Patologias Das Estruturas de Concreto Armado módulo 1

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Materiais de Construção Civil
Patologias Das Estruturas de Concreto Armado		Módulo 1
Reconhecer os processos de deterioração ou degradação das estruturas de concreto
INTRODUÇÃO
CONCEITOS BÁSICOS
O concreto armado é um material de construção muito disseminado para a execução de estruturas no mundo todo. Por conta disso, o estudo da sua durabilidade ― técnica, econômica e estética ― é de extrema importância.
Todos concordamos que as estruturas de concreto armado são projetadas e executadas para manter condições de segurança, funcionalidade e estabilidade, sem necessidade de manutenções e reparos. Tais características são chamadas de tempo de vida útil da estrutura.
A esperada vida útil das edificações pode ser comprometida com patologias ou defeitos construtivos. Essas patologias podem ser definidas como degradações inesperadas no desempenho das edificações devido a inúmeras causas.
É difícil separar as degradações causadas por falta de qualidade dos insumos aplicados daquelas que tem outras causas ― naturais, esperadas e relacionadas com a durabilidade. As estruturas estão sujeitas a fatores agressivos que podem comprometer sua durabilidade e estabilidade, tanto na fase de concepção do projeto como durante sua vida útil.
É possível minimizar esses problemas com um projeto bem elaborado, com a escolha de material de boa qualidade para a execução da obra, bem como como sua proteção e manutenção.
Lembramos que degradação é sinônimo de danificação, estrago, dano, apodrecimento, decomposição e degeneração. Já deterioração é destruir, devastar, estragar ou prejudicar. Desse modo, os termos degradação e deterioração para es estruturas de concreto armado estão diretamente associados às questões de segurança, funcionalidade, estabilidade manutenções, reparos e estéticas. Todas essas questões estão inseridas em um contexto maior, que são as patologias das estruturas de concreto armado.
PATOLOGIAS ESTRUTURAIS
O conceito básico referente às patologias das construções é a perda ou queda de desempenho de um insumo ou componente estrutural. O termo patologia foi extraído da área da Saúde que identifica o estudo das doenças, seus sintomas e as consequências que provocam nas estruturas.
Patologia das estruturas, portanto, é o campo da Engenharia que estuda as origens, manifestações, consequências e os mecanismos de ocorrências das falhas e dos sistemas de degradação das estruturas de concreto armado.
Atenção
Só podemos classificar como patologia um sintoma que comprometa alguns dos requisitos mínimos das construções, seja de caráter mecânico, funcional ou estético.
Uma patologia pode ser influenciada por comportamento, uso, tempo e condições de exposição a que uma estrutura possa estar submetida. Dessa forma, há uma relação intrínseca entre patologia e desempenho, vida útil e durabilidade da construção.
As patologias expressam uma indicação sintomática de algum defeito das características do material, em desacordo com sua especificação, por exemplo. Nesse sentido, indicam um comportamento diverso do previsto, que pode não resultar, necessariamente, em qualquer tipo de irregularidade que impeça o normal funcionamento da estrutura.
A causa da deterioração está diretamente relacionada à natureza da degradação, que pode ser mecânica, física, química e eletroquímica. Já a origem da deterioração está relacionada com as etapas do ciclo de vida da estrutura na qual surgiu a patologia. Entre essas etapas, podemos citar a fase de projeto, a execução, a vida útil etc.
DURABILIDADE E VIDA ÚTIL
Definimos durabilidade como a propriedade do concreto armado de manter suas características ao longo do maior tempo possível, de modo a atender às condições previamente previstas para sua utilização e desempenho, sem a necessidade de manutenções.
Os processos que podem levar à diminuição da durabilidade são complexos e diversos. Na maioria das vezes, eles dependem da concepção estrutural adotada, das características e da composição do concreto, da qualidade de sua execução, do meio ambiente em que a edificação está inserida e das condições de uso e da conservação periódica.
Os termos durabilidade e vida útil são próximos. Por vezes, utilizamos os dois termos de maneira equivocada. É preciso entender, portanto, que a durabilidade é uma qualidade da estrutura, ao passo que a vida útil é uma quantificação dessa qualidade.
