Caracterização de argamassas com incorporação direta de PCM

Universidade do Minho Escola de Engenharia André Pinho Tavares Caracterização de argamassas com incorporação direta de PCM março de 2022 Caracterização de argamassas com incorporação direta de PCM André Pinho Tavares UMinho | 2022 Universidade do Minho Escola de Engenharia André Pinho Tavares Caracterização de argamassas com incorporação direta de PCM Dissertação de Mestrado Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia Civil Trabalho efetuado sob a orientação do (a) Professor Doutor José Luís Barroso de Aguiar Doutora Sandra Raquel Leite da Cunha março de 2022 i DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicado. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositórioUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial-SemDerivações CC BY-NC-ND https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ii AGRADECIMENTOS Ao meu orientador Professor José Luís Barroso de Aguiar pela atenção, orientação, disponibilidade prestada ao longo de todos os trabalhos, contribuindo assim com conhecimento e conselhos a fim de enriquecer este trabalho. À Doutora Sandra Cunha, minha coorientadora nesta dissertação, por toda a ajuda, disponibilidade, atenção e por todos os momentos de motivação durante a realização do trabalho, tendo sido uma mais-valia para a elaboração deste trabalho. A todo o Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho o meu agradecimento por todo o conhecimento partilhado comigo ao longo destes anos. Ao Eng. Carlos Jesus, por toda a disponibilidade, boa disposição e simpatia durante a realização dos trabalhos no Laboratório de Materiais de Construção. À minha namorada Melanie, por todo o apoio, dedicação e paciência ao longo destes anos. Agradeço aos meus pais por todo o apoio e esforço durante esta caminhada. A todos o meu muito obrigado, sem vocês não teria conseguido atingir este objetivo. iii DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. iv ABSTRACT Currently, the construction sector is a driver of the world economy, however, it also stands out, in the negative, due to environmental impacts, as it consumes energy from non-renewable sources and produces large amounts of waste. The waste from industry is a matter of concern, however, the construction industry announces itself as a great candidate in the attempt to solve this problem, through the incorporation of functional materials and industrial waste in construction materials. Thus, the replacement of natural sand by aggregates resulting from foundry industry waste in mortars may reduce their production cost, achieving a good performance regarding their physical and mechanical properties. The main objective of this work was to develop mortars with incorporation of various levels of paraffin wax, a residue from the foundry industry that can be considered a phase change material, by direct incorporation and using an aggregate also from the foundry industry as waste, which is the ceramic shells, constituting 100% of the aggregate used. Tests were performed to characterize the mortars in their fresh and hardened states and their workability, compressive and flexural strength at 7 and 28 days, water absorption by immersion, water absorption by capillarity and adherence were determined. By analyzing the microstructure morphology of the mortars developed, it was possible to observe a homogeneous distribution of paraffin wax particles and shells of the ceramic molds. Despite that, microcracks were detected in the microstructure of the mortars, and the mechanical properties were affected, this decrease does not prevent their practical application, since they obtained maximum compressive strength, according to specification NP EN-998:2010. Keywords: phase change materials, foundry waste, mortars, sustainability, circular economy. v RESUMO Atualmente, o setor da construção é um impulsionador da economia mundial, no entanto, também se destaca, pela negativa, devido aos impactos ambientais, pois consome energia proveniente de fontes não renováveis e produz grandes quantidades de resíduos. Os resíduos provenientes da indústria são uma temática preocupante, contudo, a indústria da construção civil anuncia-se como um grande candidato na tentativa de solucionar esse problema, através da incorporação de materiais funcionais e resíduos industriais em materiais de construção. Assim, a substituição da areia natural por agregados resultantes de resíduos da indústria de fundição em argamassas pode vir a diminuir o custo de produção das mesmas, conseguindo um bom comportamento relativamente às suas propriedades físicas e mecânicas. O principal objetivo deste trabalho consistiu em desenvolver argamassas com incorporação de vários teores de cera parafínica, resíduo resultante da indústria de fundição que pode ser considerado um material de mudança de fase recorrendo à incorporação direta e utilizando um agregado também proveniente da indústria de fundição como resíduo, sendo este as cascas de moldes cerâmicos, constituindo 100 % do agregado utilizado. Foram realizados ensaios de caracterização das argamassas no estado fresco e endurecido tendose determinado a trabalhabilidade, resistência à compressão e flexão aos 7 e 28 dias, a absorção de água por imersão, absorção de água por capilaridade e a aderência. Ao analisar a morfologia da microestrutura das argamassas desenvolvidas, foi possível observar uma distribuição homogénea das partículas de cera parafínica e cascas dos moldes cerâmicos. Apesar disso, foram detetadas microfissuras na microestrutura das argamassas, sendo as propriedades mecânicas afetadas, essa diminuição não impede a sua aplicação prática, visto que as mesmas obtiveram a máxima resistência à compressão, de acordo com a especificação NP EN998:2010. Palavras-chave: materiais de mudança de fase, resíduos fundição, argamassas, sustentabilidade, economia circular. vi ÍNDICE Agradecimentos ......................................................................................................................... ii Abstract ..................................................................................................................................... iv Resumo ...................................................................................................................................... v Índice......................................................................................................................................... vi Índice de Figuras ........................................................................................................................ x Índice de tabelas ....................................................................................................................... xii 1. Introdução ........................................................................................................................... 1 1.1 Enquadramento e Motivação .............................................................................................1 1.2 Objetivos ...........................................................................................................................2 1.3 Metodologia da investigação .............................................................................................2 1.4 Organização e descrição dos capítulos ..............................................................................3 2. Estado de arte ...................................................................................................................... 4 2.1 Argamassas........................................................................................................................4 2.1.1 Definição de argamassa ............................................................................................ 4 2.1.2 Tipos de ligantes ....................................................................................................... 4 2.1.3 Agregados ................................................................................................................. 5 2.1.4 Superplastificante ...................................................................................................... 5 2.1.5 Água .......................................................................................................................... 6 2.1.6 Classificação ............................................................................................................. 6 2.1.7 Funções e propriedades das argamassas ................................................................... 7 2.1.8 Organizações ............................................................................................................. 