade aberta, massa volúmica aparente e real das diferentes argamassas. ... 115
Tabela 7-8 – Equações das regressões polinomiais das diferentes argamassas e os respectivos coeficientes de determinação. ... 122
Tabela 7-9 – Valores médios do índice de secagem das diferentes argamassas estudadas. . 124
Tabela 7-10 – Índice esclerométrico e respectiva resistência superficial das diferentes argamassas. ... 126
xix
SIMBOLOGIA
Cal – Cal aérea hidratada
C – Cinza de casca de arroz comercial CP – Cinza de casca de arroz peneirada
CPm15 – Cinza de casca de arroz peneirada e moída durante 15 minutos CPm30 – Cinza de casca de arroz peneirada e moída durante 30 minutos CPm45 – Cinza de casca de arroz peneirada e moída durante 45 minutos CPm60 – Cinza de casca de arroz peneirada e moída durante 60 minutos CPm75 – Cinza de casca de arroz peneirada e moída durante 75 minutos
CM500 – Fracção de cinza de casca de arroz moída e passada no peneiro de malha 500 mm CM250 – Fracção de cinza de casca de arroz moída e passada no peneiro de malha 250 mm CM125 – Fracção de cinza de casca de arroz moída e passada no peneiro de malha 125 mm CM75 – Fracção de cinza de casca de arroz moída e passada no peneiro de malha 75 mm CAL – Argamassa de cal aérea hidratada
A500 – Argamassa de cal aérea com adição de CM500 A250 – Argamassa de cal aérea com adição de CM250 A125 – Argamassa de cal aérea com adição de CM125 A75 – Argamassa de cal aérea com adição de CM75
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 Justificação
Sendo as argamassas componentes importantes na construção desde há longo tempo, quer como revestimento superficial exterior ou interior, quer como aglutinante de outros materiais, é fundamental o continuado estudo sobre estas.
Dada a situação do património edificado em Portugal e considerando que na construção nem sempre construir de raiz é o mais indicado, o mercado de reabilitação de Portugal apresenta fortes possibilidades de expansão, principalmente devido à conduta dos países europeus.
A este aspecto acrescenta-se, ainda, o aumento da preocupação relativa ao meio ambiente levada a cabo pelas tentativas de valorização e reciclagem de resíduos e subprodutos, contribuindo para a prática indispensável da sustentabilidade. Deste modo, é dada importância à redução da degradação ambiental e da utilização de recursos naturais. Um princípio que traduz este pressuposto é a utilização de um material que já se encontra em fim de ciclo para a reabilitação do edificado. É, então, imprescindível conhecer os materiais existentes nas construções a reabilitar possibilitando uma adequada selecção dos materiais que melhor apresentam soluções compatíveis com os existentes e ao mesmo tempo, adequados à prática construtiva actual.
As argamassas à base de cal aérea apresentam-se como uma solução compatível para a reabilitação de alvenarias antigas. Contudo, estão-lhes associadas várias características que dificultam a sua aplicação neste domínio. A principal dificuldade prende-se com estas apresentarem dificuldades de endurecimento em locais de fraco contacto com o dióxido de carbono presente na atmosfera ou em ambientes muito húmidos.
Neste contexto, as argamassas de cal com adição de componentes pozolânicos apresentam-se como uma interessante alternativa. A possibilidade da presa destas argamassas passar a ocorrer também por reacções de hidratação permite assim a sua aplicação como argamassas de junta e como argamassas de revestimento em condições climáticas mais diversificadas. Assim sendo, controlando a quantidade de pozolanas, será possível formular argamassas com diferentes propriedades em função da finalidade, tendo presente a necessidade de compatibilidade em termos mecânicos, físicos e químicos.
Considerando a necessidade de utilização de subprodutos anteriormente referida assim como a adopção de soluções que possam envolver uma redução do consumo de energia, têm sido
2
desenvolvidos diversos estudos sobre formulações de argamassas de cal aérea com incorporação de subprodutos industriais com características pozolânicas. As cinzas de casca de arroz apresentam-se como um material com bastante potencialidade neste contexto. Torna-se então esTorna-sencial conhecer os factores condicionantes da reactividade pozolânica das cinzas, de forma a maximizar a sua potencial utilização na formulação de argamassas.
Deste modo, o presente trabalho tem como objectivo estudar a acção pozolânica conferida pela adição de cinzas de casca de arroz em argamassas de cal aérea e avaliar a influência da sua granulometria no desempenho das argamassas.
A presente dissertação enquadra-se num projecto de investigação que tem como objectivo estudar formulações de argamassa de cal aérea com incorporação de cinzas de casca de arroz com potencial interesse para a aplicação em revestimentos de paredes de edifícios antigos. Este projecto surge no seguimento do estudo desenvolvido por Almeida (2008) e foi desenvolvido em parceria com um estudo intitulado “ Argamassas de cal aérea com adição de cinza de casca de arroz. Influência das condições de cura” desenvolvido por Marques (2010). Os trabalhos tiveram em comum uma primeira fase, onde foram definidas as granulometrias da cinza de casca de arroz a utilizar no desenvolvimento de ambas as dissertações. No âmbito dos estudos realizados para a selecção das granulometrias a utilizar na formulação das argamassas a estudar, encontra-se publicado o artigo intitulado “ Argamassas de cal aérea e cinza de casca de arroz. Influência da finura na reactividade pozolânica”, (Ferreira Pinto et al., 2010). Também se encontra publicado o artigo “Effect of Rice Husk Ash Particle Size in Lime Based Mortars” (Ferreira Pinto et al., 2010).
