CARACTERÍSTICAS DE ISOLAMENTO TÉRMICO DE BETÕES LEVES E DE MASSA VOLÚMICA NORMAL PRODUZIDOS COM DIFERENTES TIPOS DE AGREGADOS Alexandre Daniel Antunes Almeida da Silva Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Orientadores: Prof. Doutor José Alexandre de Brito Aleixo Bogas Profª. Doutora Maria da Glória de Almeida Gomes Júri Presidente: Prof. Doutor Augusto Martins Gomes Orientador: Prof. Doutor José Alexandre de Brito Aleixo Bogas Vogal: Prof. Doutor António Heleno Domingues Moret Rodrigues Outubro de 2015
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CARACTERÍSTICAS DE ISOLAMENTO TÉRMICO DE BETÕES … · condutibilidade térmica dos betões estudados, observando-se uma elevada correlação exponencial entre esta propriedade
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CARACTERÍSTICAS DE ISOLAMENTO TÉRMICO DE
BETÕES LEVES E DE MASSA VOLÚMICA NORMAL
PRODUZIDOS COM DIFERENTES TIPOS DE AGREGADOS
Alexandre Daniel Antunes Almeida da Silva
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Orientadores: Prof. Doutor José Alexandre de Brito Aleixo Bogas
Profª. Doutora Maria da Glória de Almeida Gomes
Júri
Presidente: Prof. Doutor Augusto Martins Gomes
Orientador: Prof. Doutor José Alexandre de Brito Aleixo Bogas
Vogal: Prof. Doutor António Heleno Domingues Moret Rodrigues
Outubro de 2015
CARACTERÍSTICAS DE ISOLAMENTO TÉRMICO DE BETÕES
LEVES E DE MASSA VOLÚMICA NORMAL PRODUZIDOS COM
DIFERENTES TIPOS DE AGREGADOS
Alexandre Daniel Antunes Almeida da Silva
Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Civil
Dissertação elaborada no âmbito do Projecto FCT EELWAC
Durability and lifetime of more energy efficient structural lightweight
aggregate concrete
Task 2 - Insulation performance of durable LWAC as a more energy
efficient building solution
Projecto FCT PTDC/ECM-COM/1734/2012
União Europeia
FEDER Governo da República Portuguesa
i
Resumo
Este trabalho tem como objectivo avaliar as características térmicas, com especial foco na
condutibilidade térmica, de betões estruturais de agregados leves (BEAL) produzidos com diferentes
relações a/c e vários tipos de agregados leves de porosidades distintas. Para realizar esse estudo, foi
levada a cabo uma extensa campanha experimental, envolvendo a realização de ensaios de
caracterização física, mecânica e térmica dos betões.
As misturas produzidas envolveram 4 tipos de agregados leves, de diversas origens, e 1 tipo de
agregado de massa volúmica normal, utilizado na produção de misturas de referência. Foram
estudadas 4 relações a/c distintas (0.35, 0.45, 0.55 e 0.65), que abrangem argamassas de distintas
compacidades, de modo a abranger uma vasta gama de BEAL correntes com classes de resistência
LC20/22 a LC60/66 e de massa volúmica D1.6 a D2.0.
Tendo em consideração um método transiente e um método fluximétrico, foi possível analisar a
condutibilidade térmica dos betões estudados, observando-se uma elevada correlação exponencial
entre esta propriedade e a massa volúmica. Dependendo do tipo de agregado, são obtidos coeficientes
de condutibilidade térmica cerca de 30 a 60% inferiores aos dos betões convencionais de igual
composição. Por cada 1% de incremento no teor de humidade, que tende a ser superior nos BEAL,
observam-se aumentos de 5 a 9% na condutibilidade térmica dos BEAL.
Palavras-chave:
Betões de agregados leves estruturais; Propriedades térmicas; Eficiência energética
ii
iii
Abstract
The present paper aims at evaluating the thermal characteristics, with particular focus on thermal
conductivity, of structural lightweight aggregate concrete (LWAC) produced using different w/c ratios
and several types of lightweight aggregates, with distinct porosities. In order to perform this study, an
extensive and thorough experimental campaign, involving physical, mechanic and thermal tests of the
produced specimens.
The mixtures produced involved 4 types of lightweight aggregate, from several origins, and 1 type of
normal weight aggregate, used to make reference samples. 4 different w/c ratios (0.35, 0.45, 0.55 and
0.65) were studied, which have various levels of mortar compactness, in order to cover a vast range of
LWAC, with compressive strength classes from LC20/22 to LC60/66 and density classes D1.6 to D2.0.
Considering a transient and a stationary method, it was possible to measure and analyse the thermal
conductivity of the studied concretes. A high exponential correlation was shown between thermal
conductivity and density. Depending on the type of aggregate, a thermal conductivity coefficient
reduction from 30 to 60% was obtained in LWAC, compared to reference NWC of equal composition.
For every 1% of moisture content introduced in the specimens, which generally tends to be higher in
LWAC, an increase of 4 to 9% of thermal conductivity was observed in these specimens.
Keywords:
Structural lightweight aggregate concrete; Thermal properties; Energy efficiency
iv
v
Agradecimentos
Este trabalho representa a conclusão de mais uma etapa da minha vida, uma das mais árduas e
desafiantes, mas também mais gratificantes. Agradeço a todos os que, directa ou indirectamente,
possibilitaram a chegada a este momento, e a algumas pessoas em especial.
Aos meus familiares próximos, em especial aos meus pais, à minha irmã e aos meus avós, que sempre
me acompanharam e deram ânimo em todas a etapas.
À minha namorada, que me encorajou e ajudou, mesmo nos momentos mais difíceis, tanto durante o
curso como durante a execução deste trabalho.
Aos professores Alexandre Bogas e Maria da Glória Gomes, por toda a ajuda, conhecimento e rigor
que me transmitiram. A sua disponibilidade ao longo da realização deste trabalho foi inexcedível.
Ao professor António Moret Rodrigues, um especial agradecimento pela partilha do seu profundo
conhecimento na área da térmica de edifícios.
À Sofia Real e ao Jorge Pontes, por toda a ajuda prestada nas diversas fases do trabalho, em especial
na fase inicial de adaptação, pela amizade e companheirismo demonstrados.
Aos meus colegas e amigos de curso e de laboratório, em especial ao Bernardo Ferreira, Pedro Afonso,
Rui Carrajola, Patrícia Gameiro, Tiago Barroqueiro, Ana Rita Santos e Andreia Borges.
Aos técnicos do laboratório de construção, Sr. Leonel Pontes e João Lopes, por toda a assistência
prestada e disponibilidade durante a campanha experimental.
Aos meus amigos de infância e de escola, por toda a motivação e camaradagem.
Quadro 4.6 Capacidade térmica nas Lajetas ........................................................................................ 78
Quadro 4.7 Características da zona corrente ....................................................................................... 82
Quadro 4.8 Características da zona de pilar ......................................................................................... 82
Quadro 4.9 Resultados da espessura mínima de isolamento (XPS e argamassa térmica comercial) a
aplicar no pilar ....................................................................................................................................... 83
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1 Introdução
1.1 Enquadramento geral
Actualmente, o betão é o material estrutural mais utilizado na indústria de construção, resultado da sua
versatilidade, facilidade de aplicação e adequado desempenho.