9 2.2 Materiais de mudança de fase (PCM) ...............................................................................9 1 1. INTRODUÇÃO 1.1 Enquadramento e Motivação Anualmente, grandes quantidades de resíduos resultam da atividade industrial, sendo assim os resíduos tornaram-se um grande problema ambiental. Assim, sentiu-se a necessidade de encontrar novas soluções para a imensa variedade de resíduos que se encontram atualmente em depósito [1]. A indústria da construção surge, assim, como a solução ideal para reutilizar milhões de toneladas de resíduos industriais, esses mesmos resíduos podem ser utilizados como matéria-prima em materiais de construção, tendo como principal vantagem a redução do consumo de energia, uma vez que vai reduzir o consumo de energia necessário para os processos de extração dessa matériaprima, contribuindo assim para a diminuição de gases de efeito de estufa. Com esta solução reduzimos também o depósito em aterro de grandes volumes de resíduos, conseguindo produtos a utilizar na construção a menor custo e amigos do ambiente. Para mitigar esta temática e considerando o avanço da tecnologia, vários estudos vêm sendo realizados com o objetivo de conferir um destino mais apropriado a estes resíduos. Com a reutilização é possível preservar recursos naturais não renováveis, substituindo estes materiais alternativos, fomentando desse modo o desenvolvimento sustentável [2-7]. Um dos principais problemas do setor da fundição é a constante criação de resíduos sólidos, sendo os mesmos principalmente provenientes de moldes cerâmicos e também areias de fundição. Atualmente as empresas reutilizam as areias de fundição nos diferentes processos industriais, sendo que após vários usos, a mesma acaba por ser descartada. Existe também a possibilidade de reciclar os moldes cerâmicos, incorporando os mesmos na produção de materiais de construção [8]. Quando estas areias e os fragmentos de moldes cerâmicos são lançadas inadequadamente em aterro, há o risco de alteração das características físicas, químicas e biológicas do solo e água, provocando um sério risco ambiental. Os regulamentos ambientais são cada vez mais rigorosos, sendo que pode ser exigido que os resíduos sejam depositados em aterros cada vez mais distantes do local onde são gerados, aumentando assim os custos envolvidos nesta ação [9,10]. 2 1.2 Objetivos O principal objetivo deste trabalho consiste na formulação de argamassas de revestimento com incorporação de resíduos de ceras parafínicas (PCM) e cascas de moldes cerâmicos, subprodutos da indústria de fundição em substituição dos agregados naturais. Para atingir esse objetivo, foi necessário realizar um conjunto de tarefas, tais como: ▪ Avaliação da viabilidade técnica de utilização da incorporação de ceras parafínicas, PCM, em argamassas de revestimento; ▪ Avaliação da possibilidade de incorporação de resíduos de cascas de moldes cerâmicos em argamassas; ▪ Avaliação das propriedades físicas e mecânicas das argamassas. Após a execução das tarefas mencionadas, será possível avaliar e comparar o comportamento das argamassas, com as tradicionais. 1.3 Metodologia da investigação A metodologia de investigação adotada neste projeto foi baseada em trabalho experimental. As várias propriedades dos materiais e argamassas foram determinadas através de normas portuguesas e europeias. Inicialmente fez-se uma caracterização das matérias-primas. De seguida, foram formuladas argamassas com incorporação de PCM por incorporação direta e resíduos de fundição. Para as argamassas foram estimadas as suas propriedades físicas e mecânicas. Assinale-se que foram sempre realizadas argamassas de referência (0% PCM) e argamassas com diferentes teores de cera parafínica (PCM), sendo o PCM também um subproduto industrial resultante da indústria de fundição. 3 1.4 Organização e descrição dos capítulos Esta dissertação encontra-se dividida em 5 capítulos, nos quais serão abordados os conteúdos que se seguem: ▪ Capítulo 1 – Introdução. Neste capítulo é feito um breve enquadramento do tema e enunciados os objetivos desta dissertação; ▪ Capítulo 2 – Estado de Arte. Estudo da literatura existente em relação ao tema em questão; ▪ Capítulo 3 – Materiais utilizados e dimensionamento das composições. Procedimentos experimentais. Aqui serão abordados os materiais utilizados, o processo de dimensionamento e a metodologia utilizada no fabrico das argamassas. Também serão explicados os ensaios realizados nas argamassas; ▪ Capítulo 4 – Análise e discussão de resultados. Os resultados obtidos nos diversos ensaios realizados serão apresentados e analisados neste capítulo; ▪ Capítulo 5 – Conclusão e trabalhos futuros a desenvolver. Considerações finais sobre o estudo realizado e sugestões sobre futuros trabalhos a desenvolver sobre este tema. 4 2. ESTADO DE ARTE Este capítulo descreve sucintamente os três grandes temas que este estudo aborda, sendo eles, argamassas, PCM e resíduos de fundição. Todos os materiais adicionados ao ligante são considerados resíduos, sendo, portanto, um estudo que pretende acrescentar conhecimento à temática da valorização de resíduos. 2.1 Argamassas 2.1.1 Definição de argamassa Uma argamassa é a mistura de ligante, agregado e água. Pode também conter aditivos ou adjuvantes para assim melhorar o seu desempenho [11]. Podemos considerar uma argamassa como uma rocha artificial, uma vez que é formada por pequenas partículas de rocha, envolvidos por um ligante que une todas as partículas e lhe atribui solidez. A formulação de uma argamassa assenta na ideia de que os vazios presentes no volume de agregados, aproximadamente 25 – 40 %, necessitam ser preenchidos com ligante que vai também possibilitar a coesão à mistura final [12,13]. Quando misturados os constituintes em proporções estudadas, devem apresentar homogeneidade e estar de acordo com o uso que terão. As argamassas, quando recém-misturadas apresentam uma boa trabalhabilidade, contrariamente, depois de endurecidas apresentam rigidez, resistência e aderência. 2.1.2 Tipos de ligantes Os ligantes podem-se agrupar em dois grandes grupos, hidrófilos e hidrófobos, sendo que nesta dissertação será apenas estudado o cimento. Sendo o mesmo um ligante hidrófilo hidráulico. De notar que existem também os hidrófilos aéreos (cal aérea e gesso) [14]. 5 Os ligantes hidrófilos são impregnados em argamassas e betões. Estes ligantes devem ser unidos a outros materiais quando incorporada água, dando assim origem a uma pasta que depois de endurecida gera uma argamassa ou betão. 2.1.3 Agregados Geralmente, os agregados são os elementos presentes em maior número numa argamassa, tendo como principal função diminuir a retração e a quantidade de ligante e aumentar a resistência à compressão [15]. A areia é o único agregado de uma argamassa, sendo a sua distribuição granulométrica, a dureza, a forma dos grãos e a porosidade fulcrais para se obterem bons resultados. O agregado que se utiliza em argamassas é a areia, que segundo a norma NP EN 1260 [16], tem grãos de dimensões entre 0,063 mm e 4 mm. Os agregados também se podem dividir em três grupos, sendo eles, naturais, artificiais ou reciclados [17]. Neste estudo iremos utilizar dois agregados, proveniente de resíduos de moldes cerâmicos e cera parafínica, resultado da indústria de fundição, sendo ambos considerados agregados reciclados. 2.1.4 Superplastificante O superplastificante é bastante importante no comportamento da argamassa no estado fresco uma vez que pode controlar melhor a trabalhabilidade e também tornar a reação de hidratação do cimento mais eficiente [18]. Os superplastificantes, são referidos na especificação do LNEC E374-1993 [19] como adjuvantes para betão, os mesmos devem ser incorporados durante a amassadura nunca excedendo os 5 % da massa do cimento, com o intuito de melhorar as propriedades do betão no estado fresco ou endurecido. A sua classificação é feita segundo o composto químico base, sendo assim divididos em 4 categorias: condensado de melamina formaldeído, sulfonatado, condensado de naftaleno formaldeído sulfonatado, linhossulfonatos modificados e copolímeros [20]. 6 O superplastificante está disponível no mercado em solução aquosa ou pó, devido à sua prática utilização, a solução aquosa é a mais utilizada. A seleção de um superplastificante deve ser feita respeitando o tipo de cimento utilizado no fabrico do betão, visto que nem todos os tipos de superplastificante presentes no mercado reagem da mesma maneira na presença de determinados ligantes [21]. 2.1.5 Água A água é o elemento que promove as reações de hidratação, acionando as propriedades aglutinantes do ligante. A quantidade de água a ser incorporada numa amassadura é calculada, segundo a relação Água/Ligante. Através deste cálculo é determinada a quantidade necessária para obter uma boa trabalhabilidade, aderência ao suporte e facilidade de impregnação. Não é só no estado fresco que a água irá afetar a argamassa, mas também no estado endurecido, influenciando a porosidade, absorção de água e resistência mecânica [22]. 