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Estudo da influência de processos de envelhecimento nas propriedades de aderência de uma argamassa-cola
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Micaela Rosa Barreiro
1 Estudo da influência de processos de envelhecimento nas propriedades de aderência de uma argamassa-cola Júlio C. Longo CICECO, Universidade de Aveiro, gmail.com Olga Barros Saint-Gobain Weber, Ana Barros Timmons CICECO, Universidade de Aveiro, Luis Silva Saint-Gobain Weber, J.A. Labrincha CICECO, Universidade de Aveiro, V. M. Ferreira CICECO, Universidade de Aveiro, Resumo: Com o objectivo de avaliar parâmetros que possam afectar a durabilidade de um cimento-cola, procedeu-se a um conjunto de ensaios laboratoriais que reflictam a influência dos mesmos nas propriedades da argamassa. Para o efeito, estudou-se a influência de factores ou fenómenos como a temperatura, humidade, raios ultravioleta, carbonatação, sais, entre outros, nas propriedades de uma argamassa-cola tipo C2, nomeadamente, ao nível da resistência por tracção perpendicular. Adicionalmente, fez-se uma avaliação mais pormenorizada de tal influência sobre a componente orgânica da argamassa de fixação. Palavras-chave: Argamassa-cola; condições de envelhecimento; humidade; calor; copolímero EVA. 1. INTRODUÇÃO O início da utilização de cerâmica como revestimento data de 27 A.C. no Egipto e, desde então, a sua influência foi sendo progressivamente mais forte, tendo tido um papel relevante na cultura islâmica, com o seu apogeu nos séculos XIX e XX e uma evolução significativa nos nossos dias em termos de tipos, formas e utilizações [1]. Em Portugal, a sua utilização merece especial destaque por constituir soluções para interiores, como revestimentos de paredes de cozinhas, de instalações sanitárias e outros, mas também pela sua utilização em revestimento de fachadas. Entre alguns factores que têm influenciado esta opção, destacam-se a valorização dos edifícios, a durabilidade, vasta funcionalidade e agradável efeito estético [2-4]. Por tudo isto, assistiu-se a um grande desenvolvimento da indústria cerâmica e dos processos de fixação dos ladrilhos cerâmicos. Contudo, as exigências de fixação tornaram-se progressivamente mais exigentes o que implica, no mínimo, um acompanhamento ao mesmo ritmo dos sistemas de fixação, caso contrário, o resultado
2 pode ser o aparecimento sucessivo de patologias associadas ao destacamento das peças cerâmicas [5]. Por isso, tal desenvolvimento tem implicado a transformação do cimentocola simples, apenas com cimento como material ligante, para colas de ligantes mistos, isto é, com base em formulações com uma componente mineral, obtida a partir do cimento, e uma componente orgânica, obtida a partir da adição de polímeros. Adicionalmente, os valores de tracção perpendicular deixaram de ser exclusivamente responsáveis pela decisão de escolha de um produto, sendo acompanhadas, especialmente na aplicação em fachadas, pela análise de deformação dos materiais. Contudo, ainda que se tenha caminhado no sentido de um aumento progressivo das propriedades associadas aos cimentos-cola, o resultado não tem sido, infelizmente, o mais desejado, dado que se tem observado um conjunto de patologias, especialmente associadas à aplicação em fachada. Por se tratar de uma questão de resolução difícil, assumem-se inúmeras restrições à fixação de elementos cerâmicos em fachada que passam por parâmetros como a altura da aplicação dos cerâmicos, o formato e tipo dos mesmos, entre outros [6,7]. Alguns autores, justificam as patologias de destacamento, essencialmente do ponto de vista mecânico, já que um sistema complexo, composto por ladrilhos cerâmicos, argamassa-cola, suporte e produto de preenchimento de juntas, está sujeito a um conjunto de variações dimensionais capaz de gerar restrições de movimentos e, por conseguinte, uma concentração de tensões de compressão, tracção ou corte, cujo resultado pode ser o destacamento do revestimento por várias interfaces possíveis. Outras justificações, passam pela indicação de problemas associados à aplicação dos materiais, que condicionam a colocação em perfeitas condições, para se obter máximo desempenho [8-1]. Uma alternativa de análise pode passar, no entanto, por possíveis alterações químicas e estruturais na argamassa-cola, já que na sua constituição, existem componentes que podem sofrer alterações químicas ou físicas, em função de exposição a condições favoráveis às mesmas [11,12]. Neste contexto, o trabalho em curso pretende apresentar um estudo sobre a influência de algumas variáveis na estrutura da argamassa-cola. Entre estas, destaca-se os efeitos da temperatura, da água, dos raios ultravioletas (U.V.) e de sais solúveis. A análise da sua influência compreende a medição dos valores de tracção perpendicular e análises da componente orgânica da argamassa, por extracção química, análise térmica gravimétrica e diferencial (TG/ATD) e por espectroscopia no infravermelho (IV) e espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão ( 1 HRMN). 2. MATERIAIS A formulação de argamassa-cola testada consiste numa mistura de ligantes minerais e orgânicos, agregados e adjuvantes para conferir propriedades específicas, de acordo com o indicado na tabela 1. A mistura apresentada é, posteriormente, amassada com água, numa proporção de 25ml H 2 O para 1g de pó, de acordo com as normas EN 124 e EN 1348.