No entanto, com o aumento das preocupações ambientais e com a sustentabilidade, tanto da
construção, como de todos os sectores de indústria, é necessário que um produto ou material seja,
para além de eficaz na sua função, também eficiente em termos energéticos. Face a esta evidência, o
sector da construção tem procurado desenvolver e aplicar soluções alternativas, com maior eficiência
energética, menores custos ambientais e economicamente mais vantajosas. Nesse sentido, o betão
leve ao apresentar-se como uma solução alternativa de menor massa volúmica face aos betões
convencionais, está associado a menores impactos na demolição e transporte e, sobretudo, a melhores
capacidades de isolamento térmico (Chandra e Berntsson 2003).
Os betões estruturais de agregados leves (BEAL) têm a sua origem na antiguidade, destacando-se a
sua aplicação na cúpula do panteão de Roma e no Porto de Cosa. No entanto, apenas a partir do final
do século passado, com a crescente aplicação do betão na construção e, sobretudo, com o surgimento
de novos adjuvantes de última geração, é que os betões leves apareceram com uma nova filosofia,
tornando-se em termos estruturais, suficientemente eficientes para competirem verdadeiramente com
os betões convencionais de massa volúmica normal.
De entre algumas das conhecidas vantagens dos betões leves, destaca-se a possibilidade de redução
da carga permanente ao nível dos elementos estruturais e fundações, sendo especialmente adequado
para intervenções de reabilitação onde este aspecto é condicionante. A principal desvantagem deste
material são os elevados custos de produção dos agregados leves, significativamente maiores do que
na produção dos agregados de uso corrente. Porém, esse custo diminui quando se tem em
consideração agregados produzidos a partir de resíduos ou subprodutos industriais, como é o caso dos
agregados de cinzas volantes, também analisados no presente trabalho.
Uma das características de relevo que distingue os BEAL dos restantes betões, e que constitui o foco
e âmbito deste trabalho, é a sua capacidade de isolamento térmico, conduzindo a soluções de maior
desempenho energético, tendo em consideração níveis de eficiência estrutural semelhantes. Com a
crescente preocupação de eficiência energética das construções, a indústria tem procurado soluções
e materiais que permitam uma maior economia e desempenho nesta área. Neste sentido, os betões
leves não estruturais têm sido utilizados como elementos de enchimento de pavimentos ou em blocos
de alvenaria, com vantagens ao nível da capacidade de isolamento térmico. No entanto, apesar de se
reconhecer o seu potencial, poucos trabalhos têm procurado compreender ou quantificar a importância
2
que a melhor capacidade de isolamento térmico dos betões leves pode assumir quando estes são
igualmente utilizados em elementos estruturais, nomeadamente ao nível da redução do efeito das
pontes térmicas, que podem ter um impacto significativo no comportamento térmico dos edifícios.
Assim, dadas as crescentes exigências de eficiência energética dos edifícios e em face da
potencialidade evidenciada pelos BEAL, é importante investir no estudo aprofundado da caracterização
térmica deste tipo de betões. Nesse sentido, o presente trabalho visa proceder à caracterização térmica
dos BEAL, tendo em conta diferentes composições e tipos de agregados, de modo a abranger as
soluções consideradas mais correntes de aplicação deste tipo de betões.
1.2 Objectivos
O objecto do presente trabalho consiste em caracterizar as propriedades térmicas de betões produzidos
com diferentes tipos de agregado leve e diferentes relações água/cimento, visando abranger a gama
mais corrente de betões leves estruturais. O presente trabalho insere-se num projecto de investigação
iniciado em 2013 e que tem exactamente por objectivo a Durabilidade e vida útil de betões estruturais
de agregados leves energeticamente mais eficientes.
O trabalho prevê a realização de uma extensa campanha experimental, que envolve a produção e
ensaio dos provetes de várias misturas, de modo a se proceder à caracterização física, mecânica e,
sobretudo, térmica, nomeadamente tendo em consideração ensaios de massa volúmica, resistência à
compressão e de determinação da condutibilidade térmica e calor específico. A caracterização térmica
é efectuada tendo em consideração dois métodos distintos: método transiente; método fluximétrico.
As misturas foram produzidas com um agregado de massa volúmica normal e 4 tipos de agregados
leves de porosidade bastante distinta, tendo em conta argamassas de diferentes compacidades,
envolvendo 4 relações a/c. Todas as misturas estudadas foram produzidas com cimento tipo I.
Pretende-se avaliar a redução da condutibilidade térmica dos BEAL em relação aos betões
convencionais, assim como as vantagens da sua aplicação em situações reais, ao nível do
desempenho energético dos elementos construtivos.
Em suma, o presente estudo visa contribuir para um melhor conhecimento e maior confiança no
dimensionamento e utilização dos BEAL, dotando o meio técnico de maior informação para a sua
utilização.
1.3 Metodologia e organização do trabalho
Este trabalho divide-se em quatro fases distintas. A primeira fase consistiu na pesquisa e recolha de
elementos bibliográficos sobre o tema, de forma a compreender e adquirir os seus fundamentos
teóricos, assim como definir a forma de executar a campanha experimental.
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A segunda fase consistiu no planeamento da campanha experimental delineada, elaborando o plano
das betonagens e dos materiais a utilizar, assim como dos ensaios a efectuar.
De seguida, procedeu-se à realização da campanha experimental, começando pelos ensaios de
caracterização dos agregados, seguidos dos ensaios dos betões no estado fresco e endurecido. Após
a conclusão dos ensaios, procedeu-se à apresentação e discussão dos resultados obtidos. É
importante referir que parte da campanha experimental, nomeadamente a fase inicial e de produção,
foi realizada em conjunto com os restantes elementos do projecto de investigação, permitindo assim
repartir parte da quantidade de trabalho e gerir mais eficazmente os recursos utilizados.
Em relação à organização do trabalho escrito, este encontra-se dividido em cinco capítulos, incluindo
as secções referentes à introdução e conclusão.
No capítulo 2 é apresentada uma breve revisão bibliográfica do estado da arte dos betões de agregados
leves, sendo inicialmente realizada uma caracterização geral deste tipo de betões para depois, com
maior ênfase, ser abordada a caracterização das suas propriedades térmicas e dos diferentes métodos
de ensaio que podem ser utilizados na sua avaliação.
O capítulo 3 introduz a campanha experimental, procedendo-se à sua descrição pormenorizada, desde
a caracterização dos materiais aos diferentes ensaios térmicos realizados, passando pelas
composições das misturas, ensaios no estado fresco e estado endurecido.
No capítulo 4 são apresentados os resultados obtidos nos ensaios realizados e procede-se à sua
análise.
Finalmente, no capítulo 5 são referidas as conclusões obtidas da análise dos resultados, assim como
algumas propostas para desenvolvimentos futuros do tema.
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2 Estado da arte
De modo a estabelecer um contexto teórico do tema abordado, será ao longo deste capítulo exposto
um estado da arte, que consiste em fazer o levantamento de vários trabalhos relacionados, directa ou
indirectamente, com os objectivos desta dissertação. Este levantamento de informação servirá de
referência para posterior análise de resultados obtidos nos diversos ensaios efectuados. Será dado
particular ênfase às propriedades térmicas dos betões estruturais de agregados leves, dado ser esse
o âmbito do trabalho.