2.1.6Classificação Existem normas que classificam as argamassas segundo três diferentes temáticas, sendo elas a EN 998-1:2003 [23] e a EN 998-2:2003 [24]: ▪ Segundo o local de produção; ▪ Segundo a conceção; ▪ Segundo as suas propriedades e utilização. Segundo o local de produção existem argamassas industriais, argamassas industriais semiacabadas e por último as argamassas tradicionais (realizadas em obra). Segundo a conceção existem argamassas de desempenho e argamassas de formulação. Quanto às suas propriedades e utilização podemos dividir as mesmas em cinco grandes grupos: ▪ Argamassas de alvenaria, são aplicadas para elevar paredes e muros tanto de tijolos ou blocos. As suas principais características são a resistência, boa aderência aos elementos e 7 capacidade de absorver movimentos provenientes de tensões mecânicas, mas também variações térmicas e de humidade [25]. ▪ Argamassas de revestimento, são impregnadas para revestir paredes e muros, as mesmas podem ter variados acabamentos dependendo do tipo de obra onde são aplicadas. ▪ Cimentos-cola, devem ser apenas misturados com água imediatamente antes da sua utilização. São utilizados para colar elementos sobre um suporte, quer de reboco ou diretamente sobre uma parede ou pavimento. ▪ Massas para juntas, são aplicadas para preenchimento de juntas entre os diversos elementos de revestimento, podem ter função estética ou funcional. O seu uso será fundamental para atenuar tensões normais que resultam da aplicação do revestimento e pavimento. As propriedades destas argamassas dependem do tipo de ligante empregue e respetiva composição química. ▪ Argamassas de suporte para pavimentos, são utilizadas para a regularização de pavimentos, sendo a sua principal finalidade nivelar e alisar uma superfície horizontal, sendo que podem ser posteriormente revestidas com qualquer tipo de material. O que se pretende com esta argamassa é uma elevada resistência à compressão, resultado do cimento utilizado que lhe confere esta característica. 2.1.7Funções e propriedades das argamassas Quanto às funções das argamassas conseguimos facilmente percecionar que estão intimamente ligadas à maneira como serão empregues, assim sendo é possível concluir que provém da classificação baseada na sua aplicação. Desta forma, serão indicadas algumas das potenciais funções: ▪ Unir firmemente elementos de alvenaria ajudando assim a contrariar esforços horizontais que são normalmente observados numa parede, fenómenos esses como a flexão, ocorrendo os mesmos paralelamente ou perpendicularmente ao plano das paredes, ▪ Regularizar algumas das deformações que se desenvolvem de forma natural na alvenaria, ▪ Colar elementos de revestimento, 8 ▪ Vedar as juntas contra a infiltração de água, ▪ Servir de acabamento em tetos e paredes, em regularização de pavimentos, entre outros. No âmbito do desenvolvimento das propriedades serão abordados os três principais requisitos para a utilização das mesmas em paredes, visto que é o objetivo da realização deste estudo: resistência à compressão, resistência à flexão e aderência. Relativamente à compressão, a sua determinação é feita através da aplicação de uma força de compressão aplicada numa superfície [11]. Tradicionalmente, com recurso à razão água/cimento, é possível constatar que a resistência cresce, conforme se diminui a quantidade de água e se adiciona cimento na amassadura. Sendo que não é aceitável aumentar a dosagem de cimento para valores muito elevados, porque a partir de certo ponto, o incremento de resistência não é percetível e desenvolvem-se mais ações de retração e aumenta-se demasiado o preço das argamassas [26]. Para assentamento de alvenarias o valor da resistência à compressão deve situar-se no intervalo de 5 a 10 MPa, visto que o local onde irá ser aplicada está submetido a tensões razoáveis [26]. A resistência à compressão de uma determinada argamassa depende de: ▪ Dureza da areia, ▪ Qualidade do ligante, ▪ Distribuição granulométrica da areia, ▪ Quantidade de água da amassadura, ▪ Dosagem do ligante, ▪ Modo de fabrico da argamassa. Relativamente à flexão, esta é calculada tendo por base um ensaio com uma carga centrada a meio vão e dois pontos de apoio. Sendo este um ensaio experimental, é preferível ensaiar diversos provetes, para assim se calcular um valor médio, mais aproximado à realidade. Importante referir que a resistência à flexão, será bastante inferior à resistência à compressão. 9 Por fim, quanto à tensão de aderência, esta é uma propriedade fulcral, visto que possibilita a parede de resistir a esforços de tração, mas também contribui para a vedação das águas das chuvas nas proximidades das juntas. A aderência à tração retrata a extensão do contacto entre uma argamassa e uma base. A base pode ser tijolo, bloco cerâmico, betão ou alvenaria. É de extrema importância o material onde a mesma vai ser aplicada, visto que esta advém da interação entre os dois materiais. Trata-se de um fenómeno mecânico, porque não é mais que a penetração da argamassa nos poros entre as rugosidades do material onde vai ser aplicado. Na realização do ensaio para a determinação da aderência, é necessário antes da realização da argamassa imergir primeiramente o substrato, normalmente o tijolo, para argamassas de alvenaria, de modo a saturar o mesmo com água, visto ser um material poroso e não absorver água que provém da argamassa, que levaria a uma deficiente tensão de aderência entre a argamassa e o suporte. 2.1.8Organizações Devido à crescente industrialização do setor das argamassas, foi necessário fundar uma organização europeia que representa este sector, a EMO (European Mortar Industry Organization). Esta organização congrega 15 países, entre eles Portugal. Em Portugal, a organização de referência é a APFAC (Associação Portuguesa dos Fabricantes de Argamassas e ETICS), sendo a sua principal missão contribuir para a manutenção dos níveis de qualidade exigidos pela diretiva europeia dos produtos de construção. 2.2 Materiais de mudança de fase (PCM) Vivemos tempos em que é necessário investigar formas alternativas e técnicas inovadoras para a utilização racional e eficiente da energia consumida em edifícios. As técnicas estudadas baseiamse no conceito de armazenamento de energia. Existem dois fenómenos básicos de armazenamento térmico, o primeiro é o armazenamento de calor sensível, explicando sucintamente, a temperatura do material vai mudar conforme a quantidade de energia que é armazenada e no segundo caso, o 10 armazenamento de calor latente, em que a energia vai aumentando conforme um material vai mudando de estado. Devido às inúmeras vantagens que o armazenamento de calor latente nos oferece, tem-se optado por investigar a incorporação de materiais de mudança de fase na indústria da construção [27]. 2.2.1 Conceito de PCM Os materiais de mudança de fase (PCM) assim denominados, pois como o próprio nome indica, são capazes de modificar o seu estado físico conforme a temperatura a que são sujeitos. Durante essa mudança de estado possuem a capacidade de absorver ou libertar energia do meio onde estão inseridos [28]. No decorrer do processo de mudança de fase, a temperatura sentida no PCM é quase constante, não havendo uma grande variação de temperatura, sendo que quando o mesmo termina, é sentido um pequeno aumento ou diminuição de temperatura, gradual, sendo a mesma explicada através do calor sensível. Os PCM têm capacidade para armazenar uma grande quantidade de calor, é, portanto, um material isotérmico, tornando-se assim um material adequado a situações de aquecimento e arrefecimento [28]. Comparando com material cerâmico, tem 18 vezes mais capacidade de armazenamento de energia [29]. Para facilitar a explicação do fenómeno da mudança de fase, recorremos à água, uma vez que é do conhecimento geral, visto ser um recurso amplamente conhecido. A água pode estar em estado sólido, líquido ou gasoso. Podendo assim existir várias transições de estado, quando a passa do estado líquido para o sólido, o processo tem o nome de solidificação, quando transita de sólido para líquido o mesmo é denominado por fusão, por último quando passa do estado líquido para o gasoso designa-se de vaporização, sendo que o processo inverso, é conhecido por condensação. Sempre que há uma mudança de estado, existe uma quantidade de energia associada, a entalpia [30]. Estes materiais têm como característica a possibilidade de mudar o seu estado em função da temperatura ambiente. Quando a temperatura ambiente em contacto com o PCM aumenta, o material atinge o seu ponto de fusão e transita de estado, neste caso específico, do estado sólido para o líquido, absorvendo e armazenando a energia calorífica ambiente. Da mesma forma, quando se sente uma diminuição da temperatura ambiente, o PCM atinge o seu ponto de solidificação, 17 O microencapsulamento apresenta diversas vantagens, a principal enunciada acima, mas também aumenta as possibilidades de incorporação em diferentes materiais de construção, resiste melhor à variação de volume que ocorre aquando da mudança de fase, maior estabilidade química e melhor desempenho térmico, visto que durante a transição de fases, o PCM se encontra confinado a distâncias microscópicas. As desvantagens prendem-se com a diminuição das propriedades mecânicas dos materiais de construção e o custo do procedimento [43]. Normalmente, as microcápsulas são adicionadas durante o processo de fabrico dos materiais de construção, maioritariamente como substituição parcial dos agregados. Cunha et al. [55] estudaram diferentes tipos de microcápsulas de PCM em argamassas e concluíram que os diferentes tipos de microcápsulas concedem diferentes características às argamassas, estando relacionado com o tipo de polímero usado, bem como o tamanho das microcápsulas. Macroencapsulamento O macroencapsulamento consiste na inserção de PCM em recipientes de grandes dimensões, de preferência recipientes com dimensões superiores a 1 cm. Através desta técnica é possível adicionar vários litros de PCM num único recipiente. As principais vantagens são a facilidade de transporte e manuseio, possibilitar o encapsulamento ser realizado para uma determinada aplicação, uma melhor compatibilidade com o material e redução das alterações de volume externas [38,43]. Como desvantagens enuncio a baixa condutibilidade térmica, é necessário proteger os elementos de contenção contra a destruição e a provável solidificação de PCM nos cantos e arestas, reduzindo assim a transferência de calor [43]. Estabilização Tendo-se verificado que havia o risco do PCM se deslocar do local onde foi impregnado aquando se apresenta no estado líquido, os investigadores sugeriram a técnica de estabilização [56-59]. Este procedimento consiste em fundir e misturar o material de suporte e o PCM a uma temperatura elevada e posterior arrefecimento do material de suporte, até que se torne uma mistura sólida. Para a estabilização do PCM utiliza-se polietileno de alta densidade, estireno e butadieno. Como principais vantagens deste método podemos apontar o elevado calor específico, adequada condutibilidade térmica e manutenção da estabilização do PCM durante o processo de transição de fase, não sendo necessário recipiente de contenção [43]. 