3 Tabela 1. Constituição da argamassa-cola em análise Constituinte Características gerais* % (em massa) Cimento cinza I, Areia mm Metil hidróxi etil celulose Viscosidade: aprox. 15 mpa.s.47 Poli(etileno-co-acetato de vinilo) EVA Tg: +16 ºC 5 *dados do fornecedor Preparam-se uma série de provetes que, após 28 dias sob condições de cura padrão, foram submetidos às seguintes condições de envelhecimento, tal como abaixo se descreve: a) 28 dias condições padrão Por condições padrão consideram-se aquelas relativas na norma EN 1348, para argamassas-cola: humidade relativa (Hr) (55%) e temperatura (23 ºC). b) n ciclos de imersão em solução salina de cloretos; As amostras foram imersas numa solução aquosa de cloreto de sódio (.1M) durante 24 horas e, posteriormente, secas em estufa ventilada (7 ºC) por igual período de tempo. Seguidamente, as amostras foram então sujeitas a ciclos diários de 12 horas a 9 % H r e 12 horas a 6 % Hr a uma temperatura constante de 23 ºC. Para cada conjunto de ciclos registou-se o valor de tracção e o estado de integridade das amostras. c) n ciclos de imersão em solução salina de sulfatos; As amostras foram imersas numa solução aquosa de sulfato de sódio (.1 M) durante 2 horas e, posteriormente, secas em estufa ventilada (7 ºC) durante 22 horas. Para cada conjunto de ciclos registou-se o valor de tracção e o estado de integridade das amostras. d) condições de carbonatação; As amostras foram inseridas numa câmara com 9% de H r e.15 atm de CO 2. Em função do tempo de exposição, realizaram-se ensaios de tracção perpendicular e avaliou-se o estado de integridade das amostras. e ) exposição a radiação de raios U.V.; As amostras foram expostas a raios U.V., com uma potência de 16 W, durante um período de 5 horas, seguido de 19 horas em condições padrão. 3. ENSAIOS REALIZADOS Os primeiros ensaios consistiram na determinação da aderência por tracção perpendicular, para avaliação da propriedade que define a eficiência da argamassa-cola. Tendo em conta a sensibilidade da componente orgânica às condições de cura/envelhecimento testadas complementarmente, recolheram-se amostras da argamassacola após exposição às várias condições de envelhecimento e procedeu-se a um conjunto de análises, com particular interesse na componente orgânica da argamassa.
