Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos

ABSORÇÃO POR CAPILARIDADE DE SOLUÇÕES AQUOSAS SALINAS EM MATERIAIS POROSOS JOANA MARIA CARVALHO BENTA DE AZEVEDO Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM CONSTRUÇÕES Orientadora: Professora Doutora Ana Sofia Moreira dos Santos Guimarães Teixeira Coorientadora: Doutora Teresa Cláudio Diaz Gonçalves JULHO DE 2013 MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2012/2013 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446 * [email protected] Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias 4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440 * [email protected].pt  http://www.fe.up.pt Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2012/2013 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2013. As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respetivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir. Este documento foi produzido a partir de versão eletrónica fornecida pelo respetivo Autor. Esta dissertação foi realizada no âmbito do projeto de investigação DRYMASS (ref. PTDC/ECM/100553/2008) que é financiado por fundos nacionais através da Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) e do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC). ! ‘’Os que se encantam com a prática sem a ciência são como os timoneiros que entram no navio sem timão nem bússola, nunca tendo certeza do seu destino.’’ Leonardo da Vinci Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! i! AGRADECIMENTOS Ao terminar esta dissertação quero manifestar o meu sincero agradecimento a todos os que contribuíram para a sua concretização, não podendo deixar de salientar as pessoas que tiveram um papel primordial na sua realização: À Professora Doutora Ana Sofia Guimarães, orientadora deste projeto, pela oportunidade que me deu, pela simpatia e disponibilidade manifestadas desde o início, assim como pelo apoio científico prestado e estímulo permanente. À Doutora Teresa Diaz Gonçalves, coorientadora deste projeto, pela disponibilidade e acompanhamento constante apesar da distância, e também pelo apoio científico e disponibilização de bibliografia. Ao Doutor João Delgado e à Professora Doutora Manuela Vilarinho, pela ajuda na compreensão de conceitos da Química, fundamentais na realização deste projeto, assim como na pesquisa bibliográfica. Ao Professor Nuno Ramos e ao Engenheiro Pedro Pereira, pelo apoio prestado na utilização do Laboratório de Física das Construções. Aos meus colegas, Mariana e Tiago, pelo companheirismo e entreajuda durante a realização do trabalho laboratorial. Ao Engenheiro Eduardo Costa e à Engenheira Cláudia Ferreira pela simpatia, ajuda e disponibilidade nos momentos passados no laboratório. Ao Técnico José Costa, do Núcleo de Betão, Pedra e Cerâmica do Departamento de Materiais do LNEC, pelo corte dos provetes provenientes de blocos de tijolo. À Engenheira Vânia Brito, por me transmitir conhecimentos relativos à metodologia experimental do ensaio de absorção capilar. Aos meus pais, por todos os ensinamentos e valores de coragem, trabalho e perseverança que me transmitiram ao longo de toda a minha caminhada. À minha irmã, pela companhia nas várias horas passadas a redigir este trabalho. Ao Richard, pelo apoio incondicional e encorajamento, fundamentais ao longo de todo este percurso académico e na elaboração desta dissertação. À minha família, por todo o apoio e incentivo durante este percurso académico. À Marta, Sara e Sofia, pela amizade, pelo apoio e pelos bons momentos que passamos juntas. ! ! ! ! Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! ii! ! Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! iii! RESUMO A ação dos sais solúveis e humidade nos edifícios antigos é uma causa frequente da sua degradação. Pretende-se com este trabalho estudar experimentalmente, através de ensaios laboratoriais, de que forma diferentes tipos de sais dissolvidos em água influenciam a absorção por capilaridade em materiais porosos. O levantamento do estado da arte incidiu sobre a ação de degradação dos sais solúveis sobre os materiais porosos, sobre as características dos materiais porosos e foca também os mecanismos de transporte da água, no estado liquido e de vapor, envolvidos nos processos de absorção capilar e secagem. A campanha experimental realizada incluiu o ensaio de absorção por capilaridade e o ensaio de secagem. Os materiais porosos utilizados foram o tijolo e a argamassa e utilizaram-se seis soluções salinas, de concentração saturada: cloreto de sódio, sulfato de sódio, cloreto de potássio, nitrato de sódio, nitrato de potássio e carbonato de sódio. Realizaram-se os mesmos ensaios com água, que serviram como referência. Esta dissertação permitiu tirar conclusões sobre: i) a influência dos sais na absorção por capilaridade; ii) processos de degradação, influência dos sais solúveis na secagem de materiais porosos; iii) a correlação existente entre a degradação dos materiais porosos com o tipo de sal. PALAVRAS-CHAVE: sais solúveis, materiais porosos, absorção capilar, secagem, degradação. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! x! Figura 3.13 –Curvas de Absorção Capilar dos provetes de tijolo, imersos parcialmente em solução aquosa de nitrato de potássio. .............................................................................................................. 32 Figura 3.14 –Curvas de Absorção Capilar dos provetes de tijolo, imersos parcialmente em solução aquosa de carbonato de sódio. ............................................................................................................. 33 Figura 3.15 –Média e desvio padrão do coeficiente de capilaridade para cada solução no Tijolo ....... 34 Figura 3.16 –Curvas de absorção capilar dos provetes de argamassa, imersos parcialmente em água. .............................................................................................................................................................. 34 Figura 3.17 –Curvas de absorção capilar dos provetes de argamassa, imersos parcialmente na Solução aquosa cloreto de sódio. ......................................................................................................... 35 Figura 3.18 –Curvas de absorção capilar dos provetes de argamassa, imersos parcialmente na solução aquosa sulfato de sódio. .......................................................................................................... 36 Figura 3.19 –Curvas de absorção capilar dos provetes de argamassa, imersos parcialmente na solução aquosa cloreto de potássio. ..................................................................................................... 36 Figura 3.20 –Curvas de absorção capilar dos provetes de argamassa, imersos parcialmente na solução aquosa nitrato de sódio. .......................................................................................................... 37 Figura 3.21 –Curvas de absorção capilar dos provetes de argamassa, imersos parcialmente na solução aquosa nitrato de potássio. ...................................................................................................... 38 Figura 3.22 –Curvas de absorção capilar dos provetes de argamassa, imersos parcialmente na solução aquosa carbonato de sódio ..................................................................................................... 39 Figura 3.23 – Média e desvio padrão do coeficiente de capilaridade para cada solução na argamassa .............................................................................................................................................................. 40 Figura 3.24 –Sorvidade representada em função de (σ/η)1/2 , com valores corrigidos ......................... 41 Figura 3.25 –Sorvidade representada em função de (σ/η)1/2 , com valores corrigidos ......................... 42 Figura 3.26 – Provete de argamassa de cal aérea imerso na solução de carbonato de sódio degradado durante a segunda semana de secagem. ........................................................................... 43 Figura 3.27 –Selagem da base dos provetes com folha de polietileno ................................................. 43 Figura 3.28 –Ensaio de Secagem ......................................................................................................... 44 Figura 3.29 –Curvas de secagem dos provetes de tijolo imersos em água. ........................................ 45 Figura 3.30 –Curvas de secagem dos provetes de argamassa imersos em água. .............................. 45 Figura 3.31 –Pormenor da secagem dos provetes de argamassa e tijolo imersos em água, 11ª semana de secagem. ............................................................................................................................ 45 Figura 3.32 –Curvas de secagem dos provetes de tijolo imersos em solução aquosa de cloreto de sódio. ..................................................................................................................................................... 46 Figura 3.33 –Curvas de secagem dos provetes de argamassa imersos em solução aquosa de cloreto de sódio. ................................................................................................................................................ 46 Figura 3.34 –Pormenor da secagem dos provetes de argamassa e tijolo imersos em solução aquosa de cloreto de sódio, 11ª semana de secagem. ..................................................................................... 46 Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! xi! Figura 3.35 –Curvas de secagem dos provetes de tijolo imersos em solução aquosa de sulfato de sódio. ..................................................................................................................................................... 47 Figura 3.36 –Curvas de secagem dos provetes de argamassa imersos em solução aquosa de sulfato de sódio. ................................................................................................................................................ 47 Figura 3.37 –Pormenor da secagem dos provetes de argamassa e tijolo imersos em solução aquosa de sulfato de sódio, 10ª semana de secagem. ..................................................................................... 47 Figura 3.38 –Curvas de secagem dos provetes de tijolo imersos em solução aquosa de cloreto de potássio. ................................................................................................................................................ 48 Figura 3.39 –Curvas de secagem dos provetes de argamassa imersos em solução aquosa de cloreto de potássio. ........................................................................................................................................... 48 Figura 3.40 –Pormenor da secagem dos provetes de argamassa e tijolo imersos em solução aquosa de cloreto de potássio, 10ª semana de secagem. ................................................................................ 48 Figura 3.41 –Curvas de secagem dos provetes de tijolo imersos em solução aquosa de nitrato de sódio. ..................................................................................................................................................... 49 Figura 3.42 –Curvas de secagem dos provetes de argamassa imersos em solução aquosa de nitrato de sódio. ................................................................................................................................................ 49 Figura 3.43 –Pormenor dos provetes de argamassa e tijolo imersos em solução aquosa de nitrato de sódio, 9ª semana de secagem. ............................................................................................................. 49 Figura 3.44 –Curvas de secagem de tijolo dos provetes imersos em solução aquosa de nitrato de potássio. ................................................................................................................................................ 50 Figura 3.45 –Curvas de secagem dos provetes de argamassa imersos em solução aquosa de nitrato de potássio. ........................................................................................................................................... 