Fatores de deterioração
Os principais fatores que propiciam a deterioração precoce do concreto e que afetam, diretamente, sua durabilidade podem ser agrupados de acordo com sua natureza ― mecânicos, físicos, químicos e eletromagnéticos.
A deterioração do concreto, quando acontece, é o resultado de uma combinação de diferentes fatores ― internos ou externos. Nesse caso, os processos que levam à deterioração são consequência das propriedades físico-químicas do concreto e da forma de exposição a que a estrutura está submetida.
PRINCÍPIOS DA DETERIORAÇÃO DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO
Porosidade
O concreto, por ser um material poroso, apresenta vazios em seu interior. Esses vazios têm origens diversas, como excesso de água de mistura necessária à obtenção de uma boa trabalhabilidade, diminuição do volume causada pela hidratação do cimento, ar incorporado durante a mistura etc.
Os vazios tornam o concreto suscetível à permeabilidade por gases ou líquidos. De maneira geral, a degradação do concreto ocorre pela presença de substâncias na forma de gases, vapores e líquidos, através de seus poros e possíveis fissuras. Vejamos a figura a seguir:
Interação
A interação do concreto com o meio ambiente recebe a influência de outros fatores importantes, como umidade, ação das intempéries, substâncias agressivas presentes no meio etc. Além disso, também há influência das características dos materiais presentes no concreto e de seus poros.
Todos esses fatores e características podem propiciar ou não o aparecimento de patologias.
O concreto deve ser especificado e executado com critério, além de ser imprescindível o conhecimento do meio ambiente e de sua interação com a estrutura. Afinal, a vida útil dessa estrutura pode ser reduzida pela influência ambiental.
Permeabilidade
A permeabilidade do concreto é o principal determinante da vulnerabilidade aos ataques de agentes externos. Desse modo, o concreto tem de ser impermeável para ser durável.
A permeabilidade do concreto também depende das dimensões, da forma, do caminho e da continuidade dos poros, bem como da rede capilar a ser percorrida pelos gases e fluidos.
Nesse sentido, quanto mais suscetível um concreto for à permeação de água, gases e outros agentes agressivos, bem como às condições ambientais da superfície, maior será a probabilidade da sua degradação. Como consequência, também será maior a probabilidade de degradação do aço no seu interior.
A ação de água, gases e outros agentes agressivos é influenciada pela estrutura porosa da pasta de cimento endurecida. A estrutura porosa deve ser entendida tanto pelas dimensões dos poros quanto pela interligação entre eles, por meio de canais.
A porosidade, portanto, permite o transporte das substâncias nocivas e caracteriza a permeabilidade da pasta. Por outro lado, a interligação entre os poros interfere na velocidade desse transporte.
As porosidades de maior relevância para a durabilidade do concreto podem ser classificadas em:
CAUSAS E CONSEQUÊNCIAS DA DEGRADAÇÃO DO CONCRETO ARMADO
É imprescindível que conheçamos as causas da deterioração do concreto. Dessa forma, é possível realizar os reparos necessários e garantir que a estrutura não voltará a se deteriorar após a reparação.
Descreveremos, a seguir, os principais mecanismos que provocam a deterioração do concreto armado, além de seus respectivos sintomas. Também recomendaremos a adoção de medidas preventivas contra os efeitos patológicos causados pela deterioração do concreto armado.
As principais causas pela redução da durabilidade do concreto podem ser classificadas de acordo com a sua natureza:
· Mecânica
· Física
· Química
· Eletroquímica
Além das quatro principaisclassificações, temos a causa de natureza Biológica, que se resume à ação de fungos e bactérias.
Para cada causa da deterioração, existe um ou mais agentes principais que a provocam. A ação desses agentes reduz, gradativamente, o desempenho do concreto e do aço.
Atenção
Lembre-se de que a água é um agente que participa da deterioração de quase todos os mecanismos de degradação. Em qualquer caso, portanto, uma primeira medida é evitar, ao máximo, o contato da estrutura com a água.
