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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS ESCOLA DE ENGENHARIA CIVIL TATIANA RENATA PEREIRA JUCÁ AVALIAÇÃO DE CLORETOS LIVRES EM CONCRETOS E ARGAMASSAS DE CIMENTO PORTLAND PELO MÉTODO DE ASPERSÃO DE SOLUÇÃO DE NITRATO DE PRATA GOIÂNIA 2002 UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS ESCOLA DE ENGENHARIA CIVIL TATIANA RENATA PEREIRA JUCÁ AVALIAÇÃO DE CLORETOS LIVRES EM CONCRETOS E ARGAMASSAS DE CIMENTO PORTLAND PELO MÉTODO DE ASPERSÃO DE SOLUÇÃO DE NITRATO DE PRATA Dissertação apresentada à Escola de Engenharia Civil da Universidade Federal de Goiás para obtenção do título de Mestre em Engenharia Área de Concentração: Durabilidade das Estruturas de Concreto Orientador: Prof. Dr. Enio José Pazini Figueiredo Co-orientadora: Profa. Dra. Silvia Maria Souza Selmo Goiânia 2002 Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP) (GPT/BC/UFG) Jucá, Tatiana Renata Pereira J91a Avaliação de cloretos livres em concretos e ar- gamassas de cimento portland pelo método de as- persão de solução de nitrato de prata / Tatiana Renata Pereira Jucá. – Goiânia, 2002. xiv, 142p. :il. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Goiás, Escola de Engenharia Civil, 2002. Bibliografia: f.135-142 1. Cimento portland – Cloretos livres 2. Con- cretos – Cloretos livres 3. Argamassas – Cloretos livres 4.Concreto – Corrosão 5. Concreto – Elas- ticidade I. Universidade Federal de Goiás. Esco- la de Engenharia Civil II. Título. CDU: 666.942:661.453 iv À minha família, razão de minha vida. A Renato Freire Jucá, in memorian. v AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar, a Deus. Ao orientador, Dr. Enio José P. Figueiredo, pelas inúmeras horas dedicadas a esta pesquisa, confiança e pela pessoa maravilhosa que é; À co-orientadora, Silvia Selmo, pela colaboração técnica, empenho e credibilidade. À Cimento Votoran pela doação das amostras de cimento, sem as quais seria difícil a realização desta pesquisa. Especialmente ao Sr. Divaldir. Ao Sr. Arnaldo Battagin por sua colaboração na aquisição das amostras junto à Cimento Votoran. À Cimento Tocantins pela doação de amostras de cimento. Especialmente, Roosevelt e Ganderlan. Á FURNAS S.A. pelo apoio técnico dispensado a esta pesquisa. Aos colegas da turma de mestrado pelas situações incríveis que passamos. Em especial aos grandes amigos Fernando Teixeira, Cláudio Pereira, Keila Bento e Ricardo Ferreira pelas dificuldades que enfrentamos unidos. Ao amigo Ronaldo Gomes por todas as horas perdidas em prol de cobranças e incentivos relacionados a este trabalho. Aos amigos: Helena e Oswaldo Cascudo pelo sorriso dispensado todos os dias e pela grande humanidade. Aos maiores incentivadores desta pesquisa, Matheus Jucá, David Jucá e Vinnícius Ferreira, pelos momentos de descontração e alegria. Aos amigos de outrora, Marcio Santos, Marcus Valente e Renata Almeida. À grande amizade e apoio dispensados pelos amigos: Paula e Kleber Jucá, Celina e Raimundo Ferreira, Márcia e Renato Ferreira, e Lícinio Castro. Em especial, às pessoas mais importantes de minha vida: Eulalia Jucá, Maria Pereira, Renato Jucá e Ricardo Ferreira. Inesgotáveis às vezes que me alegraram com suas palavras e não me deixaram desanimar. Enfim, a todas as pessoas descritas acima, agradeço de todo coração e graças a todos vocês foi possível a realização deste trabalho. vi SUMÁRIO CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO ...........................................................................1 1.1. Importância do tema ............................................................................1 1.2. Objetivos do trabalho ..........................................................................5 1.3. Estrutura do trabalho...........................................................................6 CAPÍTULO 2 MECANISMO DA CORROSÃO INDUZIDA POR CLORETOS..7 2.1. Conceitos básicos sobre corrosão...................................................10 2.1.1. Definição................................................................................................................ 10 2.1.2. Classificação ......................................................................................................... 11 2.1.2.1. Teor limite de cloretos............................................................................................... 13 2.2. Penetração dos cloretos....................................................................14 2.2.1. Absorção capilar.................................................................................................... 15 2.2.2. Permeabilidade...................................................................................................... 15 2.2.3. Migração iônica ..................................................................................................... 16 2.2.4. Difusão iônica........................................................................................................ 17 2.3. Fatores que exercem influência na corrosão por cloretos.............18 2.3.1. Tipo de cimento..................................................................................................... 19 2.3.1.1. Resistividade elétrica ................................................................................................ 22 2.3.1.2. Fixação de cloretos ................................................................................................... 24 2.3.2. Tipo de Aço ........................................................................................................... 25 2.3.3. Temperatura .......................................................................................................... 26 2.3.4. Cobrimento ............................................................................................................ 27 2.3.5. Carbonatação........................................................................................................ 31 2.4. Ensaios para avaliar a resistência à penetração dos cloretos no concreto........................................................................................................33 2.4.1. Penetração de cloretos ......................................................................................... 33 2.4.2. Migração de cloretos ............................................................................................. 34 2.4.3. Ciclos de imersão e secagem ............................................................................... 34 2.5. Ensaios para avaliar a resistência à carbonatação.........................35 CAPÍTULO 3 MÉTODOS PARA AVALIAÇÃO DA PRESENÇA DE CLORETOS EM CONCRETO E ARGAMASSA......................................36 3.1. Análise do teor de cloretos no concreto..........................................37 3.2. Métodos qualitativos..........................................................................38 3.2.1. Aspersão de solução de nitrato de prata .............................................................. 38 3.2.1.1. Solução de nitrato de prata ....................................................................................... 40 3.2.1.2. Trabalhos realizados com a solução de nitrato de prata........................................... 42 3.2.2. Quantab.................................................................................................................44 3.2.3. Hach ...................................................................................................................... 45 3.3. Métodos quantitativos .......................................................................47 3.3.1. Método Potenciométrico........................................................................................ 47 3.3.2. Titulação ................................................................................................................ 48 3.3.3. Teor de cloretos totais através da ASTM C 1152 ................................................. 49 3.3.4. Extração da solução dos poros do concreto ......................................................... 51 vii 3.3.5. Extração com água ............................................................................................... 52 3.3.6. Método de Volhard ................................................................................................ 53 3.3.7. Técnica do eletrodo seletivo.................................................................................. 54 3.4. Concentração de cloretos e hidroxilas ............................................54 3.5. Difusão de cloretos ............................................................................56 CAPÍTULO 4 METODOLOGIA USADA NO PROGRAMA EXPERIMENTAL57 4.1. Introdução ao método de aspersão de nitrato de prata..................57 4.2. Descrição da metodologia.................................................................58 4.2.1. Variáveis dependentes.......................................................................................... 59 4.2.2. Variáveis independentes ....................................................................................... 59 4.3. Caracterização dos materiais............................................................60 4.3.1. Areia ...................................................................................................................... 60 4.3.2. Brita ....................................................................................................................... 61 4.3.3. Cimentos ............................................................................................................... 