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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
MESTRADO EM ENGENHARIAL AMBIENTAL URBANA
ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE MATERIAIS POZOLÂNICOS NA
CORROSIBILIDADE DO CONCRETO ARMADO POR MEIO DE TÉCNICAS
ELETROQUÍMICAS
PROJETO DE MESTRADO
Daniel Andrade Mota
Salvador
2014
1
RESUMO
São expressivos os impactos socioambientais causados por atividades
humanas de natureza industrial, como a extração de matéria-prima e a geração
de resíduos poluentes. Nesse contexto, a deterioração precoce das estruturas
de concreto armado, principalmente pela ação deletéria de processos
corrosivos, traz grandes prejuízos financeiros à sociedade pela necessidade de
recuperações e/ou substituição de peças degradadas. Neste trabalho será
abordado o uso de dois resíduos industriais, a sílica ativa e a cinza volante, na
mistura de concreto em substituição parcial à massa de cimento. Também será
utilizado o metacaulim, proveniente da calcinação de argilominerais. Sabe-se
que determinadas adições minerais, devido a sua atividade pozolânica e efeito
microfíler, tem a capacidade de incrementar algumas propriedades do concreto,
relacionadas diretamente à sua durabilidade. Serão avaliadas três dosagens de
cada adição, sendo 5, 10 e 15%. Dados obtidos de medidas eletroquímicas da
resistividade do concreto, potencial de corrosão e espectroscopia de
impedância eletroquímica, serão utilizados para avaliar o comportamento das
misturas, com o objetivo de determinar o teor ótimo de cada uma dessas
adições, tendo em vista o incremento na durabilidade do concreto.
Palavras-chave: resistividade; concreto; adição mineral; corrosão.
2
ÍNDICE
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................ 1
2 JUSTIFICATIVAS ........................................................................................... 3
3 OBJETIVOS .................................................................................................... 4
3.1 Objetivo geral ............................................................................................ 4
3.2 Objetivos específicos ................................................................................ 4
4 REVISÃO DE LITERATURA .......................................................................... 5
4.1 Durabilidade e vida útil das estruturas de concreto armado ..................... 5
4.2 O concreto de cimento Portland ................................................................ 9
4.2.1 Estrutura de poros ............................................................................ 10
4.2.2 Mecanismos de transporte ................................................................ 12
4.2.3 Resistividade elétrica ........................................................................ 15
4.2.4 Técnicas eletroquímicas para medida da resistividade ..................... 21
4.3 O processo corrosivo .............................................................................. 26
4.3.1 Tipos de corrosão ............................................................................. 30
4.3.2 Meios Corrosivos .............................................................................. 31
4.4 Corrosão das armaduras no concreto armado ........................................ 34
4.4.1 Passivação das armaduras ............................................................... 37
4.4.2 Íons Cloreto ...................................................................................... 39
4.4.3 Etapas de ocorrência da corrosão .................................................... 41
4.5 Fatores que influenciam o processo de corrosão.................................... 43
4.6 Materiais Pozolânicos ............................................................................. 44
4.6.1 Sílica ativa ........................................................................................ 49
4.6.2 Metacaulim ....................................................................................... 51
4.6.3 Cinza volante .................................................................................... 54
5 METODOLOGIA ........................................................................................... 57
5.1 Revisão de literatura ............................................................................... 57
5.2 Caracterização das matérias-primas ....................................................... 57
5.2.1 Cimento ............................................................................................ 57
5.2.2 Agregados ........................................................................................ 58
5.3 Dosagem ................................................................................................. 58
5.4 Avaliação da corrosibilidade do concreto armado ................................... 59
5.4.1 Ensaio de medida do potencial de corrosão ..................................... 59
5.4.2 Medida da resistividade elétrica do concreto .................................... 61
5.4.3 Ultrassom .......................................................................................... 64
6 REFERÊNCIAS ............................................................................................. 66
7 RESULTADOS ESPERADOS ...................................................................... 74
8 IMPACTOS ................................................................................................... 74
8.1 Acadêimco .............................................................................................. 74
8.2 Científico ................................................................................................. 75
8.3 Tecnológico ............................................................................................. 75
8.4 Ambiental ................................................................................................ 75
8.5 Social ...................................................................................................... 76
9 CRONOGRAMA ........................................................................................... 77
1
1 INTRODUÇÃO
A demanda energética nos dias atuais, principalmente por parte das
indústrias, tem fomentado o consumo de grandes volumes de matéria-prima.
Uma das formas mais comuns de obtenção de energia é através da queima de
biomassa para aproveitamento da energia térmica, liberada pelas reações
exotérmicas de combustão. O eucalipto de reflorestamento é um tipo de
biomassa muito utilizada para esse fim.
Com base em dados da Associação Brasileira de Produtores de
Florestas Plantadas (ABRAF) [1], pode-se estimar que a biomassa de quase 2
milhões de hectares de florestas plantadas foram destinadas a produção de
lenha e carvão vegetal, gerando assim, grandes volumes de cinza como
resíduo.
As indústrias de extração e metalurgia são também grandes poluidoras
do meio ambiente. As produtoras de ferro-silício e silício metálico geram como
resíduo a sílica ativa. Esse resíduo é constituído basicamente de sílica amorfa,
em teores acima de 80%, sob a forma de diminutas partículas esféricas (ϕ50% ≈
0,1µm).
Segundo dados da Associação Brasileira de Produtores de Ferroligas e
Silício Metálico (ABRAFE) [2], e considerando a proporção de sílica ativa que é
gerada em conjunto com a produção dos insumos industriais, pode-se estimar
uma produção nacional deste resíduo, no ano de 2004, de 180 mil toneladas.
A destinação inadequada pode comprometer a conservação da vida
animal e vegetal dos locais de disposição final, nem sempre em acordo com a
legislação ambiental.
Outro grande impacto ambiental causado pela atividade humana está
na produção de cimento, que é muito utilizado nas misturas de concreto.
O concreto armado é um material largamente utilizado pela sua grande
versatilidade. A harmoniosa interação entre aço e concreto provê excelentes
condições de comportamento mecânico e de durabilidade.
Além de proporcionar às armaduras um ambiente favorável, de alta
alcalinidade, o concreto de cobrimento se constitui numa camada de proteção
física contra a ação de agentes deletérios presentes na atmosfera.
2
Como resultado dessa versatilidade o cimento é, atualmente, o
segundo insumo mais consumido do mundo, perdendo apenas para a água.
Havia em 2012, somente no Brasil, oitenta e cinco fábricas de cimento. A
produção nacional, neste ano, chegou a mais de 68 milhões de toneladas. O
consumo per capita foi estimado em 353 Kg/habitante [3].
Apesar dos esforços de diversos pesquisadores ao redor do mundo
para reduzir o impacto da produção do cimento, os métodos tradicionais ainda
lançam na atmosfera cerca de 800 a 1.000 Kg de gás carbônico (CO2) por
tonelada de cimento produzido. Considerando a produção no ano de 2012,
essa indústria pode ter lançado na atmosfera um montante de 68 milhões de
toneladas de CO2, somente no Brasil. A produção mundial no ano de 2011 foi
contabilizada em mais de 3,5 bilhões de tonelada [3].
Não obstante sua versatilidade, o concreto armado, principalmente
quando mal concebido, tende a apresentar manifestações patológicas diversas
com o passar do tempo.
Nesse âmbito, a corrosão das armaduras tem sido o problema mais
comumente observado nessas estruturas, causada principalmente pela ação
danosa de cloretos e sulfatos [4-7]. Além dos dispendiosos custos financeiros
com recuperações, problemas relacionados à corrosão podem causar graves
tragédias, inclusive com perdas de vidas humanas.
Visando amenizar os problemas ambientais causados pela produção
dos resíduos, como cinza e sílica ativa, e do cimento, muitos pesquisadores
estudaram formas de substituir o cimento por resíduo nas misturas de
concretos e argamassas. Como resultado, atualmente matrizes cimentícias são
comumente utilizadas no acondicionamento de resíduos. Elas são baratas,
mostram uma história amplamente documentada de segurança, e são
provenientes de uma tecnologia facilmente acessível.
Pretende-se neste trabalho a determinação do teor ótimo da adição de
dois resíduos, a sílica ativa e a cinza volante, além do metacaulim, em
substituição a parte da massa de cimento.
Será avaliada a influência dessas adições sobre as características de
corrosibilidade do concreto, através do uso de técnicas eletroquímicas de
3
medida, como a resistividade elétrica, o potencial de corrosão e a
espectroscopia de impedância eletroquímica.
2 JUSTIFICATIVAS
Há fortes impactos ambientais associados à produção em larga escala
de resíduos provenientes de atividades industriais. A grande quantidade de
resíduos gerados, associada à disposição final em locais inadequados, tem um
grande potencial de degradação ambiental.
Outro fator fortemente impactante para o meio ambiente é a produção de
cimento. Segundo insumo mais consumido no mundo, causa impactos desde a
extração das matérias primas até a obtenção do produto final, sendo
responsável por cerca de 8 a 9% de todo o CO2 emitido pelo Brasil [8].
Como material largamente utilizado ao redor do mundo, as estruturas de
concreto armado apresentam falhas com o passar do tempo, e observa-se que
a corrosão das armaduras tem sido a mais recorrente e impactante delas.
Dados atuais de monitoramento de pontes rodoviárias, realizado pelo
governo dos Estados Unidos, revela que cerca de 15% das 586.000 estruturas
monitoradas apresentam deficiência estrutural, causada basicamente por
processos corrosivos avançados. Há previsão de gastos da ordem de 100
bilhões de dólares em 10 anos para recuperação/reconstrução dessas pontes
[9].
Foi estimado que cerca de 5% dos recursos de uma nação
industrializada são dispendidos com prevenção e manutenção/substituição de
elementos degradados por corrosão, sem contar os custos indiretos gerados
por perdas relacionadas à paralizações para execução de reparos [10].
Uma das técnicas já difundidas para reduzir a quantidade de CO2
lançado na atmosfera é a substituição de parte do clínquer por compostos
minerais. Assim, a realização de estudos para desenvolver e aprimorar os
materiais empregados em estruturas de concreto armado é de grande
importância, pois viabiliza a destinação de resíduos que antes seriam
dispensados ao meio ambiente.
4
Além disso, a adição mineral em substituição a parte do cimento
corrobora para a economia de cimento, possibilitando uma desaceleração na
produção, bem como melhorando a qualidade das matrizes cimentícias,
principalmente sob o ponto de vista da durabilidade, prolongando a vida útil das
estruturas.
As adições pozolânicas tiveram grande impulso ao serem usadas em
concretos de cimento Portland porque, além dos aspectos técnicos,
proporcionam vantagens econômicas, e substituem um material nobre (clínquer
Portland), além de conferirem melhores características de qualidade.
3 OBJETIVOS
3.1 Objetivo geral
Analisar a influência da adição de materiais pozolânicos (sílica ativa,
metacaulim e cinza volante) em substituição a parte da massa de cimento,
sobre as propriedades de corrosibilidade do concreto, avaliada através de
técnicas eletroquímicas.
3.2 Objetivos específicos
Definir o teor ótimo das adições pretendidas.
Comparar características de corrosibilidade do concreto contendo três
diferentes teores de adições minerais, e do concreto de referência.
Comparar medidas de resistividade do concreto, obtidas por diferentes
técnicas eletroquímicas.
5
4 REVISÃO DE LITERATURA
4.1 Durabilidade e vida útil das estruturas de concreto armado
Observa-se, nos dias atuais, que as estruturas de concreto armado têm
apresentado reduzida durabilidade. Esse fato pode estar atrelado, entre outros
fatores, à modernização dos métodos de cálculo de dimensionamento, que
torna as estruturas cada vez mais esbeltas e deformáveis, e leva os materiais
mais próximos dos seus limites de utilização [11].
A atenção dada ao assunto é crescente, visto que os prejuízos
financeiros com reparos são imensos, além do risco a vidas humanas. A “Lei
dos 5”, ou regra de Sitter, mostra a evolução dos custos em função da fase da
vida da estrutura em que a intervenção é feita. Segundo esta regra, uma
intervenção corretiva, na fase de uso da estrutura, pode custar até 125 vezes
mais do que tomar essa iniciativa na fase de concepção dos projetos.