Causas mecânicas
As causas mecânicas se referem às resistências mecânicas para as quais as estruturas de concreto armado foram projetadas.
Exemplo
· Choques e impactos – por carros, caminhões etc.;
· Acidentes imprevisíveis – inundações, tornados, terremotos, explosões etc.;
· Recalque diferencial das fundações.
As causas mecânicas, além de comprometer a resistência da estrutura, propiciam a entrada de agentes agressivos na estrutura danificada, principalmente quando a armadura fica expostos devido ao impacto no concreto.
As estruturas mais afetadas pelas resistências mecânicas são: guarda-corpos, barreira New Jersey de viadutos, colunas de garagens, fundações etc. Os principais sintomas são a fissuração e o aparecimento de lascas no concreto, conforme vemos na figura a seguir.
É praticamente impossível prever e projetar, técnica e economicamente, a ocorrência das principais causas das deteriorações por causas mecânicas. No entanto, algumas ações paliativas podem ser tomadas.
O revestimento de borracha da base de pilares das garagens é um exemplo de ação paliativa.
Causas físicas
As causas físicas relativas ao processo de deterioração das estruturas são resultantes de grandes variações de temperatura, intempéries, água ― umidade, chuva e gelo ― e fogo.
Desgaste superficial por abrasão
A origem do desgaste por abrasão é a fricção ou o atrito a seco, gerado por um agente ou qualquer material abrasivo em uma superfície. No concreto, os motivos podem ser: esfregação, fricção ou escorregamento constantes em ambiente seco, resultando no arrancamento de grãos ― geralmente finos ― dos agregados e geração de pó.
Esse desgaste é um fator importante a ser considerado nas superfícies sujeitas à movimentação de cargas, como é o caso de pavimentações fabril, estacionamentos ou pistas de rolagem.
A resistência do concreto ao desgaste por abrasão está diretamente associada à sua dureza, resistência superficial e compressão. Esses fatores, por sua vez, dependem da qualidade da mistura do cimento e dos agregados.
O emprego de agregados mais duros e de maior granulometria diminui a possibilidade de desgastes à abrasão. Dessa forma, quanto maior a dureza e menor a porosidade, maior será a resistência do concreto à abrasão.
Atenção
É importante lembrar que o desgaste por abrasão não diz respeito à perda da resistência mecânica ― elemento estrutural de concreto ―, mas à perda de seu desempenho em relação à funcionalidade.
Cristalização de sais nos poros do concreto
A cristalização de sais nos poros do concreto ocorre devido ao contato das estruturas de concreto ― paredes de tanques industriais, estruturas marítimas, entre outras ― com soluções supersaturadas (salinas, por exemplo).
No caso das estruturas em contato com a água do mar, o processo ocorre por meio do choque das ondas e dos períodos consecutivos de molhagem e secagem, causado pelo efeito das marés.
A exposição às marés gera a cristalização dos sais no interior dos poros capilares interconectados do concreto. Essa cristalização, por sua vez, gera tensões internas de grandeza suficiente para que ocorram fissurações na estrutura.
Os concretos sujeitos à ação física da cristalização dos sais são aqueles concretos porosos e permeáveis ― com elevada relação água-cimento ― e em permanente contato com soluções de alta concentração salina.
Saiba mais
Formação de escamas
Outra manifestação patológica, além da fissuração, oriunda da cristalização de sais nos poros do concreto é a formação de escamas. Isso é muito típico de concretos porosos expostos a sais suscetíveis de serem hidratados, como o sulfato ou o carbonato de sódio.
A formação de escamas pode ser minimizada com a produção de um concreto menos poroso e permeável. Isso pode ser feito, por exemplo, diminuindo a relação água-cimento.
Retração hidráulica do concreto fresco
A rápida evaporação da água da superfície do concreto ainda não endurecido causa a fissuração do concreto no estado fresco. Esse fenômeno é conhecido como retração plástica ou retração hidráulica.
A perda de água, na maioria das vezes, ocorre pela ação de intempéries, como vento, baixa umidade e aumento da temperatura ambiente. Isso propicia o aparecimento de tensões que tracionam o concreto, gerando variação de tamanho e o aparecimento de fissuras.