62 4.3.3.1. Cimento Portland comum com adição (CP I-S-32) ................................................... 63 4.3.3.2. Cimento Portland composto com fíler (CP II-F-32) ................................................... 64 4.3.3.3. Cimento Portland de alto-forno (CP III-32)................................................................ 65 4.3.3.4. Cimento Portland pozolânico (CP IV-32) .................................................................. 66 4.3.3.5. Cimento Portland de alta resistência inicial (CP V-ARI)............................................ 67 4.3.4. Armaduras ............................................................................................................. 69 4.3.5. Água ...................................................................................................................... 69 4.4. Corpos-de-prova ................................................................................69 4.4.1. Concreto ................................................................................................................ 69 4.4.2. Argamassa ............................................................................................................ 71 4.4.3. Tipos e quantidades de corpos-de-prova.............................................................. 72 4.5. Ensaios complementares ..................................................................75 4.5.1. Caracterização físico-química dos cimentos......................................................... 75 4.5.1.1. Cimento Portland comum com adição (CP I-S-32) ................................................... 75 4.5.1.2. Cimento Portland composto com fíler (CP II-F-32) ................................................... 76 4.5.1.3. Cimento Portland de alto-forno (CP III-32)................................................................ 76 4.5.1.4. Cimento Portland pozolânico (CP IV-32) .................................................................. 77 4.5.1.5. Cimento Portland de alta resistência inicial (CP V-ARI)............................................ 78 4.5.2. Resistência à compressão e módulo de elasticidade ........................................... 79 4.5.3. Carbonatação........................................................................................................ 79 4.5.4. Difratometria de Raios-X ....................................................................................... 79 4.5.5. Microscopia eletrônica de varredura ..................................................................... 80 4.6. Ensaios eletroquímicos .....................................................................81 4.7. Ensaio de aspersão de solução de nitrato de prata........................83 CAPÍTULO 5 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS........85 5.1. Ensaios de caracterização e complementares ao estudo ..............85 5.1.1. Ensaios mecânicos ............................................................................................... 86 5.1.2. Profundidade de carbonatação ............................................................................. 87 5.1.2.1. Amostras de referência ............................................................................................. 88 5.1.2.2. Amostras contendo 0,2% de cloretos em relação à massa de cimento .................... 88 5.1.2.3. Amostras contendo 0,4% de cloretos em relação à massa de cimento .................... 89 5.1.2.4. Amostras contendo 1,0% de cloretos em relação à massa de cimento .................... 90 5.1.2.5. Amostras contendo 2,0% de cloretos em relação à massa de cimento .................... 91 5.1.3. Difratometria de Raios-X ....................................................................................... 92 5.1.4. Microscopia eletrônica de varredura ..................................................................... 93 5.1.4.1. Amostra de referência............................................................................................... 94 viii 5.1.4.2. Amostra contendo 2,0% de cloreto em relação à massa de cimento........................ 95 5.2. Medidas eletroquímicas.....................................................................98 5.2.1. Potencial de corrosão (Ecorr )................................................................................. 98 5.2.1.1. Concretos de referência............................................................................................ 99 5.2.1.2. Concretos com 0,2% de cloretos em relação à massa de cimento........................... 99 5.2.1.3. Concretos com 0,4% de cloretos em relação à massa de cimento......................... 100 5.2.1.4. Concretos com 1,0% de cloretos em relação à massa de cimento......................... 101 5.2.1.5. Concretos com 2,0% de cloretos em relação à massa de cimento......................... 102 5.2.2. Intensidade de corrosão (icorr ) ............................................................................. 103 5.2.2.1. Amostras de referência ........................................................................................... 103 5.2.2.2. Concretos com 0,2% de cloretos em relação à massa de cimento......................... 104 5.2.2.3. Concretos com 0,4% de cloretos em relação à massa de cimento......................... 105 5.2.2.4. Concretos com 1,0% de cloretos em relação à massa de cimento......................... 106 5.2.2.5. Concretos com 2,0% de cloretos em relação à massa de cimento......................... 107 5.2.3. Resistência ôhmica (Rohm ) .................................................................................. 108 5.2.3.1. Concretos de referência..........................................................................................108 5.2.3.2. Concretos com 0,2% de cloretos em relação à massa de cimento......................... 109 5.2.3.3. Concretos com 0,4% de cloretos em relação à massa de cimento......................... 110 5.2.3.4. Concretos com 1,0% de cloretos em relação à massa de cimento......................... 111 5.2.3.5. Concretos com 2,0% de cloretos em relação à massa de cimento......................... 112 5.3. Aspersão de nitrato de prata...........................................................113 5.3.1. Argamassas de referência .................................................................................. 114 5.3.2. Argamassas contendo 0,2% de cloretos em relação à massa de cimento ........ 115 5.3.3. Argamassas contendo 0,4% de cloretos em relação à massa de cimento ........ 116 5.3.4. Argamassas contendo 1,0% de cloretos em relação à massa de cimento ........ 117 5.3.5. Argamassas contendo 2,0% de cloretos em relação à massa de cimento ........ 118 CAPÍTULO 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................120 6.1. Primeira Etapa ..................................................................................120 6.1.1. Amostras de referência - 1a etapa....................................................................... 120 6.1.2. Amostras contendo 0,2% de cloretos incorporados à massa - 1a etapa ........... 121 6.1.3. Amostras contendo 0,4% de cloretos incorporados à massa - 1a etapa ............ 122 6.1.4. Amostras contendo 1,0% de cloretos incorporados à massa - 1a etapa ............ 122 6.1.5. Amostras contendo 2,0% de cloretos incorporados à massa - 1a etapa ............ 123 6.2. Segunda Etapa .................................................................................123 6.2.1. Amostras de referência - 2a etapa....................................................................... 123 6.2.2. Amostras contendo 0,2% de cloretos incorporados à massa - 2a etapa ............ 124 6.2.3. Amostras contendo 0,4% de cloretos incorporados à massa - 2a etapa ............ 125 6.2.4. Amostras contendo 1,0% de cloretos incorporados à massa - 2a etapa ............ 125 6.2.5. Amostras contendo 2,0% de cloretos incorporados à massa - 2a etapa ............ 126 6.3. Aplicabilidade do método de aspersão de nitrato de prata..........127 6.4. Sensibilidade das técnicas estudadas ao teor de cloretos ..........128 6.5. Sugestões para futuras pesquisas .................................................128 ANEXO A .......................................................................................................130 ANEXO B .......................................................................................................131 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..............................................................135 ix LISTA DE FIGURAS Figura 2. 1 - Incidência de manifestações patológicas em estruturas de concreto armado no Rio Grande do Sul em função da origem ou causa dos problemas (DAL MOLIN, 1988).............................................................8 Figura 2. 2 - Incidência de manifestações patológicas em estruturas de concreto no Estado de Pernambuco (ANDRADE, 1997). ...................................8 Figura 2. 3 - Incidência das manifestações patológicas na Região Amazônica (ARANHA, 1994). ..................................................................................9 Figura 2. 4 - Classificação da corrosão de armaduras de acordo com a morfologia. .............................................................................................................12 Figura 2. 5 – Esquema de funcionamento do eletrodo Wenner (ANDRADE ,1992) .............................................................................................................23 Figura 2. 