medição de humidade no betão: relatório final da tarefa...
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União Europeia – Fundos Estruturais Governo da República Portuguesa
PROJETOS DE INVESTIGAÇÃO CIENTÍFICA E DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO
RELATÓRIO REFERENTE AO PROJETO PTDC/ECM/099250/2008 “Comportamento em serviço de estruturas de betão: uma abordagem multi-física das tensões
auto-induzidas”
Medição de humidade no betão: Relatório final da Tarefa 1
Autores: José Granja Miguel Azenha Joaquim Barros Rui Faria
Guimarães, UM, 2011
1
ÍNDICE
Índice ........................................................................................................................... 1
1 Introdução ........................................................................................................... 3
2 Humidade relativa ............................................................................................... 6
2.1 Medição de Humidade Relativa ...................................................................... 7
2.1.1 Psicómetros ............................................................................................. 8
2.1.2 Higrómetros elétricos ............................................................................... 9
2.1.3 Métodos de medição do ponto de orvalho ................................................ 9
2.1.4 Outros métodos ...................................................................................... 10
2.2 Erros na medição de humidade relativa ......................................................... 10
3 A humidade relativa e o betão .......................................................................... 12
4 Problemáticas na medição de humidade relativa no betão .............................. 19
4.1 Experiência 1: utilização de soluções de sais saturados para criar ambientes de
humidade relativa constante .................................................................................... 27
4.2 Experiência 2: exposição dos sensores a ambiente extremo durante um longo
periodo de tempo..................................................................................................... 35
4.3 Experiência 3: influência do tipo de sensor ................................................... 37
4.4 Experiência 4: influência da utilização de tecidos Gore-Tex®
........................ 40
4.5 Experiência 5: influência do tamanho do macro poro .................................... 44
4.6 Experiência 6: selagem do macro poro .......................................................... 46
4.7 Experiência 7: selagem de superfícies de peças de betão ............................... 49
5 Conclusões ......................................................................................................... 52
2
6 Referencias bibliográficas ................................................................................. 54
3
1 INTRODUÇÃO
A humidade no betão influência fortemente as propriedades do próprio betão nas
primeiras idades assim como o seu comportamento a longo prazo (Kim e Lee, 1999,
Zhang et al., 2011, Norris et al., 2008). Exemplos típicos são a retração e a consequente
fendilharão. O betão retrai à medida que a humidade interna diminui quer seja por troca
com ambiente (evaporação), quer por auto-dissecação (hidratação das partículas de
cimento). A magnitude da retração é normalmente proporcional à quantidade de
humidade perdida (Bissonnette et al., 1999). Este fenómeno causa tensões
(autoinduzidas) no betão que podem provocar, caso seja atingida a tensão máxima de
retração, o aparecimento de fissuras. Por outro lado, a retração de secagem ocorre mais
rapidamente junto à superfície do betão do que no seu interior (Ayano e Wittmann,
2002), podendo provocar fissuração superficial, diminuindo a durabilidade dos
elementos de betão.
Deste modo é de fulcral importância estimar corretamente a evolução de perfis de
humidade em peças de betão para ser possível estimar corretamente as tensões induzidas
por esse processo e inclui-las no seu dimensionamento. Inicialmente a medição de
humidade no betão era efetuada através de métodos destrutivos, nomeadamente através
de gravimetria (Akita et al., 1997, Schmugge et al., 1980, Parrott, 1990, Visscher,
1999). Este consiste na determinação do teor de água do betão através de amostras de
exposta à secagem em estufa, medindo a perda de massa do betão endurecido. Este
método, apesar de bastante preciso, tem grandes desvantagens, nomeadamente devido
ao facto de ser destrutivo, não permitindo, por exemplo, a medição da perda de
humidade das amostras de betão ao longo do tempo. Para colmatar esta dificuldade
foram surgindo ao longo do tempo vários outros métodos de medição de humidade no
4
betão tais como: método da absorção de micro-ondas; absorção de raios gama;
resistividade; propriedades térmicas; propriedades dielétricas; absorção de radiação
infravermelha; tempo de propagação de ondas ultra sónicas; georadar; gamadensimetro;
humidade relativa (Ekaputri et al., 2010, Parrott, 1990, Visscher, 1999, Bell, 1971, Berg
et al., 1992, Rollet et al., 2008, Ohdaira e Masuzawa, 2000, Al-Mattarneh et al., 2001,
da Rocha et al., 2001, Laurens et al., 2002, Villain e Thiery, 2006). Todos estes
métodos apresentam algumas vantagens e desvantagens que podem ser consultadas nos
trabalhos de Parrott (1990), de Visscher (1999) e Bell (1971). Um dos métodos mais
utilizados atualmente é a medição de humidade relativa, uma vez que tem fornecido
resultados consistentes, para além de ser um método bastante versátil e de fácil
aplicação tanto em aplicações laboratoriais como in situ. A medição de humidade
relativa no betão pode ser útil para uma série de aplicações, incluindo (Grasley et al.,
2006a):
Determinar quando um pavimento está seco o suficiente para instalar a camada
final de cobertura;
Avaliar a eficácia de compostos de cura ou de selantes;
Desenvolver correlações para avaliar tensões internas causadas pela secagem,
variações de temperatura ou auto-dissecação.
Para estimar as tensões autoinduzidas no betão devido à perda de humidade é necessário
criar modelos numéricos que simulem o campo de humidades no betão ao longo do
tempo. Os modelos numéricos mais utilizados e aceites simulam a humidade do betão
através da humidade relativa (Kim e Lee, 1999, Zhang et al., 2011). Uma vez que estes
modelos necessitam de ser calibrados com dados experimentais, ao longo deste trabalho
vão ser estudas algumas incertezas existentes nos procedimentos mais utilizados para
5
medição de humidade relativa no betão com o intuito de obter um método fiável e
simples, que possa ser utilizado como padrão.
6
2 HUMIDADE RELATIVA
A humidade relativa (HR) ( ) do ar é a relação entre a quantidade de água que o ar
contém ( ) e a quantidade de água que ar pode conter à mesma temperatura ( ).
(2.1)
O ar pode ser visto como uma mistura de ar seco e vapor de água. O vapor de água,
quando a pressão se encontra abaixo de 10kPa qualquer que seja a temperatura a que se
encontre pode ser assimilado a um gás ideal com erros associados desprezáveis (Çengel
e Boles, 2006, Wiederhold, 1997). Desta forma pode ser aplicada a equação de estado
de um gás ideal:
(2.2)
Em que ( ) é a pressão absoluta, ( ) é a temperatura absoluta, ( ) é o volume do gás,
( ) é a constante do gás e ( ) é a massa do gás. É possível então expressar a HR pela
reção entre a pressão de vapor ( ) e a pressão de saturação ( )
⁄
⁄
(2.3)
A pressão de saturação ou a pressão de equilíbrio de vapor é a pressão de um gás em
equilíbrio termodinâmico com as fases condensadas num sistema fechado, sendo que a
pressão de vapor ou pressão parcial de um gás ideal numa mistura é igual à pressão que
o gás exerceria se ocupasse o mesmo volume sozinho à mesma temperatura
(Wiederhold, 1997).
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2.1 Medição de Humidade Relativa
Existem várias formas de efetuar medições de humidade relativa: através da medição da
temperatura do bolbo húmido, com recurso a um psicómetro através da medição da
humidade relativa, através de um higrómetro ou da medição da temperatura do ponto de
orvalho (Wexler e Brombacher, 1954, WMO, 2008, Wiederhold, 1997). A Organização
Mundial de Meteorologia (WMO) apresenta num relatório recente um resumo das
capacidades de medição destes três grupos de sistemas de medição de humidade relativa
(ver Tabela 2.1).