Níveis de variações térmicas
As duas principais causas de deterioração do concreto causada por níveis de variações térmicas são:
· Retração térmica, que ataca o concreto fresco;
· Dilatação térmica, que causa danos no concreto endurecido.
A seguir, veremos cada uma delas detalhadamente.
RETRAÇÃO TÉRMICA
Após o lançamento do concreto fresco, iniciam-se as reações de hidratação do cimento. Tais reações são exotérmicas ― liberam calor ―, gerando aquecimento no concreto.
O aquecimento eleva a temperatura do concreto durante as primeiras horas. Entretanto, se houver uma variação térmica climáticas do ambiente, a temperatura do concreto fresco sofrerá grande redução, contraindo-se. A contração do concreto, por sua vez, gera tensões térmicas que tracionarão a estrutura, formando fissuras de origem térmica.
Em resumo, quanto maior for a variação da temperatura do concreto no processo de cura ― quente internamente e frio externamente ―, maiores serão as tensões térmicas que tracionarão o elemento estrutural. Como consequência, maior será a fissuração no concreto armado.
O fenômeno de retração térmica acontece, geralmente, em grandes estruturas, como é o caso das barragens. Como forma de minimizar esses efeitos, algumas medidas preventivas podem ser adotadas.
DILATAÇÃO TÉRMICA
O concreto, depois de endurecido, sofre variação de tamanho quando submetido à variação da temperatura, assim como quase todos os materiais. Essa variação pode se dar em decorrência de uma expansão, pelo aumento da temperatura, ou de uma contração, pela diminuição da temperatura.
No caso do concreto armado, podem ocorrer fissuras nos elementos estruturais se as variações térmicas forem muito acentuadas.
O exemplo mais comum dessa ocorrência são os pavimentos rodoviários de concreto. Se suas contrações e expansões também não forem minimizadas, ocorrerá o empenamento de placas de concreto.
Uma forma muito comum de minimizar o empenamento das placas é implantando juntas de dilatação espaçadas e dimensionadas. As juntas permitem as variações volumétricas do concreto e absorvem essas deformações térmicas.
Ação do fogo
Incêndios de grandes proporções em estruturas de concreto acontecem com certa frequência, envolvendo perdas humanas e danos materiais. Em São Paulo, dois incêndios ficaram famosos. O primeiro ocorrido no Edifício Andraus (31 andares) em 1972. Logo depois, em 1974, houve um incêndio no Edifício Joelma (25 pavimentos).
Apesar da grande intensidade dos incêndios, as estruturas de concreto suportaram satisfatoriamente a ação ao calor do fogo. Entretanto, os danos provocados nos incêndios citados foram enormes em termos de perdas de vidas humanas, bem como de custos de recuperação e custos econômicos (como negócio) por conta da estigmatização que os prédios sofreram.
As estruturas de concreto armado possuem boa resistência ao fogo, mas o tempo de exposição provoca um processo de degradação inevitável. As consequências são as perdas da capacidade de resistência e da rigidez dos elementos estruturais, devido à degradação conjunta do concreto e do aço.
Embora a ação do fogo não se alastre para o interior do concreto, há grande perda de sua resistência quando a estrutura é submetida ao calor muito forte. Vejamos:
A estrutura absorvecalor durante a ação do fogo, gerando uma expansão dos materiais. Isso ocasiona um diferencial de dimensões entre o concreto e o aço, que se alonga mais. Esse diferencial prejudica a aderência entre o concreto e o metal, desagregando o concreto e expondo a armadura diretamente ao fogo.
Causas químicas
As reações químicas se manifestam pelas consequências de danos físicos, como o aumento da porosidade e da permeabilidade, a perda da resistência projetada, o aparecimento de fissuras e destacamento, acrescido da decomposição química da estrutura.
Genericamente, essa degradação acontece em duas principais situações:
· Por ações externas à estrutura ― ação de agentes químicos externos com os constituintes da pasta de cimento;
· Por causas internas ― reações internas do concreto.