6 - Teor de cloretos livres em relação à massa de cimento em relação ao teor de C3A, a 20oC e 70oC (HUSSAIN & RASHEEDUZZAFAR, 1993, apud NEVILLE, 1997)..........................................................................27 Figura 3. 1 - Análises de cloretos, adaptada do modelo de KROPP (1996) ..........37 Figura 3. 2 - Frente de penetração de cloretos (NT BUILD 492, 2000) .................40 Figura 3. 3 - Relação entre cloretos totais, livres e fator água/cimento de concretos, argamassas e pastas de cimento (OTSUKI et al. ,1992)..43 Figura 3. 4 - Kit teste Quantab (SOILTEST, 1999) .................................................45 Figura 3. 5 - Kit Hach para aplicação in loco (Hach Company, 2001)....................46 Figura 4. 1 - Curva granulométrica da areia natural utilizada no programa experimental ........................................................................................61 Figura 4. 2 - Dimensões do corpo-de-prova (a) usado na resistência à compressão, (b) usado na avaliação de cloretos livres e (c) usado nas medidas eletroquímicas.......................................................................73 Figura 4. 3 - Descrição do número de corpos-de-prova .........................................74 Figura 4. 4 - Detalhe da armadura e espaçadores .................................................75 Figura 4. 5 - GECOR 6, equipamento de tomada dos ensaios eletroquímicos .....82 Figura 5. 1 – Profundidade de carbonatação nas amostras de referência.............88 Figura 5. 2 – Profundidade de carbonatação nas amostras contendo 0,2% de cloretos em relação à massa de cimento............................................89 Figura 5. 3 – Profundidade de carbonatação nas amostras contendo 0,4% de cloretos em relação à massa de cimento............................................90 Figura 5. 4 – Profundidade de carbonatação nas amostras contendo 1,0% de cloretos em relação à massa de cimento............................................91 x Figura 5. 5 – Profundidade de carbonatação nas amostras contendo 2,0% de cloretos em relação à massa de cimento............................................92 Figura 5. 6 – Identificação dos corpos-de-prova para análise no MEV..................93 Figura 5. 7 – Micrografia de região externa da amostra de referência...................94 Figura 5. 8 – Espectro da estrutura encontra na região externa da amostra de referência.............................................................................................95 Figura 5. 9 Micrografia da amostra contendo 2,0% de cloretos em relação à massa de cimento ...........................................................................................95 Figura 5. 10 – Espectro geral da amostra externa contendo 2,0% de cloretos em relação à massa de cimento ...............................................................96 Figura 5. 11 – Espectro geral da amostra interna contendo 2,0% de cloretos em relação à massa de cimento ...............................................................96 Figura 5. 12 – Micrografia de região externa atacada por solução de nitrato de prata.....................................................................................................97 Figura 5. 13 – Espectro da região externa atacada por solução de nitrato de prata, ilustrada na Figura 5. 12......................................................................97 Figura 5. 14 - Potencial de corrosão em concretos de referência ..........................99 Figura 5. 15 - Potencial de corrosão em concretos com 0,2% de cloretos ..........100 Figura 5. 16 - Potencial de corrosão em concretos com 0,4% de cloretos ..........101 Figura 5. 17 - Potencial de corrosão em concretos com 1,0% de cloretos ..........102 Figura 5. 18 - Potencial de corrosão em concretos com 2,0% de cloretos ..........103 Figura 5. 19 - Intensidade de corrosão em concretos de referência ....................104 Figura 5. 20 - Intensidade de corrosão em concretos com 0,2% de cloretos ......105 Figura 5. 21 - Intensidade de corrosão em concretos com 0,4% de cloretos ......106 Figura 5. 22 - Intensidade de corrosão em concretos com 1,0%de cloretos ......107 Figura 5. 23 - Intensidade de corrosão em concretos com 2,0% de cloretos ......108 Figura 5. 24 – Resistividade elétrica em concretos de referência ........................109 Figura 5. 25 – Resistividade elétrica em concretos com 0,2% de cloretos ..........110 Figura 5. 26 – Resistividade elétrica em concretos com 0,4% de cloretos ..........111 Figura 5. 27 – Resistividade elétrica em concretos com 1,0% de cloretos ..........112 Figura 5. 28 – Resistividade elétrica em concretos com 2,0% de cloretos ..........113 Figura 5. 29 - Ilustração dos corpos-de-prova de CP II-F-32 aos 7 dias..............114 Figura 5. 30 – Percentagem de cloretos livres nas amostras de referência ........115 Figura 5. 31 – Percentagem de cloretos livres nas amostras contendo 0,2% de cloretos em relação à massa de cimento..........................................116 Figura 5. 32 – Percentagem de cloretos livres nas amostras contendo 0,4% de cloretos em relação à massa de cimento..........................................117 xi Figura 5. 33 – Percentagem de cloretos livres nas amostras contendo 1,0% de cloretos em relação à massa de cimento..........................................118 Figura 5. 34 – Percentagem de cloretos livres nas amostras contendo 2,0% de cloretos em relação à massa de cimento..........................................119 xii LISTA DE TABELAS Tabela 2. 1 - Teor limite de cloretos........................................................................14 Tabela 2. 2 – Critérios para avaliação da resistividade do concreto – CEB 192....23 Tabela 2. 3 - Classe de agressividade ambiental (NBR 6118/2000 - em revisão).29 Tabela 2. 4 - Classes de agressividade ambiental em função das condições de exposição (NBR 6118/2000 - em revisão) ..........................................29 Tabela 2. 5 - Determinação do cobrimento nominal em relação à classe de agressividade ambiental(NBR 6118/2000 - em revisão) ....................30 Tabela 4. 1 – Caracterização da areia utilizada no programa experimental. .........60 Tabela 4. 2 – Caracterização da brita utilizada no programa experimental. ..........62 Tabela 4. 3- Descrição dos cimentos......................................................................62 Tabela 4. 4 - Características físicas do CP I-S-32..................................................63 Tabela 4. 5- Características químicas do CP I-S-32...............................................64 Tabela 4. 6- Características físicas do CP II-F-32 ..................................................64 Tabela 4. 7 - Características químicas do CP II-F-32.............................................65 Tabela 4. 8 - Características físicas do CP III-32....................................................65 Tabela 4. 9 - Características químicas do CP III-32 ...............................................66 Tabela 4. 10 - Características físicas do CP IV-32 .................................................66 Tabela 4. 11 - Características químicas do CP IV-32.............................................67 Tabela 4. 12 - Características físicas do CP V-ARI ................................................67 Tabela 4. 13 - Características químicas do CP V-ARI............................................68 Tabela 4. 14 - Quantidade de material usado em cada traço de concreto.............70 Tabela 4.15 - Quantidade de material usado em cada traço de argamassa .........72 Tabela 4. 16 - Designação dos cloretos em relação à coloração dos corpos-de- prova (adaptado da UNI 7928, 1978)..................................................84 Tabela 5. 1 - Caracterização mecânica dos concretos estudados.........................86 Tabela 5. 2 - Critério para avaliação da icorr (ANDRADE, 1992).............................98 Tabela 5. 3 - Critério para avaliação do Ecorr (ASTM C-876) ..................................98 xiii RESUMO A presente pesquisa tem por objetivo principal avaliar a aplicabilidade da aspersão de solução 0,1M de nitrato de prata como indicador de cloretos livres em materiais a base de cimento Portland. O estudo da aplicabilidade da aspersão da solução de nitrato de prata vem da necessidade de um método que possa ser utilizado in loco ou em laboratório e indique a presença de cloretos livres em concretos ou argamassas. Apesar do método de aspersão de nitrato de prata ser qualitativo, o mesmo pode funcionar como auxiliar a outros métodos onerosos e de difícil aplicabilidade, além de dar uma informação rápida para que os profissionais possam diagnosticar estruturas com corrosão. Para que os resultados deste estudo tivessem credibilidade quanto à presença de cloretos livres nas amostras em estudo, foi realizado paralelamente à aspersão de nitrato de prata um acompanhamento das amostras através de ensaios eletroquímicos em barras imersas nas mesmas. Também importante ao estudo em questão está a carbonatação, uma vez que a mesma é considerada capaz de tornar livres os cloretos já combinados dos concretos e argamassas. A parte experimental da pesquisa envolveu dois materiais principais: as argamassas em corpos-de-prova de 5 cm x 10 cm de argamassa que serviram ao estudo da aspersão de nitrato de prata, profundidade de carbonatação, difração de Raios-X e microscopia eletrônica de varredura (MEV), além de concretos em corpos-de-prova prismáticos de 15 cm x 20 cm x 30 cm para os ensaios eletroquímicos. Corpos-de-prova cilíndricos de 15 cm x 30 cm foram ensaiados para a verificação da resistência à compressão e módulo de elasticidade dos concretos. Cada um dos materiais, argamassa e concreto, foi confeccionado com CP I-S-32, CP II-F-32, CP III-32, CP IV-32 e CP V-ARI com os seguintes teores de cloretos incorporados à água de amassamento: 0%, 0,2%, 0,4%, 1,0% e 2,0% em relação à massa de cimento. Observou-se através da solução de nitrato de prata que houve um período de combinação dos cloretos incorporados à massa das argamassas, assim como um período em que a carbonatação exerceu influência no processo de liberação dos cloretos combinados. Notou-se também, que o teor de Al2O3 dos cimentos é fator preponderante no processo de fixação dos cloretos, assim como a velocidade de hidratação do cimento. O programa experimental ilustra que o método de aspersão de nitrato de prata pode ser usado in loco, em estruturas sujeitas ao fenômeno da carbonatação, com auxílio das medidas de profundidade de carbonatação. Nos casos em que os cloretos são incorporados à mistura, como aditivos à base de cloretos, agregados ou água contaminados, ou mesmo quando os cloretos entram pela porosidade do concreto, o método pode ser empregado com êxito, para análise qualitativa da presença desse íon. Palavras-chave: cloretos livres, nitrato de prata, cimento Portland, argamassa, concreto, carbonatação, corrosão de armaduras. JUCÁ, T. R. P. Avaliação de cloretos livres em concretos e argamassas de cimento portland pelo método de aspersão de solução de nitrato de prata. 