Sendo assim, o EN 1990 - Eurocode 0 determina que uma estrutura
deve ser concebida, dimensionada e executada para ter uma resistência
estrutural, aptidão em serviço e durabilidade de modo que, durante sua vida útil
de projeto, resista a todas as ações e influências externas susceptíveis durante
sua execução e utilização, além de permanecer adaptada ao uso para o qual
foi concebida.
A NBR 6118 (ABNT, 2014) define como durabilidade a capacidade da
estrutura em resistir às influências previstas, e deve ser definida em conjunto
pelo autor do projeto estrutural e o contratante, no início dos trabalhos de
elaboração do projeto. As estruturas devem conservar sua segurança,
estabilidade e aptidão em serviço durante o período correspondente a sua vida
útil.
Para o FIP-CEB (Comitê Euro-international du Béton), durabilidade é a
capacidade de uma estrutura em oferecer o desempenho requerido durante um
período de vida útil desejado, de acordo com a influencia dos fatores de
degradação.
O Comitê 201 do American Concrete Institute (ACI) também adotou
uma definição de durabilidade do concreto, como a sua capacidade de resistir
6
as ações de intempéries, abrasão, ataque químico, ou qualquer outro processo
de degradação.
A partir das definições adotadas internacionalmente, pode-se entender
a durabilidade como o resultado da interação entre a estrutura e o meio
ambiente em que esta se encontra inserida, e será fundamentalmente regida
pelas características tanto ambientais, quanto das estruturas.
O EN 1990 - Eurocode 0 propõe alguns aspectos a serem
considerados para termos de durabilidade:
condições do meio ambiente;
projeto da estrutura e a escolha do sistema estrutural;
escolha dos materiais;
dispositivos construtivos;
execução e o controle da qualidade na obra;
medidas de proteção específicas;
manutenção.
Outro conceito, intimamente ligado e comumente confundido com
durabilidade, é o de vida útil, que está mais associado ao período de tempo
pelo qual uma estrutura deve manter determinadas características.
O EN 1990 - Eurocode 0 define vida útil como o tempo no qual a
estrutura ou uma das suas partes é considerada apta a ser utilizada como
previsto, realizando-se a manutenção projetada, e sem a necessidade de
intervenções maiores e fora do previsto.
De acordo com o FIP-CEB (Comitê Euro-international du Béton), vida
útil é o tempo em que a estrutura mantém um limite mínimo de comportamento
em serviço, para o qual foi projetada, sem elevados custos de manutenção e
reparo.
No Brasil, uma conceituação de vida útil é oferecida pela NBR 6118
(ABNT, 2014) como sendo o período de tempo durante o qual se mantém as
características das estruturas de concreto, desde que atendidos os requisitos
de uso e manutenção previstos em projeto, bem como a execução de dos
reparos necessários decorrentes de danos acidentais.
7
Modelos matemáticos foram criados para a previsão da vida útil de
estruturas de concreto armado, o que é de fundamental importância para o
estudo do seu desempenho. TUUTTI apud RIBEIRO [11] oferece um modelo
simplificado para previsão de vida útil de estruturas contaminas por íons cloreto,
conforme figura 01.
Figura 01. Modelo de vida útil proposto por TUUTTI apud RIBEIRO [11].
Esse modelo determina dois estágios para a vida útil, a iniciação e a
propagação. A iniciação é o tempo que leva para a penetração de agentes
agressivos atravessem a camada de cobrimento de concreto, chegando às
armaduras. A partir daí ocorre a propagação, onde se desenvolvem os
processos corrosivos até que se atinja um grau inaceitável de deterioração.
HELENE apud RIBEIRO [12] propôs, a partir dos modelos existentes,
os tipos de vida útil de uma estrutura, conforme mostrado na figura 02.
8
Figura 02. Modelo de vida útil proposto por HELENE apud RIBEIRO [12].
Tendo em vista a grande importância da camada de cobrimento sobre
o tempo de vida útil de uma estrutura, o EN 1990 - Eurocode 2 faz
recomendações quanto ao controle de fissuração, com determinação de limites
de abertura e profundidade. A camada de cobrimento recebe atenção especial,
e são recomendadas exigências específicas para seu dimensionamento,
devendo-se levar em conta:
classe de exposição ambiental;
a classe de resistência do concreto;
a existência de controle da qualidade do concreto;
o tipo de armadura e sua natureza metálica;
existência de proteção anticorrosiva;
controle de posicionamento das armaduras.
9
Para um bom atendimento aos requisitos de durabilidade deve-se
projetar dispositivos específicos para as necessidades específicas de cada
elemento da estrutura, visando sua proteção contra os agentes ambientais
deletérios. Esses dispositivos devem ser considerados desde a fase de projeto
até a execução [13].
4.2 O concreto de cimento Portland
O cimento Portland é assim chamado pela sua semelhança, em dureza
e cor, com a pedra da ilha de Portland, na Inglaterra, utilizada nas construções
da época. É definido como um aglomerante hidráulico produzido pela moagem
do clínquer, sua principal matéria prima.
O clínquer consiste basicamente em silicatos de cálcio hidráulicos, com
adição de uma ou mais formas de sulfato de cálcio, e se configura em nódulos
de 5 a 25 mm de diâmetro. Sua obtenção é um produto da calcinação de uma
mistura pré-determinada de matérias-primas.
Fonte comum de cálcio, a pedra calcária e o mármore contêm teores
de argila e dolomita (CaCO3.MgCO3). A presença de alumina (Al2O3), óxido de
magnésio (MgO), além de óxidos de ferro (Fe2O3), confere um efeito
mineralizante na formação dos silicatos de cálcio, principais responsáveis pela
resistência mecânica do cimento. Assim, além dos silicatos de cálcio, fazem
parte do produto final do cimento aluminatos e óxidos de ferro e magnésio.
A adição de cerca de 5% de sulfato de cálcio moído ao cimento tem a
função de controle das reações iniciais de pega e enrijecimento [11].
Devido a sua complexidade química, as reações de hidratação do
cimento têm sido intensivamente estudadas. Sabe-se que os produtos de
hidratação compõem uma matriz de fases cristalinas e amorfas, que são
mostradas na tabela 01, que traz também os principais compostos que
participam da composição do clínquer.
10
Tabela 01. Abreviação dos principais componentes do clínquer e do produto de
hidratação do cimento [11].
Óxido Abreviação Composto Abreviação
CaO C 3CaO.SiO2 C3S
SiO2 S 2CaO.SiO2 C2S
Al2O3 A 3CaO.Al2O3 C5A
Fe2O3 F 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF
MgO M 4CaO.3Al2O3.SO3 C4A3S
SO3 S 3CaO.2SiO2.3H2O C3S2H3
H2O H CaSO4.2H2O CSH2
Os principais compostos responsáveis pela resistência mecânica do
concreto são o C3A (primeiras 24 horas), o C3S (até 28 dias) e o C2S (a partir
de 45 dias) [11].
4.2.1 Estrutura de poros
A formação da microestrutura do concreto é algo complexo, pois além
de ser constituído por diversos compostos distintos, distribuídos de forma
heterogênea, há ainda a presença de vazios, que formam a estrutura porosa do
material. A quantidade e distribuição do tamanho dos poros são responsáveis
pelo desempenho do concreto, especialmente quanto à durabilidade e
resistência a penetração de agentes deletérios [7].
A permeabilidade do concreto, não é uma função simples da
porosidade, mas depende também das dimensões, distribuição, forma,
tortuosidade (do caminho a ser percorrido pelos fluidos) e continuidade dos
poros, além de depender da interconectividade da rede capilar [14]. Portanto,
11
pode-se ter dois concretos distintos, com a mesma porosidade, mas com
valores típicos de coeficientes de permeabilidade bem diferentes.
Os vazios se formam pela evaporação da água em excesso, além do
necessário para a hidratação do cimento. A figura 03 mostra possíveis
caminhos que podem se formar no interior do concreto devido sua estrutura de
poros:
Figura 03. Representação esquemática da estrutura porosa do concreto [11].
Como pode ser visto na figura 03, a estrutura porosa, caso
interconectada, pode criar caminhos de acesso ao interior do concreto,
facilitando a entrada de agentes agressivos que poderão dar início, por
exemplo, ao processo de corrosão das armaduras.
Os poros na pasta de cimento podem ser classificados, conforme figura
04, em: poros de ar aprisionado, decorrentes do processo de adensamento;
poros de ar incorporado, decorrentes do uso de aditivos incorporadores de
ar; poros capilares, oriundos da saída de água livre do concreto; e poros de gel,
12
devido à água de gel; tendo os três primeiros tipos maior relevância para a
durabilidade do concreto [7].
Figura 04. Esquema de distribuição do tamanho dos poros na pasta endurecida.
4.2.2 Mecanismos de transporte
Grande parte da durabilidade do concreto deve ser atribuída a
capacidade de transporte de massa na sua rede de poros e/ou fissuras. Isso
determinará o grau de dificuldade encontrada pelos agentes agressivos ao
tentar penetrar no concreto [13].
Entre os principais mecanismos de transporte de massa no concreto,
que influenciam no processo corrosivo, pode-se citar: a permeabilidade, a
absorção capilar, a difusão e a migração iônica [11].
13
4.2.2.1 Permeabilidade
A permeabilidade pode ser definida como uma propriedade do material,
e expressa a facilidade com que um liquido o atravessa, sob uma diferença de
pressão.
Para concreto, a permeabilidade expressa a facilidade com que um
fluido (geralmente a água) penetra através da sua rede porosa. Será
determinada pela permeabilidade da pasta de cimento, que depende da sua
relação água/cimento e grau de hidratação.
Para uma mistura bem executada, o coeficiente de permeabilidade aos
gases é tão baixo que se torna muito difícil medições precisas. Sofre forte
influência do grau de saturação, pois a presença de água tende a preencher os
poros. A permeabilidade aos gases se dá por gradientes de concentração, que
no caso de gases agressivos dispersos na atmosfera, em geral, é muito
pequeno [15].
4.2.2.2 Absorção capilar
A absorção capilar expressa a capacidade do material em absorver
fluidos através da sua rede de poros capilares, sob condição de diferença de
umidade. A propriedade de absortividade (S) de um material pode ser obtida
experimentalmente, com o auxílio da equação (01):
(01)
Onde é o volume acumulado de água absorvida por unidade de área, A é um
termo constante, e é o tempo.
É uma propriedade de difícil controle, já que o refinamento da estrutura
dos poros, conferidos por redução da relação água/cimento ou adição de
pozolanas, por exemplo, ao mesmo tempo em que reduz a porosidade total,
refina as estruturas porosas, aumentando portanto as pressões capilares.
14
Essa característica pode aumentar a absorção capilar, mas concretos
mais porosos, com baixa absortividade capilar, ocasionam outros problemas
insuperáveis de durabilidade [11].
4.2.2.3 Difusão
A difusão é um mecanismo de transporte de substâncias entre dois
meios intimamente ligados, através de uma diferença de concentração. À
medida que esse gradiente é atenuado, a difusão será mais lenta.
É a difusão que rege a penetração dos principais agentes deletérios ao
concreto armado: o gás carbônio e os íons cloreto, além do oxigênio,
fundamental aos processos corrosivos.
Há dois tipos de fluxo relacionados à difusão, sendo eles o estado
estacionário, onde o fluxo iônico já foi estabelecido e é constante ao longo do
tempo; e o não estacionário, onde o fluxo não é constante, e depende do
tempo e da profundidade de penetração.
As características desse fenômeno de transporte irão depender do
gradiente de concentração, da temperatura, da microestrutura e da composição
química da matriz cimentícia [11]. Durante o processo difusivo pode haver
interação entre a substância que se difunde e os elementos do cimento, como
é o caso da absorção dos íons cloreto por parte dos aluminatos, o que retarda
a difusão num concreto contendo essa substância.
4.2.2.4 Migração iônica
Migração iônica, como o próprio nome define, é um mecanismo de
transporte que envolve a movimentação de íons. É possibilitada pela existência
de uma diferença de potencial, que o descolamento iônico tende a equilibrar.