18 É crucial a seleção de materiais de suporte para a utilização desta técnica, sendo os mais apropriados estruturas porosas com alta condutibilidade térmica, nomeadamente grafite, sílica ativa, bentonita e diatomita [60]. 2.2.5 Principais produtores mundiais Há diversos materiais de mudança de fase disponíveis no mercado, com uma grande gama de temperaturas de transição e entalpias. Algumas das principais empresas são indicadas na tabela 5. Os PCM por elas comercializados contam com uma temperatura de transição que pode oscilar desde os -9ºC e os 110ºC [61-69]. Estes materiais são comercializados em microcápsulas, macrocápsulas ou em estado puro. Através da leitura da tabela 5 podemos constatar que a maioria das empresas que comercializam o PCM se localizam na Europa, sendo também percetível que existem ainda poucos fabricantes, o que vai encarecer os materiais, sendo espectável que no futuro se implementará mais soluções construtivas que incorporem estes materiais, o que levará a uma maior oferta de produtos e produtores, levando assim à diminuição dos preços agora praticados. Existe também a possibilidade da incorporação de PCM previamente utilizado para outras funções, sendo assim reciclado, conseguindo assim um custo significativamente mais baixo. No estudo elaborado nesta dissertação foi utilizada uma cera parafínica reciclada, proveniente da indústria de fundição. Tabela 5 – Principais produtores de PCM [6169]. Fabricante País Rubitherm GmbH Alemanha Merck KGaA Alemanha BASF Alemanha Climator Suécia Cristopia Energy Systems França PCM Energy Índia Mitsubishi Chemical Japão EPS Ltd Reino Unido Devan Bélgica 19 2.3 Incorporação de resíduos sólidos Atualmente a economia consome cada vez mais recursos naturais (matérias primas), sendo os agregados um dos principais recursos consumidos, pois são o “esqueleto” do betão, preenchendo cerca de 70 a 80 % do seu volume. Normalmente os agregados são de origem natural, levantando questões preocupantes para a sociedade. Segundo a European Aggregates Association [70] na Europa foram produzidas cerca de 2,66 biliões de toneladas, sendo que em Portugal o valor foi de 31 milhões. Esta exploração desmesurada levará a médio e a longo prazo, à degradação do ecossistema para as gerações vindouras. Todos os processos relativos ao processamento destas matérias-primas, tais como a extração, produção, fabrico, reciclagem e deposição final são motivos de preocupação, uma vez que o meio ambiente será o destino final de todos os resíduos criados [1]. Sendo o setor da construção civil um dos principais consumidores de matérias-primas naturais, estima-se que consuma 20 a 50 % do total de recursos naturais gastos pela sociedade [71]. Este tema tem sido amplamente estudado, para se conseguir uma integração entre a economia e o ambiente. Apesar de todas as recomendações políticas, a geração de resíduos tem vindo a aumentar nas últimas décadas em todo o mundo. Nos países europeus pertencentes à Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico (OCDE) entre 1990 e 1995, a produção de resíduos aumentou 11 %. Só na Europa foram gerados 1,3 biliões de toneladas de resíduos [72]. Devido à sua complexidade e possível toxicidade, os resíduos e subprodutos provenientes da atividade industrial representam enormes perdas económicas e também impactos ambientais, uma vez que a sua reutilização é difícil ou por vezes impossível, estando incluídos neste grupo os resíduos resultantes do setor da fundição, que serão alvo deste estudo. Atualmente, em Portugal os resíduos provenientes da indústria da fundição são os seguintes [8]: ▪ Pós de forno a arco elétrico: gerados aproximadamente 30000 ton/ano. Quando os preços do zinco são altos, são reciclados fora do país. Se for baixo, são depositados em aterros para resíduos perigosos; ▪ Areias de fundição: geradas sensivelmente 80000 ton/ano, quase todas depositadas em aterros, sendo uma ínfima parte utilizada na produção de clínquer; 20 ▪ Escórias dos fornos de fundição: geradas aproximadamente 5000 ton/ano, todas depositadas em aterros. A reciclagem de resíduos industriais requer conhecimentos multidisciplinares, tais como técnicas de engenharia, economia, ciências sociais e planeamento urbano e regional [1]. Com o intuito de desenvolver soluções viáveis, são necessários conhecimentos em Ciência e Engenharia de Materiais, devido à temática dos processos produtivos [73]. Na Figura 2 estão esquematizadas as diferentes fases dos materiais, sendo designado por “Ciclo de vida dos materiais.” Figura 2 – Esquema de um ciclo total de materiais [73] Todavia, existem exigências para um agregado, uma vez que a sua tipologia afeta bastante o desempenho das misturas, tanto no desempenho mecânico, como na durabilidade. Quanto às características físicas, é essencial o agregado ter uma granulometria e forma ajustada à sua utilização, visto que vai afetar a trabalhabilidade, durabilidade e desempenho [74]. Nas características mecânicas é necessário determinar o valor da resistência do agregado, para prevenir as solicitações limite [53]. Por último, no que respeita às características químicas, é fundamental estudar o tipo mineralógico dos agregados para precaver reações adversas no futuro, que podem comprometer a durabilidade. A utilização de moldes cerâmicos como substituto de agregados naturais em argamassas ainda não foi alvo de estudo. Também as ceras parafínicas impregnadas no processo de fundição possibilitam 21 o armazenamento térmico e podem ser classificadas como PCM. Este estudo foi realizado com os dois materiais referidos acima. 2.3.1Classificação Numa fase inicial, de forma a reutilizar os resíduos de fundição como matéria-prima total ou parcial em materiais de construção surge a necessidade de caracterizar os mesmos. É necessário determinar as características físicas, químicas, biológicas ou infectocontagiosas dos seus constituintes. De acordo com o DL nº 178/2006 [9], os resíduos são definidos pela sua origem (urbanos, industriais, construção e demolição): ▪ Resíduos Sólidos Perigosos: São os materiais que conferem perigosidade aquando da sua manipulação sendo as características principais o perigo se explosão, combustibilidade, inflamabilidade, toxicidade, infeciosos, corrosivos, entre outros; ▪ Resíduos Sólidos Inertes: São matérias que não sofrem transformações físicas, químicas ou biológicas capazes de adulterar o meio onde são depositadas. De notar que também não podem ser biodegradáveis de modo a não afetar a qualidade das águas superficiais e/ou subterrâneas; ▪ Resíduos Sólidos não Perigosos: São subprodutos que nas suas propriedades não acarretam riscos para o ambiente e saúde pública. Destes, os resíduos sólidos inertes e não perigosos podem ser depositados em aterros sanitários ou incinerados, os resíduos sólidos perigosos só podem ser depositados em aterros especiais. De acordo com a Portaria nº 209/2004 [10], os resíduos sólidos estão divididos por classes: ▪ Classe I: Resíduos Sólidos Perigosos - Aproximadamente 5 %; ▪ Classe II: Resíduos Sólidos Inertes – Aproximadamente 84 % ▪ Classe III: Resíduos Sólidos não Perigosos – Aproximadamente 11 %. É importante mencionar, que as areias de fundição que contêm aglomerantes e resinas representam 20 % do total de resíduos de classe I. Quanto às areias de fundição e moldagem e as escórias de fundição, representam uma grande parte da classe III, sendo oriundas do setor metalúrgico. 22 Esta classificação é crucial na caracterização dos resíduos provenientes dos diversos setores industriais, sendo preponderante na decisão dos processos de tratamento, devido a possíveis impactes ambientais e económicos. 