2002. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Escola de Engenharia Civil, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2002. xiv ABSTRACT The objective of the research is to evaluate the applicability of the aspersion of solution 0,1M of silver nitrate as indicator of free chloride in materials of cement base. The study of the applicability of the aspersion of the solution of silver nitrate comes from the need of a method that can be used in loco or in laboratory that indicates the presence of free chlorides in concretes or mortars. Although the method of aspersion of silver nitrate to be merely qualitative, it can be said that the same can work as aiding the other onerous methods of difficult applicability. So that the results of this study had an acceptable credibility, it was accomplished parallel to the aspersion of silver nitrate an attendance of the samples through polarization resistance.Also important to the study in subject it is the carbonation, because this phenomenon is considered capable to turn free the chlorides already combined of the concretes and mortars. The experimental part of the research involved two kind of samples: samples of 5x10 cm of mortar that were used in the study of the aspersion of silver nitrate and prismatic samples of 15x20x30 cm of concrete for the tests of polarization resistance. Each one of the samples, mortar and concrete, was made with CP I-S-32, CP IIF-32, CP III-32, CP IV-32 and CP V- ARI with the following amount of incorporate chlorides to the water mixing: 0%, 0,2%, 0,4%, 1,0% and 2,0% in relation to the cement mass. It was observed through the solution of silver nitrate that there was a combination period of the incorporate chlorides to the mass of the mortars, as well as a period in that the carbonation exercised influence in the process of liberation of the combined chlorides. It was also noticed, that the amount of Al2O3 of the cements is a preponderant factor in the process of fixation of the chlorides. The experimental program illustrates that the method of aspersion of silver nitrate can be used in loco, in structures subject to the phenomenon of the carbonation, with aid of the measures of carbonation's depth. In the cases in that the chlorides are incorporate to the mixture, as addictive to the chloride base, aggregates or water contaminated, the method has perfect applicability. Key word: colorimeter method, free chlorides, silver nitrate, mortars, concrete carbonation, polarization resistance, corrosion reinforcement. JUCÁ, T. R. P. Evaluation of free chloride in concretes and mortars of Portland cement through the aspersion method of silver nitrate’s solution. 2002. Dissertation (Master Degree) – Escola de Engenharia Civil, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2002. 1. CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1. Importância do tema A durabilidade das estruturas de concreto armado, nas últimas décadas, tem sido limitada por processos de deterioração, principalmente o da corrosão de armaduras. Os inúmeros estudos na área de corrosão das armaduras são justificados devido à abrangência mundial do problema, à complexidade dos mecanismos de iniciação e propagação da corrosão, aos elevados recursos aplicados para reparar as estruturas atingidas e aos fatores sociais e ambientais envolvidos, uma vez que a infraestrutura dos países, tais como portos, rodovias, pontes etc, têm sido severamente atacadas pela corrosão. De acordo com FIGUEIREDO (1994), somente a partir da década de 80, o governo, a indústria e os tecnologistas brasileiros começaram uma forte corrente para encontrar soluções aos graves problemas causados pela corrosão de armaduras, os quais já eram conhecidos desde a utilização de barras de aço no concreto. No que se refere à monitoração da corrosão em armaduras, somente em 1959 tem-se o primeiro registro do uso de técnicas eletroquímicas para medir a corrosão do aço. Nos últimos anos, observa-se um significativo aumento do número de congressos, comitês técnicos e reuniões especializadas no assunto (Congresso Iberoamericano de Patologia, Congresso Brasileiro do Concreto, Concrete Durability, Corrosionsource.com), até mesmo na Internet, pois a 2 corrosão das armaduras tem se tornado uma das mais incidentes, sérias e onerosas manifestações patológicas em estruturas de concreto armado. A corrosão pode ser classificada em função do tipo de reações envolvidas no fenômeno. Neste caso, a corrosão pode ser devida a reações eletroquímicas ou reações químicas heterogêneas. As reações químicas heterogêneas são todas aquelas que dão ou recebem elétrons, também conhecidas como reações de óxi-redução. Esta reação se dá através da interação de um gás e um metal, formando uma película de óxidos. Porém, a reação que ocorre nas armaduras do concreto é causada por reações eletroquímicas. As reações eletroquímicas só ocorrem quando existe um meio aquoso (eletrólito), no qual há o fechamento da pilha de corrosão, através do eletrólito, dando origem a diferenças de potencial no aço. A corrosão de armaduras no concreto de cimento Portland pode acontecer, essencialmente, por dois motivos principais. O primeiro é devido ao fenômeno da diminuição da alcalinidade do concreto, ocasionado principalmente pela carbonatação do concreto e o segundo, devido à presença de cloretos livres no concreto. Muitos pesquisadores concordam que a corrosão induzida por cloretos é o tipo mais perigoso, pois, neste caso, os cloretos despassivam a armadura pontualmente ainda que o pH esteja elevado e formam pites, que reduzem a seção transversal da barra, reduzindo sua capacidade portante e, conseqüentemente, podem levar a estrutura ao colapso. ANDRADE (1992), por exemplo, afirma que a situação mais agressiva e a responsável pelo maior número de casos de corrosão de armaduras é a presença de cloretos. Porém, sabe-se que o risco de corrosão induzida por cloretos depende das concentrações relativas de íons cloreto e hidroxila nos poros do eletrólito e da difusividade dos íons cloreto na pasta. As fontes de cloretos nos concretos e argamassas podem ser os agregados, a água ou o solo contaminados, o aditivo acelerador de pega à base desse íon, os sais de degelo, as atmosferas marinhas ou a ação direta da água do mar. No entanto, independente da fonte que ocasiona a presença dos 3 cloretos no concreto, os mesmos vão estar na matriz da argamassa ou concreto, nos diferentes estados, a seguir listados (FIGUEIREDO, 1993): - Quimicamente combinados, na forma de sal de Friedel (C-A-H), por reação com o C3A do cimento Portland: C3A.CaCl2.10H2O; - Quimicamente adsorvidos ao C-S-H; - Livres na solução aquosa dos poros. Porém, não é todo cloreto incorporado ao concreto que causa a corrosão nas armaduras. O perigo encontra-se nos cloretos que não estão sob a forma combinada com o C3A do cimento, ou seja, os cloretos livres que ficam na água dos poros do concreto são os que causarão a corrosão. Portanto, o tipo de cimento utilizado no concreto exerce grande influência no que tange ao tipo de agressão a que serão expostas as armaduras da estrutura de concreto. Apesar do cimento Portland ser um material mundialmente conhecido, ainda existem lacunas no conhecimento do seu comportamento ao longo de tempo, principalmente quanto à previsão da durabilidade dos concretos. Pouco se sabe sobre o comportamento dos produtos hidratados dos diferentes tipos de cimento Portland em interação com o meio ambiente. Assim, reúnem-se nesta pesquisa dois pontos estratégicos para a realização de trabalhos na área de durabilidade das estruturas de concreto armado. Por um lado tem-se o cloreto como agente causador da corrosão no aço e, por outro lado, a avaliação, pela técnica de aspersão de nitrato de prata, da capacidade dos vários tipos de cimento Portland em combinar cloretos livres. O método de aspersão do nitrato de prata para verificar a presença e a profundidade de penetração dos cloretos no concreto tem sido empregado por alguns autores. Porém, cabe salientar que os resultados obtidos podem ser 4 questionados uma vez que ainda não se conhece a influência da composição do cimento e da carbonatação sobre os resultados do método. OTSUKI et al. (1992) fizeram uma avaliação do método de aspersão para medida de