Esse fenômeno esta presente em estruturas submetidas a potenciais
elétricos, como dormentes de trens e metrôs que usam energia elétrica para
deslocar-se, além de estruturas submetidas à proteção catódica por corrente
impressa e outras formas de proteção que envolva movimentação de cargas
15
elétricas. Em estruturas de concreto armado que se encontram em processo
corrosivo das armaduras também se observa esse fenômeno.
Conceitualmente, o fluxo por migração iônica pode ser definido como a
soma de três fenômenos: a difusão pura, a migração elétrica e a convecção.
ANDRADE apud RIBEIRO [15] considerou em seu trabalho que a parcela da
difusão pura, para diferenças de potencial entre 10 e 15V, é desprezível. Assim,
se não houver gradientes de pressão ou umidade (eliminando a parcela da
convecção), a migração iônica se traduz puramente pela migração elétrica.
Ensaios de migração, como o utilizado por RIBEIRO [11], são capazes
de determinar o fluxo iônico, bem como os coeficientes de difusão no estado
estacionário e não estacionário, relacionados diretamente com as fases de
propagação e iniciação da corrosão, respectivamente.
4.2.3 Resistividade elétrica
A resistência elétrica (R) é uma grandeza física, que expressa o
impedimento imposto por determinado meio ao fluxo de corrente elétrica, e
depende das dimensões e do tipo de material que constitui o meio. Já a
resistividade elétrica (ρ), que também expressa uma medida de impedimento
ao fluxo de corrente elétrica, é uma propriedade característica do meio onde se
observa esse fluxo, independentemente da geometria e dimensões do corpo
em estudo. [16].
Assim sendo, pode-se dizer que a resistividade é uma propriedade do
concreto, que indica sua capacidade de resistir à passagem de corrente
elétrica. Essa propriedade é substancialmente influenciada pela permeabilidade
aos fluidos e difusividade iônica da sua rede de poros [17].
O fluxo de corrente elétrica no concreto é de natureza eletrolítica, e se
dá através dos íons presentes na solução contida nessa rede de poros e outros
espaços vazios, como microfissuras [18].
Caso não haja eletrólito em quantidade suficiente e/ou
interconectividade entre poros, é possível que a corrente elétrica tenda a fluir
através dos compostos do concreto, o que aumenta intensamente sua
resistividade, tornando-o praticamente um isolante elétrico.
16
A presença de sais na solução intersticial do concreto, como cloretos,
nitratos e sulfatos, facilitarão a ocorrência da corrosão, pois, uma vez que são
eletrólitos “fortes” facilitam a mobilidade de cargas elétricas, através da difusão
iônica [19].
HORNBOSTEL et al. [20] relata a existência de uma relação
inversamente proporcional entre resistividade e taxa de corrosão. Vale ressaltar
que, de acordo com os autores, essa relação não é valida para concretos
saturados, uma vez que, sob essas condições a medida de resistividade será
baixa (pela excesso de eletrólito disponível), enquanto a taxa de corrosão
também estará baixa, já que em concretos saturados há pouca disponibilidade
de oxigênio.
Um balizamento para valores referência de resistividade, em relação à
ocorrência da corrosão, é oferecido por órgãos normalizadores internacionais,
como a norma CEB-192, da FIB (Fédération Internationale du béton) e o
boletim europeu CE-COST 509 (Corrosion and protection of metals in contact
with concrete), apesar das discrepâncias mostradas entre ambas. A tabela 02
mostra um comparativo entre esses valores [11].
Tabela 02. Valores de resistividade elétrica do concreto e sua relação com o
risco de ocorrência da corrosão [11].
Resistividade (kΩ.cm) Risco de corrosão
CEB-192 COST 509
> 20 > 100 Desprezível
10 a 20 50 a 100 Baixo
10 a 50 Moderado
5 a 10 < 10 Alto
< 5 Muito Alto
17
A tabela 03, apresentada por HORNBOSTEL et al. [20], mostra alguns
valores limites de medidas de resistividade e sua relação com taxa de corrosão,
publicadas por diversos autores.
Tabela 03. Critérios para a avaliação da atividade de corrosão em termos de
resistividade do concreto [20].
Intensidade da corrosão em termos de
resistividade (Ω.m) Corrosão
induzida por Forte Moderada Fraca
< 50 50-120 > 120
Cloretos
< 65 65-85 > 85
< 70 70-300 > 300-400
< 100 100-300 > 300
< 200 200-1000 > 1000
< 50 Sob discussão > 100-730
Outros
< 100 100-1000 > 1000-2000
< 100 100-1000 -
< 50 50-200 > 200
< 80 80-120 > 120
Outra correlação com a resistividade foi observada por SENGUL [21],
dessa vez com a difusividade iônica. Diversas misturas de concreto, na
presença de íons cloreto, foram testadas. Utilizaram-se medidas de
resistividade obtidas na literatura, a partir das quais se estimou valores de
difusão de cloretos. Com uma diferença de 9% entre os valores estimados e os
medidos, para as mesmas condições de ensaios, a relação se mostrou forte.
A figura 05 mostra a relação encontrada por SENGUL [21]:
18
Figura 05. Relação entre difusão de cloretos e resistividade elétrica [21].
Para todos os materiais porosos, a equação de Nernst-Einstein
expressa a relação entre a resistividade eléctrica e difusividade iónica, tal como
mostrado na equação 02:
(02)
onde é a difusividade para o íon i, R é a constante dos gases, T a
temperatura absoluta, Z é a valência iônica, F é a constante de Faraday, é o
número de transferência do íon i, é o coeficiente de atividade do íon i, é
a concentração do íon i na água dos poros, é a resistividade elétrica.
Para um íon específico e determinadas condições ambientais pode-se
afirmar que serão constantes: a valência iónica, número de transferência, o
coeficiente de atividade, constante dos gases, a constante de Faraday e a
temperatura absoluta. Para uma mistura de concreto específica, a
concentração iônica na água dos poros é também constante.
Uma vez que todos os parâmetros, com exceção da difusividade e
resistividade, são constantes para um determinado tipo concreto, para uma
dada condição de umidade e temperatura, estes parâmetros constantes podem
19
ser expressos por um parâmetro único, o Sendo assim, a equação 03 pode
ser reescrita como:
(03)
Onde representa uma constante equivalente à inclinação da reta de correção
entre difusividade e resistividade elétrica.
SANTOS [18] afirma que a resistividade do concreto é especialmente
sensível às características da pasta, pois a resistividade elétrica dos agregados
é acentuadamente maior que a da matriz cimentícia, o que rapidamente conduz
à conclusão de que quanto maior a relação pasta/agregado, menor será a
resistividade do concreto e vice-versa.
Nesse caso, a medida da resistividade será regida basicamente pela
disponibilidade de acesso e eletrólito na matriz cimentícia. Em geral, essas
disponibilidades são regidas pelas condições ambientais e de proporções e
procedimentos de mistura [20], lançamento e cura.
De acordo com PLOOY et al. [22], a medida de resistividade pode
variar ao longo de várias ordens de grandeza, sendo por esse motivo bastante
utilizada para mensurar as condições do concreto. Quando seco, o concreto se
comporta como isolante elétrico, podendo apresentar resistividade elétrica de
até 100.000 Ω.m. Quando saturado e na presença de íons, esse valor pode cair
para algo em torno de 10 a 500 Ω.m.
MADANI et al. [23] estudaram a influência de adições minerais ao
concreto sobre sua resistividade elétrica, e afirmam que a adição de sílica ativa
não tem representativa influência sobre a resistividade do concreto aos 7 dias.
Já a idades de 28 e 90 dias foram observadas melhoras significativas. A figura
06 mostra como diferentes quantidades de sílica ativa afetam o comportamento
resistivo do concreto. As proporções analisadas foram de 3, 5 e 7,5%.
20
Figura 06. Efeito da adição de sílica ativa na resistividade do concreto.
(adaptado de MADANI et al. [23])
Essa relação é confirmada por VIEIRA et al. apud ABREU [24], que
verificou maiores valores de resistividade para concreto contendo 6 e 12% de
microssílica, conforme mostra a figura 07:
Figura 07. Resistividade do concreto com adição de microssílica (VIEIRA et al.
apud ABREU [24]).
POLDER et al. [19] afirma que a resistividade do concreto está
relacionada com os principais estágios da vida em serviço de uma estrutura: a
iniciação e a propagação da corrosão. Locais onde a resistividade é menor
21
indica uma maior susceptibilidade à penetração de agentes deletérios, e apesar
de não fornecer informações sobre taxa de corrosão, indica locais onde o
processo pode estar ocorrendo de forma mais intensa.
Assim, as medidas de resistividade podem ser utilizadas como um
indicador de durabilidade e controle de qualidade do concreto, além da
possibilidade de rápida classificação, pois a medida de resistividade é
instantânea. A difusividade do concreto pode ser controlada indiretamente
através de tais medidas [25].
4.2.4 Técnicas eletroquímicas para medida da resistividade
A resistividade elétrica vem sendo estudada há alguns anos como uma
técnica não-destrutiva para avaliação do risco de corrosão em estruturas de
concreto armado. Sua grande importância deriva de uma alta sensibilidade às
condições do concreto, como umidade, temperatura, concentração iônica,
porosidade e interconexão entre poros [19, 22].
O princípio da medida da resistividade elétrica baseia-se na aplicação
de uma diferença de potencial entre dois eletrodos posicionados em faces
planas e opostas, ou embutidos no corpo de prova, e medição da corrente
elétrica gerada. A partir da relação entre tensão e corrente, determina-se a
resistência (R), de acordo com a lei de Ohm. A resistividade do concreto pode
ser obtida multiplicando-se o valor de (R) por um fator de correção chamado
constante de célula, que depende das dimensões do corpo de prova em
análise [11].
Algumas técnicas foram desenvolvidas ao longo dos anos para efetuar
esse tipo de medida, e diferenciam-se basicamente na quantidade de eletrodos
e no seu posicionamento na superfície do corpo de prova. Nesse caso é
importante observar a eficiência do contato elétrico entre o eletrodo e a
superfície do concreto [18].
De acordo com MILLARD apud SANTOS [18], a resistividade, a
princípio, pode ser medida utilizando-se dois eletrodos em contato com a
superfície do concreto. Trata-se de uma técnica pouco precisa e reprodutível,
pois é fortemente influenciada pelo tamanho dos eletrodos e condições de
22
superfície da amostra, como a presença de agregados nas proximidades dos
eletrodos, o que pode levar consideráveis erros de medição.
4.2.4.1 Quatro eletrodos
Inicialmente desenvolvido para medições de resistividade em solos, o
método dos quatro eletrodos leva o nome do seu criador, Wenner. Depois de
muitos estudos a técnica foi adaptada para o uso em concreto, desenvolvendo-
se assim equipamentos específicos para medidas neste tipo de material.
Neste ensaio os quatro eletrodos são posicionados de forma linear,
com espaçamento uniforme entre eles, conforme ilustrado na figura 08.
Figura 08. Esquema de medição da resistividade elétrica pelo princípio de
Wenner (adaptado de PLOOY [22]).
A medida é feita aplicando-se uma corrente elétrica alternada entre as
sondas externas (pontos A e B), e medindo-se a diferença de potencial entre as
sondas internas (M e N). Usualmente utiliza-se uma fonte de corrente alternada,
com frequência variando entre 50 e 1000 Hz. Evita-se a aplicação de corrente
contínua, devido o fenômeno de polarização do eletrodo que pode ocorrer
nesses casos, mascarando a medida [19].
23
A partir da relação entre a diferença de potencial medida e a corrente
elétrica aplicada, e considerando o valor da constante de célula, calcula-se o
valor de resistividade do concreto, de acordo com a equação 04:
(04)
Aparelhos modernos são capazes de fazer esse cálculo internamente,
oferecendo como resultado a medida direta da resistividade.
Esse método possui uma vantagem relacionada ao fato de que a
medida do potencial é registrada entre os dois eletrodos internos. A depender
da distância entre eles é possível evitar a forte influência da presença de
agregado graúdo. MILLARD apud SANTOS [18] afirma que um afastamento de
50 mm é suficiente para obtenção de medidas de resistividade relativamente
precisas em quase todo tipo de estrutura de concreto armado.
