Cap24 - Ações da carbonatação no concreto

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•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Oswaldo Cascudo - UFG
Helena Carasek - UFG
Ação da Carbonatação no Concreto
Capítulo 24
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Definição:
• A cabonatação transforma íons alcalinos como: cátions
de sódio, potássio e cálcio, em sais de carbonatos
desses elementos, pela ação ácida do CO2 presente
no ar.
O Fenômeno da Carbonatação no Concreto
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
• Representa um dos fatores iniciadores mais
importantes da corrosão das armaduras.
• Ocorre a uma velocidade lenta, atenuando-se com o
tempo.
O Fenômeno da Carbonatação no Concreto
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• A carbonatação pode ocorrer em ambientes cuja
concentração de CO2 no ar é muito baixa (0,03% em
volume - ambiente rural, por exemplo). (Neville,1997)
• A carbonatação acontece através:
• Dissolução do dióxido de carbono (CO2) ou;
• Decomposição do silicato de cálcio hidratado (C-S-H) e
das fases aluminato.
O Fenômeno da Carbonatação no Concreto
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• Dissolução do Dióxido de Carbono (maior relevância):
• Acontece em 3 etapas principais:
• Dissolução do CO2 na Solução do Poro
• Dissolução do Ca(OH)2
• Formação do Carbonato de Cálcio
−+ +→ OH2Ca)OH(Ca 22
3
2
3
2 CaCOCOCa →+ −+
OHCOOH2CO 2232 +→+ −−
O Fenômeno da Carbonatação no Concreto
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• Decomposição do C-S-H:
• Descalcificação do C-S-H
• Nos poros do concreto há ainda os álcalis do cimento
(sódio e potássio) também passíveis de carbonatação.
Porém, segundo Steffens (2000), eles formam
carbonatos instáveis.
)aq(SiO.CaO)yx(yOH2yCaOzH)aq(SiO.xCaO 2222 −++→+ −+
O Fenômeno da Carbonatação no Concreto
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Alteração da pasta de cimento carbonatada e efeitos 
sobre a microestrutura do concreto
• Precipitação principal da carbonatação na pasta de
cimento endurecida: carbonato de cálcio (CaCO3),
gerando alteração física microestrutural.
• A precipitação gera diminuição da permeabilidade ao
CO2.
O Fenômeno da Carbonatação no Concreto
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O Fenômeno da Carbonatação no Concreto
•Figura 1 - Amostra de concreto carbonatada, vista no MEV por meio de elétrons secundários, podendo-se 
observar a morfologia dos compostos, onde se percebe uma presença significativa de cristais de calcita na 
superfície analisada. Detalhes: (I) morfologia romboédrica e (II) morfologia tetraédrica. (CASTRO, 2003)
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O Fenômeno da Carbonatação no Concreto
•Figura 2 – Morfologia de um C-S-H carbonatado com aspecto de fibras dissolvidas ou fundidas pela reação com 
CO2. Imagem obtida por MEV – elétrons secundários. (CASTRO, 2003)
calcita
C-S-H 
carbonatado
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Alterações físicas e microestruturais
• Redução da porosidade total;
• Aumento da porosidade capilar;
• Retração do concreto por carbonatação:
• perda de moléculas de água na reação principal de
carbonatação;
• diminuição de volume na pasta de cimento endurecida,
com a dissolução do Ca(OH)2.
O Fenômeno da Carbonatação no Concreto
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Alterações físicas e microestruturais
• Aumento de massa no concreto;
• Aumento da dureza superficial do concreto;
• Maior resistividade elétrica em parte do concreto.
O Fenômeno da Carbonatação no Concreto
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Mecanismo de difusão do CO2 no concreto
• Em camada superficial seca do concreto ou poros sem
umidade há difusão molecular do CO2.
• Com poros parcialmente ou plenamente saturados de
água intersticial: transporte difusional do íon carbonato
( ).
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
−2
3CO
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Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
•Figura 3 - Representação esquemática de um processo efetivo de carbonatação do concreto, estando os poros 
parcialmente preenchidos com água (concreto com U.R. normal do ambiente)(BAKKER, 1988).
