ataque por sulfatos em estruturas de concreto(2011)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARAN

DANIELE KULISCH

ATAQUE POR SULFATOS EM ESTRUTURAS DE CONCRETO

CURITIBA 2011

DANIELE KULISCH


Trabalho de Concluso de Curso apresentado disciplina TC 047 Trabalho Final de Curso em Engenharia de Construo Civil, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paran, como requisito parcial obteno do grau de Engenheiro Civil.

Orient dor Prof Dr Laila Valduga Artigas

Co-orientador: Prof. Dr. Miguel Mansur Aisse

CURITIBA

2011

TERMO DE APROVAO

DANIELE KULISCH


Trabalho de Concluso de Curso aprovado como requisito parcial obteno do

grau de Engenheiro Civil, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paran,

pela seguinte banca examinadora:

Orientadora: Prof Dr Laila Valduga Artigas Co-orientador: Prof. Dr. Miguel Mansur Aisse

Membro da banca: Eng. Ms. Anderson Finamore Sabbag

Curitiba, 21 de dezembro de 2011.

AGRADECIMENTOS

A superao de metas consiste em um desafio dirio e contamos com o

apoio, a compreenso e a boa vontade de algumas pessoas.

Agradeo a Dus por poder chegar a este momento to sonhado de Final de

Curso.

A Professora Doutora Laila Valduga Artigas pela orientao, incentivo e

dedicao na elaborao deste projeto.

Ao Professor Doutor Miguel Mansur Aisse pela co-orientao, colaborao e

apoio.

A meus pais, Elizabeth e Nathan Kulisch, por todo o apoio e ensinamento

recebido em todas as fases de meu desenvolvimento. Por toda a pacincia, a

confiana e o amor.

A minha irm, Mariana, por todo o carinho e companheirismo.

Ao LABEAM Laboratrio de Engenharia Ambiental Francisco Borsari Netto,

unidade do DHS - Departamento de Hidrulica e Saneamento da Universidade

Federal do Paran, em especial ao Rafael Eduardo Farah pela ajuda e boa vontade.

Ao LAME Laboratrio de Materiais e Estruturas, unidade do LACTEC

Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, pelo emprstimo de suas

instalaes. Em especial, Mariana d'Orey Gaivo Portella e Marcelle Maia

Bonato pela disponibilidade e profissionalismo em me ajudar.

Aos engenheiros da USPE - Unidade de Servios de Projetos Especiais da

SANEPAR - Companhia de Saneamento do Paran, Anderson Finamore Sabbag e

Rosilete Busato, pelo apoio e suporte tcnico.

A todos que de alguma forma participaram da realizao deste trabalho e

acreditaram no sucesso desta pesquisa.

No sei como o mundo me v, mas eu me sinto como um garoto

brincando na praia, contente em achar aqui e ali, uma pedra mais lisa ou

uma concha mais bonita, mas tendo sempre diante de mim, ainda por

descobrir, "O grande oceano de verdades".

Isaac Newton

RESUMO

A agressividade do meio onde as estruturas de concreto esto inseridas pode reduzir a vida til das mesmas significativamente, como ambientes urbanos, marinhos, industriais, esgotos, entre outros, que apresentam em comum o on sulfato. Este reage quimicamente com os compostos do cimento e forma produtos expansivos, provocando a fissurao e desagregao do concreto. Nas Estaes de Tratamento de Esgotos, o sulfato responsvel por problemas de odor e deteriorao do concreto, ambos resultantes da reduo de sulfato a sulfeto de hidrognio e na sequncia, a cido sulfrico. O presente estudo visa avaliar a quantidade de sulfatos presente em uma Estao de Tratamento de Esgotos deteriorada, comparando-a com os valores citados na literatura. O valor encontrado de 45,35 mg/L de sulfato condizente com a literatura, porm um valor relativamente baixo para causar deterioraes to severas. Na sequncia, este trabalho busca comparar o efeito de diferentes concentraes de sulfato no concreto, utilizando o ensaio de variao dimensional. realizado o ensaio com diferentes solues agressivas: concentrao da norma brasileira (100g/L Na2SO4 equivalente a 67605,63 mg/L SO4

2-), concentrao encontrada no primeiro ensaio (45,35 mg/L SO4

2-), concentraes mnima e mxima da norma europia (400 e 1500 mg/L SO4

2- respectivamente), e cada uma comparada com uma soluo padro de gua saturada com cal. Conclui-se que a concentrao da norma brasileira causou expanso nas barras, enquanto as outras tiveram resultados subjetivos (manuteno do comprimento e at retrao), concluindo que este ensaio consistente apenas para concentraes elevadas de sulfatos. Conclui-se que o cimento utilizado CP II F no resistente a sulfatos.

Palavras-chave: Agressividade. Concreto. Sulfato. Esgoto.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Representao diagramtica da zona de transio e da matriz de cimento

no concreto. ............................................................................................................... 19

Figura 2: Cristais de silicato de clcio hidratado (C-S-H) .......................................... 24

Figura 3: Placas hexagonais de hidrxido de clcio .................................................. 25

Figura 4: Etringita (formato de agulhas) .................................................................... 25

Figura 5: Microestrutura do concreto: etringita e monossulfato ................................. 26

Figura 6: Figura esquemtica das causas fsicas de deteriorao ............................ 33

Figura 7: Figura esquemtica das causas qumicas da deteriorao ........................ 33

Figura 8: Modelo de ataque em material de base cimentcia por sulfato de sdio .... 40

Figura 9: Modelo de ataque em material de base cimentcia por sulfato de magnsio

.................................................................................................................................. 43

Figura 10: Ciclo do enxofre ....................................................................................... 44

Figura 11: Representao de cilindro de concreto exposto gua do mar............... 47

Figura 12: Representao esquemtica de afluente e efluente ................................ 54

Figura 13: Vista esquemtica do reator UASB .......................................................... 58

Figura 14: Dissociao do H2S .................................................................................. 62

Figura 15: Representao esquemtica da corroso sob o nvel dgua ................. 65

Figura 16: Mecanismo de deteriorao do concreto por ataque de cido sulfrico

biognico ................................................................................................................... 67

Figura 17: Representao esquemtica da corroso sobre o nvel dgua .............. 69

Figura 18: Caixa de distribuio do Reator Anaerbio UASB, de onde foi retirada a

amostra para ensaio .................................................................................................. 74

Figura 19: Vista geral da ETE visitada para coleta de amostra. Em destaque no

crculo vermelho a comporta da prxima figura ......................................................... 74

Figura 20: Comporta aberta, cujas paredes de concreto apresentavam uma camada

amarelada, evidenciando a presena de enxofre ...................................................... 75

Figura 21: Amostra de concreto da parede lateral extrada da comporta .................. 75

Figura 22: Curva de Calibrao 18/08/11 ............................................................... 77

Figura 23: Curva de Calibrao 31/10/11 ............................................................... 78

Figura 24: Espectrofotmetro utilizado ...................................................................... 79

Figura 25: Detector de gs utilizado para medio de gs sulfdrico ........................ 80

Figura 26: Diferentes fraes de areia utilizadas ...................................................... 83

Figura 27: Argamassadeira realizando a mistura mecnica da argamassa .............. 83

Figura 28: Argamassadeira realizando a mistura mecnica da argamassa .............. 84

Figura 29: Moldes prontos para o preenchimento ..................................................... 84

Figura 30: Preenchimento dos moldes ...................................................................... 85

Figura 31: Corpos-de-prova retirados dos moldes .................................................... 86

Figura 32: Barras quebradas durante a desforma ..................................................... 86

Figura 33: Recipientes contendo as barras imersas em gua saturada com cal ...... 87

Figura 34: Recipientes dentro da estufa .................................................................... 88

Figura 35: Relgio comparador ................................................................................. 89

Figura 36: Leitura efetuada com o relgio comparador ............................................. 89

Figura 37: Grfico resultante do ensaio comprimento das barras .......................... 95

Figura 38: Grfico resultante do ensaio expanses mdias ................................... 97

Figura 39: Grfico resultante do ensaio expanses resultantes. Limite para cimento

resistente a sulfatos: 0,030%. ................................................................................... 99

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Principais componentes do cimento Portland ............................................ 22

Tabela 2: Classes de agressividade ambiental ......................................................... 30

Tabela 3: Correspondncia entre classe de agressividade e qualidade do concreto 31

Tabela 4: Correspondncia entre classe de agressividade e cobrimento nominal para

c = 10 mm ............................................................................................................... 31

Tabela 5: Limites mximos para a expanso devida reao lcali -agregado e

teores de cloretos e sulfatos presentes nos agregados ....................................... 52

Tabela 6: Concentrao de sulfato: tabela resumo da concentrao em esgotos

domsticos ................................................................................................................ 54

Tabela 7: Faixas de variao das concentraes de sulfato e sulfeto para afluentes e

efluentes dos reatores UASB tratando esgotos domsticos...................................... 55

Tabela 8: Principais produtos utilizados no tratamento de gua e esgotos ............... 56

Tabela 9: Fatores que afetam a ocorrncia de odores .............................................. 61

Tabela 10: Principais caractersticas do esgoto domstico ....................................... 64

Tabela 11: Requisitos para concreto exposto a solues contendo sulfatos ............ 69

Tabela 12: Nvel de exposio aos sulfatos conforme normas tcnicas existentes em

outros pases ............................................................................................................. 70

Tabela 13: Nvel de exposio aos sulfatos com presena simultnea de Mg, NH4 e

Cl, conforme a Norma TGL 11 357 ........................................................................... 70

Tabela 14: Classificao da agressividade ambiental ............................................... 71

Tabela 15: Curva de calibrao realizada com a amostra coletada no dia 18/08/11 77

Tabela 16: Curva de calibrao realizada com a amostra coletada no dia 31/10/11 78

Tabela 21: Materiais utilizados na preparao das solues agressivas .................. 82

Tabela 22: Materiais utilizados na dosagem das argamassas de cada srie ............ 82

Tabela 19: Leituras iniciais (18/08/11) ....................................................................... 90

Tabela 20: Leituras iniciais (31/10/11) ....................................................................... 90

Tabela 21: Leituras finais (18/08/11) ......................................................................... 91

Tabela 22: Leituras finais (31/10/11) ......................................................................... 91

Tabela 23: Leituras efetuadas (mm) mtodo 1 ....................................................... 94