4 3.1. Ensaios de caracterização da argamassa a) De acordo com a norma EN 1348 e EN 124: após a amassadura, preparam-se os provetes de ensaio, relativamente à aderência por tracção perpendicular, igualmente de acordo com a EN 1348, para aderência (a) inicial, (b) após imersão, (c) após envelhecimento por calor e (d) ciclos de gelo-degelo [13]. b) Extracção química As amostras de argamassa-cola endurecida, em condições de cura padrão e envelhecidas, de acordo com os procedimentos indicados na secção 2, foram submetidas a uma extracção Shoxlet utilizando acetato de etilo como solvente. O objectivo desta etapa é duplo: (i) determinar a massa de polímero extraída/removido e compará-la com a massa inicial de polímero utilizada na preparação da argamassa (i.e. determinar a percentagem de massa de polímero que se conseguiu remover cujos resultados são expressos em percentagem de massa, calculada relativamente à massa inicial da amostra.); (ii) isolar a componente orgânica para posterior caracterização. c) Análise térmica gravimétrica e diferencial (TG/ATD) As amostras foram submetidas às análises térmicas, num equipamento LABSYS TGA/DSC, modelo SETARAM Netzsch STA 49EP, que permite a realização simultânea da análise térmica diferencial e gravimétrica. Procedeu-se à moagem manual prévia, da amostra, usando um martelo coberto por alumínio para evitar contaminação e, seguidamente, uma segunda moagem em almofariz de ágata, até se obter um diâmetro de partículas homogéneo. As amostras foram submetidas a um aquecimento contínuo, à taxa de 1 ºC/min., de 25 ºC a 12 ºC, sob atmosfera de N 2 (2 ml/min). d) Análise por espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão ( 1 HRMN) Os espectros de 1 H RMN foram obtidos em solução num espectrómetro BRUKER AMX- 3 MHz utilizando tetrametilsilano como padrão. As amostras foram dissolvidas em clorofórmio deuterado (ca 1 mg/ml). e) Análise por espectroscopia no infravermelho (IV) Os espectros de IV foram registados num espectrómetro Mattson 7 com transformadas de Fourrier (FTIR). As amostras foram misturadas com KBr (ca 1% amostra relativamente ao KBr), moídas e prensadas para se obterem pastilhas de KBr. 4. RESULTADOS 4.1. Aderência por tracção perpendicular As tabelas 2, 3, 4 e 5, apresentam os resultados relativos à aderência por tracção perpendicular, para as várias condições de envelhecimento adoptadas. Adicionalmente, indica-se o tipo de rotura, maioritariamente verificado para cada caso.
5 Tabela 2. Aderência por tracção perpendicular em função de vários requisitos da norma EN 124 (CF- rotura coesiva; A- adesivo; AF- rotura adesiva; T- cerâmico). Condição do ensaio Aderência (N/mm 2 ) Tipo de Rotura Inicial (Padrão) 2.34 CF-A (7%) Após envelhecimento por 1.5 AF-T (6%) calor (a quente) (1) Após envelhecimento por 2.64 CF-A (7%) calor Após imersão em água 1.1 AF-T (1%) Após ciclos gelo-degelo 1.14 AF-T (1%) (1) Medição após saída da estufa a quente (ensaio não exigido pela norma para este tipo de produto). Tabela 3. Aderência por tracção perpendicular da argamassa, após exposição num ambiente de CO 2 (.15 atm) e 9% H r (ensaio carbonatação). Tempo exposição Aderências (N/mm 2 ) Tipo de Rotura 7 dias 1.95 CF-A (5%) 22 dias 2.1 CF-A (6%) 37 dias 2.7 CF-A (3%) 55 dias 2.5 CF-A (3%) CF- rotura coesiva; A- adesivo. Tabela 4. Aderência por tracção perpendicular da argamassa, após sujeição a ciclos de envelhecimento por acção de cloretos. Nº ciclos Aderências (N/mm 2 ) Tipo de Rotura CF-A (6%) CF-A (9%) CF-A (7%) CF- rotura coesiva; A- adesivo.
6 Tabela 5. Aderência por tracção perpendicular da argamassa, após sujeição a ciclos de envelhecimento por acção de sulfatos. Nº ciclos Aderências (N/mm 2 ) Tipo de Rotura AF-T (1%) CF-A (3%) CF-A (4%) CF- rotura coesiva; A- adesivo; AF- rotura adesiva; T- cerâmico Extracção química A figura 1 apresenta a percentagem de matéria removida por extracção química de argamassas após serem sujeitas a diferentes condições de envelhecimento. 2, % massa extraída 1,5 1,,5, Cloretos Sulfatos Imersão Carbonatação Ciclos de calor U.V. Calor 28 dias (padrão) Figura 1. Percentagem de matéria removida por extracção das amostras em análise Análise TG/ATD Os resultados relativos à análise termogravimétrica estão ilustrados na figura 2. Os resultados apresentados referem-se à caracterização das amostras de argamassa-cola após cura sob condições padrão e posterior submissão a algumas condições de envelhecimento representativas. Adicionalmente, inserem-se resultados relativos ao comportamento de um filme do co-polímero EVA, preparado a partir de uma mistura do material em pó com água numa proporção 1:1 e seco posteriormente, em condições de cura padrão, durante um período de 28 dias.