4.2.4.2 Técnica do Potencial de corrosão
Trata-se de um ensaio proposto para avaliar o potencial de corrosão
em armaduras de aço incorporadas ao concreto, o que é feito através da
análise qualitativa dos potenciais de eletronegatividade destes elementos em
relação a um eletrodo estável de referência.
Apesar da limitação intrínseca a essa técnica, que não possibilita a
determinação da taxa de corrosão, que é a velocidade com que o processo
corrosivo está a ocorrer, é possível identificar a presença de pontos críticos de
uma estrutura que podem estar em processo de corrosão ativo.
Mesmo sem perceber-se sintomatologia aparente, através dos valores
de eletronegatividade infere-se maior ou menor potencial para a ocorrência de
um processo corrosivo [26]. A norma americana ASTM C 876/91 estipula
valores limites de potencial eletroquímico e sua relação com o processo
corrosivo, conforme tabela 04. Esses valores são dados em relação ao eletrodo
de calomelano saturado, que será utilizado na presente pesquisa.
24
Tabela 04. Limites de potencial de corrosão com referência ao eletrodo de
calomelano saturado [26].
Tipo de eletrodo Probabilidade de ocorrer corrosão
< 10% 10% - 90% > 90%
Hg, Hg2Cl2/KCl (Calomelano
Saturado) > -0,124 V 0,124 V a -0,274 V < - 0,274 V
De acordo com FREIRE [27], em situações de resistividade eletrolítica
muito elevada, o potencial de corrosão pode possuir mais de um valor,
possivelmente relacionados às zonas anódica e catódica, devido a formação de
macropilhas, o que ocorre devido ao fenômeno da queda ôhmica.
Outra interferência causada por uma situação de alta resistividade do
concreto de cobrimento é a não identificação da corrente de corrosão, pois
naturalmente a corrente elétrica tende a evitar caminhos mais resistivos. Essa
característica depende da espessura da camada de cobrimento, e é
particularmente importante, pois pode fazer com que processos corrosivos em
estado ativo não sejam identificados (MONTEMOR apud. RIBEIRO [11]).
4.2.4.3 Espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE)
Segundo RIBEIRO [28], a espectroscopia de impedância eletroquímica
é uma técnica muito útil, devido sua versatilidade para a caracterização de
sistemas eletroquímicos. Capaz de caracterizar particularidades de variados
sistemas eletroquímicos, bem como determinar a influência de processos
individuais de eletrodo ou eletrólito, além de avaliar a transferência iônica em
regiões de volume e interface.
A impedância, de forma genérica, significa uma medida de
impedimento ou oposição ao fluxo, ocasionado fundamentalmente pela
transferência de energia, através de elementos carregados eletricamente. De
acordo com MONTENOR apud. RIBEIRO [11], a impedância de um circuito
elétrico representa o grau de dificuldade que um sinal elétrico, enviado a esse
circuito, encontra ao percorrê-lo. É uma combinação de elementos passivos de
um circuito elétrico: resistência, capacitância e indutância.
25
Essa técnica parte do pressuposto que determinado sistema
eletroquímico formado no sistema aço-concreto pode ser representado por um
circuito elétrico,
4.2.4.4 Ultrassom
A técnica de ultrassom consiste na medição da velocidade com que
uma onda sonora se propaga através de um corpo de prova, com frequências
entre 20 e 300 KHz [29].
Os equipamentos utilizados para esse tipo de medição são constituídos
por uma unidade central, que possui um gerador de impulsos elétricos, um par
de transdutores, emissor e receptor, um amplificador e um dispositivo
eletrônico para medição do tempo que leva até o pico (amplitude máxima) do
pulso gerado no transdutor emissor chegar ao transdutor receptor [30].
Esse método de ensaio fornece informações sobre propriedades
mecânicas do concreto, como resistência à compressão e módulo de
elasticidade, além de identificar a presença de falhas ou vazios no seu interior.
Apesar de não fornecer informações diretas sobre o processo da corrosão, as
características de qualidade do concreto mensuradas através deste
experimento são fortemente influentes sobre o fenômeno corrosivo [30].
A norma inglesa BS EN12504-4:2000 estabelece os procedimentos
para aplicação dessa técnica e fornece uma tabela que relaciona valores de
velocidade ultrassônica com a qualidade do concreto, conforme tabela 05:
26
Tabela 05. Relação entre velocidade de propagação e qualidade do concreto
(BS EN12504-4:2000).
Velocidade longitudinal da onda (Km/s) Qualidade do concreto
V < 2 Muito fraca
2 < v < 3 Fraca
3 < v < 3,5 Média
3,5 < v < 4 Boa
4 < v < 4,5 Muito Boa
V > 4,5 Excelente
4.3 O processo corrosivo
Pode-se definir corrosão como a interação destrutiva entre um metal e
o meio no qual está inserido. Esse processo ocorre através de reações
químicas ou eletroquímicas e pode estar associado ou não a esforços
mecânicos atuantes no material, podendo causar perdas significativas nas suas
propriedades fundamentais, tais como resistência mecânica, elasticidade e
ductilidade [7, 31].
Nessas reações os metais interagem com substâncias não metálicas
presentes no meio, formando compostos semelhantes aos encontrados na
natureza, dos quais foram extraídos. Sendo assim, é possível afirmar que a
corrosão se trata de um processo inverso à metalurgia, onde os metais tendem
a retornar ao seu estado combinado, termodinamicamente mais estável [32],
conforme representado no esquema da figura 09:
27
Figura 09. Ciclo metalurgia X corrosão [32].
Há duas formas de ocorrência da corrosão segundo sua natureza, a
oxidação (ou corrosão “seca”) e a corrosão eletroquímica (ou corrosão aquosa).
Ambas podem acometer as barras de aço do concreto armado [7].
A corrosão seca trata-se basicamente de ataques por reações do tipo
gás-metal, de onde forma-se uma fina película de óxidos na superfície metálica.
Esse processo, que ocorre de forma muito lenta à temperatura ambiente, não
afeta significativamente o metal, exceto à presença de gases extremamente
nocivos [7].
Comumente definida como a principal causa de degradação das
armaduras de aço-carbono do concreto armado, a corrosão eletroquímica se
caracteriza por ser um processo que ocorre em meio aquoso. A ocorrência
deste fenômeno é possibilitada pela formação de uma película de eletrólito na
superfície do metal, que no caso do concreto armado é propiciado pela
presença de água na sua rede de poros, fissuras e outros meios de acesso.
O processo da corrosão é resultado da formação de uma pilha ou
célula de corrosão, constituída basicamente por:
Ânodo: eletrodo de caráter eletrônico positivo, onde ocorrem as
reações de oxidação dos íons metálicos, também conhecidas como reações de
dissolução do metal. Os elétrons excedentes no metal tendem a migrar para as
28
zonas catódicas, enquanto os íons metálicos são liberados na solução
eletrolítica e estarão livres para reagir com outras substâncias.
Cátodo: eletrodo de caráter eletrônico negativo, onde ocorrem as
reações de redução dos íons de hidrogênio, da água do eletrólito e
eventualmente espécies eletroquímicas presentes no concreto. Essas reações
são possibilitadas pela presença dos elétrons extras que migraram das regiões
anódicas. Nessas zonas catódicas observa-se a chamada deposição catódica.
Eletrólito: meio condutor (geralmente líquido), contendo íons, que
possibilitarão o fluxo de elétrons, formando o circuito fechado da pilha.
Circuito metálico: condutor metálico. Nesse caso, a barra metálica
por onde os elétrons migram de zonas anódicas para catódicas.
Figura 10. Representação esquemática da célula eletroquímica de corrosão.
Segundo CASCUDO [7], a corrosão ocorre sob um determinado
mecanismo, no qual há a formação de íons metálicos e liberação de elétrons
na região anódica, onde se processa a dissolução do metal (região deteriorada,
desgastada), conforme indicado na equação 05, para o caso do Ferro:
2Fe → 2Fe2+ + 4e– (05)
29
De forma simultânea, ocorre no cátodo o consumo dos elétrons
liberados no ânodo, que resulta na redução dos íons de hidrogênio e do
eletrólito (H2O), formando os íons hidroxila OH-, conforme equação 06:
2H2O + O2 + 4e– → 4OH– (06)
Os produtos das reações que ocorrem nas regiões anódicas tendem a
se deslocar por difusão, através da solução do eletrólito, para a região catódica.
Sob o mesmo princípio, os produtos gerados nas regiões catódicas tendem a
migrar para as regiões anódicas. A interação química entre esses diversos
produtos está descrito nas equações 07, 08 e 09:
2Fe + 2H2O + O2 → 2Fe2+ + 4OH- (07)
2Fe2+ + 4OH- → 2Fe(OH)2 ou 2FeO. H2O (08)
2Fe(OH)2 + H2O + 1/2O2 → 2Fe(OH)3 ou Fe2O3.H2O (09)
O resultado dessas interações é a formação dos conhecidos produtos
finais da corrosão, ou ferrugem. A figura 11 ilustra como se dá o processo
corrosivo na superfície metálica:
Figura 11. Processo corrosivo na superfície metálica [25].
Na figura 11 (A) catodos e anodos são distribuídos aleatoriamente por
toda a superfície metálica e conectados eletricamente pelo substrato de aço.
Íons ferrosos e hidroxilas são formados através de reações eletroquímicas e se
30
difundem superficialmente. Quando se encontram, precipitam produtos que
originarão a ferrugem.
Conforme as áreas anódicas corroem, um novo material, de diferente
composição (a ferrugem) vai sendo exposto, conforme mostra a figura 11 (B).
Este novo material causa alterações dos potenciais elétricos entre as áreas
anódicas e catódicas, causando sua mudança local. O que era anodo passa a
ser catodo, e vice-versa.
Com o tempo, toda a superfície acaba se corroendo de modo uniforme
– figura 11 (C) [25].
4.3.1 Tipos de corrosão
Existem diferentes formas de ocorrência da corrosão, com
características físicas e químicas distintas, dentre as quais pode-se destacar a
galvânica, por concentração diferencial, sob tensão, por pites e generalizada.
A corrosão galvânica é uma forma bastante comum que ocorre quando
dois metais (ou ligas metálicas) com potenciais corrosivos distintos são
eletricamente conectados. Sua intensidade dependerá do meio corrosivo, da
extensão das áreas anódica e catódica, e da magnitude da diferença entre os
potenciais de corrosão dos metais/ligas que estão conectados.
Quando a superfície metálica esta em contato com diferentes
concentrações de diferentes agentes, tais como íons, oxigênio (aeração) ou
pela presença de frestas, tem-se o fenômeno da corrosão por concentração
diferencial. As áreas expostas à maior concentração iônica tenderão a assumir
a função de cátodo, onde ocorrerão as reações de redução.
Em peças submetidas tensões estáticas combinadas a um meio
corrosivo, o metal tenderá a sofrer a chamada corrosão sob tensão. Esse tipo
de ocorrência é particularmente perigosa, uma vez que a atuação de apenas
10% da carga máxima de resistência do metal é suficiente para propiciar o
surgimento de tal morfologia, caracterizada por fissuras no metal, além de
perda significativa de ductilidade [7]. Essas fissuras podem surgir nos
contornos de grãos (intergranular) ou entre os grãos (transgranular).
31
Não menos perigosa é a corrosão que ocorre pela formação de pites,
ou puntiforme. Associada ao conceito de micropilha ocorre pontualmente, e se
caracteriza por distâncias microscópicas entre o anodo e o catodo, ocorrendo
uma dissolução perigosamente concentrada do metal nestes pontos, com
grave perda de ductilidade.
De forma mais abrangente, a corrosão generalizada ataca grandes
áreas da superfície metálica. Mais comumente associada ao concreto armado,
caracteriza-se por distâncias maiores entres zonas anodicas e catodicas, onde
a consequência no metal é a formação de crateras, com consequente produção
de maior volume de produtos da corrosão, como os óxidos e hidróxidos.
