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Décimo Quinto Encontro RegionalIbero-americano do CIGRÉFoz do Iguaçu-PR, Brasil19 a 23 de maio de 2013

METODOLOGIA PARA MANUTENÇÃO CORRETIVA DE FUNDAÇÕES EM TERRENOS AGRESSIVOS

COM BASE NA GÊNESE DOS SOLOS.

METODOLOGIA PARA MANUTENÇÃO CORRETIVA DE FUNDAÇÕES EM TERRENOS AGRESSIVOS COM

BASE NA GÊNESE DOS SOLOS.

Décimo Quinto Encontro RegionalIbero-americano do CIGRÉ

Foz do Iguaçu-PR, Brasil19 a 23 de maio de 2013

Formação e transformação dos solos

Corrosão em Fundações de estais

Tempo

Há muito se vem discutindo as ocorrências de corrosão nas fundações das linhas de transmissão, em artigos técnicos, encontros, seminários e congressos do Setor Elétrico.



Já existe um conhecimento profundo do assunto em fundações e algumas pesquisas de P&D ainda vêm sendo desenvolvidas.

PESQUISAS DE P&D

corrosão



Já dispomos de diversos recursos tecnológicos de certa forma confiáveis para simples caracterização ou monitoração por meio de técnicas eletroquímicas.

Teor em bicarbonatos, cloretos, sulfatos, sulfetos, e bactérias (potencial redox);Perda de massa e taxas de corrosão;Ensaios químicos (enxofre total e o teor de cloretos, Fe, Ti, K, Si, Al, Na e Mg)

Podemos citar ainda a Microscopia ótica, Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e a Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS), Ensaio de microdureza Vickers, etc

Resistividade elétrica;pH do extrato aquoso;C. de retenção de água;Grau de aeração;Acidez total do solo;Alcalinidade; Difratometria Raios-X (DRX)Fluorescência Raios-X (EDX).



Conhecemos a dos processos corrosivos e suas equações.

Zinco /Ferro Ferro

natureza eletroquímica



Corrosão química:¨ Dissolução simples exemplo: dissolução do

Cobre em HNO3

¨ Dissolução preferencial exemplo: dissolução preferencial de fases ou planos atômicos

¨ Formação de ligas e compostos (óxidos, íons, etc.), na qual se dá geralmente por difusão atômica

Conhecemos a dos processos corrosivos de oxidação seca, onde há reação direta com o meio corrosivo

natureza química



Estudamos profundamente os mecanismos que interagem para produzir os fenômenos corrosivos pela modelagem de pilhas ideais.

A

CCamada com maior aeração

Atmosfera

A

C

Ascensão de água

A - Anódica C - Catódica

Atmosfera

Camada mais salina

PILHA DE CONCENTRAÇÃO IÔNICA

PILHA DE AERAÇÃO DIFERENCIAL

PAR GALVÂNICO

AC

Atmosfera

Fio cobreado

Solo homogêneo

Mecanismos básicos: eletroquímico, químico e eletrolítico.



Conhecemos os principais parâmetros que interferem na corrosão, sejam de natureza físico-químicas e/ou operacionais.

CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS:Presença de água; Capacidade de retenção de água;Presença de sais solúveis;Presença de gases; Acidez; pH; AlcalnidadeResistividade elétrica; Potencial redox

PARÂMETROS OPERACIONAIS:Condições climáticas; Emprego de fertilizantes;Contaminantes industriais ; Profundidade do solo; Aeração diferencial; Contato bimetálico;Ação de correntes de interferência.

CONDICIONANTES DA CORROSÃO



Conhecemos, suficientemente, a formação da pilha de corrosão quando uma barra está imersa numa massa de concreto.



Conhecemos a evolução do processo de deterioração durante a vida útil da fundação.

Penetração de agentes agressivos por difusão, absorção ou permeabilidade.

Penetração de agentes acelerada por defeitos construtivos

Barra protegida pelo tubo de PVC.

Lascamento do concreto por corrosão acentuada.

Fissuração devida às forças de expansão dos produtos de corrosão.

Lascamento do concreto com perda significativa da seção haste de ancora.

AGRAVADA POR DEFEITOS CONSTRUTIVOS



SITUAÇÃO IDEAL

Apesar de tudo, as patologias que incluem o rompimento de estais por corrosão, continuam ocorrendo, numa escala de certa forma preocupante.

