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MATERIAIS E TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM > Explicar o que é porosidade. > Identificar o impacto da porosidade na durabilidade do concreto. > Reconhecer o mecanismo de degradação do concreto. Introdução Quanto mais poros um concreto apresentar, maior será sua porosidade e, consequentemente, maior será sua permeabilidade. A permeabilidade é pro- veniente da relação água/cimento (a/c) e do grau de hidratação do cimento. Quando a relação água/cimento aumenta e o grau de hidratação é baixo, há elevação dos poros na pasta de cimento; portanto, ocorre a elevação da per- meabilidade do concreto. Neste capítulo, você vai conhecer o conceito de porosidade do concreto e suas causas. Além disso, vai ver os impactos da porosidade na durabilidade do concreto. Por fim, vai estudar alguns dos principais mecanismos de degradação do concreto. Porosidade do concreto Antes de entender o que é porosidade do concreto, é preciso definir o que é cimento. O cimento (ou cimento Portland) é um material pulverulento cons- tituído de silicatos e aluminatos complexos que, ao serem misturados com Durabilidade do concreto Ronei Tiago Stein água, hidratam-se e produzem o endurecimento da massa, que então pode oferecer elevada resistência mecânica (Petrucci, 1998). Petrucci (1998) menciona que o cimento Portland resulta da moagem de um produto denominado clínquer, que é obtido pelo cozimento até a fusão de uma mistura de calcário e argila, convenientemente dosada e homogeneizada de tal forma que toda a cal se combine com os compostos argilosos. Após a queima, é feita uma pequena adição de sulfato de cálcio, de modo a que o teor de SO3 não ultrapasse 3%, a fim de regularizar o tempo de início das reações do aglomerante com a água. Já o concreto, segundo Almeida (2002, p. 3), é: Um material de construção resultante da mistura, em quantidades racionais, de aglomerante (cimento), agregados (pedra e areia) e água. Logo após a mistura, o concreto deve possuir plasticidade suficiente para as operações de manuseio, transporte e lançamento em formas, adquirindo coesão e resistência com o pas- sar do tempo, devido às reações que se processam entre aglomerante e água. Em alguns casos, são adicionados aditivos que modificam suas características físicas e químicas. Segundo Petrucci (1998), os agregados devem provir de rochas inertes, ou seja, sem ação química sobre os aglomerantes e inalteráveis ao ar, à água ou às variações de temperatura. Nonat (2014) salienta que a relação água/ cimento e a finura do cimento influenciam a taxa de evolução da resistência do concreto. Mehta e Monteiro (2014) mencionam que a resistência aos esforços mecânicos e a resistência aos agentes agressivos em relação à durabilidade do concreto são as principais propriedades vinculadas à relação água/cimento. Segundo Ribeiro e Cascudo (2020), apesar da aparente simplicidade do concreto, existem várias dificuldades em se entender os mecanismos de formação desse material, como o fato de o concreto ter uma estrutura alta- mente complexa, devido, principalmente, a uma distribuição heterogênea de muitos componentes sólidos, além de vazios. Outra dificuldade é a estrutura do concreto não ter uma propriedade estática. Além disso, ao contrário do que ocorre com materiais entregues em sua forma final, o concreto é fre- quentemente manufaturado em canteiros de obras. Durabilidade do concreto2 Para entender sobre a porosidade do concreto, é necessário discutir a microestrutura do concreto. Mehta e Monteiro (2014) descrevem que a partícula de cimento é um sólido multifásico, com uma grande quantidade de grãos de silicatos de cálcio em uma matriz de aluminatos e ferroaluminatos. Dois mecanismos de hidratação do cimento Portland são adotados; veja a seguir (Mehta; Monteiro, 2014). � Hidratação por dissolução-precipitação: ocorre a dissolução do grão anidro em meio aquoso, formando espécies químicas diversas. A dis- solução, ao atingir o nível de saturação, vai formar hidratos em solu- ção. Devido a sua baixa solubilidade, vai haver a precipitação desses hidratos, resultantes da solução