penetração de cloretos em materiais de matrizes cimentíceas. COLLEPARDI (1997), dentre outros pesquisadores, empregou o método colorimétrico para determinar o teor mínimo de cloretos livres que pode ser detectado pela solução de nitrato de prata, assim como, o tempo necessário para que os cloretos livres sejam transformados em cloretos combinados. O autor também aborda a difusão dos cloretos nas amostras deconcreto expostas permanentemente à solução aquosa de cloretos e a profundidade penetrada pelos íons cloreto nas estruturas de concreto, descontinuamente expostas à solução aquosa de cloretos e/ou ao ar com dióxido de carbono. COUTINHO (2000) utilizou o método de aspersão de nitrato de prata para verificar o efeito do uso da cinza de casca de arroz sobre a permeabilidade do concreto e a sua eficiência para reduzir o ingresso de cloretos nesse material. No que se refere à inspeção de estruturas contaminadas por cloretos, reside uma das maiores aplicações práticas e importantes do método estudado neste trabalho, como se evidencia a seguir. Para se quantificar o teor de cloretos existente em uma estrutura ou corpo-de-prova de concreto há inúmeros e complexos métodos analíticos, onerosos e demorados. Porém estes métodos estão, atualmente, sendo postos à prova uma vez que para amostras confeccionadas com o mesmo traço e teor de cloreto incorporado à massa, quando enviados a diferentes laboratórios apontam resultados distintos (INTERLABORATORIAL, 1999). Isto tem deixado tecnologistas, construtores, consultores técnicos e pesquisadores em estado de alerta. Surge, então, a necessidade de um método simples, rápido e que permita conhecer o risco ou não de corrosão nas correntes estruturas. O método, originalmente normalizado pela UNI, em 1978, sob o título 5 Calcestruzzo: determinazione della penetrabilità dello ione cloruro, é um método colorimétrico, semelhante ao método de aspersão de fenolftaleína e timolftaleína sobre a superfície do concreto para determinar qual a profundidade de carbonatação, no qual determina-se a profundidade de penetração da frente de cloretos livres através do concreto. A avaliação do método em questão, aspersão de solução de nitrato de prata, vem a ser de grande relevância ao meio técnico por ser um método de fácil aplicação, rápido e barato. 1.2. Objetivos do trabalho Como objetivo geral deste trabalho tem-se a realização de uma revisão bibliográfica específica sobre o tema e a divulgação e do método de aspersão de nitrato de prata para detecção de cloretos, o qual ainda é pouco conhecido e usado pelo meio técnico nacional. O objetivo específico é avaliar a eficiência do método de aspersão de nitrato de prata sobre matrizes de concreto confeccionadas com diferentes cimentos Portland e diferentes teores de cloreto. Em outras palavras, deseja-se saber qual teor de cloretos, associado a cada um dos cinco tipos de cimento disponíveis no mercado nacional, será responsável pela mudança de coloração da solução de AgNO3 na superfície do concreto, indicando a presença de cloretos livres. Como objetivo complementar da pesquisa, também relevante ao estudo de durabilidade das estruturas, pretende-se avaliar o tempo de iniciação e a velocidade de propagação da corrosão de armaduras embebidas em concretos feitos com diferentes matrizes de cimento Portland e diferentes teores de cloretos, através das técnicas de Potencial de corrosão e de Resistência de Polarização. 6 1.3. Estrutura do trabalho O Capítulo 1 desta dissertação teve o objetivo de mostrar uma visão geral do mecanismo de corrosão induzida por cloretos, assim como trazer ao leitor uma idéia do quão prático pode ser o método de aspersão de nitrato de prata, se comparado a outros métodos de avaliação da presença de cloretos. O Capítulo 2, trata, principalmente, dos conceitos básicos da corrosão induzida por cloretos. Neste capítulo também é apresentada uma breve compilação dos principais fatores que influenciam a corrosão por cloretos, tais como o tipo de cimento, tipo de aço, temperatura e cobrimento. A principal intenção deste capítulo é dar embasamento ao leitor para propiciar uma melhor compreensão do programa experimental e seus resultados. Métodos de avaliação da presença de cloretos em concreto e argamassa é o título do Capítulo 3, no qual apresentam-se algumas das mais conhecidas metodologias, em nível mundial, para a avaliação dos cloretos em estruturas de concreto. Este capítulo discute as facilidades e dificuldades de cada método. A metodologia utilizada no programa experimental é apresentada no Capítulo 4, incluindo a descrição dos materiais, métodos e dos corpos-de-prova utilizados na presente pesquisa. No Capítulo 5 são apresentados os resultados da pesquisa, bem como uma discussão dos mesmos. Nesse capítulo faz-se uma comparação entre os resultados do método de aspersão da solução de nitrato de prata com as medidas eletroquímicas realizadas através do GECOR 6, conhecido por ser um instrumento mundialmente empregado em estimativas ou detecção da corrosão de armaduras das estruturas de concreto. As considerações finais, assim como sugestões para futuras pesquisas são apresentadas no Capítulo 6. As referências bibliográficas consideradas, pela autora, importantes para o desenvolvimento da pesquisa, encontram-se relacionadas ao final do trabalho. 2. CAPÍTULO 2 MECANISMO DA CORROSÃO INDUZIDA POR CLORETOS Atualmente, muitos pesquisadores têm dedicado boa parte de seus estudos à área de Durabilidade das Estruturas de Concreto. Isto se explica pelos inúmeros problemas que vêm ocorrendo nessas estruturas. A grande relevância destes estudos está, primeiramente, em saber de que maneira os danos evoluem. Em seguida, além de divulgar as manifestações patológicas mais preponderantes ao meio técnico, deve-se ter o cuidado de compará-las a outras manifestações do mesmo tipo, porém, observando sempre as condições de contorno. Existem vários trabalhos publicados, mundialmente, a respeito da ocorrência de manifestações patológicas em estruturas de concreto armado, trabalhos estes que servem de embasamento para diagnosticar os danos ocorridos, assim como para alertar o meio técnico sobre as manifestações patológicas mais incidentes. As manifestações patológicas que ocorrem nas obras de engenharia civil têm inúmeras causas. Tanto o macroclima (zona urbana, rural, ...), quanto o microclima (ambientes internos ou externos e respectivos teores de umidade no concreto) influenciam estas manifestações patológicas. A seguir, encontra- se descrito um breve apanhado sobre a ocorrência de algumas manifestações patológicas observadas em algumas localidades brasileiras. Em um levantamento sobre as manifestações patológicas mais incidentes no Estado do Rio Grande do Sul, DAL MOLIN (1988) observou que em função da gravidade do problema, naquela região, a corrosão de 8 40% 30% 11% 5% 1% 13% Corrosão de armaduras Sobrecarga Recalque de fundação Retração por secagem Gradiente térmico Detalhe construtivo 64% 16% 1% 2% 2% 8% 5% 2% Corrosão de armaduras Problemas estruturais Infiltrações Desagregação do concreto Recalque Diferencial Outros Detalhes construtivos Ataque químico armaduras representava 40% das ocorrências, como pode ser observado na Figura 2. 1. Figura 2. 1 - Incidência de manifestações patológicas em estruturas de concreto armado no Rio Grande do Sul em função da origem ou causa dos problemas (DAL MOLIN, 1988). Em Pernambuco, ANDRADE (1997) realizou uma extensa pesquisa em obras de concreto armado convencional. Porém, cabe ressaltar que a maioria das edificações estudadas localizava-se sob ação de névoa salina. Nesta pesquisa notou-se dados alarmantes de corrosão de armaduras, chegando a 64% das manifestações patológicas observadas nas edificações, como consta na Figura 2. 2. Figura 2. 2 - Incidência de manifestações patológicas em estruturas de concreto no Estado de Pernambuco (ANDRADE, 1997). 9 ARANHA (1994), em levantamento estatístico dos danos em estruturas de concreto armado na Região Amazônica observou que acorrosão de armaduras era a manifestação patológica mais incidente, chegando a 46% do total das manifestações patológicas. As distribuições destas manifestações podem ser visualizadas na Figura 2. 3. Figura 2. 3 - Incidência das manifestações patológicas na Região Amazônica (ARANHA, 1994). De acordo com os dados das Figura 2. 1, Figura 2. 2 e Figura 2. 3, observa-se que em todas as regiões brasileiras, assim como em todo o mundo, as manifestações patológicas nas estruturas de concreto são muito evidentes. Explicam-se, portanto, as inúmeras pesquisas na área de durabilidade das estruturas de concreto armado e, mais especificamente, da sub-área corrosão das armaduras, uma vez que esta é a manifestação que mais atinge as estruturas de concreto armado. Em países como o Japão o governo chegou a preparar um manual de reparo das estruturas públicas de concreto atacadas pelos íons cloreto, uma vez que inúmeras pontes de concreto apresentaram sérios problemas de corrosão de armaduras, tais como fissuras e desplacamento do concreto, principalmente quando estas estruturas eram localizadas próximas a áreas costeiras (FUJIWARA et al.,1990). 46% 12% 5% 2% 2% 2% 10% 8% 4% 9% Corrosão de armaduras Sobrecarga Infiltrações Desagregação do concreto Recalque Diferencial Retração Movimento térmico Segregação do concreto Eletrodutos Outros 10 A corrosão de armaduras é um fenômeno patológico que tem como principal agravante a redução da seção da barra e a perda da sua aderência ao concreto, além de fissuração e posterior desplacamento do cobrimento em conseqüência da formação dos produtos de corrosão. Este assunto merece atenção especial uma vez que a corrosão das armaduras pode ter como conseqüência desde pequenas fissuras no concreto, até a redução da capacidade portante de peças estruturais, podendo chegar à sua ruptura. O caso de ataque por cloretos é ainda mais nocivo, por gerar ataques por pite ao aço. 2.1. Conceitos básicos sobre corrosão Para melhor entendimento do fenômeno da corrosão serão abordados a seguir alguns conceitos básicos. 