Tabela 2.1 – Características dos vários tipos de medição de humidade no ar. Adaptado
de (WMO, 2008)
Requisito Temperatura do
bolbo húmido (Psicómetros)
Humidade Relativa (Higrómetros)
Temperatura do ponto de orvalho
Gama de leitura -10 a 35 °C 5 a 100 % Pelo menos 50 °C entre -60 a 35 °C
Precisão de leitura 0.1 a 0.2 °C 1 a 5 % 0.1 a 0.5 °C
Incerteza nas medições realizadas
0.2 °C 3 a 5 % 0.5 °C
Tempo de
estabilização 20 s 40 s 20 s
Tempo médio de
leitura 60 s 60 s 60 s
Como se pode observar a medição de humidade no ar a partir de medição de
temperaturas, quer do bolbo húmido quer do ponto do orvalho possuem menores
incertezas quando comparadas com os higrómetros. A temperaturas ambiente correntes
em climas temperados os métodos baseados em medição de temperaturas não
apresentam limitações na medição de humidade do ar, mas, nem sempre podem ser
utilizados. Em algumas aplicações específicas, como por exemplo a medição de
humidade relativa em poros criados no interior de matérias cimentícios, onde uma
8
pequena libertação de água no interior do poro altera fortemente a humidade relativa do
poro (devido à pequena dimensão do poro) ou uma alteração da temperatura interna do
poro altera as características do meio envolvente, a utilização de sistemas de medição
que impliquem a libertação de água para o meio ou a alteração da temperatura do
mesmo é indesejável.
Em seguida serão apresentados vários métodos de medição de humidade relativa:
2.1.1 Psicómetros
Um psicrómetro consiste essencialmente em dois termómetros colocados lado a lado,
com a superfície de um dos sensores coberta por uma fina película de água, para medir a
temperatura do chamado bolbo húmido. O segundo termómetro é exposto simplesmente
ao ar para medir a temperatura do chamado de bolbo seco (ver Figura 2.1). Este é o
método mais amplamente utilizado e é descrito em detalhe por (WMO, 2008, Çengel e
Boles, 2006, Wiederhold, 1997).
Mecha
Água liquida
Termómetro de
bolbo húmido
Termómetro de
bolbo seco
Fluxo de ar
Figura 2.1 – Psicómetro
Através da diferença de temperaturas entre o bolbo seco e o bolbo húmido é possível,
recorrendo a um diagrama psicométrico obter para a temperatura ambiente a humidade
relativa do ar (Çengel e Boles, 2006, Wiederhold, 1997).
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2.1.2 Higrómetros elétricos
Os higrómetros elétricos são atualmente dos instrumentos de medição de humidade
relativa mais utilizados. Estes sensores tiram partido da mudança das propriedades
elétricas de mariais hidrópicos em resposta a mudanças na humidade relativa do
ambiente (WMO, 2008, Wiederhold, 1997). Existem essencialmente dois tipos de
higrómetros elétricos: resistivos e capacitivos. Os higrómetros resistivos apesar de
possuírem um reduzido tempo de resposta, de praticamente não envelhecer, sem perdas
por histerese, de possuir uma baixa dependência da temperatura, de a sua operação ser
estável e repetível em muitas aplicações, barato e apresentar um baixo consumo de
energia, estes higrómetros são dispositivos de medição secundária e necessitam de
re-calibração periódica, são sensíveis a certos contaminantes, necessitam de
compensação de temperatura se usados numa ampla gama de temperatura e possuem um
baixa grama de leitura de humidade (Wiederhold, 1997). Já os higrómetros capacitivos,
quando comprados com os resistivos apresentam um tempo de resposta mais reduzido,
melhor precisão, podem ser usados a temperaturas ambiente mais elevadas e apresentam
uma dependência da temperatura mais reduzida.
2.1.3 Métodos de medição do ponto de orvalho
A medição do ponto de orvalho pode efetuada através de vários métodos, como se pode
consultar nos trabalhos de Wiederhold (1997), da WMO (2008) e de Visscher (1999),
tais como: o método do espelho refrigerado (Chilled-mirror method) e o medidor de
ponto de orvalho de Cloreto de Lítio (The Lithium Chloride Dewpoint Meter). Estes métodos
baseiam-se no princípio fundamental de que a humidade no ar aumenta com a diminuição da
temperatura, até atingir um ponto que condensa. No primeiro método, o ponto de orvalho é
detetado arrefecendo uma superfície de condensação reflexiva (um espelho) até que a água
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comece condensar. Através da deteção de pequenas gotículas condensadas com um
sistema de deteção ótico é possível identificar a temperatura a que ocorre a condensação
(temperatura do ponto de orvalho). Através desta temperatura é possível estimar a
humidade relativa do ar. Estes métodos são os mais precisos e confiáveis de entre todos
os métodos com equipamentos comerciais disponíveis (Wiederhold, 1997).
2.1.4 Outros métodos
Para além dos métodos descritos anteriormente, existe ainda uma grande variedade de
métodos de medição de humidade relativa. Aqui são apresentados alguns desses
métodos: higrómetros gravimétricos, higrómetros mecânicos, higrómetros que usam a
absorção de radiação eletromagnética, higrómetros de Óxido de Alumínio, método de solução
salina aquecida, método coulométrico, oscilador de cristal, entre outros. Detalhes sobre estes
métodos podem ser encontrados nas seguintes referências (Wiederhold, 1997, Sonntag, 1994,
Visscher, 1999, WMO, 2008)
2.2 Erros na medição de humidade relativa
A medição de humidade relativa é uma tarefa delicada. Podem facilmente surgir erros
causados por inadequados procedimentos adotados. Alguns desses erros podem ser
causados pelo seguinte (WMO, 2008):
Modificação da amostra de ar, por exemplo, por variações de temperatura ou de
vapor de água;
A contaminação do sensor;
Erro de calibração, incluindo correção de pressão, coeficiente de temperatura do
sensor, e interface elétrica;
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Conceção inadequada dos instrumentos, por exemplo, condução de calor na
haste do termómetro de bolbo húmido;
O funcionamento incorreto, por exemplo, a incapacidade de atingir o equilíbrio
estável;
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3 A HUMIDADE RELATIVA E O BETÃO
A humidade do betão está presente na sua rede porosa tanto sob a forma de vapor, nos
poros de grandes dimensões, como em estado líquido, nos poros dimensões reduzidas.
Devido a este facto, a medição de humidade no betão não é uma tarefa simples, pelo que
muitas das vezes se recorre à medição da humidade relativa. A humidade relativa não é
uma propriedade do betão (Grasley et al., 2006a). Apenas representa uma aproximação,
sendo que para se obter um valor representativo do conteúdo de água livre presente
numa peça de betão é necessário criar um macro poro que contacte com a rede porosa
do betão, como é ilustrado na Figura 3.1.
Figura 3.1 – Macro poro em contacto com rede porosa do betão
Este conceito começou a ser utilizado para facilitar a medição do conteúdo em água do
betão, uma vez que a medição da quantidade de água livre presente numa peça de betão
requer a aplicação de métodos destrutivos impossibilitando tanto a medição ao longo do
tempo da perda de água assim como a medição em estruturas reais (Akita et al., 1997).
Várias metodologias para a medição da humidade relativa interna têm vindo a ser
propostas por vários investigadores. A escolha de uma metodologia tem de ser
ponderada por cada utlizados uma vez que cada metodologia apresenta algumas
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vantagens e desvantagens. Uma vez que, com este estudo, se pretende apenas testar
metodologias que possam ser inseridas em materiais cimentícios, para permitir a
monitorização ao longo do tempo da perda de humidade a várias profundidades serão
apresentadas apenas esse tipo de metodologias. Para consultar outro tipo de
metodologias consultar as referências (Yeo et al., 2006, Stojanović et al., 2010, Jiang et
al., 2006). Algumas metodologias bem conhecidas são descritas em seguida:
Metodologia proposta por Andrade et al. (1999)
Esta metodologia consiste em abrir um furo num provete de betão onde a humidade
relativa possa ser medida. O volume do furo é cerca de 4.5 a 5 cm3, com 3.5 cm de
profundidade. O aspeto final e o esquema do ensaio é apresentado na Figura 3.2. Para
medir a humidade relativa foram utilizados dois tipos de equipamentos: um sensor
higroscópico e um higrómetro capacitivo (Vaisala).
Figura 3.2 – Metodologia de medição de humidade relativa proposta por Andrade et al.
(1999)
Mais recentemente uma metodologia semelhante foi aplicada por El-Dieb (2007) e por
Jiang et al. (2006). Um aspeto esquema utilizado é apresentado na Figura 3.3. Após o
aberto um furo na peça de betão é inserido um sensor de humidade relativa no seu
interior e este é selado com uma rolha de borracha.