50 Figura 3.46 –Pormenor dos provetes de argamassa e tijolo imersos em solução aquosa de nitrato de potássio, 9ª semana de secagem. ........................................................................................................ 50 Figura 3.47 –Curvas de secagem dos provetes de tijolo imersos em solução aquosa de carbonato de sódio. ..................................................................................................................................................... 51 Figura 3.48 –Curvas de secagem dos provetes de argamassa imersos em solução aquosa de carbonato de sódio. ............................................................................................................................... 51 Figura 3.49 –Pormenor da secagem dos provetes de argamassa e tijolo imersos em solução aquosa de carbonato de sódio, 9ª semana de secagem. .................................................................................. 51 Figura 3.50 –Relação entre áreas no cálculo do índice de secagem. .................................................. 52 Figura 3.51 – Índice de secagem médio e respetivo desvio padrão, do tijolo para cada solução salina. .............................................................................................................................................................. 55 Figura 3.52 – Índice de secagem médio e respetivo desvio padrão, da argamassa para cada solução salina. .................................................................................................................................................... 55 Figura 3.53 –Sorvidade representada em função de (σ/η)1/2 para: a) Pedra de Ançã; b) calcário cinza; c) arenito Bentheimer [29] . ................................................................................................................... 57 Figura 3.54 – Degradação do provete A4.2 , eflorescências tipo ‘bigodes de gato’. ............................ 58 Figura 3.55 – Degradação do provete T6.2 , eflorescência tipo algodão. ............................................ 58 Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! xii! Figura 3.56 – Degradação do provete A6.2 , nódulos tipo couve flor ................................................... 58 Figura 3.57 – Coeficiente de Capilaridade médio e respetivo desvio padrão, do tijolo e da argamassa para cada solução salina. ..................................................................................................................... 61 Figura 3.58 – Coeficiente de Capilaridade médio e respetivo desvio padrão, do tijolo e da argamassa para cada solução salina. ..................................................................................................................... 61 Figura 3.58 – Índice de secagem médio e respetivo desvio padrão, do tijolo e da argamassa para cada solução salina. .............................................................................................................................. 62 Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! xiii! ÍNDICE DE TABELAS Tabela 2.1 – Principais características de alguns sais, adaptado [3] [7]. ............................................... 4 Tabela 2.2 – Resumo dos estudos anteriores sobre absorção capilar em materiais porosos .............. 21 Tabela 3.1 – Propriedades das soluções, a 20ºC. ................................................................................ 25 Tabela 3.2 – Coeficientes de capilaridade do tijolo, imerso parcialmente em água. ............................ 29 Tabela 3.3 – Coeficiente de Capilaridade do Tijolo, imerso parcialmente em solução aquosa de cloreto de sódio. ................................................................................................................................................ 29 Tabela 3.4 – Coeficiente de Capilaridade do Tijolo, imerso parcialmente em solução aquosa de sulfato de sódio. ................................................................................................................................................ 30 Tabela 3.5 – Coeficiente de capilaridade do tijolo, imerso parcialmente em solução aquosa de cloreto de potássio. ........................................................................................................................................... 31 Tabela 3.6 – Coeficiente de capilaridade do tijolo, imerso parcialmente em solução aquosa de nitrato de sódio. ................................................................................................................................................ 32 Tabela 3.7 – Coeficiente de Capilaridade do Tijolo, imerso parcialmente em solução aquosa de nitrato de potássio. ........................................................................................................................................... 32 Tabela 3.8 – Coeficiente de Capilaridade do Tijolo, imerso parcialmente em solução aquosa de carbonato de sódio. ............................................................................................................................... 33 Tabela 3.9 – Coeficiente de capilaridade dos provetes de argamassa, imersos parcialmente em água. .............................................................................................................................................................. 34 Tabela 3.10 – Coeficiente de capilaridade dos provetes de argamassa, imersos parcialmente na solução aquosa de cloreto de sódio. ..................................................................................................... 35 Tabela 3.11 – Coeficiente de capilaridade dos provetes de argamassa, imersos parcialmente na solução aquosa de sulfato de sódio ...................................................................................................... 36 Tabela 3.12 – Coeficiente de capilaridade dos provetes de argamassa, imersos parcialmente na solução aquosa de cloreto de potássio ................................................................................................. 37 Tabela 3.13 – Coeficiente de capilaridade dos provetes de argamassa, imersos parcialmente na solução aquosa de nitrato de sódio ...................................................................................................... 38 Tabela 3.14 – Coeficiente de capilaridade dos provetes de argamassa, imersos parcialmente na solução aquosa de nitrato de potássio .................................................................................................. 38 Tabela 3.15 – Coeficiente de capilaridade dos provetes de argamassa, imersos parcialmente na solução aquosa de carbonato de sódio. ............................................................................................... 39 Tabela 3.16 – Sorvidade do Tijolo em relação à água e às soluções salinas ...................................... 41 Tabela 3.17 – Sorvidade da Argamassa em relação à água e às soluções salinas ............................. 42 Tabela 3.18 – Tempos de secagem, em horas, dos provetes de argamassa e tijolo no ensaio com água. ..................................................................................................................................................... 53 Tabela 3.19 – Índice de secagem dos provetes. .................................................................................. 54 Tabela 3.20 – Valores resumo do coeficiente de capilaridade médio dos provetes de argamassa e tijolo. ...................................................................................................................................................... 60 Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! xiv! Tabela 3.21 – Valores resumo do índice de secagem médio dos provetes de argamassa e tijolo. ..... 62 Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! xv! SÍMBOLOS, ACRÓNIMOS E ABREVIATURAS ε - Porosidade de um material σ – tensão superficial do líquido η – viscosidade dinâmica da água ρ – densidade da água Π – Permeabilidade ao vapor de água (de um material poroso) Δp – pressão de cristalização θ - ângulo de contacto B - coeficiente de penetração capilar C - coeficiente de absorção de água por capilaridade Csconcentração da solução na saturação Cv – concentração de vapor de água Dv – coeficiente de difusão (de vapor de água num material poroso) H – altura da ascensão capilar j – fluxo de vapor (que atravessa um material poroso) Mw – massa molar da água pc – capilaridade, força de sucção pv – pressão parcial de vapor de água no ar pvi, pve – pressão parcial de vapor de água no ar , dos dois lados (interior e exterior) de um dado elemento r – raio capilar R – constante dos gases perfeitos (8.3145 MPa.cm3.mol-1.K-1) Ssorvidade de um material poroso t – tempo TTemperatura Va – Volume de vazios Vc – Volume molar do sal no estado sólido Vi – Volume da fase líquida Vt – Volume total W – massa de água total absorvida Wi – teor de água (contido num material poroso) W0 – teor de água inicial H.R. – Humidade Relativa do ar H.R.eqsat – Humidade Relativa de equilíbrio de um sal H.R.eq – Humidade Relativa de equilíbrio I.S. – Índice de Secagem Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! xvi! Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 1! ! ! ! ! ! 1 INTRODUÇÃO ! ! 1.1. ENQUADRAMENTO A ação dos sais solúveis é uma das principais causas de degradação dos edifícios anteriores à utilização do betão armado, que se designam edifícios antigos. O betão armado marcou uma nova era na construção, e daí que todos os edifícios construídos antes desse período obedeçam a um padrão construtivo comum, em que se utilizavam as mesmas tecnologias e materiais sem grandes variações [1]. Estes edifícios são maioritariamente constituídos por materiais porosos como a pedra, as argamassas de cal e o tijolo cerâmico que permitem a penetração das soluções salinas e os consequentes processos de degradação. Assim, este tema tem especial importância no âmbito da conservação e reabilitação dos edifícios antigos. Os sais podem ter várias origens, tanto no ambiente que envolve o edifício como nos próprios materiais de construção que o constituem. A degradação que estes sais causam resulta da conjugação de vários fatores: a presença de sais solúveis e água no interior de materiais de construção porosos e a existência de condições ambiente propícias à degradação. Os sais solúveis, por si só, são inofensivos mas, na presença de água, dissolvem-se e formam soluções que circulam na rede porosa dos materiais. Dependendo das condições de humidade relativa e de temperatura, as soluções aquosas salinas podem cristalizar, devido à evaporação do solvente, ou dissolver-se [2]. A oscilação das condições ambientes gera ciclos de recristalização/dissolução que levam à deterioração dos materiais, causando degradação estética, perda de material histórico e, por vezes, sérios problemas de estabilidade provocados pela diminuição da resistência mecânica dos materiais e dos elementos construtivos [3]. O tipo de degradação, e a sua intensidade, depende das condições ambientes a que estão sujeitos os materiais porosos. Tanto a absorção capilar de soluções aquosas salinas como a secagem dos elementos construtivos contaminados com sais envolvem mecanismos complexos de transporte de água, no estado líquido ou de vapor. É fundamental a sua compreensão uma vez que ainda hoje, apesar do grande investimento em estudos nos últimos tempos, os processos que dão origem à degradação por ação sais solúveis não estão totalmente compreendidos e não existe um consenso entre a comunidade científica em relação a diversos aspetos. Uma das razões é o facto de este tema reunir conhecimentos de várias áreas como a química, a física e a engenharia civil no âmbito dos materiais de construção e da patologia e reabilitação de edifícios. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 2! Este estudo baseia-se fundamentalmente numa campanha experimental em que se determinou a curva de absorção por capilaridade e a curva de secagem de materiais porosos na presença de soluções aquosas salinas. Pretende contribuir para uma melhor compreensão do comportamento dos materiais porosos face à presença dos sais no seu interior, tal como caracterizar as alvenarias dos edifícios antigos contaminadas por sais. 1.2. ÂMBITO E OBJETIVOS Com o objetivo de contribuir para o avanço do conhecimento no âmbito da degradação dos edifícios por ação dos sais solúveis, esta dissertação procurou avaliar a influência de vários sais solúveis na absorção capilar e na secagem de dois materiais porosos representativos dos correntes em edifícios antigos. Os objetivos específicos do estudo são os seguintes: • Compreender a patologia dos sais solúveis em edifícios antigos, com base num levantamento do estado-da-arte na matéria; • Por meio de ensaios realizados sob condições controladas: o Analisar a forma como diferentes tipos de sais influenciam a absorção por capilaridade dos dois materiais selecionados, argamassa e tijolo; o Analisar a influência desses sais na secagem subsequente à absorção capilar; o Examinar a possível ocorrência de degradação dos materiais durante a secagem, devido à cristalização dos sais, e discutir a sua relação com o tipo de sal. 1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO A presente dissertação divide-se em quatro capítulos, sendo o presente capítulo introdutório, onde se enquadra o tema, se descreve o âmbito e objetivos e se apresenta a estrutura da dissertação. No segundo capítulo, sobre a ação dos sais e da humidade nos edifício, abordam-se os conhecimentos atuais mais relevantes para a compreensão deste trabalho. Em primeiro lugar, aborda-se a degradação dos materiais porosos devido à cristalização de sais solúveis, focando em especial as principais características dos sais solúveis e dos materiais porosos e os mecanismos de degradação. Descrevem-se ainda os mecanismos associados ao transporte de água, quer no estado líquido quer no estado de vapor e a sua associação ao processo de secagem. Este capítulo assenta numa pesquisa de estudos desenvolvidos anteriormente, os quais possibilitaram identificar as lacunas do conhecimento que fundamentam a realização deste trabalho. Toda esta pesquisa serviu também de base à interpretação e discussão dos resultados experimentais obtidos. No terceiro capítulo, apresenta-se a campanha experimental realizada. Primeiro descrevem-se os materiais utilizados e os procedimentos seguidos na preparação dos provetes e das soluções salinas, bem como os métodos de ensaio utilizados para a determinação do coeficiente de absorção por capilaridade e da sorvidade do material e avaliação do comportamento à secagem. Para cada ensaio apresentam-se os resultados obtidos e efetua-se a sua análise. No final do capítulo discutem-se os resultados obtidos no trabalho experimental. No quarto e último capítulo apresentam-se as conclusões gerais deste trabalho, sendo também sugeridas algumas propostas para desenvolvimentos futuros. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 3! ! ! ! 2 AÇÃO DOS SAIS E HUMIDADE NOS EDIFÍCIOS ! ! 2.1. OS SAIS SOLÚVEIS E A SUA AÇÃO NOS MATERIAIS POROSOS DE CONSTRUÇÃO 2.1.1. INTRODUÇÃO A presença simultânea de água e de sais solúveis no interior dos materiais porosos de construção dá origem a alguns dos principais problemas que surgem no âmbito da conservação do património histórico edificado. Esta presença é habitual e relevante nos edifícios antigos principalmente pelas seguintes razões [4]: • Os edifícios antigos e patrimoniais incluem materiais porosos na sua constituição, o que facilita o transporte da humidade e dos sais para o seu interior; • As paredes são normalmente construídas em contacto direto com o solo, pelo que a humidade ascensional é uma forma de manifestação de humidade frequente; • Sais e humidade com diversas origens podem infiltrar-se nos elementos construtivos ao longo dos anos, principalmente se o edifício estiver em fase de degradação; • As alvenarias antigas são mais suscetíveis à degradação por sais , uma vez que possuem baixa resistência mecânica, como por exemplo as argamassas de cal aérea; • As consequências da degradação podem ser mais graves em edifícios antigos, porque muitas das paredes apresentam uma função de suporte e a sua deterioração pode levar ao colapso estrutural, como se vê frequentemente em edifícios abandonados; • Muitos dos edifícios antigos para além de terem valor histórico e patrimonial, também contêm obras de arte, como esculturas e pinturas murais que podem perderse caso sejam danificados pelos sais solúveis, por isso devem ser mantidos e conservados para que as gerações futuras possam usufruir dos mesmos, como definido na Carta de Veneza [5] . Os sais são transportados no interior dos materiais pela água, em soluções aquosas, sendo a degradação atribuída à sua cristalização . Os sais podem ter origem no solo, na água do mar, no nevoeiro salino, na poluição atmosférica, nos próprios materiais de construção ou mesmo em produtos armazenados nas proximidades (produtos alimentares salgados, pesticidas, dejetos de animais, etc.) [6]. Praticamente todos os tipos de alvenaria contêm sais solúveis, por exemplo sulfatos, nitratos, cloretos e carbonatos de sódio, potássio, cálcio, magnésio ou amónio, estes sais são depois transportados pela água da chuva, da humidade do terreno, de infiltrações ou de condensações e, portanto pode dizer-se que toda a água presente no interior das paredes e pavimentos é uma solução aquosa salina [7]. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 10! Em suma, a degradação por sais solúveis em materiais porosos requer a presença simultânea de água e sais solúveis e também de condições ambiente suscetíveis de criar ciclos de dissolução-recristalização. A figura 2.8 sintetiza os fatores envolvidos neste processo: Figura 2.8 – Degradação por ação dos sais. [4] Como indicado com canto inferior esquerdo da figura, a degradação por ação dos sais pode manifesta-se de várias formas, como alterações superficiais (eflorescências ou manchas de humidade), fendilhação, formação de crostas, separação dos materiais da alvenaria em camadas (delaminação, esfoliação, destacamento de camadas de aplicação de rebocos, etc.), perda de coesão (pulverulência de tijolo cerâmico ou de pedra, arenização de argamassas,etc.) ou formação de vazios (alveolização) [6] . Segundo E.Borrelli [7] existe uma relação entre a solubilidade dos sais e a sua ação destrutiva. • Sais praticamente insolúveis: não conduzem a fenómenos perigosos de cristalização, mesmo que a sua baixa solubilidade lhes permita atingir a saturação, a concentração de saturação é mínima e insuficiente para causar danos visíveis. • Sais pouco solúveis: são geralmente mais perigosos, provocam perda de coesão do material. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 11! • Sais altamente solúveis podem acumular-se e atingir concentrações muito elevadas. Como alguns são sais higroscópicos permanecem em solução em ambientes húmidos, originando manchas escuras nos paramentos. Os sais causam muitos danos nos edifícios, porém o(s) mecanismo(s) de degradação envolvidos ainda não estão totalmente explicados. Levantam ainda muitas dúvidas na comunidade científica, pelo que têm vindo a ser publicadas várias teorias. São três as teorias mais citadas, que vão ser sintetizadas nos parágrafos seguintes: • Teoria da Pressão Linear de Cristalização A cristalização dos sais solúveis no interior de materiais porosos vai provocar tensões internas na estrutura porosa, pois os cristais desenvolvem-se linearmente no seu interior contra as paredes dos poros. Esta teoria denomina-se Teoria da Pressão Linear de Cristalização e atualmente é o mecanismo que reúne maior consenso. Em 1949 Correns publicou uma expressão que sustenta esta teoria para o cálculo da pressão exercida por um cristal em crescimento que, ainda hoje é muito utilizada mas também, questionada: Δp= RT Vc +ln C Cs ! (2.5) Onde Δp é a pressão de cristalização, R é a constante dos gases perfeitos, T é a temperatura em graus Kelvin, Vc é o volume molar do sal no estado sólido, C é a concentração da solução aquando da cristalização e Cs a concentração da solução na saturação [2] e [16] . • Teoria a Pressão de Hidratação A teoria da pressão de hidratação baseia-se no facto de alguns sais hidratarem e desidratarem, consoante variações da H.R. e da temperatura. O sulfato de sódio, por exemplo, possui duas fases hidratadas, como se vê na figura 2.3. A hidratação resulta num aumento de volume do sal, por fixação de moléculas de água, que também irá induzir um aumento de pressão na estrutura porosa. Esta teoria no entanto tem vindo a ser abandonada com o avanço dos estudos nesta área que provam que nem todos os sais, como é o caso por exemplo do cloreto de sódio, possuem formas hidratadas nas condições de HR, temperatura e pressão de interesse e porque se concluiu que a hidratação consiste na realidade na dissolução da fase anidra seguida de uma recristalização do sal na fase hidratada. Portanto a pressão é na realidade uma pressão de cristalização[3], [2] e [16]. • Teoria da dilatação térmica diferencial Em 1968, Cookie and Smalley propuseram a teoria da dilatação térmica diferencial como possível mecanismo da degradação de rochas por ação de sais solúveis, baseia-se na existência de sais com coeficientes de dilatação superiores aos dos minerais constituintes das rochas, porém esta teoria carece ainda de fundamentação [2] e [16]. 2.2. TRANSPORTE DE HUMIDADE E SECAGEM: MECANISMOS FÍSICOS 2.2.1. TRANSPORTE LÍQUIDO As paredes constituídas por materiais porosos absorvem água. Se esta se encontrar no estado liquido, penetra e percorre a rede capilar do material. A absorção capilar de um líquido por um material poroso vai depender não só da sua microestrutura (quantidade, disposição e tamanho dos poros) [17] [18] como também de três propriedades características do líquido que são, a tensão superficial σ, viscosidade η e densidade ρ [19]. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 12! O transporte de água líquida no interior de materiais porosos, dá-se essencialmente por capilaridade. A capilaridade é uma força que se cria quando um líquido entra em contacto com uma superfície sólida, e se originam duas forças de sentidos contrários, a força de adesão e a força de coesão (figura 2.9). Figura 2.9 – O fenómeno da capilaridade [15]. A primeira resulta da atração das moléculas do líquido pelas moléculas do sólido. A segunda da coesão do próprio líquido, que atua no sentido contrário. As moléculas da superfície livre do líquido estão sujeitas à resultante dessas duas forças. Quando a adesão for superior à coesão, forma-se um menisco côncavo e o líquido molha o sólido. O ângulo de contacto formado entre a superfície do líquido e a superfície do sólido é menor que 90º e no caso de um tubo capilar vertical, a pressão capilar opõe-se à gravidade, induzindo assim o movimento da água para o interior do tubo. Pelo contrário, quando a coesão for superior à adesão formase um menisco convexo, o líquido já não molha o sólido, uma vez que o ângulo de contato é superior a 90º (figura 2.10) [20]. Figura 2.10 – Ângulos de contato para materiais hidrófilos e hidrófugos [21]. A capilaridade é então, uma força de sucção devida à subpressão capilar que se cria nos poros. Esta é calculada pela Equação 2.6 (em N/m2): !!=− 2!σ r .cos ! (2.6) Onde σ é a tensão superficial do líquido (em N/m), r é o raio capilar (em m) e θ é o ângulo de contacto (em graus). A subpressão capilar é inversamente proporcional ao raio dos capilares e decresce com a temperatura. A rede capilar dos materiais de construção porosos é demasiado complexa para que seja possível efetuar uma análise individual dos capilares. A caracterização destes materiais em relação à transferência da água por capilaridade, é efetuada a nível macroscópico através da determinação de coeficientes globais que se obtêm no ensaio de capilaridade. O ensaio de capilaridade consiste em colocar um provete de um material poroso, impermeabilizado nas faces laterais, em imersão parcial, de forma a que ocorra a absorção Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 13! capilar pela sua base (figura 2.11) e a partir de pesagens periódica, determina-se a quantidade de água absorvida que em geral se expressa através de um gráfico semelhante ao da figura 2.12. Esta curva de absorção capilar é constituída por dois segmentos retos, o primeiro segmento reto corresponde ao preenchimento da maior parte dos poros interligados, o segundo troço corresponde ao preenchimento dos restantes poros através da difusão, na água, do ar retido no sistema poroso. O ponto de inflexão entre os dois segmentos traduz o momento em que a franja capilar atinge a superfície superior do provete. O coeficiente de capilaridade corresponde ao declive do primeiro troço linear [3]. No ensaio de capilaridade, a massa total de água absorvida W (kg/m2) e a altura da ascensão capilar H (m) são diretamente proporcionais à raiz quadrada do tempo t (s): W!!