Materiais naturais alternativos de isolamento térmico

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UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

Materiais Naturais Alternativos de Isolamento Térmico

Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil

Juliana Sofia Lopes Marcos

Orientadora: Professora Doutora Ana Cristina Briga de Sá Saldanha Coorientador: Professor Doutor Jorge Tiago Queirós da Silva Pinto

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UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

Materiais Naturais Alternativos de Isolamento Térmico

Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil

Juliana Sofia Lopes Marcos

Orientadora: Professora Doutora Ana Cristina Briga de Sá Saldanha Coorientador: Professor Doutor Jorge Tiago Queirós da Silva Pinto

Composição do Júri:

Doutora Sandra Cristina Alves Pereira Silva Cunha, Professora Auxiliar da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Doutora Ana Cristina Briga de Sá Saldanha, Professora Auxiliar da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

Doutor Romeu da Silva Vicente, Professor Asssociado do Departamento de Engenharia da Universidade de Aveiro

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Dissertação submetida à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil, realizada sob orientação científica da Professora Doutora Ana Cristina Briga de Sá Saldanha e do Professor Doutor Jorge Tiago Queirós da Silva Pinto, Professores do Departamento de Engenharias da Escola de Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.

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Pai e Mãe A vós, que me deram a vida e me ensinaram a vivê-la com dignidade, não bastaria um obrigado. A vós, que iluminastes os caminhos obscuros com afeto e dedicação para

que trilhasse sem medo e cheia de esperanças, não bastaria um muito obrigado. A vós, que vos doastes por inteiro e renunciastes aos vossos sonhos, para que, muitas vezes, pudesse realizar os meus, pela longa espera e compreensão durante as minhas viagens, não bastaria um muitíssimo obrigado. A vós, pais por natureza, por opção e amor, não bastaria dizer que não

tenho palavras para agradecer por tudo isso. Amo-vos

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Índice Geral

Agradecimentos ... i Resumo ... iii Abstract ... v Índice ... vii Índice de Figuras ... xi

Índice de Tabelas ... xiii

Índice de Gráficos ... xv

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Agradecimentos

As primeiras palavras vão para os meus orientadores, a minha orientadora Professora Doutora Ana Saldanha e o meu coorientador Professor Doutor Jorge Pinto, pelo acompanhamento, pela disponibilidade, pela transmissão de conhecimentos, pela orientação e pelo incentivo na realização desta árdua tarefa.

À Professora Doutora Sandra Cunha, diretora do Departamento de Engenharia civil, pela autorização da utilização das instalações e sobretudo pela ajuda prestada na análise dos dados.

Aos colegas Mónica Dias e Ernesto Lucas, e ao Sr. Xavier pela ajuda prestada ao longo de todo o trabalho experimental no laboratório.

Ao Departamento de Ciências Florestais, ao Sr. Armindo pelo apoio prestado na granulação da casca de pinheiro num equipamento apropriado.

À Unidade de Microscopia Eletrónica, à Doutora Lisete Fernandes, em particular, pela disponibilidade na realização dos ensaios de microscopia.

Ao Laboratório de Química, ao Sr. Carlos Matos e ao Professor Doutor Fernando Braga pela análise da densidade dos materiais.

A toda a minha família, em especial aos meus pais, pelo apoio constante prestado ao longo do ano, pela paciência e incentivo e também pelo fornecimento dos materiais a serem estudados.

Ao meu namorado Hugo, por estar ao meu lado quando eu mais precisei, pela paciência que teve, pelo incentivo e principalmente pelo apoio.

À Helena, ao Pedro, ao Marcos, à Joana e muitos outros que levo comigo no coração, que me acompanharam nesta vida académica, pelas horas de estudo e de diversão, pelo companheirismo e sobretudo pela amizade.

À Rita que desde sempre me acompanha, sempre prestável e compreensiva.

À Mariana que me ajudou no laboratório e na análise dos resultados.

A todos vocês um muito obrigado, contribuíram para o meu sucesso e para o meu crescimento como pessoa. Sou o resultado da vossa confiança e força.

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Resumo

Vivemos numa realidade onde a preocupação com o conforto nos edifícios aumenta assim como a melhoria do meio ambiente. Melhorar os padrões de conforto habitacional e criar soluções ambientais mais amigáveis são duas metas a alcançar.

Tendo em conta que a indústria da construção tem um papel importante em termos de consumo de energia, há uma tendência crescente de se adotar opções mais sustentáveis, como a reabilitação e construção low cost. O ser sustentável passou a ser um conceito prioritário de forma a se poder adaptar novos materiais naturais alternativos, não esgotáveis, renováveis e mais amigos do ambiente sem comprometer os “stocks” de recursos naturais para as gerações vindouras.

Uma poupança energética e económica pode ser grandemente alcançada quando um edifício é provido de um bom sistema de isolamento térmico. Portanto, o objetivo principal deste trabalho de pesquisa é estudar soluções alternativas de isolamento térmico adotando alguns materiais orgânicos. Os materiais estudados foram casca de pinheiro, rama da cebola, palha, lã de ovelha e caroço da espiga de milho.

O comportamento térmico destes materiais foi experimentalmente avaliado com uma metodologia validada, recorrendo a um dispositivo específico concebido de modo a permitir o teste destes materiais granulados. Os principais resultados obtidos, como a densidade e a condutibilidade térmica de cada material estudado são apresentadas e comparados com valores conhecidos. Para os materiais testados foi encontrado um interessante comportamento de isolamento térmico, tornando-os assim termicamente eficientes.

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Abstract

We live in a reality where concern for comfort in buildings increases as well as the improvement of the environment. Improve housing standards of comfort and create more environmental friendly solutions are two goals to achieve.

Taking into account that the building industry has an important role in terms of energy consumption, there is na increasing tendency to adopt more sustainable options, such as low cost rehabilitation and construction. Being sustainable has become a priority concept in order to be able to adapt new alternative natural materials, not exhaustible, renewable and environmentally friendly without compromising the stocks of natural resources for future generations.

An energy and economic savings can be greatly achieved when a building is provided with a good thermal insulation system. Therefore, the main objective of this research work is studying insulation alternative solutions adopting some organic materials. The materials studied were pine bark, onion foliage, straw, sheep's wool and stone corn cob.

The thermal behavior of these materials was experimentally assessed with a validated methodology, using a specific device designed to allow testing of those granular materials. The main obtained results, as the density and thermal conductivity of each studied material are presented and compared with known values. For materials tested were found an interesting behavior insulation, making them thermally efficient.

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Índice

1. Capítulo 1 - Introdução ... 1 1.1. Enquadramento ... 3 1.2. Objetivos ... 5 1.3. Metodologia ... 5 1.4. Organização do trabalho ... 5