2.1.1. Definição Inúmeros autores definiram a corrosão de armaduras. As definições que julgam-se importantes para este trabalho serão descritas a seguir. A corrosão de armaduras foi definida por GENTIL (1983) como a deterioração de um material, geralmente metálico, através de ação química ou eletroquímica do meio ambiente aliada ou não a esforços mecânicos. Esta deterioração relatada por GENTIL (1983) representa toda e qualquer alteração prejudicial e indesejável, sofrida pelo material, tal como desgaste, variações químicas ou modificações estruturais. ANDRADE (1992) define a corrosão de armaduras como o processo inverso ao siderúrgico, no qual o metal volta ao seu estado natural, ocorrendo uma redução em sua energia de GIBBS. Em outras palavras, este processo 11 corresponde ao fenômeno conhecido como oxidação, que é conhecido como corrosão e representa a destruição paulatina do metal. PANOSSIAN (1993) define a corrosão como a transformação de um metal em um íon metálico através de interações químicas ou eletroquímicas com o meio em que está inserido. Todos os autores concordam que a corrosão de armaduras no concreto armado se dá pela destruição da película passivadora. A película passivadora pode ser descrita como uma camada invisível de óxidos (γ-Fe2O3) que se forma após o início da hidratação do cimento e que se encontra firmemente aderida ao aço. De acordo com FIGUEIREDO (1994), HELENE (1993), ANDRADE (1992), esta passividade, gerada pelo filme de óxidos, é uma barreira que dificulta a ocorrência da corrosão. A passividade metálica, essencialmente, refere-se à baixa reatividade química praticada por certos metais, expostos a certas condições ambientes. Em outras palavras, certos metais e ligas podem tornar-se inertes, como se fossem metais nobres, tais como a platina e o ouro. 2.1.2. Classificação A corrosão de armaduras é classificada segundo sua natureza em química ou corrosão seca e eletroquímica ou aquosa. A corrosão de natureza química acontece através da reação gás metal, onde ocorre a formação de uma película de óxidos. Este processo é conhecido por ser lento, exceto quando o gás que entra em contato com o metal é muito agressivo. Já a corrosão de natureza eletroquímica só ocorre em meio aquoso, como formação de uma pilha de corrosão, com eletrólito que é formado a partir da umidade de equilíbrio ou que ingressa no concreto, onde ocorre diferença de potencial em determinados trechos da superfície do aço. É este tipo de corrosão que traz problemas às obras de construção civil. 12 De acordo com a morfologia, a corrosão de armaduras pode ser classificada em: corrosão generalizada, corrosão por pite e corrosão sob tensão. A Figura 2. 4 apresenta um esquema no qual pode-se visualizar a morfologia da corrosão de armaduras. CARBONATAÇÃOCLORETOSTENSÃO LOCALIZADA GENERALIZADA Figura 2. 4 - Classificação da corrosão de armaduras de acordo com a morfologia. A corrosão generalizada, como seu próprio nome sugere, ocorre de maneira generalizada na superfície do aço, podendo ser uniforme ou não, apresentando superfície rugosa e irregular. A corrosão por pite ou corrosão puntiforme é uma corrosão localizada pontualmente, onde pode-se observar pontos de desgastes na superfície do metal que evoluem aprofundando-se. A corrosão sob tensão também é uma corrosão localizada, porém ela ocorre simultânea com uma tensão de tração na armadura, podendo ocorrer a propagação da fissura no aço. Importante lembrar que existem fatores que são causadores de corrosão no aço, como por exemplo, a ação de bactérias (corrosão microbiológica). Porém, este tipo de corrosão não será tratado nesta pesquisa. Existem ambientes agressivos e/ou substâncias que podem causar a corrosão das armaduras no concreto. 13 Pode-se dizer que são duas as principais causas que podem destruir a capa passivante de óxidos do aço e ocasionar a corrosão do mesmo: - Presença de um teor suficiente de cloretos ou outros íons despassivantes em contato com a armadura; - A diminuição da alcalinidade da solução dos poros do concreto por carbonatação ou reação com ácidos provenientes do meio. 2.1.2.1. Teor limite de cloretos O teor de cloretos que pode vir a despassivar a película de óxidos da armadura ainda é motivo de controvérsia no meio técnico. Sabe-se que este teor limite é função do tipo de cimento (C3A e C4AF), teor de cimento, relação água/cimento (a/c), porosidade do concreto, umidade e temperatura dentre outros aspectos. Por este motivo, cada instituição normalizadora adota um valor limite que deve ser condizente com a realidade de cada região. Ainda que sejam os cloretos solúveis em água os únicos que podem provocar a corrosão, é conveniente determinar os cloretos totais também, pois parte dos combinados pode vir a ficar disponível para reações deletérias devido a fenômenos tais como a carbonatação ou elevação da temperatura (ANDRADE, 1992). RODRIGUES (1994) afirma que o risco da corrosão aumenta à medida que a quantidade de cloretos cresce, ou seja, quando o teor de cloretos, ao nível das armaduras, excede um teor limite há então o desencadeamento do processo corrosivo. Na Tabela 2. 1 é apresentada uma breve compilação das principais normas mundiais em relação ao teor máximo de cloretos permitidos no concreto sem que haja prejuízos às armaduras. 14 Tabela 2. 1 - Teor limite de cloretos NORMA PAÍS ANO TEOR DE CLORETOS RECOMENDADO ≤ 0,15% em relação ao peso de cimento, em ambiente com cloretos ≤ 0,3% em relação ao peso de cimento, em ambiente normal ≤ 1% em relação ao peso de cimento, em ambiente seco ACI 318R-21USA 2001 ≤ 0,06% em relação ao peso de cimento (concreto protendido) CEB Europa 1991 ENV 206 Portugal 1991 BS 8110: 1 Inglaterra 1985 0,40% em relação ao peso de cimento JCSE-SP2 Japão 1986 ≤ 0,60 Kg/m3 em relação a 1 m3 de concreto NBR 6118 Brasil 1978 500 mg/l em relação à água de amassamento NBR 6118 Brasil (em revisão) 2002 Não se reporta ao teor de cloretos Pode-se verificar na Tabela 2. 1 que o teor limite de cloretos não é definido de maneira generalizada para os diversos países, assim como não são iguais as condições técnicas e ambientais dos mesmos. Porém, é consenso entre os pesquisadores que o principal fator controlador da despassivação das armaduras é a relação Cl-/OH-. 2.2. Penetração dos cloretos Os íons cloreto podem penetrar no concreto devido ao uso de sais de degelo, contato com a água do mar, atmosfera industrial e ambiente marinho, dentre outras maneiras. HELENE (1993) afirma que os cloretos potencialmente agressivos são aqueles que se encontram dissolvidos em água, uma vez que como cristal sólido não penetra na porosidade do concreto. Porém, como sólidos, os cristais de cloretos podem se depositar na superfície do concreto até que uma chuva os dissolva e os transporte ao interior do concreto. 15 Os mecanismos de ingresso e transporte dos íons cloreto nas estruturas de concreto, se dão pelos poros ou fissuras no concreto e são dos seguintes tipos: absorção capilar, permeabilidade, migração iônica e difusão iônica. A seguir consta uma breve descrição de cada mecanismo. 2.2.1. Absorção capilar O concreto pode absorver soluções líquidas que contenham íons cloreto advindos de sais dissolvidos. O fenômeno da absorção capilar se dá através do contato entre o concreto e o líquido que adentra no concreto através de tensões capilares. A absorção capilar se dá através da rede de poros do concreto, mais precisamente dos poros interconectados do concreto, porém ela também depende de características do líquido como viscosidade e tensão superficial, entre outras palavras pode-se dizer que quanto mais viscoso o líquido em contato com o concreto, maior dificuldade ele encontrará de penetrar através dos poros e quanto maior a tensão superficial do líquido nos poros maior será a profundidade alcançada pelo líquido. De acordo com BROOMFIELD (1997), assim como a carbonatação, o ingresso de cloretos é um processo, por vezes, aproximado das leis da difusão. No entanto, o mecanismo inicial se dá por sucção, especialmente quando a superfície do concreto encontra-se seca e é molhada. 2.2.2. Permeabilidade A permeabilidade do concreto pode ser entendida como a facilidade que certa substância o atravessa, sob efeito de pressão. A permeabilidade depende diretamente da estrutura de poros da pasta. Quanto menos porosa a pasta, baixa relação água/cimento, menos permeável será o concreto. 16 Os íons cloreto podem adentrar no concreto por permeabilidade de algum líquido que o contenha, por pressão hidráulica, porém esta é uma maneira muito difícil de acontecer quando comparada, por exemplo, à absorção capilar. A permeabilidade à água das pastas de cimento Portland depende das características do sistema de poros. O coeficiente de permeabilidade varia com a relação a/c e com a idade da pasta de cimento (OLLIVIER, 1998). Teoricamente, a introdução de partículas de agregado com baixa permeabilidade em uma pasta de cimento deveria diminuir a permeabilidade do sistema (especialmente em pastas com alta relação água/cimento nos estágios iniciais quando a porosidade capilar é alta) porque as partículas de agregado deveriam interceptar os canais de fluxo dentro da matriz da pasta de cimento MEHTA & MONTEIRO (1994). No entanto, os referidos autores admitem que quando compara-se a permeabilidade de argamassas ou concretos à permeabilidade de pasta de cimento, a última é menor, tendo em vista a inexistência de microfissuração na zona de transição, que pode ocorrer na interface com os agregados. 