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Figura 3.3 – Metodologia de medição de humidade relativa proposta por El-Dieb (2007)
No trabalho de Kim e Lee (1999) também é proposta uma metodologia semelhante. A
grande diferença reside no facto de nesta ultima após o furo ser efetuado é colocado um
tubo plástico oco e aberto nas duas extremidades. Para medir a humidade relativa é
inserida uma sonda (sensor capacitivo) no tubo selando a extremidade exterior (Figura
3.4). A humidade relativa pode ser medida logo que ocorra o equilíbrio entre a
superfície de betão e o ar no interior do tubo.
Figura 3.4 – Metodologia de medição de humidade relativa proposta por Kim e Lee
(1999)
Contudo podem existir algumas fontes de erro nas medições de humidade relativa com
estas metodologias. As propriedades do ponto de medição podem ser afetadas durante a
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perfuração do furo. Além disso, estas metodologias necessitam de um período grande
para a estabilização da humidade relativa no interior do furo.
Metodologia proposta por Grazley (2002)
No seu trabalho, Grazley propõe uma metodologia inovadora para medir a humidade
relativa no betão de uma forma mais precisa. É proposto a utilização de um sensor de
humidade capacitivo embebido no betão desde a betonagem. Contudo o sensor não pode
ser diretamente exposto ao betão fresco devido ao mau funcionamento do circuito
elétrico quando contacta com água. Para eliminar este problema, foram introduzidos os
sensores de humidade no interior tubos ocos tapados na extremidade em contacto com o
betão com tecidos Gore-Tex®, como se pode ver na Figura 3.5.
Figura 3.5 – Metodologia de medição de humidade relativa proposta por Grazley (2002)
Uma metodologia semelhante foi utlizada também no tralho de Lee et al. (2011), de
Ryu et al. (2011) e de Ekaputri et al. (2010)e o esquema de ensaio é apresentado na
Figura 3.6.
Figura 3.6 – Metodologia de medição de humidade relativa proposta por Lee et al.
(2011)
Estas metodologias permitem assim fazer medições mais rigorosas da humidade relativa
do betão, uma vez que não é necessário efetuar um furo no betão endurecido. Deste
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modo é possível efetuar medições a uma determinada profundidade do betão desde a
betonagem. Num trabalho mais recente Grasley et al. (2006b) utilizam esta metodologia
para efetuar medições a várias profundidades, como se pode observar na Figura 3.7. Isto
permite avaliar perfiz de humidade relativa no betão ao longo do tempo.
Figura 3.7 – Medição de humidade relativa efetuada por Grasley et al. (2006b)
Apesar de estas metodologias apresentarem resultados bastante bons, estas necessitam
ainda de ser validadas, nomeadamente devido à possível influência que o tecido
Gore-Tex® pode ter nos resultados. De facto existem investigadores que continuam a
sugerir metodologias, sem o uso deste tipo de tecidos na interface poro/betão. É o caso
da metodologia proposta por Zhang et al. (2009). Neste trabalho é sugerida a utilização
de tubo plástico oco por onde um sensor é inserido para medir a humidade relativa.
Porém o tubo é inserido no betão fresco, sem o sensor no seu interior, preenchido no
interior por um tubo metálico de diâmetro igual ao diâmetro interno do tubo de plástico.
Após o betão endurecer, o tubo é retirado sendo inserido posteriormente o sensor de
humidade relativa (Figura 3.8).
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Figura 3.8 – Metodologia de medição de humidade relativa proposta por Zhang el al.
(2009)
De salientar que nesta metodologia, o contacto do ar no interior do tubo com o betão
deixa de ser a extremidade do tubo oco, passando a ser através de duas ranhuras
efetuadas nas laterais do tubo.
Recentemente Chang e Hung (2012) surgiram com uma nova metodologia onde o
sensor de umidade é encapsulado no interior de um cubo composto por paredes
permeáveis à humidade relativa (Figura 3.9). Esta metodologia tem a vantagem de se
poder embeber o sensor em qualquer parte de uma estrutura real uma vez que a
transmissão de dados das leituras do sensor é efetuada por wireless. Contudo, não existe
um bom controlo da posição exata a que se referem as leituras.
Figura 3.9 – Metodologia de medição de humidade relativa proposta por Chang e Hung
(2012)
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4 PROBLEMÁTICAS NA MEDIÇÃO DE HUMIDADE RELATIVA
NO BETÃO
A medição de humidade relativa no betão apresenta, como anteriormente se mencionou,
várias condicionantes, principalmente devido à necessidade de ter de existir um macro
poro em equilíbrio com o betão envolvente onde se possa inserir um sensor de
humidade relativa, assim como à elevada humidade inicial que o betão possui que pode
danificar facilmente os sensores elétricos de humidade relativa. Apesar de vários autores
apresentarem já bons resultados deste tipo de medições (Åhs, 2005, Zhang et al., 2011,
Ryu et al., 2011, Zhang et al., 2009, Grasley et al., 2006a, Chang e Hung, 2012,
Andrade et al., 1999, Kim e Lee, 1999, Grasley et al., 2006b), ainda não existe um
estudo aprofundado sobre as condicionantes que o betão cria a esse tipo de medições
assim como a influência do próprio método de medição nos resultados. Com o intuito de
responder a estas questões foi levada a cabo uma série de experiencias onde se
pretendeu estudar o maior número de variáveis que pudessem influenciar os resultados
durante as medições:
Experiência 1: utilização de soluções de sais saturados para criar ambientes de
humidade relativa constante;
Experiência 2: exposição dos sensores a ambiente extremo durante um período
alargado de tempo;
Experiência 3: influência do tipo de sensor;
Experiência 4: influência da utilização de tecidos Gore-Tex®
;
Experiência 5: influência do tamanho do macro poro;
Experiência 6: selagem do macro poro;
Experiência 7: selagem de superfícies de peças de betão
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Após uma análise da bibliografia existente, constatou-se que a grande maioria dos
trabalhos efectuados onde foi medido a humidade relativa no betão utilizaram sensores
comerciais, tais como: o Vaisala HM44, os Sensirion série SHT e os Honeywell série
HIH-4000. Desta forma, ao longo dos ensaios foram utilizados os seguintes sensores:
Vaisala HM44 (Figura 4.1a)
Proceq Hygropin (Figura 4.1b)
Sensirion SHT75 (Figura 4.1c)
Honeywell HIH-4010 (Figura 4.1d)
a)
b)
c)
d)
Figura 4.1 – Aspecto dos vários sensores utilizados: a) Vaisala HM44 b) Proceq
Hygropin c) Sensirion SHT75 d) Honeywell HIH-4010
Apesar de todos estes sensores serem de fabricantes distintos, o princípio de medição é
semelhante. Estes sensores registam a variação na capacitância de condensador onde,
entre os dois elétrodos, existe um polímero em filme fino (Figura 4.2).
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Eletrodo
Eletrodo
Polimero em filme fino
Elemento sensivel do sensor
Figura 4.2 – Estrutura dos condensadores dos sensores
Este polímero absorve ou libera vapor de água à medida que a humidade relativa do ar
ambiente aumenta ou diminui. As propriedades dielétricas do filme de polímero
dependem da quantidade de água que a película contém: à medida que a humidade
relativa se altera, as propriedades dielétricas do filme também se alteram e,
consequentemente, a capacitância do sensor também varia. A capacitância é então
transformada, ou diretamente em humidade relativa, como no caso dos sensores Vaisala
HM44, Proceq Hygropin e Sensirion SHT75, ou em uma variação da diferença de
potencial, como no caso dos sensores Honeywell HIH-4010. Neste último caso, o
fornecedor dos sensores fornece com cada sensor uma curva que relaciona a voltagem
medida pelo sensor com a humidade relativa correspondente a esse nível de corrente.
As características, relevantes para este trabalho, dos diversos sensores utilizados são
apresentadas na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Características dos sensores utilizados nos ensaios
Fabricante Proceq Vaisala Honeywell Sensirion
Modelo
Hygropin HM44 HIH-4010 SHT75
Gamas de medição HR [%] 0 a 100 0 a 100 0 a 100 0 a 100
T [°C] -40 a 85 -20 a 60 - -40 a 125
Precisão @ 20ºC HR [%] ±1.5
±2% (0 a 90%) ±3% (90 a 100%)
±3.5 Ver Figura 4.3a
T [°C] ±0.3 ± 0.4 - Ver Figura 4.3b
Tempo de resposta
<15 seg. 30 min 5 seg. 8 seg.
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a)
b)
Figura 4.3 – Precisão de medição dos sensores Sensirion SHT75: a) humidade relativa;
b) temperatura.