2. Capítulo 2 – Materiais de Isolamento Térmico ... 7

2.1. Objetivos ... 9

2.2. Enquadramento ... 9

2.3. Eficiência Energética em Edifícios ... 10

2.3.1. Consumo energético ... 10

2.3.2. Eficiência Energética ... 11

2.4. Conforto Térmico ... 12

2.5. Materiais de Isolamento Térmico ... 13

2.5.1. Importância do Isolamento Térmico ... 13

2.5.2. Classificação e propriedades de materiais de isolamento térmico ... 15

2.6. Considerações Finais ... 18

3. Capítulo 3 – Identificação dos Materiais em Estudo ... 21

3.3. Caracterização dos materiais em estudo ... 23

3.3.1. Casca de pinheiro ... 24

3.3.1.1. Análise Granulométrica ... 26

3.3.2. Rama da cebola ... 28

3.3.3. Palha ... 29

3.3.4. Lã de ovelha ... 30

3.3.5. Caroço da espiga de milho ... 32

3.3.5.1. Análise Granulométrica ... 33

4. Capítulo 4 – Determinação da Microestrutura e da Massa Específica dos Materiais em Estudo ... 35

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Índice

4.3. Identificação da Microestrutura ... 38

4.3.1. Materiais correntes de Isolamento Térmico ... 38

4.3.2. Materiais Naturais em Estudo ... 40

4.3.3. Granulado da casca de pinheiro ... 43

4.3.4. Rama da cebola ... 43

4.3.5. Palha ... 44

4.3.6. Lã de ovelha ... 44

4.3.7. Granulado do caroço da espiga de milho ... 45

4.4. Determinação da Massa Específica ou Densidade Aparente ... 46

4.4.1. Considerações Finais ... 52

5. Capítulo 5 – Proposta de Molde de Ensaio ... 53

5.3. Descrição do processo de fabrico do molde de ensaio ... 55

6. Capítulo 6 – Comportamento Térmico dos Materiais ... 59

6.3. Descrição do procedimento de ensaio ... 62

6.3.1. Sala de ensaio ... 62

6.3.2. Equipamentos utilizados ... 63

6.3.3. Preparação e montagem das amostras ... 65

6.4. Apresentação e análise de resultados ... 69

6.4.1. Enquadramento ... 69

6.4.2. Caso de estudo 1: Molde sem preenchimento ... 71

6.4.3. Caso de estudo 2: Molde preenchido com XPS ... 73

6.4.4. Caso de estudo 3: Molde preenchido com granulado da casca de pinheiro ... 76

6.4.5. Caso de estudo 4: Molde preenchido com rama da cebola ... 78

6.4.6. Caso de estudo 5: Molde preenchido com palha ... 80

6.4.7. Caso de estudo 6: Molde preenchido com lã de ovelha ... 82

6.4.8. Caso de estudo 7: Molde preenchido com granulado de caroço da espiga de milho 83 6.4.9. Análise comparativa entre os materiais estudados e os materiais já estudados . 85 6.5. Considerações Finais ... 86

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Índice

7. Capítulo 7 – Conclusões e Trabalhos Futuros ... 89 8. Referências Bibliográficas ... 93

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Índice de Figuras

Figura 2.1 - Materiais de isolamento térmico de origem mineral (adaptado de [17]) ... 16

Figura 2.2 - Materiais de isolamento térmico de origem sintética (adaptado de [17])... 16

Figura 2.3 - Materiais de isolamento térmico de origem animal (adaptado de [17]) ... 17

Figura 2.4 - Materiais de isolamento térmico de origem vegetal (adaptado de [17]) ... 17

Figura 3.1 - Casca de pinheiro como material a ser estudado ... 24

Figura 3.2 - Moinho picador (adaptado de [20]) ... 25

Figura 3.3 – Peneiração ... 26

Figura 3.4 - Curva granulométrica da casca de pinheiro ... 27

Figura 3.5 - Rama da cebola como material a ser estudado ... 28

Figura 3.6 - Cebolas com rama ... 29

Figura 3.7 - Palha como material a ser ensaiado ... 29

Figura 3.8 - Lã de ovelha como material a ser estudado ... 30

Figura 3.9 - Ciclo da lã de ovelha ... 31

Figura 3.10 - Espiga de milho como material do caso de estudo ... 32

Figura 3.11 - Curva granulométrica referente ao granulado do caroço da espiga de milho (adaptado de [20]) ... 33

Figura 4.1 - Microestrutura do granulado de cortiça (adaptada de [2]) ... 38

Figura 4.2 - Microestrutura do poliestireno expandido – EPS (adaptada de [2]) ... 39

Figura 4.3 - Microestrutura da argila expandida (adaptada de [2]) ... 39

Figura 4.4 - Microestrutura do poliestireno extrudido – XPS (adaptada de [2]) ... 39

Figura 4.5 - Microestrutura da lã de vidro ... 40

Figura 4.6 - Microestrutura da lã de rocha ... 40

Figura 4.7 - Microscópio de varrimento eletrónico ... 41

Figura 4.8 - Amostra do granulado de casca de pinheiro ... 41

Figura 4.9 - Amostra da rama de cebola ... 42

Figura 4.10 - Amostra de palha ... 42

Figura 4.11 - Amostra da lã de ovelha ... 42

Figura 4.12 - Amostra do granulado do caroço de espiga de milho ... 43

Figura 4.13 - Microestrutura do granulado da casca de pinheiro ... 43

Figura 4.14 - Microestrutura da rama da cebola ... 44

Figura 4.15 - Microestrutura da palha ... 44

Figura 4.16 - Microestrutura da lã de ovelha ... 45

Figura 4.17 - Microestrutura do granulado do caroço da espiga de milho seco a 60º (adaptado de [20]) ... 45

Figura 4.18 - Densímetro utilizado (adaptado de [35]) ... 46

Figura 4.19 - Amostra de XPS para o cálculo densimétrico ... 47

Figura 4.20 - Amostra do granulado da casca de pinheiro para o cálculo densimétrico ... 48

Figura 4.21 - Amostra da rama da cebola para o cálculo densimétrico ... 48

Figura 4.22 - Amostra da palha para o cálculo densimétrico ... 49

Figura 4.23 - Amostra da lã de ovelha para o cálculo densimétrico ... 49

Figura 4.24 - Amostra do granulado do caroço da espiga de milho para o cálculo densimétrico ... 49

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Índice de Figuras

Figura 5.2 – Primeira proposta de molde de ensaio ... 56 Figura 5.3 - Segundo molde de ensaio ... 57 Figura 5.4 – Segundo molde. Alçado (esquerda) e face amovível (direita) ... 58 Figura 6.1 - Compartimento de ensaio ... 62 Figura 6.2 - Sistema de medição de fluxo de calor ... 64 Figura 6.3 - Termohigrómetro (HI 91610C) ... 64 Figura 6.4 - Janela a substituir, no compartimento de ensaio, pelo molde de ensaio ... 65 Figura 6.5 - Exemplo do enchimento do molde com o material (molde com enchimento de palha) ... 66 Figura 6.6 - Molde de ensaio vazio com a respetiva tampa ... 66 Figura 6.7 - Ensaio de termografia ... 67 Figura 6.8 – Termogramas ... 68 Figura 6.9 - Preparação das amostras (fixação dos sensores) ... 68 Figura 6.10 - Montagem dos termohigrómetros (Termohigrómetro interior) ... 69 Figura 6.11 - Caso de estudo 1: Molde sem preenchimento a ser ensaiado ... 71 Figura 6.12 - Caso de estudo 2: Molde de ensaio preenchido com XPS a ser ensaiada ... 74 Figura 6.13 - Caso de estudo 3: Molde preenchido com granulado de casca de pinheiro a ser ensaiado ... 76 Figura 6.14 - Caso de estudo 4: Molde preenchido com a rama da cebola a ser ensaiado ... 78 Figura 6.15 - Caso de estudo 5: Molde preenchido com palha a ser ensaiado ... 80 Figura 6.16 - Caso de estudo 6: Molde preenchido com lã de ovelha a ser ensaiado ... 82 Figura 6.17 - Caso de estudo 7: Molde preenchido com o granulado de caroço da espiga de milho a ser ensaiado ... 83

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Índice de Tabelas

Tabela 2.1 - Classificação de alguns materiais de isolamento térmico (adaptado de [14]) ... 15 Tabela 2.2 - Especificações técnicas de alguns isolantes térmicos já estudados (adaptado de [17]] ... 18 Tabela 3.1 - Cálculos para a obtenção da curva granulométrica ... 27 Tabela 4.1 - Comparação de resultados da densidade com recurso à balança ... 50 Tabela 4.2 - Densidade aparente e densidade real dos materiais de caso de estudo ... 51 Tabela 4.3 - Comparação de resultados da densidade com recurso ao laboratório de Química ... 52 Tabela 6.1 - Coeficiente de transmissão térmica de vãos envidraçados verticais com caixilharia de madeira (adaptado de [38]) ... 73 Tabela 6.2 - Valor da condutibilidade térmica do XPS (adaptado de [38]) ... 76 Tabela 6.3 - Densidade aparente e condutibilidade térmica de materiais ... 86