2.1 Enquadramento geral
A origem dos betões produzidos com agregados leves não é exactamente conhecida, mas remonta
aos primórdios da civilização, sendo conhecidas construções com mais de 5000 anos. Estes primeiros
agregados leves de origem vulcânica (maioritariamente pedra-pomes e escória) eram vantajosos
devido à sua maior facilidade de exploração, processamento e transporte face aos agregados
convencionais.
Alguns dos exemplos mais conhecidos devido à sua durabilidade e benefício de aplicação provêm do
império Romano, de onde se destacam estruturas com utilização de betão leve, tais como o Coliseu
(Figura 2.1) e Panteão de Roma (Figura 2.2), assim como diversos aquedutos, que ainda hoje
subsistem sem grandes danos (Holm e Bremner 2000; Chandra e Berntsson 2003).
Figura 2.1 Coliseu de Roma, construído
entre o ano 70 e 82 D.C. (Chandra e
Berntsson 2003)
Figura 2.2 Panteão de Roma, construído
no ano 118 D.C. (Chandra e Berntsson
2003)
Depois da queda do império romano, o uso do betão de agregados leves apenas voltou a ressurgir com
relevância a partir do séc. XX, impulsionado pelo desenvolvimento dos primeiros agregados leves
artificiais e a sua bem-sucedida aplicação durante as guerras mundiais, nomeadamente na indústria
naval. (Bogas 2011; Holm e Bremner 2000; ACI213 et al. 2003)
5
Actualmente os BEAL, em resultado da sua reduzida massa volúmica, são aplicados em vários
domínios da construção, podendo ter fins estruturais, de isolamento térmico (sem função estrutural) ou
simplesmente de enchimento (ACI213 et al. 2003), sendo o último dos domínios aquele que tem tido
maior expressão no mercado de construção (Newman 1993).
No entanto, são também várias as situações em que se tem impulsionado a utilização de betões
estruturais de agregados leves (BEAL), tais como arranha-céus, tabuleiros de pontes, estruturas
flutuantes, edifícios com solos de fundação pobres e obras de reabilitação (Cortês 2014; Bogas 2011;
Holm e Bremner 2000).
Dado que a capacidade de isolamento térmico do betão relaciona-se com a sua massa volúmica (FIP
1983; Newman 1993), os betões leves, para além de permitirem o aligeiramento das estruturas, vão
igualmente contribuir para aumento da capacidade de isolamento térmico, e assim, para uma maior
eficiência energética dos edifícios.
São vários os exemplos de utilização de betão leve em soluções não estruturais, com o objectivo de
aproveitar as suas melhores capacidades térmicas, como é o caso de soluções para alvenaria ou
soluções de enchimento para isolamento térmico. A produção de blocos de alvenaria e painéis pré-
fabricados autoportantes com elevadas capacidades de isolamento térmico são dois tipos de aplicação
dos quais existem vários exemplos da sua utilização na Noruega, antiga União Soviética, Alemanha,
Austrália, Reino Unido, América do Norte, entre outros países (Lazarus 1993). Para a mesma
resistência, os blocos de alvenaria em betão leve, para além do seu adequado comportamento térmico,
são menos pesados do que as soluções tradicionais, reduzindo custos de laboração e forças de inércia
nos edifícios (Roberts 1997). Em Portugal, são diversas as obras em que se tem aplicado betão leve
como solução de enchimento e isolamento térmico, como é exemplo do betão leve utilizado nas lajes
de pavimento do palácio Sotto Mayor (Figura 2.3).
Figura 2.3 Construção Palácio Sotto Mayor - lajes
6
Em face das novas exigências regulamentares, é crescente o interesse na procura de materiais com
melhores capacidades de isolamento térmico. Nesses termos, o betão leve estrutural, apesar de estar
associado a custos iniciais mais elevados, surge como alternativa aos betões normais, na medida em
que permite soluções energeticamente mais eficientes. De facto, um dos objectivos consiste em
procurar soluções estruturais, que sem prejudicar significativamente a sua capacidade mecânica e de
durabilidade, permitam a redução dos efeitos das pontes térmicas em edifícios, contribuindo para a
diminuição do consumo energético.
Tendo em consideração os objectivos do presente trabalho, em seguida serão discutidas a principais
propriedades gerais dos betões estruturais de agregados leves, dando-se maior destaque às suas
principais propriedades térmicas. Será realizado um breve resumo dos principais trabalhos
desenvolvidos no domínio da caracterização térmica dos BEAL, bem como a apresentação de alguns
dos escassos estudos existentes que focam a simulação energética de elementos em BEAL. De modo
a facilitar a leitura e interpretação do documento, será ainda efectuado um breve resumo da
caracterização térmica dos betões em geral, com referência aos vários métodos de ensaio da
condutibilidade térmica e principais diferenças entre os mesmos.
2.2 Propriedades gerais do betão estrutural de agregados leves
Os betões leves podem ser produzidos por diferentes vias, desde a incorporação de uma elevada
quantidade de vazios na matriz até à utilização de uma grande diversidade de agregados leves naturais
ou artificiais (Bogas 2011). No entanto, apenas os betões produzidos com alguns agregados leves,
nomeadamente de argila expandida, cinzas volantes e alguns tipos de agregados naturais são capazes
de apresentar características estruturais (Holm e Bremner 2000).
As características mais relevantes na comparação dos BEAL com os betões de agregados normais
(BAN) são a massa volúmica, a condutibilidade térmica e o transporte de água entre o agregado e a
pasta (Pino 2013; Newman 1993).
A substituição dos agregados tradicionais por agregados leves no betão permite a redução da massa
volúmica, mas também influencia o comportamento no betão fresco (trabalhabilidade, colocação,
compactação, acabamento e cura), assim como o comportamento do betão endurecido (resistência
mecânica, módulo de elasticidade, propriedades térmicas, retraccão, fluência e durabilidade),
afectando as propriedades mecânicas e o seu desempenho a longo prazo (Pino 2013; EuroLightConR2
1998; FIP 1983).
Nos pontos em seguida abordam-se algumas das propriedades que distinguem os BEAL dos BAN.
7
2.2.1 Características físicas e mecânicas
2.2.1.1 Massa Volúmica
É a principal característica que distingue os BEAL dos betões convencionais. É influenciada pelo
volume, teor de água, absorção, tipo de agregado e ainda, em menor escala, pelas características da
pasta. O volume de agregado é o factor que mais influencia a massa volúmica, devido ao facto de este
constituir cerca de 70-80% do volume do betão. A utilização de diferentes tipos de agregados leves terá
assim um significativo impacto na variação da massa volúmica dos betões (FIP 1983).
A massa volúmica dos BEAL pode de forma aproximada ser relacionada com a sua resistência
(EuroLightConR2 1998), uma vez que ambas as propriedades são afectadas de idêntica forma pela
porosidade do betão, neste caso, relação a/c e tipo e volume de agregado (Holm e Bremner 2000; FIP
1983). No entanto, não existe uma relação única entre estas propriedades, visto que a forma como o
agregado afecta a resistência depende do nível de resistência do betão e do tipo de agregado (ver
2.2.1.2).