De salientar que todos os sensores utilizados neste trabalho apresentam uma gama de
leitura de 0 a 100 % de humidade relativa com uma precisão bastante grande (com
variações inferiores a 4 %).
Teste do estado da calibração dos sensores
Uma vez que a grande maioria dos sensores que iriam ser utilizados no decorrer da
campanha experimental já apresentavam um uso extenso em condições bastante
agressivas (HR superiores a 90 % e tempo de utilização maior do que 6 meses) foi
necessário proceder à verificação do estado dos sensores e eventualmente proceder à sua
recalibração. Para efetuar esta verificação é necessário criar ambientes em que a
humidade relativa estável e seja conhecida (ou onde se sabe a pressão de vapor da
água). Com esta finalidade, e uma vez que apenas se trata de um ensaio em pequena
escala, são frequentemente usadas soluções de ácido sulfúrico, Hidróxido de Sódio,
Cloreto de Cálcio, de glicerol, ou de sais saturados (Wexler e Hasegawa, 1954, Stokes e
Robinson, 1948).
Após uma consulta da documentação anexada aos sensores que foram utilizados, foi
decidido utilizar soluções de sais saturados devido à recomendação do fabricante do
sensor Vaisala HM44 que comercializa um sistema próprio para a calibração de
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sensores de humidade relativa. Este sistema, HMK15 (Vaisala, 2006) (ver Figura 4.4),
utiliza quatro soluções de sais saturados de Cloreto de Lítio (LiCl), Cloreto de
Magnésio (MgCl2), Cloreto de Sódio (NaCl), Sulfato de Potássio (K2SO4).
Figura 4.4 – Calibrador HMK15 da Vaisala
Estas soluções de sais saturados, quando colocados em concentrações definidas geram
humidades relativas estáveis de valores conhecidos (Jowitt e Wagstaffe, 1989, Stokes e
Robinson, 1948, Greenspan, 1977, Robinson e Stokes, 2002), como se pode observar na
Tabela 4.2.
Tabela 4.2 – Concentrações de soluções de sais saturados. Adaptado de (Visscher,
1999) e (Vaisala, 2006)
Sal Quantidades HR espectável @
20ºC [%] Sal [g] Água [ml]
LiCl 15 12 11.3
MgCl2 30 3 33.1
NaCl 20 10 75.5
K2SO4 30 10 97.6
Após ser efetuada a calibração de todos os sensores de acordo com as recomendações
deste sistema de calibração, verificou-se que todos os sensores que possuíam algum
tempo de utilização não estavam a registar corretamente a humidade relativa ambiente.
Apesar de este facto ser já expectável, as operações de recalibração dos sensores através
24
deste sistema comercial são dispendiosas devido à necessidade de voltar a adquiri novos
sais. Para tentar reduzir os custos destas operações de recalibrações, foram testados sais
semelhantes de um produtor diferente (Panreac), com custo bastante mais reduzido, mas
com graus de pureza ligeiramente inferiores, para verificar se a humidade relativa
garantida pela solução se mantém. Estes novos sais (ver Figura 4.5), muito menos
dispendiosos, apresentam um grau de pureza de 99 %.
Figura 4.5 – Sais do fabricante Panreac
O pequeno ensaio foi efetuado com o sensor Vaisala de acordo com os procedimentos
presentes no guia de utilizador do calibrador HMK15 da Vaisala (Vaisala, 2006). Os
resultados obtidos com estes novos sais são apresentados na Tabela 4.3.
Tabela 4.3 – Diferença entre os sais de fabricantes distintos
Sal HR [%] Diferença
[%] Vaisala Panreac
NaCl 75.5 75.3 -0.2
MgCl2 35.1 34.3 -0.8
LiCl 11.3 11.9 0.6
Como se pode verificar as diferenças entre os sais dos dois fabricantes é bastante
reduzida, estando bem abaixo da gama de precisão do próprio sensor (± 2 % nesta gama
de humidades relativas). Este facto permite-nos concluir que é perfeitamente possível a
utilização destes sais em operações de calibração de sensores de humidade relativa.
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Foi efetuada ainda uma última verificação, onde se pretendia saber se a humidade
relativa registada por todos os sensores seria semelhante. Desta forma foi utilizado um
recipiente com volume de 10.7 x 22.8 x 13.2 cm3 (Figura 4.6a) com quatro soluções de
salinas distintas (LiCl, MgCl2, NaCl e K2SO4). Em todos os sais foi utilizado a mesma
quantidade de sal (53.33 g) com as concentrações apresentadas na Tabela 4.2.
a)
b)
Figura 4.6 – Recipientes utilizados no ensaio de verificação/recalibração dos sensores
de humidade
De modo a garantir uma boa selagem dos recipientes permitindo o acesso dos sensores
ao seu interior, foi adaptada uma tampa onde foram introduzidos todos os sensores,
efetuando-se a selagem em volta dos furos necessários para passar os sensores com fita
plástica autocolante. Este procedimento permitiu que se efetuasse uma troca rápida entre
os diversos recipientes com os diferentes sais, não comprometendo a selagem do
recipiente que poderia alterar os resultados esperados de HR.
Para permitir uma adequada estabilização dos valores de HR no interior dos recipientes
nos valores gerados por cada sal, em cada etapa do ensaio os sensores permaneceram
pelo menos 4 horas (como se pode observar no Figura 4.7).
Os resultados em bruto (isto é, obtidos pelas calibrações anteriores dos sensores) do
ensaio realizado estão apresentados na Figura 4.7. Neste ensaio foram utilizados quatro
26
tipos de sensores de humidade distintos: nove sensores do tipo SHT75 da Sensirion; sete
sensores do tipo HIH-4000 da Honeywell (por forma a facilitar a leitura do gráfico,
apenas são apresentados os resultados de 3 sensores: o que obteve valores máximos,
mínimos e mais próximo da média); um sensor do tipo HM44 da Vaisala e um do tipo
Hygropin da Proceq.
Figura 4.7 – Resultados do ensaio de verificação/recalibração dos sensores
Analisando a Figura 4.7 verifica-se que existe uma grande dispersão de resultados nas
medições de HR, confirmando o que já se suspeitava, que a calibrações dos sensores
não está correta. De facto existe na grande maioria dos sensores uma tendência de
registar HR superior ao real. Esta tendência é tanto maior quanto o tempo de utilização
dos sensores em ambientes agressivos.
Aplicando então as novas curvas de calibração são obtidos então resultados muito mais
coerentes com o que seria espectável (ver Figura 4.8).
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
HR
[%
]
Tempo [horas]
Vaisala H-1
H-2 H-3
Hygropin S-1
S-2 S-3
Teórico
Troca de sal
(1) (2) (3)
(4)
27
Figura 4.8 – Resultados recalibrados do ensaio de calibração
Como se pode observar na Figura 4.8, os resultados dos diversos sensores ficam então
coincidentes entre si e não divergem muito dos valores teóricos (gerados pelas soluções
de sais saturados). Com este pequeno ensaio provou-se, deste modo, que as novas
curvas de calibração dos sensores levam à obtenção de resultados de humidade relativa
mais realistas. Pode-se verificar também que tanto o tempo de resposta dos sensores,
como o tempo de estabilização da humidade relativa ambiente em recipientes com
soluções de sais saturados são bastante reduzidos (para a escala de tempo normalmente
utilizada em ensaio em materiais cimentícios). De salientar que a partir dos resultados se
pode concluir que um curto período de exposição a humidades relativas extremas
(superiores a 90 %) não altera a danifica os sensores, nem altera a sua calibração.
4.1 Experiência 1: utilização de soluções de sais saturados para criar ambientes
de humidade relativa constante
Uma das grandes dificuldades com que se deparam muitas vezes os laboratórios é
garantir condições de temperatura e humidade relativa do ambiente onde decorrem
ensaios. Esta problemática é de especial importância no estudo de materiais cimentícios,
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80
HR
[%
]
Tempo [horas]
Hygropin Vaisala
H - 132 H - 322
H - 318 H - 53
H - 246 H - 139
H - 244 S - 1
S - 2 S - 3
S - 4 S - 5
S - 6 S - 7
S - 8 S - 9
Teórico
28
onde em diversas ocasiões, como nos casos do estudo da retração de autogénea e de
secagem, os investigadores deparam-se com a necessidade de manter várias humidades
relativas distintas para uma mesma temperatura ambiente. Este facto por si só pode à
primeira vista não ser considerado um grande entrave, uma vez que existem já câmaras
onde facilmente se garante diferentes condições ambientais. O obstáculo apresenta-se,
não na dificuldade, mas no custo que representam esses equipamentos laboratoriais.