2.3.2A indústria global de fundição Estima-se que em todo o mundo existem cerca de 35000 fundições em produção, produzindo assim 90 milhões de toneladas de produtos fundidos, sendo que mais de 10 milhões de toneladas são descartadas em todo mundo, através de resíduos criando graves impactes ambientais. Aos dias de hoje, menos de 30 % desses materiais são reciclados sendo os restantes depositados em aterros sanitários [74]. Até há pouco tempo, servia como material de aterro, mas atualmente está a tornarse num problema [75]. A Figura 3 exibe um gráfico com o volume de produção de materiais provenientes da indústria da fundição referente aos anos entre 1998 e 2009. Focando agora nos anos de 2000 até 2008, a indústria da fundição cresceu fortemente, aproximadamente 4,5 % por ano, até ao aparecimento da crise financeira internacional no final de 2008 [76]. Figura 3 – Produção global de materiais provenientes da indústria de fundição entre 1998 e 2009 [76] A produção de materiais resultantes do setor da fundição apresentou um decréscimo de 2 % em 2008 comparando com 2007, sendo a primeira queda registada em oito anos, fundamentada pela crise global. De 2010 em diante, o setor registou uma recuperação, em grande parte devido ao 23 desempenho das economias emergentes, sendo as mesmas atualmente as principais responsáveis pela produção mundial. Uma vez que a legislação não é tão restritiva nessas regiões, ainda não se sente uma grande pressão ambiental [76]. O pódio dos produtores mundiais de materiais provenientes da indústria de fundição é presidido pela China, que ocupa esse posto desde 2007, seguido dos Estados Unidos e por último a Rússia. O crescimento acelerado dos setores de infraestrutura, siderurgia e indústria automóvel sentido na China na última década influenciou o aumento da produção chinesa de derivados de fundições que destronou assim os Estados Unidos que liderou até ao início do novo milénio [76]. 2.3.3Processo de fundição Para gerar peças fundidas são necessárias ligas metálicas ferrosas (ligas de ferro e carbono) e nãoferrosas (ligas de cobre, alumínio, zinco e magnésio). Grande parte, aproximadamente 70 % do produto do total do material consiste em areia, visto que os moldes são formados por areia de fundição, que é abundante, ao mesmo tempo económica, resistente ao calor e facilmente impregnada no molde. No setor da fundição é utilizada areia de sílica de extrema qualidade e com tamanho de acordo com a moldagem e processo de fundição [77]. O método de moldagem mais utilizado no mundo, é um dos processos mais antigos, mas ao mesmo tempo mais multifacetados, consiste no processo em que metais ou ligas metálicas em estado líquido (fundido) são vazadas num molde onde é possível produzir peças de grande porte, com as geometrias mais variadas, posto isto, a fundição assume-se como um processo simples e económico. O primeiro passo no processo de fundição é a preparação da areia de moldagem para a confeção dos moldes, seguidamente escoa-se o metal líquido nos moldes, dando assim origem às peças metálicas, projetadas inicialmente [78]. O procedimento é resumido através das seguintes etapas: ▪ Confeção do modelo: Construção de um modelo com o formato da peça. A modelação é executada com areia verde compactando-a em torno do molde até atingir a dureza pretendida. Aquando da realização do modelo do molde deve ser contemplada a contração do metal quando o mesmo solidificar. Os moldes são executados em duas metades, para facilitar a desmoldagem e são feitos os canais de vazamento [78]. Depois 24 de montadas, no seu interior, haverá uma cavidade que posteriormente será preenchida pelo metal líquido [79]; ▪ Confeção dos machos: Os machos são componentes feitos de areia e lingotes que são resistentes para ser fixados no interior do molde [81]. A função do macho é impedir que o metal fundido siga pelos vasos internos [78]. ▪ Fusão: aquecimento dos metais até atingir o estado líquido, criação de resíduos entre os quais, escórias dos fornos, pós dos fornos, sucatas metálicas e pó de matérias-primas [78]; ▪ Vazamento: introdução do metal líquido no molde; ▪ Desmoldagem: Quebra do molde, após processo de arrefecimento, a peça fundida é retirada no estado bruto [78]; ▪ Quebra de canais: Fratura do sistema que alimenta a peça, daí resultam resíduos, entre os quais sucatas e areia de fundição [78]; ▪ Acabamentos: São realizados com cilindros rotativos e outras ferramentas, com o intuito de melhorar o aspeto final da peça [78]; ▪ Tratamento térmico: O principal objetivo é melhorar a resistência mecânica e corrosiva dos materiais. Seguidamente, segue-se o processo de controlo de qualidade, onde se retira as rebarbas presentes no acabamento e seguem para o processo de maquinagem, nos projetos em que a mesma é requisitada. Por último, as peças são dotadas de uma proteção superficial, conferido pelo óleo ou pintura [78]. 2.3.4Areia de fundição A areia de fundição é um subproduto de metais ferrosos e não ferrosos proveniente das indústrias de fundição, utilizado durante séculos como material de moldagem devido à sua condutibilidade térmica. A areia é reutilizada inúmeras vezes durante o processo, sendo que, é descartada no momento em que começa a apresentar perda de volume ou perda de qualidade de alguns componentes, sendo retirada da fundição e sendo denominada de areia de fundição a partir desse momento [81]. 25 A areia de fundição é uma mistura de vários componentes sendo principalmente constituída por “areia base” que é formada essencialmente por sílica (óxido de silício – SiO2), com tamanhos de grãos entre 0,15 mm e 0,6 mm. Existem também as areias ligadas quimicamente, sendo as mais usuais as areias revestidas com resina, areias de CO2, entre outras [77, 81]. Nos últimos anos foram realizados vários estudos com o intuito da areia de fundição ser reutilizada substituindo assim o agregado natural em betões e argamassas [2-7]. Mello, J. [82] analisou a possibilidade de incorporação de areia verde de fundição em argamassa para assentamento de cerâmicos. Os provetes foram moldados com incorporação de resíduo de 25 %, 50 %, 75 % e 100 % em substituição da areia natural. Realizaram-se ensaios de resistência à compressão e aderência e concluiu-se que a % que obtém melhor combinação de resultados é a realizada com teor de 50 %. Outra conclusão do estudo é que à medida que a percentagem de areia verde aumentava, tanto a resistência à compressão como a aderência diminuíram, sendo observado um aumento na absorção de água e no índice de vazios. No estudo desenvolvido por Biolo, S. [79] a areia de fundição é utilizada na produção de blocos cerâmicos, sendo realizadas diferentes misturas com a adição deste resíduo na massa cerâmica, foram produzidos provetes com 0 %, 5 %, 10 % e 20 % de resíduo. Foram estudadas as propriedades dos blocos, tais como absorção, resistência à flexão, composição química. Comprovou-se que os blocos com 10 % de areia de fundição está apto para comercialização. Noutros estudos, não se revelam mudanças significativas nas propriedades mecânicas do betão para níveis de substituição entre os 20 e os 30 % do agregado natural por areia de fundição [5-7]. Contudo, estudos com incorporação de maiores teores de areia de fundição relatam uma diminuição considerável na trabalhabilidade e resistência à compressão do betão, devido à presença de partículas finas de carbono e argila, que dificultam a adesão da areia de fundição à pasta de cimento [5,83,84]. 2.3.5Tipos de areia de fundição Existem dois tipos de areia de fundição: “areia verde” e a “areia ligada quimicamente”, sendo que são designadas em concordância com o processo ligante utilizado. De modo a confecionar os 26 moldes, utiliza-se areia aglomerada com argila, já na confeção dos machos utilizam-se areias aglomeradas com resinas sintéticas. Em ambos os casos, um agente de ligação, tem como objetivo manter a forma do molde e o arrefecimento durante o vazamento. As fundições geram uma grande quantidade de resíduos, cada fundição pode chegar a uma tonelada por ano, destes 30-60 % provém de núcleo e areias de moldagem [85]. Areia verde A totalidade da areia aglomerada com argila que é moldada no estado húmido é apelidada de “areia verde”, sendo que os moldes não são secos anteriormente ao vazamento [86]. Os materiais da areia verde são provenientes de recursos naturais, sendo misturados, areia de sílica de grande qualidade (85-95 %), argila de bentonita (4-10 %) que funciona como ligante, um aditivo carbonáceo (2-10 %) com o objetivo de aperfeiçoar o acabamento das superfícies da peça e por último, água (2-5 %), adquirindo cor preta, devido ao teor de carbono. É usual apresentarem resquícios de produtos químicos entre os quais óxido de magnésio (MgO), óxido de potássio (K2O) e dióxido de titânio (TiO2) [77, 81]. Como referido acima, o aglomerante mais utilizado é a bentonita, a qual tem de ser reposta aquando ocorre o vazamento do metal fundido, de modo a não perderem as suas características coesivas [86]. Grande parte da produção mundial de fundidos utiliza no seu processo a moldagem com areia verde. (aproximadamente 70 %), é bastante versátil pois permite a utilização de todas as ligas metálicas inclusive metais de alto ponto de fusão, tais como aços, níquel e titânio [87]. Areia ligada quimicamente Algumas peças que contém cavidades ou detalhes, tornam necessário colocar no interior dos moldes de areia peças sólidas, intituladas de machos, que são constituídos por misturas compatíveis com o material a ser vazado e o tamanho da peça projetada. Para o fabrico dos machos o sistema mais utilizado é o ligado quimicamente. Os machos devem conseguir resistir ao metal fundido, mas após o seu arrefecimento são retirados por impacto [87,88]. 