Tabela 24: Leituras efetuadas (mm) mtodo 2 ....................................................... 95

Tabela 25: Clculo da Expanso em cada idade correspondente (%) ...................... 96

Tabela 26: Clculo da expanso mdia (%) .............................................................. 96

Tabela 27: Expanso mdia resultante (%)............................................................... 97

Tabela 28: Expanso resultante (%) ......................................................................... 98

LISTA DE SMBOLOS

C - CaO - Cal viva

S - SiO2 - Slica

H - H2O - gua

A - Al2O3 - Alumina

F - Fe2O3 - xido frrico

M - MgO - Magnsia

- SO3 - Trixido de enxofre

CH - Ca(OH)2 - Hidrxido de clcio

C3S - 3CaO . SiO2 - Silicato triclcico

C2S - 2CaO . SiO2 - Silicato diclcico

C3A - 3 CaO . Al2O3 - Aluminato triclcico

C4AF - 4 CaO . Al2O3 . Fe2O3 Ferro aluminato tetraclcico

C-S-H - 3CaO . 2SiO2 . 3H2O Silicato de clcio hidratado

C H2 - CaSO4 . 2H2O - Gipsita

C6A 3H32 - 6CaO . Al2O3 . 3 SO4 . 32 H2O - Etringita

C4A H18 - 4CaO . Al2O3 . SO4 . 18H2O - Monossulfoaluminato de clcio hidratado

a/c - gua/cimento

CH4 - Metano

CO2 - Dixido de carbono

CO - Monxido de carbono

O3 - Oznio

O2 - Oxignio

SO2 - Dixido de enxofre

NO2 - Dixido de nitrognio

NO - Monxido de nitrognio

CO32- - Carbonato

CaCO3 - Carbonato de clcio

SO42- - Sulfato

CaSO4 - Sulfato de clcio

Na2SO4 - Sulfato de sdio

MgSO4 - Sulfato de magnsio

(NH4)2SO4 - Sulfato de amnio

SO - Enxofre absoluto

S2- - Sulfeto

H2S - Gs sulfdrico

H2SO4 - cido sulfrico

H2SO3 - cido sulfuroso

HSO4- - Bissulfato

FeS2 - Pirita / Marcasita

FeSO4 - Sulfato ferroso

Fe2(SO4)3 - Sulfato frrico

FeS - Pirrotita

CuFeS2 - Calcopirita

SUMRIO

1 INTRODUO .................................................................................................... 15

1.1 JUSTIFICATIVA ........................................................................................... 15

1.2 OBJETIVO.................................................................................................... 16

1.3 ORGANIZAO DO TRABALHO ................................................................ 16

2 REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................... 18

2.1 ESTRUTURA INTERNA DO CONCRETO ................................................... 18

2.1.1 Fases constituintes ................................................................................ 19

2.1.1.1 Zona de Transio .......................................................................... 19

2.1.1.2 Fase Agregado ................................................................................ 20

2.1.1.3 Pasta endurecida ............................................................................ 21

2.1.2 Reaes de hidratao do cimento Portland ......................................... 21

2.1.3 Porosidade e Permeabilidade ................................................................ 26

2.2 DURABILIDADE ........................................................................................... 28

2.2.1 Origens e causas das manifestaes patolgicas ..................................... 28

2.2.2 Grau de agressividade ............................................................................... 30

2.2.3 Agentes de deteriorao ............................................................................ 32

2.2.4 Principais manifestaes patolgicas ........................................................ 34

2.2.5 Ambientes agressivos ................................................................................ 34

2.3 REAES EXPANSIVAS ............................................................................ 35

2.4 ATAQUE POR SULFATOS .......................................................................... 36

2.4.1 Reaes do Sulfato de Clcio .................................................................... 38

2.4.2 Reaes do Sulfato de Sdio .................................................................... 39

2.4.3 Reaes do Sulfato de Magnsio .............................................................. 41

2.5 CICLO DO ENXOFRE ..................................................................................... 43

2.5.1 Bactrias redutoras de sulfato ................................................................... 44

2.5.2 Bactrias sulfoxidantes .............................................................................. 44

2.5.3 Nveis de oxidao ..................................................................................... 45

2.6 FONTES DE SULFATOS ................................................................................. 45

2.6.1 Sulfato nas guas .................................................................................. 46

2.6.2 Sulfato nos solos ................................................................................... 48

2.6.3 Sulfato nos agregados ........................................................................... 49

2.6.4 Sulfato nos esgotos ............................................................................... 53

2.7 PROBLEMAS CAUSADOS POR SULFATOS E SULFETOS EM SISTEMAS

DE COLETA E TRATAMENTO DE ESGOTOS ..................................................... 57

2.7.1 Tratamento anaerbio ........................................................................... 57

2.7.2 Problemas de odor ................................................................................ 59

2.7.3 Problemas de corroso .......................................................................... 63

2.7.3.1 Caractersticas do esgoto................................................................ 64

2.7.3.2 Agressivid de sob o nvel dgu .................................................... 65

2.7.3.3 Agressivid de sobre o nvel dgu ................................................ 66

2.7.4 Valores de avaliao ............................................................................. 69

3 MATERIAIS E MTODOS .................................................................................. 72

3.1 QUANTIFICAO DA CONCENTRAO DE SULFATOS EM AMOSTRA DE

ESGOTO ................................................................................................................ 72

3.1.1 Escolha do mtodo .................................................................................... 72

3.1.2 Coleta da amostra...................................................................................... 73

3.1.3 Aparelhagem.............................................................................................. 75

3.1.4 Preparao das solues reagentes .......................................................... 76

3.1.5 Preparao da Curva de Calibrao de SO42- ........................................... 76

3.1.6 Leitura no espectrofotmetro ..................................................................... 79

3.2 DETERMINAO DA VARIAO DIMENSIONAL DE BARRAS DE

ARGAMASSA DE CIMENTO PORTLAND EXPOSTAS SOLUO DE

SULFATO DE SDIO ............................................................................................ 80

3.2.1 Aparelhagem.............................................................................................. 81

3.2.2 Preparao da soluo agressiva de sulfato de sdio ........................... 81

3.2.3 Dosagem da argamassa ........................................................................ 82

3.2.4 Cura ....................................................................................................... 85

3.2.5 Medio dos comprimentos das barras ................................................. 88

4 ANLISE DOS RESULTADOS ........................................................................... 90

4.1 ANLISE DA QUANTIDADE REAL DE SULFATOS EXISTENTE EM UMA

ESTAO DE TRATAMENTO DE ESGOTOS ...................................................... 90

4.1.1 Leituras do espectrofotmetro ................................................................... 90

4.1.2 Expresso dos resultados .......................................................................... 91

4.2 ANLISE DO EFELITO DE DIFERENTES CONCENTRAES DE SULFATO

NO CONCRETO .................................................................................................... 93

4.2.1 Leituras do relgio comparador ................................................................. 93

4.2.2 Clculo das expanses .............................................................................. 96

4.2.3 Expresso dos resultados .......................................................................... 98

5 DISCUSSO DOS RESULTADOS ................................................................... 100

6 CONCLUSO E CONSIDERAES FINAIS ................................................... 103

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................................................ 104

15

1 INTRODUO

Segundo Lima (2005), de maneira geral, os estudos sobre durabilidade das

estruturas de concreto levam em considerao aspectos relativos aos constituintes

dessa estrutura (agregados, cimento, ao, entre outros); a sua mistura (relao

gua/cimento ou gua/aglomerante, uso de aditivos, etc) ou ento a sua construo

(condies de cura, por exemplo). Porm, o autor atenta para a necessidade de

conhecermos o meio ambiente onde a estrutura est inserida para realmente

entendermos o seu comportamento, visto que este meio pode fazer com que um

concreto devidamente especificado e executado tenha sua vida til reduzida

significativamente.

Diversos ambientes apresentam-se de maneira agressiva ao concreto,

desde ambientes urbanos, marinhos, industriais, esgotos, entre outros. Uma das

propriedades comuns a estes ambientes a presena do on sulfato (LIMA, 2005).

De acordo com Mehta e Monteiro (2008), no incomum encontrar

concentraes de sulfato deletrias ao concreto em ambientes naturais e industriais:

guas subterrneas que contm sulfatos de magnsio, sdio e potssio; solos e

guas agrcolas que contm sulfato de amnia; efluentes de fornos que utilizam

combustveis com alto teor de enxofre; efluentes de indstrias qumicas que contm

cido sulfrico; decomposio de material orgnico em pntanos, lagos rasos, poos

de minerao; tubulaes de esgoto levam a formao de gs sulfdrico; a gua

utilizada em torres de resfriamento de concreto tambm pode ser uma fonte

potencial de ataque por sulfato, devido formao gradual de sulfatos pela

evaporao da gua, entre outros.

1.1 JUSTIFICATIVA

Apesar da importncia do tema, existem poucos trabalhos acadmicos e

pesquisas a respeito do ataque de sulfatos em estruturas de concreto.

Segundo Sawyer, McCarty e Parkin (2003), o sulfato indiretamente

responsvel por dois graves problemas: odor nas Estaes de Tratamento de

Esgoto (ETEs) e deteriorao do concreto. Ambos so resultantes da reduo de

sulfato a sulfeto de hidrognio em condies anaerbicas.

16

Dentre os principais gases odorferos gerados nas estaes, Souza, M. L.

de. (2009) cita gs sulfdrico, mercaptanas, amnia e compostos orgnicos volteis.

Como consequncias, o autor aponta para desconforto aos funcionrios da estao

e populao vizinha, reclamaes, denncias aos rgos ambientais e ao

Ministrio Pblico, aes indenizatrias e depreciao da imagem da empresa.

No Estado do Paran, a SANEPAR - Companhia de Saneamento do Paran

opera 211 sistemas de tratamento de esgotos, sendo trs delas com processo de

lodo ativado com aerao prolongada e 208 com processo anaerbio, atravs do

reator Ralf/UASB, lagoas e filtros (SOUZA, M. L. de., 2009).

Os problemas comuns aos ambientes anaerbios esto presentes com

frequncia tambm nas ETEs do Paran, sendo que a reconstruo ou substituio

das partes constituintes dos sistemas de coleta e tratamento de esgoto, desde as

tubulaes coletoras, poos de visitas, entrada das ETEs (gradeamento e

desaerador), e principalmente reatores anaerbios, apresenta um custo muito

elevado. Assim, o estudo do ataque de sulfatos em estruturas de concreto torna-se

interessante e desafiador.