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1.2 Objectivos da dissertação
O trabalho desenvolvido dá continuidade ao estudo que tem sido realizado sobre argamassas de cal aérea com incorporação de cinzas de casca de arroz, nomeadamente o trabalho desenvolvido em Almeida (2008). O principal objectivo desta dissertação é o estudo da influência da finura de uma cinza de casca de arroz na reactividade pozolânica, através da avaliação de diversas características nomeadamente da resistência mecânica de argamassas de cal aérea com incorporação de cinzas de granulometrias diferentes.
1.3 Estrutura e organização da dissertação
A presente dissertação está organizada em nove capítulos, os quais, para além da presente introdução (capítulo 1), das conclusões e propostas para desenvolvimentos futuros (capítulos 8 e 9), agrupam-se em duas partes distintas.
Na primeira parte, apresenta-se um estado de arte que se desenvolve nos capítulos 2 a 4. No capítulo 2, são abordados os conceitos gerais para intervenções em edifícios antigos, onde se apresentam os requisitos de compatibilidade e durabilidade a exigir às novas argamassas.
No capítulo 3, referente a argamassas de cal aérea e componentes pozolânicos, além da breve introdução da cal aérea e do tratamento que lhe está associado, apresenta os materiais pozolânicos e as suas características, enumerando alguns métodos de avaliação da reactividade pozolânica.
O capítulo 4 aborda o caso concreto da casca de arroz, a qual possui características que mediante uma transformação adequada permite obter uma cinza com propriedades pozolânicas. Deste modo, neste capítulo são apresentadas as propriedades da casca de arroz, bem como os conceitos inerentes ao seu processo de transformação em cinza. Este capítulo aprofunda ainda as propriedades pozolânicas das cinzas de casca de arroz, assim como a influência da granulometria das cinzas nessas mesmas propriedades.
A segunda parte da dissertação apresenta e descreve o desenvolvimento experimental e inclui os capítulos 5 a 7.
O capítulo 5 descreve a preparação e caracterização de todas os materiais (areia de rio, cal aérea e cinza de casca de arroz) utilizadas na formulação das argamassas estudadas, sendo dada especial ênfase ao processo de peneiração e moagem aplicado à cinza de casca de arroz.
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No capítulo 6, procede-se à apresentação do plano de ensaios bem como à descrição dos procedimentos de todos os ensaios realizados no âmbito do presente trabalho.
O capítulo 7 apresenta numa fase inicial a justificação para a escolha das argamassas estudadas. Posteriormente, procede-se à análise detalhada dos resultados obtidos nos diferentes ensaios, tendo sempre presente a influência da granulometria da cinza de casca de arroz nesses mesmos resultados.
O capítulo 8, como referido, sintetiza a análise dos resultados, apresentando as conclusões de todo o trabalho desenvolvido. As conclusões finais são apresentadas tendo em vista o cumprimento dos objectivos propostos, ou seja, apresenta-se a influência da finura das cinzas de casca de arroz nas argamassas de cal aérea.
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2 ARGAMASSAS DE CAL AÉREA EM EDIFÍCIOS ANTIGOS
Neste capítulo, faz-se uma breve introdução ao uso de argamassas de cal aérea em edifícios antigos, onde são abordados os conceitos gerais para as intervenções nesses mesmos edifícios. Enumera-se ainda um conjunto de requisitos que as argamassas a usar na reabilitação devem respeitar.2.1 Considerações gerais
Os primeiros vestígios da utilização da cal pelo homem remontam ao início da Idade da Pedra, no período Paleolítico, após a descoberta do fogo. No entanto, as primeiras referências à utilização da cal na construção remontam ao período compreendido entre 12000 e 5000 a.c. em algumas zonas da Turquia (Cavaco, 2005; Silva, 2006).
Na construção da Pirâmide de Shersi no Tibete, datada de 5000 a.c., a estabilização do solo argiloso foi efectuada com o recurso à cal. Através de análises efectuadas aos materiais utilizados no revestimento das câmaras da Piramide de Quéops assim como nas juntas dos blocos de calcário e granito da Pirâmide de Quéfren, foram também encontrados vestígios de cal (Guimarães, 2002; Cowan, 1977).
A civilização grega evidenciou o uso em grande escala de argamassas de cal, através da sua aplicação em revestimentos de paredes. Contudo, foi no império romano que definitivamente se desenvolveu o conhecimento associado à aplicação da cal na construção. Este processo foi motivado pela constante expansão territorial que impunha uma necessidade de desenvolver técnicas mais rápidas e económicas de fabrico de cal (Ferreira Pinto et al., 2006/2007).