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Principais fatores intervenientes na carbonatação do 
concreto
• A difusão;
• A profundidade e;
• A velocidade de carbonatação
• Dependem de vários fatores vinculados:
• Sistema de poros;
• pH do concreto e;
• Condições adequadas para a difusão do CO2.
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
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Carbonatação
Características do 
concreto
Relação a/c
Tipo e consumo de cimento
Adições minerais
Compactação
Cura
Idade (grau de hidratação)
etc.
Sistema de porosReserva alcalina
Condições de exposição
Teor de CO2
Umidade Relativa
Temperatura
Condições para a 
difusão do CO2
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
•Figura 4 – Fatores intervenientes na carbonatação do concreto.
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Influência do Tipo de Ambiente na Carbonatação
• Neville (1997) apresenta dados muito diferentes para a
concentração do CO2 em função do tipo de ambiente:
• Ambientes com maior concentração de CO2 no ar têm
carbonatação mais agressiva e pronunciada.
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
Concentração de CO2no ar (em volume) Tipo de Ambiente
0,03% Ambiente rural
0,1% Ambiente de laboratório (não ventilado)
0,3% Ambiente urbano
1,0% Ambiente urbano-industrial
•Quadro 1 – Concentração volumétrica do CO2 no ar em relação a alguns tipos de ambiente.
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Influência da Temperatura na Carbonatação
• À medida que as temperaturas aumentam, aumentam as
velocidades de reações.
Influência da Umidade Relativa do Ar na Carbonatação
• Venuat (1977 apud ROSENBERG et al.,1989) apresenta
a variação da carbonatação com a alteração da umidade
relativa , ressaltando uma faixa máxima de percentagem
carbonatada para umidades relativas entre 50% e 70%.
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
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Influência da Umidade Relativa do Ar na Carbonatação
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
•Figura 5 - Grau de carbonatação em função da umidade relativa do ambiente(VENUAT, 1977 apud
ROSENBERG et al., 1989).
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Características do concreto - aspectos da composição e 
dosagem
• Fatores que influenciam o sistema de poros:
• Relação água/cimento;
• tipo de cimento;
• teor de cimento;
• as adições minerais;
• “reserva alcalina” (quantidade de hidróxido de cálcio
disponível nos poros da pasta de cimento).
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
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• Relação água/cimento (a/c)
• Influencia significativamente a porosidade do concreto
(quantidade, dimensões e conectividade dos poros).
•Figura 6 - Influência da relação a/c e da condição de cura na profundidade carbonatada do concreto (SALTA, 
1996 apud PINA, 2009).
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
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• Consumo de cimento do concreto
• Quanto maior o teor de cimento na composiçãodo
concreto menor a velocidade de carbonatação.
• Teores excessivos de cimento podem gerar retração e
fissuração da pasta e favorecer a entrada do CO2.
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
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• Consumo de cimento do concreto
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
•Figura 7 - Relação entre o teor de cimento e a profundidade carbonatada (GRANDETet al., 1998 apud PINA, 
2009).
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• Adições minerais no concreto
• Dois efeitos opostos em relação à carbonatação:
• Efeito negativo: redução da “reserva alcalina”.
• Efeito positivo: alteração física da estrutura da pasta de
cimento, por efeito fíler (físico) e pozolânico (químico).
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
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• Adições minerais no concreto
• Dependência da eficiência da cura úmida efetuada:
•Figura 8 - Influência do teor de adições e da cura úmida na permeabilidade do concreto (CEB, 1993).
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
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• Adições minerais no concreto
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
•Figura9 – Média global 
dos coeficientes de 
carbonatação acelerada, 
de diferentes concretos 
(de mesma faixa de 
relação a/agl) agrupados 
por tipo de adição 
mineral empregada, 
tendo-se: S = sílica ativa 
no teor de 10%,M = 
metacaulim (10%), R = 
referência (CP II F – 32, 
sem adições), E = 
escória de alto-forno 
(65%), A = cinza de 
casca de arroz (10%) e V 
= cinza volante (25%); 
obs.: cura ao ar 
(CASTRO, 2003).