1.2 OBJETIVO

Este trabalho tem como principais objetivos:

Analisar a quantidade real de sulfatos existente em uma Estao de

Tratamento de Esgotos e comparar este valor com os valores citados na

literatura;

Analisar o efeito de diferentes concentraes de sulfato no concreto.

1.3 ORGANIZAO DO TRABALHO

A estrutura deste presente trabalho consiste nos captulos descritos a seguir.

A Introduo apresentada no Captulo 1, atravs da apresentao do

tema, justificando a escolha, a importncia e a relevncia do mesmo e explicitando

os objetivos do trabalho.

17

Na sequncia, a Reviso Bibliogrfica dos temas pertinentes apresentada,

configurando assim o Captulo 2.

No Captulo 3, so descritos os Materiais e Mtodos utilizados,

configurando-se a parte experimental, cuja Anlise dos Resultados apresentada no

Captulo 4.

O captulo 5 composto pela Discusso dos resultados, seguido pelas

Concluses e Consideraes Finais, apresentadas no captulo 6.

Por fim, so apresentadas as Referncias Bibliogrficas consultadas e

citadas na elaborao deste trabalho.

18

2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 ESTRUTURA INTERNA DO CONCRETO

O concreto pode ser definido segundo Arajo, Rodrigues e Freitas (2000)

como o material resultante da mistura de aglomerante, agregado mido, agregado

grado, gua e, se necessrio, aditivos, seguindo uma proporo pr-determinada.

De acordo com Mehta e Monteiro (2008), o concreto um material

compsito que consiste essencialmente de um meio aglomerante (mistura de

cimento hidrulico e gua), dentro do qual esto mergulhadas partculas ou

fragmentos de agregado. O aglomerante mais utilizado para a fabricao de

concreto o cimento Portland - material finamente pulverizado que, somente quando

hidratado, adquire propriedades ligantes, decorrentes das reaes qumicas que

ocorrem entre os minerais do cimento e a gua. Os elementos que formam a pasta

de cimento so visualizados apenas com auxlio de um microscpio, enquanto as

partculas de agregado grado so facilmente vistas no concreto.

Paulon (2005) compara o concreto endurecido a uma rocha artificial, visto

que o concreto adquire a forma de um conglomerado, formado por agregados de

diversas dimenses, envoltos por uma pasta de cimento. Esta pasta heterognea,

formada por partculas, filmes, microcristais e elementos slidos, ligados por uma

massa porosa que contm vazios (poros) e espaos com solues.

Segundo Mehta e Monteiro (2008), a microestrutura do concreto

determinada pelas fases que a compe e suas caractersticas: tipo, quantidade,

tamanho, forma e distribuio. Os autores diferenciam que, a nvel macroscpico,

so visveis apenas duas fases (partculas de agregado e matriz de pasta de

cimento), enquanto a nvel microscpico, aparece uma terceira fase: a regio

interfacial entre as partculas de agregado grado e a pasta endurecida, conhecida

como zona de transio. Este conceito complementado por Paulon (2005), ao

abordar que as propriedades mecnicas, elsticas, fsicas e qumicas do concreto

dependem de diversos fatores relativos pasta, aos agregados e ligao entre

eles, sendo que todas as fases contribuem para as propriedades finais do concreto.

19

2.1.1 Fases constituintes

2.1.1.1 Zona de Transio

Paulon (2005) define a zona de transio como a regio de maior

porosidade, devido formao de cristais de grandes dimenses, como podemos

perceber atravs da figura 1. Mehta e Monteiro (2008) descrevem como resultado

destas caractersticas a baixa resistncia da zona de transio, quando comparada

resistncia do agregado e da pasta de cimento, representando o ponto de ruptura

d estrutur , ch m do pelos utores de elo m is fr co d corrente

Figura 1: Representao diagramtica da zona de transio e da matriz de cimento no concreto. Fonte: MEHTA; MONTEIRO, 2008

Paulon (2005) diferencia a zona de transio da pasta de cimento no que diz

respeito ao comportamento do material em cada direo: enquanto a pasta de

cimento pode ser considerada um meio isotrpico (mesmas propriedades em todas

as direes), a zona de transio fortemente anisotrpica (propriedades diferentes

em direes diferentes). Os cristais lamelares formados na zona de transio geram

uma orientao preferencial em relao superfcie do agregado, facilitando a

propagao intercristalina das fissuras. Desta maneira, forma-se uma concentrao

de tenses sempre que o concreto submetido a aes mecnicas, fragilizando a

regio.

20

Mehta e Monteiro (2008) citam alguns fatores responsveis pela baixa

resistncia da zona de transio: grande volume de vazios capilares e cristais de

hidrxido de clcio orientados e a presena de microfissuras. Os autores

apresentam que a microestrutura da zona de transio exerce grande influncia na

rigidez ou no mdulo de elasticidade do concreto.

Do ponto de vista das trs propriedades essenciais do concreto: resistncia

mecnica, porosidade e durabilidade, a ligao entre a pasta de cimento e o

agregado resulta no s de um entrelaamento mecnico dos produtos de

hidratao do cimento, mas tambm da reao qumica entre agregado e a pasta de

cimento (PAULON, 2005).

2.1.1.2 Fase Agregado

A NBR 7211 estabelece requisitos para os agregados, os quais devem ser

compostos por gros de minerais duros, estveis, compactos, durveis e

limpos. Alm disso, a norma delimita a peneira # 4 (4,75 mm) como limiar entre o

agregado grado e mido, sendo aquele retido nesta malha e este, passante

(ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS TCNICAS - ABNT, 2009).

A fase agregado ocupa de 60 a 80% do volume do concreto, sendo a

principal responsvel pelas seguintes propriedades: massa unitria, mdulo de

elasticidade e estabilidade dimensional do concreto. Suas caractersticas fsicas

(forma, textura, volume, tamanho e distribuio de poros) podem ser consideradas

mais importantes do que a composio qumica ou mineralgica (MEHTA;

MONTEIRO, 2008).

De acordo com Neville (1997), o agregado tem influncia no apenas na

resistncia, mas tambm na durabilidade e no desempenho estrutural do concreto.

Deve-se considerar o agregado como um material no inerte e cujas propriedades

fsicas, trmicas e qumicas apresentam influncia no desempenho final do concreto,

no subestimando sua importncia.

21

2.1.1.3 Pasta endurecida

Segundo Mehta e Monteiro (2008), a pasta endurecida, de aparncia

homognea a olho nu, apresenta na verdade uma estrutura tambm heterognea,

formada por trs fases: slidos, vazios e gua.

Os autores definem os slidos na pasta de cimento como os produtos das

reaes de hidratao: silicatos de clcio hidratado (C-S-H), hidrxido de clcio

[Ca(OH)2], sulfoaluminatos de clcio (etringita) e gros de clnquer no hidratados.

Os vazios so divididos por Mehta e Monteiro (2008) em: espaos

interlamelares no C-S-H (poros muito pequenos, irrelevantes na permeabilidade,

mas importantes na retrao), vazios capilares (correspondem ao espao no

preenchido pelos slidos da pasta de cimento hidratada, resultando na porosidade

do material), ar incorporado (bolhas de 50 a 200 m que favorecem a

trabalhabilidade) e ar aprisionado (bolhas de at 3 mm, aprisionadas durante a

mistura na betoneira). O valor 50 nm separa micro e macroporos, sendo microporos

os vazios menores que 50 nm (importantes para a retrao e a fluncia) e

macroporos os vazios maiores que 50 nm (prejudiciais resistncia e

impermeabilidade).

A gua na pasta composta pela gua capilar (presente nos vazios maiores

que 50 ), gua adsorvida (prxima da superfcie do slido, a principal

responsvel pela retrao da pasta), gua interlamelar (fixada ao C-S-H por pontes

de hidrognio), gua quimicamente combinada (integrante de vrios produtos

hidratados do cimento; removida apenas com temperaturas muito elevadas)

(MEHTA; MONTEIRO, 2008).

2.1.2 Reaes de hidratao do cimento Portland

De acordo com Bauer (1994), os componentes essenciais do cimento

Portland so cal (CaO), slica (SiO2), alumina (Al2O3) e xido de ferro (Fe2O3),

constituindo de 95 a 96% do total de xidos. Outros componentes esto presentes

em menores quantidades, como magnsia (MgO), anidro sulfrico (SO3), xido de

sdio (Na2O), xido de potssio (K2O), xido de titnio (TiO2), entre outros.

O processo de produo do cimento se d em altas temperaturas, atravs

da moagem do clnquer (mistura de minerais) com uma pequena quantidade de

22

sulfato de clcio (CaSO4), resultando na formao de compostos silicatos e

aluminatos (BAUER, 1994). A tabela 1 a seguir detalha estes compostos silicatos e

aluminatos formados:

Tabela 1: Principais componentes do cimento Portland

Componente Nome Propriedades

C3S

3CaO.SiO2

Silicato Triclcico

1. Principal responsvel pela resistncia a curto prazo, principalmente ao fim do primeiro ms de cura.

2. Segundo componente mais importante na produo do calor de hidratao.

3. Segundo componente responsvel pelo tempo de pega.

4. Sua forma impura tambm conhecida como Alita.

5. Sua velocidade de hidratao controlada pela velocidade de difuso dos ons por camadas sobrejacentes do produto hidratado.

C2S

2CaO.SiO2

Silicato Diclcico

1. Apresenta-se sob 3 formas diferentes:

- Em temperaturas elevadas - -C2S

- Em temperaturas por volta de 1450oC - -C2S (presente nos

cimentos comerciais)

- Em temperaturas por volta de 670oC - -C2S

2. Principal responsvel pela resistncia a longo prazo.

3. Sua forma impura tambm conhecida como Belita.

4. Sua hidratao controlada pela sua baixa velocidade intrnseca de reao.

C3A

3CaO.Al2O3

Aluminato Triclcico

1. Forma partculas cristalinas retangulares.

2. Principal componente na produo do calor de hidratao.

3. Principal componente pela rapidez da pega, quando presente na forma cristalina.

4. Sua forma predominante a de placas achatadas.

5. Atua como fundente na fabricao do cimento Portland.

C4AF

4CaO.Al2O3.Fe2O3

Ferro Aluminato

Tetraclcico

1. Apresenta-se sob a forma de soluo slida.

2. Atua como fundente na fabricao do cimento Portland.

Fonte: COSTA, 2004

Alm destes compostos, outro componente adicionado pasta endurecida:

a gipsita [CaSO4.2H2O]. A gipsita atua como redutor da velocidade de hidratao

(SOUZA; RIPPER, 1998).