Além do uso das argamassas de cal, os romanos assumiram um papel importantíssimo no estudo da influência das adições pozolânicas, adquirindo o conhecimento de quando e como aplicá-las. Deste modo, a sua aplicação em revestimentos de várias camadas com espessuras elevadas e a conjugação das características dos seus elementos em termos de compatibilidade de materiais, permitiram que as argamassas de cal e adições começassem a desempenhar um papel estrutural e de protecção à água (Ferreira Pinto et al., 2006/2007).
A erupção do Vesúvio em 79 D.C., que cobriu com um manto de cinza as cidades de Pompeia e Herculano, permitiu a descoberta das vantagens do uso das cinzas em argamassas, contribuindo para o conhecimento da aplicação de adições, em particular das pozolanas naturais. São exemplo da aplicação de argamassas à base de cal e pozolanas, assim como da durabilidade que lhe está associada, o Coliseu e o Panteão em Roma, bem como o aqueduto de Pont du Grad no sul de França (Margalha, 2008).
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Após o fim do Império Romano e durante a Idade Média, o uso de argamassas de cal tornou-se pratica corrente. Contudo, o custo da produção da cal reflectiu-se na qualidade da argamassa à base da mesma. Com a entrada dos Califados árabes na Península Ibérica no século XVIII, chegou também a prática de argamassas à base de gesso. Após esta data, tornou-se habitual o fabrico de argamassas de cal aérea e de gesso com a adição de vários produtos, como gorduras vegetais e animais. A introdução do gesso permitiu uma menor retracção da argamassa assim como um menor tempo de presa. A argamassa de cal com a adição de pozolanas ou de gesso teve o seu momento de maior utilização no século XX. Porém, foi neste período que se descobriu o cimento Portland e a cal hidráulica. Este acontecimento marcou o progressivo desuso das argamassas de cal na construção, dadas as características que estes novos ligantes conferiam às argamassas tais como o aumento das resistências mecânicas e a redução do tempo de endurecimento das mesmas, que permitiam um encurtamento no tempo de construção das obras (Alvarez et al., 2005).
A generalização da utilização dos ligantes hidráulicos teve como consequência o actual desconhecimento por parte dos intervenientes na construção em relação aos procedimentos e cuidados associados à utilização e aplicação de argamassas de cal aérea (Botelho, 2003; Ferreira Pinto et al., 2006/2007). No entanto, tem-se agora constatado que os ligantes hidráulicos são responsáveis por várias anomalias que surgem após a sua aplicação na reabilitação de edifícios. Tal deve-se ao facto da sua incompatibilidade química com as argamassas de cal aérea, pela introdução de sais solúveis, pela sua baixa permeabilidade e pelo seu elevado módulo de elasticidade, o que impossibilita a compatibilidade de deformações com os elementos da alvenaria. Deste modo, as argamassas de cal aérea voltam a apresentar um papel relevante na construção, em particular nas alvenarias de pedra, sendo importante voltar a fomentar o seu uso e a sua compreensão.
2.2 Argamassas de cal aérea para paredes de edifícios antigos
2.2.1 Principais anomalias em argamassas de cal aérea e princípios
orientadores de intervenção face às anomalias
As causas da degradação dos rebocos exteriores em edifícios antigos podem assumir diferentes formas, podendo estas ser classificadas como de origem estrutural ou não estrutural. Contudo, interessa apenas referir as que ocorrem com maior frequência neste contexto, ou seja, o envelhecimento e a incompatibilidade dos próprios materiais, a presença de água e de sais solúveis (Appleton, 2003; Magalhães, 2002).
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Importa ainda realçar que grande parte das anomalias verificadas não são independentes das características do próprio suporte, as paredes dos edifícios antigos. Este factor ganha maior importância se considerarmos que estes tipos de parede possuem uma tipologia e um funcionamento totalmente diferente das paredes actuais (Appleton, 2003). As paredes antigas foram definidas para desempenharem um papel estrutural e ao mesmo tempo de protecção do interior das construções, garantindo deste modo as exigências mínimas de segurança estrutural e de conforto face aos agentes atmosféricos do exterior (Veiga, 2006).
Tendo em consideração os últimos factores apresentados, as paredes dos edifícios antigos apresentam usualmente uma espessura elevada, sendo constituídas por materiais com resistências inferiores e com maior porosidade que os materiais actuais. Devido às características dos materiais e ao seu processo construtivo, as paredes conseguem manter um equilíbrio hídrico razoável, possibilitando a evaporação rápida da água presente, que resulta de fenómenos de ascensão capilar ou de infiltração através de paramentos, garantindo que muitas construções se tenham mantido até aos nossos dias.
Na Tabela 2-1 apresentam-se os vários tipos de fenómenos de deterioração que possibilitam a degradação dos materiais constituintes, pedras, tijolos e argamassas. Tais fenómenos não só danificam os elementos anteriormente referidos como ainda deterioram as ligações entre os elementos da alvenaria e das camadas de revestimento, possibilitando uma progressiva degradação da alvenaria.
Entre os fenómenos de degradação apresentados na Tabela 2-1, a acção da água sempre foi, e continua a ser, um dos principais agentes que contribui para a deterioração dos materiais existentes neste tipo de suporte (Appleton, 2003; Magalhães, 2002). Na Tabela 2-2 apresentam-se ainda as principais fontes de humidade que podem interferir com os revestimentos das paredes antigas.