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Índice de Gráficos

Gráfico 6.1 - Temperaturas e fluxos de calor do molde sem preenchimento ... 72 Gráfico 6.2 - Coeficientes de transmissão térmica do molde vazio ... 72 Gráfico 6.3 - Temperaturas e fluxos de calor do molde preenchido com XPS ... 74 Gráfico 6.4 - Coeficiente de transmissão térmica do molde preenchido com XPS ... 75 Gráfico 6.5 - Temperaturas e fluxos de calor do molde preenchido com granulado da casca de pinheiro. Caso de estudo 3 ... 77 Gráfico 6.6 - Coeficiente de transmissão térmica do molde preenchido com o granulado da casca de pinheiro. Caso de estudo 3 ... 77 Gráfico 6.7 - Temperaturas e fluxos de calor do molde preenchido com rama da cebola. Caso de estudo 4 ... 79 Gráfico 6.8 - Coeficiente de transmissão térmica do molde preenchido com rama da cebola. Caso de estudo 4 ... 79 Gráfico 6.9 - Temperaturas e fluxos de calor do molde preenchido com palha. Caso de estudo 5 ... 81 Gráfico 6.10 - Coeficiente de transmissão térmica do molde preenchido com palha. Caso de estudo 5 ... 81 Gráfico 6.11 - Temperaturas e fluxos de calor do molde preenchido com lã de ovelha. Caso de estudo 6 ... 82 Gráfico 6.12 - Coeficiente de transmissão térmica do molde preenchido com lã de ovelha. Caso de estudo 6 ... 83 Gráfico 6.13 - Temperaturas e fluxos de calor do molde preenchido com granulado de caroço da espiga de milho. Caso de estudo 7... 84 Gráfico 6.14 - Coeficiente de transmissão térmica do molde preenchido com o granulado do caroço da espiga de milho. Caso de estudo 7 ... 84

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Nomenclatura

CE – Comissão Europeia

CO2 – Dióxido de Carbono

EDP – Energias De Portugal

EPS – Poliestireno expandido

FEUP – Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

GEOTA - Grupo de Estudos de Ordenamento do Território e Ambiente

HF – Termofluxímetro

ICESD – Inquérito ao Consumo de Energia no Setor Doméstico

INE – Instituto Nacional de Estatística

ISO – Internacional Organization Standardization

ITE – Informação Técnica de Edifícios

NP – Norma Portuguesa

RCCTE – Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios

REH – Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação

SCE – Sistema Certificação Energética dos Edifícios

SEM – Scanning Electron Microscopy

SI – Sistema Internacional

U – Coeficiente de transmissão térmica

UTAD – Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

XPS – Poliestireno extrudido

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Capítulo 1 - Introdução

1. Capítulo 1

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1.1. Enquadramento

A história da humanidade demonstra que o Homem, desde muito cedo, começou a preocupar-se em procurar abrigo em grutas, a construir cabanas, não só para a realização das inúmeras atividades necessárias à sua sobrevivência, mas essencialmente para se proteger das condições climatéricas adversas. A escolha e a construção de um abrigo foram sempre influenciadas pelo clima e pela disponibilidade de materiais no local ou na região circundante. A construção das edificações foi sendo realizada tendo por base a tentativa e o erro pois os conhecimentos de técnicas construtivas eram escassos. O interior das edificações era constituído por uma única divisão, com bancos de pedra encostados às paredes e uma lareira central que permitia o aquecimento nos períodos mais frios [1].

Ao longo do tempo, a concentração populacional foi aumentando, conduzindo à formação de aglomerados de maiores dimensões e consequentemente ao aperfeiçoamento das técnicas construtivas e também ao aparecimento de novas técnicas e à integração de novos materiais na construção. As alterações comportamentais e as exigências de conforto e de qualidade das edificações foram aumentando até atingir os padrões que caracterizam a sociedade moderna. Atualmente, a preocupação com a garantia do conforto no interior dos edifícios está sempre associada à preocupação com o consumo energético.

A obtenção de conforto com recurso a equipamentos mecânicos veio demonstrar que, além de provocar um impacte nefasto no meio ambiente dado o seu consumo energético e as emissões de CO2, acarreta custos elevados para o consumidor final.

Sendo o setor da construção um dos principais responsáveis pela exploração dos recursos naturais e utilização da energia, torna-se portanto imprescindível arranjar soluções que contrariem esta situação.

Perante esta situação, surge a preocupação mundial de construir e reabilitar edifícios de forma sustentável e com baixos custos energéticos.

Esta preocupação levou à definição de diversas políticas a nível mundial com vista à melhoria de eficiência energética dos edifícios. A existência de regulamentação específica no que respeita à avaliação do desempenho térmico dos edifícios é uma das formas de garantir a prossecução destes objetivos.

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Uma das formas de alcançar a melhoria da eficiência energética dos edifícios é através do aumento do isolamento térmico da envolvente. Este pode ser obtido através da adoção de soluções construtivas com um coeficiente de transmissão térmica reduzido, resultante da introdução de materiais de isolamento térmico.

Eficiência energética e sustentabilidade são conceitos que não se dissociam e que atualmente estão associados ao setor da construção. Para uma prática sustentável, é necessário haver uma utilização responsável de energia, reduzindo assim o seu consumo, ou seja, aumentando a eficiência energética.

A sustentabilidade, bem como a construção sustentável, é uma prioridade no Mundo civilizado, conduzindo à introdução de novos materiais de construção, nomeadamente de materiais naturais, reutilizáveis e locais que contribuem para uma construção mais económica e ecológica [2].

O recurso a materiais de construção alternativos e a sua aplicação na construção e/ou reabilitação de edifícios poderá contribuir para a redução dos consumos energéticos, dos custos e do impacte no meio ambiente, obtendo-se assim uma construção mais sustentável que não comprometa a disponibilidade de recursos naturais para as gerações futuras.

O princípio da sustentabilidade deve ser seguido em todas as fases do processo construtivo, incluindo na escolha dos materiais de isolamento térmico. Apesar de os materiais de isolamento térmico correntemente utilizados serem de origem sintética, como é o caso do poliestireno extrudido e do poliestireno expandido, já se verifica a introdução de materiais naturais tais como o aglomerado de cortiça, contribuindo assim para o aumento da sustentabilidade no edifício.

É portanto fundamental identificar e analisar novos materiais, nomeadamente de origem natural, com potencial de isolamento térmico. A integração deste tipo de materiais na construção, para além de permitir aumentar a eficiência energética dos edifícios, poderá contribuir para aumentar a sua sustentabilidade.

“Habitar com qualidade constitui uma possibilidade que marca o habitante desde o processo que segue na procura e escolha da sua casa e dos espaços que a envolvem e a constituem, até à vivência que aí pode ter.”

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1.2. Objetivos

O objetivo principal desta Dissertação de Mestrado é obter informação técnica especifica de comportamento térmico de diferentes materiais naturais de forma a ser possível aferir o potencial de aplicação desses materiais como materiais de construção alternativos de isolamento térmico.

1.3. Metodologia

O presente trabalho de investigação iniciou-se com a revisão bibliográfica acerca do tema em estudo por forma a enquadrar o trabalho a desenvolver.

Posteriormente, procedeu-se à recolha dos materiais escolhidos para análise do seu potencial de aplicação como material de isolamento térmico. Para cada um dos materiais, foi analisada a microestrutura e a massa volúmica.