Segundo Mehta e Monteiro (2008), os aluminatos so conhecidos por se

hidratarem a uma velocidade muito mais rpida do que os silicatos. A reao com o

C3A imediata e, sem a presena da gipsita, a velocidade da reao seria to rpida

que impossibilitaria a aplicao na construo civil.

Os autores relatam o processo de hidratao do cimento: quando o cimento

disperso em gua, o sulfato de clcio e os compostos formados a altas

temperaturas tendem a formar uma soluo, elevando os nveis de lcalis solveis

23

(Ca2+, SO42-, OH-) resultando em um pH elevado, entre 12 e 13. A reao do C3A

com gua, representada pela EQUAO (1), imediata, de modo que durante a

primeira hora de hidratao, formam-se os primeiros cristais aciculares (formato de

agulha) de sulfoaluminato de clcio hidratado, conhecidos como etringita ( ),

com liberao de grande quantidade de calor de hidratao.

(1)

Os produtos resultantes da hidratao do ferroaluminato de clcio na

presena de sulfato so semelhantes queles formados pela hidratao do C3A,

sendo que podem variar dependendo da concentrao de sulfato e produzir

ou (MEHTA; MONTEIRO, 2008).

Algumas horas mais tarde, grandes cristais prismticos de hidrxido de

clcio [Ca(OH)2] e pequenos cristais fibrilares de silicatos de clcio hidratado (C3S e

C2S) comeam a preencher o espao vazio ocupado originalmente pela soluo,

conforme EQUAES (2) e (3) (MEHTA; MONTEIRO, 2008):

(2)

(3)

Aps alguns dias, quando todo o sulfato tiver sido consumido, a etringita se

torna instvel e gradativamente convertida em monossulfoaluminato de clcio

hidratado ( ), que o produto final da hidratao do cimento, na forma de

placas hexagonais, como mostra a EQUAO (4) (MEHTA; MONTEIRO, 2008):

(4)

Mehta e Monteiro (2008) citam os principais produtos das reaes de

hidratao do cimento (slidos da pasta):

24

Silicato de clcio hidratado (C-S-H): estruturas pequenas e fibrilares que

constituem de 50 a 60% do volume dos slidos da pasta, com morfologia

variando de fibras pouco cristalinas at redes reticulares, como mostra a

figura 2. A excelente resistncia mecnica e qumica do material atribuda

principalmente s foras de Van der Waals. Estas estruturas so formadas

conforme as EQUAES (2) e (3).

Figura 2: Cristais de silicato de clcio hidratado (C-S-H) FONTE: ALIZADEH, 2011

Hidrxido de clcio [Ca(OH)2]: os grandes cristais de hidrxido de clcio

(portlandita) constituem de 20 a 25% do volume de slidos da pasta,

tendendo a formar cristais grandes sob forma de prismas hexagonais, cuja

morfologia depende da disponibilidade de espao, temperatura de hidratao

e impurezas do sistema, como mostra a figura 3. Estas estruturas so

formadas conforme as EQUAES (2) e (3).

25

Figura 3: Placas hexagonais de hidrxido de clcio FONTE: ALIZADEH, 2011

Sulfoaluminato de clcio: ocupa de 15 a 20% do volume de slidos na pasta.

Durante os primeiros estgios da hidratao, a relao inica sulfato/alumina

favorece a formao de trissulfoaluminato de clcio hidratado

(etringita), na forma de cristais prismticos aciculares (formato de agulha),

conforme figura 4. Estas estruturas so formadas conforme a EQUAO (1).

Figura 4: Etringita (formato de agulhas) Fonte: ALIZADEH, 2011

26

A etringita se transforma eventualmente em monossulfoaluminato de clcio

hidratado que cristaliza em placas hexagonais, vide figura 5. Estas

estruturas so formadas conforme a EQUAO (4).

Figura 5: Microestrutura do concreto: etringita e monossulfato Fonte: MEHTA; MONTEIRO, 2008

Gros de clnquer no hidratado: em idades avanadas, devido falta de

espao disponvel, a hidratao in loco de partculas do clnquer resulta na

formao de um produto de hidratao muito denso, de morfologia parecida

com a partcula do clnquer original.

2.1.3 Porosidade e Permeabilidade

Segundo Souza e Ripper (1998), em termos de durabilidade das estruturas

de concreto, o elemento fundamental a gua, em sua forma lquida ou na forma de

umidade. Assim, a quantidade de gua e a sua relao com a quantidade de

cimento (relao a/c) sero os elementos bsicos para definir as caractersticas do

27

concreto: densidade, compacidade, porosidade, permeabilidade, capilaridade e

resistncia mecnica.

Neville (1997) faz a distino entre os conceitos de porosidade e

permeabilidade, sendo porosidade a medida da proporo do volume total de

concreto ocupada por poros, expressa geralmente em porcentagem. Estes poros

podem ou no estar interligados, de modo que se estiverem, a permeabilidade ser

alta, e se no estiverem interligados, a permeabilidade ser baixa, mesmo se a

porosidade for alta. Deste modo, Mehta e Monteiro (2008) descrevem

permeabilidade como a taxa do fluxo de um fluido atravs de um slido poroso, ou

seja, a facilidade com que um fluido escoa atravs de um slido. Na pasta

endurecida, o tamanho e a continuidade dos poros controlam o coeficiente de

permeabilidade.

Quando se trata de transporte de fluidos no concreto, Neville (1997) aponta

os trs os principais fluidos: gua pura ou com ons agressivos, dixido de carbono

(CO2) e oxignio (O2). Segundo Medeiros, M. H. F. de (2008), os principais

mecanismos de transporte de massa pelo concreto so: permeabilidade, difuso e

absoro por suco capilar, sendo que estes podem ocorrer separadamente ou em

conjunto. Permeabilidade (ou escoamento) se refere ao movimento sob diferencial

de presso, enquanto a difuso desloca o fluido por diferena de concentrao do

on (da regio de maior concentrao para a regio de menor concentrao). O

processo de absoro por suco capilar decorrente do movimento capilar nos

poros abertos ao meio ambiente, de modo que somente ocorre suco capilar em

concretos parcialmente secos (no ocorre adsoro em concretos completamente

secos ou completamente saturados) (NEVILLE, 1997).

Arajo, Rodrigues e Freitas (2000) citam os dois fatores principais dos quais

a porosidade depende: relao a/c e grau de hidratao da pasta. A estrutura da

pasta definida pela relao gua/cimento: quanto menor esta relao, mais

prximos estaro os gro de cimento e menor ser a porosidade da pasta. Outro

fator tambm considerado a expansibilidade das reaes de hidratao, visto que

os produtos formados ocupam um volume maior do que o cimento ocupava

inicialmente, de modo que a porosidade diminui medida que a hidratao evolui.

Assim, pode-se dizer que a porosidade do concreto diminui com a reduo da

relao a/c e com a evoluo da hidratao, ou seja, com a idade do concreto.

28

2.2 DURABILIDADE

A NBR 6118 (ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS TCNICAS -

ABNT, 2003) estabelece no captulo cinco os requisitos mnimos de qualidade que

as estruturas de concreto devem atender, sendo eles:

Capacidade resistente (segurana ruptura)

Desempenho em servio (capacidade de se manter em condies plenas de

utilizao, sem apresentar danos que comprometam o uso da estrutura)

Durabilidade (capacidade de resistir s influncias ambientais)

Segundo as diretrizes da norma, as estruturas de concreto devem ser

projetadas e construdas de modo que conservem sua segurana, estabilidade e

aptido em servio durante o perodo correspondente sua vida til.

Segundo Mehta e Monteiro (2008), h uma estreita relao entre resistncia

e durabilidade, sendo esta definida como a vida til de um material sob dadas

condies ambientais.

Esta associao entre vida til e durabilidade enfatizada por Souza e

Ripper (1998). Conhecidas as caractersticas de deteriorao do concreto, os

autores definem como durabilidade o parmetro que relaciona tais caractersticas,

individualizando cada construo pelas respostas aos efeitos da agressividade

ambiental e definindo, assim, a vida til da estrutura.

De acordo com Helene (1992), inmeras construes apresentam

manifestaes patolgicas significativas, comprometendo no apenas o aspecto

esttico, mas tambm, na maioria das vezes, a capacidade resistente, podendo

levar ao colapso da estrutura.

2.2.1 Origens e causas das manifestaes patolgicas

Segundo Souza e Ripper (1998), salvo os casos em que ocorrem catstrofes

naturais, caracterizadas por solicitaes violentas de carter imprevisvel, as

manifestaes patolgicas tm como fator preponderante as falhas que ocorrem

durante a realizao de uma ou mais atividades referentes ao processo da

29

construo civil: concepo (projeto), execuo (construo) e utilizao

(manuteno).

De acordo com esta concepo, Medeiros, H. (2010) cita tambm as causas

das manifestaes patolgicas: sobrecargas, impactos, abraso, movimentao

trmica, concentrao de armaduras, retrao hidrulica e trmica, alta relao a/c,

exposio a ambientes agressivos, ao da gua, excesso de vibrao, falhas de

concretagem e falta de proteo superficial.

Souza e Ripper (1998) separam as causas da deteriorao das estruturas de

concreto em causas intrnsecas e extrnsecas. As causas intrnsecas so aquelas

inerentes prpria estrutura, enquanto as causas extrnsecas independem do corpo

estrutural em si, podendo ser vistas como os fatores que atacam a estrutura de fora

para dentro.

Dentre as causas intrnsecas citadas por Souza e Ripper (1998), esto:

Falhas humanas durante a construo: deficincias de concretagem,

inadequao de escoramentos e frmas, deficincias nas armaduras,

utilizao incorreta de materiais de construo, incluindo utilizao de

agregados reativos, instaurando a possibilidade de gerao de reaes

expansivas no concreto;

Falhas humanas durante a utilizao: ausncia de manuteno;

Causas naturais: causas prprias estrutura porosa do concreto; causas

qumicas (reaes internas do concreto, expansibilidade de certos

constituintes do cimento, presena de cloretos, cidos, sais e gua), causas

fsicas, causas biolgicas (ao de sulfetos presente nos esgotos).

