Avaliação mecânica de argamassas de revestimento com adição de polpa de nanofibrilada e microcelulose cristalina sob ação de ciclos de choque térmicoRESUMO
As argamassas de revestimento são constantemente expostas a variações de temperatura, alternando entre calor e frio, sol e chuva, o que gera ciclos de choque térmico que podem comprometer sua durabilidade. Neste contexto, este estudo avaliou o impacto da incorporação de microcelulose cristalina (MCC) e polpa de nanocelulose fibrilada (NFC) no desempenho e na durabilidade dessas argamassas, com ênfase na resistência aos ciclos de choque térmico. Na metodologia, as argamassas foram avaliadas no estado fresco por meio de ensaios de teor de ar incorporado, densidade de massa e índice de consistência por meio do flow table. Após a cura, foram submetidas a ciclos de molhagem e secagem, simulando o efeito do choque térmico, e avaliadas quanto à resistência à compressão e à tração na flexão. Os resultados indicaram que a polpa de NFC aumentou a incorporação de ar, reduzindo a densidade e melhorando a trabalhabilidade, enquanto a MCC elevou a densidade da mistura no estado fresco. No desempenho mecânico, a polpa de NFC em 0,2% reduziu significativamente a resistência à compressão, enquanto as demais formulações apresentaram comportamento semelhante à referência. As adições de MCC e polpa de NFC empregadas nas argamassas de revestimento não influenciaram positivamente nas propriedades de resistência à tração na flexão. O choque térmico afetou a resistência à compressão, sendo o impacto maior nas argamassas com MCC’s, enquanto as com polpa de NFC’s mostraram maior estabilidade térmica. Já a resistência à tração na flexão os ciclos de choque térmico não foram significativamente influenciados pelas adições testadas.
Palavras-chave:
Ciclagem; Nanomateriais; Durabilidade; Estabilidade térmica
ABSTRACT
Rendering mortars are constantly exposed to temperature variations, alternating between heat and cold, sun and rain, which generate thermal shock cycles that can compromise their durability. In this context, this study evaluated the impact of incorporating crystalline microcellulose (MCC) and fibrillated nanocellulose pulp (NFC) on the performance and durability of these mortars, with an emphasis on resistance to thermal shock cycles. In the methodology, the mortars were evaluated in the fresh state through tests for air content, bulk density, and consistency index using the flow table method. After curing, they were subjected to wetting and drying cycles to simulate the effect of thermal shock and assessed for compressive strength and flexural tensile strength. The results indicated that NFC pulp increased air incorporation, reducing density and improving workability, while MCC increased the density of the fresh mixture. In terms of mechanical performance, the addition of 0.2% NFC significantly reduced compressive strength, whereas the other formulations exhibited behavior like reference. The incorporation of MCC and NFC pulp in rendering mortars did not positively influence flexural tensile strength properties. Thermal shock affected compressive strength, with a greater impact on mortars containing MCC, whereas those with NFC pulp demonstrated greater thermal stability. Flexural tensile strength, on the other hand, was not significantly influenced by the tested additions under thermal shock cycles.
Keywords:
Cycling; Nanomaterials; Durability; Thermal stability
1. INTRODUÇÃO
A argamassa é um material essencial na construção civil, amplamente utilizado em revestimentos de paredes, tetos e fachadas devido à sua versatilidade, facilidade de aplicação e custo relativamente baixo [1,2]. Sua composição básica inclui aglomerantes, agregados miúdos e água, podendo conter aditivos para aprimorar suas propriedades mecânicas e de durabilidade. Conforme a norma ABNT NBR 13749 [3], a argamassa de revestimento deve atender a requisitos específicos de desempenho, sendo avaliados principalmente em três critérios: aderência ao substrato, impermeabilidade à água da chuva e durabilidade.
A durabilidade de um revestimento argamassado está diretamente relacionada à sua capacidade de manter o desempenho ao longo de sua vida útil, resistindo a fatores ambientais e mecânicos [4]. No entanto, sua integridade pode ser comprometida por agentes de degradação, como a umidade, a variação térmica e os ciclos de carregamento estrutural, que podem ocasionar manifestações patológicas como fissuras, desplacamentos e perda de aderência [4,5]. Dentre esses agentes, o choque térmico se destaca como um fator crítico, especialmente em fachadas expostas às intempéries. Durante o dia, a radiação solar aquece a superfície da argamassa, enquanto chuvas repentinas podem resfriá-la bruscamente, gerando gradientes térmicos significativos entre as camadas interna e externa do material. Esses ciclos de expansões e contrações sucessivas podem levar à fadiga do revestimento, comprometendo suas propriedades físico-mecânicas e reduzindo sua vida útil [5].