=C!.! (2.7) H!!=B!.! (2.8) Sendo C, o coeficiente de absorção de água por capilaridade (kg/(m2s1/2)) e B o coeficiente de penetração capilar (m/s1/2). O primeiro coeficiente é usado com maior frequência e foi o utilizado na presente dissertação. O último coeficiente é mais difícil de obter, pois pode não ser simples distinguir a zonas húmidas das zonas secas, ou a interface entre as duas ser irregular. Figura 2.11 – Ensaio de absorção por capilaridade (adaptado [3]). Figura 2.12 – Curva típica de absorção por capilaridade de um material poroso. 2.2.2. TRANSPORTE NA FASE DE VAPOR O transporte de vapor em materiais porosos pode ser descrito como um processo termodinâmico de difusão causado por um gradiente de concentração do vapor de água. Sempre que um material está exposto a ambientes com diferentes HR, logo diferentes pressões de vapor, gera-se um fluxo de humidade entre os dois ambientes permitindo a transferência de humidade no sentido da maior pressão para a menor pressão (da maior para a menor H.R.). Este fenómeno pode ser expresso pela primeira lei de Fick, equação 2.9. !!=−!!.∇c (2.9) Onde, jw#é o fluxo de vapor, em kg.m-2.s-1, Dv é coeficiente de difusão, em m2.s-1 , e c representa a concentração de vapor de água, em kg.m-3. O sinal negativo significa que o fluxo se dá no sentido da maior concentração de vapor para as zonas de menor concentração. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 14! Partindo do princípio que o ar se comporta como um gás ideal, o fluxo difusão (cw) pode ser expresso em função da pressão do vapor de água (pw). !!= !!.!.! !! ⇔!!=!!.!! !.! (2.10) Em que pw é a pressão do vapor de água, em Pa, cw é a concentração de vapor , em kg/m3, R é a constante dos gases ideais, T é a temperatura, em Kelvin, Mw é a massa molar da água, em kg/mol. A permeabilidade ao vapor de água, π (kg.m-1.s-1.Pa-1), equação 2.11, é uma grandeza característica de cada material, e expressa a quantidade de vapor (kg) que atravessa uma espessura unitária do material (m), por unidade de tempo (s) e de superfície (m2), quando a diferença de pressão entre as duas faces do material é também unitária (Pa). π= !!.!! !.! (2.11) O ensaio laboratorial que permite determinar a permeabilidade ao vapor de água de um material é designado poro método da tina. É criado um regime estacionário de transporte de vapor unidirecional através de um material. O provete do material é fixado sobre uma tina, que contém no seu interior uma solução salina capaz de criar uma determinada H.R. à temperatura de ensaio. A interface provete/tina é vedada para que o transporte de humidade se dê só através do provete (figura 2.13). O conjunto tina-provete é armazenado numa câmara climática, sendo periodicamente pesado até o fluxo de vapor que atravessa o provete ser constante. Este método pode apresentar duas variantes, quando a H.R. no interior da tina é inferior à do ambiente, o fluxo dá-se do exterior para o interior da tina (método da “tina seca”). Quando a H.R. no interior da tina é superior à do ambiente, o fluxo dá-se do interior para o exterior da tina (método da “tina húmida”). Admitindo que o fluxo é unidirecional, a permeabilidade ao vapor de água do material pode ser calculada através da equação 2.12: j=π.!!" −!!" ! (2.12) Onde j é o fluxo de vapor (kg/m2.s), (pvi-pve) é a diferença de pressão entre o ambiente exterior e interior (Pa), e é a espessura do provete do material poroso (m) e π é a permeabilidade ao vapor de água (kg/(m.s.Pa)). Figura 2.13 – Ensaio de permeabilidade ao vapor de água, método da “tina húmida”, adaptado [21]. Caso o provete seja constituído por um material higroscópico, os resultados do ensaio de permeabilidade poderão ser afetados devido a dois mecanismos, a condensação capilar e a Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 15! difusão à superfície, que não são em geral tidos em conta nos ensaios laboratoriais. De facto, quanto maior for a HR do ar a que o material está exposto, maior será o seu teor de humidade devido à adsorção de moléculas de água. Quando a espessura da película criada pelas moléculas de água preenche completamente os poros verifica-se a condensação capilar. A posterior migração da água liquida para a face em contacto com o ambiente de menor HR, promove o aumento do fluxo de humidade. A difusão de superfície também se deve ao gradiente de HR que acontece no ensaio de permeabilidade ao vapor de água. A espessura da camada de moléculas de água adsorvidas varia com a HR do ar, gerando-se um gradiente de concentração. A difusão de superfície é o processo difusivo que tende a homogeneizar esse gradiente, adicionando-se ao transporte de vapor por difusão molecular [16]. 2.2.3. SECAGEM A secagem define-se como o processo pelo qual a água abandona um material poroso. Considerando um provete saturado e selado em todas as faces, exceto numa (para que o fluxo seja unidirecional) e analisando a situação macroscopicamente, a secagem pode ser dividida em duas fases mais importantes: • 1ª fase: O teor de água do material é elevado e a água liquida é transportada até à superfície do material devido a forças de capilaridade. A evaporação dá-se à superfície, pois é onde se localiza a frente húmida. Nesta fase, a distribuição de água na espessura do provete é homogénea e a taxa de secagem é constante, o que significa que o teor de humidade diminui linearmente ao longo do tempo. • 2ª fase: O teor de água do material atinge o ponto crítico quando a diminuição deste teor de água faz com o fluxo liquido se torne insuficiente para compensar a evaporação. Então, a frente húmida vai recuar para o interior do material. O transporte por capilaridade passa a ser realizado até à frente de secagem e depois por difusão do vapor até à superfície. A frente húmida vai recuando progressivamente, aumentando assim a espessura de material seco que o vapor tem que atravessar até à superfície, a taxa de secagem abranda. • A existência de uma terceira fase de secagem não é consensual. A partir do momento em que deixa de haver continuidade líquida nos poros, o transporte da humidade passa a dar-se predominantemente por difusão em todo o provete, mas esse momento é indefinido na curva de secagem. O teor de água vai diminuindo muito lentamente até atingir o teor de água de equilíbrio higroscópico. Figura 2.14 – Fases do processo de secagem, adaptado [3] Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 16! Uma forma prática de avaliar a secagem nos materiais porosos de construção é através da curva de secagem em ambiente condicionado [22], que traduz o processo acima descrito (Figura 2.15). Figura 2.15 – Curva típica de secagem, adaptado [3]. A curva de secagem exprime o teor de água do provete, dado em percentagem da massa seca, em função do tempo. A taxa de secagem é dada pelo declive da curva. Como se pode ver na curva de secagem, dá-se especial importância às duas primeiras fases de secagem, que são consideradas as mais relevantes. A existência da terceira fase de secagem não reúne o consenso da comunidade científica, uma vez que não é possível determinar o momento em que esta começa e porque não há necessariamente uma redução abrupta da taxa de secagem. A primeira fase é um troço reto que implica uma diminuição linear do teor de água, logo a taxa de secagem é constante. O ponto de inflexão definido na curva é o teor de água crítico, é a transição entre a primeira e a segunda fase de secagem, a taxa de secagem deixa de ser constante, passando a ser decrescente. A transição entre a segunda e a terceira fase de secagem é habitualmente indefinida. A posição da frente húmida vai determinar a localização dos processos de cristalização no material, pelo que ao modo como decorre a secagem é determinante em relação às formas que essa degradação assume. A taxa de evaporação de água num material poroso pode ser muito afetada quando este está contaminado por sais solúveis, influenciando a taxa de secagem [6]. Uma das principais causas desta redução da taxa de secagem é o facto dos sais terem uma HReqsat menor que a água pura, que se refletirá num gradiente de pressão de vapor mais baixo entre a frente húmida e o ar circundante, tendo como consequência uma diminuição da taxa de evaporação [6]. Outro fator é o provável bloqueio dos poros do material pelos cristais. O posicionamento mais superficial da frente húmida, como consequência da baixa taxa de evaporação, vai trazer consequências graves, como por exemplo, problemas de humidade induzida pelos sais [23] mas por outro lado, não há tanta tendência de se formarem subflorescências, o que também pode ser vantajoso. A secagem também é influenciada por fatores externos, como as condições ambiente ou as propriedades do material. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 17! 2.3. ESTUDOS ANTERIORES SOBRE INFLUÊNCIA DOS SAIS SOLÚVEIS EM MATERIAIS POROSOS 2.3.1. CONTRIBUTO DOS ESTUDOS ANTERIORES Em Portugal existem poucos estudos feitos sobre a influência dos sais na secagem e na absorção capilar. Estes aspetos têm sido mais estudados pela equipa do Laboratório Nacional de Engenharia Civil no âmbito de projetos como o DRYMASS - Secagem de materiais de construção porosos eventualmente contaminados com sais solúveis, no qual a presente dissertação se enquadra. A nível internacional existem alguns trabalhos e autores que estudam o transporte de soluções salinas no interior dos materiais porosos. Pode indicar-se, como exemplo, uma obra de referência que é o livro ‘Water Transport in Brick, Stone and Concrete’ dos autores C.Hall and W. Hoff que estuda exaustivamente o transporte da água no interior de materiais de construção porosos, abordando também o caso das soluções salinas, embora de forma pouco aprofundada. Na realidade, os trabalhos sobre o transporte de soluções salinas são relativamente escassos também a nível internacional. Enunciam-se a seguir alguns estudos relevantes para a presente dissertação. Não há muitos trabalhos anteriores que, a partir de resultados experimentais, discutam, a validade da relação de linearidade prevista pela teoria entre a sorvidade e (σ/η)1/2 . Pode referir-se Gummerson et al. [24] e Beltrán et al. [25] que a verificaram com resultados positivos para o caso da absorção por materiais cerâmicos de vários líquidos orgânicos e água. Gummerson et al., em 1980, investigaram exaustivamente o movimento da água no interior dos materiais porosos segundo leis teóricas. Também determinaram experimentalmente a sorvidade para alguns materiais de construção mais comuns como vários tipos de pedra, tijolo e argamassas e betão, na presença de água e compostos orgânicos [24], tendo concluído que a massa de água absorvida varia linearmente com a raiz quadrada do tempo e assim conseguese perceber facilmente as diferenças na sucção entre diferentes materiais. Os resultados também indicam que a repetição dos ciclos imersão/secagem não afeta a absorção capilar do tijolo. A correlação entre a sorvidade e (σ/η)1/2 é boa, na generalidade. Estes resultados suportam a hipótese de que a absorção destes líquidos no tijolo é essencialmente um fenómeno de capilaridade pura. Em 1988, Beltrán et al. conceberam um aparelho e um método rápido e expedito de determinar a sorvidade em materiais cerâmicos porosos. Trata-se de um modelo dinâmico simples que permite relacionar a taxa de sucção de líquidos de materiais cerâmicos porosos com as propriedades físicas do líquido (densidade, viscosidade e tensão superficial) e com as propriedades do sólido que caracterizam a sua rede porosa (por exemplo o raio médio dos poros) [25]. Assim pode referir-se que Beltrán et al [25], como citados por Hall e Hoff [19], verificaram uma boa relação de linearidade entre a sorvidade e (σ/η)1/2 para o