Resultados

Atividade 1 – Estudos preliminares

No âmbito desta atividade, foi desenvolvida uma tarefa de vigilância tecnológica que teve como objetivo a realização de um levantamento e análise de produtos existentes no mercado, que possam concorrer em termos de aplicação e de características funcionais.
Reconhecendo a existência de diversas opções de soluções para as aplicações previstas neste projeto (painéis multicamada e barreiras acústicas), foram definidos alguns critérios de pesquisa para os sistemas concorrentes a analisar, nacionais e internacionais, que se destacam:

• Soluções constituídas por betão leve;
• Soluções com incorporação de resíduos que contribuam para a redução de peso final;
• Soluções de isolamento térmico;
• Solução com outros materiais naturais disponíveis localmente, de forma a reduzir custos e impactes de transportes.

Sobre a informação recolhida foi realizado um trabalho de sistematização que permitiu comparar características técnicas, antecipar riscos e, simultaneamente, identificar estratégias eficazes a aplicar no desenvolvimento e fabrico dos novos compósitos cimentícios.
É de realçar que não foram encontrados no mercado soluções construtivas com incorporação de casca de arroz no seu estado natural (sem tratamentos ou outros processos de transformação).

Ainda no âmbito da atividade A1, foram identificados e analisados os requisitos funcionais obrigatórios das novas soluções construtivas com base na regulamentação aplicável a cada uma delas (painéis multicamada e barreiras acústicas).
De acordo com a norma de especificação de dispositivos de redução de ruído de tráfego rodoviário (EN 14388:2005 e corrigenda de 2008), os dispositivos de redução do ruido instalados ao longo de estradas deverão não só cumprir a sua função acústica e requisitos estruturais, mas também manter o seu desempenho durante a vida útil. Assim, foi avaliado o desempenho acústico da barreira, de acordo com a norma EN 1793 (parte 1:2017 e 2:2018), mas também o desempenho mecânico, os requisitos de estabilidade, de segurança e ambientais, de acordo com a norma EN 1794 (parte 1:2018 e 2:2011).
Relativamente aos painéis multicamada, devido a semelhança a nível de utilização e funcionalidades, foi utilizada como referência comparativa a norma EN 13915 que contempla as definições, requisitos e métodos de ensaios para painéis prefabricados de gesso cartonado.

Atividade 2 – Conceção dos compósitos cimentícios

Com esta atividade, numa primeira fase, procedeu-se à caracterização da casca de arroz e analisou-se a sua compatibilidade com os ligantes hidráulicos. Adicionalmente, foram otimizadas as etapas de preparação da casca de arroz antes da sua incorporação nas misturas. Assim, foram efetuadas determinações de baridade, granulometria, massa volúmica e absorção de água.

No que respeita aos estudos de compatibilidade, foram produzidos eluatos e efetuadas determinações de pH, potássio, carência química de oxigénio (CQO), fósforo total, carbono orgânico total (TOC) e açucares. Foram, ainda, produzidas várias pastas de cimento com eluatos preparados de diferentes maneiras e com casca de arroz e efetuados ensaios de resistências mecânica e de caracterização microestrutural. Após esta análise, foram definidas e otimizadas diferentes formulações de compósitos cimentícios no que respeita a diferentes aspetos, nomeadamente, quantidade relativa dos diferentes componentes, granulometrias, características dos ligantes, eventual utilização de aditivos e adjuvantes, tendo ainda em consideração a contribuição destes fatores para o impacte ambiental da solução final. Nesse sentido, procedeu-se à caracterização física e mecânica das diferentes formulações.

Numa primeira fase, e de forma a validar as metodologias e analisar preliminarmente o impacte da incorporação de casca de arroz em compósitos cimentícios, foram preparadas algumas misturas cimentícias com casca de arroz, bem como com outros agregados correntemente utilizados na preparação de elementos pré-fabricados em betão, nomeadamente aparas de madeira tratada e grânulos de borracha reciclada. Assim, para estas misturas, foram efetuadas determinações de massas volúmicas, de resistência mecânica, de absorção de água, de condutibilidade térmica, de absorção sonora, etc., bem como diferentes ensaios de durabilidade, tais como ciclos de molhagem e secagem, ciclos de gelo-degelo e ciclos de choque térmico. Após esta fase preliminar, e a partir das novas formulações, foram realizados ensaios de determinação da massa volúmica, de resistência mecânica, da absorção de água, de condutibilidade térmica, do calor específico e de absorção sonora, para além dos ensaios de durabilidade. Nesta fase, foram definidas duas formulações de compósitos cimentícios otimizadas para avançar com os restantes estudos do projeto, tendo em conta as aplicações previstas (barreiras acústicas e painéis multicamada).