4.3.2 Meios Corrosivos
É de fundamental importância a influência exercida pelo ambiente em
contato com a superfície metálica no processo corrosivo. Dentre eles podemos
destacar a atmosfera, águas naturais, solos e produtos químicos.
A intensidade de um processo corrosivo dependerá diretamente de
algumas características particulares do meio ambiente sob influência, tais como
umidade relativa, temperatura média, intensidade e direção dos ventos
(principalmente em zonas costeiras), chuvas, insolação e presença de
substâncias poluentes como fuligem, gases ácidos.
Em função das condições do ambiente a corrosão pode ser classificada
em seca: onde não há a presença de água, limitando-se o processo a uma
oxidação superficial; úmida: que ocorre em ambientes de umidade relativa
<100%, onde forma-se fina camada de eletrólito sobre a superfície do metal; e
molhada: a corrosão eletroquímica, onde o metal está em contato com a
solução liquida do eletrólito [33].
Essas condições de ambiente serão determinadas pelo clima e
atmosfera locais. A NBR 6118 (ABNT, 2014) prescreve que a agressividade do
meio ambiente está relacionada às ações físicas e químicas que atuam sobre
as estruturas de concreto armado, independentemente da influência da
32
atuação de outros agentes de naturezas diversas. A norma classifica os
ambientes conforme mostrado na tabela 06:
Tabela 06. Classes de agressividade ambiental de acordo com a NBR 6118
(ABNT, 2014).
Classe de
agressividade
ambiental
Agressividade
Classificação
geral do tipo de
ambiente para
efeito de projeto
Risco de
deterioração da
estrutura
I Fraca Rural
Insignificante Submersa
II Moderada Urbana Pequeno
III Forte Marinha
Grande Industrial
IV Muito forte
Industrial
Elevado Respingos de
maré
A atmosfera rural é considerada como a menos agressiva do ponto de
vista da ocorrência de corrosão, pois normalmente não possui agentes
agressores em concentrações suficientes para causar danos significativos.
Esses locais geralmente estão distantes de fontes poluidoras do ar, salvo em
situações onde haja uma fonte local específica, como áreas de armazenamento
de fertilizantes, por exemplo.
Regiões ao ar livre localizadas em grandes centros urbanos, com alta
taxa populacional, possuem atmosfera urbana. Nesses ambientes se verifica a
notável concentração de gases nocivos, tais como o óxidos de enxofre (SO2),
dióxido de carbono (CO2), além de outros gases, fuligem e chuvas ácidas. As
principais fontes são as oriundas de atividades humanas, como transporte
urbano e pequenas indústrias.
33
Ambientes localizados próximo ou sobre o mar sofrem a influência da
atmosfera marinha, fonte de composições fortemente agressivas às armaduras,
tais como cloretos de sódio, magnésio, potássio, além de sulfatos e diversos
outros agentes agressivos. Comparando com a atmosfera rural, é notoriamente
mais agressiva no que tange à velocidade de corrosão. Vinculada à ação dos
ventos tem sua capacidade deletéria potencializada, com a formação do spray
marinho, que contem uma combinação especialmente agressiva às estruturas:
íons cloreto e umidade.
Contaminada por fortes concentrações de diversos tipos de gases e
outros elementos ácidos, a atmosfera industrial oferece alto risco ao
desenvolvimento da corrosão, acelerando o processo significativamente. Sua
agressividade deve ser considera em conjunto com a umidade relativa do ar,
que estando abaixo de valores críticos não se caracterizará como meio para
ocorrência de acentuados processos corrosivos.
Locais fechados e com baixa taxa de renovação de ar, caracterizam a
atmosfera viciada. Exemplo mais significativo, coletores e interceptadores de
esgoto estão expostos a considerável concentração de gases contendo
sulfetos. Microrganismos capazes de oxidar enxofre e sulfetos podem criar
meios corrosivos para o concreto pela geração compostos agressivos como fim
desse processo, a exemplo do ácido sulfúrico.
A tabela 07 oferece valores de corrosão relativa entre atmosferas
distintas sob as quais as estruturas podem estar submetidas:
Tabela 07. Valores de corrosão relativa entre atmosferas distintas [18].
Atmosfera Corrosão Relativa
Rural Seca 1 – 9
Marinha 38
Industrial (marinha) 50
Industrial 65
Industrial, fortemente poluída 100
34
4.4 Corrosão das armaduras no concreto armado
A corrosão das armaduras de aço-carbono imersas nas estruturas de
concreto armado nada mais é que um caso específico da corrosão
eletroquímica em meio aquoso, que neste caso, se encontra confinado nos
poros da matriz cimentícia. Segundo HELENE [4], para que esse fenômeno
ocorra:
a) É necessário existir um Eletrólito: a existência de um eletrólito na
superfície das barras de aço é possibilitada graças à presença da água no
concreto, que é tanto maior quanto maior for a umidade relativa do ar. Sua
principal função é permitir o fluxo iônico no concreto, fechando o circuito
elétrico criado com a liberação dos elétrons a partir da dissolução do metal.
b) É necessário existir uma diferença de potencial (DDP): ao sofrer
dissolução, cada átomo de ferro libera dois elétrons, deixando a peça metálica
com carga negativa, criando-se assim, um potencial de equilíbrio ou reversível.
Esse potencial por si só não gera a força eletromotriz necessária ao
desenvolvimento da célula de corrosão, mas a presença de elementos capazes
de interagir com esses elétrons sobressalentes poderá produzi-la, dando início
ao processo.
c) É necessário presença de oxigênio: a presença de oxigênio é de
fundamental importância para a formação dos diversos óxidos de ferro, assim
como para a velocidade de corrosão. A figura 6 mostra como a crescente
concentração de O2 acelera o processo corrosivo até uma concentração em
torno de 10 ml/l. A partir desse valor o excesso da substância no eletrólito
acaba por dificultar sua difusão. No contexto da corrosão eletroquímica o
oxigênio é um agente a reduzir-se, utilizando os íons sobressalentes da zona
anódica.
35
Figura 12. Efeito da concentração de oxigênio na velocidade de corrosão [11].
d) Podem existir agentes agressivos: existem elementos que podem
acelerar o desenvolvimento do processo da corrosão como, por exemplo, os
íons cloreto (Cl-), sulfeto (S2-), gases ácidos, fuligem, etc, que agirão impedindo
a formação ou quebrando a película passivadora das armaduras.
A figura 13 ilustra esquematicamente a ocorrência da pilha
eletroquímica de corrosão na armadura embutida no concreto.
Figura 13. Representação esquemática da pilha eletroquímica de corrosão da
armadura no concreto [25].
36
Os principais sintomas relacionados à ocorrência da corrosão nas
armaduras são manchas de cor marrom avermelhado, fissurações paralelas ao
aço e destacamentos da camada de cobrimento do concreto, além de perda de
aderência entre a armadura e o concreto. A depender do estado de oxidação o
processo corrosivo do ferro metálico pode gerar compostos de volume até seis
vezes maior que o do metal, conforme ilustrado na figura 14. Esse aumento
volumétrico acaba por ocasionar o surgimento de tensões internas de tração no
concreto de até 15 Mpa, e são essas tensões que irão provocar as fissuras e
destacamentos já mencionados [25].
Figura 14. Variação de volume dos compostos resultantes do processo
corrosivo do ferro metálico [34].
O surgimento dessas trincas e fissuras geralmente não acarretam
grandes problemas estruturais, mas são potencialmente perigosas pelo fato de
abrirem caminho para a penetração de água, oxigênio e agentes agressores, o
que irá acelerar continuamente o processo corrosivo já instalado.
37
4.4.1 Passivação das armaduras
O concreto provê dupla proteção às armaduras metálicas: através do
cobrimento, de caráter físico, que propicia um relativo isolamento do meio
externo; e sua alcalinidade, de caráter químico. Nas primeiras idades, a
alcalinidade do concreto é conferida pela presença, nos seus poros, da solução
saturada de hidróxido de cálcio - Ca(OH)2, proveniente das reações de
hidratação dos silicatos de cálcio (C2S e C3S) presentes no cimento. Em idades
mais avançadas esse caráter alcalino passa a ser garantido pela presença dos
hidróxidos de sódio (NaOH) e de potássio (KOH), que conferem soluções de
pH variando entre 12,5 e 13,5 na fase líquida do concreto [35].
Esse meio altamente alcalino em que as armaduras metálicas estão
inseridas faculta a formação de uma película passivadora sobre sua superfície.
De característica altamente aderente, finíssima espessura e formada
basicamente por óxidos de ferro, esta película protege quimicamente o metal,
impedindo o acesso do oxigênio, umidade, agentes agressivos, assim como
dificultando a dissolução do metal [36].
Uma forma física adicional de proteção às barras é uma camada de
deposição de cristais hexagonais de hidróxido de cálcio na sua superfície,
formada por precipitação [7].
Num metal, a transição do estado ativo para o passivo reduz
significativamente a velocidade de corrosão, que acaba sendo muito lenta.
Essa redução pode chegar a ordem de 104 a 106 [11].
POURBAIX apud GENTIL [33] avaliou as reações termodinamicamente
possíveis em função do potencial de eletrodo, tendo como base o eletrodo
padrão de hidrogênio, e do pH do meio. Isso foi feito para diversos sistemas
metal-solução, e a figura 15 mostra o diagrama de Pourbaix simplificado para o
sistema ferro-água a 25°C, que serve como base para análise das condições
oferecidas pelo concreto às armaduras de ferro.
38
Figura 15. Diagrama de Pourbaix simplificado para o sistema ferro-água a 25°C
[33].
Através desse diagrama é possível identificar as condições em que o
metal estará num estado imune à corrosão, passivo, ou sujeito a ocorrência
deste processo deletério.
Na zona imune, a ocorrência das reações de corrosão é
termodinamicamente desfavorável, e o metal encontra-se estável. Na zona de
passivação os óxidos e hidróxidos do metal são estáveis; na zona de corrosão
as condições de potencial elétrico e pH são favoráveis a ocorrência da
dissolução do metal [33].
Na nas condições específicas de pH (entre 12,5 e 13,5) e faixa usual
de potencial de corrosão do ferro no concreto, têm-se um estado de passivação
do metal. Variações nos valores de pH, como por exemplo a redução causada
pela ocorrência da carbonatação, que reduz o pH a valores menores que 9, o
que induz as armaduras a um estado ativo, propício a ocorrência da corrosão.
Os mecanismos preponderantes para a ocorrência da perda da
camada passivadora do aço são a presença de íons cloreto e a redução do pH
através da ação da frente de carbonatação que, a depender da profundidade
que alcançar pode atingir a proteção do aço.
39
4.4.2 Íons Cloreto
A presença de cloretos no concreto pode se dar de diversas maneiras:
uso de aditivos aceleradores de pega, agregados e/ou água de mistura
contaminados, tratamentos de limpeza e atmosfera exposta a ambiente
industrial e névoa marinha.
Pode-se observar três diferentes formas de ocorrência no concreto:
quimicamente ligado ao aluminato tricálcico (C3A), dando origem ao cloro-
aluminato, também conhecido como sal de Freidel (C3A.CaCl2.10H2O);
adsorvido na superfície dos poros; ou sob forma de íons livres. Esta última,
foco de maior atenção, representa a fonte de íons que irão interagir no
processo corrosivo [4].
A penetração desses íons na matriz cimentícia se dá pela ação de um
mecanismo duplo, ocorrendo primeiro a sucção e depois a difusão. Sua
influência é extremamente danosa, visto que, além de aumentar a
condutividade do eletrólito, eles participam diretamente na formação dos
produtos de corrosão. Os ânions Cl- poderão atuar sem consumir-se, conforme
mostrado nas reações 10 e 11:
Fe3+ + 3Cl- FeCl3 + H20 (10)
FeCl3 + 3OH- 3Cl- + Fe(OH)3 (11)
Essa característica é particularmente nociva, uma vez que pequenas
quantidades dessa substância serão capazes de provocar graves problemas
corrosivos. A figura 16 mostra o efeito da concentração de cloreto de sódio
sobre a taxa de corrosão, para o caso do ferro em contato com água saturada
de ar, em temperatura ambiente [37].