É importante ter em consideração que na maioria das patologias a sua complexidade e a gravidade são majoradas pela conjugação de mais do que uma causa patológica, tendo como consequência o seu agravamento, como é o caso das fissuras que possibilitam o aumento da humidade no interior dos rebocos ou das alvenarias.
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Tabela 2-1 – Principais fenómenos de deterioração (Almeida, 2008)
Designação Causas mais prováveis
Físicos Causados pelas variações de temperatura, erosão provocada pela água e vento.
Físico-químicos
Fenómenos de deterioração que se encontram associados à cristalização de sais ou à
hidratação de cristais. Químicos
Degradação devida, essencialmente, à formação de sulfatos como consequência da
poluição atmosférica. Biológicos
Degradação provocada pela acção de microrganismos, plantas ou até mesmo
resultantes da acção do homem.
Refira-se ainda que grande parte das anomalias não é de fácil eliminação, principalmente devido à sua natureza. Por exemplo no caso da fissuração, devem ser bem analisadas as suas causas previamente a qualquer tipo de intervenção, para que não se executem trabalhos cuja eficiência se possa vir a constatar que é bastante baixa, ou que possa até facilitar o aparecimento de novas fissuras.
Tabela 2-2 – Fontes de humidade mais comuns nos edifícios antigos (Magalhães, 2002).
Tipo de humidade Causas mais prováveis
De obra ou
construção Tem origem na água de amassadura.
De terreno
Existência de zonas de paredes em contacto com a água do solo; Existência de materiais de elevada capacidade de absorção de água
por capilaridade nas paredes; Inexistência ou deficiente posicionamento de barreiras estanques nas paredes. De precipitação Revestimentos com elevada permeabilidade à água. De condensação
Ocorrência de condensações, geralmente quando a temperatura superficial das paredes em contacto com o ar húmido atinge o ponto
de orvalho. Devida a
fenómenos de higroscopicidade
Existência de sais higroscópicos no interior dos revestimento que fixam a água em grandes quantidades, constituindo uma espécie de
depósito de água, permitindo a dissolução de mais sais, originando assim um fenómeno em cadeia.
Devido a causas fortuitas
Humidade com origens acidentais, tais como roturas de canalizações em rede de águas e esgotos, entupimentos de caleiras, algerozes, tubos de queda, corrosão de canalizações metálicas, deficiências de
remates da cobertura, entre outras.
Considerando o acima exposto, é importante perceber que para cada tipo de intervenção em rebocos anómalos deve-se analisar previamente o seu real estado de conservação, de modo a ser determinado o grau de severidade assim como a verdadeira causa da anomalia. Deste modo, os projectos de recuperação e/ou reabilitação em edifícios antigos deverão compreender quatro etapas: Anamnese e Análise, Diagnóstico, Terapia e Controlo (Almeida, 2008).
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Na primeira fase, designada por Anamnese e Análise, é efectuada uma compilação histórica e uma análise preliminar, através de uma inspecção visual onde se realiza um mapeamento das patologias. Na fase de Diagnóstico, realizam-se vários ensaios de modo a identificar as causas das anomalias, permitindo também uma caracterização química, física, mineralógica e mecânica das argamassas existentes. A fase da Terapia é a fase onde se realizam as intervenções nos rebocos. Finalmente, a fase de Controlo é a fase pós intervenção, onde se realiza uma monitorização periódica, com o objectivo de avaliar a evolução do estado das argamassas com o tempo. Esta fase desempenha um papel muito importante com vista a novas reabilitações, uma vez que é através desta que se poderão criar bases de dados, elementos estes que poderão facilitar e melhorar qualquer uma das quatro etapas num futuro processo de reabilitação/recuperação.
Almeida apresentou de uma forma esquemática, uma proposta de metodologia a adoptar em intervenções que envolvam argamassas, a qual foi baseada em metodologias previamente propostas por outros autores (Almeida, 2008). Este esquema é apresentado na Figura 2-1.
Apesar de já referido anteriormente, interessa realçar que o presente trabalho incide sobre as argamassas destinadas à protecção das camadas subjacentes, mais concretamente, sobre o caso dos rebocos exteriores. Não se inclui o revestimento de paramentos interiores neste estudo uma vez que estes, estando expostos a uma menor quantidade de agentes de degradação, não necessitam de requisitos de durabilidade tão exigentes.
Por fim, importa referir que uma intervenção do reboco (conservação, consolidação, reparação localizada, substituição parcial ou total) com o recurso a argamassa deverá ser programada nas diferentes fases de modo a sustentar as opções tomadas. A escolha do tipo de intervenção dependerá sempre de factores técnicos como o estado de conservação da argamassa, avaliado pelo tipo e severidade da anomalia constatada. Além destes factores, o tipo de intervenção dependerá ainda das possibilidades existentes assim como dos meios e orçamentos disponíveis, sem esquecer os factores respeitantes ao seu valor patrimonial e ao próprio edifício.
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Figura 2-1 – Esquema da metodologia proposta para intervenção envolvendo a aplicação de novas argamassas (Almeida, 2008).