Diante desse cenário, a busca por soluções inovadoras para aumentar a resistência da argamassa ao choque térmico tem levado à investigação de materiais celulósicos, que apresentam potencial para melhorar as propriedades mecânicas e a durabilidade dos revestimentos. Nos últimos anos, materiais como a nanocelulose e a microcelulose cristalina vêm sendo amplamente estudados na engenharia civil devido à sua estrutura natural, resistência mecânica e compatibilidade ambiental [6,7,8]. A incorporação desses materiais em escala micro e nano pode otimizar as propriedades físico-químicas das argamassas, aumentando sua resistência à fissuração e melhorando sua estabilidade térmica [9].
Entretanto, desafios técnicos ainda precisam ser superados para garantir a dispersão homogênea dessas partículas na matriz cimentícia, evitando aglomerações que possam prejudicar o desempenho mecânico do material [10]. A microcelulose cristalina, por sua estrutura ordenada e elevada resistência à compressão e tração, tem se mostrado uma alternativa promissora para reforçar argamassas de revestimento [9]. Já a celulose nanofibrilada, devido à sua alta área superficial e reatividade, oferece vantagens adicionais, como biocompatibilidade e interação aprimorada com a matriz cimentícia [11].
Com base nesses avanços, esta pesquisa tem como objetivo analisar experimentalmente o potencial da microcelulose cristalina e da polpa de nanocelulose na mitigação da degradação de argamassas de revestimento submetidas a ciclos de choque térmico, contribuindo para o desenvolvimento de materiais mais duráveis e sustentáveis na construção civil.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Materiais
Foram utilizados dois tipos de materiais celulósicos na produção das argamassas de revestimento: microcelulose cristalina e polpa de nanocelulose fibrilada. A microcelulose cristalina (Figura 1a) é um produto comercial obtido a partir de fibras de celulose purificadas, submetidas a um processo de hidrólise ácida. Na etapa inicial, a polpa de celulose é tratada com uma solução ácida diluída. Posteriormente, a pasta resultante passa por etapas de lavagem, filtração e moagem, resultando nas partículas desejadas de microcelulose cristalina. A polpa de nanocelulose fibrilada (Figura 1b) foi obtida a partir de polpa Kraft branqueada de Eucalyptus sp. Inicialmente, a polpa foi desintegrada em um liquidificador de 450 W de potência por 30 segundos. Em seguida, passou por processamento no microprocessador. Para a produção das polpas de nanocelulose fibrilada foram utilizados os seguintes parâmetros: rotação de 1500 rpm, 10 passagens pelo moinho e consistência 1%.
O cimento Portland utilizado na produção das argamassas de revestimento foi do tipo CP II F-32, conforme especificado pela NBR 16697 [12]. Os teores de óxidos e a caracterização química do cimento, fornecidos pelo fabricante, estão apresentados na Tabela 1. A cal utilizada foi classificada como CH-III, de acordo com a NBR 17054 [13]. A areia natural foi empregada como agregado miúdo na composição das argamassas.
2.2. Dosagem e produção das argamassas
As argamassas foram preparadas na proporção 1:2:8 (cimento:cal:areia), em volume. A microcelulose cristalina e a polpa de nanocelulose fibrilada foram incorporadas às formulações em teores de 0,2%, 0,4% e 0,6% em relação à massa do cimento. A relação água/materiais secos foi definida por meio de tentativas, com a finalidade de se identificar a melhor trabalhabilidade, estabelecendo um espalhamento de 260 mm ± 10 mm como ideal para aplicação dos revestimentos argamassados, conforme a norma NBR 13276 [14]. O termo “polpa de nanocelulose fibrilada” refere-se a um gel onde as nanoceluloses fibriladas estão suspensas em água, com concentração de 1% de NFC, sendo os 99% restantes constituídos por água. Sendo assim, foram realizados ajustes na quantidade de água nas argamassas contendo de polpa de nanocelulose fibrilada, com intuito de manter a relação água/materiais secos para todas as argamassas estudadas. Para cada formulação foram produzidos 4 corpos de prova. Na Tabela 2 são apresentados os consumos dos materiais e traços (em massa).