Para análise do potencial de aplicação como materiais de isolamento térmico recorreu-se a trabalho experimental para analisar o desempenho térmico dos diversos materiais em estudo. Esta análise foi realizada no laboratório de materiais e solos da UTAD, utilizando equipamentos de medição de temperaturas (interiores, exteriores e superficiais) e de fluxos de calor, cujos valores obtidos permitiram posteriormente a obtenção do coeficiente de transmissão térmica da solução construtiva em análise e consequentemente do valor da condutibilidade térmica do material natural em estudo.

Os resultados obtidos foram analisados e posteriormente comparados com os valores característicos dos materiais de isolamento térmico correntemente utilizados na construção.

1.4. Organização do trabalho

Para além deste capítulo, o presente trabalho conta com uma estrutura organizada em mais 6 capítulos.

No segundo capítulo, pretende abordar a problemática do conforto térmico e da eficiência energética nos edifícios, bem como caracterizar os diferentes materiais de isolamento térmico correntemente utilizados na construção.

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No terceiro capítulo, são apresentados os materiais naturais em estudo, sendo efetuada a análise do material desde o seu fabrico às suas utilizações atuais e possíveis.

No quarto capítulo, é efetuada a análise da microestrutura e da densidade específica dos diferentes materiais em estudo.

No quinto capítulo é descrito o processo de conceção do modelo utilizado para o estudo experimental do comportamento térmico dos diferentes materiais naturais em estudo.

No sexto capítulo, será apresentado o estudo do comportamento térmico dos diferentes materiais em análise. Proceder-se-á à análise dos resultados e à sua comparação com os dados disponíveis para os materiais de isolamento térmico de uso corrente na construção.

Finalmente, no sétimo capítulo serão retiradas as conclusões finais do presente trabalho e sugeridos trabalhos futuros.

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Capítulo 2 - Materiais de Isolamento Térmico

2. Capítulo 2

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2.1. Objetivos

Neste capítulo pretende-se:

 Abordar o consumo de energia, com especial ênfase nos edifícios;

 Relacionar os conceitos de eficiência energética e de conforto térmico nos edifícios;

 Identificar a importância do isolamento térmico nos edifícios;

 Identificar e apresentar as principais propriedades de materiais de isolamento térmico correntemente utilizados no sector da construção.

2.2. Enquadramento

A sociedade atual enfrenta um grande desafio no que respeita à gestão eficiente dos recursos energéticos. A forma como a sociedade se tem desenvolvido acarreta o consumo intensificado de energia. Energia que é produzida maioritariamente a partir de recursos de origem fóssil, e portanto, limitados. A escassez dos recursos naturais, evidente a cada dia que passa, bem como o impacte ambiental da sua produção e consumo, leva à necessidade da sociedade adotar uma mudança de princípios e de comportamentos. Para isso, são desenvolvidas premissas que consistem em manter os padrões de qualidade e de conforto de vida que caracteriza a sociedade moderna, sem comprometer o futuro das gerações vindouras.

Neste capítulo pretende-se dar conhecer a forma como é utilizada a energia focando-se essencialmente no consumo em edifícios. Aborda também os conceitos de eficiência energética e de conforto térmico nos edifícios.

Aborda-se também a importância que o isolamento térmico tem nos edifícios e fala sobre os materiais que já foram alvo de estudo das suas propriedades, a densidade e a condutibilidade térmica. Esta análise permite, posteriormente, comparar com os materiais que são alvo de estudo neste trabalho de investigação.

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Capítulo 2 – Materiais de Isolamento Térmico

2.3. Eficiência Energética em Edifícios

2.3.1. Consumo energético

O simbólico gesto de ligar uma televisão, um computador, fazer um jantar, utilizar o carro, tomar banho, entre outros atos comuns do nosso dia-a-dia, significa que estamos a utilizar energia. Então rapidamente se chega à conclusão que a energia é um bem essencial na nossa vida quotidiana.

A energia chega-nos após ter ocorrido um longo processo de transformação. Nesse processo, parte dessa energia é desperdiçada e a que chega ao consumidor nem sempre é devidamente aproveitada.

A maior parte da energia usada provém de combustíveis fósseis como o carvão, o gás ou o petróleo. As reservas destas matérias-primas têm vindo a diminuir de forma crescente. A sua utilização excessiva aumenta a concentração de dióxido de carbono na atmosfera, provocando o fenómeno de efeito de estufa, e que é prejudicial em termos ambientais.

Segundo EDP [4], cerca de 85% da energia que consumimos é importada e de origem fóssil, assim, Portugal só produz 15% de energia, o que o torna num dos países mais dependentes de energias fósseis importadas, causando uma instabilidade na economia Portuguesa.

Assim sendo, a utilização pouco eficiente da energia pode comprometer o nosso estilo de vida e o nosso futuro. Por isso, é necessário encontrar novas soluções para o uso eficiente da energia.

Após uma análise do Inquérito ao Consumo de Energia realizado no Setor Doméstico em 2010 (ICESD 2010) [5] verifica-se que o setor doméstico é o terceiro maior consumidor de energia. Porém, este setor tem sofrido grandes alterações. Umas delas é o exemplo da lenha que até 2002 predominava como a fonte de energia mais consumida, dando lugar à eletricidade que passou a dominar a partir de 2003. Este aumento está associado ao alargamento do conforto térmico e ao crescimento do número de equipamentos elétricos disponíveis nas habitações. Um dado curioso é que 99,9% dos alojamentos estudados utiliza a eletricidade como a principal e a mais comum fonte de energia no setor doméstico. Esta realidade é justificada pelo facto da maioria dos equipamentos serem elétricos.

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Foi também demonstrado no ICESD 2010 [5] que 78,3% do total de alojamentos que compõem o universo deste inquérito, utilizaram equipamentos para aquecimento do ambiente, e que o principal equipamento utilizado é o aquecedor elétrico, com uma incidência de 61,2%.

Este valor traduz-se num consumo significativo de energia, principalmente na fatura dos consumidores.

2.3.2. Eficiência Energética

Verifica-se que o aumento do conforto habitacional provoca um aumento do consumo de energia.

Para combater este gasto, foi criado um conjunto de ações e medidas com o objetivo de efetuar uma utilização mais racional da energia. Medidas essas, tal como por exemplo, a utilização de menos energia para produzir o mesmo, produzir mais com a mesma energia e inovar nos processos e nos produtos para produzir mais e melhor com menos utilização de energia [6].

Sendo que a preocupação com a qualidade de vida aumenta, bem como a melhoria e preservação do meio ambiente, surge assim o conceito de sustentabilidade no final da década de 80 através do relatório de Brundtland, definindo desenvolvimento sustentável como uma garantia de atender às necessidades do presente sem comprometer a capacidade das gerações futuras atenderem também às suas [7].

Pode-se assim dizer que a eficiência energética corresponde à redução do consumo de energia, sem corresponder implicitamente à diminuição do conforto e da qualidade de vida, protegendo assim o meio ambiente e promovendo a sustentabilidade do fornecimento de energia [8].

Sendo o setor da construção, um dos principais responsáveis da exploração dos recursos naturais e da utilização da energia, torna-se portanto imprescindível arranjar soluções que contrariem esta realidade. Uma das principais políticas implementadas é a construção sustentável, podendo ser interpretada como sendo o desenvolvimento de novos materiais, capazes de satisfazer as necessidades da indústria da construção, de uma forma sustentável.

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Passa pela produção de materiais obtidos através de resíduos, a partir de fontes renováveis, materiais mais duráveis, recicláveis e de baixo consumo energético [9].