caso da absorção de vários líquidos orgânicos e água, por materiais cerâmicos porosos. Alguns autores como Hall e Hoff [19] defendem que o transporte por capilaridade mantém-se inalterado pela presença de sais. Por outro lado, também se tem defendido que os sais podem reduzir significativamente a taxa de fluxo capilar, devido a alterações da densidade, viscosidade e tensão superficial da solução [26] . Rucker et al. [27] realizaram ensaios de absorção por capilaridade em provetes de arenito natural com água e soluções de cloreto de sódio, [27] nitrato de sódio e sulfato de magnésio, com diferentes concentrações. Estes ensaios foram realizados com um objetivo , o de avaliar um método não-destrutivo para a Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 18! determinação da distribuição do teor de água e de sal, e não o de avaliar a influencia dos sais no transporte por capilaridade. Porém os resultados experimentais revelaram uma diminuição do coeficiente de absorção por capilaridade com a concentração de sal. Espinosa Marzal e Scherer, em 2008 [28], estudaram a obstrução dos poros induzida pela cristalização dos sais no calcário de Indiana. Utilizaram duas soluções salinas de cloreto de sódio com diferentes concentrações, uma solução de sulfato de sódio e uma solução de sulfato de magnésio. Os provetes depois de secarem na estufa a 60ºC, foram postos em contacto com a água ou com a solução salina durante 24 horas, para se determinar a sorvidade. Antes do ensaio da secagem, impermeabilizaram-se cinco faces de cada provete com uma resina epoxy, para que a evaporação se desse só por uma face. Concluíram que a linearidade da capilaridade foi sustentada pelas soluções de sulfato de sódio e pelas duas concentrações de cloreto de sódio. A capilaridade da solução de sulfato de magnésio teve um comportamento diferente, inicialmente foi parabólico e só depois linear que os autores atribuíram à baixa sorvidade relacionada com a alta viscosidade da solução de sulfato de magnésio. Já quando representaram a sorvidade em função de (σ/η) ½ , verificaram que estava de acordo com os resultados previstos, ou seja, que têm uma correlação linear entre si. Isto significa que a influência dos sais na capilaridade só depende do efeito que eles têm nas propriedades do líquido. Esta conclusão é válida quando se considera o raio dos poros constante, o que exclui alterações da rede porosa causadas pela precipitação do sal. Os testes de secagem efetuados pelos mesmos autores revelaram que os provetes mais rápidos a secar eram os imersos em água pura, e seguidos dos de sulfato de sódio e depois, muito mais lentamente, dos provetes imersos em cloreto de sódio e sulfato de magnésio. Este diferente comportamento foi atribuído à redução da sorvidade devida à influência da viscosidade do líquido, que se traduz na relação (σ/η) ½ e à obstrução parcial dos poros do calcário de Indiana e à consequente redução do fluxo capilar. Esta induziria um deslocamento da frente de secagem para o interior do material e, consequentemente, um processo de secagem mais demorado. Mais recentemente, em 2013, V. Brito e T. Gonçalves estudaram os efeitos do cloreto de sódio e do nitrato de sódio na capilaridade e na cinética de secagem de três tipos de pedra [29]. A morfologia da camada da eflorescência formada em cada caso e o efeito dessa camada no transporte de vapor também foi avaliada. Utilizaram-se quatro soluções com concentração diferente no caso do cloreto de sódio, e três no caso do nitrato de sódio. As três pedras utilizadas foram o arenito de Bentheimer, e duas pedras calcárias, a Pedra de Ançã e outro calcário de baixa porosidade. Por ordem sequencial e sobre os mesmos provetes determinou-se o coeficiente de absorção capilar, a curva de evaporação e a curva de secagem dos provetes contaminados com água e com as soluções salinas. Os resultados confirmaram que a mais lenta secagem se deve em parte à influência dos sais dissolvidos no transporte líquido. O transporte capilar é mais lento quando há sais solúveis e esse efeito deve-se à influência dos sais na tensão superficial (σ) e na viscosidade do liquido (η): observou-se que a sorvidade diminuía com a concentração de sal mas era sempre proporcional a (σ/η)1/2 como previsto pela teoria . Contudo, mostraram também que pode haver uma redução adicional da taxa de secagem, em certos casos, devida ao impedimento do transporte de vapor resultante do bloqueio dos poros pelos cristais. Este efeito dos sais é muito dependente da morfologia dos cristais; isto foi observado nas eflorescências mas faz sentido esperar o mesmo para os depósitos de sais internos, as criptoflorescências. As crostas compactas que se criam na superfície podem ser Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 19! um obstáculo à passagem do vapor. Porém, as camadas de eflorescências porosas com uma insignificante influência no transporte de vapor também são frequentes, podendo a diferença entre os dois tipos não ser facilmente detetável a olho nú. A morfologia das eflorescências depende de fatores como o tipo de sal e das características do material poroso, mas também de fatores aleatórios que podem ser muito significativos, como pequenas heterogeneidades nas condições ambiente ou na rede porosa do material de construção. Este trabalho contraria na prática as conclusões de Espinoza-Marzal e Scherer, [28], sobre a redução do fluxo capilar devido ao bloqueio dos poros. De facto, as autoras verificaram, a partir de ensaios de permeabilidade ao vapor dos provetes com e sem eflorescências, que nos casos em que não há bloqueio do transporte de vapor, a cinética de secagem é igual para sais diferentes desde que a relação (σ/η)1/2 seja idêntica, ou seja, seja tal que o seu efeito na capilaridade é semelhante. 2.3.2. CONTRIBUTO DO PRESENTE ESTUDO A necessidade de desenvolver este estudo prende-se com o que se concluiu anteriormente, o facto de, até ao momento, se terem desenvolvido poucos estudos que se debrucem sobre a absorção por capilaridade de soluções salinas em materiais porosos. Por isso neste trabalho utilizaram-se materiais não antes testados para este fim, uma argamassa de cal aérea e um tijolo cerâmico, bem como seis soluções salinas que ainda não tinham sido utilizadas e comparadas num só estudo. Os sais mais estudados são o cloreto de sódio e o sulfato de sódio. Há também dados em relação à influência na absorção e na secagem de outros sais como o sulfato de magnésio [28] e o nitrato de sódio [29]. Neste trabalho optou-se por utilizar sais de sódio ou de potássio, que são os mais comuns na prática [30] e testar um leque mais alargado que incluiu o cloreto de potássio, nitrato de sódio, nitrato de potássio e carbonato de sódio e também, claro, o cloreto de sódio e o sulfato de sódio. 2.4. SÍNTESE DO CAPÍTULO Neste capítulo abordou-se a ação dos sais solúveis e humidade nos edifícios, mais especificamente as características dos sais solúveis e dos materiais de construção porosos, os mecanismos de degradação por sais solúveis e o transporte de água, sob o estado líquido e de vapor, no interior dos materiais porosos. Assim, resumidamente, é possível concluir o seguinte: • Os sais solúveis têm várias origens, tanto pode ser uma fonte externa ao edifício (o solo, a água do mar, o nevoeiro salino ou poluição atmosférica) como pode ser nos próprios materiais de construção (materiais cerâmicos e cimento) ou produtos armazenados na proximidades (produtos salgados, pesticidas ou dejetos de animais); • A degradação causada pelos sais solúveis pressupõe a existência simultânea de água e sais bem como de condições ambiente suscetíveis de criar ciclos de cristalização/dissolução; • Os sais solúveis dissolvem-se na água que penetra como , humidade ascensional, por infiltrações, condensações, ou com outras origens, são transportados para o interior dos materiais porosos, circulando na sua rede porosa como uma solução salina; • A cristalização dos sais é um dos principais mecanismos responsáveis pela degradação dos materiais porosos, sendo provocada por variações de temperatura e HR e pela consequente evaporação da água da solução salina; Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 26! A solubilidade das soluções varia com o soluto, com o solvente e com a temperatura a que se encontra a solução. Na maior parte dos casos se se aquecer a solução saturada com depósito de sal no fundo, este dissolve-se totalmente, uma vez que o coeficiente de solubilidade aumenta com a temperatura. Deixando a solução arrefecer em repouso, até esta voltar à temperatura ambiente, 20ºC, obteremos uma solução supersaturada, pois contem mais soluto dissolvido do que a solubilidade àquela temperatura [11]. Recorreu-se ao aumento da temperatura, para dissolver o soluto na água mais facilmente, com o auxílio de um agitador magnético, com regulador de temperatura (figura 3.4). As soluções foram preparadas com uma quantidade de sal em excesso, para garantir a saturação. Em seguida, foram filtradas para assegurar que ao vertê-las para o recipiente da capilaridade, não escapassem cristais (figura 3.5). Figura 3.4 – Agitador magnético com regulador de temperatura com solução supersaturada de Na2SO4. Figura 3.5 – Filtração da solução sobressaturada de Na2SO4. ! 3.3. ENSAIO DE ABSORÇÃO POR CAPILARIDADE 3.3.1. MÉTODO DE ENSAIO O ensaio de absorção por capilaridade foi efetuado com base no Procedimento nºII.6 ‘’Water Absorption Coefficient (Capillarity)’’ da RILEM [22]. O ensaio teve como objetivo determinar e avaliar o coeficiente de capilaridade dos provetes de tijolo e de argamassa na Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 27! presença de água (ensaio que serviu como referência) e das soluções aquosas salinas saturadas atrás referidas. O ensaio foi realizado sobre 42 provetes, 21 de tijolo e 21 de argamassa, utilizando-se três provetes de cada material para cada solução (água + seis sais). Quanto maior o número de provetes para a mesma situação, maior será a confiança nos resultados experimentais e maior a sensibilidade para os resultados obtidos, detetando-se eventuais erros ou discrepâncias. Antes de se iniciarem os ensaios objeto de estudo, realizou-se um ensaio preliminar com a água e com a solução aquosa salina de cloreto de sódio de modo a estabelecer a periodicidade das pesagens. Obtendo-se como resultado a necessidade de aumentar o número de pesagens, durante as primeiras oito horas, para as soluções salinas, comparativamente ao ensaio da água. Inicialmente os provetes foram secos em estufa ventilada a 60ºC, até se obter massa constante, a fim de determinar a sua massa seca, figura 3.6. Figura 3.6 – Provetes dentro da estufa ventilada. Após este processo, os provetes foram colocados em caixas de plástico, imersos parcialmente nas soluções salinas, assentes numa rede sobrelevada, permanecendo a altura da lâmina liquida 5 mm acima da face inferior dos provetes. As caixas de plástico foram depois fechadas com tampa para evitar a evaporação, figura 3.7. Figura 3.7 – Ensaio de absorção por capilaridade a decorrer dentro de uma caixa de plástico fechada. A periodicidade de pesagem dependeu do material, tijolo ou argamassa, e da substância liquida, água ou solução salina: • tijolo em água: 1min, 3 min, 5 min, 10 min, 15 min, 30 min, 60 min, 8h e 24h [31]; • tijolo em solução salina: 1min, 3 min, 5 min, 10 min, 15 min, 30 min, 60 min, 1h30, 2h, 2h30, 3h, 3h30, 8h e 24h; • argamassa de cal aérea em água: 2 min, 5min, 10 min, 15 min, 30 min, 45 min, 60 min, 3h, 4h, 6h, 7h e 24h [21]; • argamassa de cal aérea em solução salina: 2 min, 5 min, 10 min, 15 min, 30 min, 45 min, 60 min, 1h15, 1h30, 1h45, 2h, 2h15, 2h30, 2h45, 3h, 4h, 6h, 7h e 24h. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 28! Monitorizou-se o processo somente até às 24h uma vez que se verificou ser o tempo suficiente para o peso dos provetes estabilizar e para se obter a curva de absorção capilar até à estabilizaçãoentrada em patamar. 3.3.2. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS 3.3.2.1 Coeficiente de Absorção por Capilaridade O coeficiente de absorção por capilaridade determina-se expressando a variação da massa do provete durante o processo de absorção em função da raiz quadrada do tempo. A água absorvida por unidade de área (Mw) é expressa por: !!