De facto, como muitas das vezes os provetes dos ensaios apresentam dimensões
reduzidas, estar a utilizar equipamentos laboratoriais dispendiosos e de grande volume
não é uma opção muito lógica do ponto de vista económico. Muitas vezes, com a
finalidade de se obter, em pequena escala, uma atmosfera de humidade relativa
conhecida (ou onde se sabe a pressão de vapor da água), são frequentemente usadas
soluções de ácido sulfúrico, Hidróxido de Sódio, Cloreto de Cálcio, de glicerol, ou de
sais saturados (Wexler e Hasegawa, 1954, Stokes e Robinson, 1948).
A utilização de sistemas com este tipo de soluções requer um cuidado especial, uma vez
que a estabilidade da humidade relativa ou pressão de vapor pode ser facilmente
influenciada pelo próprio provete. De facto, os sistemas de duas fases (líquido-vapor) de
ácido sulfúrico e de glicerol apesar de serem relativamente insensíveis à temperatura
ambiente e de poderem ser utilizados numa ampla gama de humidade relativa
pretendida, a humidade relativa estabelecida por estes sistemas é facilmente afetada por
ensaios que troquem água com o sistema (Rockland, 1960, Stokes e Robinson, 1948,
Greenspan, 1977), como no caso do estudo de provetes em secagem.
Este problema pode ser facilmente comprovado com base nos resultados presentes na
bibliografia. No trabalho de Stokes e Robinson (1948) é possível obter as concentrações
de soluções de Ácido Sulfúrico (H2SO4), Hidróxido de Sódio (NaOH) e Cloreto de
29
Cálcio (CaCl2) necessárias para obter uma determinada humidade relativa (Tabela 4.4).
Então, se se considerar que no decorrer de um ensaio existir uma libertação de 40 g de
água para o ambiente, o que num sistema fechado levaria ao aumento da humidade
relativa do ar, a solução terá de absorver essa mesma quantidade de água para conseguir
manter a humidade relativa constante, diminuindo a sua concentração.
Tabela 4.4 – Concentrações das soluções e respetivas humidades relativas espectáveis a
25 °C. Adaptado de Stokes e Robinson (1948)
HR
[%]
Massa de
soluto [g]
H2SO4 NaOH CaCl2
Massa de
água [g]
Soluto [%
em massa]
Massa de
água [g]
Soluto [%
em massa]
Massa de
água [g]
Soluto [%
em massa]
55 200 490.80 40.75% 757.00 26.42% 593.30 33.71%
50 200 464.04 43.10% 710.48 28.15% 561.17 35.64%
45 200 440.43 45.41% 669.79 29.86% 531.77 37.61%
40 200 419.20 47.71% 633.31 31.58% 504.80 39.62%
35 200 399.68 50.04% 599.16 33.38% 478.13 41.83%
30 200 381.32 52.45% 566.73 35.29% 450.86 44.36%
25 200 363.57 55.01% 534.05 37.45% - -
Analisando a Tabela 4.4, para manter uma humidade relativa de 30 %, no caso de ser
utilizada uma solução de Ácido Sulfúrico (H2SO4) seria necessário ter uma
concentração de 50 % em massa de soluto. Um aumento de 40 g de água numa solução
com 200 g de H2SO4 e 400 g de água representaria uma redução de concentração,
passando de 50 % para 45.45 %. Esta diminuição influenciaria a humidade relativa
ambiente em 15 %, passando de 30 % para 45 %. São obtidos variações de igual
maneira significativas se a análise for efetuada com as restantes soluções apresentadas.
As soluções salinas saturadas são geralmente as mais úteis, uma vez que os sistemas de
três fases (vapor-líquido-sólido) são independentes das mudanças no seu teor de
30
humidade total (Rockland, 1960). Deste modo, neste trabalho apenas serão utilizadas
apenas soluções de sais saturados em prejuízo de outro tipo de soluções, uma vez que
normalmente a perda de água de uma pasta é de grandeza tal que seria necessário uma
grande quantidade de solução no sistema para que a influência dessa libertação de água
fosse desprezável na humidade relativa resultante, como se comprovou anteriormente.
Para analisar a influência da libertação de água para o ambiente no interior de
recipientes com soluções de sais saturados na humidade relativa no interior desses
recipientes foram efetuados quatro ensaios com dois sais distintos (Tabela 4.5).
Tabela 4.5 – Ensaios efetuados nos recipientes com soluções de sais saturados
Recipiente Água@75% Pasta@75% Água@33% Pasta@33%
Sal NaCl NaCl MgCl2 MgCl2
HR esperada 75 % 75 % 33 % 33 %
Material em
secagem Água
Pasta de
cimento Água
Pasta de
cimento
Para cada sal foi analisada a influência da colocação de um copo com água e com pasta
de cimento (foi utilizada uma relação w/c de 0.5) segundo o esquema de ensaio
apresentado na Figura 4.9. Neste ensaio foram utilizados dois sensores de dois tipos
diferentes em cada recipiente (um Sensirion SHT75 e um Honeywell HIH-4010).
31
a)
Sensor de humidade
Água
Copo
Tripé
Recipiente
Tampa
Solução
salina
Sensor de humidade
Pasta de
cimento
Copo
Tripé
Recipiente
Tampa
Solução
salina
b)
Figura 4.9 – a) Esquema de ensaio da influência de um material em secagem no interior
de recipientes com soluções de sais saturados; b) Foto geral do ensaio
Ao longo do decorrer dos ensaios foi controlada a perda em massa dos copos. Para tal
os recipientes foram abertos no instante da medição da massa dos copos (Figura 4.10).
Figura 4.10 – Abertura dos recipientes para pesar os copos
Esta abertura poderia confundir a análise dos resultados obtidos nestes ensaios. Assim
foi calculada qual seria a variação de vapor de água durante a abertura da tampa do
32
recipiente, pela diferença das massas de vapor de água existentes nos recipientes às
humidades relativas geradas pelos sais e do ambiente exterior (de salientar que o ensaio
decorreu no interior de uma camara climática a 20 °C e 60 % HR), obtidas pela equação
(2.2). Os resultados são apresentados na Tabela 4.6.
Tabela 4.6 – Variação de massa de vapor de água no interior dos recipientes (em mg)
Variação da HR 33% para 60% 60% para 75%
Vrec = 3.220 dm3 15.05 -8.36
Após uma análise dos resultados verifica-se que a troca de vapor de água com o
ambiente exterior é reduzida, mesmo se todo o ar do recipiente fosse renovado. Assim, e
uma vez que a abertura dos recipiente seria apenas para retirar o copo contido no seu
interior, fechando de imediato o recipiente, será espectável que tenha pouco impacto nos
resultados.
Os resultados da evolução da humidade relativa no interior dos recipientes com as
soluções de sais saturados assim como a perda de massa ao longo dos ensaios dos
materiais contidos nos copos são apresentados nas figuras 4.11 e 4.12 respetivamente.
33
Figura 4.11 – Evolução da humidade relativa nos recipientes com soluções de sais
saturados com materiais em secagem no seu interior
Como se pode observar na Figura 4.11 a variação da humidade relativa nos recipientes
com soluções de Cloreto de Sódio (que gera humidades relativas de 75 %) originada
pela presença dos materiais em secagem no interior do recipiente não foi significativa,
sendo os resultados bastante semelhantes. Contudo isto não se verificou nos recipientes
com soluções de Cloreto de Magnésio (que gera humidades relativas de 33 %). No
recipiente que continha um copo com água, apesar de a humidade relativa não ser
aquela que seria esperada, onde existiu um shift dos resultados de aproximadamente
6 %, os valores mantiveram-se constante nos primeiros dias do ensaio. Porém a partir
dos 11 dias de ensaio (indicado Figura 4.11 pelo ponto (1)) o sal deixou de ter
capacidade de manter constante a humidade relativa. Este facto pode ser explicado pela
diminuição da concentração da solução, fazendo com que esta deixe de gerar a
humidade relativa pretendida.
