Tese de Doutorado

Utilizar revestimentos com alta refletância solar na envoltória da edificação é uma solução simples, acessível e eficaz na redução dos ganhos térmicos por radiação solar direta. A maioria das pesquisas nacionais buscou analisar e compreender as propriedades térmicas e ópticas (principalmente a refletância solar) de tintas, telhas, revestimentos e outros materiais. Há uma lacuna de estudos voltados para o desenvolvimento de novos materiais refletivos, sobretudo de telhas. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi desenvolver, caracterizar e avaliar uma telha de concreto fria, ou seja, com alta refletância solar e alta emitância térmica, para coberturas de edificações no Brasil. Os protótipos combinaram 12 diferentes materiais refletivos ou não, seis estratégias de aplicação e dois tratamentos pós-produção. Através de medições em laboratório e em campo de refletância solar (s), emitância térmica (), Índice de Refletância Solar (SRI), coordenadas de cor, rugosidade superficial, condutividade térmica, difusividade térmica, capacidade térmica específica, temperatura superficial e 12 meses de envelhecimento natural, um total de 157 amostras (60x60x11mm) foram analisadas para selecionar um protótipo para testes de propriedades térmicas, ópticas, funcionais, físicas e mecânicas em telhas de concreto (330x420x70mm), seguindo os requisitos da ABNT NBR 13858. A telha de concreto fria desenvolvida possui mica em pó substituindo 25% do agregado fino na mistura 1:2:0,75, pintura de TiO2 (20% de concentração) e uma resina transparente para proteção da superfície da telha contra intempéries. Nas amostras, essa telha apresentou s=0,81, =0,86, SRI=100-101 e luminosidade L*=88,65; enquanto em telhas - ou em um painel de telhas com 1,0 m² - ela apresentou s=0,57, =0,92, SRI=69-70 e L*=88,79. A mica na mistura reduziu a rugosidade da superfície, reduziu a condutividade térmica e a difusividade térmica, aumentou a capacidade térmica específica e reduziu em ~10 °C a temperatura superficial em comparação à referência. No entanto, a telha fria foi reprovada nos testes de absorção de água e carga de ruptura à flexão. Apesar dos bons resultados para as propriedades térmicas e ópticas, a telha de concreto fria não atendeu a todos os requisitos para uma telha de concreto brasileira. Portanto, os objetivos da pesquisa foram parcialmente alcançados. Trabalhos futuros devem melhorar a composição da telha desenvolvida, investigar sua durabilidade, desempenho termoenergético e custos. Embora o foco do trabalho sejam coberturas, os resultados são aplicáveis a outros materiais de construção à base de cimento (argamassas para fachadas e elementos de pavimentação, por exemplo), já que eles compartilham composição semelhante. Espera-se contribuir para soluções de materiais frios escaláveis para o envelope construtivo, apoiando estratégias mais amplas de adaptação climática a fim de mitigar os efeitos das ilhas de calor urbanas.

The use of coatings of high solar reflectance in the building envelope is a simple, affordable, and effective solution for reducing thermal gains by direct solar radiation. Most Brazilian research has focused on analyses and the understanding of thermal-optical properties (mainly solar reflectance) of paints, tiles, coatings, and other materials. There is a gap in the design and development of new solar reflective (cool) materials, especially roof tiles. This PhD dissertation aims at the development, characterization, and assessment of a cool concrete tile, i.e., a high solar reflectance and high thermal emittance, for roofing buildings in Brazil. The prototypes combined 12 (non-) reflective additives across six integration strategies and two post-production treatments. Through laboratory and field measurements of solar reflectance (s), thermal emittance (), Solar Reflectance Index (SRI), color coordinates, surface roughness, thermal conductivity, thermal diffusivity, specific heat capacity, surface temperature, and a 12-month field exposure (aging campaign), a total of 157 samples (60x60x11mm) variations were tested to select one prototype composition for full-size roof tile (330x420x70mm) testing of thermal, optical, functional, physical, and the mechanical properties from the ABNT Standard NBR 13858. The innovative cool concrete roof tile developed has mica powder at 25% sand substitution in the mixture (1:2:0.75), TiO2 coating at 20% pigment concentration, and a transparent waterproof weathering protective layer. In small samples it shows s=0.81, =0.86, SRI=100-101, and lightness-darkness L*=88.65, whereas in full size tile, or roof assembly (1.0m2), it shows s=0.57, =0.92, SRI=69-70, and L*=88.79. Mica in the mixture smoothed the surface, reduced thermal conductivity and thermal diffusivity, increased specific heat capacity, and decreased the surface temperature by ~10 °C in comparison to a reference prototype. However, the cool concrete roof tile was rejected in the water absorption and flexural strength test methods. Regardless of the good results for thermal-optical properties, the cool concrete tile did not meet all requirements for a Brazilian roof tile; therefore, the research aims were partially achieved. Further investigations are required to improve the roof tiles composition, investigate its durability, address thermo-energetic performance, and cost analysis aspects. Although focused on roofs, the results are transferable to other cement-based building materials (e.g., façade mortars and paving elements), since they share a similar mortar-based composition. Therefore, the findings of this study contribute to scalable solutions for cool roofs and support broader climate adaptation strategies aimed at mitigating Urban Heat Island effects.