Inspecção visual:
Compilação histórica;
Mapeamento de patologias com recurso a levantamentos fotográficos.
Pesquisa histórica
Levantamento de intervenções anteriores (materiais utilizados)
Caracterização das argamassas e seu estado de degradação Ensaios realizados in situ:
o Cachimbos, esclorémetros, ultra-sons. Ensaios realizados em laboratório
o Caracterização física: porosidade, porometria; o Caracterização mecânica: resistências; elasticidade,
deformabilidade;
o Caracterização química e mineralógica: tipo e proporção de ligantes;
o Análise microscópica: tipo de agregado, presença de sais solúveis.
Caracterização das condições ambientais do local de intervenção.
Definição da constituição da argamassa:
Caracterização das matérias-primas: ligantes, agregados, adições.
Definição das formulações de argamassas a testar: o Caracterização física, química e mecânica das
argamassas frescas e endurecidas; o Verificação de requisitos.
Selecção das formulações de argamassas a testar in situ: o Realização de painéis experimentais;
o Ensaios realizados in situ.
Selecção da formulação e/ou formulações de argamassas a aplicar;
Aplicação.
Inspecções ao local para avaliação do estado da nova argamassa ou
sistema de argamassas após a sua aplicação. Cont
ro lo T erapi a Di ag nó s ti c o A na mn es e
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2.2.2 Características das argamassas para rebocos exteriores de
edifícios antigos
Devido às condições atmosféricas e aos agentes de degradação, os rebocos das paredes exteriores expostos a estes elementos, apresentam frequentemente anomalias que definem o seu grau de conservação. Uma vez que os rebocos apresentam também um papel de protecção dos elementos do suporte, o estado destes mesmos elementos está sempre dependente do estado de degradação dos rebocos.
Deste modo, o primeiro requisito a respeitar na formulação de argamassas de rebocos exteriores para edifícios antigos deverá ser o da protecção dos estratos subjacentes. Este primeiro requisito está directamente relacionado com o princípio da compatibilidade de materiais (Henriques, 2004), o qual será apresentado no subcapítulo 2.2.2.1.
O segundo, e não menos importante requisito a ser respeitado para que todas as propriedades da argamassa adquiram significado, é o conjunto das características relacionadas com a durabilidade da própria argamassa. Tal desempenha um papel preponderante numa reabilitação pois só assim será possível garantir uma protecção mais duradoura dos substratos assim como a manutenção do aspecto estético que se exige, contribuindo deste modo para o aumento do período de vida útil do elemento ou do edifício (Henriques, 2004).
Interessa ainda referir, mesmo não fazendo parte do âmbito deste trabalho, que as técnicas de execução dos rebocos são também um factor fundamental para que sejam cumpridos os diferentes princípios associados à reabilitação dos rebocos (Cavaco et al., 2003).
Contudo, muitas vezes as soluções adoptadas para as intervenções não são as mais adequadas tendo como consequência o agravamento ou o desenvolvimento de processos de degradação. Uma das soluções mais adoptadas é a remoção e a substituição total dos rebocos antigos por novas argamassas sem que exista um conhecimento adequado do potencial dessa argamassa de reparação e sem se analisar as causas das anomalias observadas (Veiga et al., 2002).
Concluindo, as argamassas para rebocos exteriores de edifícios antigos não devem contribuir para a degradação dos elementos já existentes nem para a descaracterização dos elementos ou do edifício, devendo por isso evidenciar um conjunto de características necessárias para que se apresentem como solução durável e compatível com os suportes onde aplicadas (Ferreira Pinto et al., 2006/2007; Veiga, 2005; Veiga, 2003).
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2.2.2.1 Requisitos e características relacionadas com a protecção dos
substratos
Como referido nos subcapítulos anteriores, para que se possa assegurar a protecção dos substratos, é necessário que se verifique uma compatibilidade entre a argamassa utilizada na intervenção e os elementos do substrato. Esta compatibilidade deverá ser avaliada em três grupos: mecânica, física e química. No estudo desenvolvido em Almeida (2008), é apresentada uma descrição desse grupo, como se indica seguidamente:
Compatibilidade mecânica:
• As argamassas devem apresentar resistências mecânicas e módulos de elasticidade semelhantes às argamassas originais e inferiores às do suporte, para que acompanhem os movimentos do suporte e deste modo não se verifiquem elevadas tensões internas. Nas situações em que os rebocos são constituídos por diferentes argamassas, as resistências destas deverão ser decrescentes do interior para o exterior enquanto que a deformabilidade deverá ser crescente.
• A aderência ao suporte deverá ser caracterizada por uma rotura adesiva ou coesiva pelo reboco.
• Para que se evite a formação de fissuras, deverá ser garantida a estabilidade dimensional ao longo do termo da argamassa. Se o reboco foi executado com o recurso a várias camadas, este requisito deverá ser verificado na camada exterior para que se evitem tensões no suporte ou na própria argamassa que poderiam conduzir à perda de adesão entre ambos.
Compatibilidade física:
• A absorção de água por capilaridade das argamassas deverá ser a menor possível, devendo ser semelhante à da argamassa utilizada no reboco original e inferior à do suporte.