7 28 dias (padrão) Calor TG (%) TG ATD Fluxo energético (µv) TG (%) TG ATD Fluxo energético (µv) T (ºC) T (ºC) -3 Carbonatação Filme EVA TG (%) TG ATD T (ºC) Fluxo energético (µv) TG (%) TG ATD T(ºC) Fluxo energético (µv) Figura 2. Análise TG/ATD relativa à amostra a) após cura em condições padrão, b) após acção do calor, c) após carbonatação e d) do filme de EVA isolado Análise por espectrometria 1 HRMN e IV A figura 3 apresenta os espectros 1 HRMN da parte orgânica extraída da argamassa-cola após cura sob condições padrão e posterior submissão a algumas condições de envelhecimento representativas. Para comparação, apresenta-se ainda o espectro do copolímero EVA. Na tabela 6, apresenta-se a relação de áreas dos picos entre os protões correspondentes aos ambientes químicos mais significativos para todos os ensaios realizados. No caso específico do co-polímero EVA é considerada a seguinte atribuição: δ H [3 MHz CDCl 3 ]: (6H, CH 2 -CH 2 e CH 2 -CHO), 2.5 (3H, CH 3 -C[O]O), 4.89 (1, CH 2 -CHO).
8 Tabela 6. Efeito das condições de envelhecimento sobre a relação entre os protões em diferentes ambientes químicos da componente orgânica. Amostra/ Tipo de ensaio CH 2 -CHO (a) (esqueleto da cadeia) CH 3 -C[O]O (b) (grupo acetato) CH 2 -CH 2 e CH 2 -CHO (c) (esqueleto da cadeia) EVA Padrão Ciclos térmicos Calor Cloretos Ciclos térmicos Carbonatação Imersão UV ) ) (b) 1 (a) (c) ppm (t1) ppm (t1) ) ) ppm (t1) ppm (t1) Figura 3. Espectros de 1 HRMN de 1) EVA e material extraído das argamassas-cola, sujeitas a diferentes condições de envelhecimento: 2) cura padrão, 3) calor e 4) carbonatação.
9 Através da espectrometria no IV registou-se o desaparecimento da banda a 1743 cm -1, correspondente do grupo carbonilo do acetato, para as amostras que foram expostas a condições de envelhecimento promotoras de hidrólise. 5. DISCUSSÃO DE RESULTADOS Os resultados indicados na tabela 2, relativos à caracterização da argamassa, segundo os ensaios da norma EN 1348, revelam um produto com aderências elevadas após 28 dias de cura e após envelhecimento por calor. A medição a quente, porém, indica um valor menor de aderência. Tal pode ser justificado pelo facto de, à temperatura de ensaio (7 C), o grau de mobilidade das cadeias ser superior. No entanto, percebe-se que as alterações, a existirem, são reversíveis já que a medição após o arrefecimento, e segundo as orientações da EN 1348, corresponde a valores bastante superiores, até maiores que em condições padrão. Por outro lado, as medições relativas aos ensaios que implicam a presença de humidade, como a imersão em água e os ciclos gelo-degelo, resultam em valores substancialmente menores que nas outras condições de envelhecimento. Porém os dados das tabelas 3, 4 e 5, relativos a testes de influência de carbonatação e de sais, que implicam igualmente a presença de humidade, não revelam qualquer tendência ao longo dos ciclos de envelhecimento o que evidencia que a componente inorgânica da argamassa-cola também tem um papel significativo mas que não foi objecto de estudo. Os resultados da figura 1, referentes à extracção química, efectuada com o objectivo de isolar a componente orgânica do compósito, indicam que quando há imersão em água ou contacto com ambientes de elevada humidade relativa, verifica-se que a quantidade de matéria extraída é menor em comparação com os valores obtidos em condições de humidade relativa inferior a 55% (cura padrão). A diferença poderá ser justificada através das seguintes hipóteses: (i) o polímero após degradação (causada pelo envelhecimento) não é solúvel no acetato de etilo e/ou liga-se fortemente à argamassa não sendo por isso removido durante o processo de extracção. (ii) no caso das amostras submetidas a envelhecimentos que envolveram imersão em