O método de dispersão da microcelulose cristalina foi baseado no estudo de BILCATI et al. [15], que desenvolveu uma técnica mais simples para obter a dispersão da microcelulose cristalina. Para a preparação, as microceluloses cristalinas (0,2%; 0,4% e 0,6%) foram adicionadas à água e a solução permaneceu em repouso por aproximadamente 12 horas, permitindo a hidratação das micropartículas. Após esse período, as soluções aquosas foram agitadas manualmente por cerca de 2 minutos e, em seguida, adicionadas aos materiais secos no misturador mecânico para produção das argamassas de revestimento. A polpa de nanocelulose fibrilada também foi submetida à agitação manual por 2 minutos. O procedimento de mistura das argamassas seguiu as recomendações da NBR 16541 [16].
2.3. Caracterização das argamassas
O programa experimental foi dividido em duas etapas subsequentes. Na primeira etapa, avaliou-se o comportamento das argamassas no estado fresco, analisando a densidade e o teor de ar incorporado conforme a norma NBR 13278 [17]. Adicionalmente, determinou-se o índice de consistência, de acordo com norma NBR 13276 [14].
2.4. Ciclo de choque térmico
A segunda etapa foi proposta para identificar o efeito dos ciclos de choque térmico nas propriedades no estado endurecido. Para isso, foram realizados ensaios de resistência à compressão e à tração na flexão, seguindo as diretrizes estabelecidas na norma NBR 13279 [18]. Os ensaios no estado endurecido foram avaliados aos 28 dias.
O procedimento de avaliação do ciclo de choque térmico foi baseado nas pesquisas de NENEVÊ et al. [19] e KOTOVIEZY [20]. As argamassas produzidas foram curadas normalmente durante 20 dias e no 21º dia, iniciou-se a ciclagem do choque térmico. As amostras foram colocadas em estufa a 80ºC, seguindo as especificações da norma NBR 15575-4 [21], por um período de 12 horas. Após esse aquecimento, as amostras foram imediatamente submetidas ao resfriamento (choque térmico), sendo imersas completamente em água por mais 12 horas. O reservatório utilizado seguiu o modelo proposto por NENEVÊ et al. [19], consistindo em uma caixa plástica retangular com capacidade de 7.600 cm3 com comprimento de 38 cm, altura igual a 8 cm e largura de 25 cm.
A temperatura da água de resfriamento foi ajustada para (10 ± 3) °C, a fim de submeter os corpos de prova a uma temperatura mais baixa, potencializando o efeito do gradiente térmico e, consequentemente, as tensões térmicas no material. O número total de ciclos foi definido como 7. O número de ciclos foi definido com base em estudos anteriores. NENEVÊ et al. [19] e KOTOVIEZY [20] utilizaram quantidades semelhantes de ciclos em seus estudos, o que permite a comparação entre os resultados obtidos. Após a conclusão das etapas de aquecimento e resfriamento, o ciclo é considerado completo. Na Figura 2 são esquematizados o ciclo de choque térmico de aquecimento (2a) e resfriamento (2b).
Para avaliar a influência das microceluloses cristalinas e nanoceluloses fibriladas, foi realizada uma análise estatística por meio da ANOVA (Análise de Variância). Para as comparações múltiplas entre os grupos, aplicou-se o teste Tukey, considerando um nível de significância adotado foi de 5%.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1. Caracterização no estado fresco
Na Figura 3 são apresentados os resultados do índice de consistência das argamassas de revestimento produzidas.
Os resultados de espalhamento das argamassas produzidas ficaram compreendidos no intervalo de 275 mm para argamassa com adição de MCC 0,4% e 255 mm para argamassa com adição de MCC 0,6%. A adição de polpa de NFC resultou em menor variação no espalhamento em comparação com o comportamento observado com a adição de MCC. Esse fenômeno pode ser explicado pela menor capacidade da polpa de NFC em alterar as propriedades de consistência da mistura devido a uma estrutura em gel mais dispersa e menos tendente à aglomeração.
Adicionalmente, resultados semelhantes foram obtidos por JESUS et al. [22], CZOVNY et al. [23] que verificaram que o aumento no teor de adição de materiais celulósicos (0,6%) contribui para a redução do espalhamento das argamassas estudadas.
Na Tabela 3 são apresentados os valores médios de densidade de massa e teor de ar incorporado.