Sendo assim, uma das principais preocupações dos projetistas aquando da construção de edifícios é a eficiência energética que os mesmos irão apresentar ao longo do seu tempo de vida útil, tendo em conta que o grave problema de Portugal é ser altamente dependente energeticamente do exterior [1].

Já que o setor da construção civil é um dos principais responsáveis pelo consumo de energia, surge o Decreto-Lei 118/2013 de 20 de Agosto que estabelece os requisitos de desempenho térmico e energético, assim como a metodologia de caracterização do desempenho dos edifícios. Visa assegurar e promover a melhoria do desempenho energético dos edifícios através do Sistema Certificação Energética dos Edifícios (SCE) que integra o Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH) [10].

Neste contexto, o RCCTE foi o primeiro instrumento legal a ser aplicado em Portugal. Foi aprovado pelo Decreto-Lei nº40/90, de 6 de Fevereiro impondo requisitos ao projeto de novos edifícios e de grandes remodelações por forma a salvaguardar a satisfação das condições de conforto térmico nesses edifícios sem necessidades excessivas de energia quer no Inverno quer no Verão. A imposição desta legislação veio constituir um marco significativo na melhoria da qualidade da construção em Portugal. Assim é possível verificar que os consumidores podem beneficiar de melhores condições de conforto a custos mais reduzidos [11]. No atual enquadramento regulamentar, os edifícios de habitação são abrangidos pelo Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH), pela Portaria nº349-B/2013 [10].

2.4. Conforto Térmico

O conforto térmico pode ser entendido como sendo um conjunto de condições que permite a um indivíduo estar em conforto, não sentindo qualquer perturbação capaz de o distrair das suas atividades, tanto de lazer como laboral. Para que não haja uma sensação de desconforto, é necessário criar um equilíbrio das condições climáticas presentes e sem perturbação das funções orgânicas. Portanto, o conforto térmico é o resultado de um estado mental que expressa satisfação do homem em relação ao ambiente que o circunda [12].

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De acordo com EDP [4], passa-se cerca de 80% do nosso tempo em edifícios e então, é necessário que estes estejam equipados para que não sejam criadas condições de desconforto.

As condições de desconforto normalmente estão associadas à sensação de frio e de calor. Portanto, a maioria dos edifícios necessitam de aquecimento durante o período de Inverno e de arrefecimento durante o período de Verão. Para o efeito, recorre-se a equipamentos que geralmente são elétricos.

Assim, desde a fase inicial de um projeto, é necessário contemplar soluções técnicas construtivas eficazes termicamente e de modo a ser possível alcançar um edifício que ofereça as características necessárias para satisfazer o utilizador e permita oferecer uma habitação com qualidade.

Existem diversas técnicas construtivas que podem ser implementadas na fase de projeto, tais como a arquitetura e a localização do edifício, a orientação das fachadas (de forma a haver uma captação de energia solar), a escolha de materiais adequados (para melhorar o isolamento das janelas, paredes, pavimentos e coberturas prescindindo assim da necessidade de recurso a aquecimento ou a arrefecimento do meio com recurso a equipamentos elétricos), entre outras técnicas possíveis de implementar e que permitam reduzir o consumo energético e a fatura mensal. Esta poupança justifica que o edifício seja mais sustentável [13].

2.5. Materiais de Isolamento Térmico

2.5.1. Importância do Isolamento Térmico

Foi referido anteriormente, que uma das formas de redução do consumo energético consiste na implementação em obra de material de isolamento térmico nas fachadas exteriores dos edifícios e para que haja um bom isolamento térmico destes e seja possível salvaguardar boas condições térmicas durante o ano.

“O Isolamento é a forma mais rentável para a melhoria da eficiência energética dos edifícios”. [8]

Segundo o RCCTE, o isolante térmico, é um material que apresenta uma condutibilidade térmica inferior a 0,065 W/m ⁰C, ou cuja resistência térmica seja superior a 0,30 m2 ⁰C/W. Entende-se por condutibilidade térmica como sendo uma propriedade térmica típica de um

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material homogéneo que é igual à quantidade de calor, por unidade de tempo, que atravessa uma camada de espessura e de área unitária desse material por unidade de diferença de temperatura entre as suas duas faces. A resistência térmica de um material é a propriedade térmica correspondente ao inverso do coeficiente de transmissão térmica, sendo que este é a quantidade de calor por unidade de tempo que atravessa uma superfície de área unitária desse elemento da envolvente por unidade de diferença de temperatura entre os ambientes que ele separa [11].

Neste contexto, a transferência de calor é importante. Face a este facto, também importa perceber que o calor corresponde à energia em trânsito devido a uma diferença de temperaturas [14].

Paralelamente, o fenómeno de difusão de calor que ocorre através de um corpo pode verificar-se por meio de três processos diferentes [15] e que são: condução, convecção e radiação.

O isolamento térmico de um edifício é de extrema importância para que seja possível alcançar uma boa climatização. O isolamento térmico tem como principal função o aumento da resistência térmica da envolvente de um edifício permitindo reduzir a troca de calor que possa ocorrer entre o interior e o exterior do edifício. Consequentemente, as necessidades de aquecimento e/ou arrefecimento poderão ser minoradas. Associado a este tipo de vantagem também é possível diminuir o risco de condensações nos espaços interiores dos edifícios [16].

A aplicação de um material de isolamentos térmico na envolvente de um edifício pode ter as seguintes vantagens, [14]:

 Conservar a energia devida à redução das perdas de calor;

 Controlar a temperatura superficial de equipamentos e estruturas;

 Prevenir as condensações superficiais em superfícies com a temperatura inferior ao ponto de orvalho;

(43)

2.5.2. Classificação e propriedades de materiais de isolamento térmico

Foi efetuada uma breve revisão bibliográfica sobre alguns dos materiais de construção de isolamento térmico mais utilizados e com estudos já realizados, e de modo a facilitar a comparação com os respetivos materiais considerados não convencionais que são alvo de estudo neste trabalho de investigação. Os materiais de construção de isolamento térmico podem ser classificados quanto à natureza (mineral, vegetal ou sintética) e quanto à estrutura (fibrosa, celular ou mista) [14].

Tabela 2.1 - Classificação de alguns materiais de isolamento térmico (adaptado de [14])

Produto Natureza Estrutura

Lã de Rocha Mineral Fibrosa

Lã de Vidro Mineral Fibrosa

Vidro Celular Mineral Celular

Aglomerado de cortiça

Vegetal Celular

Fibra de Coco Vegetal Celular

Poliestireno expandido Sintético Celular Poliestireno extrudido Sintético Celular

Poliretano Sintético Celular

Segundo Silva [17], os materiais de isolamento térmico de origem mineral são aqueles que são concebidos com base em matérias-primas naturais e abundantes, tais como a areia, a rocha vulcânica e o vidro reciclado. Estes materiais possuem um excelente comportamento ao fogo e uma boa resistência, apresentam-se geralmente sob a forma de painéis rígidos ou semirrígidos. Alguns exemplos deste tipo de materiais são a lã de vidro, a lã de rocha, o vidro celular, a vermiculite, a perlite e a argila expandida, Figura 2.1.