= !−!! ! !! (3.1) Em que, M é a massa do provete no instante t, M0 é a massa seca do provete e S é a área da base do provete em contacto com a água/solução. Com os resultados obtidos nas pesagens dos ensaios, obtém-se a curva de absorção capilar, que expressa a quantidade de água absorvida por unidade de superfície (kg/m2) em função da raiz quadrada do tempo decorrido (s1/2), em segundos. O declive do primeiro troço linear corresponde ao coeficiente de absorção capilar ou coeficiente de capilaridade (C). Nas figuras 3.8 a 3.14, apresentam-se as curvas de absorção capilar para o tijolo quando imerso em água e nas seis soluções aquosas salinas. Nas tabelas 3.2 a 3.8 apresentam-se os correspondentes valores individuais e médios do coeficiente de capilaridade, bem como o respetivo desvio padrão e o coeficiente de variação. Na figura 3.15 sintetiza-se o valor médio deste coeficiente e seu desvio padrão para cada solução. Foram detetados alguns casos em que o comportamento de alguns provetes se afastava significativamente do comportamento dos restantes do mesmo tipo, talvez por alguma heterogeneidade na sua estrutura interior ou por algum lapso experimental. Por isso, quando se calculou o valor médio do coeficiente de capilaridade, desvio padrão e coeficiente de variação, excluíram-se esses valores. Essas situações estão devidamente sinalizadas na Tabela 3.2, Tabela 3.4, Tabela 3.6 e Tabela 3.12. Figura 3.8 – Curvas de absorção capilar dos provetes de tijolo, imersos parcialmente em água. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 29! Tabela 3.2 – Coeficientes de capilaridade do tijolo, imerso parcialmente em água. Provete Coeficiente de Capilaridade (kg.m-2.s-1/2) Valor individual Média Desvio Padrão Coeficiente de Variação (%) T1.1 0,1474 0,1448 0,0037 2,53% T1.2 0,2067 T1.3 0,1422 * Valores calculados excluindo o resultado do provete T1.2. O coeficiente de capilaridade do tijolo em água está de acordo com a bibliografia existente [31] [33]. O provete T1.2 apresenta um resultado desviante e por isso descartou-se esse valor no cálculo da média, desvio padrão e coeficiente de variação. Figura 3.9 –Curvas de absorção capilar dos provetes de tijolo, imersos parcialmente em solução aquosa de cloreto de sódio. ! Tabela 3.3 – Coeficiente de Capilaridade do Tijolo, imerso parcialmente em solução aquosa de cloreto de sódio. Provete Coeficiente de Capilaridade (kg.m-2.s-1/2) Valor individual Média Desvio Padrão Coeficiente de Variação (%) T2.1 0,1069 0,1022 0,0095 9,3% T2.2 0,1084 T2.3 0,0912 Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 30! Os resultados obtidos são razoavelmente homogéneos, percebe-se que há uma tendência apesar do coeficiente de capilaridade do provete T2.3 ser um pouco mais baixo. O coeficiente de variação traduz isso mesmo. O sal neste caso teve um efeito de diminuição do coeficiente de absorção capilar. Figura 3.10 –Curvas de absorção capilar dos provetes de tijolo, imersos parcialmente em solução aquosa de sulfato de sódio. ! Tabela 3.4 – Coeficiente de Capilaridade do Tijolo, imerso parcialmente em solução aquosa de sulfato de sódio. Provete Coeficiente de Capilaridade (kg.m-2.s-1/2) Valor individual Média Desvio Padrão Coeficiente de Variação (%) T3.1 0,1145 0,1159* 0,0019* 1,65%* T3.2 0,1701 T3.3 0,1172 * Valores calculados excluindo o resultado do provete T3.2 Os coeficientes de capilaridade do sulfato de sódio apresentavam grande dispersão, devido ao resultado do provete T3.2 que é elevado comparando com os resultados dos provetes T3.1 e T3.2. Decidiu-se portanto, descartar o resultado do provete T3.2, como acima explicado, apesar de não existirem valores na bibliografia que sirvam de orientação. Conclui-se que o sulfato de sódio também faz baixar o coeficiente de capilaridade quando se compara com os provetes de referência. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 31! Figura 3.11 –Curvas de absorção capilar dos provetes de tijolo, imersos parcialmente em solução aquosa de cloreto de potássio. Tabela 3.5 – Coeficiente de capilaridade do tijolo, imerso parcialmente em solução aquosa de cloreto de potássio. Provete Coeficiente de Capilaridade (kg.m-2.s-1/2) Valor individual Média Desvio Padrão Coeficiente de Variação (%) T4.1 0,1768 0,1673 0,0082 4,9% T4.2 0,1632 T4.3 0,1620 Os resultados do cloreto de potássio são bastante próximos e coerentes, sendo o coeficiente de variação baixo e por isso não foi necessário descartar valores. Verifica-se que o cloreto de potássio teve como efeito o aumento do coeficiente de capilaridade, em relação aos provetes de referência. Figura 3.12 –Curvas de absorção capilar dos provetes de tijolo, imersos parcialmente em solução aquosa de nitrato de sódio. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 32! Tabela 3.6 – Coeficiente de capilaridade do tijolo, imerso parcialmente em solução aquosa de nitrato de sódio. Provete Coeficiente de Capilaridade (kg.m-2.s-1/2) Valor individual Média Desvio Padrão Coeficiente de Variação (%) T5.1 0,0876 0,0926* 0,0071* 7,63%* T5.2 0,0976 T5.3 0,1302 * Valores calculados excluindo o resultado do provete T5.3 Os provetes testados na solução de nitrato de sódio apresentam coeficientes de capilaridade com uma dispersão considerável, sendo o provete T5.3 o que se afasta mais em relação aos outros dois valores. Não existem valores na bibliografia que sirvam como orientação mas uma vez que os provetes T5.1 e T5.2 apresentam resultados próximos, assumiu-se que o coeficiente de capilaridade do provete T5.3 decorreu, como acima explicado, de algum lapso experimental ou defeito do provete, pelo que não foi considerado. Também neste caso se verifica que o sal faz baixar o coeficiente de capilaridade em relação à água pura. Figura 3.13 –Curvas de Absorção Capilar dos provetes de tijolo, imersos parcialmente em solução aquosa de nitrato de potássio. Tabela 3.7 – Coeficiente de Capilaridade do Tijolo, imerso parcialmente em solução aquosa de nitrato de potássio. Provete Coeficiente de Capilaridade (kg.m-2.s-1/2) Valor individual Média Desvio Padrão Coeficiente de Variação (%) T6.1 0,1803 0,1665 0,0139 8,4% T6.2 0,1666 T6.3 0,1525 ! Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 33! Os coeficientes de absorção capilar dos provetes ensaiados com nitrato de potássio apresentam alguma dispersão entre eles. O desvio padrão do nitrato de potássio é o mais alto de todas as soluções no tijolo, que significa a dispersão em relação à média. Verifica-se que este sal provoca um coeficiente de capilaridade superior aos provetes de referência, ensaiados com água. ! Figura 3.14 –Curvas de Absorção Capilar dos provetes de tijolo, imersos parcialmente em solução aquosa de carbonato de sódio. ! Tabela 3.8 – Coeficiente de Capilaridade do Tijolo, imerso parcialmente em solução aquosa de carbonato de sódio. Provete Coeficiente de Capilaridade (kg.m-2.s-1/2) Valor individual Média Desvio Padrão Coeficiente de Variação (%) T7.1 0,1050 0,0967 0,0072 7,4% T7.2 0,0921 T7.3 0,0931 ! Os provetes de tijolo ensaiados com solução aquosa de carbonato de sódio apresentam resultados coerentes. O coeficiente de variação é aceitável mesmo contando com o coeficiente de capilaridade do provete T7.1 que é ligeiramente superior aos outros dois provetes mas que se enquadra perfeitamente na média dos três resultados. Analisando todos os valores, podemos dizer que os provetes de tijolo ensaiados com soluções que contêm o composto iónico Na+ apresentam um coeficiente de absorção por capilaridade inferior aos provetes de referência e os provetes de tijolo ensaiados com soluções compostas em parte pelo ião K+ apresentam um coeficiente de absorção capilar superior aos provetes testados em água. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 34! A figura 3.15 ilustra bem estas conclusões: Figura 3.15 –Média e desvio padrão do coeficiente de capilaridade para cada solução no Tijolo Nas figuras 3.16 a 3.22 apresentam-se as curvas de absorção capilar para os provetes de argamassa de cal aérea, quando imersos em água e nas seis soluções aquosas salinas. Nas tabelas 3.9 a 3.15 apresentam-se os valores individuais e médios dos coeficientes de capilaridade, o respetivo desvio padrão e o coeficiente de variação. No final, na figura 3.23, faz-se uma comparação dos valores médios do coeficiente de capilaridade e respetivo desvio padrão para as várias soluções aquosas salinas e para a água. Figura 3.16 –Curvas de absorção capilar dos provetes de argamassa, imersos parcialmente em água. Tabela 3.9 – Coeficiente de capilaridade dos provetes de argamassa, imersos parcialmente em água. Provete Coeficiente de Capilaridade (kg.m-2.s-1/2) Valor individual Média Desvio Padrão Coeficiente de Variação (%) A1.1 0,1775 0,1642 0,0120 7,3% A1.2 0,1541 A1.3 0,1610 Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 35! Nos provetes de argamassa ensaiados com água verifica-se que os valores estão de acordo com os valores apresentados na bibliografia [21] [33]. Apresentam um desvio padrão considerável mas que se julga aceitável. Figura 3.17 –Curvas de absorção capilar dos provetes de argamassa, imersos parcialmente na Solução aquosa cloreto de sódio. ! Tabela 3.10 – Coeficiente de capilaridade dos provetes de argamassa, imersos parcialmente na solução aquosa de cloreto de sódio. Provete Coeficiente de Capilaridade (kg.m-2.s-1/2) Valor individual Média Desvio Padrão Coeficiente de Variação (%) A2.1 0,1349 0,1350 0,0040 2,9% A2.2 0,1390 A2.3 0,1311 Os provetes de argamassa de cal com cloreto de sódio apresentam resultados do coeficiente de capilaridade bastante homogéneos, que se traduzem num baixo desvio padrão e num baixo coeficiente de variação. Como se verificou no tijolo, os coeficientes de capilaridade do cloreto de sódio são inferiores aos da água. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 42! Tabela 3.17 – Sorvidade da Argamassa em relação à água e às soluções salinas Família de Provetes S x 106 (m/s1/2) médio (σ!/η!)1/2 Água 164,52 8,5238 NaCl 112,98 6,4150 Na2SO4 140,17 6,4307 KCl 159,68* 8,7001 NaNO3 103,59 5,6698 KNO3 146,02 8,6340 Na2CO3 123,98 5,0525 * Sorvidade calculada excluindo o resultado do provete desviante. Figura 3.25 –Sorvidade da argamassa representada em função de (σ/η)1/2 , com valores corrigidos 3.4. ENSAIO DE SECAGEM 3.4.1. MÉTODO DE ENSAIO O ensaio de secagem foi baseado no Procedimento nºII.5 ‘’Evaporation Curve’’ da RILEM 1980 [22] . O ensaio teve como objetivo caracterizar a influência das soluções salinas na secagem do tijolo e da argamassa de cal aérea. No decurso do ensaio de secagem foi também possível observar a evolução da degradação da superfície superior dos provetes, a única face por onde ocorreu a evaporação (figura 3.28). Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 43! Figura 3.26 – Provete de argamassa de cal aérea imerso na solução de carbonato de sódio degradado durante a segunda semana de secagem. O ensaio foi realizado sob os mesmos provetes utilizados nos ensaios de capilaridade. A saturação foi obtida, ao fim das 24 horas de absorção capilar, durante as quais os provetes foram mantidos em caixas de plástico fechadas, parcialmente imersos na água e soluções salinas. Como se pode ver nas curvas de absorção capilar (figuras 3.8 a 3.14 e de 3.16 a 3.22) este período foi suficiente para que os provetes atingissem um teor de água próximo da saturação capilar. Devido à impossibilidade de efetuar pesagens ao fim de semana, os ensaios de capilaridade realizados no final da semana, depois de se atingir a estabilização do peso dos provetes, foram prolongados até ao inicio da semana seguinte para que não se perdessem os pontos iniciais da secagem. Logo após retirados da imersão parcial, a face inferior dos provetes foi selada com folha de polietileno para garantir que a secagem seria unidirecional e ocorre apenas pela face superior. Figura 3.27 –Selagem da base dos provetes com folha de polietileno Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 44! O ensaio de secagem decorreu numa sala condicionada, com reduzida velocidade do ar, a 20ºC e humidade relativa de 60%, aproximadamente. Os provetes foram dispostos ligeiramente afastados uns dos outros, em cima de uma bancada (figura 3.30). Figura 3.28 –Ensaio de Secagem Com o objetivo de determinar a quantidade de água evaporada durante a secagem pesaram-se periodicamente os provetes numa balança com resolução de 0,001g. Pesaram-se de 1h em 1h durante as primeiras 8 horas, três vezes por dia até ao final da primeira semana, uma vez por dia durante as duas semanas seguintes (apenas nos dias úteis) e finalmente, uma vez por semana até ao final do ensaio que, em alguns casos foi muito lento. Alguns ensaios não terminaram a tempo de serem apresentados nesta dissertação, mas vão continuar as pesagens e os resultados completos serão apresentados em publicação a efetuar atempadamente sobre este trabalho, Os resultados dos ensaios de secagem são quantitativamente expressos pela curva de evaporação e pelo índice de secagem que se abordam, respetivamente, nas secções 3.4.2.1 e 3.4.2.2 e qualitativamente, também pela tipologia de degradação, que se registou fotograficamente e cujos resultados se apresentam também na secção 3.4.2.1. 