Dentre as causas extrnsecas, esto:

Falhas humanas durante o projeto;

Falhas humanas durante a utilizao;

Aes mecnicas;

Aes fsicas;

Aes qumicas;

Aes biolgicas.

30

2.2.2 Grau de agressividade

De modo a auxiliar o projetista de estruturas a fazer o dimensionamento

correto, com recomendaes sobre o cobrimento das armaduras, o trao do

concreto, a relao a/c e outras caractersticas, os ambientes foram classificados

segundo o grau de agressividade (MEDEIROS, H., 2010).

De acordo com a NBR 6118 (ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS

TCNICAS - ABNT, 2003), gressivid de do meio mbiente est rel cion d s

aes fsicas e qumicas que atuam sobre as estruturas de concreto,

independentemente das aes mecnicas, das variaes volumtricas de origem

trmica, da retrao hidrulica e outras previstas no dimensionamento das

estrutur s de concreto Deste modo, norm est belece qu tro cl sses de

agressividade ambiental, conforme a tabela 2:

Tabela 2: Classes de agressividade ambiental

Classe de agressividade

ambiental

Agressividade

Classificao geral do tipo de ambiente para efeito de

projeto

Risco de deteriorao da estrutura

I

Fraca

Rural

Insignificante Submersa

II

Moderada

Urbana 1 2

Pequeno

III

Forte

Marinha 1

Grande Industrial 1 2

IV

Muito forte

Industrial 1 3

Elevado Respingos de mar

1) Pode-se admitir um microclima com uma classe de agressividade mais branda (um nvel acima) para ambientes internos secos (salas, dormitrios, banheiros, cozinhas e reas de servio de apartamentos residenciais e conjuntos comerciais ou ambientes com concreto revestido com argamassa e pintura). 2) Pode-se admitir uma classe de agressividade mais branda (um nvel acima) em: obras em regies de clima seco, com umidade relativa do ar menor ou igual a 65%, partes da estrutura protegidas de chuva em ambientes predominantemente secos, ou regies onde chove raramente. 3) Ambientes quimicamente agressivos, tanques industriais, galvanoplastia, branqueamento em indstrias de celulose e papel, armazns de fertilizantes, indstrias qumicas.

Fonte: NBR 6118 (ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS TCNICAS - ABNT, 2003)

Visto que a durabilidade de uma estrutura depende das caractersticas do

concreto e da qualidade (e espessura) do concreto do cobrimento da armadura, a

norma prev valores mnimos de relao gua/cimento, classe do concreto e

cobrimento nominal, em relao classe de agressividade previamente

estabelecida, vide tabela 3 e 4:

31

Tabela 3: Correspondncia entre classe de agressividade e qualidade do concreto

Concreto

Tipo

Classe de agressividade

I II III IV

Relao a/c em massa

CA 0,65 0,60 0,55 0,45

CP 0,60 0,55 0,50 0,45

Classe de concreto

CA C20 C25 C30 C40

CP C25 C30 C35 C40

NOTAS 1) O concreto empregado na execuo das estruturas deve cumprir com os requisitos estabelecidos na ABNT NBR 12655. 2) CA corresponde a componentes e elementos estruturais de concreto armado. 3) CP corresponde a componentes e elementos estruturais de concreto protendido.


Tabela 4 Correspondnci entre cl sse de gressivid de e cobrimento nomin l p r c = 10 mm

Tipo de estrutura

Componente ou elemento

Classe de agressividade ambiental

I II III IV3

Cobrimento nominal (mm)

Concreto Armado

Laje2 20 25 35 45

Viga/pilar 25 30 40 50

Concreto Protendido

1

Todos 30 35 45 55

1) Cobrimento nominal da armadura passiva que envolve a bainha ou os fios, cabos e cordoalhas, sempre superior ao especificado para o elemento de concreto armado, devido aos riscos de corroso fragilizante sob tenso. 2)Para a face superior de lajes e vigas que sero revestidas com argamassa de contrapiso, com revestimentos finais secos tipo carpete e madeira, com argamassa de revestimento e acabamento tais como pisos de elevado desempenho, pisos cermicos, pisos asflticos e outros tantos, as exigncias desta tabela podem ser substitud s por 7 4 7 5, respeit do um cobrimento nomin l 15 mm. 3)Nas faces inferiores de lajes e vigas de reservatrios, estaes de tratamento de gua e esgoto, condutos de esgoto, canaletas de efluentes e outras obras em ambientes qumica e intensamente gressivos, rm dur deve ter cobrimento nomin l 45 mm


Sabendo-se o grau de agressividade do ambiente onde a estrutura se

encontra, Battagin (2010) cita algumas maneiras de prevenir possveis

manifestaes patolgicas: uso de concretos menos permeveis, com baixa relao

a/c, uso de cimentos de alto-forno, pozolnicos ou resistentes aos sulfatos, que

apresentam um comportamento mais favorvel com relao durabilidade.

32

2.2.3 Agentes de deteriorao

Como j citado, Souza e Ripper (1998) identificam a gua como um dos

elementos principais no que diz respeito durabilidade das estruturas de concreto.

O outro fator aborda a agressividade do meio, ou seja, a capacidade de transporte

de lquidos e gases contidos no meio ambiente para o interior do concreto. Os

autores enfatizam que a combinao dos agentes ambientais como temperatura,

umidade, chuva, vento, salinidade, agressividade qumica ou biolgica,

transportados para o interior da massa de concreto, em conjunto com a resposta

dessa massa a tal ao, constituem os principais elementos da caracterizao da

durabilidade.

Medeiros, H (2010) separa os agentes de deteriorao das estruturas de

concreto em agentes fsicos, qumicos e biolgicos. Os agentes fsicos so

referentes variao de temperatura, umidade, ciclos de gelo e degelo, ciclos de

umedecimento e secagem. Os agentes qumicos se referem carbonatao,

maresia (gua do mar), chuva cida, corroso, ataque de cidos, guas brandas e

resduos industriais. Por ltimo, os agentes biolgicos se referem a microorganismo,

algas, solos e guas contaminadas.

Segundo Mehta e Monteiro (2008), a distino entre causas fsicas e

qumicas da deteriorao simplesmente de carter explicativo, pois na prtica, as

duas se sobrepem.

Nos slidos porosos, s be-se que gua a causa de muitos tipos de processos fsicos de deteriorao. Como veculo para transporte de ons agressivos, a gua pode ser tambm a fonte de processos qumicos de degradao... Na prtica, a deteriorao do concreto raramente se deve a uma nica causa. Em geral, as causas fsicas e qumicas da deteriorao esto to interligadas e mutuamente se reforando, que separar as causas e seus efeitos se torna muitas vezes impossvel (MEHTA; MONTEIRO, 2008).

Deste modo, Mehta e Monteiro (2008) agrupam as causas fsicas em duas

categorias: desgaste superficial e fissurao. Na primeira categoria se enquadram

os fenmenos de abraso, eroso e cavitao; enquanto na segunda, se enquadram

as mudanas de volume (presso de cristalizao de sais nos poros e gradientes

normais de temperatura e umidade), carga estrutural e exposio a extremos de

temperatura (ciclos do gelo-degelo e ao do fogo), conforme figura 6.

33

Figura 6: Figura esquemtica das causas fsicas de deteriorao Fonte: HELENE (1992)

Do mesmo modo, as causas qumicas tambm so agrupadas em

categorias, sendo elas hidrlise dos componentes da pasta; trocas inicas entre

fluidos agressivos e componentes da pasta; reaes envolvendo formao de

produtos expansivos, como expanso por sulfatos, reao lcali-agregado e

corroso de armaduras (MEHTA; MONTEIRO, 2008), vide figura 7.

Figura 7: Figura esquemtica das causas qumicas da deteriorao Fonte: HELENE (1992)

Segundo Neville (1997), o ataque qumico ocorre pela decomposio de

produtos da hidratao do cimento e formao de outros produtos. Se estes novos

produtos forem solveis podem ser lixiviados; e se forem insolveis, podem se

expandir no prprio local onde se formam.

Causas fsicas

desgaste da superfcie

abraso eroso cavitao

fissurao

mudanas de volume

carga estrutural

exposio a extremos de temperatura

Causas qumicas

hidrlise dos componentes

da pasta

trocas inicas entre fluidos agressivos e

pasta

reaes causadoras e produtos expansveis

expanso por sulfatos

reao lcali-agregado

corroso de armaduras

34

Helene (1992) enfatiza que a vulnerabilidade do concreto ao ataque qumico

depende basicamente da permeabilidade, alcalinidade e reatividade dos compostos

hidratados do cimento. Para Bauer (1994), a ao dos agentes agressivos depende

em primeiro lugar da sua concentrao.

2.2.4 Principais manifestaes patolgicas

De acordo com Helene (1992), patologia pode ser entendida como a parte

da Engenharia que estuda os sintomas, os mecanismos, as causas e as origens dos

defeitos das construes civis, ou seja, o estudo das partes que compem o

diagnstico do problema. terapia, cabe estudar a correo e a soluo desses

problem s p tolgicos

O autor cita como manifestaes patolgicas de maior incidncia nas

estruturas de concreto:

Manchas superficiais 22%

Fissuras ativas e passivas 21%

Corroso de armadura 20%

Ninhos de concretagem 20%

Flechas excessivas 10%

Degradao qumica 7%

Entre as principais patologias por agentes qumicos e ambientais, Medeiros,

H. (2010) cita: corroso de armaduras, carbonatao, ataque de sulfatos, ataque de

solues cidas e a ao de cloretos.

2.2.5 Ambientes agressivos

De acordo com Helene (1992), a degradao das superfcies expostas de

concreto mais significativa em edificaes localizadas em grandes centros

urbanos, industriais e atmosferas martimas.

Medeiros, H. (2010) acrescenta ainda as edificaes industriais e as

estaes de tratamento de esgotos domsticos e industriais, devido contaminao

35

destas atmosferas por gases e cinzas, como o H2S, SO2 e NOX, alm de outros

gases cidos.