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a) Lã de Vidro b) Lã de rocha c) Vidro celular

d) Vermiculite e) Perlite f) Argila expandida

Figura 2.1 - Materiais de isolamento térmico de origem mineral (adaptado de [17])

Por sua vez, os materiais de isolamento térmico de origem sintética são materiais fundamentalmente fabricados a partir de hidrocarbonatos. Estes têm origem em matérias-primas não renováveis, e não recicláveis, sendo materiais que apresentam uma forte impermeabilidade ao vapor de água. É de salientar que em alguns casos, a combustão dos materiais de isolamento térmico sintéticos provoca a emissão de vapores tóxicos. O poliestireno expandido (EPS), o poliestireno extrudido (XPS), e o poliuretano são três exemplos deste tipo de material, Figura 2.2.

a) EPS b) XPS c) Poliuretano

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Paralelamente, os materiais de isolamento térmico de origem vegetal são materiais que contem fibras vegetais. Os materiais de natureza animal são derivados da penugem de animais. Em ambos os casos a matéria-prima existe na natureza com abundância. Devido à sua natureza orgânica, geralmente estes materiais apresentam menor impacto ambiental do que os restantes materiais de isolamento térmico indicados anteriormente. Alguns exemplos deste tipo de material de natureza animal são a lã de ovelha e as penas de pato, Figura 2.3. Alguns exemplos deste tipo de material natureza vegetal são: a cortiça, a lã de cânhamo, a lã de madeira, a lã de coco, a lã de linho, e a palha, Figura 2.4.

a) Lã de ovelha b) Penas de pato

Figura 2.3 - Materiais de isolamento térmico de origem animal (adaptado de [17])

a) Cortiça b) Lã de cânhamo c) Lã de madeira

d) Lã de coco e) Lã de linho f) Palha

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A Tabela 2.2 apresenta a densidade e a condutibilidade térmica dos materiais anteriormente referidos. Apresenta vários tipos de material de isolamento térmico divididos em quatro grupos relativamente à sua natureza, Natureza Mineral, Natureza Sintética, Natureza Vegetal e Natureza Animal. Estes valores de densidade e de condutibilidade térmica resultam de um estudo realizado por Silva [17].

Tabela 2.2 - Especificações técnicas de alguns isolantes térmicos já estudados (adaptado de [17]]

Material Densidade (kg/m3) Condutibilidade térmica – λ (W/m⁰C) Natureza Mineral Lã de Vidro 13 a 100 0,039 Lã de Rocha 20 a 150 0,037 Vidro celular 100 a 165 0,035 a 0,048 Vermiculite 75 a 130 0,06 a 0,08 Perlite 90 0,045 a 0,05 Argila expandida 290 a 700 0,103 a 0,108 Natureza Sintética Poliestireno expandido 10 a 40 0,04 Poliestireno extrudido 10 a 40 0,032 Poliuretano 40 0,023 Natureza vegetal Cortiça (Solto) 70 a 160 0,032 a 0,045 Lã de cânhamo (solto) 20 0,039 Lã de madeira 40 a 55 0,039 Lã de coco (solto) 20 0,047 Lã de linho (solto) 18 a 20 0,047 Palha 70 a 120 0,045 a 0,07

Natureza animal Lã de ovelha 10 a 20 0,03 a 0,045

Penas de pato 26 a 34 0,033 a 0,042

2.6. Considerações Finais

A energia é um bem essencial, e o estar confortável num edifício passou também a ser uma prioridade. Para estar confortável nos períodos de inverno, quando um edifício não é provido de um bom isolamento térmico, em norma é utilizado um aquecedor elétrico de forma a aquecer o ambiente. Este equipamento elétrico é, geralmente, um dos piores inimigos na fatura de eletricidade pois é caracterizado por um grande consumo de energia.

Torna-se assim imprescindível a utilização de um bom isolamento térmico em edifícios. Os materiais isolantes térmicos mais utilizados atualmente em Portugal são de origem sintética, mas não são amigos do meio ambiente pois são fabricados de recursos não renováveis. Para ser sustentável foram já estudados alguns materiais ecológicos e que sejam renováveis.

(47)

Estes materiais vão ser comparados com os que vão ser estudados neste trabalho. Para comparar importa reter que para materiais mais pesados, com maior densidade, o valor da condutibilidade térmica também aumenta. Os valores da condutibilidade térmica dos materiais já estudados, de origem animal e vegetal variam entre 0,03 e 0,07 W/mºC.

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(49)

Capítulo 3 – Identificação dos Materiais em Estudo

3. Capítulo 3

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3.1. Objetivos

 Apresentar e analisar os materiais naturais em estudo;

 Análise granulométrica de alguns dos materiais estudados.

3.2. Enquadramento

Neste capítulo encontra-se presente uma breve descrição dos materiais a serem estudados. Estes materiais são de origem vegetal ou animal. De origem vegetal é a casca de pinheiro, a rama da cebola, a palha e o caroço de espiga de milho, e de origem animal é a lã de ovelha.

Nesta descrição encontram-se algumas informações relativas ao material, por exemplo o local onde foram fabricados, como é feita a secagem, como é feita a trituração para a casca de pinheiro, entre outras.

Apesar de existirem já alguns estudos efetuados à palha e à lã de ovelha, foram analisados à mesma pois esta análise é feita ao material solto e no seu estado puro. Suscitando alguma curiosidade na comparação de resultados obtidos de estudos já feitos. À lã de ovelha pois ainda é um recurso pouco explorado em Portugal. À palha pela curiosidade de comparar valores. Ao granulado do caroço de espiga de milho pois ainda não tinha sido analisado termicamente o material solto.

Todos estes materiais são ecológicos e não esgotáveis.

3.3. Caracterização dos materiais em estudo

Os materiais naturais escolhidos para avaliar o seu potencial de aplicação como material de isolamento são: casca de pinheiro, rama de cebola, palha, lã de ovelha e caroço da espiga de milho. A escolha destes materiais prende-se com o facto de que são materiais disponíveis na natureza e cujas utilizações diversificadas revelam que estes podem apresentar algumas propriedades térmicas, tal como se apresentará de seguida. Estes materiais intitulam-se como subprodutos à exceção da palha e lã de ovelha.

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Capítulo 3 – Materiais do Caso de Estudo

3.3.1. Casca de pinheiro

A casca de pinheiro é usualmente utilizada em serviços de jardinagem. São aplicadas no solo, não só como decoração de jardins, mas também como forma de proteger as raízes das plantas do frio e do calor excessivo [18]. O tipo de utilização que é dado a este material natural evidencia propriedades térmicas, surgindo daí a ideia de o avaliar para possível aplicação como material de isolamento térmico.

Este material, casca de pinheiro, Figura 3.1 a), foi retirado de pinheiros bravos (pinus pinaster

Ainton) [19] localizados no concelho de Mogadouro, distrito de Bragança. A secagem foi feita

ao natural.

a) Casca de pinheiro b) Granulado da casca de pinheiro

Figura 3.1 - Casca de pinheiro como material a ser estudado

De forma a poder ser efetuada a sua análise de determinação do valor de condutibilidade térmica, foi necessário a sua trituração, Figura 3.1 b). O processo de granulação da casca de pinheiro foi feito no departamento de Engenharia Florestal da UTAD segundo a metodologia utilizada por Silva [20]. Consistia na utilização de um moinho picador, Figura 3.2 a), constituído por uma lâmina, Figura 3.2 b), colocada ligeiramente acima do crivo, Figura 3.2 c). Esta lâmina quando acionada corta a casca em pedaços até conseguir passar pelo crivo.

As dimensões das partículas são função da abertura da malha do crivo no moinho picador. Para este trabalho de investigação foi utilizado um crivo de 10 mm, o que tinha a maior abertura da malha, pois o material partia com facilidade, e com crivos mais pequenos as partículas ficariam muito reduzidas, podendo ter uma percentagem de finos muito elevada.

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a) Vista geral do moinho b) Lâmina de corte

c) Crivo de 10 mm

Figura 3.2 - Moinho picador (adaptado de [20])

Este processo mecânico de granulação recorrendo a um moinho picador conclui-se que é bastante eficaz. Apesar de ter um consumo energético implícito, o moinho picador permite um controlo mais ou menos eficaz das dimensões das partículas, obtendo um material heterogéneo, constituído por partículas de várias dimensões. Torna-se assim um facilitador nesta análise, pois o material a utilizar será solto, sendo que a variação das dimensões das partículas permite que haja uma redução dos espaços vazios.