• Em relação à permeabilidade ao vapor de água, esta deverá ser semelhante à da argamassa utilizada no reboco original e superior à do suporte, permitindo assim a libertação de água de infiltração.
• Deverá ser utilizada uma argamassa com um coeficiente de dilatação térmica o mais semelhante ao do suporte para que, na presença de gradientes térmicos e associada a um baixo módulo de elasticidade, não origine grandes deformações e consequentemente não se verifiquem tensões de origem térmica.
13 Compatibilidade química:
• A argamassa não deverá ser rica em sais solúveis, pois a sua libertação poderá ser prejudicial para os elementos do suporte, tendo como consequência o agravamento ou o desenvolvimento de acções de degradação.
2.2.2.2 Requisitos e características relacionadas com a durabilidade das
argamassas
Os agentes de deterioração que podem gerar e agravar esses fenómenos são os sais solúveis, a água, organismos, microrganismos e todas as condições ambientais. De seguida, e tendo também como base o estudo desenvolvido em (Almeida, 2008), enumeram-se as características que as argamassas deverão possuir para a intervenção em rebocos exteriores, de modo a respeitar as exigências necessárias a um adequado desempenho:
• Permeabilidade ao vapor de água que permita a saída da água infiltrada ou o transporte de sais solúveis para o exterior. No caso em que estes existam nas argamassas, a sua cristalização deve ocorrer na superfície exterior, formando assim eflorescências, patologia esta muito menos abrasiva que as criptoflorescências.
• Resistência à acção de sais solúveis. Nos edifícios antigos é frequente a presença destes sais no interior das paredes, sendo a resistência das argamassas às acções destes sais um aspecto importante a ter em consideração na formulação da argamassa a aplicar. Deste modo, para fazer face aos sais que provocam degradação nas argamassas através de ataques químicos, a argamassa a aplicar deverá possuir baixos teores de silicatos e aluminatos. Por outro lado, para fazer face aos sais solúveis que causam degradação nas argamassas por acções mecânicas, isto é, por alterações cíclicas do volume dos respectivos sais no interior dos poros, a argamassa deverá possuir uma resistência mecânica elevada, assim como uma elevada porometria. • Uma boa resistência a ciclos de gelo – degelo quando a argamassa é aplicada em
climas frios, o que será possível se a argamassa possuir uma reduzida absorção de água e uma resistência mecânica capaz de suportar as tensões geradas durante a gelidificação.
• Boa resistência à colonização biológica que será conseguida se for garantido um bom comportamento da argamassa face à água, assim como uma baixa percentagem de elementos orgânicos na constituição da mesma, uma vez que a presença de fungos é bastante potenciada pela presença prolongada de humidade.
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3 ARGAMASSAS
DE
CAL
AÉREA
E
COMPONENTES
POZOLÂNICOS
Este capítulo descreve as argamassas de cal aérea com adição de produtos com características pozolânicas. Enumera ainda alguns métodos de avaliação da reactividade pozolânica desses componentes.
3.1 Cal aérea
A matéria-prima que origina a cal aérea é a rocha de calcário com baixo teor de impurezas devendo essa apresentar uma percentagem superior a 95 % de carbonato de cálcio ou carbonato de cálcio e de magnésio. Esta diferenciação de elementos na sua constituição origina uma denominação distinta. Se o teor de magnésio na matéria-prima for superior a 20 %, a cal designa-se por cal magnesiana. Caso contrário, a cal denomina-se por cal cálcica (Cavaco, 2005).
No passado eram utilizadas duas denominações para a cal: cais gordas e cais magras. Estas últimas apresentam uma cor menos clara assim como uma resistência mecânica inferior. Em relação à sua constituição, o seu teor de carbonato de cálcio situa-se entre os 95 % e os 99 %, enquanto que nas cais gordas, este teor é superior a 99 %. Um outro aspecto que difere nestes dois tipos de cal é o incremento de volume que existe em ambas aquando da sua extinção, sendo o da cal gorda superior (Cavaco, 2005).
Em relação às principais etapas associadas à produção e endurecimento da cal aérea, interessa referir que podem ser divididas em três fases: calcinação, hidratação ou extinção e carbonatação. A calcinação ocorre num forno cuja temperatura ronda os 900 ºC, o que possibilita a cozedura dos calcários, que causa a transformação do carbonato de cálcio (CaCO3) em dióxido de carbono e óxido de cálcio (CaO), composto este vulgarmente conhecido por cal viva (Cavaco, 2005; Botelho, 2003).
[3-1]
A hidratação ou extinção da cal é uma fase fundamental, uma vez que a cal viva não possui características de ligante, necessitando previamente de ser hidratada. A hidratação, que resulta da mistura do óxido de cálcio com água, desencadeia uma reacção muito expansiva e exotérmica, originando a sua desagregação com efervescência transformando o óxido de cálcio em hidróxido de cálcio (Ca(OH)2). Este produto que se designa por cal apagada,
16
hidratada ou extinta, é utilizado como ligante (Cavaco, 2005; Botelho, 2003). A equação química que descreve o processo de hidratação é apresentada de seguida.