Em geral, verifica-se que tendo em consideração as características dos agregados existentes no
mercado, os betões leves estruturais apresentam massas volúmicas secas superiores a cerca de 1200
kg/m3 (Bogas 2011; ACI213 2003; Mindess 2003). De acordo com a norma Europeia NPEN206-1
(2005), o betão leve é especificado como possuindo massas volúmicas após secagem em estufa entre
800 e 2000 kg/m3. Esta classificação é igualmente adoptada na secção 11 do Eurocódigo 2 (EN1992-
1-1 2004).
2.2.1.2 Resistência à compressão
A transferência de esforços em betões de massa volúmica normal, que contém agregados cuja
resistência é superior à resistência da pasta, ocorre através dos agregados e pelas camadas
intermédias da mesma (Figura 2.4). Uma vez que a capacidade resistente dos agregados é superior à
da pasta, as linhas de rotura tendem a contornar os agregados. No caso de os agregados serem menos
resistentes que a pasta, como habitualmente acontece nos betões leves, a distribuição de esforços no
elemento será diferente (Figura 2.5). Dado que a pasta é mais resistente, as linhas de rotura tendem a
propagar-se através dos agregados.
Assim, o comportamento mecânico dos BEAL depende do nível de resistência do betão e das
características das suas fases constituintes. Por exemplo, caso se utilize um agregado leve de menor
porosidade envolto por uma pasta de elevada relação a/c, o comportamento dos BEAL pode ser
semelhante ao dos BAN, ocorrendo a rotura preferencialmente pela pasta.
8
Figura 2.4 – Betão de massa volúmica
normal (Bogas e Gomes 2013)
Figura 2.5 – Betão de agregados leves
(Bogas e Gomes 2013)
De facto, Bogas e Gomes (2013) verificaram que, em betões produzidos com agregados leves de
massa volúmica superiores a 1200 Kg/m3, o comportamento era semelhante ao de betões de massa
volúmica normal, para resistências à compressão abaixo de 60 MPa. Por outro lado, os BEAL com
agregados de massa volúmica inferior a 900 Kg/m3 foram menos apropriados para fins estruturais.
Em geral pode-se concluir que a influência dos agregados leves na resistência do betão é tanto maior
quanto menor a sua massa volúmica, maior a resistência da pasta e maior a idade do betão.
Bogas (2011) verificou ainda que a variação do volume de agregados conduz a uma menor alteração
da resistência à compressão do que a variação da relação a/c, para as mesmas variações de massa
volúmica do betão.
Todos os tipos de agregado têm limites de resistência máximos. No caso dos agregados leves, esse
limite pode ser alargado reduzindo as suas dimensões máximas, permitindo atingir valores de
resistência à compressão superiores.(ACI213 et al. 2003). Por esse motivo, a dimensão máxima dos
agregados leves é usualmente limitada a 12-16 mm para a produção de BEAL (Clarke 1993;
EuroLightConR2 1998; Dreux 1986).
2.2.1.3 Resistência à tracção
Em geral, a resistência à tracção de betões de agregados leves depende da resistência à tracção dos
agregados, da pasta e ainda da resistência da interface pasta/agregado (FIP 1983; Holm e Bremner
2000; Bogas e Nogueira 2014). Uma vez que nos betões leves os agregados têm menor resistência do
que a pasta, a resistência à tracção dos BEAL tende a ser condicionada pelo tipo de agregado, sendo
inferior à dos betões de massa volúmica normal de igual composição.
9
Bogas e Nogueira (2014) reportam resistências à tracção de betões estruturais de agregados leves de
80 a 85% das apresentadas em betões normais de igual resistência à compressão. A relação diminui
para 70% quando é utilizada areia leve na composição.
Tal como sucede nos betões convencionais, verifica-se uma elevada correlação entre a resistência à
tracção e a resistência à compressão, dado que ambos são essencialmente afectados pelos mesmos
factores (Holm e Bremner 2000; Chandra e Berntsson 2003). No entanto, parece existir uma maior
influência do agregado na resistência à tracção do que à compressão (Bogas e Nogueira 2014). Por
esse motivo, a normalização Europeia faz depender a relação entre a resistência à tracção e à
compressão também da massa volúmica (NP EN 206-1).
2.2.1.4 Módulo de Elasticidade
O módulo de elasticidade de um betão é função da proporção e módulo de elasticidade dos seus
constituintes, assim como das zonas de interface agregado/pasta.
Uma vez que os agregados leves apresentam menor rigidez, com valores geralmente inferiores a 15
GPa, face aos 30 a 100 GPa apresentados pelos agregados de massa volúmica normal, são obtidos
menores módulos de elasticidade nos BEAL (FIP 1983; Newman 1993; Holm e Bremner 2000; Chandra
e Berntsson 2003; ACI213 et al. 2003). Por outro lado, os BEAL, ao estarem associados a maiores
volumes de pasta, conduzem também para menores módulos de elasticidade face aos BAN de igual
resistência (Newman 1993).
De acordo com o FIP (1983), o módulo de elasticidade dos BEAL, com massas volúmicas na ordem de
1700 kg/m3, é cerca de 50% do observado para BAN de iguais resistências. No ACI213 et al. (2003), é
referido que esses valores podem variar entre 50 e 75% para betões com resistências até 40 MPa.
Em comparação com o tipo e volume de agregado, na formulação deste tipo de betões, a redução da
relação a/c tem pouca influência no valor do módulo de elasticidade (EuroLightConR2 1998).
Tal como referido para a resistência à tracção, verifica-se uma adequada relação entre a resistência à
compressão e o módulo de elasticidade, dado que estes dependem da porosidade dos seus
constituintes (EuroLightConR2 1998; Zhang e Gjorv 1991; Curcio et al. 1998). Por esse motivo, faz-se
depender essa relação também da massa volúmica (EN 1992-1 2004; ACI213 et al. 2003)
2.2.1.5 Retracção
A retracção do betão é afectada por diversos factores, tais como: as características de retracção da
pasta; a restrição à deformação imposta pelos agregados, sendo influenciado pelo volume e rigidez do
agregado; a fracção volumétrica ocupada pela pasta e pelo agregado; a humidade e temperatura; a
geometria do elemento (Mindess et al. 2003; EuroLightConR2 1998).
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Nos BEAL, dado que a rigidez dos agregados leves é inferior à dos agregados de massa volúmica
normal, a retracção a longo prazo tende a ser mais elevada do que a dos BAN de igual composição
(Bogas, Brito, Cabaço 2014; Zhang et al 2005). Outro factor que contribui para a maior retração nos
BEAL é o maior volume de pasta usualmente apresentado por este tipo de betões (FIP 1983). No
entanto, devido ao efeito de cura interna proporcionado pelos agregados, o desenvolvimento da
retracção em idades jovens tende a ser menor nos BEAL (Zhang 2005; Cusson e Hoogeveen 2008).
São vários os trabalhos que demonstram o sucesso da utilização de agregados leves na redução da
retracção autogénea (Bogas e Nogueira 2014; Pietro e Bisschop 2004; Hoff 2003).
2.3 Durabilidade
A durabilidade define-se como a capacidade que um elemento ou material tem de manter as suas
características de serviço ao longo de um determinado tempo, num dado ambiente (EuroLightConR2
1998; Mehta e Monteiro 2006). A durabilidade do betão depende da sua capacidade de resistir a acções
externas, que podem ser de origem física, química, mecânica, estrutural e biológica (Bertolini et al.