supersaturada. � Hidratação topoquímica: também chamada de hidratação no estado sólido do cimento, na hidratação topoquímica as reações acontecem diretamente na superfície dos compostos de cimento anidro, sem que os compostos entrem em solução, completando-se com o tempo, desde que haja contato do cimento com a água. Entre os principais compostos resultantes da hidratação do cimento Portland destacam-se o silicato de cálcio hidratado (C-S-H), o hidróxido de cálcio (CH) e os sulfoaluminatos de cálcio, bem como partículas de clínquer não hidratadas. Como mostra a Figura 1, o mecanismo de hidratação do cimento Portland pode ser dividido em cinco etapas distintas: (I) estágio inicial ou período da mistura; (II) período de indução ou dormente; (III) período de aceleração ou início de pega; (IV) período de desaceleração ou endurecimento; e (V) estágio final, também conhecido como período de reação lenta. Mas o que seria exatamente a definição de porosidade? Segundo Silva (1991), porosidade é a propriedade que a matéria tem de não ser contínua, com espaço entre as massas, sendo obtida pela relação entre o volume de vazios e o volume de sólidos. Mehta e Monteiro (2014) descrevem que o concreto é um material naturalmente poroso, visto que não é possível preencher a totalidade dos vazios do agregado com pasta de cimento. Durabilidade do concreto 3 Figura 1. (a) Perfil da curva de evolução da hidratação de um cimento Portland típico. (b) Representação esquemática da partícula de cimento anidro e efeito da hidratação após (I) 10 minutos, (II) 10 horas, (III) 18 horas, (IV) entre 1 e 3 dias e (V) duas semanas. Fonte: (a) Adaptada de Quarcioni (2008); (b) Adaptada de Kirchheim (2008). minutos horas Tempo de hidratação dias 1º pico 2º pico 3º pico Ev ol uç ão d o ca lo r l ib er ad o Dissolução e formação da etringita Período de dormência. Saturação dos íons cálcio Formação de C–S–H e CH Conversão de etringita em monossulfato Controle de difusão A B (I) (I) (II) (II) (III) (III) Gel C3A C4AF C3S Etringita C-S-H externo C-S-H internoEtringita Monosulfato (IV) (IV) (V) (V) O desempenho do concreto é altamente dependente da estrutura e da distribuição do tamanho de poros, principalmente de sua durabilidade e de sua resistência à penetração de agentes agressivos, como os cloretos. Segundo Neville (2016), esses caminhos internos podem ser classificados da seguinte forma. � Caminho condutivo contínuo (CCP): permite a passagem de corrente elétrica. � Caminho descontínuo (DCP): devido à sua descontinuidade, não há passagem de corrente no interior do concreto. � Caminho isolante (ICP): dependendo da quantidade de água e dos produtos de hidratação no interior dos poros do concreto, pode ou não conduzir correntes. A Figura 2 ilustra a porosidade do concreto. Durabilidade do concreto4 Figura 2. Propriedades do concreto. Fonte: Adaptada de Neville (2016). DCP DCP CCP Ponto descontínuo Caminho condutivo contínuo (CCP) Caminho condutivo decontínuo (DCP) Caminho isolante (ICP) AgregadoGel ICP O volume da porosidade depende da relação água/cimento. Maiores vo- lumes de água aumentam o espaço inicial entre os grãos de cimento, ge- rando uma maior porosidade capilar e diminuindo a resistência aos agentes agressivos da pasta e do concreto. Se o conjunto da porosidade capilar está interconectado, os agentes agressivos externos penetram facilmente no material, facilitando a deterioração (Nonat, 2014). Existem diferentes tipos de poros no concreto. O Quadro 1 apresenta uma classificação dos poros quanto ao tamanho e as relações entre a porosidade e as propriedades da pasta de cimento hidratado endurecido (PCE). Durabilidade do concreto 5 Quadro 1. Classificação e características dos poros nas pastas de cimento hidratado Tipo Diâmetro Descrição Funçãoda água Proprieda- des afetadas (pasta) Ar incor- porado 1 a 0,1 mm Seção transversal esférica Livre: conduzir volumes Resistência, durabilidade Poros capilares 100 a 0,05 μm Capilares grandes Livre: conduzir volumes Resistência, permeabilidade 50 a 10 nm Capilares médios Gerar moderadas forças de tensão superficial Resistência, permeabili- dade, retração em UR elevada Poros gel 10 a 2,5 nm Capilares