40
Figura 16. Efeito da concentração de cloreto de sódio sobre a taxa de corrosão
[37].
Pode-se observar uma taxa máxima de corrosão para a concentração
de 3% de NaCl. Essa taxa é crescente até atingir um pico na concentração de
3%. Após isso ela decresce constantemente, visto que o excesso de íons
dificulta sua difusão no eletrólito.
Figura 16. Diagrama de Pourbaix simplificado para o sistema ferro-água com
cloretos (355 ppm).
41
A figura 16 mostra como a presença de cloretos reduz a área de
possibilidade de ocorrência da passivação do metal no diagrama de Pourbaix
simplificado para o sistema ferro-água. Observa-se que parte dessa área foi
substituída por uma região de passividade imperfeita e outra de ocorrência de
corrosão por pites.
4.4.3 Etapas de ocorrência da corrosão
Segundo TUUTTI apud ZHANG & LOUNIS [36], a corrosão pode ser
descrita como um processo de dois estágios, a iniciação e a propagação.
a) Iniciação
A iniciação da corrosão, também chamada de período dormente ou de
incubação, é tida como o período de tempo em que o agente agressivo penetra
no concreto, porém sem observarem-se danos relacionados, até que sua
concentração na superfície do aço atinja um valor limite para provocar sua
despassivação.
Um exemplo de atuação de um agente agressor sobre a película
passivadora é a presença do íon cloreto, conforme mostrado na figura 17, de
onde será gerado um processo corrosivo puntiforme. Na ilustração está
representado o momento final do período de iniciação da corrosão, quando a
película passivadora é rompida.
Figura 17. Rompimento localizado da película passivadora pela atuação de
íons cloreto (adaptado de PANNONI [21]).
42
As características de transporte de massa do concreto da camada de
cobrimento são determinantes nesse processo. A conformação da rede de
poros, bem como a existência de fissuras, pode acelerar o período de iniciação
da corrosão, uma vez que um concreto poroso e fissurado facilitará a
penetração dos agentes agressores. Particularidades do ambiente, como
temperatura e umidade, exercem um papel igualmente importante nesse
processo [9].
b) Propagação
A fase de propagação consiste no período de tempo em que se
desenvolvem a dissolução do metal e os produtos da corrosão, até que o
processo chegue a um estágio de danos inaceitáveis [18], conforme ilustrado
na figura 18.
Figura 18. Propagação da corrosão pela atuação de íons cloreto (adaptado de
PANNONI [34]).
Segundo ANDRADE apud SANTOS [18], a velocidade com que este
processo ocorrerá será controlada pelo teor de umidade presente nos poros do
concreto, que tem importante atuação como eletrólito. A figura 19 mostra a
influência da umidade na velocidade de corrosão, representada como “massa
corroída”. A umidade, por sua vez, é regulada pela temperatura, que atua
43
também com grande importância sobre o desenvolvimento do processo
corrosivo.
Figura 19. Influência da umidade relativa na velocidade de corrosão [18].
4.5 Fatores que influenciam o processo de corrosão
Diversos trabalhos técnicos [4, 7, 38, 39] citam a variada gama de
fatores que influenciam o processo da corrosão nas armaduras do concreto
armado, cada qual com sua devida relevância.
A camada de cobrimento de concreto age como uma barreira físico-
química contra agentes agressivos [27]. Desde que bem concebida pelo
projetista, e bem executada, com atenção a procedimentos de mistura,
transporte, lançamento, adensamento, cura, etc., essa camada se constituirá
numa importante barreira protetora. Alguns autores afirmam que a presença de
fissuras nessa camada apenas antecipa o início do processo de corrosão, não
comprometendo significativamente a vida útil da estrutura [7].
Cimentos com adições de escória de alto forno e materiais pozolânicos
apresentam estrutura da pasta mais compacta, reduzindo a difusividade iônica
e permeabilidade, e aumentando a resistividade do concreto. Destaca-se a
presença do C3A (aluminato tricalcico), capaz de combinar-se com os íons
44
cloreto, imobilizando-os na formação do cloroaluminato de cálcio, comumente
conhecido como sal de Friedel [7].
Para HELENE [4], a relação água/cimento é um dos parâmetros de
influência mais importantes quanto à corrosão das armaduras, pois,
determinará a qualidade do concreto. Esse parâmetro tem influência direta
sobre a difusividade dos agentes nocivos, o volume total de poros e a
resistência do concreto, sendo mais significativo que a própria espessura de
cobrimento.
Além disso, o tipo de aço empregado tem relevante importância sobre
o processo corrosivo, uma vez que diferentes metais/ligas metálicas
apresentam características peculiares quanto a corrosão. Diferenças na
composição química da superfície do aço também podem contribuir com o
processo de corrosão, por gerar gradientes de tensão [7].
Agentes agressivos podem ser incorporados ao concreto através da
utilização de aditivos aceleradores de pega, comumente constituídos por
cloreto de cálcio (CaCl2). Outras fontes são agregados e água contaminada,
além da utilização de ácido muriático (ou ácido clorídrico), para limpeza das
estruturas, prática frequente nas obras da construção civil [27].
Pode-se assim perceber que o processo corrosivo é influenciado por
diversos fatores, de naturezas distintas. A previsão do processo corrosivo
torna-se então uma difícil tarefa, onde geralmente há a atuação de mais de um
desses fatores a ser analisada.
4.6 Materiais Pozolânicos
Foram denominadas pozolanas as cinzas vulcânicas utilizadas há
muitos anos por gregos e romanos, que misturadas à cal geravam um produto
de propriedades hidráulicas, obtendo-se assim melhor desempenho mecânico
[9].
De acordo com a ASTM C 618 (1978) e a NBR12653 (ABNT, 2014), a
pozolana se caracteriza como um material silicoso ou silicoaluminoso que por
sí só possue pouca ou nenhuma propriedade aglomerante, mas, quando
45
finamente dividido e na presença de água, reage com o hidróxido de cálcio à
temperatura ambiente para formar compostos com propriedades aglomerantes.
A pozolana de origem vulcânica ou sedimentar com atividade
pozolânica, geralmente de caráter petrográfico ácido, com teores de SiO2 ≥
65%, é classificada como natural. Já a oriunda de tratamentos térmicos, como
argilas calcinadas, ou subprodutos industriais com atividades pozolânicas,
como a sílica ativa e a cinza volante, por exemplo, são classificadas como
artificiais [40].
ISAIA [41] cita que, a princípio, o uso de pozolanas teve como motivos
principais a diminuição dos custos e/ou aumento da resistência mecânica. No
entanto, foi observado através de pesquisas de laboratório, que ao longo do
tempo as adições minerais tornaram-se importantes para garantir uma maior
durabilidade das estruturas de concreto com elas executadas.
Para que o material pozolânico possua boa reatividade, é essencial
que a sílica esteja em seu estado amorfo, isto é, vítreo, pois quando em estado
cristalino sua reatividade é muito fraca [34].
A presença de pozolanas no concreto desencadeia efeitos químicos e
físicos, citados a seguir.
a) Efeito químico
O efeito químico está relacionado, basicamente, com a capacidade de
interação entre a sílica e o hidróxido de cálcio proveniente da hidratação do
cimento, gerando compostos hidratados similares aos formados durante a
hidratação do cimento, como o silicato de cálcio hidratado – C-S-H, que é o
principal responsável pela resistência das pastas de cimento. Essa interação
entre sílica e hidróxido de cálcio é denominada de reação pozolânica [42].
Quando numa solução rica em hidróxido de cálcio, como é o caso da
pasta de cimento, a sílica se dissolve devido ao pH elevado, segundo a reação
12.
SiO2 + 2OH- H2SiO42- (12)
46
Na presença de íons cálcio, liberados na quebra do hidróxido, o C-S-H
menos solúvel precipita [9], de acordo com a reação 13.
xCa2+ + H2SiO42- + 2(x-1)OH- + yH2O C-S-H (xCaO.SiO2.yH2O) (13)
A reação 13 descreve o mesmo processo que ocorre com os silicatos
de cálcio durante o processo de hidratação do cimento, entretanto, em
presença de sílica sólida a relação S/C do C-S-H é menor que a obtida da
dissolução dos silicatos de cálcio decorrentes da hidratação do cimento. A
reação pozolânica é definida como balanço das reações 12 e 13, que
descrevem processos de dissolução e precipitação, respectivamente [9].
A tabela 08 mostra as exigências químicas a serem atendidas por um
material pozolânico, segundo a NBR 12653 (ABNT, 2014).
Tabela 08. Exigências químicas para materiais pozolânicos segundo a
NBR12653 (ABNT, 2014).
Propriedades
Classe de Material Pozolânico
N C E
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 ≥ 70 ≥ 70 ≥ 50
SO3 ≤ 4 ≤ 5 ≤ 5
Teor de umidade ≤ 3 ≤ 3 ≤ 3
Perda ao fogo ≤ 10 ≤ 6 ≤ 6
Ácalis disponíveis em Na2O ≤ 1,5 ≤ 1,5 ≤ 1,5
Valores expressos em porcentagem (%)
b) Efeito físico
O efeito microfíler confere maior densidade e compacidade à matriz
cimentícia, através do preenchimento de vazios entre os grãos de cimento.
Para que esse mecanismo atue é necessário que o diâmetro médio das
47
partículas da adição sejam semelhantes ou inferiores ao diâmetro médio das
partículas do cimento.
O preenchimento dos vazios por diminutas partículas também
proporciona à matriz cimentícia um refinamento da estrutura de poros, uma vez
que sua presença cria pontos de nucleção para os desenvolvimento dos
cristais provenientes dos produtos de hidratação do cimento. Isso propicia o
desenvolvimento de uma quantidade maior de cristais de menor dimensão, ao
invés de menor quantidade de cristais relativamente maiores.
O resultado da ação conjunta do efeito microfíler e do refinamento da
estrutura de poros pode ser acompanhado pelo ensaio de absorção capilar. A
figura 20 mostra resultados obtidos por BARATA [43] sobre a taxa de absorção
capilar em concretos com adição de sílica ativa, metacaulim e uma referência.
Figura 20. Taxa de absorção capilar dos concretos de referência e com adições
de sílica ativa (SA) e metacaulim (MC) [43].
Outra influência importante dessa ação conjunta é o incremento nas
características da zona de transição entre a pasta e os agregados do concreto.
Devido a dificultação do movimento das moléculas de água, que mitiga
o efeito da exsudação, somado ao preenchimento mais efetivo dos vazios entre
48
os grãos do cimento e dos agregados, observa-se uma significativa redução de
espessura dessas zonas, o melhora o desempenho do concreto tanto do ponto
de vista mecânico quanto de durabilidade [40].
A tabela 09 traz as exigências acerca das características físicas que
devem ser apresentadas por um material pozolânico, segundo a NBR12653
(ABNT, 2014).
Tabela 09. Exigências físicas para materiais pozolânicos segundo a NBR12653
(ABNT, 2014).
Propriedades
Classe de Material Pozolânico
N C E
Material retido na peneira 45 μm * < 20 < 20 < 20
Índice de desempenho com cimento Portland aos 28 dias, em relação ao controle *
≥ 90 ≥ 90 ≥ 90
Atividade pozolânica com cal aos 7 dias ≥ 6 Mpa ≥ 6 Mpa ≥ 6 Mpa
(*) Valores expressos em porcentagem (%)
AGHABAGLOU et al. [44], num trabalho comparativo sobre os efeitos
da adição de diferentes minerais pozolânicos em matrizes cimentícias,
observou que essas adições influenciam positivamente diversas características
da matriz cimentícia, tais como resistência a compressão e propriedades de
transporte, que influencia diretamente parâmetros como absorção de água e
penetração de agentes deletérios.
Resultados positivos sobre a resistência a compressão também foram
obtidos por ZHANG e MALHOTRA [45], conforme mostrado na figura 21.
49
Figura 21. Evolução da resistência à compressão de concretos com relação a/c,
a/(c+MCAR) e a/(c+AS) igual a 0,4 [45].
As alterações observadas nas propriedades dos produtos cimentíceos
com a adição de pozolanas varia com a quantidade adicionada, com o
processo de mistura e com o tipo de material utilizados, e podem ser anilisadas
em três estágios distintos: pasta fresca, hidratação/cura e pasta endurecida.