2004).
A durabilidade do betão está relacionada com as suas propriedades de transporte, na medida em que
são estas que controlam a penetração e percolação de agentes agressivos no betão (Mehta e Monteiro
2006; Kropp 1995). O incremento de penetrabilidade (permeabilidade, difusão, absorção) determina a
velocidade do transporte dos agentes agressivos (EuroLightConR2 1998).
A durabilidade dos BEAL tem sido testemunhada desde a antiguidade, em estruturas com mais de 2000
anos, que sobreviveram até aos dias de hoje sem grandes sinais de deterioração, como é exemplo a
cúpula do panteão de Roma, onde foram utilizados agregados vulcânicos (Holm e Bremner 2000;
Chandra e Berntsson 2003). Outros exemplos de elevada durabilidade dos BEAL foram testemunhados
em vários exemplos de aplicação durante a primeira metade e meados do século XX, como é o caso
de barcos construídos na segunda guerra mundial em que após mais de 50 anos evidenciaram poucos
sinais de deterioração, apesar do ambiente severo a que estiveram sujeitos (Holm 1980).
À partida, dado que os agregados leves apresentam porosidade mais grosseira do que a pasta de
cimento, é natural que a penetrabilidade seja superior através destes elementos. Assim, é comum
referir que os BEAL apresentam maior penetrabilidade e, como tal, menor durabilidade do que os BAN
de igual composição. No entanto, alguns resultados sugerem que a durabilidade dos BEAL não é
necessariamente inferior (EuroLightConR2 1998). Tal é atribuído aos seguintes aspectos a ter em
consideração nos BEAL (EuroLightConR2 1998; Chandra e Berntsson 2003; Holm e Bremner 2000;
Bogas 2011):
Os betões leves estão usualmente associados a maiores compatibilidades elásticas entre o
agregado e a pasta, bem como zonas de transição agregado/pasta de melhor qualidade;
11
Os agregados leves são rodeados pela matriz cimentícia, que reduz a conectividade e
acessibilidade dos agregados, em especial, nos casos de betões de reduzido a/c associados a
pastas de elevada compacidade;
A cura interna proporcionada pelos agregados leves no betão, permite que exista um melhor
desenvolvimento da hidratação da pasta cimentícia que envolve os agregados leves;
Os agregados leves, após o endurecimento do betão, apresentam-se, em geral, não saturados,
o que reduz o risco de gelo-degelo, bem como o transporte de cloretos, por difusão;
Tendo em consideração betões de igual resistência, os BEAL estão usualmente associados a
pastas de maior compacidade, e como tal, menos permeáveis.
2.4 Propriedades térmicas do betão leve
Conforme referido anteriormente, o betão leve surgiu com o principal objectivo de reduzir a carga
permanente, permitindo aligeirar as construções, conduzindo a soluções mais esbeltas ou viabilizando
diversos casos de reabilitação. Porém, devido à sua menor massa volúmica, o betão leve contribui
ainda para o aumento da sua capacidade de isolamento térmico (Chandra e Berntsson 2003; Newman
1993). Desse modo, a utilização de BEAL em edifícios pode assumir um papel relevante na redução
do consumo energético, conduzindo potencialmente a soluções energeticamente mais eficientes e
ambientalmente mais sustentáveis.
A aplicação de betões em soluções não estruturais com o objectivo de aligeirar as construções e
cumprir os critérios de exigência funcionais tem sido evidente em exemplos de elementos de alvenaria,
painéis pré-fabricados e soluções de regularização de pisos (Roberts 1997; Clarke 1993).
Presentemente, a aplicação de betão leve em elementos não estruturais é ainda o campo de aplicação
mais atractivo para este tipo de betões, sendo os agregados leves produzidos, que estão associados a
maior expansão e porosidade, mais vocacionados para domínios de aplicação não estruturais (Bogas
2011; Newman 1993). No entanto, com as crescentes exigências de isolamento térmico dos edifícios e
em face das novas propriedades atingidas pelos BEAL de nova geração, em que a introdução de
superplastificantes veio resolver alguns dos seus problemas, como o controlo de trabalhabilidade e a
reduzida resistência e rigidez, aumentou o entusiasmo na utilização dos betões leves estruturais. De
facto, a utilização de BEAL em alternativa aos betões convencionais pode contribuir adicionalmente
para a redução do efeito das pontes térmicas nos elementos estruturais, reduzindo os níveis de
consumo energético das habitações ou minimizando os sistemas de correcção necessários ao
cumprimento das exigências regulamentares de isolamento térmico (Bogas 2011).
Assim, importa perceber até que ponto os BEAL podem contribuir de forma viável e efectiva para o
melhor desempenho térmico das habitações. Como tal, é necessário proceder à caracterização térmica
dos mesmos, tendo em consideração diferentes composições e diferentes cenários de massa volúmica
e resistência, de modo a abranger, pelo menos, a gama mais comum de betões leves estruturais.
12
Nesse sentido, e tendo em consideração o âmbito do trabalho, nos pontos em seguida faz-se um breve
resumo das principais propriedades térmicas a ter em consideração nos betões, bem como as principais
diferenças associadas à utilização de agregados leves, que até à presente data têm sido reportadas na
literatura. De entre as características térmicas dos materiais, serão abordadas a condutibilidade
térmica, o calor específico volumétrico, a difusividade térmica e a inércia térmica, que afectam
directamente as trocas de calor nos elementos construtivos (Fernandes 2014).
2.4.1 Condutibilidade térmica
A condutibilidade térmica de um material (λ) define-se como a quantidade média de calor que atravessa
um material homogéneo através de um volume cúbico de um metro de aresta, quando submetido a um
gradiente de temperatura de 1ºC entre as faces opostas (Holm e Bremner 2000; FIP 1983).
A unidade do sistema internacional (SI) para esta grandeza é o Watt (W) por metro (m) e por grau
Kelvin (K) [W/m.ºK]. Nesta dissertação é utilizado o grau Celsius (ºC) [W/m.ºC], que assume os mesmos
valores. (Holm e Bremner 2000).
Materiais com condutibilidades térmicas elevadas conduzem rapidamente o calor, podendo ser
utilizados como dissipadores térmicos. Materiais com condutibilidades mais reduzidas são
normalmente utilizados como isolantes térmicos, devido à lenta passagem do calor pelo seu interior. O
inverso da condutibilidade térmica é definido pela resistividade térmica.
A resistência térmica, RT, de uma dada solução construtiva pode ser avaliada de acordo com a
expressão (2.1), para elementos dispostos em série, em que di é a espessura e i a condutibilidade
térmica de cada material. Se um elemento (por exemplo uma parede) for composto por várias camadas
uniformes de diferentes materiais em contacto entre si ou separados por caixas-de-ar, espessura
constante, a resistência térmica do elemento será dada pela soma directa das resistências de cada
camada, incluindo os espaços com ar (Cavanaugh e Speck 2002).
RT= ∑
di
i
n
i=1
(m2.ºC/W) (2.1)
A capacidade de isolamento térmico de uma dada solução construtiva é usualmente avaliada pelo
coeficiente de transmissão térmica, U, que pode ser obtido a partir da expressão (2.2), correspondendo
à soma do inverso das resistências térmicas das várias camadas e das resistências superficiais
interiores, Rsi, e exteriores, Rse.