água e /ou soluções aquosas, o polímero poder-se-á dissolver na fase aquosa durante o processo de envelhecimento. Relativamente à hipótese (i), tal como se discute a seguir, as análises de ATD e IV das argamassas após extracção, sugerem a presença de polímero EVA degradado. No que respeita a hipótese (ii), a análise da água do ensaio de imersão confirmou a presença do co-polímero EVA ainda que com uma percentagem de hidrólise significativa. A análise da figura 2, relativa aos ensaios de ATD/TG do filme do co-polímero EVA, mostra que a decomposição do mesmo ocorre em dois passos principais: entre os 3 ºC e 4 ºC verifica-se uma perda de massa próxima de 4%, relacionada com a perda do grupo acetato e, entre os 425 ºC e 47 ºC, verifica-se uma perda acentuada de massa identificada com a degradação da estrutura poliénica [(CH 2 -CH 2 ) n -(CH=CH) m ][14]. Adicionalmente, os resultados relativos à amostra compósita, revelam alguns processos comuns, independentemente das condições de envelhecimento: a) Uma zona entre 8 ºC e 13 ºC relativa a perda de água, que se pode prolongar até aos 24 ºC, por correspondência com a saída de grupos hidroxilo do gesso e de algumas fases do cimento hidratado [15]; b) Uma zona entre 2 ºC e 47 ºC cuja perda de massa pode ser associada à decomposição do co-polímero EVA bem como do acetato de cálcio formado a partir da combinação do ião acetato (CH 3 COO - ) com o ião cálcio (Ca 2+ ). O primeiro
10 resultante da hidrólise alcalina do co-polímero EVA e o segundo resultante das reacções de hidratação do cimento portland [16,17]; c) Uma zona a partir dos 5 ºC, relativa principalmente à componente inorgânica da argamassa, que revela a desidroxilação da cal hidratada, que decorre perto dos 54 ºC e, a decomposição do carbonato de cálcio, entre os 68 ºC e 79 ºC [17,18]. Quando se comparam com maior detalhe as curvas TG/ATD da argamassa sujeita a diferentes condições de envelhecimento, verifica-se que o tipo de curva é semelhante, mesmo por comparação com as condições padrão. Porém, a amostra envelhecida por carbonatação, em condições simultâneas de humidade relativa elevada, apresenta perdas maiores nas zonas identificadas atrás como a) e b) e, sobretudo, em c) uma vez que a carbonatação incrementa a quantidade de carbonato que depois originará reacções de descarbonatação mais intensas. Nesta zona, a perda de massa atinge 8% enquanto que na amostra padrão é de 3% e na amostra sujeita a calor é de 5%. A curva ATD, nesta condição de envelhecimento particular, sugere uma redução dos picos exotérmicos da zona b) que pode derivar da decomposição do co-polímero EVA e do acetato de cálcio entre 2 e 47 ºC. A observação dos resultados da figura 3 e da tabela 6, relativos às análises por 1 HRMN, indica que, em todas as amostras, os protões se encontram em ambientes químicos idênticos. Porém, analisando a razão das áreas dos diferentes picos correspondentes aos vários ambientes químicos, verificam-se diferenças significativas consoante o processo de envelhecimento, corroborando as sugestões das análises anteriores sobre uma possível degradação do co-polímero EVA da argamassa-cola. Enquanto que no co-polímero EVA a proporção de protões é de acordo com a atribuição referida em 4.4 de 1:3:6, nas amostras de material extraído após envelhecimento por condições que envolvem a presença de humidade ou imersão, a razão altera-se para 1:3:9 até 1:3:13, evidenciando a diminuição dos protões do grupo acetato (b) relativamente aos protões do esqueleto da cadeia (c). Quando as condições de cura da argamassa-cola implicaram calor, a razão não é tão fortemente alterada, embora se observe um decréscimo da área dos grupos metileno do esqueleto da cadeia (c) sugerindo alguma ruptura da mesma. Estes resultados são ainda concordantes com os espectros de IV obtidos para as várias amostras. 