Após a produção das abordagens e consequentes resultados dos ensaios de condutibilidade térmica e absorção sonora descritos no Relatório 1, procedeu-se ao estudo da influência da incorporação de casca de arroz e de fíler calcário no comportamento físico e mecânico do compósito. Foram produzidas 12 misturas diferentes, tendo em conta 3 abordagens:

• Abordagem 1 - adição de fíler calcário, em volume, em substituição de cimento;
• Abordagem 2 - diminuição do rácio pasta/casca por aumento da dosagem da casca de arroz, visando atingir soluções adequadas às especificidades das barreiras acústicas e painéis multicamada;
• Abordagem 3 - conjugação das duas abordagens anteriores.

Com base nos resultados obtidos procedeu-se ao fabrico do protótipo da barreira acústica com uma mistura com CEM II/A-L 42,5 R e 30 % de adição de fíler calcário, em volume, em substituição de cimento. Igualmente, com base nos resultados obtidos decidiu-se proceder ao fabrico do protótipo do painel multicamada com uma mistura com CEM II/ A-L 42,5 R e 40% de aumento da dosagem da casca de arroz e 40 % de adição de fíler calcário, em volume, em substituição de cimento.

Caracterização física e mecânica

Ainda na atividade A2, após a identificação de diferentes composições, foram realizadas, em paralelo, duas campanhas laboratoriais com objetivo de avaliar as composições selecionadas para as barreiras acústicas (designada por “30F_V” - incorporação de filer em substituição do cimento, em volume - 30%) e para os painéis multicamada (designada por “40CA_40FV” - incorporação de filer em substituição do cimento, em volume - 40% - e aumento da quantidade de casca de arroz ), através da caracterização física e mecânica dos compósitos cimentícios otimizados.

Nas duas campanhas foram preparados provetes de ensaio de diferentes dimensões e configurações adequados aos diferentes ensaios previstos, nomeadamente para a determinação da resistência à compressão e flexão, retração e expansão, massa volúmica, porosidade aberta, permeabilidade ao vapor de água, condutibilidade térmica e absorção sonora por tudo de impedância.

Ensaio de resistência à compressão

Ensaio de resistência à flexão

Estudos de durabilidade

Foram realizados estudos de durabilidade para a composição selecionada para aplicação em barreiras acústicas “30F_V”. Tendo em conta que as barreiras acústicas estão sujeitas a ações climáticas, avaliou-se o desempenho do compósito quando sujeito a diferentes ciclos de envelhecimento acelerado por efeito da temperatura e humidade.

Para este efeito, foram produzidos 16 provetes cúbicos com 150 mm de aresta, tendo em vista a realização de ciclos de choque térmico, molhagem-secagem e gelo-degelo:

• Choque térmico - 10 ciclos de 24 h [EN 10545-9]:
• 1055 °C - 18 h;
• 202 °C - 6 h (imerso em água).
• Molhagem-secagem - 10 ciclos 48 h:
• 202 °C - 24 h (imerso em água);
• 202 °C - 24 h e 50 % humidade relativa.
• Gelo-degelo - 14 ciclos 24 h [EN 12371]:
• - 202 °C - 12 h;
• 202 °C - 12 h (imerso em água).

Adicionalmente, foram também preparados provetes para a realização de ensaios de avaliação de propensão ao desenvolvimento de fungos. Uma vez que as duas composições contêm casca de arroz, que poderá favorecer o desenvolvimento de fungos, foram preparados 6 provetes prismáticos com 40 x 40 x 160 mm3 de cada uma das composições (“30F_V” e “40CA_40FV”) para avaliação desta característica:

Resistência biológica (propensão ao desenvolvimento de fungos) - 4 ciclos de 1 semana [metodologia adaptada da norma ASTM D-3273-16]:

• Espécies utilizadas - Aspergillus niger, Penicillium citrinum, Aureobasidium pullulans e Alternaria alternata;
• Inoculação indireta;
• 32.5 °C e 98 % de humidade relativa.

Todos os provetes foram avaliados visualmente antes e após os ciclos de envelhecimento. Os cubos submetidos aos ciclos de choque térmico, molhagem-secagem e gelo-degelo, além da análise visual, foram sujeitos a verificação do desempenho através da realização de ensaio de resistência à compressão.

Ensaio de resistência ao desenvolvimento de fungos.