2.2.3. Migração iônica A migração iônica ocorre porque campos elétricos promovem a migração dos íons cloreto, uma vez que os mesmos possuem carga elétrica negativa. No concreto, geralmente, o campo elétrico é gerado pela corrente elétrica do processo eletroquímico. Porém o campo pode ser gerado quando se utiliza a técnica de proteção catódica. GJ∅RV (1996) revela que um concreto durável deve possuir um sistema estável com baixa mobilidade iônica e baixa permeabilidade. O autor afirma ainda que os testes de migração de cloreto são bases rápidas e apropriadas, não só para avaliação de resistência concreta contra penetração 17 de cloreto, mas também para uma avaliação mais geral de mobilidade de íon e permeabilidade do sistema. 2.2.4. Difusão iônica A difusão iônica se dá entre regiões do concreto onde exista diferença de concentração de substâncias não combinadas ou livres, tais como umidade ou ambos tipos de íons. Os íons cloreto se movimentam através da água contida nos poros do concreto. Porém a difusão dos íons só ocorre porque há gradientes de concentração iônica entre o ambiente e o concreto ou entre região mais interna e outra mais externa do concreto. Entre outras palavras, a diferença de concentração de cloretos promove seu movimento, em um processo que visa o equilíbrio da sua concentração. OLLIVIER (1998) explica que a absorção capilar e permeabilidade podem, em certos casos, ter importância significante. No entanto, estudos indicam que o os cloretos são transportados através do concreto, principalmente, pela rede de poros e microfissuras através da difusão. Existe uma modelagem para a difusão dos cloretos feita através das duas leis de Fick. A Primeira Lei de Fick diz respeito à difusão em estado estacionário (HELENE, 1993): Cl ClS e CDefQ δ δ ⋅−= (1) onde: QS = fluxo de íons na direção x; DefCl = coeficiente efetivo de difusão, também chamado de difusividade; δC/δeCl = gradiente de concentração; C = concentração de íons na solução; eCl = profundidade considerada. 18 O coeficiente efetivo de difusão depende da natureza do material através do qual ocorre a difusão e da natureza do líquido que se difunde. A Segunda Lei de Fick diz respeito ao estado não estacionário e é escrita em função do tempo de exposição aos cloretos: ⋅⋅= Cl Cl Cl Cl Cl e Ce Def et Ce δ δ δ δ δ δ (2) HASSON & BERKE (1998), apud HELENE (1993) relatam que o coeficiente efetivo de difusão pode variar de 2.10-13 a 100.10-13 em concretos e argamassas, em outras palavras, ele pode variar até 50 vezes, dependendo do aglomerante. Na grande maioria dos casos, os mecanismos de transporte dos cloretos presentes no concreto ocorrem por absorção capilar e por difusão iônica. A absorção se dá na camada mais superficial do concreto, geralmente onde ocorre a molhagem e secagem do cobrimento pela ação das intempéries; no interior do concreto onde a presença do eletrólito é mais constante, tem-se basicamente a difusão. A corrosão induzida por cloretos traz sérias implicações para as estruturas em uso, principalmente para as estruturas submetidas à flexão, uma vez que seus produtos de corrosão modificam as características geométricas das nervuras podendo ocorrer o deslizamento da barra em relação ao concreto. Estudos científicos como o realizado por ISA & HELENE (1999) comprovam a afirmação acima. 2.3. Fatores que exercem influência na corrosão por cloretos Os fatores principais e que determinam ou influenciam a ação dos cloretos sobre a corrosão das armaduras das estruturas de concreto são: o tipo de cimento, o tipo de aço, a temperatura, o cobrimento e a carbonatação. 19 2.3.1. Tipo de cimento Os diferentes tipos de cimentoapresentam variação de suas composições e finura, contribuindo de forma diferente na capacidade de proteção à armadura. A começar, o tipo de cimento empregado na execução do concreto pode exercer influência sobre o processo da corrosão, em decorrência do seu teor original de C3A e C4AF, que são os compostos capazes de fixar os cloretos. PAGE et al. (1986) dizem que a quantidade de C3A do cimento tem influência na iniciação da corrosão pelos cloretos, visto que este componente do cimento é responsável pela formação do cloroaluminato de cálcio hidratado, também conhecido como Sal de Friedel, o qual, ao fixar os íons cloreto, contribui para a diminuição da concentração de cloretos livres na solução contida nos poros do concreto. SCHIESSL (1987) afirma que concretos com cimento Portland com pouco C3A são, particularmente, desfavoráveis no que tange à difusão dos íons cloretos, pois tem uma baixa capacidade de fixação de cloretos se comparado a concretos feitos com cimento Portland comum ou cimentos com adições. PAGE (1991), afirma que um dos aspectos que impedem o processo da despassivação da armadura é a capacidade que certos cimentos, contendo escória ou pozolana, têm em restringir a mobilidade dos íons dentro da matriz do concreto, e conferir relativa durabilidade às armaduras de concretos expostos a ambientes com cloretos. Isto ocorre porque estes cimentos podem reduzir substancialmente a permeabilidade do concreto, aumentando, conseqüentemente, a resistividade elétrica, especialmente se houver possibilidade de redução da relação água/cimento. A escória possui um teor de aluminatos superior em relação ao clínquer, sendo que, deste modo, o cimento com escória apresenta capacidade 20 de fixação de cloretos potencialmente superior, em relação ao cimento sem adição de escória (BAUER & HELENE, 1996). GJØRV et al. (1976) provaram que o uso de 9% de sílica ativa em relação à massa de cimento, reduz a difusividade dos cloretos em 1/5. LI; ROY; MARUSIN apud NEVILLE (1997), utilizaram concretos feitos com cimento Portland misturado com escória de alto-forno, sílica ativa ou cinza volante e observaram que a difusão dos íons cloreto é dificultada pelo efeito de diminuição do tamanho dos poros. BAUER & HELENE (1996) afirmam que a importância da fase C3A na capacidade de fixação dos íons cloreto reside no fato da reação pertinente, na qual há formação dos cloroaluminatos de cálcio e que fixa quimicamente os cloretos. No entanto, TAYLOR (1990) afirma que esta fixação com o C3A pode ser reduzida em presença de sulfatos, devido à formação preferencial do monosulfato (etringita) ou mesmo pela carbonatação. TESSARI & DAL MOLIN (1998) estudaram cinco tipos de cimento (CP II-E, CP II-F, CP IV, CP V-ARI, CP V-ARI-RS), com e sem adição, e cinco relações água/aglomerante. Os resultados obtidos mostraram que os cimentos CP IV-Z, CP V-ARI e CP V-ARI-RS foram os que apresentaram melhores resultados quanto ao controle da iniciação da corrosão por cloretos. MONTEIRO et al. (1999), em pesquisa sobre a influência do tipo de cimento na penetração dos cloretos, na qual utilizaram CP II-F, CP II-Z e CP V, constataram que para relações a/c elevadas o tipo de cimento deixa de ser preponderante. Quanto ao desenvolvimento da corrosão induzida por cloretos, Al- MOUDI et al. (1992), apud MONTEIRO & NEPOMUCENO (1997), constataram que os cimentos com adição de escória e sílica ativa apresentaram melhores desempenhos que os demais cimentos normalizados pela ABNT. REGATTIERI 21 et al. (1999) observaram o efeito das adições na redução da penetração de cloretos em concretos feitos com CP I-S-32, CP III-32 e CP IV-32, conclundo que destes cimentos o que apresentou melhor desempenho frente à penetração de cloretos foi o CP IV-32. BAUER (1995), apud MONTEIRO & NEPOMUCENO (1997), observou em seu estudo que 24% de adição de escória de alto forno ao cimento foi eficiente à fixação de cloretos, em decorrência da relação a/c menor que 0,5. GASTALDINI & ISAIA (2000) comprovaram experimentalmente que a substituição parcial do cimento por escória de alto-forno e pozolanas chegou a reduzir, em seu estudo sobre misturas ternárias, de 1,88 a 12,5 vezes a penetração dos cloretos em relação à mistura de referência feita com 100% de CP V-ARI. Apesar de não serem usuais os estudos com o cimento Portland comum, até mesmo pela dificuldade de fabricação do mesmo, muitos dos autores citados neste item reportam-se a este tipo de cimento, com maior teor de C3A, como o que representa a melhor barreira aos ataque por cloretos. Como se pode observar, o uso de adições minerais ao cimento é benéfico quando se trata de impedir a entrada da frente de cloretos. Em outras palavras, os cimentos compostos apresentam desempenho aceitável quando se trata de impedir a difusão dos cloretos na matriz do concreto. Porém, sabe- se que isto só é verdade quando os corpos-de-prova ou estruturas analisados já possuem certa idade. OLLIVIER (1998) relata sobre os aspectos da interação dos cloretos com a pasta de cimento hidratado. Esta interação pode ser de natureza química e física. Em outras palavras, os cloretos reagem com as fases aluminato não hidratadas ou ficaram adsorvidos nos silicatos de cálcio hidratados. 22 2.3.1.1. Resistividade elétrica A resistividade elétrica é uma propriedade do concreto que, combinada ao acesso de oxigênio às armaduras, controla o processo eletroquímico conhecido por gerar o fenômeno da corrosão das armaduras. Para a determinação da resistividade elétrica do concreto, geralmente, utiliza-se o método normalizado pela ASTM G 57 conhecido como: método dos quatro pontos ou método dos quatro eletrodos ou ainda, método de Wenner. De acordo com trabalhos experimentais de ABREU (1997), as adições minerais proporcionam incrementos de resistência mecânica, além de maior resistividade elétrica. No entanto, a autora alia o desempenho satisfatório dos concretos ao conjunto de propriedades físico-mecânicas e químicas e, da interação destas propriedades com o meio. O funcionamento do eletrodo de Wenner (Figura 2. 