Com relao aos grandes centros urbanos e industriais, a Companhia

Ambiental do Estado de So Paulo - CETESB cita alguns dos principais poluentes

emitidos pelas indstrias e veculos automotivos: material particulado (poeiras,

fumaas e todo tipo de material suspenso); dixido de enxofre (SO2) - resultante da

queima de combustveis que contm enxofre (leo diesel, leo combustvel industrial

e gasolina); monxido de carbono (CO) - resultante da queima incompleta de

combustveis fsseis; oznio (O3) - produto da reao entre xidos de nitrognio e

compostos orgnicos volteis na presena de luz solar; hidrocarbonetos (HC) -

gases e vapores resultantes da queima incompleta e evaporao de combustveis e

de outros produtos orgnicos volteis; xido de nitrognio (NO) e dixido de

nitrognio (NO2) - formados durante o processo de combusto. Gases combustveis

e gases de escapamento das indstrias podem conter cidos minerais livres como

cido sulfrico, cidos orgnicos, cido actico, cidos sulfurosos e cidos

sulfdricos. Os componentes gasosos sob precipitaes se dissolvem e sob a forma

de gua, agridem o concreto (BAUER, 1994).

Com relao s atmosferas martimas, os agentes mais agressivos ao

concreto so os sais de magnsio e sulfatos, enquanto os mais agressivos

armadura de ao so os cloretos. Os sais so retirados do mar pelas ondas e

transportados pelos ventos, podendo percorrer grandes distncias. Alm dos

edifcios que sofrem com a maresia, as estruturas sujeitas s variaes dos nveis

das mars so as mais atacadas, pois esto sujeitas a outros processos qumicos,

fsicos e biolgicos (BATTAGIN, 2010).

Com relao s estaes de tratamento de esgoto, destaca-se a degradao

de estruturas de concreto devido ao de compostos de enxofre e de bactrias

(LIMA, 2005). Estes aspectos sero abordados mais adiante, no item 2.7.

2.3 REAES EXPANSIVAS

De acordo com Souza e Ripper (1998), as reaes expansivas podem dar

origem a fissuras, resultando na perda da durabilidade do concreto em grande

velocidade. Tal velocidade depende do tipo de exposio do elemento estrutural,

36

das condies ambientais, da ao de guas agressivas que penetram pelas

fissuras e poros, e do contato das armaduras com o ar.

Segundo Mehta e Monteiro (2008), as reaes qumicas envolvendo a

formao de produtos expansivos podem levar a certos efeitos danosos no concreto.

Se no inicio a expanso pode no causar danos, com o aumento das tenses

internas no concreto, aparecem as manifestaes: fechamento de juntas de

expanso; deformaes; deslocamentos em diferentes partes da estrutura;

fissurao; lascamento e pipocamento. Os autores citam os quatro fenmenos

associados s reaes qumicas expansivas: ataque por sulfato, reao lcali-

agregado, hidratao tardia de CaO e MgO livres e corroso da armadura.

Neste trabalho ser abordado com mais profundidade apenas o ataque por

sulfatos, por se tratar do escopo principal deste Trabalho Final de Curso.

2.4 ATAQUE POR SULFATOS

Neville (1997) esclarece que os sais na forma slida no atacam o concreto.

Somente quando dissolvidos os sais reagem com a pasta de cimento hidratado.

Os dois principais meios de ataque por sulfatos so: reao com os produtos

de hidratao do aluminato triclcico no hidratado (C3A) produzindo etringita; e

reao com o hidrxido de clcio produzindo gipsita. No concreto endurecido, a

formao da etringita resultante do ataque de sulfato pode levar expanso, e,

devido baixa resistncia trao do concreto, pode fissurar a pea (COSTA,

2004).

Costa (2004) esquematiza as reaes de maneira simplificada:

hidrxido de clcio + sulfato + gua gipsita

aluminato triclcico + gipsita + gua monossulfato

monossulfato + gipsita + gua etringita

Souza, R. B. de. (2006) aponta quatro formas de ataque por sulfatos:

ingresso de ons sulfato para o interior da pasta, cristalizao dos sais de sulfato,

formao de etringita tardia (DEF delayed ettringite formation) e formao de

taumasita:

37

O ingresso de ons sulfato de fontes externas para o interior da pasta de

cimento hidratada resulta em reaes qumicas: formao de etringita ou

formao de gipsita.

A cristalizao dos sais de sulfato ocorre quando a concentrao de sais

torna-se muito elevada, devido evaporao da gua.

A formao de etringita tardia DEF ocorre quando o on sulfato no

oriundo de fontes externas, mas sim, do interior do prprio material, atravs

de agregados contaminados com gipsita ou cimento com teor de sulfatos

muito alto.

A formao de taumasita (CaSiO3CaCO3CaSO415H2O) ocorre devido ao

ataque simultneo de sulfatos (SO42-) e carbonatos (CO3

2-), associado baixa

temperatura. resultado da reao entre carbonatos, sulfatos de clcio, gua

e silicatos e clcio hidratados (SOUZA, R. B. de., 2006).

As consequncias do ataque por sulfatos no compreendem somente a

desagregao por expanso e fissurao, mas tambm a perda de resistncia do

concreto devido perda de coeso na pasta de cimento e perda de aderncia

entre a pasta e as partculas de agregado (NEVILLE, 1997). Deste modo, Mehta e

Monteiro (2008) destacam duas formas de ataque: expanso (com conseqente

fissurao, aumentando a permeabilidade do concreto e facilitando a penetrao de

guas agressivas) e perda progressiva de resistncia simultnea perda de massa

(devido perda da coeso dos produtos de hidratao).

O concreto atacado por sulfatos tem uma aparncia esbranquiada

caracterstica. A deteriorao geralmente comea nos cantos e arestas seguida de

uma fissurao progressiva e lascamento que reduzem o concreto a uma condio

frivel ou mesmo mole (NEVILLE, 1997).

A intensidade do ataque depende do on ction (on positivo) que est ligado

ao radical sulfato (SO42), de modo que a ordem crescente de agressividade :

sulfato de clcio (CaSO4), sulfato de sdio (Na2SO4), sulfato de magnsio (MgSO4) e

sulfato de amnia (NH4SO4) (COSTA, 2004).

De acordo com Mehta e Monteiro (2008), os componentes da pasta de

cimento mais vulnerveis ao ataque pelos ons sulfato so o hidrxido de clcio e as

fases que contm alumina. O mecanismo do ataque ocorre na presena de Ca(OH)2:

38

no contato da pasta com os ons sulfato, os hidratos que contm alumina so

convertidos de monossulfato hidratado em etringita, segundo a EQUAO (5):

(5)

Alm da expanso causada pela etringita, outro mecanismo est associado

formao de gipsita como resultado de reaes por troca de ctions. Dependendo

do ction presente na soluo de sulfato (Na+, K+ ou Mg2+), tanto o Ca(OH)2 como o

C-S-H podem ser convertidos em gipsita (MEHTA; MONTEIRO, 2008).

2.4.1 Reaes do Sulfato de Clcio

Segundo Costa (2004), o composto de sulfato de clcio que apresenta duas

molculas de gua conhecido comercialmente como gesso (CaSO4.2H2O). Devido

baixa solubilidade em gua, o composto considerado menos agressivo que o

sulfato de sdio e de magnsio.

O sulfato de clcio reage com o aluminato de clcio hidratado (EQUAO

(6)) e com o monossulfoaluminato de clcio (EQUAO (7)) formando etringita:

(6)

(7)

Como a etringita se forma no concreto j endurecido, a expanso pode

causar deformaes gerando a fissurao da pea.

Mehta e Monteiro (2008) explicam que as expanses no concreto

relacionadas ao sulfato so associadas etringita, porm, os mecanismos pelos

quais a formao da etringita causa expanso ainda so um tema controverso. As

duas hipteses mais aceitas so: a presso exercida pelo crescimento dos cristais

39

de etringita; e a expanso resultante da adsoro de gua em meio alcalino por uma

etringita pouco cristalina.

2.4.2 Reaes do Sulfato de Sdio

Segundo Souza, R. B. de. (2006), a primeira reao qumica no ataque por

sulfato de sdio a transformao do monossulfoaluminato em etringita (EQUAO

5). Esta reao a reverso de uma das reaes de hidratao (EQUAO (4)): a

etringita, instvel, convertida em monossulfoaluminato, que o produto final da

hidratao do cimento. Em contato com o meio contendo sulfatos, muda-se a

condio do equilbrio e esta reao tende a retornar ao seu estado inicial, formando

novamente etringita:

(5)

(4)

Costa (2004) cita dois tipos de reaes em que o sulfato de sdio est

presente, sendo uma com o hidrxido de clcio [Ca(OH)2] (EQUAO (8)) e outra

com as fases do aluminato de clcio hidratado (EQUAES (9) e (10)). As reaes

do sulfato de sdio so:

(8)

Na reao acima, h a formao de hidrxido de sdio. Este subproduto da

reao assegura a continuidade da alcalinidade do sistema, essencial para a

estabilidade da fase C-S-H (MEHTA; MONTEIRO, 2008).

40

(9)

(10)

Figura 8: Modelo de ataque em material de base cimentcia por sulfato de sdio Fonte: SOUZA, R.B.de, 2006

41

Souza, R. B. de. (2006) cita Santhanan, Cohen e Olek1 (2003) ao descrever

os passos do ataque do sulfato de sdio:

PASSO 1 A soluo agressiva de Na2SO4 difunde-se para o interior do material cimentcio. PASSO 2 Nas regies prximas da superfcie, comeam a ser formadas etringita e gipsita. Estes compostos expansivos so formados nos vazios da pasta de cimento, no gerando tenses internas. PASSO 3 Os compostos expansivos preenchem os vazios da pasta, esgotando a capacidade de acomodao da estrutura da pasta de cimento. Inicia-se a gerao de tenses internas no material, que so suportadas pela regio inalterada da pasta de cimento. PASSO 4 A regio inalterada quimicamente no suporta mais as tenses de trao geradas pelos compostos expansivos, iniciando um processo de fissurao. PASSO 5 A soluo agressiva de sulfatos continua a difundir-se para o interior do material com mais intensidade via rea fissurada, reagindo com os compostos hidratados da pasta de cimento. Formam-se etringita e gipsita nesta regio fissurada, que tende a expandir mais. Por fim a seo do material cimentcio fica dividida em quatro regies: regio desintegrada; regio de depsito de produtos de ataque; regio com fissurao e; regio s.