Atividade 3 – Conceção das soluções construtivas

Ao longo desta atividade foram definidas as soluções de painéis multicamada e barreiras acústicas, em termos de dimensões do painel, bem como espessuras e composições das várias camadas. Adicionalmente, foram definidas diferentes geometrias e pontos de fixação com vista a facilitar o transporte, manuseamento e montagem. Neste sentido, foram testados modelos de simulação numérica adaptados às soluções em desenvolvimento, devidamente parametrizados com resultados experimentais para, posteriormente, serem utilizados na otimização e descrição do comportamento dos diferentes sistemas.

Na definição das soluções de painéis multicamada, foi concebida uma solução de painel composto por três camadas distintas, uma camada de betão estrutural, a camada do compósito desenvolvido no âmbito do projeto e uma camada de betão com fibras. Foi ainda concebida uma solução de painel com face à vista em betão com casca de arroz. O painel proposto possui duas camadas distintas, uma camada de betão estrutural e uma camada de betão com casca de arroz.

No âmbito da tarefa de definição das soluções de barreiras acústicas, foram definidas numa fase inicial duas soluções de barreiras com o objetivo de que atendessem aos requisitos técnicos de desempenho adequados à sua função. As barreiras acústicas são compostas por um elemento estrutural e por uma camada absorvente feita com o compósito de casca de arroz. Uma das barreiras testadas possui 15cm de espessura total, uma camada estrutural com 5 cm de espessura e uma camada absorvente com 10cm do compósito de casca de arroz, e a outra possui 23cm de espessura total, uma camada estrutural com 5 cm de espessura e uma camada absorvente com 10cm do compósito de casca de arroz. Durante o período de reporte, foi ainda concebida uma terceira geometria de barreira com 19cm de espessura total, uma camada estrutural com 5 cm de espessura e uma camada absorvente com 14cm do compósito de casca de arroz.

Simulação numérica

Ainda no âmbito da Atividade 3, foram desenvolvidos modelos para a simulação do comportamento térmico e acústico dos materiais compósitos em desenvolvimento antecipando, assim, o comportamento global das soluções finais. Estas simulações requerem a caracterização e conhecimento de algumas propriedades físicas dos materiais compósitos, que foram obtidas a partir dos resultados dos ensaios de caracterização preliminares. Em termos de simulação de comportamento térmico, procurou-se determinar o calor específico e o atraso térmico da camada de material compósito.

Atividade 4 – Fabrico de protótipos

A fase de fabrico teve como objetivo principal a produção de compósitos cimentícios com casca de arroz em ambiente fabril e a produção das primeiras soluções construtivas de painéis multicamada e barreiras acústicas. A concretização destes objetivos obrigou à análise das condições de fabrico dos novos produtos, nomeadamente no que diz respeito ao esforço necessário para adaptar a linha de produção.

Assim, os principais objetivos desta atividade foram: analisar a viabilidade de produção dos novos compósitos cimentícios com casca de arroz; analisar a viabilidade de pré-fabricação das soluções de painéis multicamada e barreiras acústicas; fabricar protótipos de painéis multicamada e barreiras acústicas com vista à realização dos ensaios da Atividade A5, para validação do comportamento higrotérmico, acústico e mecânico dos painéis multicamada e para validação do comportamento acústico e mecânico das barreiras acústicas. Foram ainda produzidos os provetes necessários à realização dos ensaios de avaliação da reação ao fogo de cada uma das composições desenvolvidas no âmbito do projeto (40CA_40FV e 30F_V).

Protótipo barreira acústica

Protótipo painel multicamada

Atividade 5 – Validação experimental

A partir dos protótipos produzidos, procedeu-se à validação experimental dos painéis multicamada e das barreiras acústicas, em termos do seu comportamento higrotérmico, acústico e mecânico.

Validação do comportamento higrotérmico, acústico e mecânico dos painéis multicamada

Esta tarefa visa a realização de ensaios laboratoriais com o objetivo de caracterizar os painéis multicamada a utilizar em elementos de construção verticais. Os resultados obtidos devem ser coerentes com os requisitos técnicos e funcionais estabelecidos.

A realização dos ensaios permite aferir o seu comportamento higrotérmico, acústico e mecânico, assim como o seu comportamento ao fogo. Assim, os painéis multicamada foram sujeitos a ensaios de isolamento sonoro a sons aéreos, em câmaras acústicas, seguindo a metodologia indicada nas normas ISO 10140-1:2016, ISO 10140-2:2010, ISO 10140-4:2010 e ISO 717-1:2013 que permitiram declarar o valor de Rw. Além disso, foram ainda sujeitos a ensaios mecânicos de flexão, choque, corte, entre outros. O seu comportamento térmico foi avaliado, através de ensaios em laboratório, usando o método “Hot-Box” recomendado na norma EN 1934.