pequenos (gel) Gerar elevadas forças de tensão superficial Retração em UR = 50% 2,5 a 0,5 nm Microporos Fortemente adsorvida, não forma meniscos Retração, fluência < 0,5 nm Microporos intercamadas Combinada quimicamente Retração, fluência Fonte: Adaptado de Fornasier (1995). Os poros gel são os espaços vazios existentes entre os produtos da hidra- tação. Esses poros ocupam cerca de 28% do volume total do gel, variando para cada tipo de cimento, mas em grande parte são independentes da relação água/cimento da mistura e do estágio de hidratação, desde que haja água suficiente para hidratar completamente o cimento. Já os poros capilares têm tamanhos absolutos iguais aos dos grandes poros gel; suas diferenças estão somente na origem. Os poros capilares ocupam até 40% do volume da pasta, sendo de fundamental importância no estudo da durabilidade e da permeabilidade do concreto, pois possibilitam a passagem de fluidos por sua seção. Por fim, os microporos consistem nos vazios de ar incorporados acidentalmente ou não à massa de concreto, apresentando dimensões em média bem maiores do que as dos demais poros. Por confinarem bolhas de ar, eles têm forma aproximadamente esférica, não são afetados pela relação água/cimento e não são interconectados na sua formação (Fornasier, 1995). Durabilidade do concreto6 Impacto da porosidade na durabilidade do concreto Para aumentar a durabilidade do concreto, o ideal é que ele tenha poucos poros. Quanto maior for a quantidade de poros, maior será a entrada de agentes degradantes. No entanto, simplesmente utilizar cimento, areia e água não diminui a porosidade. Logo, muitas vezes utiliza-se a microssílica (sílica ativa), garantindo uma grande redução na permeabilidade, além de aumentar a resistência mecânica do concreto. Segundo Bauer (2011), os vazios apresentados pelos concretos porosos devem observar o intervalo de 15 a 25%. Esse intervalo é considerado o ideal para equalizar as características drenantes às resistências mecânicas mínimas de trabalho. Existe uma relação direta entre a porosidade e a permeabilidade; em contrapartida, há uma relação inversa com as resistências mecânicas. Leite, Girardi e Hastenpflug (2018) mencionam que a porosidade e a per- meabilidade são características fundamentais da qualidade do concreto e estão relacionadas entre si. A permeabilidade é definida como a capacidade com que o fluido pode escoar através de um sólido, e seu grau é determinado pelo tamanho e pela continuidade dos poros na estrutura do sólido. Recena (2014) ressalta que a permeabilidade e a porosidade também estão relacionadas com a resistência do concreto a ataques químicos. Um concreto que apresenta muitos poros tem maiores chances de penetração de água do meio externo. Consequentemente, esse concreto se deteriora mais rapidamente, diminuindo a sua durabilidade. Concretos muitos porosos, com índice de vazios iguais ou superiores a 25%, tendem a apresentar alta drenabilidade e baixos valores de resistência mecânica. Em contrapartida, concretos de baixa porosidade, ou seja, com índice de vazios igual ou inferior a 15%, tendem a apresentar baixos índices de permeabilidade e valores mais elevados das resistências mecânicas. Existe uma dosagem ideal, que atende às necessidades de drenagem e resiste aos esforços mecânicos solicitados em sua vida útil. Se o concreto apresentar porosidade superior a 25%, ele se torna extremamente poroso, diminuindo sua resistência. Se for inferior a 15%, pode ocorrer fissuras, comprometendo a vida útil do concreto. Durabilidade do concreto 7 Os concretos de alto desempenho têm uma baixa relação água/cimento e, consequentemente, há uma redução de porosidade, o que causa maior durabilidade. Para a sua produção, de modo a harmonizar a sua consistência e resistência, é necessário o uso de aditivos redutores de água. É uma prática comum que parte do cimento seja substituída por adições (pozolanas), pois, além de reduzir o custo, os riscos de fissuração térmica são minimizados (Mehta; Monteiro, 2014). Mehta e Monteiro (2014) mencionam que o motivo de a permeabilidade da argamassa ou do concreto ser maior do que a permeabilidade da pasta de