Essas alterações podem ser de caráter físico e/ou químico, devido aos efeitos
microfiler e pozolânico, respectivamente.
4.6.1 Sílica ativa
A sílica ativa (ou microssílica) é um subproduto da produção de silício-
metálico e ferro-silício, insumos muito utilizados por indústrias metalúrgicas,
químicas e eletrônicas. A composição química da microssílica, assim como
suas propriedades físicas, varia com o tipo de liga produzida, com o processo e
matéria-prima utilizados [40]. A quantidade de resíduo gerado pode chegar a
cerca de 55% da quantidade de liga metálica produzida [46].
Constituindo-se macroscopicamente num pó finíssimo, que apresenta
superfície específica média aproximadamente duas ordens de grandeza maior
que o cimento (20.000 m²/kg da sílica contra 350 a 600 m²/kg do cimento), sua
50
coloração pode variar do cinza claro ao escuro, o que depende da quantidade
de carbono residual presente no material [24].
A adição de sílica ativa ao concreto tem demonstrado influência
positiva sobre suas propriedades, tanto no estado fresco quanto no estado
endurecido. Na pasta fresca o comportamento reológico é alterado,
apresentando maior coesão, com uma redução significativa na tendência a
segregação e exsudação. Além disso a viscosidade e as forças de atração
interna são aumentadas, obtendo-se assim um produto mais homogêneo [43].
Sua ação pozolânica, vinculada a extrema finura (efeito microfiler),
confere à matriz cimentícia uma microestrutura mais compacta e densa, com
menos poros e maior capacidade de resistir a esforços mecânicos e a ação de
agentes agressivos [34], sinônimo de maior durabilidade.
Segundo DAL MOLIN apud. VIEIRA et al. [24], pelo fato da reação da
microssílica com o hidróxido de cálcio ser rápida e pouco variável, menores
tempos de cura são necessários para atingir a resistência e estrutura de poros
desejada.
Devido ao tamanho reduzido, suas partículas preenchem espaços
intersticiais entre os grãos de cimento, a princípio ocupados pela água. Como
efeito, criam-se pontos de nucleação para os produtos de hidratação,
proporcionando um refinamento da estrutura de poros [34].
Para o concreto esse efeito é especialmente importante na zona de
transição pasta/agregado, uma vez que muitas das suas principais
propriedades são significativamente influenciadas pelas características desta
região [47].
Resultados obtidos por METHA e MONTEIRO [34] indicam reduções
superiores a 80% na espessura da zona de transição em concretos com adição
de sílica ativa, em relação a um concreto de referência, sem adições [48].
VIEIRA et al. [24] citam pesquisas realizadas com microssílica, nas
quais foi observado, em relação a um concreto sem adição, melhoria nos
resultados obtidos em ensaios de permeabilidade, penetração de íons cloreto,
absorção de água e perda de massa em decorrência de ação química.
Resultados obtidos por DOTTO et al. [49] revelam um acréscimo de até
5 vezes na resistividade elétrica de concreto com adição de 12% de sílica ativa.
51
O autor indica que este material pode ser utilizado de forma eficaz na proteção
das armaduras contra a corrosão.
Em contraponto, KULAKOWSKI et al. [50] afirma que concentrações
superiores a 10% dessa adição, eleva o potencial de ocorrência da corrosão
por carbonatação. Para proporções inferiores a 10% a situação inverte, e a
presença da sílica ativa passa a ter efeito positivo contra o avanço da frente
carbonatada.
METHA e MONTEIRO [34] concluíram que o teor ótimo de adição de
sílica ativa varia de 7% a 10% da massa de cimento, podendo chegar a teores
de 15% em algumas situações especiais. Valores muito semelhantes, variando
de 8% a 10%, foram sugeridos por AÏTCIN apud CARMO et al [51].
A influência da adição de microssilica a matrizes cimentícias, tais como
o refinamento da estrutura porosa (com consequente dificultação do transporte
de massa), a redução do teor de hidróxido de cálcio pela formação dos
produtos da reação pozolânica, além da redução do teor C/S nesses produtos,
tem distinto papel sobre o melhor desempenho de concretos quanto a
durabilidade.
4.6.2 Metacaulim
Normalmente obtido através da calcinação de argilas, cauliníticas ou
caulins de alta pureza, o metacaulim é um material aluminossilicoso, com
proporções semelhantes de SiO2 e Al2O3.
Apresenta-se numa escala de cores que varia do mais claro -
esbraquiçado, ao mais escuro - acinzentado. A cor depende essencialmente da
quantidade de sílica e alumínio presente; quanto mais claro, maior o teor de
sílica e alumínio, configurando-se num material mais puro e reativo; quanto
mais escuro menor o teor de sílica e alumínio, onde se tem um material menos
puro e reativo [51].
Quando a caulinita, um argilomineral constituído por silicatos
hidratados de alumínio (Al4Si4O10(OH)10), é submetida a tratamentos térmicos
entre 400ºC e 700ºC, ocorre o processo de desidroxilação, que destrói sua
estrutura cristalina pela remoção das hidroxilas. Esse processo a transforma
52
num componente amorfo, de elevada desordem cristalina e quimicamente
instável, conhecida por metacaulinita (Al2Si2O7) [43].
Dado suas características morfológicas, esse composto é responsável
pela atividade pozolânica do argilomineral, mas para temperaturas de
calcinação acima de 900ºC, haverá formação de compostos cristalinos estáveis,
pouco reativos e com insignificante atividade pozolânica [40, 43].
Assim como na sílica ativa, a reação pozolânica do metacaulin ocorre
pela interação da metacaulinita com os hidróxidos de cálcio presentes na pasta
cimentícia, formando gel C-S-H e alguns produtos cristalinos como aluminato
de cálcio hidratado e alumiossilicato hidratado - C2ASH8, C4AH13 and C3AH6
[52].
O metacaulim vem sendo largamente estudado e utilizado como adição
a argamassas e concretos. Demonstrando atividade pozolânica eficaz,
influencia de forma relevante na melhoria das propriedades mecânicas e de
durabilidade de matrizes cimentícias [52].
Vários autores [43, 51, 53] observaram que a adição de metacaulim
confere ao concreto no estado fresco maior coesão, facilidade de acabamento
e reduzida exsudação. Propriedades do estado endurecido, como a
compressão simples, tração por compressão diametral e absorção de água,
também foram otimizadas.
Em semelhança à sílica ativa, a presença de metacaulim em misturas
de concreto proporciona a densificação das zonas de transição pasta/agregado,
devido a ação do efeito microfiler [54].
ROSSIGNOLO et al. [53] verificou ainda, que a adição de 10% de
metacaulim reduziu, aproximadamente, uma média de 50% da profundidade de
carbonatação em relação a uma referência, que não continha adições.
Numa vasta revisão de literatura, SIDDIQUE [52] enumera diversas
vantagens do uso de metacaulim como adição a matrizes cimentícias, que
afetam diretamente sua durabilidade. Entre elas pode-se citar melhorias na
resistência mecânica nas primeiras e mais avançadas idades, redução da
absorção capilar, permeabilidade, maior resistência ao ataque de agentes
deletérios, como sulfatos e cloretos, e mitigação do efeito expansivo da reação
alcali-sílica, a depender do tipo de agregado.
53
A tabela 10 oferece um comparativo entre os requisitos fisico-químicos
exigidos em normalização brasileira, norte americana e indiana, para que um
material possa ser caracterizado como metacaulim.
Tabela 10. Requisítos fisico-quimicos para o metacaulim.
Característica Brasileira
NBR 15894-1*
Indiana
IS1344*
Americana
ASTM 618*
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 - ≥ 70 ≥ 70
SiO2 ≥ 44 e ≤ 65 ≥ 40 -
Al2O3 ≥ 32 e ≤ 46 - -
CaO + MgO ≤ 1,5 ≤ 13 -
SO3 ≤ 1 ≤ 3 ≤ 4
Na2O ≤ 0,5 - -
Equivalente alcalino em
Na2O ≤ 1,5 - -
Umidade ≤ 2 - ≤ 3
Peda ao fogo ≤ 4 ≤ 5 ≤ 10
Resíduo na peneira com
abertura de malha de 45μm ≤ 10 ≤ 12 ≤ 34
Índice de desempenho com
cimento aos 7 dias ≥ 105 - -
Índice de atividade
pozolânica (Chapelle) ** ≥ 750 - -
Área específica B.E.T. *** ≥ 15 - -
Álcalis solúveis em água - ≤ 0,1 -
Material solúvel em água - ≤ 1 -
* Valores expressos em (%)
** Expreso em (mgCa(OH)2 / gmaterial)
*** Expresso em (m².g-1)
54
4.6.3 Cinza volante
É um material finamente particulado, proveniente da queima de carvão
pulverizado ou granulado, a altas temperaturas: 1200 a 1600°C. Possui
superfície específica semelhante à do cimento, variando entre 300 e 700 m²/Kg,
e é um pouco mais leve, com massa específica em torno de 190 a 240 Kg/m³
[55].
A assim chamada cinza volante é a parte mais fina, arrastada pelos
gases de combustão e recolhidas por precipitadores eletrostáticos ou
mecanicamente, através de filtros ciclone, enquanto a cinza pesada é aquela
que fica depositada no fundo das fornalhas, e possuem textura mais grosseira.
A cinza volante é tradicionalmente adicionada na fabricação de
cimentos. A NBR 5736 (ABNT, 1991) define a faixa limite do teor de adição de
cinzas na fabricação do cimento pozolânico CP IV, que varia entre 15 e 50%.
Já a norma NRB 11578 (ABNT, 1991) define esse mesmo parâmetro para o
cimento CP II Z, que deve conter entre 6 e 14% de cinzas. De modo
semelhante, a norma americana ASTM C595 (1994) define dois tipos de
cimentos onde se permite utilizar a adição de cinzas na fabricação, com teores
limítrofes de 15 a 40% para o tipo I-P, e menos de 15% para o I-PM. [35]
De acordo com resultados obtidos em pesquisa realizada por VASKE
[56], a presença de até 30% de cinza volante em misturas de concreto
incrementou significativamente sua resistência à compressão (figura 22), ao
tempo que reduziu a absorção de água por capilaridade (figura 23). Foram
avaliados teores de 0, 15, 30 e 45% de cinza em substituição à massa de
cimento.
55
Figura 22. Influência de diferentes teores de cinza na resistência a compressão
do concreto [56].
Figura 23: Influência de diferentes teores de cinza na absorção de água do
concreto [56].
Em contraste aos resultados obtidos por VASKE [56], GLUITZ e
MARAFÃO [57] observaram perda de resistência mecânica com a adição de
cinzas. Esse comportamento foi atribuído ao fato do material (cinza) estudado
56
não ter apresentado atividade pozolânica satisfatória, pois o silicato não
apresentou-se na fase amorfa.
A figura 24 compara os resultados obtidos para proporções de 5, 10, 15
e 20% de cinza.
Figura 24. Influência de diferentes teores de cinza na resistência a compressão
[57].
Como resultado de sua pesquisa, DOTTO et al. [49] afirma que a
adição de cinza volante incrementa de forma significativa a resistividade
elétrica do concreto, que foi analisada pela técnica eletroquímica dos quatro
eletrodos (Wenner). Foi observado também melhorias nas propriedades de
permeabilidade, mesmo que estatisticamente desprezíveis.
Em concordância, SHAFAATIAN et al. cita em seu trabalho que a
adição de cinza volante em argamassa tem o efeito de redução do coeficiente
de difusividade iônica entre 400 a 700%, devido à redução da porosidade e do
tamanho dos poros, além das reações pozolânicas. Essa característica é
especialmente importante para a durabilidade do concreto armado.
57
5 METODOLOGIA
As atividades listadas abaixo são as fundamentais para realização
desta pesquisa:
5.1 Revisão de literatura
Durante todo o processo de estudos e ensaios estará em andamento
uma revisão de literatura focada em embasar a teoria utilizada nos processos
práticos, analisar resultados e dirimir qualquer dúvida sobre o assunto.