[3-2] A extinção da cal viva pode ser realizada por três processos distintos (aspersão, imersão e também através da mistura com areia molhada, dos quais resultam, respectivamente, a cal em pó, a cal em pasta e uma argamassa de cal e areia) (Faria-Rodrigues, 2004). Almeida (2008) ao citar Faria-Rodrigues (2004), apresenta uma tabela com as vantagens e as desvantagens dos respectivos métodos de extinção da cal viva.
Tabela 3-1 – Vantagens e desvantagens associadas aos diferentes métodos de extinção da cal viva (Faria-Rodrigues, 2004).
Métodos de
extinção Vantagens Desvantagens
Aspersão
Facilidade de transporte, armazenamento e utilização; Facilita processos industriais; Mais
adequada para cais hidráulicas.
Não optimiza a plasticidade; Necessidade de controlo
elaborado para garantir hidratação completa.
Imersão
Garante a hidratação completa; Reduz a dimensão das partículas
(maior reactividade); Aumenta a plasticidade e reduz a quantidade
de água.
Inadequada para cais hidráulicas; Processo perigoso (calor e causticidade); Necessidade de período prolongado. Através de areia molhada
Envolvimento total dos agregados pela pasta; Menos água para obter
plasticidade; Menor retracção e maior durabilidade das argamassas;
Traço mais forte em ligante.
Requer tempo, espaço e boa execução in situ; Geralmente reservado para trabalhos de conservação importantes.
Durante o processo de endurecimento da cal aérea ocorrem dois fenómenos principais, a evaporação da água em excesso e a reacção do hidróxido de cálcio com o dióxido de carbono presente na atmosfera, reacção esta conhecida por carbonatação. Associadas a estes fenómenos estão a libertação de calor e a formação de carbonato de cálcio. O fenómeno de carbonatação pode ser traduzido pela seguinte equação da reacção (Cavaco, 2005):
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A reacção de carbonatação desenvolve-se durante vários meses, ocorrendo do exterior para o interior da argamassa. Como tal, para um adequado desenvolvimento do fenómeno de carbonatação é necessário que a argamassa seja suficientemente porosa de modo a permitir a evaporação da água em excesso, assim como possibilitar a penetração do dióxido de carbono do ar para o seu interior (Ferreira Pinto et al., 2006/2007).
3.2 Definição de materiais pozolânicos
Coutinho define os materiais pozolânicos como “produtos naturais ou artificiais constituídos essencialmente por sílica e alumina que, apesar de não terem por si só propriedades aglomerantes e hidráulicas, contêm constituintes que às temperaturas ordinárias se combinam, em presença de água, com o hidróxido de cálcio, originando compostos de grande estabilidade na água e com propriedades aglomerantes” (Coutinho, 2006).
As pozolanas podem ser classificadas em duas categorias: as pozolanas naturais e as artificiais.
As pozolanas naturais são materiais com elevada percentagem de sílica amorfa e que podem ser divididas consoante a sua origem: as de origem vulcânica (Pozolanas dos Açores, Pozolanas do Porto Santo, Pozolanas de Santo Antão, Pozolanas Italianas, Terras de Santorini, etc.) e as de origem sedimentar (Terra diatomácea/ diatomite) (Lea, 1970; Taylor, 1972). Quer nas pozolanas de origem vulcânica, quer nas de origem sedimentar, o local da origem das mesmas desempenha uma forte influência na sua composição e reactividade pozolânica. Um outro aspecto que também define as pozolanas naturais é o facto de não necessitarem de um tratamento especial além da sua extracção e de uma possível moagem (Coutinho, 2006).
Por sua vez, as pozolanas artificiais podem ser obtidas através de tratamentos térmicos (calcinação) de materiais rochosos com constituição predominantemente siliciosa ou através de subprodutos industriais, como é o caso das cinzas de casca de arroz, material utilizado no presente estudo.
Almeida (2008), com base no estudo desenvolvido por Metha (1983), elaborou uma tabela (Tabela 3-2) onde apresenta uma classificação de materiais com características pozolânicas ou hidráulicas latentes (Almeida, 2008). De realçar que nesta tabela estão incluídas as escórias de alto-forno, subproduto da industria do aço, material este que apresenta uma constituição muito semelhante à do cimento, sendo considerado um ligante hidráulico por vários autores (Charola et al., 1995; Coutinho, 2006).
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Tabela 3-2 – Classificação, composição e caracterização de materiais com características pozolânicas ou hidráulicas latentes (Almeida, 2008).
Classificação Composição química e
mineralógica Características das partículas
Poz ol a n a s c om p ropri e da d e s h id ráu lic a s l a te nte s Escórias de alto-forno
Constituídas essencialmente por silicatos, contendo maioritariamente
cálcio, magnésio, alumina e sílica. Compostos cristalinos do grupo da melilite podem ser encontrados em
pequenas quantidades.
O material não tratado possui o tamanho da areia e contém cerca de
10 a 15% de fracção não sólida. Antes de ser usada, é seca e moída
em partículas de dimensões inferiores a 45 μm (geralmente com
cerca de 500 m2/kg Blaine). As partículas possuem uma textura
rugosa.