cimento correspondente está nas microfissuras e na pasta do cimento (ou seja, o concreto ainda fresco, não endurecido). Petrucci (1998) menciona que a qualidade do concreto está diretamente ligada à durabilidade das estruturas. O concreto, além de resistir aos esforços de compressão, deve executar de maneira aceitável sua função na proteção das armaduras contra os ataques externos. Por isso, a porosidade apresenta um papel essencial. Concretos muito porosos são mais permeáveis e apresentam menor resistência mecânica. Quando os elementos de concreto armado estão sujeitos a meios agressi- vos, é necessário tomar medidas para a redução de porosidade e permeabi- lidade da mistura. Quanto maior a porosidade do concreto, maior é a chance de entrar umidade no material. Para reduzir essa porosidade, é importante usar um concreto com baixa relação água/cimento e usar impermeabilizantes (produtos que diminuem a permeabilidade e aumentam a resistência do material) (Neves, 2021). O Quadro 2 mostra alguns exemplos de impermeabilizantes rígidos dis- poníveis no mercado. Quadro 2. Características de impermeabilizante rígidos disponíveis no mercado Produto Características Aplicabilidade Cristalizantes O produto é aplicado diretamente sobre a estrutura a ser impermeabilizada e, ao entrar em contato com a água de infiltração, cristaliza-se e preenche os poros do concreto, criando uma barreira impermeável. Áreas úmidas, reservatórios enterrados, piscinas, entre outros. (Continua) Durabilidade do concreto8 Produto Características Aplicabilidade Cimento polimérico Revestimento impermeabilizante semiflexível, aplicado com trincha ou broxa. É um sistema composto em pó com fibras e componente líquido, formando uma pasta cimentícea resistente à umidade. Reservatório enterrados, floreiras, poço de elevadores, muro de arrimo. Argamassa impermeável São argamassas de cimento e areia que adquirem propriedades impermeáveis com a mistura de aditivos que repelem a água. Não é recomendável aplicar em locais com trincas ou fissurações. Baldrames, piscinas, subsolos, pisos em contato com o solo, argamassa de assentamento de alvenaria. Argamassa polimérica Argamassa industrializada encontrada no mercado na versão bicomponente. Deve ser misturada e homogeneizada antes da aplicação. Pisos frios, piscinas ou reservatórios enterrados, baldrames. Epóxi Produto impermeável à água e ao vapor, com elevada resistência mecânica e química. Indicado para impermeabilização e proteção anticorrosiva de estruturas de concreto, metálicas e argamassas. Tubos metálicos, tanques de produtos químicos. Fonte: Adaptado de Ferreira (2012). Existem diferentes métodos para identificar a porosidade do concreto, e eles podem ser divididos em diretos e indiretos. Segundo Fornasier (1995, p. 23), os métodos diretos: Utilizam uma seção plana do material poroso para uma análise óptica, que tem sido muito facilitada pela técnica de imagem automática, possibilitando que uma grande quantidade de informações seja coletada rapidamente e com precisão, sem os elementos subjetivos das antigas técnicas visuais. Frequentemente, a água é substituída por um solvente ou adesivo epóxi com corante para garantir melhor contraste e visualização da amostra. A determinação das propriedades dos porosobtidos por estes métodos é feita através da utilização de equações, fornecendo as melhores informações sobre a forma dos poros acessíveis e tamanho dos poros que os outros métodos [...]. (Continuação) Durabilidade do concreto 9 Os métodos indiretos são aqueles em que a presença dos poros e suas propriedades são deduzidas (Fornasier, 1995). O autor descreve os principais; veja a seguir. � Deslocamento de fluidos: mede o volume (ou massa) do líquido em um corpo de prova de material poroso. � Curvatura interfacial: mede o ângulo de contato formado entre a in- terface de um fluido e a parede do poro (conforme for sua dimensão). � Absorção: geralmente expressa como o volume para formar uma camada de moléculas do material absorvido na superfície do sólido (Fornasier, 1995, p. 23). Na próxima seção, você vai estudar o mecanismo de degradação do concreto. Mecanismo de degradação do concreto