13
U =
1
∑di
i+Rsi+Rse
(W/ m2.ºC)
(2.2)
A condutibilidade térmica do betão depende principalmente da sua massa volúmica e do seu teor de
humidade, sendo ainda influenciada pela dimensão e distribuição dos poros, composição química dos
componentes sólidos, fases e estrutura do material (cristalina, amorfa) e temperatura. (FIP 1983; Holm
e Bremner 2000; Fernandes 2014; Real e Bogas 2015).
De um modo geral, a condutibilidade térmica tende a aumentar com o aumento da massa volúmica,
teor de humidade ou temperatura (Holm e Bremner 2000; FIP 1983; EuroLightConR2 1998). No
entanto, em relação a esta última propriedade, de acordo com o FIP (1983), em ensaios realizados
entre 20ºC e 60 ºC, foram obtidas diferenças pouco significativas na condutibilidade térmica. Os
materiais cristalinos, como é o caso do quartzo, apresentam maior condutibilidade térmica do que os
materiais amorfos. Em particular, a escória de alto-forno, que se trata de um material vítreo, possui
baixa condutibilidade térmica.
É reconhecido que a condutibilidade térmica varia de forma inversamente proporcional à porosidade,
evoluindo favoravelmente com os vários parâmetros que contribuem para o aumento de compacidade
do material (Bessenouci 2011). De facto, a condutibilidade térmica do betão resulta da condutibilidade
da estrutura silicatada e do teor de ar contido na estrutura porosa (Uysal 2004). Vários autores
consideram que a massa volúmica é a propriedade que melhor se relaciona com a condutibilidade
térmica do betão, sendo sugeridas relações exponenciais entre estas duas propriedades (Real e Bogas
2015; Newman 1993; ACI213 et al. 2003) (Figura 2.6).
Figura 2.6 Relação entre a massa volúmica seca e a condutibilidade térmica seca.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
600 900 1200 1500 1800 2100 2400
Co
nd
uti
bil
ida
de térm
ica s
eca (
W/m
ºC)
Massa volúmica seca (kg/m3)
Bogas (2011)
FIP (1983)
Protolab
Zhihua et al (2006)
ISO/FDIS 10456 (2007)
Sengul et al (2010)
Akçaozoglu et al (2012)
Alengram et al (2013)
Lo-Shu et al (1980)
Van Geem et al (1982)
ACI 213 (1967 de FIP 1983)
Newman (1993)
Valore (1980)
ITE 50 (2006)
Lightweight concrete in general(FIP 1983)
14
Em materiais heterogéneos como o betão, a condutibilidade térmica é determinada pelas
características térmicas das fases constituintes, nomeadamente a pasta e os agregados, podendo
ainda ser influenciada pela forma como estas se interligam (zona de transição). Neste caso, a reduzida
condutibilidade térmica do ar aprisionado na estrutura porosa dos agregados leves (EuroLightConR2
1998; Demirboǧa e Gül 2003) é o principal fator que os distingue dos betões convencionais. No entanto,
dado que os agregados podem ocupar cerca de 70 a 80% do volume do betão, a substituição de
agregados de massa volúmica normal por agregado leve, pode conduzir a reduções importantes da
condutibilidade térmica (Neville 1995; Lo-Shu 1980; Chi 2003). Em relação à matriz que envolve os
agregados, constata-se que o aumento do teor de cimento, normalmente associado a um aumento
respectivo da compacidade da pasta, contribui para o incremento da condutibilidade térmica (Ashworth
e Ashworth 1991; FIP 1978; Uysal 2004).
Assim, a principal razão para a redução da condutibilidade térmica dos betões de agregados leves,
comparando com os betões de agregados de massa volúmica normal, de igual composição, é a
quantidade de ar retido na sua estrutura porosa, através dos agregados (Demirboǧa e Gül 2003;
EuroLightConR2 1998).
Conforme referido em (2.2.1.2) apesar de a resistência à compressão dos BEAL variar de forma
proporcional com a sua massa volúmica não é possível estabelecer uma relação única entre estas
propriedades (FIP 1983; Bogas e Gomes 2013). De facto, a eficiência estrutural dos BEAL, dada pela
relação entre a resistência mecânica e a massa volúmica depende de vários fatores, como a
composição da mistura, tipo de agregado e nível de resistência do betão (Bogas e Gomes 2013; Chen
1995). Assim, deverá ser difícil estabelecer uma relação direta entre a condutibilidade térmica e a
resistência mecânica dos BEAL.
Apesar do teor em água dos betões afectar ligeiramente a sua massa volúmica, é na variação da
condutibilidade térmica que este assume maior relevância. De facto, a água ao apresentar uma
condutibilidade térmica cerca de 25 vezes superior à do ar, vai aumentar a capacidade de transmissão
de calor (Ashworth e Ashworth 1991; FIP 1978). Aumentos de 6 a 9% na condutibilidade térmica dos
BEAL por cada incremento de 1%, em massa, do teor de humidade, são referidos no ACI213 et al.
(2003). Por sua vez, no FIP (1983) são sugeridos aumentos de 2 a 6% na condutibilidade térmica por
cada 1% adicional de teor de humidade, medido em volume. Dado que os BEAL estão usualmente
associados a maiores teores de humidade e maiores tempos de secagem (Bogas 2011; Smeplass
2000), a condutibilidade térmica pode ser afectados de forma mais significativa pelo teor de humidade
(Del Coz Díaz et al. 2013).
Segundo (ACI213 et al. 2003), a condutibilidade corrigida do efeito da humidade pode ser calculada
através da expressão (2.3), em que wm e wo representam a massa volúmica da amostra húmida e seca
(Kg/m3), respectivamente.
15
𝜆𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑔𝑖𝑑𝑜 = 𝜆𝑠𝑒𝑐𝑜 ∗ (1 + 6 ∗
(𝑤𝑚 − 𝑤𝑜)
𝑤𝑜) (2.3)
Verifica-se ainda que a condutibilidade térmica pode depender significativamente do método de
medição utilizado, o que dificulta a caracterização dos BEAL.(Van Geem 1982; Hoff 2003) apresenta
um estudo envolvendo 3 métodos diferentes (guarded hot plate test, hot wire test, calibrated hot box
test), onde demonstra a elevada variabilidade que se pode obter entre diferentes métodos (Figura 2.7).
Em 2.4.4 é apresentado um breve resumo dos principais ensaios actualmente existentes utilizados na
caracterização da condutibilidade térmica.
Figura 2.7 Condutibilidade térmica de betão segundo vários métodos de ensaio (Holm e
Bremner 2000; Van Geem 1982)
De acordo com Holm e Bremner (2000), a condutibilidade térmica esperada em BEAL com
aproximadamente 1850 Kg/m3 de massa volúmica, varia entre cerca de 0.58 e 0.86 W/mºC, ao passo
que em betões de massa volúmica normal (2400 Kg/m3), a condutibilidade térmica varia entre 1.4 e
2.9 W/mºC. Por sua vez, no ITE50 (2006), são referidos valores entre cerca 0.85 e 1.05 W/mºC para
betões leves de 1400 a 1800 Kg/m3 de massa volúmica e valores entre 1.65 e 2.0 W/mºC no caso de
betões correntes de massa volúmica entre 2000 e 2600 Kg/m3. A estes valores correspondem reduções
de cerca de 50 a 70% na condutibilidade térmica dos BEAL face aos BAN. Outros autores
caracterizaram a condutibilidade térmica dos BEAL, conforme ilustrado na Figura 2.7, embora
geralmente limitado a betões de reduzida resistência ou focando-se apenas numa dada composição e
condição de humidade.