Foram, ainda, realizados ensaios para avaliação do seu comportamento e durabilidade perante outros fenómenos climáticos (ciclos higrotérmicos, entre outros), através de câmaras climáticas. Em termos de reação ao fogo, os painéis multicamada foram avaliados através da realização de ensaios de SBI (Single Burning Unit) e calor de combustão.

Ensaio de isolamento a sons aéreos.

Ensaio de SBI.

Validação do comportamento acústico e mecânico das barreiras acústicas

Esta tarefa visa a realização de ensaios laboratoriais com o objetivo de caracterizar as barreiras acústicas em desenvolvimento. Os resultados obtidos devem ser coerentes com os requisitos técnicos e funcionais estabelecidos. A realização dos ensaios permite aferir o seu comportamento acústico e mecânico, assim como o seu desempenho ao longo do tempo. Para o efeito serão utilizados provetes com dimensões variáveis. Todos os ensaios foram realizados de acordo com especificações normativas e por técnicos qualificados.

A avaliação do comportamento acústico seguiu as orientações das normas EN 1793-1:2017 e EN 1793-2:2012, utilizando para o efeito câmaras acústicas. Os ensaios de absorção sonora das barreiras acústicas foram realizados de acordo com a norma NP EN ISO 354:2007, permitindo caraterizar a absorção sonora, em função da porosidade da camada de absorção (compósito) e da sua geometria
As questões mecânicas, como a resistência ao impacto, foram avaliadas tendo por base a EN 1794-1:2018.

Ensaio de absorção sonora.

Ensaio de impacto.

Análise do desempenho ambiental

Complementarmente, encontra-se em preparação um estudo de Avaliação do Ciclo de Vida do painel multicamada e da barreira acústica, de acordo com as características definidas ao longo do projeto. Esta tarefa está a decorrer dentro do previsto, tendo sido definidas as fronteiras do estudo e iniciada a recolha de dados para construção dos inventários necessários para a modelação do desempenho ambiental dos painéis multicamada e barreiras acústicas. Foram analisadas as categorias dos impactes ambientais preconizadas na noma EN 15804+A2, nomeadamente o potencial de aquecimento global (kg CO2 eq.), depleção de recursos abióticos fósseis (MJ) e ecotoxicidade de água doce (CTUe), através do software SimaPro 9.1.1.7.

Atividade 6 - Promoção e divulgação de resultados

No âmbito desta atividade foi já publicado um artigo científico no Journal of Building Engineering em coautoria entre as ENESII e a empresa líder do projeto, foi apresentada uma tese de mestrado sobre tratamento de alcalinização da casca de arroz e sua incorporação em compósitos cimentícios e preparada uma comunicação para apresentação em conferência (ICNF, 2021) sobre o mesmo tema.

Foram ainda preparadas várias amostras de materiais compósitos cimentícios contendo casca de arroz para ilustrar possíveis aplicações numa exposição de materiais de construção sustentáveis (MCS 2021) que teve lugar em Coimbra, no mês de outubro de 2021, e que foi organizada em paralelo com uma conferência internacional (CEES 2021). Foram também preparadas amostras e outros materiais que foram apresentados no 10º Congresso Rodoferroviário Português (10º CRP), consultar brochura, realizado entre 5 e 7 de julho de 2022 no Centro de Congressos do LNEC, em Lisboa, Portugal e na Feira Architect@Work, consultar brochura, que decorreu em Nantes, França, entre 24 e 25 de novembro de 2022.

Simultaneamente, as equipas do projeto envolveram-se na preparação de comunicações científicas para apresentação em conferências internacionais (e.g. ICNF 2021) e conteúdos a expor em eventos de cariz técnico (e.g. Exposição MCS 2021; 10º CRP e Architect@Work Nantes 2022).

Em setembro de 2022, o Projeto RiceHusk+ foi publicitado no Nº102 da revista Francesa Béton S, consultar volume da revista.

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1B. Marques, J. Almeida, A. Tadeu, J. António, M.I. Santos, J. de Brito, M. Oliveira, Rice husk cement-based composites for acoustic barriers and thermal insulating layers, Journal of Building Engineering. (2021) 102297. doi:10.1016/j.jobe.2021.102297

2A. Raimundo, A. Esteves, I. Flores-Colen, R. Nogueira, J. de Brito, The Influence of the Alkaline Treatment of Rice Husk Incorporated in Cementitious Composites, 5th International Conference on Natural Fibres - ICNF 2021, 17 to 19 May, online conference.

3A. Esteves, Tratamento de alcalinização da casca de arroz e sua incorporação em compósitos cimentícios, Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico, 2021.

10º Congresso Rodoferroviário Português, Lisboa, 5 a 7 de julho de 2022.

Architect@Work, Nantes, 24 e 25 de novembro de 2022.