Entre as causas químicas da deterioração, podemos citar:
· Reação álcali-agregado;
· Hidratação de componentes do cimento;
· Ataque por sulfatos;
· Ataque por ácidos;
· Ataque por água natural;
· Carbonatação;
· Ataque por cloretos.
A seguir, veremos, detalhadamente, cada uma dessas causas.
  REAÇÃO   ÁLCALI-AGREGADO  
Trata-se de um fenômeno patológico que causa diversos problemas, a depender das condições que a estrutura está submetida.
Essa reação danosa gera expansões intensas, que podem ser observadas em diferentes idades. Embora sejam mais comuns em longo prazo, dependendo do grau de reatividade do agregado, também podem ser observadas após o final do processo de cura do concreto.
É uma reação química que ocorre internamente em uma estrutura de concreto. Nesse caso, os hidróxidos alcalinos originários do cimento reagem com alguns minerais presentes nos agregados utilizados.
Como resultado, são formados elementos que se expandem sob umidade. As consequências são fissurações, alterações de volume e, muitas vezes, o comprometimento estrutural.
HIDRATAÇÃO DE COMPONENTES DO CIMENTO
Alguns dos constituintes do cimento – como o óxido de magnésio (MgO) e a cal livre (CaO) ― poderão ser expansivos em algumas situações, hidratando-se lentamente após o endurecimento do concreto. Isso é menos comum na cal, devido a sua pequena porcentagem.
Esse processo resulta no aumento do volume e na consequente fissuração das peças estruturais. Como forma de prevenção, devemos manter rígido controle da quantidade desses elementos.
ATAQUE POR SULFATOS
O sulfato (SO42-) é um dos muitos agentes “insalubres” do concreto, sendo encontrado no solo, nas águas correntes, nos efluentes sanitários e industriais. Trata-se de um dos mais danosos agentes causadores de deterioração do concreto.
Os principais sulfatos que atacam o concreto são: Sulfato de Sódio (Na2SO4), Sulfato de Magnésio (MgSO4), Sulfato de Amônia ((NH4)2SO4), Sulfato de Potássio (K2SO4) e Sulfato de Cálcio (CaSO4).
A presença de sulfatos de sódio e de cálcio é mais comum nos solos, nas águas correntes e nos efluentes. Nas áreas de mineração e de indústrias químicas de papel e celulose, ocorre a presença de sulfatos solúveis, como os de sódio, magnésio e cálcio.
Os sulfatos oriundos de meios externos penetram o concreto por meio de suas fissuras e porosidade, atacando a estrutura internamente. Isso ocorre porque os sulfatos podem estar presentes na água de amassamento, nos agregados, entre outras possibilidades.
Todos os sulfatos são potencialmente perigosos ao concreto. Eles reagem com o concreto e causam a decomposição química de dois dos elementos da pasta de cimento hidratado: o hidróxido de cálcio, cuja reação produz gesso, e o aluminato tricálcico.
ATAQUE POR ÁCIDOS
São vários os tipos de elementos ácidos perigosos ao concreto. A origem desses elementos pode ser:
· Inorgânica – clorídrico, sulfídrico, nítrico etc.;
· Orgânica – acético, láctico e outros encontrados, normalmente, na terra.
Em qualquer situação, o íon hidrogênio propicia a formação de substâncias solúveis. Tais substâncias reagem com elementos básicos da pasta de cimento, produzindo água e sais de cálcio. Por sua vez, esses sais deterioram o concreto ao serem carreados por seu interior.
ATAQUE   POR   ÁGUA   NATURAL
A água pura ― rios, lençóis freáticos, lagos de degelo e água de chuva não ácida ― também pode ser nociva ao concreto. Isso ocorre por meio da percolação e decomposição, pela água, de componentes da pasta do cimento endurecido.
A percolação da água em locais com fissuras ou alta permeabilidade resulta na dissolução de compostos da pasta de cimento.