5) é simples de ser entendido: nos eletrodos internos é aplicada uma diferença de potencial que gera uma corrente elétrica entre os eletrodos extremos. A resistividade elétrica é calculada através da equação (3): I Va⋅⋅= πρ 2 (3) onde: p = resistividade elétrica do concreto (ohm.cm); a = espaçamento entre os eletrodos (cm); V = voltagem (V); I = corrente (A). 23 Figura 2. 5 – Esquema de funcionamento do eletrodo Wenner (ANDRADE ,1992) A avaliação da resistividade elétrica do concreto, geralmente é realizada através dos critérios do Comite Euro-internacional du Beton (CEB 192): Tabela 2. 2 – Critérios para avaliação da resistividade do concreto – CEB 192. Resistividade do concreto (kohm.cm) Indicação da probabilidade de corrosão das barras > 20 Desprezível 10 a 20 Baixa 5 a 10 Alta < 5 Muito alta Em trabalho produzido por WOLF (1991), foram avaliados os efeitos da adição de sílica ativa no desempenho do concreto, através de ensaios de corrosão acelerada e medidas da perda de massa gravimétrica. Neste trabalho variou-se o teor de sílica ativa entre 0 e 20%, a relação água/cimento entre 0,30 e 0,80 e o tempo de exposição com corrente impressa entre 0 a 28 dias. Como resultado, este pesquisador afirma que o aumento da resistividade elétrica do concreto e a diminuição do coeficiente de difusão do oxigênio 24 contribuiriam para compensar a diminuição do pH, como conseqüência do uso da sílica ativa, limitando a ocorrência da corrosão induzida por cloretos. PREECE et al. (1986), apud RODRIGUES (1994), falam do efeito benéfico das pozolanasnos concretos, onde a penetração dos cloretos inclui o aumento da resistividade elétrica do concreto e a diminuição do tamanho dos poros. 2.3.1.2. Fixação de cloretos O concreto deve proporcionar à armadura proteção física e química para que a mesma tenha durabilidade. A barreira física, também conhecida como cobrimento, será discutida no item 2.3.4. Todavia, a barreira química é dada pela fase da solução existente nos poros do concreto, que deve ser alcalina, para proporcionar a formação do chamado filme passivante sobre a armadura. Qualquer defeito causado neste filme passivante, por carbonatação ou pela presença de quantidade significante de íons cloretos, pode estimular a corrosão. Os íons cloreto fixam-se principalmente pela reação com o C3A, formando os cloroaluminatos de cálcio hidratado (3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O), também conhecido como Sal de Friedel. Porém, também ocorre um outro tipo de fixação que ocorre por reação com o C4AF e neste caso, formam-se os cloroferratos de cálcio hidratado (3CaO.Fe2O3.CaCl2.10H2O). OLLIVIER (1998) afirma que a fixação dos cloretos é diretamente influenciada por vários parâmetros, como: - Concentração de cloretos livres na solução dos poros; - Teor de aglomerante; - Área específica da pasta de cimento hidratado. 25 Atualmente, existem algumas técnicas para fixar os cloretos no concreto, ou seja, de não deixá-los de maneira livre para causar corrosão. Uma destas técnicas é o uso de óxido de alumínio como aditivo ao concreto. THANGAVEL et al. (2000) usaram 5%, 10% e 15 % de óxido de alumínio (Al2O3) por peso de cimento em concreto feito com a/c de 0,6, 3% de cloreto de sódio por peso de cimento em todos os corpos-de-prova. Pode-se observar que características como a alcalinidade do concreto, aos 28 dias, não foi afetada pela adição do Al2O3, apresentando valores 12,4, 12,3 e 12,3 para 0%, 15% e 15% (após 28 dias de cura) de Al2O3, respectivamente. Ainda pode- se observar, aos 21 dias, redução de 11,6% do nível de cloretos livres quando se utilizava 15% de Al2O3 por peso de cimento Os resultados observados por THANGAVEL et al. (2000) na redução dos cloretos livres ocorreram porque o óxido de alumínio combina com o hidróxido de cálcio, formando os cloroaluminatos. SANDBERG (1999) em estudo sobre a combinação de cloretos em concretos expostos em ambiente marinho, construiu lajes de concreto de 100 cm de comprimento, 70 cm de largura, 10 cm de espessura de cobrimento e a/c de 0,45, 0,50 e 0,75. Estas lajes foram curadas por 10 dias e então as superfícies inferiores das mesmas foram mergulhadas no mar. Os resultados mostraram que há uma relação quase linear entre cloretos livres e totais nas amostras de concreto expostas, isto implica que a Segunda Lei de Fick da difusão, baseada em fixação linear de cloretos pode ser usada para simples prognósticos de ingresso de cloretos no concreto. 2.3.2. Tipo de Aço O tipo de aço utilizado como armadura no concreto exerce certa influência sobre a corrosão. SILVA et al. (1995), afirmam que aços que 26 possuem maior entropia, classe B, possuem maior vulnerabilidade ao desenvolvimento de processos corrosivos. Em pesquisa realizada na Universidade de Goiás por SILVA et al. (1995), para saber qual a susceptibilidade dos aços CA-25A, CA-50A e CA- 60B, na qual foram utilizados cimentos Portland tipo CP II-F-32 e CP III-32, relações água/cimento de 0,40, 0,65 e 1,10, cobrimento de 2,5 cm e 4% de teor de aditivo à base de CaCl2, pode-se observar que independente das variáveis empregadas no estudo, o aço CA-60B apresentou maiores perdas de massa, o que significa que o mesmo teve o pior desempenho em relação à corrosão. O aço que teve menores perdas de massa, em todos os casos, foi o aço CA-25A. 2.3.3. Temperatura A temperatura tem papel muito importante na corrosão induzida por cloretos, uma vez que promove uma elevação na mobilidade dos íons cloreto, aumentando desta forma a velocidade de corrosão do aço. AL-KHAJA (1997) em pesquisa realizada para saber qual a influência da temperatura na penetração de cloretos em concreto convencional e concreto de alto desempenho utilizou, nos dois tipos de concreto, cimento Portland Comum (de acordo com a BS 12:1991 e BS 4027:1991) e cimento Portland resistente a sulfato. O concreto convencional tinha resistência de 40,2 e 42,9 MPa e o concreto de alto desempenho 68,3 e 71,2 MPa. As relações a/c para ambos os concretos foram 0,48 e 0,39. Os corpos-de-prova utilizados foram cilindros de 150 mm de diâmetro e 300 mm de altura que foram capeadas no topo e base com uma pintura epóxi e então expostos à solução de 5% de NaCl a 20°C e 45°C. O pesquisador pôde observar que independente do tipo de concreto, quanto maior a temperatura maior era o teor de cloretos encontrado nos corpos-de-prova. Também concluiu que o efeito da temperatura no ingresso de cloretos é maior no concreto convencional que no concreto de alto desempenho. 27 NEVILLE (1997) concorda que quando ocorre aumento da temperatura do concreto o teor de cloretos livres na água dos poros também aumenta. Isto pode ser mais bem evidenciado nos casos onde são empregados altos teores de C3A, como o ilustrado na Figura 2. 6. 0 20 40 60 80 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Teor de C3A no cimento (%) T eo r de c lo re to s l iv re s ( % ) 70ºC 20ºC Figura 2. 6 - Teor de cloretos livres em relação à massa de cimento em relação ao teor de C3A, a 20oC e 70oC (HUSSAIN & RASHEEDUZZAFAR, 1993, apud NEVILLE, 1997). 2.3.4. Cobrimento O cobrimento do concreto sobre a armadura do concreto constitui uma barreira física à entrada de agentes agressivos, umidade e oxigênio. Porém, o cobrimento também atua como barreira química gerada pelo ambiente alcalino do concreto. Este ambiente alcalino é produzido através das reações de hidratação dos silicatos de cálcio que liberam os hidróxidos de cálcio na pasta do concreto. O cobrimento das armaduras deve ter alta compacidade, teor de argamassa adequado e homogêneo, que possa gerar à armadura a proteção 28 contra os agentes agressivos, atuando desta maneira como barreira física. O pH da solução dos poros do concreto deve estar acima de 12 e em auseência de íons cloreto, de acordo com MEHTA & MONTEIRO (1994), para que se possa dizer que a armadura encontra-se passivada, cumprindo desta forma o caráter químico. De acordo com NEVILLE (1997), a prevenção da corrosão induzida por cloretos pode ser realizada através do controle da entrada destes íons pela espessura do cobrimento, isto é, pela diminuição da permeabilidade do concreto de cobrimento. A atual norma em vigor, NBR 6118 (ABNT, 1978), “Projeto e execução de obras em concreto armado” (em revisão), recomenda a espessura do cobrimento em função do ambiente em que a edificação está inserida, porém, a mesma esquece de relatar sobre a qualidade do concreto. A revisão desta norma, até agora sob o título de “Projetos de Estruturas de Concreto”, nesta pesquisa chamada NBR 6118 (ABNT, 2000), leva em conta requisitos de qualidades que foram considerados em três grupos: - Grupo 1: requisitos relativos à sua capacidade resistente ou de seus elementos componentes; - Grupo 2: requisitos relativos a um bom desempenho em serviço e; - Grupo 3: requisitos relativos à sua durabilidade, sob as influências ambientais previstas. Nesta revisão, o meio técnico preocupou-se com a qualidade do concreto em relação ao ambiente em que se encontra a obra. A Tabela 2. 3 trata sobre a classe de agressividade ambiental. 29 Tabela 2. 3 - Classe de agressividade ambiental (NBR 6118/2000 - em revisão) Classe de agressividade ambiental Agressividade Risco de deterioração da estrutura I Fraca Insignificante
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