2.4.3 Reaes do Sulfato de Magnsio

O ataque por MgSO4 revela uma certa particularidade, pois se divide em

duas frentes de ataque: reao com o hidrxido de clcio, formando gipsita e

hidrxido de magnsio (EQUAO (11)) e reao com os elementos C-S-H,

fragmentando-os em gipsita, hidrxido de magnsio e slica (EQUAO (12)):

(11)

(12)

A converso de hidrxido de clcio em gipsita acompanhada pela

formao de hidrxido de magnsio, que insolvel e reduz a alcalinidade do

sistema. Assim, a estabilidade do C-S-H reduzida e ele tambm atacado pela

soluo de sulfato, tornando o ataque mais severo (MEHTA; MONTEIRO, 2008).

H uma troca entre magnsio e clcio. O magnsio se deposita sob a forma

de um composto dificilmente solvel, enquanto que uma soluo de sulfato de clcio

1 SANTHANAM, M; COHEN, M. D.; OLEK, J. Mechanism of sulfate attack: a fresh look Part 2.

Proposed mechanisms. Cement and Concrete Research, n. 33, p.341-346, 2003.

42

puro penetra no concreto e pode formar, com o aluminato de clcio, a etringita, que

provoca a expanso (BAUER, 1994).

Um fator que faz o sulfato de magnsio ser mais agressivo ao concreto, que

os de sdio e de clcio, o fato daquele ser quase duas vezes mais solvel que o

primeiro e trinta e cinco vezes mais que o segundo.

Segundo a ASTM C 1012 (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND

MATERIALS, 2004), o ataque em concentraes inferiores a 3,2g SO4/L ou 4,0g

MgSO4/L caracteriza-se pela formao da etringita. Concentraes de sulfato que

estejam entre 3,2g SO4/L e 6,0g SO4/L ou 4,0g MgSO4/L a 7,5g MgSO4/L

caracterizam-se pela formao de etringita e gipsita e a deteriorao e fissurao

podem ser lentas e de difcil percepo. Em concentraes acima de 6,0g SO4/L ou

7,5g MgSO4/L, a reao caracteriza-se pela formao de hidrxido de magnsio,

gesso e gel de slica, no ocorrendo a formao de etringita e a deteriorao do

concreto muito severa devido ao aumento da concentrao de magnsio.

Souza, R. B. de. (2006) cita Santhanan, Cohen e Olek2 (2003) ao descrever

os passos do ataque do sulfato de magnsio:

PASSO 1 A soluo agressiva de MgSO4 difunde-se para o interior do material. PASSO 2 Uma camada de Mg(OH)2 (brucita) forma-se rapidamente na superfcie do corpo-de-prova, a partir da reao da soluo agressiva com a portlandita (Ca(OH)2) da pasta de cimento hidratada. Forma-se tambm gipsita. PASSO 3 A formao de Mg(OH)2 consome muita portlandita, conseqentemente o pH da pasta diminui. Para manter o equilbrio, o C-S-H libera portlandita, aumentando novamente o pH, contribuindo para a descalcificao da estrutura. PASSO 4 Depois de formada a camada de Mg(OH)2, a soluo agressiva penetra no interior do corpo-de-prova por difuso, porm esta dificultada pela camada de Mg(OH)2, que um gel impermevel. PASSO 5 Forma-se gipsita e etringita nas regies prximas superfcie (porm sob a camada de Mg(OH)2), causando expanso e tenses internas nas camadas inalteradas, o que gera fissurao nessa regio (similar ao que acontece no ataque por sulfato de sdio). PASSO 6 Em algumas regies, a soluo agressiva de sulfatos, devido ao do ction Mg

2+, degrada diretamente o C-S-H,

resultando em perda de resistncia e desintegrao da pasta. A seo do material cimentcio fica dividida em regies: camada de Mg(OH)2 e gipsita paralela superfcie do corpo-de-prova; regio de depsito de produtos de ataque; regies isoladas de descalcificao do C-S-H, formando M-S-H; regio com fissurao e; regio s.

2 SANTHANAM, M; COHEN, M. D.; OLEK, J. Mechanism of sulfate attack: a fresh look Part 2. Proposed mechanisms. Cement and Concrete Research, n. 33, p.341-346, 2003.

43

Figura 9: Modelo de ataque em material de base cimentcia por sulfato de magnsio Fonte: SOUZA, R.B.de (2006)

2.5 CICLO DO ENXOFRE

A produo biolgica de cidos minerais e orgnicos causa o ataque mais

agressivo aos materiais de natureza mineral. Entre as bactrias que excretam cidos

inorgnicos esto os Thiobacillus - produtores de cido sulfrico; e as bactrias

nitrificantes - que produzem cido ntrico. A biodeteriorao consiste na dissoluo

dos materiais pelos cidos produzidos durante o metabolismo da microbiota local

(SHIRAKAWA, 1994).

A produo de cido sulfrico, por bactrias do gnero Thiobacillus,

considerada a causa mais agressiva para biodeteriorao do concreto. Pinto e

Takagi (2007) especificam as espcies Thiobacillus thioxidans e Thiobacillus

concretivorus.

Como o enxofre na sua forma elementar no pode ser utilizado por

organismos superiores, para que sua assimilao se torne possvel necessrio que

microrganismos oxidem a sulfa elementar a sulfatos, podendo ser assimilado

diretamente por vegetais, algas e diversos organismos heterotrficos sendo

incorporados a aminocidos contendo enxofre, conforme o ciclo da figura 10.

44

Figura 10: Ciclo do enxofre Fonte: SHIRAKAWA, 1994

2.5.1 Bactrias redutoras de sulfato

As bactrias redutoras de sulfato (BRS), estritamente anaerbias,

compreendem os gneros Dessulfovbrio (no esporuladas) e Dessulfomaculum

(esporuladas). A temperatura tima de crescimento est entre 25 e 44 C. Podem

crescer em pH entre 5,5 e 9,0, sendo o pH timo de 7,2. So bactrias Gram

negativas, curvas, sigmides ou eventualmente espiraladas, com dimenses

prximas a 0,5-1,0 m por 3,0-5,0 m, e moviment m-se por flagelo polar. No

processo de respirao destas bactrias anaerbias, o on sulfato atua como aceptor

final de eltrons em lugar do oxignio (SHIRAKAWA, 1994).

2.5.2 Bactrias sulfoxidantes

Entre as bactrias aerbias sulfoxidantes, envolvidas em processos de

biodeteriorao, encontram-se aquelas pertencentes ao gnero Thiobacillus, que

compreendem bacilos gram-negativos, medindo aproximadamente 0,5 por 1,0 a 4,0

m A energi p r o seu met bolismo obtid p rtir d oxid o de um ou m is

compostos reduzidos de enxofre, incluindo sulfetos, enxofre elementar, tiossulfato,

politionatos e tiocianato. Os eltrons derivados do processo de oxidao entram na

45

cadeia respiratria para formao de ATP. O sulfato geralmente o produto final,

mas podem formar-se transitoriamente enxofre, sulfitos e politionatos (SHIRAKAWA,

1994).

Todas as espcies podem fixar o dixido de carbono (CO2) e so, portanto,

capazes de realizar o crescimento autotrfico. A maioria das espcies movimenta-se

mediante flagelo polar. A temperatura tima de crescimento varia entre 20 e 43 C.

O gnero inclui espcies aerbias obrigatrias e anaerbias facultativas

denitrificantes. O pH timo de crescimento varia de 2 a 8 (SHIRAKAWA, 1994).

2.5.3 Nveis de oxidao

Baird (1998) explica sobre os diferentes nveis de oxidao do enxofre.

Segundo o autor, os nveis usuais de oxidao em que o enxofre se encontra no

ambiente variam desde o estado altamente reduzido (-2) que encontrado no gs

de sulfeto de hidrognio (H2S) e nos minerais insolveis contendo o ion sulfeto (S2-)

at o estado altamente oxidado (+6), encontrado no cido sulfrico (H2SO4) e nos

sais contendo o ion sulfato (SO42-).

Em molculas orgnicas como aminocidos, nveis intermedirios de

oxidao esto presentes. Quando tais substncias se decompe anaerobicamente,

gases contendo enxofre em formas altamente reduzidas como metanotiol (CH3SH) e

dimetil sulfeto (CH3SCH3) so liberados, resultando assim, na gerao de odor

desagradvel (BAIRD, 1998).

2.6 FONTES DE SULFATOS

Neville (1997) cita como os tipos de sulfatos mais comuns: sulfatos de sdio,

potssio, magnsio e clcio, sendo encontrados em solos ou em guas

subterrneas. Souza e Ripper (1998) acrescentam como fontes de sulfato a gua do

mar e as guas poludas por dejetos industriais. Souza, R. B. de. (2006) acrescenta

ainda esgotos, chuva cida e agregados constituintes do concreto.

Souza e Ripper (1998) indicam como os sulfatos mais perigosos para o

concreto o sulfato de amnio [(NH4)2SO4], o sulfato de clcio (CaSO4), o sulfato de

magnsio (MgSO4) e o sulfato de sdio (Na2SO4).

46

Segundo Mehta e Monteiro (2008), a maioria dos solos apresenta pequenas

quantidades de sulfato sob a forma de gipsita: na faixa de 0,01 a 0,05 por cento,

sendo esta quantidade inofensiva ao concreto. Porm, os autores apontam que no

incomum encontrar concentraes superiores de sulfato e, portanto, deletrias ao

concreto, em ambientes naturais e industriais: guas subterrneas que contm

sulfatos de magnsio, sdio e potssio; solos e guas agrcolas que contm sulfato

de amnia; efluentes de fornos que utilizam combustveis com alto teor de enxofre;

efluentes de indstrias qumicas que contm cido sulfrico; decomposio de

material orgnico em pntanos, lagos rasos, poos de minerao; tubulaes de

esgoto levam a formao de H2S (transformado em H2SO4 pela ao de bactrias); a

gua utilizada em torres de resfriamento de concreto tambm pode ser uma fonte

potencial de ataque por sulfato, devido formao gradual de sulfatos pela

evaporao da gua, entre outros.

2.6.1 Sulfato nas guas

Bauer (1994) expe dois mecanismos de ao de guas sulfatadas sobre o

concreto: ao mecnica de microfissurao e reao qumica. A ao mecnica de

microfissurao resultante da cristalizao de sais devido evaporao de gua,

principalmente quando as estruturas so sujeitas a ciclos de inundao e secagem.