Quando falamos de mecanismos de degradação do concreto, estamos falando dos agentes relacionados a ações mecânicas, movimentações de origem tér- mica, impactos, ações cíclicas, retração, fluência e relaxação (para o concreto protendido). As movimentações de origem térmica são provocadas pelas variações naturais nas temperaturas ambientes, que causam a variação de volume das estruturas e fazem surgir esforços adicionais nas estruturas. As variações de temperatura também podem ser de origem não natural, como as que ocorrem em construções para frigoríficos, siderúrgicas e metalúrgicas (p. ex., fornos e chaminés). As ações cíclicas são aquelas repetitivas, que causam fadiga nos materiais. Elas podem ou não variar o esforço de tração para compressão e vice-versa. A retração e a fluência são deformações que ocorrem no concreto e levam à diminuição do seu volume, o que pode induzir esforços adicionais nas estruturas. Segundo a NBR 6118/2014, os principais mecanismos de deterioração do concreto são os seguintes. � Lixiviação: por ação de águas puras, carbônicas agressivas ou ácidas que dissolvem e carreiam os compostos hidratados da pasta de cimento. � Expansão por ação de águas e solos que contenham ou estejam conta- minados com sulfatos, dando origem a reações expansivas e deletérias com a pasta de cimento hidratado. Durabilidade do concreto10 � Expansão por ação das reações entre os álcalis do cimento e certos agregados reativos. � Reações deletérias superficiais de certos agregados decorrentes de transformações de produtos ferruginosos presentes na sua constituição mineralógica. Segundo Bruna, Moura e Del Pino (2015), os processos que causam a dete- rioração do concreto podem ser agrupados em mecânicos, físicos, químicos, biológicos e eletromagnéticos. Além disso, a deterioração do concreto ocorre, muitas vezes, como resultado de uma combinação de diferentes fatores externos e internos. Ribeiro e Cascudo (2020) mencionam que as ações ambientais geram grande interferência na degradação do concreto. Existem diversos fatores que podem interagir, ligados tanto ao macroclima quanto às condições microclimáticas lo- cais que a própria estrutura de concreto pode criar. A agressividade ambiental pode ser determinada pelas condições climáticas, que definem as condições externas e internas de umidade e temperatura, além da presença ou não de substâncias agressivas (p. ex., cloretos e sulfatos contidos na água do mar). Ribeiro e Cascudo (2020) classificam as condições microclimáticas locais que a estrutura de concreto pode criar ou ser exposta em quatro tipos. 1. Condições de concreto seco: nesse caso, o ambiente não é agressivo, pois tanto a corrosão das armaduras quanto os fenômenos de de- gradação do concreto requerem a presença de umidade para poder manifestar efeitos significativos. 2. Condições de total e permanente saturação do concreto: nessa situação, o ambiente não é agressivo quanto à corrosão das armaduras, já que o oxigênio não pode chegar à sua superfície. Entretanto, o concreto poderia ser submetido à ação do gelo-degelo ou das substâncias que atacam a matriz do cimento (p. ex., os sulfatos). 3. Condições de umidade intermediária do concreto: os elementos estru- turais podem ser submetidos tanto à corrosão das armaduras quanto à degradação direta do concreto. Em geral, os efeitos da degradação aumentam quando a temperatura sobe e quando a umidade do con- creto cresce (apenas no que se refere à corrosão; esses efeitos voltam a diminuir à medida que o concreto se aproxima da saturação, graças à difusão reduzida do O2 e CO2 através dos poros saturados de água). Durabilidade do concreto 11 4. Condições em que o concreto sofre ciclos de molhagem e secagem: geralmente, essas condições são as mais críticas para a corrosão das armaduras, pois permitem, mesmo que em momentos diferentes, a penetração tanto de água (e dos sais eventualmente dissolvidos) quanto das substâncias em estado gasoso (como o O2 e CO2). De modo geral, os processos de degradação alteram a capacidade de o ma- terial desempenhar as suas funções e nem sempre se manifestam visualmente. Os principais sintomas que podem surgir isolada