Neste estudo foram verificadas que as densidades de massa variaram de 1,68 g/cm3 a 1,95 g/cm3 com teor de ar incorporado variando entre 13% e 25,11%. O teor de ar incorporado é um parâmetro relevante, pois influencia diretamente na trabalhabilidade das argamassas de revestimento. Misturas mais leves apresentam melhor trabalhabilidade e prolongam o tempo em que permanecem aplicáveis, reduzindo o esforço durante a aplicação e aumentando a produtividade [24]. Dessa forma, foi possível verificar que a adição de 0,6% de nanocelulose fibrilada resultou em uma pequena redução de 4,41% na densidade de massa em relação à amostra de referência e em um aumento de 17,57% no teor de ar incorporado. Esses resultados estão em concordância com o estudo realizado por LACERDA et al. [25]. Em contrapartida, as argamassas com adição de 0,6% de microcelulose cristalina apresentaram um aumento de 7,73% na densidade de massa no estado fresco, além de uma redução de 47,53% no teor de ar incorporado. Esse comportamento é atribuído à natureza particulada das microceluloses, que atuam no preenchimento dos vazios da matriz, promovendo maior compacidade ao material.
3.2. Avaliação das propriedades das argamassas de revestimento submetidas ao choque térmico
Nas Figuras 4 e 5 são mostrados os valores médios de desempenho mecânico de resistência à compressão e tração na flexão das argamassas com adição de microcelulose cristalina e polpa de nanocelulose fibrilada que foram submetidos a ciclos de choque térmico. Na Figura 6 é apresentada a análise estatística da resistência à compressão (6a) e resistência à tração na flexão (6b).
Com base nos resultados de desempenho mecânico à compressão, sem ciclos de choque térmico, foi possível verificar que a adição de microcelulose cristalina em 0,4% apresentou um aumento de 8,33% em relação à referência. No entanto, esse incremento não foi significativo ao nível de confiança de 95%. A adição de polpa de NFC 0,2% apresentou uma redução significativa nos valores de resistência à compressão das argamassas quando comparados com a referência. As demais formulações apresentaram resultados similares à referência e as reduções não foram significativas estatisticamente, conforme mostrado na Figura 6a.
SILVA et al. [26] incorporaram 0,4% de microcelulose cristalina em pastas cimentícias e observaram um aumento significativo de 20% na resistência à compressão. No entanto, com base nesse estudo, a adição de microcelulose cristalina pode não ser tão eficaz quando cal e cimento são combinados na produção de argamassas. JIAO et al. [27] e OH et al. [28] observaram um aumento significativo na resistência à compressão em pastas cimentícias com a incorporação de NFC em teores de 0,15% e 0,096%, resultando em incrementos de 20% e 18%, respectivamente. De maneira semelhante ao efeito observado com a microcelulose cristalina, a presença de cal em combinação com cimento pode impactar negativamente a resistência mecânica à compressão. A presença de cal, pode afetar a interação entre microcelulose cristalina/nanocelulose fibrilada e a matriz cimentícia, modificando o pH, a disponibilidade de íons cálcio e a cinética de hidratação do cimento. Além disso, outro aspecto que pode ter impactado o desempenho das argamassas produzidas foi o método de dispersão adotado. Neste estudo, a dispersão das MCC’s e NFC’s foi realizada manualmente, o que pode ter limitado a uniformidade da distribuição das partículas e nanofibras na matriz. Diferentes abordagens foram utilizadas na literatura para otimizar a dispersão das microcelulose cristalina e nanocelulose fibrilada. SILVA et al. [26], por exemplo, empregaram agitação magnética, enquanto OH et al. [28] utilizaram agitação ultrassônica (100 W, 42 kHz) por 60 minutos. Já JIAO et al. [27] recorreram à oxidação via TEMPO combinada com homogeneização mecânica. Com base em estudos anteriores é possível verificar que não existe um consenso quanto ao melhor método de dispersão das nanoceluloses. Porém esses métodos podem ter favorecido uma melhor dispersão e, consequentemente, maior interação entre as adições nanocelulósicas e a matriz cimentícia, o que pode explicar diferenças nos resultados obtidos.
Em relação a avaliação das argamassas submetidas aos ciclos de choque térmico, pode-se observar uma redução nos valores médios de resistência à compressão obtidos para todas as séries, o que era esperado, dado à degradação térmica imposta às argamassas estudadas provocadas pelas variações bruscas de temperatura. Os resultados de choque térmico indicam que a estabilidade térmica das argamassas pode ser relacionada pela menor variação dos valores médios da resistência mecânica após os ciclos, em comparação com os valores médios de referência (sem ciclagem térmica) [29]. Dessa forma, materiais que apresentarem menor redução de resistência após os ciclos pode ser considerado mais estáveis termicamente, evidenciando maior resistência à degradação induzida por gradientes térmicos. A magnitude desse efeito variou conforme o tipo de argamassa investigada. O choque térmico afetou significativamente a resistência à compressão das argamassas com adição de microcelulose cristalina em 0,2% e 0,4% apresentando maiores variações de resistência à compressão com redução de 64,66% e 65,03%, respectivamente, quando comparada com as amostras sem ciclagem. Para as demais formulações, as reduções obtidas não foram significativas estatisticamente.