16
Bogas (2011) estimou de forma indicativa que, em termos de capacidade de isolamento, uma parede
de betão leve com 0,4 m de espessura corresponde aproximadamente a uma parede de betão normal
com 1 m de espessura ou uma parede simples de tijolo furado com 0,2-0,24 m de espessura (ITE50
2006). Para tal, o autor teve em consideração coeficientes de condutibilidade de 0,65 W/mºC e 1,65
W/mºC em BEAL e BAN, respectivamente.
Em suma, tendo em consideração a bibliografia consultada, verifica-se que ainda existem várias
dúvidas na caracterização geral das propriedades térmicas dos BEAL, em parte devido ao vários
factores que podem condicionar a sua determinação, mas também devido ao facto de serem escassos
os trabalhos que consideram betões com diferentes composições, níveis de resistência, massa
volúmica e teores de humidade. Assim, é necessário desenvolver trabalhos experimentais que tenham
simultaneamente em consideração estes aspectos, conforme efectuado no presente estudo. Desse
modo, é possível contribuir para uma melhor segurança na utilização dos BEAL, e um melhor
conhecimento do comportamento esperado pela introdução de BEAL em edifícios.
Conclui-se também que a seleção de um dado BEAL para uma determinada aplicação estrutural, tendo
também em conta critérios de otimização energética, não é uma tarefa simples, dado que a capacidade
de isolamento térmico e o desempenho mecânico e de durabilidade são propriedades que dependem
de forma oposta da massa volúmica e porosidade do betão (Sacht 2010).
2.4.2 Calor específico
O calor específico é definido como a quantidade de calor necessária para elevar uma massa unitária
de um certo material em 1 grau. Expressa-se em J/kg.ºC (Holm e Bremner 2000).
O calor específico tende a aumentar com a temperatura e com a diminuição da massa volúmica. Esta
propriedade é pouco afectada pela composição mineralógica dos agregados, mas pode aumentar
significativamente com o incremento do teor de humidade do betão, devido ao elevado calor específico
da água no interior dos poros. O calor específico de amostras de betão leve secas tem pouca variação,
nem difere de forma significativa dos betões normais (cerca de 860 J/kg.ºC). Em amostras com
humidade o calor específico aumenta devido ao elevado calor específico da água contida nos poros
(4200 J/kg.ºC) (Neville 1995).
Assim, imediatamente após a mistura, é natural que os betões de agregados leves, associados a maior
teor de humidade e secagens mais lentas, apresentem um calor específico superior ao dos betões
correntes (FIP 1983).
2.4.3 Difusividade
A difusividade térmica (α) é definida através da condutibilidade térmica (λ), do calor específico (c) e da
massa volúmica (ρ). Esta propriedade caracteriza a forma como o calor se propaga através de um
17
material, informando sobre a velocidade com que um corpo se ajusta à temperatura envolvente (Neville
1995). Materiais com baixa difusividade retardam a transferência de calor entre o material e a
envolvente e vice-versa.
Matematicamente a difusividade é obtida pelo quociente entre a condutibilidade térmica (λ) e o produto
entre o calor específico (c) e a massa volúmica (ρ), conforme representado em (2.4). A sua unidade SI
é o metro quadrado por segundo (m2/s) (Fernandes 2014; Holm e Bremner 2000).
𝛼 =
𝜆
𝑐𝜌 (2.4)
Devido à influência que o teor de humidade tem nas propriedades térmicas do betão, a difusividade
deve ser medida em elementos com o teor de humidade semelhante ao que se prevê na realidade
(Neville 1995).
Tendo em consideração que a condutibilidade térmica do betão varia de forma exponencial com a
massa volúmica e tendo em consideração que o calor especifico tende a ser, em geral, ligeiramente
superior nos BEAL, conclui-se que a difusividade tende a diminuir com a substituição de agregados de
massa volúmica normal por agregado leve.
2.4.4 Coeficiente de expansão térmica
O coeficiente de expansão térmica refere-se à variação de comprimento ou volume de um dado
elemento quando a temperatura deste se altera em um grau. Exprime-se em metros por grau Celcius
(m/ºC).
Tal como em quase todos os materiais de uso corrente em engenharia, o betão tem um coeficiente de
expansão térmica positivo. Este valor depende da composição e do teor de humidade do betão (Neville
1995).
A proporção dos vários componentes da mistura vai influenciar o valor final desta propriedade, uma vez
que a pasta cimenticia e os agregados têm coeficientes de expansão distintos. Para a pasta são
referidos valores compreendidos entre 11x10-6 e 20x10-6 m/ºC, normalmente mais elevados que os
obtidos nos agregados (Neville 1995).
Segundo Neville (1995), o coeficiente de expansão térmica é menor quando o betão se encontra
completamente seco ou saturado e aumenta quando este adquire um teor de humidade intermédio,
sendo este fenómeno atribuído a efeitos de capilaridade.
18
Em geral, os betões com agregados leves apresentam coeficiente de expansão térmica inferior aos
betões com agregados convencionais, referindo-se valores compreendidos entre 7x10-6 a 9x10-6 m/ºC
nos BEAL e entre 10x10-6 a 13x10-6 m/ºC nos BAN (Clarke 1993).
2.4.5 Ensaios de avaliação da condutibilidade térmica
A condutibilidade térmica é a principal característica a avaliar quando se analisa termicamente um
material ou elemento.
Como já foi referido anteriormente, a condutibilidade térmica de um material depende da massa
volúmica, teor de humidade, temperatura, constituintes e vazios presentes na sua estrutura. Está assim
relacionada com a sua estrutura atómica e molecular, porosidade, anisotropia e defeitos/falhas
estruturais. Factores como a idade da amostra, condições de armazenamento e métodos de produção
também têm um impacto importante na condutibilidade térmica.
Devido à variabilidade de materiais e formas dos elementos a avaliar, para além das diferentes
condições de ensaio, não existe um único e inequívoco método para medir a condutibilidade térmica.
Assim, a fiabilidade de um método específico depende de diversos factores, tais como a velocidade de
ensaio, a precisão requerida, o ambiente do ensaio, a natureza física do material, bem como a sua
forma e dimensão (Franco 2007; Fernandes 2014).
Existem vários métodos utilizados para avaliar a condutibilidade térmica de um material, que se dividem
em dois tipos: métodos estacionários e métodos transientes.
2.4.5.1 Métodos Estacionários
De entre os métodos estacionários para avaliar a condutibilidade térmica de uma amostra, os mais
utilizados e considerados mais precisos, com erros máximos na ordem dos 3% para amostras no estado
seco, são o método da placa quente (em inglês guarded hot plate) e o do medidor de fluxo de calor
(heat flow meter).