33 A Figura 9 apresenta a distribuição granulométrica da cera utilizada na realização das argamassas do estudo. Figura 9 – Curva granulométrica dos grãos de cera parafínica utilizada no estudo Com recurso ao microscópio eletrónico foi possível visualizar em pormenor os grãos de cera parafínica (Figura 10). a) b) Figura 10 – Grão de cera parafínica: a) Ampliação 100x; b) Ampliação 1000x 34 As ceras utilizadas no estudo possuem capacidade de armazenamento térmico ao transitar do estado sólido para líquido e vice-versa, assim sendo, ao longo do estudo, foram consideradas como um PCM e muitas vezes designadas como tal. 3.1.4Superplastificante Para a realização das argamassas foi utilizado um superplastificante MasterGlenium Sky 617 (Figura 11), comercializado pela BASF, com uma densidade de 1041 kg m3 ⁄ Figura 11 – Superplastificante MasterGlenium Sky 617 da BASF 3.1.5Água No fabrico de todas as argamassas a água utilizada proveio da rede de abastecimento pública da Universidade do Minho, em Guimarães. 3.2 Composições estudadas As composições formuladas apresentam-se na Tabela 8. Analisando, observam-se 4 composições diferentes. Todas são constituídas por cimento CEM II/B-L 32.5 N e diferentes teores de incorporação de cera parafínica (PCM), sendo esta incorporada diretamente durante o processo de mistura das argamassas. 35 Foi fixada a quantidade de ligante em 750 𝑘𝑔 𝑚3 ⁄ tendo como base outros trabalhos científicos, e a previsão que a incorporação de resíduos de fundição, provocasse uma diminuição significativa do desempenho mecânico das argamassas desenvolvidas. Neste estudo foram formuladas argamassas de referência, sem incorporação de cera parafínica (PCM) e argamassas aditivadas com cera parafínica em 3 teores diferentes, sendo estes 20%, 40% e 60% em substituição da massa do agregado, ou seja, da massa de cascas de moldes cerâmicos. O superplastificante adicionado à mistura foi cerca de 1% da dosagem de ligante utilizado. Tabela 8 – Formulação das argamassas (kg/m3) Composição Cimento Cascas PCM SP Água C32.5-0PCM 750 1077 0 7,5 315 C32.5-20PCM 750 744,6 148,91 7,5 300 C32.5-40PCM 750 577,8 231,13 7,5 285 C32.5-60PCM 750 470,1 282,04 7,5 277,5 3.3 Procedimento de ensaio A maioria dos trabalhos experimentais foram realizados no Laboratório de Materiais de Construção do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho. No entanto, a realização dos ensaios de microscopia eletrónica e difração de raios X foram executados no Laboratório de Serviços de Caracterização de Materiais da Universidade do Minho (SEMAT/UM) e no Laboratório do Departamento de Engenharia Mecânica, da Universidade do Minho, respetivamente. 3.3.1Caracterização das matérias-primas A caracterização das matérias-primas assenta principalmente na definição da massa volúmica, observações microscópicas e análise granulométrica dos dois resíduos utilizados nas argamassas, sendo estes a cera e as cascas. Também são apresentados valores fornecidos pelos fabricantes de alguns constituintes. 36 ▪ Preparação das matérias-primas Neste estudo foram empregues resíduos que carecem de transformação para poderem ser incorporados em argamassas. Os resíduos foram usados com a menor transformação possível, de modo, a tentar minimizar os custos necessários para o seu tratamento e utilização. Para o estudo da argamassa pretendia-se, substituir o agregado fino por resíduos com uma granulometria similar. Na norma NP EN 12620 [95], designação do agregado em relação às aberturas do peneiro inferior (d) e do superior (D), sendo D≤4 mm é designado como agregado fino. Assim, tanto as cascas, como as ceras foram processados para essa dimensão com recurso a uma trituradora pés-de-carneiro, ou seja, através de um processo de britagem (Figura 12, b). a) b) Figura 12 – Cera parafínica: a) Material em bruto, b) Processamento da cera para granulometria pretendida (D <4mm) ▪ Massa volúmica A massa volúmica foi determinada de acordo com a norma NP 954 [96] para as cascas, através da norma NP 581 [97] para a cera e por último o cimento com recurso à especificação do LNEC E 64 [98]. Segundo a norma NP 954 [96], primeiramente foi colocada uma amostra de material em estufa a uma temperatura de 105ºC até se atingir a massa constante. Seguidamente, foi adicionada água à temperatura ambiente durante 24 h. Retirou-se a água e espalhou-se a areia num tabuleiro metálico, 37 secando a mesma com recurso a um secador, remexendo a areia de modo a que a secagem fosse uniforme. Como a areia se encontrava ligeiramente húmida, assenta-se a base maior do molde troncocónico numa superfície horizontal, não absorvente, enche-se completamente o molde com areia, sem fazer pressão nas sucessivas camadas de enchimento. De seguida compacta-se o material com 25 pancadas do pilão, uniformemente distribuídas e sem exercer pressão além da resultante do seu peso próprio. Posteriormente, retira-se o molde verticalmente, tentando não tocar com o mesmo no material moldado. Quando se obtiver a primeira moldagem que se deforme, considera-se que a areia tem as partículas saturadas sem água superficial. Interrompe-se de imediato o processo de secagem, retira-se cerca de 500 g de amostra e submete-se o provete sem perda de tempo a ensaio. Introduziu-se o provete no balão graduado, preenchendo-se o balão com água até próximo de 90 % da sua capacidade e agitando-se para libertar o ar retido pela areia (Figura 13). Completou-se o enchimento do balão até ao traço de referência com água, anotando-se a sua massa. Seguidamente forrou-se o peneiro com papel de filtro e colocou-se a água e areia. Secou-se o material na estufa a 105 ºC até massa constante, registando-se o valor. A diferença entre esta massa e a massa inicial do peneiro resulta na massa do provete seco. Encheu-se o balão graduado com água até ao traço de referência enxuga-se cuidadosamente, pesou-se e anotou-se a sua massa. Figura 13 – Procedimento para obtenção massa volúmica das cascas NP 954[96]. 38 A massa volúmica do material impermeável das partículas, em gramas por centímetro cubico, é calculada através da expressão 1: 𝑚3 𝑚3+ 𝑚4− 𝑚2 (1) A massa volúmica das partículas saturadas, em gramas por centímetro cubico, é calculada através da expressão 2: 𝑚1 𝑚1+ 𝑚4− 𝑚2 (2) A massa volúmica das partículas secas, em gramas por centímetro cúbico, é obtida através da expressão 3: 𝑚3 𝑚1+ 𝑚4− 𝑚2 (3) A absorção de água da areia, em percentagem, é calculada através da expressão 4: 𝑚1− 𝑚3 𝑚3 ×100 (4) Em que: 𝑚1 – massa do provete com as partículas saturadas sem água superficial (g); 𝑚2 – massa do balão com o provete e água (g); 𝑚3 – massa do provete seco (g); 𝑚4 – massa do balão com água (g). Seguidamente, para obtenção da massa volúmica da cera, seguiu-se a NP 581 [97], retirou-se uma porção do material e lavou-se o mesmo para remover todas as impurezas superficiais deixando-o depois mergulhado em água durante 24 H. Seguidamente retirou-se o provete da água e com recurso a um pano húmido limpou-se a superfície das partículas, evitando a perda da água absorvida. Colocou-se a amostra no cesto e registou-se a sua massa. De seguida mergulhou-se na água, agitando para desprender bolhas de ar que tenham ficado agarradas ao material e pesou-se 39 novamente. Secou-se o provete na estufa a 105ºC, até à massa constante. Todas as pesagens foram realizadas sem retirar o provete do cesto, de modo a evitar perdas do material. A massa volúmica do material impermeável das partículas, em quilogramas por metro cubico, é assim calculada através da expressão 5: 𝑚3 𝑚3− 𝑚2 × 𝜌 (5) A massa volúmica das partículas saturadas, em quilogramas por metro cubico, é obtida através da expressão 6: 𝑚1 𝑚1− 𝑚2 × 𝜌 (6) A massa volúmica das partículas secas, em quilogramas por metro cúbico, é calculada a partir da expressão 7: 𝑚3 𝑚1− 𝑚2 × 𝜌 (7) A absorção de água à massa do inerte seco, em percentagem, é calculada através da expressão 8: 𝑚1− 𝑚3 𝑚3 ×100 (8) Em que: 𝑚1 – massa do provete com as partículas saturadas (massa do provete saturado e do cesto) (g); 𝑚2 – massa do provete imerso (massa do provete e do cesto imersos em água) (g); 𝑚3 – massa do provete seco (massa do provete seco e do cesto) (g); ρ – massa volúmica da água à temperatura a que se realizou o ensaio (kg/m3). A obtenção da massa volúmica do cimento, foi realizada de acordo com a especificação do LNEC E 64 [98], foi colocada uma amostra do cimento na estufa, a uma temperatura de 105º C, até se 40 atingir a massa constante, de maneira a se expulsar toda a humidade contida na amostra. Seguidamente com recurso a um funil encheu-se a ampola do voluminímetro com o líquido auxiliar evitando molhar as paredes. Posteriormente, introduziu-se a amostra, aos poucos, com recurso ao funil. Por último, foi medido o volume de líquido auxiliar deslocado (Figura 14). Assim, segundo a expressão 9 foi calculada a massa volúmica real do cimento. a) b) Figura 14 – Procedimento para obtenção massa volúmica do cimento LNEC E 64: a) pesagem provete seco; b) Voluminímetro. 