No recipiente que continha pasta de cimento em secagem, que não deveria apresentar
uma variação de humidade relativa superior ao que continha um copo com água, existiu
uma variação na fase inicial muito significativa, elevando a humidade relativa ambiente
para valores de 50 % (zona (2) da Figura 4.11). Após este período inicial de grande
34
variação da humidade relativa ni interior do recipiente, a solução de NaCl conseguiu
recuperar a humidade relativa no recipiente.
Os resultados da perda de massa dos materiais em secagem no interior dos recipientes
(apresentados na Figura 4.12) vêm tornar ainda mais confusos os resultados
apresentados anteriormente, uma vez que a quantidade de água libertada para o
ambiente pelos copos com água foi maior ou pelo menos igual à libertada pelos copos
com pasta de cimento. Este facto permite-nos excluir a libertação de água como o fator
que provocou esta variação anormal.
Figura 4.12 – Evolução da perda de massa do material no interior dos copos
Fazendo uma análise da Figura 4.12 pode-se concluir que a secagem de materiais no
interior dos recipientes com sais ocorre de uma forma bastante semelhante ao que
ocorrem em condições ambientais. Isto é, a variação da perda de massa ao longo do
tempo dos copos com água é linear com maior declive no recipiente com 33 % de
humidade relativa, assim como a cuva de variação da perda de massa dos copos com
pasta de cimento é logarítmica, ou seja, na fase mais inicial do ensaio apresentam
declives semelhantes aos da perda em massa dos copos com água, reduzindo
progressivamente os seus valores, com tendência para estabilizar (declive igual a zero).
0
10
20
30
40
50
60
70
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Per
da
de
mas
sa [
%]
Tempo [dias]
Água @ 75%
Água @ 33%
Pasta @ 33%
Pasta @ 75%
35
Devido à falta de explicação logica para o que terá acontecido no recipiente com
solução de Cloreto de Magnésio (MgCl2) quando foi colocado um copo com pasta de
cimento em secagem no seu interior, o ensaio voltou a ser repetido para verificar se teria
ocorrido algum erro. Porém os resultados obtidos foram bastante semelhantes aos
apresentados anteriormente. Este facto poderá indicar que existe libertação de uma
substância para o ar que reage com a solução de MgCl2, contudo para melhor
compreender este fenómeno será necessário efetuar estudos mais aprofundados.
4.2 Experiência 2: exposição dos sensores a ambiente extremo durante um
periodo alargado de tempo
Uma das grandes problemáticas da medição de humidade relativa no betão logo após a
betonagem prende-se com a grande sensibilidade dos sensores existentes a ambientes
com humidades relativas bastante elevadas por um longo período de tempo. Com o
intuito de se verificar se seria possível efetuar medições de humidade relativa em
materiais cimentícios desde o estado fresco, foi efetuado um ensaio com 3 sensores: um
Honeywell HIH-4010 e dois Sensirion SHT75 (S-1 e S-2), onde se pretendeu medir
durante um longo período a humidade relativa de uma pasta de cimento com w/c de 0.5
impedida de secar. Para tal foi vertida a pasta de cimento para três tubos de ensaio
sendo introduzido um sensor por cada tubo, sendo selada a extremidade aberta do tubo
com fita plástica, como se pode observar na Figura 4.13.
36
a) b)
Fita adesiva plástica
Tubo de ensaio
Pasta de cimento
Sensor
Figura 4.13 – Ensaio de exposição dos sensores a ambiente extremo: a) Esquema; b)
Foto
Após um período de exposição de ~ 160 horas os sensores foram colocados no interior
de um recipiente com humidade relativa controlada a 75 %. Os resultados obtidos são
apresentados na Figura 4.14.
Figura 4.14 – Resultados do ensaio de exposição dos sensores a ambiente extremo
Os resultados apresentados na Figura 4.14 apresentam uma grande dispersão entre os
diferentes sensores. O sensor S-1 após atingir a humidade relativa de 90 % começou a
apresentar uma evolução dos resultados bastante incoerente, presumivelmente deverá ter
ficado danificado. Este facto reforça a ideia da grande sensibilidade dos sensores
quando expostos a humidades relativas elevadas. Nos restantes sensores isto não
60
65
70
75
80
85
90
95
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8
HR
[%
]
Tempo [dias]
Honeywell
S-1
S-2
37
aconteceu. O sensor S-2, apesar de durante todo o ensaio aparentemente não se ter
danificado, apresentando resultados bastante coerentes com o que seria de esperar, após
ser colocado num ambiente com humidade relativa de 75 % apresentou um shift dos
resultados de ~7 %. Por fim o sensor Honeywell apresentou inicialmente uma evolução
coerente, mas a partir das 120 horas começou a registar uma diminuição da humidade
relativa. Apear de teoricamente poder existir uma perda de humidade relativa devido ao
consumo autogéneo de água por parte da pasta de cimento, não é real essa redução ser
tão elevada como a apresentada. No entanto, quando colocado num ambiente com
humidade relativa de 75 %, registou a humidade relativa corretamente.
4.3 Experiência 3: influência do tipo de sensor
Nesta experiência pretende-se saber qual a influência que a utilização de diferentes tipos
de sensores de humidade relativa tem nas medições de humidade relativa. Para permitir
melhor representar as condições de medição da humidade relativa do betão as medições
foram feitas com a secagem de uma pasta de cimento de pequena espessura. Para
controlar a espessura desta pasta foram cortados anéis, a partir do mesmo tudo em que
os poros foram efetuados, com ~3 mm de espessura (ver Figura 4.15). Seguidamente foi
moldada a pasta de cimento no interior dos anéis sendo posteriormente colocados nas
extremidades dos poros (ver Figura 4.17).
38
a) b) c)
Figura 4.15 – Montagem do ensaio
Os macro poros foram criados a partir de tubos de PVC com 15 mm de diâmetro
interior. Neste ensaio foram utilizados comprimentos do tubo do macro poro de 7 cm
(comprimento mínimo necessário para conseguir colocar todos os sensores), onde foram
colocados os quatro tipos de sensores utilizados em todos os ensaios: Honeywell HIH-
4010 (H-7), Sensirion SHT75 (S-7), Vaisala HM44 (V-7) e Proceq Hygropin (Hy-7).
70
15
H-7 70
15
70
15
70
15
Honeywell Sensirion Vaisala Hygropin
S-7 V-7 Hy-7
Figura 4.16 – Esquema do ensaio da influência do tipo de sensor (unidades: mm)
Numa fase inicial, o ensaio decorreu completamente isolado do ambiente circundante
através de uma pelicula plastia na face exposta da pasta de cimento. Após todos os
sensores estarem estabilizados foram retiradas as peliculas plásticas na face exposta das
pastas para permitir a secagem da pasta (Figura 4.17).
a) b) c)
39
Fita adesiva
plástica
Sensor
Tubo de PVC
Pasta de cimento
Fase Inicial Fase Secagem
Figura 4.17 – Fases do ensaio da influência do tipo de sensor: a) esquema; b) foto fase
inicial; c) foto fase secagem
De modo a melhor controlar a humidade relativa ambiente todos os provetes foram
colocados num recipiente com solução de NaCl saturado que induz um ambiente com
75 % de humidade relativa (rever Tabela 4.2).
Os resultados obtidos, no decorrer deste ensaio, diretamente a partir dos sensores, são
apresentados na Figura 4.18.
Figura 4.18 - Resultados do ensaio da influência do tipo de sensor obtidos diretamente a
partir dos sensores
Analisando a Figura 4.18 verifica-se que existe uma grande dispersão dos resultados.
De facto, os valores obtidos pelo sensor Vaisala HM44 evoluem até atingir valores
abaixo da HR ambiente. Estes resultados não são realistas, comprovando uma vez mais
a necessidade da recalibração dos sensores.
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
HR
[%
]
Tempo [dias]
Hy-7 H-7
H-Ambiente S-7
V-7
Em condições
seladas Em sacagem a 75 % HR
40
Aplicando as novas curvas de recalibração os resultados que possuíam uma evolução
irrealista tornam-se bastante coerentes, como se pode observar na Figura 4.19.
Figura 4.19 – Resultados calibrados do ensaio da influência do tipo de sensor
Todos os sensores apresentam assim um comportamento bastante semelhante,
evoluindo na fase inicial do ensaio para valores muito próximos de 100 % de humidade
relativa. Após a remoção da pelicula plástica, expondo a pasta de cimento à secagem,
todos os sensores evoluíram de uma forma coerente entre si. De salientar que nenhum
sensor evoluiu para valores de humidade relativa abaixo da ambiente.