Como resultado, h a destruio progressiva do concreto. O outro mecanismo de

ao atravs de reaes qumicas, que ocorrem entre os elementos da gua

sulfatada e os componentes do concreto, resultando em produtos expansivos que

causam a fissurao.

Mockaitis (2008) separa as emisses de guas contaminadas por sulfato em

duas origens: naturais ou antropognicas. Segundo o autor, as emisses naturais

so oriundas principalmente de guas ocenicas e de sais minerais inorgnicos

presentes no solo, nos quais o sulfato pode ser dissolvido pela percolao de guas

pluviais e carregado para as camadas inferiores do solo, onde podem sofrer

biotransformaes pelas bactrias, produzindo desta maneira sulfetos, que

combinados com metais pesados assumem uma forma insolvel. Estes sulfetos

insolveis podem ser reoxidados atravs da percolao de guas pluviais gerando

gua rica em sulfato. As emisses antropognicas se referem aos esgotos

domsticos e industriais, que sero abordados mais adiante.

47

As obras martimas de concreto esto sujeitas a uma contnua ao dos

elementos salinos presentes nas guas do mar (BAUER, 1994). Helene (1986)

define atmosferas marinhas como as regies ao ar livre sobre o mar e perto da

costa. A atmosfera marinha contm principalmente cloretos de sdio, cloretos de

magnsio e sulfatos. No Oceano Atlntico, os teores mdios de sulfato so da

ordem de 2800 mg/L.

De acordo com Lima (2005), a mdia global de salinidade aceita para todos

os oceanos de 35 partes por mil, sendo o sulfato o terceiro on mais freqente,

depois do cloreto (Cl-) e do sdio (Na+). O autor separa zona atmosfrica marinha,

zona de respingos, zona de variao de mars e zona submersa, conforme a

ilustrao a seguir:

Figura 11: Representao de cilindro de concreto exposto gua do mar

Fonte: MEHTA; MONTEIRO, 2008

Lima (2005) cita Guimares3 (2000) quando apresenta as principais

diferenas entre as zonas no que diz respeito ao ingresso de agentes agressivos, de

modo que a carbonatao mais significativa apenas na zona de atmosfera

marinha, enquanto a penetrao de cloretos e o ataque por sulfatos so mais

3 GUIMARES, A. T. C. Vida til de estruturas de concreto armado em ambientes marinhos. So Paulo, 2000. 241 f. Tese (Doutorado) USP - Universidade de So Paulo.

48

intensos na zona de respingos e na zona de variao de mars, conforme figura 11.

A intensidade do ataque por sulfatos diminui com o aumento da cota, ou seja, com a

distncia em relao ao nvel do mar.

Com relao s guas subterrneas, a concentrao de sulfato pode ser

elevada devido ao processo de oxidao de minerais sulfurosos de ferro tais como

pirita (FeS2) e marcasita (FeS2 polimorfo da pirita), levando formao de sulfato

ferroso (FeSO4) (BAUER, 1994).

Lima (2005) aborda a atuao da chuva cida, cujos compostos so

agressivos ao concreto devido a sua acidez (pH entre 4,5 e 2,2), levando

dissoluo da pasta de cimento. Segundo a CETESB, o dixido de enxofre (SO2) o

principal xido, sendo originado da utilizao de combustveis derivados de petrleo

(gasolina e leo diesel) e de carvo mineral. Quando lanado na atmosfera, o SO2

oxidado, formando cido sulfuroso (H2SO3), o qual entra em contato com a umidade

atmosfrica e forma cido sulfrico (H2SO4). Os aerossis cidos mais comuns so

sulfato (SO42-) e bissulfato (HSO4

-), sendo provenientes da ionizao do H2SO4.

2.6.2 Sulfato nos solos

Bauer (1994) identifica a possibilidade de reconhecer os solos agressivos

pela colorao. Sabendo que os solos normais apresentam colorao variando do

castanho ao castanho-amarelo, so considerados suspeitos os solos de colorao

cinza a negra, especialmente quando apresentarem manchas de ferrugem

vermelho-castanho. As camadas de cor cinza clara a branca, sob os solos vegetais

castanho-escuros a negros, indicam um carter cido do solo.

Os solos com sulfatos aparecem principalmente em formaes de minerao

do perodo jurssico da era terciaria, cujas sedimentaes levam anidrita e gesso.

Os sulfatos mais facilmente solveis encontram-se nas vizinhanas de minas de sal

(BAUER, 1994).

Os solos pantanosos (turfa) e lodaais contem diversas substncias que

atacam o concreto, como o gs carbnico que dissolve a cal; cidos minerais livres

principalmente em forma de cido sulfrico; sulfatos e cidos orgnicos. Alm disso,

os solos pantanosos, os lodaais e os solos argilosos podem conter sulfetos de ferro

FeS2 (pirita, marcassita).

49

Segundo Lopes e Guilherme (1992), medida que os solos so formados,

os minerais e a matria orgnica so reduzidos a partculas extremamente

pequenas, chamadas de colides. Os colides podem ser minerais (argilas) ou

orgnicos (hmus) e so os principais responsveis pela atividade qumica dos

solos. Nos colides em geral, as cargas negativas superam as cargas positivas,

sendo que as cargas negativas so originadas de substituio isomrfica (ctions

trivalentes so substitudos por ctions bivalentes, ou ctions tetravalentes so

substitudos por ctions trivalentes, resultando em uma valncia negativa livre) e

dissociao do grupo OH (a presena do grupo OH nas bordas de um cristal de

argila ou da matria orgnica pode levar dissociao de H+, havendo a formao

de uma carga eltrica negativa).

Os principais ons positivos presentes nos solos so K+, Na+, H+, Ca2+, Mg2+,

Al3+ enquanto os principais ons negativos so Cl-, NO3-, SO4

2-, PO43-.

2.6.3 Sulfato nos agregados

Mehta e Monteiro (2008) apontam quais principais elementos presentes nos

agregados so prejudiciais, citando os sulfetos de ferro e a gipsita.

Os sulfetos de ferro so frequentemente encontrados em agregados

naturais, como por exemplo, pirita (FeS2), marcasita (FeS2) e pirrotita (FeS). A

marcasita, que ocorre principalmente em rochas sedimentares, oxida-se

rapidamente para formar cido sulfrico e hidrxidos de ferro. A formao de cido

indesejvel, especialmente do ponto de vista de corroso potencial do ao em

concretos armados e protendidos. A marcasita e certas formas de pirita e pirrotita

so suspeitas de serem responsveis por reaes expansivas no concreto,

causando fissuras e pipocamentos (MEHTA; MONTEIRO, 2008).

Gipsita (sulfato de clcio di-hidratado) e anidrita (sulfato de clcio anidro) so

os minerais sulfatados mais abundantes, que podem estar presentes como

impurezas em rochas carbonticas e folhelhos. Gipsita e anidrita, algumas vezes,

so encontradas recobrindo areia e pedregulhos e ambas, quando presentes no

agregado, aumentam as chances de ataque por sulfatos ao concreto (MEHTA;

MONTEIRO, 2008).

Hasparyk et al. (2002) detalham as variedades de sulfeto de ferro que

podem estar presentes nas rochas e agregados:

50

Pirita (FeS2) estrutura cbica de cor amarela dourada (aspecto de lato

polido), insolvel em cido clordrico e solvel em cido ntrico concentrado.

Possui dureza entre 6 e 6,5. A alterao da pirita inicia-se geralmente pela oxidao

para sulfato e eventualmente para hidrxido de ferro e hidratados.

Pirrotita (Fe1-xS) estrutura monoclnica possui cor escura, com tendncia

ao negro, e solvel em cido clordrico, liberando odor sulfdrico. Oxida-se

facilmente em contato com o ar atmosfrico, pulverizando-se, ficando muito sensvel

reao com os aluminatos do cimento. Este material distingue-se dos demais por

ser magntico, pouco estvel frente aos agentes atmosfricos e pegajoso ao tato,

sendo categoricamente inaceitvel o seu emprego como agregado. o tipo de

sulfeto considerado mais deletrio para o concreto.

Marcasita (FeS2) estrutura rmbica de cor amarelo esverdeada (aspecto

de estanho polido ou de lato claro polido), insolvel em cido clordrico e solvel

em cido ntrico concentrado. Possui dureza similar da pirita (6 a 6,5), porm

oxida-se com muito mais facilidade, dando origem a manchas ferruginosas.

Calcopirita (CuFeS2) estrutura tetragonal de cor amarela lato,

freqentemente altera-se de modo superficial e iridescente. A calcopirita

semelhante aos minerais citados anteriormente, distinguindo-se pela cor amarela

mais intensa em luz refletida e pela menor dureza (3,5 a 4), sendo riscada por um

canivete. A calcopirita oxida-se por exposio ao ar e gua ou por aquecimento

ligeiro, dando sulfatos de ferro e cobre.

Helene (1986) acrescenta que, embora no muito comum, o que tambm

pode acarretar problemas o emprego de agregados com concrees ferruginosas,

na maioria decorrentes de rochas em alterao. Agregados contendo piritas

encontrados em granitos, gnaisses, rochas sedimentares e certas areias, goetita

(xido de ferro hidratado encontrado em concrees laterticas), marcassita, pirrotita

e concrees ferruginosas podem dar compostos expansivos e solveis ao

oxidarem-se. Isso acarreta vazios no concreto que contribuem para o aumento da

permeabilidade e reduo da proteo fsica do cobrimento. Os produtos das

reaes tambm podem ser cidos (as marcassitas e piritas podem gerar cido

sulfrico e sulfatos), que contribuiro para a acelerao do fenmeno de

carbonatao do concreto, reduzindo a proteo qumica do cobrimento.

51

Segundo Helene (1986), todos os elementos que ao serem incorporados ao

concreto contribuem para o aumento de sua permeabilidade podero ser

considerados agressivos armadura. O autor cita: teor elevado de matria orgnica

presente no agregado, teor elevado de materiais pulverulentos, teor elevado de

torres de argila, matrias carbonosas, sulfetos e enxofre, eventualmente presentes

em excesso nas adies de escria.

Hasparyk et al. (2002) explicam a reao que ocorre: os sulfetos, em

presena de umidade e oxignio, se oxidam dando origem a sulfatos de ferro que

reagem com a portlandita [Ca(OH)2] produzida na h

ataque por sulfatos em estruturas de concreto(2011)

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