3.4.2. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS 3.4.2.1 Curva de secagem e tipologia de degradação A curva de evaporação expressa o teor de água do provete em função do tempo. O teor de água é habitualmente calculado em percentagem de massa seca, !!= !!−!!"#$ !!"#$ !×!!""!%! (3.4) Em que Wi#é o teor de água (%), mi#a massa (g) do provete no instante#ti#e#mseca é a massa (g) do provete seco em estufa, antes do inicio dos ensaios. Às massas foram descontados os valores referentes à resina impermeabilizante e à folha de polietileno. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 45! Apresentam-se, em seguida, as curvas de secagem do tijolo e da argamassa e fotografias dos respetivos provetes. Figura 3.29 –Curvas de secagem dos provetes de tijolo imersos em água. Figura 3.30 –Curvas de secagem dos provetes de argamassa imersos em água. Figura 3.31 –Pormenor da secagem dos provetes de argamassa e tijolo imersos em água, 11ª semana de secagem. Os provetes não apresentam alterações visíveis. O provete T1.3 apresenta ligeiras eflorescências provavelmente devido a sais contidos no tijolo. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 46! Figura 3.32 –Curvas de secagem dos provetes de tijolo imersos em solução aquosa de cloreto de sódio. Figura 3.33 –Curvas de secagem dos provetes de argamassa imersos em solução aquosa de cloreto de sódio. Figura 3.34 –Pormenor da secagem dos provetes de argamassa e tijolo imersos em solução aquosa de cloreto de sódio, 11ª semana de secagem. Os provetes de tijolo apresentam uma crosta vítrea compacta a cobrir praticamente toda a face. Os provetes de argamassa apresentam eflorescências com uma textura granular que cobrem toda a face dos provetes A2.1 e A2.2 e parcialmente a face do provete A2.3, este é o provete que seca mais devagar. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 47! Figura 3.35 –Curvas de secagem dos provetes de tijolo imersos em solução aquosa de sulfato de sódio. Figura 3.36 –Curvas de secagem dos provetes de argamassa imersos em solução aquosa de sulfato de sódio. Figura 3.37 –Pormenor da secagem dos provetes de argamassa e tijolo imersos em solução aquosa de sulfato de sódio, 10ª semana de secagem. Os provetes de tijolo apresentam pulverulência em toda a face. Os provetes de argamassa apresentam arenização com total desagregação e perda de material nos provetes A3.2 e A3.3. Apesar desta diferença, as curvas de secagem dos três provetes são semelhantes. O sulfato de sódio tem uma ação mais destrutiva em ambos os materiais do que o cloreto de sódio. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 48! Figura 3.38 –Curvas de secagem dos provetes de tijolo imersos em solução aquosa de cloreto de potássio. Figura 3.39 –Curvas de secagem dos provetes de argamassa imersos em solução aquosa de cloreto de potássio. Figura 3.40 –Pormenor da secagem dos provetes de argamassa e tijolo imersos em solução aquosa de cloreto de potássio, 10ª semana de secagem. Os provetes de tijolo apresentam uma crosta de eflorescências empolada em vários pontos, esta cobre toda a face no provete T4.1. Já os provetes de argamassa exibem uma cobertura tipo ‘bigodes de gato’ muito finos, que não são muito percetíveis nestas fotografias. Este tipo de degradação não se assemelha a nenhuma das anteriores. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 49! .Figura 3.41 –Curvas de secagem dos provetes de tijolo imersos em solução aquosa de nitrato de sódio. Figura 3.42 –Curvas de secagem dos provetes de argamassa imersos em solução aquosa de nitrato de sódio. Figura 3.43 –Pormenor dos provetes de argamassa e tijolo imersos em solução aquosa de nitrato de sódio, 9ª semana de secagem. Os provetes de tijolo apresentam manifestações diferentes, o T5.1 e T5.2 apresentam uma crosta cristalina que cobre toda a face e o T5.3 apresenta uma crosta cristalina mais densa que se desenvolve verticalmente. Os provetes de argamassa apresentam eflorescências que cobrem toda a face. Este tipo de degradação é a que mais se assemelha à do cloreto de sódio. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 50! Figura 3.44 –Curvas de secagem de tijolo dos provetes imersos em solução aquosa de nitrato de potássio. Figura 3.45 –Curvas de secagem dos provetes de argamassa imersos em solução aquosa de nitrato de potássio. Figura 3.46 –Pormenor dos provetes de argamassa e tijolo imersos em solução aquosa de nitrato de potássio, 9ª semana de secagem. Os provetes de tijolo exibem um padrão de degradação mais homogéneo, têm as faces cobertas por uma crosta salina com uma textura que lembra algodão. Na argamassa o provete A6.1 manifesta uma ligeira eflorescência que não cobre toda a face, já o provete A6.2 é o mais degradado, apresentando eflorescências tipo ‘couve-flor’. O provete A6.3 apresenta manchas escuras de humidade. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 51! Figura 3.47 –Curvas de secagem dos provetes de tijolo imersos em solução aquosa de carbonato de sódio. Figura 3.48 –Curvas de secagem dos provetes de argamassa imersos em solução aquosa de carbonato de sódio. Figura 3.49 –Pormenor da secagem dos provetes de argamassa e tijolo imersos em solução aquosa de carbonato de sódio, 9ª semana de secagem. Os provetes de tijolo não apresentam degradação visível. Os provetes de argamassa A7.1 e A7.2 revelam uma total desagregação da argamassa, com perda de material, chamada arenização. O provete A7.3 apresenta manchas de humidade. A degradação dos provetes de argamassa assemelha-se à degradação do sulfato de sódio. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 58! • Sulfato de sódio: foi o sal mais arrasador para os dois materiais; ambos os tipos de provetes mostraram desintegração e pulverulência ou arenização, sendo a argamassa o caso mais grave, em que os provetes se desintegraram de tal forma que perderam massa ( figura 3.37); • Cloreto de potássio: os provetes de tijolo apresentam uma crosta cristalina densa com empolamento sendo a mais grave do provete T4.1 que cobre quase toda a face; o provete T4.2 é o mais são e o provete T4.3 apresenta crosta em metade da face e o empolamento não é tão proeminente como no primeiro caso; já os provetes de argamassa apresentam eflorescências do tipo ‘bigodes de gato’ (Figura 3.54), pois parecem uns fios muito finos, a cobrir a face (figura 3.40); Figura 3.54 – Degradação do provete A4.2 , eflorescências tipo ‘bigodes de gato’.! • Nitrato de sódio: os provetes de tijolo T5.1 e T5.2 apresentam uma crosta cristalina compacta e dura que cobre toda a face, enquanto o provete T5.3 desenvolve a essa crosta verticalmente; os provetes de argamassa estão cobertos por eflorescências do tipo granular (figura 3.43); • Nitrato de potássio: os provetes de tijolo possuem uma crosta salina cuja textura se assemelha a algodão (Figura 3.55) ; os provetes de argamassa A6.1 apresenta depósitos salinos de aparência amorfa que só começaram a aparecer por volta da sexta semana de secagem, o provete A6.2 apresenta alguns nódulos tipo couve-flor e alguns depósitos salinos idênticos ao provete anterior mais recentes (Figura 3.54) , já o provete A6.3 de argamassa apresentou apenas um ligeiro véu salino (figura 3.46); Figura 3.55 – Degradação do provete T6.2 , eflorescência tipo algodão. Figura 3.56 – Degradação do provete A6.2 , nódulos tipo couve flor! • Carbonato de sódio: os provetes de tijolo não apresentam nenhuma alteração mas os de argamassa degradaram-se de forma parecida com a do sulfato de sódio (forte arenização, com perda de material), exceto o provete A7.3 que permaneceu em bom estado (figura 3.49). Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 59! No decorrer da secagem apurou-se que os provetes de argamassa apresentam um maior nível de degradação que os de tijolo, pois são mais frágeis. 3.5.3. INFLUÊNCIA DOS SAIS NA CINÉTICA DE SECAGEM A secagem dos materiais contaminados com sais foi muito lenta, encontrando-se ainda em curso para alguns provetes após mais de dois meses. Os provetes ensaiados com água foram os mais rápidos a secar. Os provetes imersos em sulfato de sódio foram os mais rápidos a secar dos sais, talvez porque a humidade relativa de equilíbrio deste sal é 96% , logo é muito próxima à da água. A H.R. do ar ambiente é cerca de 60%, por isso, estabelece-se um gradiente de pressão entre o material e o ar que o rodeia, da maior H.R. para a menor H.R., favorável à evaporação de líquido contido nos provetes,. Em alguns casos, nomeadamente, no cloreto de potássio e carbonato de sódio, observam-se curvas de secagem que revelam um comportamento diferente à secagem no tijolo e na argamassa, como se pode ver nas figuras 3.38, 3,39, 3.47 e 3.48 e através dos índices de secagem representados na tabela 3.19. Espinosa-Marzal e Scherer [28] , num estudo sobre o bloqueio dos poros por cristalização de sais, num calcário especifico, constata que as amostras saturadas com água demoraram cerca de 14 dias a secar e que as amostras saturadas com uma solução de sulfato de sódio atingiram um peso constante ao fim de 28 dias, em contraste com a amostras saturadas com soluções de cloreto de sódio e sulfato de magnésio secaram mais devagar, demorando cerca de três meses. As condições ambientes em que decorreu o ensaio de secagem do estudo de EspinozaMarzal e Scherer são H.R. 32% e 21ºC. Estes resultados vão de encontro aos resultados deste trabalho: apesar de os provetes utilizados neste trabalho serem maiores, de as condições ambientes em que decorreram os dois ensaios serem diferentes e do facto de os materiais também serem diferentes, a ordem pela qual atingiram peso constante é a mesma, considerando só a água, o cloreto de sódio e o sulfato de sódio. É natural que a secagem seja mais rápida no estudo de Espinoza e Scherer porque a H.R. do ar é baixa e por isso gerou-se um fluxo favorável à secagem dos provetes. Em quase todos os casos, principalmente para a argamassa, as curvas de secagem têm o mesmo andamento e existe uma dispersão pequena entre elas, para o mesmo material e para a mesma solução. Contudo, observam-se por vezes, desvios muito significativos entre provetes da mesma família. É de fácil perceção que há uma relação entre essas curvas de secagem e o índice de secagem, por um lado, e a degradação que os diferentes provetes da família apresentam, por outro. Para a argamassa, o único caso em que as curvas de secagem não têm o mesmo andamento é no caso do carbonato de sódio, em que o provete A7.3 não acompanha os outros dois provetes, apresentando uma secagem mais lenta (figura 3.48) que se reflete num índice de secagem superior ao dos outros dois provetes (Tabela 3.19). Consegue-se relacionar este facto com o estado físico do provete, verifica-se que o provete que seca mais devagar é o provete A7.3 que é o que em melhor estado está. Já os provetes A7.1 e A7.2 ficam completamente desintegrados. Nesta linha de raciocínio, pode-se atribuir o facto de os provetes de argamassa imersos em sulfato de sódio terem secado tão mais depressa do que os dos outros sais (figuras 3.35, 3.36, 3.51 e 3.52) ao facto, não só de a humidade relativa de equilíbrio do sulfato de sódio ser muito próxima da da água como também por estarem completamente desintegrados, o que facilita a evaporação da água do interior do provete. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 60! Para os provetes de tijolo ensaiados com cloreto de potássio, verifica-se uma dispersão considerável entre as três curvas de secagem, sendo também possível observar manifestações físicas diferentes nos três provetes. O provete que seca mais depressa é o T4.1 e é também o que manifesta as maiores eflorescências, com bastante volume, mostrando-se a crosta cristalina empolada. Já o provete T4.2 é o que apresenta menor degradação, correspondendolhe a secagem mais lenta (figuras 3.38 e 3.39 e Tabela 3.19). Quanto aos provetes de tijolo imersos em nitrato de sódio, o provete T5.3 seca mais rápido e verifica-se novamente que é o mais degradado, com uma espessa crosta de sal que cobre toda a sua face superior (figuras 3.41 e 3.43). Estas diferenças refletem-se numa grande dispersão de valores no índice de secagem (figura 3.51). Brito e Gonçalves num artigo recente [29] também observaram uma componente de imprevisibilidade na degradação sofrida por provetes do mesmo material, sujeitos às mesmas condições experimentais, diferenças essas por vezes com impacto relevante no comportamento à secagem. As autoras consideraram que essas variações se podem dever à natural heterogeneidade dos materiais, flutuações nas condições ambientes, etc. 3.6. SÍNTESE DO CAPÍTULO Neste subcapítulo resumem-se os resultados experimentais dos ensaios de capilaridade e de secagem. As principais conclusões do ensaio de capilaridade são: • Os sais solúveis influenciam a absorção por capilaridade; • Os provetes de argamassa apresentam no geral um coeficiente de capilaridade superior ao do tijolo; • Os sais que contêm o ião sódio conduzem a coeficientes de capilaridade inferiores ao da água e os que contêm o ião potássio conduzem a coeficientes de capilaridade superiores aos da água; • A correlação linear da sorvidade em função de (σ/η)1/2 foi melhor para o tijolo do que para a argamassa, isto pode dever-se a uma maior heterogeneidade dos materiais estudados e a lapsos ocorridos durante o ensaio. Tabela 3.20 – Valores resumo do coeficiente de capilaridade médio dos provetes de argamassa e tijolo. C (kg.m-2.s-1/2) Provetes Tijolo Provetes Argamassa Água 0,1448 0,1642 NaCl 0,1022 0,1350 Na2SO4 0,1159 0,1617 KCl 0,1673 0,1868 NaNO3 0,0926 0,1405 KNO3 0,1665 0,1772 Na2CO3 0,0967 0,1469 Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 61! ! ! Figura 3.57 – Coeficiente de Capilaridade médio e respetivo desvio padrão, do tijolo e da argamassa para cada solução salina. Figura 3.58 – Sorvidade representada em função de (σ/η)1/2 para o tijolo e a argamassa de cal aérea. As principais conclusões que se podem tirar do ensaio de secagem são: • Os provetes mais rápidos a secar são os da água, seguindo-se os do sulfato de sódio; os restantes ainda não estão secos, após mais de dois meses de ensaio. • Os provetes da mesma família apresentam, por vezes, tipos diferentes de degradação. • Conseguem-se relacionar as curvas de secagem com as alterações físicas dos provetes, quanto mais alterado está o provete menor é o teor de água, o que se traduz numa maior taxa de secagem. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 62! Tabela 3.21 – Valores resumo do índice de secagem médio dos provetes de argamassa e tijolo. I.S. Provetes Tijolo Provetes Argamassa Água 0,1877 0,1424 NaCl 0,8140 0,8382 Na2SO4 0,4721 0,3149 KCl 0,8387 0,8586 NaNO3 0,8679 0,9178 KNO3 0,7834 0,8229 Na2CO3 0,8620 0,3823 Figura 3.59 – Índice de secagem médio e respetivo desvio padrão, do tijolo e da argamassa para cada solução salina. Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 63! ! 4 CONCLUSÃO ! ! 4.1. CONSIDERAÇÕES FINAIS Ao finalizar esta dissertação é possível afirmar que o objetivo inicialmente proposto foi cumprido, uma vez que se avançou na compreensão da influência dos sais solúveis na absorção capilar e na secagem de materiais porosos. Foi um trabalho complexo e intenso, com forte componente laboratorial, envolvendo várias dezenas de provetes de dois tipos de materiais de construção porosos e seis soluções aquosas salinas. Realizaram-se dois tipos de ensaios durante três meses, tendo-se gasto cerca de um mês nos ensaios de capilaridade e dois meses na monitorização da secagem. O estudo permitiu perceber de que forma diferentes tipos de sais dissolvidos em água influenciam o coeficiente de absorção capilar, bem como analisar a secagem subsequente à absorção capilar, observando a degradação dos provetes e relacionando-a com o tipo de sal. Pôde concluir-se o seguinte: • Todos os sais influenciam o coeficiente de absorção capilar dos dois materiais de construção porosos estudados; • Os provetes de argamassa, no geral, apresentam um coeficiente de absorção capilar superior aos provetes de tijolo; • Os sais que contêm o ião sódio levam a coeficientes de absorção capilar inferiores aos obtidos com água pura, enquanto os sais constituídos pelo ião potássio levam a coeficientes de capilaridade superiores; • A correlação linear entre a sorvidade do tijolo para todos os sais, quando em função de (σ/η)1/2 , mostrou-se melhor do que para a argamassa, embora esta correlação para a argamassa seja mais fraca também apresenta uma tendência linear, claramente. • Esta relação linear entre a sorvidade e (σ/η)1/2 indica que o efeito dos sais no transporte capilar se deve à influência do sal na viscosidade e tensão superficial do líquido; • Os provetes imersos em água secaram mais depressa; • Os provetes contaminados com sais secaram mais lentamente. Os provetes contaminados com sulfato de sódio foram os mais rápidos a secar de entre os seis sais, tendo os provetes de tijolo concluído a secagem em cerca de dois meses e os provetes de argamassa em um mês. Os restantes continuam em processo de secagem; • O comportamento na secagem dos provetes de argamassa ou tijolo nem sempre foi igual para a mesma solução, tal como a sua degradação. É possível relacionar as Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 64! curvas de secagem com a degradação dos provetes, quanto mais alterado está o provete, maior a sua taxa de secagem. • O sal mais agressivo, em termos de deterioração, para os dois materiais, foi o sulfato de sódio; • Os provetes que se sofreram maior degradação foram os de argamassa de cal aérea. Em suma, os resultados obtidos da realização deste trabalho mostram que realmente existe influência dos sais na absorção capilar, que não depende só do tipo de sal mas também do material poroso. A presença de sais no interior dos materiais porosos também afeta a cinética de secagem, tornando-a mais lenta na generalidade dos casos. A degradação mostrou-se mais agressiva para os provetes de argamassa, e para o sulfato de sódio. Nem todos os provetes da mesma família, ou seja, do mesmo material e sujeitos às mesmas condições experimentais, se degradaram da mesma forma. 4.2. DESENVOLVIMENTOS FUTUROS Na sequência deste trabalho, outros projetos de investigação poderão ser realizados no âmbito da degradação por sais solúveis em materiais porosos, quer seja no domínio da capilaridade ou da secagem. Apresentam-se seguidamente das propostas para o seu desenvolvimento: • Monitorização do processo secagem dos provetes utilizados neste trabalho, para que se possa calcular o índice de secagem de forma mais adequada, com o tempo de secagem correspondente ao sal que demorar mais a secar, entre os dois materiais, bem como avaliar a degradação final dos provetes; • Efetuar ciclos cristalização/dissolução de sais e avaliar a forma como estes ciclos influenciam o coeficiente de capilaridade, o índice de secagem a tipologia de degradação, uma vez que estes ciclos ocorrem em obra e é importante perceber, mediante ensaios em condições controladas, o seu efeito para diferentes materiais e sais solúveis; • Analisar neste mesmo âmbito, outros materiais e outros sais, procurando-se aumentar o número de provetes para cada situação; • Investigar melhor a influência dos sais na absorção capilar na argamassa de cal. As argamassas de cal são um tipo de material extremamente relevante nas construções históricas e têm características microestruturais muito próprias, em relação aos restantes materiais correntes nestas construções, decorrentes de serem materiais artificiais compostos por areia numa matriz de ligante. É importante por isso perceber de que forma o transporte líquido na sua estrutura porosa é afetado pela presença de sais. A correlação linear da sorvidade com (σ/η)1/2 foi significativamente mais fraca para a argamassa do que para os restantes materiais (tijolo cerâmico e pedras naturais) estudados nesta dissertação e em trabalhos anteriores. Esse facto levanta dúvidas em relação aos pressupostos teóricos de estas argamassas serem materiais inertes, que são completamente molhados pelo líquido e que não sofrem alterações microestruturais durante a absorção; • Avaliar as razões de a secagem (dos dois materiais) ser mais lenta em presença de sais. A mais lenta sucção capilar não é certamente a causa para os sais com o ião K+, uma vez que o coeficiente de capilaridade é mais alto que o da água pura e a sorvidade é equivalente. É pois importante considerar a possibilidade de as crostas salinas estarem a bloquear o trasposte de vapor e avaliar em que casos e grau isso Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 65! acontece. Para tal vai ser necessário determinar a permeabilidade ao vapor dos provetes no fim da secagem, bem como definir o método experimental mais adequado para o fazer uma vez que vários dos provetes estarão em estado bastante frágil. ! Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 66! Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 67! BIBLIOGRAFIA [1] J. Appleton, Reabilitação de Edifícios Antigos. Portugal: Edições ORION, 2003. [2] A. E. Charola, "Salts in the deterioration of porous materials: An overview," Journal of the American Institute for Conservation, vol. 39, pp. 327-343, 2000. [3] T. Gonçalves, "Salt crystallization in plastered or rendered walls," Tese de Doutoramento, LNEC e IST, Lisboa, 2007. [4] T. Gonçalves and J. D. Rodrigues, "Argamassas de Revestimento para paredes afectadas por cristalização de sais solúveis: influência do substrato," presented at the 3º Congresso Português de Argamassas de Construção, Lisboa, LNEC, 2010. [5] "International charter for the conservation and restoration of monuments and sites," presented at the International Congress of Architects and Technicians of Historical Monuments, Venice, 1964. [6] T. D. Gonçalves and J. D. Rodrigues, "Rebocos para paredes antigas afectadas por sais solúveis: patologia, princípios de funcionamento e adequabilidade," presented at the Sais solúveis em argamassas de edificios antigos: danos, processos e soluções . LNEC, 2005. [7] A. Urland and E. 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ANEXO 2 Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 76! Evolução da deterioração dos provetes de tijolo e argamassa durante a secagem. • Água 2º dia de secagem: 2ª semana de secagem (os provetes mantiveram-se assim até ao término desta dissertação): Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 77! • Cloreto de Sódio 2º dia de secagem: 2ª semana de secagem: Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 78! 3ª semana de secagem (os provetes mantiveram-se assim até ao término desta dissertação): Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 79! • Sulfato de Sódio 1º dia de secagem: 2º dia de secagem: Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 80! 3º dia de secagem: 2ª semana de secagem (os provetes mantiveram-se com este aspeto até ao término desta dissertação): Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 81! • Cloreto de Potássio: 1º dia de secagem: 2º dia de secagem: Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 82! 2ª semana de secagem: 3ª semana de secagem: 6ª semana de secagem (os provetes mantiveram-se com este aspeto até ao término desta dissertação): Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 83! • Nitrato de Sódio 1º dia de secagem: 2º dia de secagem: Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 90! Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 91! Absorção por Capilaridade de Soluções Aquosas Salinas em Materiais Porosos! ! 92!