𝛾 = 𝑚 𝑉2− 𝑉1 (9) Em que: γ – Massa volúmica real (kg/𝑚3); m - Massa do provete seco (kg); 𝑉1 – Valor lido no voluminímetro contendo somente o líquido auxiliar (𝑚3); 𝑉2 – Valor lido no voluminímetro contendo o líquido auxiliar e o provete (𝑚3). ▪ Análise granulométrica A distribuição granulométrica dos agregados é preponderante e assumirá uma grande importância no comportamento das argamassas. Foi obtida a partir da norma NP EN 933-1 [99]. A peneiração dos materiais foi feita sem lavagem. As amostras foram colocadas na coluna de peneiros, iniciando-se pelo peneiro de maior abertura e agitando os diversos peneiros cuidadosamente para não perder material. Foi anotada a massa retida em cada peneiro. Na Figura 15 é possível ver a 41 diferença de tamanho dos grãos, sendo que os tabuleiros da esquerda, tanto na figura 15a) e 15b) já se encontram com grãos de dimensão inferior a 4mm. a) b) Figura 15 – Diferentes granulometrias dos materiais: a) Cascas; b) Cera parafínica. ▪ Morfologia das matérias-primas Com o objetivo de observar a morfologia das matérias-primas procedeu-se a observações microscópicas com recurso a um microscópio eletrónico de varrimento de alta resolução. O equipamento faz-se valer de um sistema de microanálise por raios X e análise de padrões de difração de eletrões retro difundidos. 3.3.2Preparação das argamassas Na preparação das argamassas de referência, Figura 16, o procedimento foi o seguinte: ▪ Pesar todos os constituintes das argamassas na balança eletrónica; ▪ Adicionar a água e o superplastificante; ▪ Realizar a mistura durante 30 segundos; ▪ Adicionar as cascas e o cimento; ▪ Efetuar a mistura dos constituintes durante 2 minutos. 42 Figura 16 – Processo de mistura da argamassa de referência na misturadora mecânica. O mesmo procedimento foi utilizado para as argamassas com incorporação de cera parafínica, sendo os principais passos os seguintes: ▪ Pesar todos os constituintes das argamassas na balança eletrónica (Figura 17); ▪ Adicionar a água e o superplastificante; ▪ Realizar a mistura durante 30 segundos; ▪ Adicionar as cascas, cera e cimento; ▪ Efetuar a mistura dos constituintes durante 2 minutos. Figura 17 – Constituintes das argamassas com incorporação de PCM. 49 a) b) Figura 22 – Ensaio para a determinação da resistência à compressão: a) Lloyd LR50K Plus em preparação; b) Lloyd LR50K após rotura do provete. A resistência à compressão foi calculada segundo a expressão 14: 𝑅𝑐=𝐹 𝑏 × 𝑑 (14) Onde: Rc – Resistência à compressão (MPa); F – Carga de rotura (N); b, d – Altura e largura da base do provete (mm). 3.3.9Ductilidade A ductilidade de uma argamassa intrinsecamente associada à energia de rotura do material, ou melhor, à capacidade de continuar a dissipar energia mesmo depois de se ter atingido a carga máxima. O valor da ductilidade é obtido através da relação entre a resistência à tração versus resistência à compressão. Quando se verifica um valor alto, significa um comportamento mais dúctil. 50 A ductilidade dá uma noção da capacidade da argamassa se deformar conforme as solicitações mecânicas que lhe são aplicadas. 3.3.10Rigidez A rigidez, foi obtida através dos resultados obtidos na realização dos ensaios de compressão aos 28 dias, tendo-se avaliado a evolução da força aplicada e a deformação axial de cada provete até atingir a rotura. Depois disso, através de uma regressão linear ajustando a reta à parte do gráfico correspondente ao comportamento elástico, foi possível determinar a rigidez de cada provete, sendo ela o declive da reta apresentada. 3.3.11Aderência A aderência das argamassas foi estimada segundo as especificações EN 1015-12 [104]. Com este ensaio foi possível estimar a aderência das argamassas aos 28 dias de idade, sendo aplicada a um substrato cerâmico, habitualmente empregue na construção civil para realização de alvenarias (Figura 23a)). Depois de aplicada e endurecida a argamassa foram efetuados carotes, utilizando-se uma caroteadora com broca circular com 50 mm de diâmetro interior (Figura 23b)). Seguidamente, e depois de limpar as superfícies da argamassa, foram aplicados discos metálicos usando uma resina epoxídica (Figura 23c)). Por último, foi realizado o ensaio com o equipamento corretamente nivelado aplicando a força necessária para obter a rotura dos provetes (Figura 23d)). A tensão de aderência foi calculada através da expressão 15: 𝑅𝑎=𝐹 𝐴 (15) Onde: Ra – Aderência (MPa); F – Carga de rotura (N); A – Área de teste (mm2). 51 a) b) c) d) Figura 23 – Preparação ensaio da aderência: a) Produção dos provetes, b) caroteadora, c) Colagem dos discos; d) Rotura dos provetes cerâmicos. 52 4. ANÁLISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS 4.1 Propriedades físicas das argamassas Neste capítulo serão apresentados e analisados os resultados obtidos relativos às propriedades físicas das argamassas, sendo elas, a trabalhabilidade, a massa volúmica, microestrutura, absorção de água por capilaridade e absorção de água por imersão. 4.1.1Trabalhabilidade Para validar o valor da trabalhabilidade das diferentes argamassas foram realizadas diversas misturas submetidas ao método da mesa de espalhamento e as mesmas foram consideradas válidas quando atingido o diâmetro de espalhamento igual a 200±5 mm. De acordo com a Figura 24a), foi possível observar que quanto maior a quantidade de cera parafínica incorporada, menor a quantidade de água necessária para obter uma argamassa homogénea, capaz de ser utilizada no mercado. A incorporação de 20 % PCM levou a uma redução de quase 5 % na relação água/ligante, a utilização de 40 % PCM originou uma redução de aproximadamente 9 %, sendo que a adição de 60 %, PCM determinou uma redução de cerca de 12 % na relação água/ligante. Na Figura 24b) é possível consultar os valores médios do diâmetro de espalhamento medido em cada composição. Este comportamento é explicado devido ao diferente valor de absorção dos materiais usados como agregados. A cera apresenta um valor de absorção de água inferior às cascas, sendo, portanto, expectável uma necessidade menor de água. 53 a) b) Figura 24 – a) Relação A/L das argamassas; b) Diâmetro obtido através da mesa de espalhamento 4.1.2Massa volúmica A massa volúmica das argamassas foi determinada, tendo em conta a respetiva massa e volume dos provetes. Como representado na Figura 25 verificou-se uma diminuição da massa volúmica das argamassas com o aumento do teor de cera parafínica, sendo possível constatar que a incorporação de 20 % de PCM levou a uma redução superior a 10 % comparando com a argamassa de referência. A incorporação de 40 % origina uma redução de 15 % relativamente à argamassa de referência, já a incorporação de 60 % leva a uma redução de quase 18 % comparando com a argamassa de referência. O comportamento observado é expectável e é motivado pela baixa massa volúmica das ceras parafínicas. Figura 25 – Massa volúmica das argamassas (Kg/m3) 0,42 0,4 0,38 0,37 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Água/Ligante Ref 20%PCM 40%PCM 60%PCM 19,9 19,6 19,7 19,6 19,0 19,1 19,2 19,3 19,4 19,5 19,6 19,7 19,8 19,9 20,0 Diâmetro (mm) Ref 20%PCM 40%PCM 60%PCM 54 4.1.3Morfologia da microestrutura Para avaliar a microestrutura das argamassas recorreu-se ao microscópio eletrónico, assim foram moldados provetes para as várias argamassas desenvolvidas. Este ensaio é fundamental, visto que avalia a existência de incompatibilidades entre os diferentes materiais presentes nas diversas argamassas. Na Figura 26 é apresentada a microestrutura das argamassas produzidas, onde é possível observar uma distribuição homogénea das partículas de cera parafínica e cascas, provenientes dos moldes cerâmicos. a) b) c) d) Figura 26 – Microestrutura da argamassa, ampliação 100x: a) Referência; b) 20% PCM; 40%PCM; c) 40%PCM; d) 60%PCM 55 Da Figura 27 a 30 é possível percecionar a presença de microfissuras nas diversas argamassas. As microfissuras desenvolvem-se na matriz da argamassa e envolvem as partículas de cascas de moldes cerâmico. Pode-se também observar que as partículas de cera de parafina são muitas vezes quebradas pelo desenvolvimento de microfissuras. a) b) Figura 27 – Microfissuras na argamassa Referência: a) Ampliação 500x; b) Ampliação 5000x. a) b) Figura 28 – Microfissuras na argamassa 20% PCM: a) Ampliação 500x; b) Ampliação 5000x. 56 a) b) Figura 29 – Microfissuras na argamassa 40% PCM: a) Ampliação 500x; b) Ampliação 5000x. Figura 30 – Microfissuras na argamassa 60% PCM: a) Ampliação 500x; b) Ampliação 5000x. O aparecimento das microfissuras nas argamassas encontra-se relacionado com uma ligeira reação expansiva observada durante a cura das argamassas, mesmo em condições de temperatura e humidade controlada. Essa reação expansiva é originada pela presença de sódio, potássio e magnésio nos agregados dos moldes cerâmicos provenientes da indústria de fundição. Sendo que quanto mais cera parafínica é adicionada, menos microfissuras serão visíveis. A reação encontrase relacionada com a reação alcali-sílica. Assim, será expectável que o comportamento à flexão/compressão, a aderência e o módulo de elasticidade secante serão assim mais reduzidos que o esperado. a) b) 57 4.1.4Absorção de água por capilaridade A facilidade de absorver água das argamassas é um fator bastante importante para a durabilidade das mesmas, sendo esta característica capaz de quantificar a capacidade de penetração de agentes agressivos nas argamassas. Há vários aspetos que contribuem para este fenómeno, sendo os principais a relação água/ligante, trabalhabilidade e condições de cura. A Figura 31 apresenta os resultados relativos ao coeficiente de absorção capilar. Foi possível verificar uma diminuição no coeficiente de absorção de água por capilaridade com o aumento do teor de cera parafínica. Os coeficientes de absorção capilar maiores mostram uma maior velocidade de absorção e coeficientes de absorção capilar mais baixos sugerem uma velocidade de absorção mais lenta. Figura 31 – Variação do coeficiente de absorção capilar. A incorporação de 20 % PCM levou a uma redução de aproximadamente 63 % da capacidade de absorção de água por capilaridade da argamassa de referência, já a incorporação de 40 % PCM originou uma redução de aproximadamente 89 % e por último, a introdução de 60 %PCM levou a uma redução superior a 92 %. Os valores são bastante baixos, mas encontram-se dentro dos valores esperados para um CEM II B-L 32.5N uma vez que apresentam relação água/ligante relativamente baixa. Este comportamento pode ser explicado pela presença de uma menor razão água/ligante nas argamassas com um maior teor de cera parafínica e também pela menor absorção de água que este material apresenta comparativamente às cascas cerâmicas, uma vez que quando incorporado em maior quantidade substitui uma maior quantidade de cascas cerâmicas. 