Um problema que poderá surgir do processo de granulação é o possível esmagamento do agregado da casca de pinheiro. A pressão e o impacto de corte impostos à casca durante o processo de granulação no moinho picador, poderá induzir danos na sua microestrutura alveolar. Sendo esta característica alveolar aquela que aparentemente confere o potencial de material de isolamento térmico é importante evitar a ocorrência de danos nessa microestrutura [20].

(54)

3.3.1.1. Análise Granulométrica

Segundo Silva [20] é necessário avaliar as dimensões das partículas resultantes do processo de granulação através da análise granulométrica, avaliando se são aceitáveis e perceber se ocorreu algum fenómeno de esmagamento indesejado. Sendo assim importante pois permite, numa primeira fase, perceber a gama de dimensões das partículas e a sua quantidade relativa, obtida através deste processo e que poderá influenciar posteriormente as propriedades dos materiais.

A análise granulométrica da casca de pinheiro foi baseada em Silva [20] mas utilizando a norma ISO/TS 17892-4 [21] pois estava disponível no laboratório de materiais e solos da UTAD. Esta norma destina-se a solos, mas foi aplicada neste ensaio ao granulado da casca de pinheiro. E consiste na peneiração de uma pequena amostra do material.

Após a recolha de uma pequena quantidade material, 379,4 g, foi colocada no peneiro com maior abertura da malha. Os peneiros foram organizados do que possuía a maior abertura da malha para o menor, 8; 4; 2; 1; 0,500; 0,200; 0,125 e 0,063 mm. Através de um agitador de peneiros, Figura 3.3 a) o material foi ficando retido em cada peneiro consoante a sua dimensão. Posteriormente pesou-se a quantidade de material retido em cada peneiro, Figura 3.3 b).

a) Agitador de peneiros b) Pesagem da quantidade de material retido no peneiro

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Após a obtenção destes valores do material retido nos peneiros procedeu-se aos cálculos necessários para a obtenção da curva granulométrica. A Tabela 3.1 apresenta os cálculos que foram efetuados para a obtenção da curva granulométrica presente na Figura 3.4.

Tabela 3.1 - Cálculos para a obtenção da curva granulométrica

Peneiros ISO Massa retida Retida

Retida acumulada Acumulada que passa mn (0,1g) fn = (mn/m)x100 (%) f'n (%) f''n = 100 - f'n (%) 8 mm 0,00 0,00 100,00 4 mm 26,8 7,06 7,06 92,94 2 mm 158,7 41,83 48,89 51,11 1 mm 99,3 26,17 75,07 24,93 0,5 mm 42,4 11,18 86,24 13,76 0,25 mm 15,9 4,19 90,43 9,57 0,125 mm 8,4 2,21 92,65 7,35 0,063 mm 9,8 2,58 95,23 4,77 < 0,063 18,1 TOTAL 379,4

Figura 3.4 - Curva granulométrica da casca de pinheiro

Observa-se através da curva granulométrica, Figura 3.4, que predominam as partículas com cerca de 2 mm de dimensão. Sendo a curva extensa e contínua significa que existe material com diversas dimensões, ou seja, bastante heterogéneo e assim favorável na obtenção de uma maior compacidade do produto final reduzindo o volume de vazios na realização do ensaio.

(56)

É importante que isto aconteça pois o ensaio a ser realizado é feito ao material solto e quantos menos vazios mais precisão se tem nos resultados.

3.3.2. Rama da cebola

A rama da cebola, Figura 3.5, enquanto verde servia para alimentar animais de capoeira e juntar a saladas, e em seca era utilizada para fazer a cama dos animais. Calculava-se que esta teria possibilidade de proteger os animais do frio. E por isso seria uma hipótese de avalia-la enquanto material isolante térmico.

Figura 3.5 - Rama da cebola como material a ser estudado

Este material foi encontrado em paredes de tabique por Cardoso [22]. Significa que este material já seria utilizado no passado na construção. Decidiu-se então verificar o seu comportamento térmico de forma a descobrir se este material poderia ser aplicado como isolante térmico.

A rama da cebola utilizada neste trabalho de investigação foi retirada de cebolas Valencianas produzidas no concelho de Mogadouro, distrito de Bragança, Figura 3.6 a), e secas ao natural. Esta rama acompanha as cebolas de forma a poder entrelaça-las, produzindo uma trança e originando uma réstia de cebolas para o seu fácil armazenamento, Figura 3.6 b).

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a) Cebola acompanhada pela rama b) Réstia de cebolas

Figura 3.6 - Cebolas com rama

3.3.3. Palha

A palha, Figura 3.7, estudada já em diversas áreas [23] [24] [25] [26], foi um dos materiais escolhidos para efetuar este trabalho de investigação pois sabe-se que este material possui ótimas características enquanto material retentor de calor.

Figura 3.7 - Palha como material a ser ensaiado

Esta amostra foi recolhida junto de um agricultor residente no concelho de Mogadouro, distrito de Bragança. Este utiliza este tipo de material quer na alimentação, quer na cama dos seus animais, e utilizando-o também, no final, na fertilização das suas terras. Conclui-se que este material era essencial na cama dos animais pois servia essencialmente para protege-los das condições adversas do clima.

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Uma curiosidade sobre este material é que nesta região, no passado, há cerca de 40 anos, este era utilizado em colchões nas camas, que os próprios produtores confecionavam. Utilizado como colchão, tornava-se um pouco desconfortável mas acima de tudo um ótimo investimento porque aquecia as pessoas nas noites frias de inverno cujas casas eram totalmente desprovidas de isolamento térmico.

A construção com recurso a este material, já não é uma novidade. Os fardos de palha são já usados na construção [27]. Também em construções de tabique é um material de possível enchimento segundo Gonçalves [28]. Existem também já valores de condutibilidade térmica e de densidade para este material. De acordo com Silva [17] verifica-se que a palha possui uma densidade entre 70 a 120 kg/m3 e a condutibilidade térmica varia entre 0,045 e 0,07 W/mºC.

O estudo deste material suscitou alguma curiosidade. Foi realizado este estudo de forma a poder verificar-se o valor da condutibilidade térmica para este material desta região específica para a possibilidade da sua reutilização em construções da zona. Pretende-se analisar este material no seu estado puro. Foi recolhido de um fardo de palha e procedeu-se ao seu ensaio sem nenhum aditivo.

3.3.4. Lã de ovelha

Este material, Lã de ovelha, Figura 3.8, tal como a palha, é rico em estudos de investigação, e produzido e vendido como material de isolamento térmico em vários países [29] [30] [31] [32].

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A lã de ovelha utilizada neste trabalho de investigação foi retirada através da tosquia das ovelhas, em Março de 2014, recolhida de um produtor de carne e leite de ovelhas no concelho de Mogadouro, distrito de Bragança. Estas ovelhas são de raça espanhola, denominada de Assaz.

A tosquia consiste no corte da lã do animal no início da primavera, a fim de libertar o animal do calor que esta lhe provoca. Posteriormente, depois de tratada, Figura 3.9, é utilizada no fabrico de roupa, cobertores, mantas, tapetes, etc.

Figura 3.9 - Ciclo da lã de ovelha

Em suma, a lã de ovelha, era utilizada com maior frequência no fabrico de roupa pois possui ótimas qualidades ao proteger o corpo do frio.

Este material foi estudado porque se pretendia obter o valor dele no seu estado puro, solto e desta região específica. Também por ainda ser escassa a sua utilização em Portugal. Segundo o produtor, a lã de ovelha foi um dos materiais que mais caiu em desuso, verificando-se a sua desvalorização, pois é uma matéria-prima que já pouco se utiliza. De forma a se poder dar nova utilização é que foi feito este estudo.