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• Condições de cura
• As etapas da prática executiva da estrutura de concreto:
mistura, transporte, lançamento, adensamento do
concreto e a cura interferem na maior ou menor
predisposição à carbonatação.
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
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• Condições de cura
• A cura interfere na carbonatação:
• Evitando ou minimizando a retração plástica no concreto
fissuras;
• Aumentando o grau de hidratação da pasta de cimento na
superfície do concreto;
• Consolidando a pasta de cimento e;
• Qualificando o concreto, especialmente na região do
cobrimento da armadura.
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
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• Condições de cura
Difusão do CO2 e Fatores Intervenientes na 
Carbonatação
•Figura 10- Influência da cura e da relação água/cimento na carbonatação do concreto obtida por 
procedimento acelerado, em concretos produzidos com cimento CP II F – 32.
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Estado de passivação das armaduras
• O concreto representa um meio altamente alcalino
(12,5 < pH < 13,5)
• Película de Passivação do Aço: deposição na superfície
metálica de uma capa ou película de óxidos de caráter
protetor contra corrosão.
Interferência da Carbonatação no Estado de 
Passivação do Aço
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
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• Tuutti (1982) subdivide o processo de corrosão da
armadura em iniciação e propagação.
Carbonatação como agente iniciador da 
corrosão das armaduras
Figura 11 - Modelo de vida útil proposto por Tuutti (1982).
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•Editor: Geraldo C. Isaia
• pH de precipitação do CaCO3: 8,3 < pH < 9 à
temperatura ambiente alteração substancial das
condições de estabilidade química da película
passivadora do aço.
Carbonatação como agente iniciador da 
corrosão das armaduras
Figura 12 - Representação esquemática do processo de 
carbonatação(BAKKER, 1988).
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• Análises indicam existir 3 zonas de carbonatação no
concreto:
•Figura 13 - Gradiente de pH na frente de carbonatação (GONÇALVES; SALTA, 1996 apud PINA, 2009).
Carbonatação como agente iniciador da 
corrosão das armaduras
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
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• Modelo proposto por Helene (1997) para determinação
da vida útil em estruturas de concreto:
Cinética da carbonatação e modelos de vida 
útil para estruturas de concreto
•Figura 14 - Ábaco proposto por Helene (1997) para a obtenção da espessura mínima de cobrimento, com 
relação à carbonatação em faces externas dos componentes estruturais de concreto expostos à intempérie, em 
função do tipo de concreto (C10 a C50) e da vida útil de projeto desejada (1 a 100 anos).
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
Procedimentos e técnicas utilizados para o estudo e a 
avaliação da carbonatação
• Aplicação de indicadores de pH;
• Análise ao microscópio eletrônico de varredura;
• Análise termogravimétrica;
• Difração de raios X;
• Análise petrográfica;
• Espectroscopia de infravermelho e;
• Densimetria por radiação gama.
Estudo e Avaliação da Carbonatação
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
• Ensaios acelerados e processos naturais
• Avaliação da frente de carbonatação com o emprego
de indicadores de pH
• Em contato com a solução alcalina do concreto
adquirem colorações típicas a partir de uma determinada
faixa de pH da solução
Estudo e Avaliação da Carbonatação
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•Figura 15 - Análise da carbonatação do concreto por meio do emprego dos indicadores timolftaleína (azul) e 
fenolftaleína (vermelho carmim), onde se vê na parte do concreto de cobrimento uma frente de carbonatação 
incipiente na região de aspersão da timolftaleína (CASCUDO, 1997).
Estudo e Avaliação da Carbonatação
•Livro Concreto: Ciência e Tecnologia
•Editor: Geraldo C. Isaia
• Implantação de normas Européias: EN 1504
• Nova abordagem para produtos e sistemas destinados à
proteção e reparo de estruturas de concreto.