Apesar da evolução entre os vários sensores ser coerente, apresenta ainda uma pequena
dispersão na fase de maior secagem da pasta. Este facto pode ser devido a dois fatores: a
imprecisão dos próprios sensores e a pequenas variações na espessura da pasta. Deste
modo pode ser concluído que a utilização de qualquer um dos sensores utilizados no
decorrer deste ensaio conduz a resultados semelhantes.
4.4 Experiência 4: influência da utilização de tecidos Gore-Tex®
Nesta experiência pretende-se saber qual a influência que a utilização de tecidos
Gore-Tex® na interface entre o poro e o betão tem nas medições de humidade relativa.
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
HR
[%
]
Tempo [dias]
Hy-7 H-7 H-Ambiente S-7 V-7
Em condições
seladas Em sacagem a 75 % HR
41
O procedimento de ensaio utilizado foi semelhante ao utilizado na experiência 3, apenas
com algumas diferenças. Neste caso específico foram utilizados apenas dois tipos de
sensor: três sensores Honeywell HIH-4010 (H-4) e três sensores Sensirion SHT75 (S-4).
O macro poro, efetuado uma vez mais em tubo de PVC de 15 mm de diâmetro, apenas
tinha 4 cm de altura (ver Figura 4.20).
40
40
Honeywell Sensirion
15 15
H-4 S-4 40
15
S-440
15
S-440
15
H-440
15
H-4
S/ Gore-TexGore-Tex
Tipo 1
Gore-Tex
Tipo 2 S/ Gore-TexGore-Tex
Tipo 1
Gore-Tex
Tipo 2
Figura 4.20 – Esquema de ensaio da influência da utilização de tecidos Gore-Tex®
(unidades: mm)
Um sensor de cada tipo foi colocado como provete de controlo, onde não foi colocado
nenhum material entre a interface da pasta de cimento e o macro poro. Os restantes
sensores, foram colocados em provetes onde se procedeu a colocação de tecidos
Gore-Tex® na interface macro poro/pasta de cimento, como se apresenta na Figura 4.21.
Fita adesiva
plástica
Sensor
Tubo de PVC
Pasta de cimento
Fase Inicial Fase Secagem
Gore-Tex
Figura 4.21 – Esquema da colocação do tecido Gore-Tex®
Neste ensaio foram utilizados dois tipos de tecidos Gore-Tex® com características
distintas, um comercial e outro de fabrico militar, com as seguintes características:
42
Tabela 4.7 – Características dos tecidos Gore-Tex®
Tipos de Gore-Tex Respirabilidade
[m2Pa/W]
Gore-Tex Civil (Tipo1) 9
Gore-Tex Militar (Tipo2) 13
Os resultados obtidos, diretamente a partir dos sensores, durante o ensaio são
apresentados na Figura 4.22.
Figura 4.22 – Resultados do ensaio da influência da utilização de tecidos Gore-Tex®
obtidos diretamente a partir dos sensores
Ao analisar a Figura 4.22 verifica-se que o sensor S-4 Civil (tipo 1) após atingir uma
humidade relativa de 90 % ficou danificado e começou a apresentar uma evolução
estranha. Este facto vem reforçar a grande sensibilidade dos sensores a humidades
relativas elevadas, já constatado na experiência 2. Para além deste problema existe uma
grande dispersão dos resultados obtidos nos vários provetes não existindo qualquer
tendência logica. Contudo esta dispersão foi eliminada quando foram aplicas as novas
cuvas de calibração dos sensores (ver Figura 4.23).
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
HR
[%
]
Tempo [dias]
H-Ambiente H-4 H-4 Civil (tipo 1)
H-4 Militar (tipo 2) S-4 Civil (tipo 1) S-4 Militar (tipo 2)
S-4
Em condições
seladas Em sacagem a 75 % HR
43
Figura 4.23 – Resultados calibrados do ensaio da influência da utilização de tecidos
Gore-Tex®
Como se pode observar na Figura 4.23 os resultados com e sem tecido Gore-Tex®
na
interface da pasta de cimento com o macro poro são bastante semelhantes. Ou seja, não
existe qualquer influência nos resultados obtidos pela utilização deste tipo de tecidos.
Este facto pode ser explicado pela comparação das permeabilidades dos tecidos
Gore-Tex®
e da pasta de cimento, apresentadas na Tabela 4.8.
Tabela 4.8 – Permeabilidades dos tecidos Gore-Tex®
e da pasta de cimento
Material Permeabilidade
[m/s]
Respirabilidade
[m2Pa/W]
Pasta 1.00E-07 1.00E+07
Gore-Tex® Civil (Tipo 1) 0.1111 9
Gore-Tex® Militar (Tipo 2) 0.0769 13
Na verdade a permeabilidade dos tecidos Gore-Tex®
é bastante superior à que da pasta
de cimento, pelo que a existência deste tecido na interface não poderia exercer qualquer
influência sobre a transferência de humidade entre a pasta de cimento e o ar do macro
poro.
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
HR
[%
]
Tempo [dias]
H-Ambiente H-4 H-4 Civil (tipo 1)
H-4 Militar (tipo 2) S-4 Militar (tipo 2) S-4
Em condições
seladas Em sacagem a 75 % HR
44
4.5 Experiência 5: influência do tamanho do macro poro
Nesta experiência pretende-se saber qual a influência que o tamanho do poro tem nas
medições de humidade relativa. O procedimento de ensaio foi semelhante ao utilizado
nas experiencias 3 e 4. Contudo nesta experiência foram utilizados quatro provetes
distintos, onde foram colocados os quatro tipos de sensores utilizados nos ensaios: três
Honeywell HIH-4010 (H-2.5, H-4 e H-7), três Sensirion SHT75 (S-2.5, S-4 e S-7), um
Vaisala HM44 (V-7) e um Proceq Hygropin (Hy-7), de acordo com o esquema
apresentado na Figura 4.24.
40
70
25
40
70
25
70
Honeywell Sensirion VaisalaHygropin
70
15
15
15
15
15
15
1515
H-2.5 S-2.5
H-4
H-7
S-4
S-7 V-7Hy-7
Figura 4.24 – Esquema da experiência da influência do tamanho do macro poro
(unidades: mm)
Nesta experiência, como se pode observar na Figura 4.24, foram utilizados três
tamanhos de macro poros distintos. Na Tabela 4.9 são apresentadas as dimensões dos
macro poros, assim como o seu volume.
Tabela 4.9 – Volumes dos macro poros
Macro poro Diâmetro (mm) Altura (mm) Volume (cm3)
1 15 25 4.42
2 15 40 7.07
3 15 70 12.37
Os resultados destas experiencia obtidos diretamente a partir dos sensores são
apresentados na Figura 4.25.
45
Figura 4.25 – Resultados do ensaio da influência do tamanho do macro poro obtidos
diretamente a partir dos sensores
Uma vez mais, como se pode observar na Figura 4.25, os resultados apresentam uma
grande dispersão, sem que exista uma clara tendência lógica, isto é, que seja possível
agrupar curvas de variação por tamanho dos macro poros. Volto a existir também um
sensor (V-7) que evoluiu até valores abaixo da humidade relativa ambiente. Todas estas
evoluções estranhas foram uma vez mais eliminadas quando se aplicaram aos resultados
as novas curvas de calibração (Figura 4.26).
Figura 4.26 – Resultados calibrados do ensaio da influência do tamanho do macro poro
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
HR
[%
]
Tempo [dias]
Hy-7 H-Ambiente H-7
H-2.5 H-4 S-4
S-7 S-2.5 V-7
Em condições
seladas Em sacagem a 75 % HR
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
HR
[%
]
Tempo [dias]
Hy-7 H-Ambiente H-7 H-2.5 H-4
S-4 S-7 S-2.5 V-7
Em condições
seladas Em sacagem a 75 % HR
46
Assim como se verificou nos resultados das experiências 3 e 4, os resultados obtidos
também não apresentam influência devido às diferenças de tamanho dos macro poros.