Existem também já valores da sua densidade e da sua condutibilidade. Segundo Silva [17], a lã de ovelha apresenta densidade de 10 a 20 kg/m3 e condutibilidade entre 0,03 e 0,045 W/mºC. Normalmente este material apresenta-se sob a forma de rolos, painéis semirrígidos ou em estado solto. • Tosquia • Seleção da lã • Lavagem da lã • Esgadelhar • Cardar • Fiar • Torcer o fio • Esnsarilhar • Dobar

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3.3.5. Caroço da espiga de milho

O caroço de espiga de milho é um material decorrente da atividade agrícola relativa ao cultivo do milho. Após a obtenção do cereal, o caroço de espiga de milho era habitualmente utilizado para o aquecimento dos materiais nos abrigos, nas lareiras e fogões como adição ao uso da lenha e ainda nas paredes dos edifícios de construção tradicional a colmatar os vazios existentes nas paredes de pedra ou integrados no enchimento terroso das paredes de tabique.

a) Caroço da espiga de milho b) Granulado do caroço de espiga de milho

Figura 3.10 - Espiga de milho como material do caso de estudo

A escolha do material do caroço de espiga de milho foi feita com o intuito de dar continuidade a trabalhos elaborados anteriormente acerca deste material [20]. O material utilizado foi o granulado do caroço de espiga de milho solto, Figura 3.10 b), resultado do processo de granulação do caroço da espiga de milho, Figura 3.10 a), também utilizado para granular a casca de pinheiro e que foi anteriormente referido. Foi seco numa mufla que se encontra no laboratório de materiais e solos da UTAD a 60º.

Este material, tal como a palha e a rama da cebola suscita curiosidade da sua análise pois é frequente encontrar-se em paredes de tabique [28]. Segundo Cruz [2] este material já foi analisado quanto ao seu comportamento térmico, mas essa análise foi feita a uma espécie de placa com alguns aditivos. Esta análise foi realizada de forma a se poder obter resultados do material solto.

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3.3.5.1. Análise Granulométrica

A determinação da curva granulométrica deste material, segundo Silva [20], seguiu a norma NP 933-1 2000 [33] referente à análise granulométrica de agregados pelo método de peneiração. Assim foi recolhida uma amostra do granulado resultante do crivo de 10 mm tendo sido secas numa câmara climática à temperatura de secagem de 60º. Posteriormente peneirou-se a amostra e o registo do material retido em cada peneiro.

Assim surge, na Figura 3.11 a curva granulométrica do granulado de caroço da espiga de milho resultante do crivo de 10 mm.

Figura 3.11 - Curva granulométrica referente ao granulado do caroço da espiga de milho (adaptado de [20])

Tal como observado para a curva granulométrica do granulado da casca de pinheiro, pode-se verificar que esta curva é extensa e contínua. Significa que existem várias dimensões do granulado do caroço da espiga de milho, o que permite que na análise final, seja possível a redução do volume de vazios pois quando compactada as dimensões mais pequenas ajudam a que se preencham todos os vazios para facilitar na análise ao material solto.

3.4. Considerações Finais

A preocupação de criar novos materiais alternativos de isolamento térmico é uma constante. Surge então a ideia de analisar alguns materiais naturais, renováveis, que se encontram com facilidade no meio ambiente e não sejam esgotáveis.

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Os materiais deste estudo contemplam estas características, então importa realçar que eles são de origem vegetal e animal e amigos do meio ambiente.

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Capítulo 4 – Determinação da Microestrutura e da Massa Específica dos Materiais em Estudo

4. Capítulo 4

Determinação da Microestrutura e da Massa Específica dos Materiais em

Estudo

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4.1. Objetivos

 Analisar algumas propriedades físicas dos materiais naturais em estudo;

 Identificar a microestrutura dos materiais estudados através de ensaios de Microscopia Eletrónica de Varrimento SEM;

 Determinar a massa específica dos materiais em estudo;

 Estabelecer uma comparação das propriedades dos materiais aferidas com outros materiais de isolamento térmico de uso corrente na construção

4.2. Enquadramento

Relativamente à temática objeto de estudo deste trabalho de investigação, verifica-se que ainda existem poucos estudos focados em materiais naturais alternativos e que possam ter um potencial de aplicação interessante na construção civil.

Este trabalho de investigação pretende colmatar esta situação porque estuda um conjunto de materiais naturais tais como a casca de pinheiro, rama da cebola, palha, lã de ovelha e a espiga de milho

Neste caso, o estudo destes materiais está centrado na identificação da microestrutura, da massa específica e no desempenho de isolamento térmico.

Neste capítulo pretende-se expor os resultados experimentais alcançados na avaliação da microestrutura e da massa específica.

Outras propriedades materiais relacionadas com o comportamento à água, o comportamento acústico, a suscetibilidade ao envelhecimento, o comportamento ao fogo, o comportamento ao gelo/degelo, poderiam também ter sido aferidas e à semelhança do realizado noutros trabalhos de investigação desenvolvidos neste âmbito [2] [20]. Contudo, tendo em conta a quantidade significativa de materiais a estudar optou-se, nesta fase, por se estudar as propriedades materiais identificadas anteriormente.

(66)

É importante referir que alguns dos materiais aqui estudados poderão ser uma solução alternativa de material de isolamento térmico, de isolamento acústico, de agregado leve, entre outros campos potenciais de aplicação.

De forma análoga a outros trabalhos realizados neste âmbito, [2] [20], foram efetuados ensaios de microscopia eletrónica de varrimento (SEM) na Unidade de Microscopia da UTAD para a identificação da microestrutura dos materiais estudados. Por sua vez, a determinação da massa específica dos diferentes materiais foi aferida através do recurso a um densímetro disponível nos Laboratórios Engenharia Civil da UTAD e ao laboratório de Química da UTAD.

4.3. Identificação da Microestrutura

4.3.1. Materiais correntes de Isolamento Térmico

Em trabalhos de investigação realizados anteriormente, [2] [20], foi verificado que os materiais de construção correntemente aplicados como materiais de isolamento térmico apresentavam geralmente uma microestrutura alveolar e uma densidade baixa.

Neste contexto, as Figuras de 4.1 a 4.4 mostram a microestrutura do granulado de cortiça, do poliestireno expandido (EPS), da argila expandida, e do poliestireno extrudido (XPS), respetivamente com formato alveolar na sua microestrutura. Com formato fibroso apresenta-se a lã de vidro, Figura 4.5, e a lã de rocha, Figura 4.6.

a) Granulado de Cortiça Natural b) Microestrutura do Granulado de Cortiça Natural

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a) EPS b) Microestrutura do EPS

Figura 4.2 - Microestrutura do poliestireno expandido – EPS (adaptada de [2])

a) Argila expandida b) Microestrutura da argila expandida

Figura 4.3 - Microestrutura da argila expandida (adaptada de [2])

a) XPS b) Microestrutura do XPS

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a) Lã de vidro (adaptada de [17]) b) Microestrutura da lã de vidro (adaptada de [34])

Figura 4.5 - Microestrutura da lã de vidro

a) Lã de rocha (adaptada de [17]) b) Microestrutura da lã de rocha (adaptada de [34])

Figura 4.6 - Microestrutura da lã de rocha

4.3.2. Materiais Naturais em Estudo

A identificação da microestrutura dos materiais estudados neste trabalho de investigação foi realizada através de uma análise de microscopia eletrónica de varrimento, Scanning Electron

Microscopy (SEM/ESEM FEI QUANTA – 400), na Unidade de Microscopia Eletrónica, da

UTAD.

A Figura 4.7 mostra o microscópio de varrimento eletrónico e que foi o principal equipamento usado neste ensaio.