5.2 Caracterização das matérias-primas
5.2.1 Cimento
O cimento selecionado será caracterizado fisicamente, com a
determinação da sua área superficial (BET), massa específica (ABNT NBR NM
23:2001) e distribuição de tamanho de partículas (sedígrafo a laser). Em
seguida, serão realizadas análises químicas (fluorescência de raios-x, FRX) e
mineralógicas (difração de raios-x, DRX) para determinar sua composição e as
fases presentes.
Tabela 11. Normas/métodos a serem utilizados na caracterização do cimento.
ANÁLISE NORMA/MÉTODO
Área superficial BET
Massa específica NBR NM 23:2001
Distribuição do
tamanho das
partículas
Sedígrafo a laser
Química FRX
Mineralógica DRX
58
O cimento utilizado será o CP V-ARI RS, de alta resistência inicial, uma
vez que não possui adições pozolânicas, eliminando a possibilidade de
influência de outras adições reativas.
5.2.2 Agregados
Será feita a caracterização física dos agregados com medições da
massa unitária, massa específica, área superficial e análise granulométrica,
conforme normas/métodos referenciados na tabela 12.
Tabela 12. Normas/métodos a serem utilizados na caracterização dos
agregados.
ANÁLISE AREIA BRITA
NORMA/MÉTODO NORMA/MÉTODO
Área superficial BET -
Massa Unitária NBR NM 45:2006 NBR NM 45:2006
Massa específica NBR NM 52:2009 NBR NM 53:2009
Granulometria NBR NM 248:2003 NBR NM 248:2003
5.3 Dosagem
Serão dosados diferentes traços de concreto através do método do
American Concrete Institute (ACI), que baseia-se nas exigências de resistência,
durabilidade e trabalhabilidade. A consistência do concreto no estado fresco
será determinada a partir do ensaio de abatimento do tronco de cone (“slump
test”). Em seguida, serão moldados corpos de prova cilíndricos, para a
determinação das propriedades físicas e mecânicas: porosidade, densidade
aparente, distribuição dos tamanhos dos poros, absorção de água por
capilaridade (NBR 9779:2012), resistência à compressão (NBR 7215:1996).
59
5.4 Avaliação da corrosibilidade do concreto armado
Quanto ao comportamento do concreto frente à corrosão, serão
realizados os ensaios descritos a seguir.
5.4.1 Ensaio de medida do potencial de corrosão
No presente trabalho será avaliado o potencial de corrosão em corpos
de prova prismáticos com dimensões de 5x7x9 cm3, onde serão inseridas duas
barras de aço do tipo CA-50 com 6,3 mm de diâmetro por 100 mm de
comprimento, segundo metodologia adotada por RIBEIRO [11]. Com o intuito
de padronizar as condições de superfície, as barras de aço passarão por um
processo de limpeza, conforme preconiza a norma ASTM G-1/03:
Imersão em solução de ácido clorídrico 1:1 contendo 3,5 g/L de
hexametilenotetramina por dez minutos, para retirada da carepa de
laminação, de presença comum na superfície de aços CA-50;
Lavagem e escovação com cerdas plásticas em água corrente,
complementando o procedimento anterior;
Imersão em acetona por dois minutos, para limpeza de gorduras e
melhor evaporação da água;
Secagem com jato de ar quente.
Após o procedimento de limpeza e secagem as barras serão pesadas e
parcialmente revestidas com fita isolante, a fim de se delimitar as áreas que
estarão expostas ao ataque dos agentes agressores, conforme esquema
mostrado na figura 25.
60
Figura 25. (A) e (B) Esquema de delimitação da barra com fita isolante comum;
(C) e (D) esquema do posicionamento das barras de aço no corpo
de prova [11].
Os corpos de prova passarão por ciclos molhagem/secagem, com
exposição à solução saturada de cloreto de sódio a 3%/estufa. As medidas de
potencial serão realizadas a cada semiciclo, ou seja, a cada retirada da estufa
e a cada emersão da solução salina.
Após as medições dos potenciais, que serão realizadas com o auxílio
de um multímetro digital, os CP’s serão rompidos à compressão e suas
armaduras limpas, conforme preconiza a ASTM G-1/03, e pesadas, para
avaliar-se a perda de massa devido à corrosão.
Assim, a taxa de corrosão poderá ser calculada utilizando-se a
equação 14.
(14)
61
Onde K = constante (para TC(mm/ano), K=8,76.107; para TC(g/m2.ano), K =
8,76.107.D); W = perda de massa (g); A = área de exposição (cm2); T = tempo
de exposição (h); D = densidade (para o aço CA-50, D = 7,85 g/cm3).
5.4.2 Medida da resistividade elétrica do concreto
5.4.2.1 Técnica dos dois eletrodos
Na técnica dos dois eletrodos, utilizada por RIBEIRO [11], duas sondas
são imersas num corpo de prova de concreto de medidas 20x20x10 cm3. Cada
sonda é composta por dois eletrodos de aço inoxidável em formato anelar,
espaçados entre si e fixados num corpo de polietileno de alta densidade
(PEAD), de comportamento elétrico isolante.
Devido a esse espaçamento entre os eletrodos da sonda é possível a
realização de medidas a diferentes profundidades do cobrimento de concreto, o
que melhor representa a condição de resistividade do meio que está sendo
analisado.
A tensão aplicada entre as sondas, que devem ter um afastamento de
10 cm, gera uma corrente alternada que ira percorrer o concreto, conforme
esquema da figura 26.
62
Figura 26. Esquema para medida da resistividade pelo método dos dois
eletrodos [11].
Da relação entre a tensão aplicada e a corrente medida é possível
calcular a resistência do circuito, que será imperada pela parcela da
resistividade do concreto. O cálculo pode ser feito conforme equação 15:
(15)
Onde ρ é a resistividade elétrica do concreto (Ω.cm); V a tensão
aplicada no corpo de prova; I a intensidade de corrente medida, que o
atravessava; A a área da face do corpo de prova em contato com os eletrodos
(cm2) e; L a distância entre os eletrodos (cm).
63
5.4.2.2 Técnica das quatro sondas
Para a medição da resistividade elétrica do concreto, baseado no
princípio do dispositivo de Wenner, será utilizado o aparelho Resipod, da
fabricante Proceq.
Uma corrente elétrica alternada máxima de 200µA é aplicada por
diferença de potencial através das duas sondas localizadas nas extremidades
do equipamento, gerando um fluxo de corrente no concreto, enquanto as duas
sondas internas medirão a diferença de potencial. O aparelho faz os cálculos
automaticamente e fornece o valor da resistividade medida no material sob
análise, em kΩ.cm.
A figura 27 ilustra o esquema de medição.
Figura 27. Esquema de medição da resistividade do concreto utilizando-se o
conceito de Wenner dos quatro pontos.
64
5.4.2.3 Espectroscopia de impedância eletroquímica
Os corpos de prova utilizados nesse ensaio serão idênticos aos do
ensaio de potencial de corrosão, tanto nas dimensões quanto no tratamento
dado as barras metálicas.
Eles também serão submetidos a ciclos molhagem/secagem, com
exposição à solução saturada de cloreto de sódio a 3%/estufa. Como as
medidas são mais espaçadas que as de potencial de corrosão, as amostras
ficarão uma semana em estufa e três semanas em solução salina.
O eletrodo de calomelano satura será utilizado como referência, além
do contra-eletrodo de grafite. As barras do corpo de prova são utilizadas como
eletrodo de trabalho. Nos três primeiros meses as medidas devem ser feitas a
casa 30 dias e, após esse período, de dois em dois meses.
5.4.3 Ultrassom
Na presente pesquisa será utilizado o equipamento Pundit Lab, da
marca Proceq, que possui largura de banda entre 20 e 500 KHz.
Com esse equipamento pode realizar-se:
Medição da velocidade do pulso;
Medição da extensão do trajeto;
Avaliação de uniformidade;
Medição da velocidade da superfície;
Medição da profundidade da fissura;
Estimativa do módulo de elasticidade dinâmico de amostra;
Estimativa da resistência à compressão usando apenas a
velocidade de pulso, ou em combinação com um esclerômetro.
Antes de efetuar as medições é preciso observar alguns cuidados,
como medir da forma mais precisa possível a distância (extensão do trajeto)
entre os transdutores, assegurar o acoplamento acústico adequado dos
transdutores à superfície em teste, com aplicação de uma fina camada da
65
pasta de acoplamento ao transdutor e à superfície de teste. Em alguns casos
pode ser necessário preparar a superfície alisando-a.
A figura 28 ilustra o esquema de medição:
Figura 28: Esquema execução de medição com o aparelho de ultrassom.
Diversos fatores podem influenciar a velocidade de propagação, sendo
os mais importantes o comprimento total do percurso, dimensões do corpo de
prova, presença de armaduras, além de fatores influenciados pelo ambiente,
como temperatura e estado de umidade do concreto [30].
66
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74
7 RESULTADOS ESPERADOS
Determinação do teor ótimo de adição de materiais pozolânicos em
misturas de concreto, com vistas à melhoria dos seus parâmetros de
corrosibilidade, além de incremento em propriedades principalmente físicas e
mecânicas no estado endurecido.
Avaliação da influência da adição de materiais pozolânicos sobre a
resistividade elétrica do concreto, medida através de técnicas eletroquímicas.
Comparação entre técnicas eletroquímicas de medição da resistividade
elétrica do concreto.
Comparação entre a influência de diferentes materiais pozolânicos
sobre propriedades de corrosibilidade do concreto.
Avaliação da influência de materiais pozolânicos sobre as medidas de
potencial de corrosão em corpos de prova armados com aço-carbono.
8 IMPACTOS
8.1 Acadêimco
Consolidação das linhas de pesquisa relacionadas à durabilidade das
construções no Mestrado em Engenharia Ambiental Urbana (MEAU).
Consolidação dos nomes:
Laboratório de Ensaios em Durabilidade dos Materiais – LEDMa:
onde está a ser realizada toda a parte prática do trabalho, trata-se
de um laboratório muito bem equipado com maquinário moderno,
onde é possível a realização dos mais diversos ensaios relacionados
à durabilidade dos materiais.
Mestrado em Engenharia Ambiental Urbana – MEAU: busca-se
consolidar as linhas de pesquisa relacionadas à durabilidade dos
materiais deste programa de mestrado, e consolidar seu nome como
referência nacional e internacional.
75
Universidade Federal da Bahia: fortalecimento do nome da nossa
instituição de ensino, assim como sua Escola Politécnica e o
Departamento de Ciência e Tecnologia dos Materiais (DCTM).
8.2 Científico
A realização deste trabalho irá contribuir com a comunidade científica
voltada ao estudo da corrosibilidade do concreto, assim como da utilização de
materiais pozolânicos como adição a matrizes cimentícias. Será produzida uma
dissertação de mestrado, além de artigos científicos voltados ao tema.
8.3 Tecnológico
Determinação de teores ótimos de adições pozolânicas a matrizes
cimentícias com vista a obter-se melhorias na durabilidade, e
consequentemente na vida útil total das estruturas de concreto armado.
Fortalecimento do uso de técnicas eletroquímicas como parâmetro para
monitoramento de estruturas de concreto armado quanto a estados corrosivos.
8.4 Ambiental
Redução dos impactos ambientais causados por todo o ciclo de
produção e comercialização do cimento, já que o incremento de adições
pozolânicas se faz em substituição a um percentual de sua massa, reduzindo
seu consumo.
Redução dos impactos ambientais causados por atividades industriais
poluidoras, como a queima de biomassa e a produção de ferro-silício, a partir
do uso de resíduos dessas atividades, como cinza voltante e sílica ativa,
respectivamente.
Incremento da vida útil total das estruturas de concreto armado,
adiando intervenções de manutenção e uma possível geração de resíduos,
provenientes de partes de estruturas degradadas.
76
8.5 Social
Redução de gastos com procedimentos de manutenção periódica, visto
que o aumento da durabilidade do concreto acarreta um incremento da sua
vida útil. As estruturas podem ser mais eficientes e, portanto, mais duráveis.
Todos os impactos ambientais afetam direta e/ou indiretamente o bem
estar dos seres humanos.
77
9 CRONOGRAMA