Este facto pode ser explicado pela pequena quantidade de água que é necessária para
variar a humidade relativa no interior do poro. Através da equação de estado de um gás
ideal (2.2) é possível calcular a quantidade de vapor de água existente num determinado
volume. Sendo a pressão de saturação do ar a 20 °C igual a 2.34 kPa, a quantidade de
vapor de água existente em cada macro poro é a seguinte:
Tabela 4.10 – Quantidade de vapor de água existente em cada macro poro a cada
humidade relativa
Quantidade de vapor de água [µg]
Variação
[µg]
Macro
poro 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% p/ 10%
1 8 15 23 31 38 46 54 61 69 76 8
2 12 24 37 49 61 73 86 98 110 122 12
3 21 43 64 86 107 128 150 171 193 214 21
Como se pode observar na Tabela 4.10, a quantidade de água necessária para fazer
variar 10 % a humidade relativa no interior de cada macro poro é bastante reduzida,
sendo facilmente absorvida/libertada pela pasta de cimento ou pelo betão.
4.6 Experiência 6: selagem do macro poro
Para verificar a influência nas medições de humidade relativa da selagem dos macro
poros criados a partir da introdução de tubos no betão foi elaborado uma experiencia
onde foram testadas três formas distintas de selagem: uma apenas selando o tubo com
Silicone, uma outra apenas com Latex e por fim uma solução mesta de Latex e Silicone,
como se pode observar na Figura 4.27.
47
Silicone Latex Latex
SiliconeTubo de PVC
Tampa de plástico
Fio de ligação
Sensor de humidade
Fita adesiva plástica
40
Figura 4.27 – Esquema de ensaio para verificação da selagem do macro poro (unidades:
mm)
A montagem do ensaio decorreu em ambiente controlado (20 °C e 50 % RH). Após a
montagem o ensaio foi colocado num ambiente distinto (20 °C e 30 % RH). Para
verificar se os materiais utilizados na selagem dos poros consomem ou libertam água
para o ambiente foram colocadas amostras desses materiais em dois ambientes distintos
(um a 20 °C e 30 % HR e outro a 20 °C e 100 % HR) sendo controlada a massa dessas
amostras. Os resultados obtidos são apresentados na Figura 4.28 e Figura 4.29.
Figura 4.28 – Resultados do ensaio para verificação da selagem do macro poro
0
10
20
30
40
50
60
70
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0
HR
[%
]
Tempo [dias]
Latex + Silicone
Latex
Silicone
48
Analisando a Figura 4.28 verifica-se que existe uma grande diferença de
comportamento entre as selagens com Latex e com Silicone. As primeiras, apesar de
existir uma pequena variação na fase inicial, a humidade relativa no interior dos macro
poros mantem-se relativamente constante ao longo dos 18 dias da experiência. Isto não
acontece no poro selado apenas com Silicone. Neste último existe uma redução bastante
grande da humidade no interior do macro poro durante o primeiro dia. Isto é explicado,
como se pode observar na Figura 4.29, pelo consumo de água pelo próprio Silicone nos
primeiros dois dias da experiência.
Figura 4.29 – Variação de massa dos materiais utilizados para efetuar a selagem dos
macro poros
Este facto deve-se à própria reação de endurecimento do Silicone, que necessita de áhua
para que possa ocorrer a reação (François, 2001). Contudo, mesmo após este período
inicial de consumo grande de humidade do ar, o Silicone não oferece uma selagem
perfeita do poro, existindo um aumento significativo da humidade relativa para valores
muito próximos da humidade relativa do ar exterior.
-1.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Per
da
de
mas
sa [
%]
Tempo [dias]
Latex @ Camara húmida Latex @ HR 30%
Silicone @ Camara húmida Silicone @ HR 30%
49
4.7 Experiência 7: selagem de superfícies de peças de betão
Muitas vezes para simular em laboratório condições de secagem de peças de betão in
situ são utilizadas condições de secagem unidimensionais, sendo, para tal, necessário
selar algumas superfícies das peças em estudo para impedir a perda de humidade nessa
superfície. Normalmente são utilizados materiais impermeabilizantes de superfície
comerciais para efetuar essas tarefas. Nesta experiência foram estudados sete materiais:
plástico; Parafina; Resina Epóxi; Resina Siloxânica; Silicone líquida; Borracha líquida;
e Betume (ver Figura 4.30). Para simplificar o processo experimental, nesta experiência
foram utilizados cubos de pasta de cimento (5 x 5 x 5 cm3) com w/c 0.5 em substituição
de peças de betão.
Figura 4.30 – Aspeto dos provetes de teste
De salientar que apenas foi dada uma demão na colocação do revestimento, uma vez
que em aplicações laboratoriais normalmente pretende-se que logo após a descofragem
das peças, as superfícies sejam impermeabilizadas o mais rapidamente possível para não
existir logo perda de humidade para o ambiente.
Para registar a perda de massa do próprio material de revestimento foram colocadas
amostras desses materiais em pequenos recipientes. Toda a experiencia decorrem num
ambiente controlado, no interior de uma camara climática, a 20 °C e 30 % de humidade
relativa.
50
Os resultados da perda de massa dos provetes selados e das amostras dos materiais de
revestimento são apresentados nas figuras 4.31 a) e b) respetivamente.
a)
b)
Figura 4.31 – Perda de massa: a) dos provetes selados; b) das amostras dos materiais de
revestimento
Analisando as figuras anteriores constata-se que os selantes que provocam uma menor
perda de massa nos provetes de pasta de cimento são o plástico e a parafina. No entanto
a utilização de plástico para selar superfícies não é desejável uma vez que este permite a
perda de água do provete para o ar existente entre a superfície e o revestimento. Para
além destes materiais, o Betume apresenta também um comportamento bastante bom.
Este apenas apresenta uma perda de massa na fase inicial, após a qual deixa de existir
perda de água.
0
4
8
12
16
20
24
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
Per
da
de
mas
sa [
%]
Tempo [dias]
s/ rev.
Plástico
Resina Epóxi
Resina Siloxânica
Silicone liquida
Borracha líquida
Parafina
Betume
0
20
40
60
80
100
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
Per
da
de
mas
sa [
%]
Tempo [dias]
Resina Epóxi
Resina Siloxânica
Silicone liquida
Borracha líquida
Parafina
Betume
51
Contrariamente a estes materiais, a Resina Siloxânica é material que apresenta o pior
comportamento. Este comportamento já era esperado, uma vez que se trata de um
material de impregnação superficial, que permite a respiração da superfície tratada.
Apesar de não permitir a passagem de água em estado liquido, permite a troca de água
sob a forma de vapor.
52
5 CONCLUSÕES
Neste trabalho foi efetuado um estudo de algumas incertezas que podem existir na medição
de humidade relativa em materiais cimentícios, assim como o estudo de procedimento
alternativos de criação de ambientes controlados para aplicações laboratoriais. Após a
realização deste trabalho experimental salientam-se as seguintes conclusões principais:
O uso de soluções de sais saturados para o controlo da humidade relativa
ambiente durante ensaios com materiais cimentícios é possível, uma vez que não
se verificou grande influência nos na humidade relativa ambiente. Contudo é
preciso ser cauteloso na utilização deste tipo de soluções se se pretender colocar
desde a altura da betonagem os provetes de teste no interior de recipientes com
este tipo de sais, uma vez que na faze muito inicial da exposição das soluções se
verificou uma alteração significativa da humidade relativa ambiente.
Nas experiências realizadas neste trabalho foram utilizados quatro tipos de
sensores capacitivos, sendo que se verificou que os resultados entre os diferentes
sensores são bastante coerentes. A utilização deste tipo de sensores tem, no
entanto, de ter em consideração a grande sensibilidade que este tipo de sensores
tem à exposição prolongada a ambiente de humidade relativa bastante elevados
(acima de 90 %), uma vez que é alterada a calibração dos sensores.
A utilização de tecidos Gore-Tex® na interface entre o material cimentício e o
macro poro necessário para medir a humidade relativa não influenciou os
resultados obtidos, conclusão semelhante foi obtida também quanto à utilização
de macro poros de diferentes volumes.
Os macro poros criados em materiais cimentícios a partir de tubos ocos inseridos
na altura da betonagem dos materiais necessitam de uma correta selagem. Esta
53
selagem pode ser facilmente efetuada através de uma rolha de Latex. De
salientar que a utilização de Silicone é desaconselhada devido ao consumo de
água durante a reação de endurecimento do mesmo.
Para selar superfícies de provetes de materiais cimentícios o material mais
eficiente é a parafina, embora o betume também apresente um bom
comportamento.
54
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