Na Figura 5 são apresentados os valores médios dos resultados de resistência à tração na flexão com e sem ciclos de choque térmico.
Os resultados de resistência à tração na flexão indicaram que, de maneira geral, as adições empregadas nessa pesquisa não melhoraram o desempenho mecânico nessa propriedade. Foi possível observar que as adições de MCC 0,4% e polpa de NFC 0,2% apresentaram reduções significativas em comparação com a referência. Ao contrário dos resultados obtidos nesta pesquisa, estudos anteriores, como os de SILVA et al. [26] e PARVEEN et al. [30], observaram um aumento significativo na resistência à tração na flexão de pastas cimentícias com adição de microcelulose cristalina. Especificamente, SILVA et al. [26] observaram um incremento de 20,5% com um teor de 0,4%, enquanto PARVEEN et al. [30] registraram um aumento ainda maior, de 31%, com um teor de 0,6%. Os estudos de JIAO et al. [27] e OH et al. [28] também relataram um aumento significativo na resistência à tração na flexão com teores de 0,15% e 0,096% de NFC em pastas cimentícias, resultando em incrementos de 15% e 21%, respectivamente. No entanto, nas matrizes à base de cimento e cal, empregadas nesse estudo, não foi possível observar a mesma melhoria na incorporação da polpa de nanocelulose fibrilada e microcelulose cristalina em matrizes cimentícias. Esse comportamento sugere que fatores como a interação entre a polpa de NFC e MCC e a matriz, a incompatibilidade química das adições empregadas com o sistema cimento-cal, bem como o processo de dispersão das MCC’s e NFC’s, podem ter influenciado negativamente os resultados obtidos.
Com relação ao efeito da durabilidade através de ciclos de choque térmico, foi possível verificar que as argamassas com adição de microcelulose cristalina e polpa de nanocelulose fibrilada não apresentaram variações a resistência à tração na flexão, considerando a análise estatística com 95% de confiabilidade (Figura 6b). Em contrapartida, as argamassas de referência foram afetadas significativamente pelas imposições térmicas dos ciclos de molhagem e secagem. Esses resultados sugerem que a presença das adições estudadas nessa pesquisa pode ter contribuído para uma maior estabilidade mecânica à tração na flexão diante das variações térmicas.
4. CONCLUSÃO
No presente trabalho, a incorporação de microcelulose cristalina e polpa de nanocelulose fibrilada influenciou no desempenho e durabilidade de argamassas de revestimento. A partir dos resultados, pode-se concluir que:
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A adição de polpa de NFC promoveu maior incorporação de ar na mistura, reduzindo a densidade de massa e melhorando a trabalhabilidade, enquanto a incorporação MCC aumentou a densidade da argamassa no estado fresco.
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Em termos de desempenho mecânico, foi possível concluir que a polpa de NFC em 0,2% apresentou uma redução significativa na resistência à compressão. As demais formulações foram similares aos resultados das argamassas de revestimento de referência. As adições estudadas não influenciaram positivamente na resistência à tração na flexão.
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Com relação aos ciclos de molhagem e secagem observou-se que o choque térmico reduziu a resistência à compressão das argamassas, sendo o efeito mais pronunciado nas formulações contendo microcelulose cristalina. No entanto, as argamassas com polpa de NFC apresentaram menor variação, sugerindo uma melhor estabilidade térmica. Na resistência à tração na flexão, foi possível verificar que as adições empregadas nesse estudo não apresentaram variações significativas.
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Datas de Publicação
-
Publicação nesta coleção
09 Jun 2025 -
Data do Fascículo
2025
Histórico
-
Recebido
23 Fev 2025 -
Aceito
08 Maio 2025
Onde: SC = sem ciclos de choque térmico; CC = com ciclos de choque térmico; Ref SC = Referência sem ciclos de choque térmico; Ref CC = Referência sem ciclos de choque térmico.
Onde: SC = sem ciclos de choque térmico; CC = com ciclos de choque térmico; Ref SC = Referência sem ciclos de choque térmico; Ref CC = Referência sem ciclos de choque térmico.