Este tipo de métodos consiste em estabelecer um gradiente térmico constante através da amostra
colocada entre duas placas isotérmicas, com temperaturas diferentes. Quando o gradiente térmico
desejado estiver estabelecido, são feitas as medições e o valor da condutibilidade é calculado pela lei
de Fourier (2.5). A quantidade de energia fornecida à placa quente é proporcional à condutibilidade
térmica do material.
A amostra ensaiada através deste processo deve ter dimensões rigorosas e superfícies lisas, para que
seja possível um contacto total com as placas.
19
Qc = Kp x A x (θ1 - θ2) (2.5)
em que,
Qc ‐fluxo de calor por condução em regime permanente através do elemento [W];
Kp ‐ condutância térmica do elemento [W/m2.°C];
A - área da secção do elemento [m2];
Θk -temperaturas nas faces do elemento [°C].
Apesar dos resultados obtidos serem bastante precisos, estes métodos têm alguns inconvenientes, tais
como o custo do equipamento, o grande consumo de água (utilizada para arrefecimento das placas) e
energia, assim como o tempo necessário para que o equilíbrio térmico da amostra seja estabelecido
(Fernandes 2014).
Em termos de normalização, o método heat flow meter rege-se pelas normas europeias ISO 8301
(1991) e NP EN 12667, bem como pela norma americana ASTM C518-98. O método guarded hot plate
obedece às normas ISO 8302 e NP EN 12667, assim como à norma americana ASTM C177-97. As
figuras Figura 2.8 e Figura 2.9 apresentam esquemas dos dois métodos anteriores. No método heat
flow meter (Figura 2.8) o fluxo dá-se através de apenas uma amostra, da placa quente para a fria. O
ensaio guarded hot plate (Figura 2.9) utiliza duas amostras, estabelecendo-se o gradiente entre as
mesmas da superfície mais quente para a mais fria (Franco 2007; Fernandes 2014).
Figura 2.8 - Esquema do método heat flow
meter (Franco 2007)
Figura 2.9 - Esquema do método hot
guarded plate (W1)
20
2.4.5.2 Métodos Transientes
Os métodos transientes medem a condutibilidade térmica através da resposta a um impulso de calor
que é aplicado ao elemento em estudo, ao contrário dos métodos estacionários, que medem a resposta
a um fluxo de calor constante aplicado através da amostra.
Estes métodos têm a vantagem de serem mais expeditos a obter resultados quando comparados com
os métodos estacionários, não sendo necessário aguardar longos períodos de tempo para que as
temperaturas na amostra (e o fluxo de calor) estabilizem.
Quando se utiliza um método transiente, a amostra deve estar em equilíbrio térmico com o ambiente.
É então aplicado pelo aparelho de ensaio (que tem uma sonda em contacto com a amostra) um impulso
de calor numa das faces da amostra.
Durante o tempo de ensaio as variações de temperatura são registadas pela sonda e o cálculo da
condutibilidade térmica é efectuado (Franco 2007; Fernandes 2014).
Existem vários métodos transientes distintos, mas os mais utilizados são o método da fonte plana
(transient plane source), o método da fonte linear (transient line source) e o método da fonte plana
modificado (modified transient plane source), que são explicitados de seguida:
Método da fonte plana (TPS) - a sonda é plana e de dupla face, sendo colocada no interior
da amostra previamente cortada (Figura 2.10);
Figura 2.10 – Esquema do método TPS (W2)
21
Método da fonte linear (TLS) – sonda em formato de agulha, que introduz o impulso de calor
ao longo da espessura da amostra (Figura 2.11);
Figura 2.11 - Esquema do método TLS (W3)
Método da fonte plana modificado (MPTS) – neste caso tem-se uma sonda de face única,
colocada na superfície da amostra. Esta superfície deve ser plana e regular, a fim de permitir
que a área da sonda fique em contacto total com a amostra (Figura 2.12).
Figura 2.12 - Esquema do método MPTS (W2)
22
3 Campanha experimental
3.1 Introdução
No presente capítulo procede-se ao resumo dos procedimentos e ensaios realizados na campanha
experimental, que teve como objectivo fazer a caracterização e análise das propriedades térmicas de
diversos tipos de betão de agregados leves. De modo a analisar o seu componente relativo face aos
betões convencionais, foram ainda analisados betões de referência com agregados de massa volúmica
normal.
Apresenta-se assim uma breve descrição dos métodos e procedimentos utilizados, referindo as normas
correspondentes aos ensaios executados. Toda a campanha experimental realizada no âmbito desta
dissertação decorreu no Laboratório de Construção do Departamento de Engenharia Civil e
Arquitectura do Instituto Superior Técnico e contou com a colaboração, nas suas diversas fases, dos
restantes elementos do projecto de investigação.
3.2 Planeamento
A campanha experimental realizada no âmbito da presente dissertação dividiu-se em várias fases.
Numa primeira fase procedeu-se á definição das composições a estudar e formulação dos betões a
produzir, sendo posteriormente determinadas as quantidades de material necessárias para garantir
essa produção.
Seguidamente, foram selecionados e caracterizados os vários materiais utilizados na produção dos
betões. Procedeu-se à caracterização das propriedades dos agregados finos e grossos, cujos ensaios
se encontram descritos no e Quadro 3.1. Para a caracterização do cimento utilizado, foram adoptados
os valores fornecidos pelo fabricante.
Quadro 3.1 Ensaios relativos aos agregados
Ensaio Norma
Análise granulométrica NP EN 933-1 / NP EN 12620
Baridade NP EN1097-3
Massa volúmica e absorção de água NP EN1097-6
Índice de forma NP EN 933-4 / NP EN 12620 a)
a) apenas para agregados grossos
23
Posteriormente, produziram-se os diferentes tipos de betão e realizaram-se os respectivos ensaios no
estado fresco e endurecido. Estes ensaios encontram-se resumidos no Quadro 3.2 e Quadro 3.3,
respectivamente. O objectivo principal desta fase do trabalho consistiu em caracterizar
laboratorialmente o nível de condutibilidade térmica dos BEAL tendo em conta diferentes classes de
resistência e massa volúmica, bem como diferentes parâmetros de composição.
Finalmente, e de modo a efectuar um estudo mais rigoroso do comportamento térmico dos betões
foram produzidas lajetas para cada tipo de composição estudada, que se integraram numa parede
protótipo a ensaiar numa câmara climática existente no laboratório de construção do Instituto Superior
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Mineral Admixtures."
Normas e especificações
ASTM C 177 ‐ 97, Standard test method for steady-state thermal transmission properties by means of
the guarded – hot – plate apparatus, International Organization for Standardisation, 1991.
ASTM C 518 ‐ 98, Standard test method for steady ‐ state thermal transmission properties by means of
the heat flow meter apparatus, American Society for Testing and Materials, 1998.
ASTM D 5334-14. “Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure”. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014.
ASTM D 5930-09. “Standard Test Method for Thermal Conductivity of Plastics by Means of a Transient
Line-Source Technique”. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2009.
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EN197-1. “Cement – Part 1: Composition, specifications and conformity criteria for common cements”.
European Committee for standardization CEN, english version, 2011, 38p.
EN1992-1-1. "Eurocode 2: Design of concrete concrete structures - Part 1-1: General rules and rules
for buildings." European Committee for standardization CEN, English version, December 2004. 225p.
EN ISO 9869: 1994 – “Thermal insulation - Building elements - In-situ Measurement of Thermal