• O princípio 7 (RP):
• Preservação ou restauração da passividade das
armaduras
• Formas de despassivação:
• carbonatação e;
• cloretos.
Controle e Mitigação da Carbonatação no 
Concreto
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Controle e Mitigação da Carbonatação no 
Concreto
Método Principais critérios para os materiais de reparo
7.1
Aumento do cobrimento com um 
revestimento adicional de argamassa e 
concreto
Resistência à carbonatação:
Classes R4 (> 45 MPa) ou R3 (> 25 MPa)
Resistência à carbonatação:
Classes R4 ou R3 (dk< concreto de controle)
Aderência (ruptura adesiva):
Classes R4 (> 2,0 MPa) ou R3 (> 1,5 MPa)
7.2 Substituição do concreto carbonatado
Resistência à carbonatação:
Classes R4 (> 45 MPa) ou R3 (> 25 MPa)
Resistência à carbonatação:
Classes R4 ou R3 (dk< concreto de controle)
Aderência (ruptura adesiva):
Classes R4 (> 2,0 MPa) ou R3 (> 1,5 MPa)
7.3 Realcalinização eletroquímica do concreto Não existem critérios específicos
7.4 Realcalinização do concreto carbonatado por difusão Não existem critérios específicos
7.5 Extração eletroquímica de cloreto Não existem critérios específicos
•Quadro 2 - Métodos propostos no princípio 7 da EN 1504 – 9, ligados à preservação ou à restauração da 
passividade das armaduras(BS EN 1504-9, 2008).
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• Aumento do cobrimento com um revestimento
adicional de argamassa e concreto
• Evita que a frente de carbonatação atinja a armadura,
podem ser utilizados produtos de películas superficiais
(tintas e vernizes) e argamassas cimentíciasmodificadas.
• Se já houve a carbonatação as películas não são mais
adequadas.
Controle e Mitigação da Carbonatação no 
Concreto
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• Realcalinização
• Eleva o pH da pasta cimentícia por meio de substâncias
alcalinas que são introduzidas no concreto através dos
seus poros.
• Acontece por:
• Difusão
• Migração iônica (realcalinização eletroquímica).
Controle e Mitigação da Carbonatação no 
Concreto
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• Realcalinização por difusão (ou passiva)
• Aplicação de um revestimento muito alcalino sobre a
superfície carbonatada
• A realcalinização é alcançada pela lenta difusão dos
álcalis através da zona carbonatada.
• Inconveniente: Processo demorado e muito difícil de
controlar a correta distribuição do material de
revestimento.
Controle e Mitigação da Carbonatação no 
Concreto
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•Editor: Geraldo C. Isaia
• Realcalinização eletroquímica do concreto
• Aplica-se temporariamente uma corrente entre um
ânodo (tela fixada no exterior do concreto) e um cátodo
interno (armadura).
• Movimentação dos íons positivos no eletrólito (uma
solução alcalina, geralmente carbonato de sódio) em
direção à armadura, enquanto os íons hidroxila são
produzidos na armadura de aço devido à redução da
água.
Controle e Mitigação da Carbonatação no 
Concreto
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• Realcalinização eletroquímica do concreto
•Figura 16 - Princípio da técnica de realcalinização eletroquímica.
(http://www.concrete-testing.com/ConcreteRepair.htm)
Controle e Mitigação da Carbonatação no 
Concreto
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• Realcalinização eletroquímica do concreto
Controle e Mitigação da Carbonatação no 
Concreto
Figura 17 - Execução da técnica de realcalinização eletroquímica, mediante projeção da polpa de celulose 
saturada com a solução alcalina aplicada sobre a malha metálica na superfície carbonatada do concreto 
(http://www.savcor.com.au/art/ assets/docs/gis/crm/realk.pdf)
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• Realcalinização eletroquímica do concreto
Controle e Mitigação da Carbonatação no 
Concreto
Figura 18 - Verificação da eficácia da técnica de realcalinização eletroquímica por meio de fenolftaleína. 
(http://www.savcor.com.au/art/ assets/docs/gis/crm/realk.pdf)