6. CONCLUSÕES Além de parâmetros mecânicos capazes de influenciar o comportamento de uma argamassa-cola no processo de fixação de um cerâmico, existe todo um conjunto de factores ambientais capazes de alterar os componentes da argamassa-cola, do ponto de vista químico. Entre os vários componentes possíveis, o trabalho em questão, indica alterações ao nível do polímero, capazes de modificar as propriedades de aderência da argamassa-cola. Assim, as condições de humidade elevada alteram significativamente a componente orgânica de uma argamassa-cola. Tal influência, parece implicar a hidrólise do co-polímero EVA. Como resultado de tais alterações, resulta uma diminuição gradual dos valores de aderência por tracção perpendicular do material de fixação. Esta interpretação assume ainda maior significado ao analisar um estudo de campo, efectuado por Silvestre e Brito [19], que indica condições ambientais, como a humidade e a presença de sais, como significativamente responsáveis pela maioria das anomalias na colagem de cerâmica, entre as quais, o destacamento.
11 A justificação para tais observações não passa, certamente, apenas pelas alterações relativas à parte orgânica da argamassa-cola, uma vez que a parte inorgânica, que deriva das reacções de hidratação de cimento, é fortemente influenciável em ambientes de elevada humidade relativa. Esta observação pode, por exemplo, justificar o facto da aderência não ter decrescido, tão significativamente, nos ensaios de exposição a soluções salinas e de carbonatação, quando comparada com a que se obtém com amostras imersas. A confirmar-se, tal significa que o valor de uma aderência é o resultado de uma combinação complexa entre os ligantes minerais e orgânicos, com difícil previsão sobre o mais determinante no desempenho global. No entanto, qualquer que seja o efeito de um determinado factor sobre o conjunto ou simplesmente numa fracção da argamassa, pode implicar alterações significativas ao nível da aderência do material de fixação, capazes de conduzir a diminuições da sua eficiência, pelo que merece a continuidade de estudos similares para melhoria das opções existentes. 7. AGRADECIMENTOS Júlio Longo agradece a bolsa de mestrado ao EMMS European Masters in Materials Science, um programa de mestrado conjunto apoiado pelo programa Erasmus Mundus. 8. BIBLIOGRAFIA [1] Roig, A.M.P., Reflection on the use of architectural ceramics in exteriors, in General Conferences, Qualicer 22, II, P.GII-23. [2] Freitas, V.P., Sousa, A. V.S., Silva, J.A.R.M., Manual de aplicação de revestimentos cerâmicos, Coimbra, Março 23. [3] Veloso, A. Barros, Almasque, Isabel, Azulejos de fachada em Lisboa, Revista Municipal, [4] Loureiro, J.C., O azulejo, possibilidade da sua reintegração na arquitectura portuguesa, 1962, Porto. [5] Lucas, J. A. Carvalho, Abreu, M. M. Mendes, Revestimentos cerâmicos colados, descolamento, Patologia e reabilitação das construções 4, LNEC, 25, Lisboa. [6] Revêtements de murs extérieurs en carreaux céramiques ou analogues collés au moyen de mortiers-colles, Cahier des prescriptions techniques d exécution, CSTB, 2, Paris. [7] Bize, B., Une certification CSTBat pour les colles à carrelage, CSTB magazine, 2, Paris. [8] Casademunt, A. P., Análisis de las causas que han producido el desprendimiento generalizado de azulejos en un hotel de reciente construcción y propuesta de intervención, 2, , Patorreb 26, Porto. [9] Abreu, M., Descolamento e fendilhação em revestimentos cerâmicos, 3º Encore, LNEC, , 23, Lisboa. [1] Pinheiro, D. S., Bragança, L., Aguiar, J. L. B., Descolagem de um revestimento cerâmico em fachada, 2, 41-49, Patorreb 26, Porto.
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