58 A Figura 32 identifica o comportamento das 4 composições estudadas durante os 14 dias de ensaio realizados, sendo possível observar o comportamento das argamassas ao longo de todo o ensaio, segundo os dados apresentados é possível observar que as argamassas demoraram aproximadamente 12 dias a atingir a massa constante. De acordo com os resultados obtidos, foi possível observar que as argamassas de referência, sem incorporação de parafinas apresentaram maior capacidade de absorção de água, justificada pela maior microporosidade. Na figura 26a) e 26d), matriz da argamassa referência e matriz da argamassa 60 % de parafina, respetivamente, é possível observar que a argamassa com teor 60 % cera parafínica é mais compacta e com menor microporosidade, visível no tamanho menor dos poros, comparando com a argamassa referência, argamassa essa com 100 % de agregado proveniente das cascas dos moldes cerâmicos, comprovando assim a menor capacidade de absorção das argamassas com incorporação de ceras parafínicas. Figura 32 – Absorção de água por capilaridade. A Tabela 10 apresenta as classificações alcançadas, relativamente ao coeficiente de absorção de água por capilaridade, tendo em consideração a especificação NP EN 998-1 [105]. 65 cimentícia, evidenciada pelo aparecimento de microfissuras ao redor deste agregado, como pode ser observado entre as figuras 27 a 30, mas também pela reação alcali-sílica observada nas argamassas. Figura 39 – Variação da aderência. Figura 40 – Provetes depois do ensaio de aderência: a) Referência; b) 20% PCM; c) 40% PCM; d) 60% PCM a) b) c) d) 2 1 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 66 Como se pode observar na figura 40, não houve apenas um tipo de rotura nos provetes, na tabela 12 é possível percecionar o tipo de rotura de cada diferente composição, a mesma foi realizada conforme a norma EN 1015-12 [104]. Tabela 12 – Tipo de rotura dos provetes no ensaio de aderência EN 1015-12 [104]. Argamassa Provete Tipo de rotura Observações Referência 1 a) aderência rotura interface argamassa/substrato Referência 2 x rotura interface argamassa/resina Referência 3 c) coesiva rotura no substrato Referência 4 a) aderência rotura interface argamassa/substrato 20 % PCM 1 c) coesiva rotura no substrato 20 % PCM 2 c) coesiva rotura no substrato 20 % PCM 3 c) coesiva rotura no substrato 20% PCM 4 c) coesiva rotura no substrato 40 % PCM 1 x rotura com caroteadora 40 % PCM 2 c) coesiva rotura no substrato 40 % PCM 3 c) coesiva rotura no substrato 40 % PCM 4 c) coesiva rotura no substrato 60 % PCM 1 c) coesiva rotura no substrato 60 % PCM 2 c) coesiva rotura no substrato 60 % PCM 3 c) coesiva rotura no substrato 60 % PCM 4 c) coesiva rotura no substrato Depois de analisar a tabela 12, é possível verificar que 75 % dos provetes ensaiados romperam no substrato, sendo assim uma rotura coesiva, segundo a norma o valor da força adesiva será maior que o calculado. É de notar também que 50 % dos provetes de referência romperam no interface da argamassa com o substrato, apresentando assim uma rotura de aderência segundo a norma o valor da força adesiva é o obtido através do ensaio. Outro facto presente na tabela é que na argamassa com incorporação de cera parafínica, aproximadamente 92 % dos provetes ensaiados apresentaram rotura coesiva. 67 5. CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS A DESENVOLVER 5.1 Conclusão O objetivo desta dissertação foi desenvolver argamassas com substituição de agregado natural, por materiais reciclados provenientes da indústria da fundição e avaliar a sua viabilidade para aplicação no setor da construção civil, mais concretamente no revestimento de paredes interiores e exteriores, estudando as suas propriedades físicas e mecânicas. Este estudo pretende contribuir para o estado do conhecimento da temática, todavia é o primeiro estudo realizado incorporando estes resíduos de fundição em soluções construtivas. Com base nos resultados experimentais, conclui-se que a reutilização de ceras parafínicas e resíduos de moldes cerâmicos resultaram em alterações nas propriedades frescas e endurecidas das argamassas desenvolvidas. É importante referir que os resíduos de ceras parafínicas incorporadas nas argamassas podem ser considerados PCM orgânicos, e os mesmos podem ser adquiridos por um valor residual, fomentando assim a economia circular, surgindo assim como uma argamassa com grande potencial. Relativamente à trabalhabilidade observou-se uma ligeira redução da relação água/ligante à medida que se incorpora um teor mais elevado de cera parafínica, sendo possível afirmar que este fenómeno acontece devido à capacidade inferior de absorção de água da cera em relação às cascas (resíduos moldes cerâmicos). Através do microscópio eletrónico foi possível observar a microestrutura das argamassas desenvolvidas, onde foi possível visualizar uma distribuição homogénea das partículas de cera e de cascas. Porém durante a realização destas observações, foram detetadas microfissuras na microestrutura das argamassas relacionadas com uma ligeira expansão durante o período de cura das argamassas. A existência deste fenómeno é justificada pela presença de sódio, potássio e magnésio no agregado proveniente das cascas cerâmicas, devido a uma reação alcali-sílica. Devido a esta reação é previsível que as propriedades mecânicas das argamassas sofram um decréscimo, todavia foi observado no estudo realizado que as mesmas, apesar da diminuição dos valores referentes à resistência à flexão, resistência à compressão e aderência, o mesmo não impede a sua 68 aplicação prática, visto que as argamassas realizadas obtêm a classificação máxima de resistência à compressão, segundo a classificação presente na especificação NP EN 998:2010 [105]. Relativamente à absorção de água por capilaridade e imersão foi possível observar uma redução com a incorporação de um maior teor de cera em substituição do agregado proveniente das cascas, mais uma vez, pode ser justificado com a substituição do agregado proveniente das cascas por cera, devido à diferença na absorção dos dois materiais, a absorção de água da cera é aproximadamente quatro vezes menor que a das cascas e também pela menor relação água/ligante nas argamassas que contêm cera. Este comportamento pode ser considerado positivo, mesmo existindo as microfissuras nas argamassas, visto que as microestruturas das argamassas que contém cera é mais compacta, sendo expectável que tenham uma melhor durabilidade. Assim sendo, no final deste estudo é possível afirmar que se trata de uma solução que permite a incorporação de cascas cerâmicas e ceras parafínicas em substituição do agregado natural, podendo assim mitigar o problema da deposição destes materiais em aterros sanitários, promovendo a utilização dos mesmos em argamassas. Por outro lado, vai potenciar uma construção mais ecológica, visando assim atingir uma redução do consumo de energia e de recursos naturais. Contudo, é necessário salientar a necessidade de controlar e mitigar as reações expansivas que originaram a microfissuração das argamassas para que este comportamento não seja impeditivo da utilização destes resíduos industriais como substitutos dos agregados naturais. 5.2 Trabalhos futuros a desenvolver No desenvolvimento desta dissertação foram observados alguns comportamentos da argamassa que não puderam ser aprofundados e que deveriam ser estudados em trabalhos futuros, sendo os mais importantes: ▪ Estudo da durabilidade das argamassas contendo resíduos provenientes do setor da fundição; ▪ Estudo aprofundado sobre retração/expansão de argamassas contendo resíduos da indústria de fundição; ▪ Reformulação das dosagens das argamassas com o intuito de reduzir a microfissuração observada neste estudo; 69 ▪ Estudos mais pormenorizados sobre a temática das reações álcali-sílica. 70 6. 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