Cinza volante com elevado teor de cálcio
Constituídas por silicatos amorfos de cálcio, magnésio, alumina e alcalis. A
pequena quantidade de matéria cristalina consiste geralmente em
quartzo e C3A; poderá também ocorrer cal livre e perclases; CS e C4A3S podem também ocorrer no
caso de serem utilizados arrefecimentos rápidos com
sulfuretos.
As partículas moídas correspondem de 10 a 15% de partículas com dimensões superiores a 45 μm usualmente de 200-300 m2/kg Blaine.
A maior parte das partículas são esferas sólidas com diâmetro médio
inferior a 20 μm. As partículas apresentam uma textura lisa mas não
tanto como nas cinzas volantes de baixo teor de cálcio.
Poz ol a n a s d e e le v a d a rea c tiv id a de
Sílica de fumo Consistem essencialmente em sílica pura no estado amorfo.
Extremamente fina de forma esférica com diâmetros médios de 0,1 μm
(superfície específica de aproximadamente 20 m2/g por
adsorção de nitrogénio)
Cinza de casca de arroz
Consistem essencialmente em sílica pura no estado amorfo.
Partículas de dimensão geralmente inferiores a 45 μm e extremamente celulares (superfície específica de
aproximadamente 60 m2/g por adsorção de nitrogénio). Poz ol a n a s n orm a is Cinza volante de baixos valores de cálcio
Constituídas maioritariamente por silicatos amorfos de alumina, ferro e
álcalis. A pequena parte da matéria cristalina consiste, geralmente, em quartzo, hematite e magnetite. A presença de carbono é geralmente inferior a 5% podendo, no entanto,
ser superior a 10%.
15 a 30% de partículas com dimensões superiores a 45 μm (usualmente de 200-300 m2/kg Blaine). A maior parte das partículas
são esferas sólidas com diâmetro médio de 20 μm. As partículas
apresentam uma textura lisa.
Poz ol a n a s frac a s Escórias e cinzas de arrefecimentos lentos Consistem essencialmente em minerais de sílica cristalina e apenas uma pequena quantidade de matéria
não cristalina.
Os materiais devem ser pulverizados de modo a obter-se partículas muito
finas e conferir-lhes alguma actividade pozolânica. As partículas moídas apresentam uma textura lisa.
3.3 Reactividade das pozolanas
A reactividade pozolânica pode designar-se como a capacidade que as pozolanas têm em se combinar quer com o hidróxido de cálcio, quer com os constituintes do cimento hidratado na
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presença de água, para formarem silicatos e aluminatos de cálcio hidratados, do tipo que se desenvolvem com a hidratação dos ligantes hidráulicos (Coutinho, 2006).
Neste contexto, é importante diferenciar a hidratação do cimento da reacção pozolânica (Almeida, 2008; Velosa, 2006). Um dos aspectos que se evidencia em primeiro lugar é o facto que na hidratação do cimento, os principais compostos do tipo silicatos e aluminatos estarem no estado cristalino, decompondo-se rapidamente na água em iões de silicatos e aluminatos, formando compostos de hidratação. Já na reacção pozolânica, para que a sílica e a alumina se combinem com o hidróxido de cálcio, é necessário que se apresentem na forma de partículas de pequenas dimensões e no estado amorfo. Assim sendo, nem todos os materiais contendo sílica e alumina podem ser considerados pozolanas, como é o caso da sílica na forma de quartzo.
Coutinho refere ainda que, para além de quantidade de sílica e alumina amorfa existente nas pozolanas, esta reacção química é também influenciada pela sua estrutura interna (Coutinho, 2006). Isto é, a reactividade será tanto maior quanto maior estiver a sua estrutura interna afastada do estado cristalino.
Nas pozolanas naturais com origem vulcânica, o estado amorfo das partículas predomina em virtude do arrefecimento brusco das lavas e da alteração subsequente pelos agentes atmosféricos, que tendem a destruir os raros cristais que se formaram durante o arrefecimento brusco do magma.
Nas pozolanas artificiais conseguem-se obter arranjos na estrutura através da acção da temperatura, desde que esta não seja suficientemente intensa para provocar um rearranjo cristalino. Deste modo, consegue-se obter pozolanas mais reactivas (Velosa, 2006).
Além destes últimos aspectos, um factor que condiciona significativamente a reactividade das pozolanas é a sua elevada superfície específica. Tal é justificado pelo facto de a reacção se realizar entre um sólido – a pozolana – e um reagente dissolvido – o hidróxido de cálcio (James et al., 1986).
Para o caso das cinzas de casca de arroz e ao contrário das pozolanas de baixa rugosidade, como é o caso da sílica de fumo, Metha (1983) afirma que a superfície específica não só depende da dimensão das partículas como também da rugosidade que lhe está associada visto que esta é caracterizada por uma estrutura celular e por uma superfície rugosa (Metha, 1983).
A natureza da reacção pozolânica ainda não é bem conhecida, o que tem promovido a realização de vários estudos sobre este assunto. A nível nacional Velosa (2006), ao citar Villar-Cociña, refere que na reacção pozolânica ocorre primeiramente uma interacção na superfície