ou simultaneamente são: fissuração, destacamento, corrosão, oxidação, infiltração e desplacamento (Bruna; Moura; Del Pino, 2015). � Fissuração: são as rachaduras, aberturas lineares (sem sentido definido de direção) que ocorrem por conta da redução de volume causada pela diminuição de umidade do concreto. � Destacamento e desplacamento: ocorrem quando a relação água/ cimento não é respeitada, afetando a resistência. Logo, pode ocorrer o rompimento, a queda ou o colapso do concreto com o passar do tempo. � Corrosão: essa patologia acaba determinando o fissuramento do con- creto, podendo, inclusive, causar o desplacamento, o que faz com que a armadura do concreto fique exposta ao ambiente. � Oxidação: é quando o líquido existente na composição do concreto acaba migrando para a superfície, carregando consigo uma parte do concreto. A retração pode gerar fissuras e rachaduras no edifício. � Infiltração: é quando a água externa penetra no concreto, podendo causar a corrosão das armaduras e/ou outras patologias, bem como diminuir a resistência do concreto. As fissuras são uma patologia de incidência relativamente frequente nos concretos, podendo implicar em uma série de danos às edificações. Comprometimentos estéticos que transmitem ao usuário a sensação de insegurança, infiltrações que colocam em risco a salubridade dos ambientes e a redução da durabilidade da estrutura são algumas consequências desse problema. Além do próprio risco que trazem para a segurança da edificação, as fissuras podem tornar a estrutura mais suscetível a outras patologias, como a corrosão das armaduras. A Figura 3 ilustra alguns tipos de fissuras que podem ocorrer no concreto. Durabilidade do concreto12 Figura 3. Vários tipos de fissuras possíveis de ocorrer no concreto. Fonte: Adaptada de Neville (2016). Fissuras de cisalhamentos Fissuras nas juntas dos arranques Manchas devidas à corrosão Fissuras de flexão Topo das barras de arranque A A B E J K C N M G H P I D B B L F Segundo Ribeiro e Cascudo (2020), a corrosão do concreto pode ser definida como um processo de deterioração do material devido à ação química ou eletroquímica do meio ambiente, resultando na perda de massa do material. O processo de corrosão é um processo espontâneo, causado pela necessidade do material em atingir o seu estado de menor energia, que é o seu estado mais estável. A maioria dos metais, como ocorre com o ferro, é encontrada na natureza na forma de compostos, como óxidos e hidróxidos, já que nessa forma eles apresentam um estado mínimo de energia. Quando esses metais são proces- sados, eles passam a adquirir o estado metálico. No entanto, ao entrarem em contato com o meio ambiente, eles passam a reagir espontaneamente com o meio, se transformando em composto, que apresenta um menor estado de energia. Por exemplo, o ferro, que é o principalcomponente da armadura de aço utilizada na estrutura de concreto, reage com o meio ambiente se transformando principalmente em Fe2O3 hidratado, conhecido como ferrugem, que apresenta um estado de energia menor e, portanto, é mais estável que o ferro metálico (Ribeiro; Cascudo, 2020). Durabilidade do concreto 13 Em um sentido geral, a durabilidade pode ser entendida como a capacidade do material de suportar as solicitações para as quais ele foi concebido ao longo de um determinado período, em decorrência de um ou mais processos patológicos instalados de natureza físico-mecânica, química, biológica ou eletroquímica. Os mecanismos de degradação/deterioração ou de envelhe- cimento comprometem o desempenho do material, do componente ou do sistema, reduzindo ou anulando sua aptidão ao uso nas condições de serviço. Referências ALMEIDA, L. C. Concreto. 2002. (Apostila da Disciplina Estruturas IV – Concreto Armado, Departamento de Estruturas, Faculdade de Engenharia Civil, Universidade Estadual de Campinas). Disponível em: http://www.fec.unicamp.br/~almeida/au405/Concreto. pdf. Acesso em: 24 ago. 2023. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). ABNT NBR 6118:2014. Projeto de estruturas de concreto – procedimento. Rio de Janeiro: ABNT, 2014. BAUER, L. A. F. 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