A característica mais comum do ataque por água natural é a dissolução do hidróxido de cálcio, com posterior precipitação de géis (de sílica e de alumina), e a formação de estalactites e estalagmites. As consequências desse processo são:
· Comprometimento da durabilidade da estrutura, uma vez que o carreamento do hidróxido de cálcio deixa o material mais poroso, permeável e suscetível à entrada de agentes agressivos;
· Alteração da estética dos elementos estruturais, já que o material que percolou interage com o gás carbônico presente no ar, formando uma crosta superficial esbranquiçada de carbonato de cálcio, também conhecido como eflorescência, de aparência pouco agradável;
· Diminuição da resistência mecânica, uma vez que a água, reagindo com o silicato de cálcio hidratado ― principal agente responsável pela resistência do concreto ―, causando a decomposição química do material.
CARBONATAÇÃO
Trata-se da penetração do gás carbônico ― dióxido de carbono, CO2 ― no interior dos poros úmidos do concreto, provocando uma reação com o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) do cimento e a consequente formação de carbonato de cálcio (CaCO3).
A ausência do hidróxido de cálcio no interior material hidratado e sua transformação em carbonato de cálcio faz com que o pH do concreto baixe para valores muito mais baixos do que os usuais. O resultado disso é a carbonatação do concreto.
ATAQUE POR CLORETOS
O principal efeito dos ataques dos cloretos sobre o concreto armado é a corrosão da armadura no interior do concreto. Isso gera seríssimos e comprometedores problemas.
Veremos as causas e consequências dos ataques por cloreto no módulo 2.
Causa eletroquímica
As causas eletroquímicas são classificadas segundo a natureza do processo de corrosão. Desse modo, elas podem ser do tipo:
· Corrosão química (seca ou oxidação) – reação gás-metal com formação de uma película oxidada;
· Corrosão eletroquímica (aquosa).
Vimos, ao longo deste módulo, os condicionantes da ocorrência da ação química sobre o concreto armado. No próximo módulo, iremos verificar, detalhadamente, as causas e os efeitos da corrosão eletroquímica sobre o concreto armado e sobre os danos causados às armaduras.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
Parte superior do formulário
1. Assinale a alternativa correta a respeito da deterioração das estruturas de concreto armado:
a) O concreto deve ser especificado e executado considerando-se o conhecimento do meio ambiente e sua interação com a estrutura, de forma a garantir sua vida útil.
b) A permeabilidade do concreto é pouco determinante da vulnerabilidade aos ataques de agentes externos, de modo que é irrelevante quanto à durabilidade do produto.
c) A permeabilidade do concreto independe das dimensões, da forma, do caminho e da continuidade dos poros, bem como da rede capilar a ser percorrida pelos gases e fluidos.
d) Devido à insuscetibilidade por parte do concreto à permeação de água ou de gases, poucas são as probabilidades de sua degradação e, por consequência, a do aço no seu interior.
e) A porosidade é tão ínfima que se descarta o transporte das substâncias nocivas ou que caracterizem permeabilidade da pasta.
Parte superior do formulário
2. Assinale a alternativa correta a respeito das causas químicas que ocasionam a degradação do concreto armado:
a) Reação álcali-agregado ocorre quando alguns constituintes do cimento se expandem e se hidratam após seu endurecimento, resultando no aumento do volume e consequente fissuração das peças estruturais.
b) Hidratação de componentes do cimento é um fenômeno patológico que causa expansões intensas, que podem serobservadas em diferentes idades, até mesmo logo após o final do processo de cura do concreto.
c) Reação álcali-agregado é uma reação química que ocorre internamente em uma estrutura de concreto, em que os hidróxidos alcalinos originários do cimento reagem com alguns minerais presentes nos agregados utilizados. Como resultado, são formados elementos que, sob umidade, expandem-se, provocando fissurações, alterações de volume e levando, muitas vezes, ao comprometimento estrutural e prejuízo da durabilidade.
d) Ataque por sulfatos é a formação de substâncias solúveis (que reagem com elementos básicos da pasta de cimento, produzindo água e sais de cálcio). Ao serem carreados pelo interior do concreto, esses sais o deterioram.
e) Ataque por ácidos são ataques feitos por ácidos encontrados no solo, nas águas correntes, nos efluentes sanitários e industriais, sendo considerado um dos mais danosos agentes causadores de deterioração do concreto.
f) Parte inferior do formulário