Deficiências inerentes ao projeto e/ou construção

Ação conjunta realista das características físicas, químicas e biológicas, estáticas e dinâmicas, em cada local das fundações.

DESCONHECIMENTO DOS SOLOS



Corrosividade do solo Resistividade do solo (ohm.cm)

Muito Corrosivo

Corrosivo

Pouco Corrosivo

Nulo

< 1.000

1000 – 10.000

10.000 – 100.000

> 100.000

Ainda há algumas lacunas a serem preenchidas e falta um maior entrosamento entre as áreas distintas do Conhecimento Humano.

Ainda é comum utilizar apenas a resistividade como parâmetro de corrosão.



Formação do universo

Massa quente Massa resfriada

Partindo da formação do universo seja qual for a teoria adotada entendemos a crosta terrestre.

Form

ação

do

univ

erso Big-band

Religião

Manto da Crosta terrestre



Esse manto inicial da crosta terrestre, então passou por diversos ciclos de formação das rochas primárias

Visã

o da

Geo

logi

a

IGNEAS

METAMÓRFICAS

SEDIMENTARES

(rochas básicas) (rochas ácidas)



Numa primeira fase, a decomposição física de desintegração total ou parcial das rochas primárias produz alterações de caráter granulométrico.

Classificação ABNTsilicatos (feldspato, mica, quartzo, serpentina, clorita, talco), óxidos (hematita, magnetita, limonita), carbonatos (calcita, dolomita) e sulfatos (gesso, anifrita)

Mantendo os traços da rocha matriz



Numa segunda fase, a decomposição química produz alterações de caráter granulométrico e a decomposição química dos minerais primários em minerais secundários, pela ação da água, oxigênio, gás carbônico, substâncias orgânicas dissolvidas.

Argilominerais,Silicatos não cristalinos;Óxidos e hidróxidos de alumínio (Al);Óxidos e hidróxidos de ferro (Fe);Hidrossilicatos de Fe e Al;Carbonatos de cálcio e de magnésio;Etc.

Novos minerais sem os traços da rocha matriz

NOVOS ARRANJOS



MINERAIS SECUNDÁRIOS

Ao desestabilizar a estrutura dos minerais primários, formam-se elementos solúveis, íons liberados: como os cátions e ânions

Cátions mais comuns: Potássio (K ), Sódio (Na ), Hidrogênio (H ), Cálcio (Ca ), Magnésio (Mg ) e Alumínio (Al ).

Ânions mais comuns: Cloreto (Cl ), Nitrato (NO3 ), Sulfato (SO4 ), Fosfato (PO4 ).



++

2+

+2+

3+

23

AGLOMERADOS DE CÁTIONS, ANIONS E ELEMENTOS NEUTROS

As partículas minúsculas entre 1m a 1m funcionam como colóides: Minerais Argilas silicatadas e argilas sesquioxídicas (óxidos, hidróxidos e oxi-hidróxidos de Fe e Al) e Orgânicos húmus.

Ou aglomerados de átomos, íons e mesmo moléculas ainda menores que um nanômetro (1m) funcionam como solutos.

-710

-910

-810

-610

-1010

1m1Ao 1m

SOLUTOS COLÓIDES PARTÍCULAS

MICRO - PARTÍCULAS



mm

Partículas dissolvidas

Partículas coloidais

A Química Coloidal define colóides como um estado particular da matéria, pois diferem dos materiais em solução (solutos).



COLÓIDES

Pelo tamanho das partículas, as propriedades dos coloides ainda são pouco desconhecidas, em que pese os avanços da Nanotecnologia.

Condiçãoestável

Estadoparticular

COLÓIDES

ORGANICOS

INORGÂNICOS

Ácidos orgânicosÁcidos húmicosÁcidos fúlvicos

CaulinitaVermiculitaIlitaMontmorilinita



A fração mais reativa da matéria orgânica (ácidos húmicos e fúlvicos) também é imaginada como coloides, para propósitos práticos.

Os colóides podem ser:

A propriedade mais importante dos colóides é a atividade eletroquímica: cargas elétricas dos solos



Transformação Eletrocinética

ATRAÇÃO E REPULSÃO

Visã

o da

Eng

enha

ria C

ivil

Porém, a visão tradicional se interessa apenas pelas propriedades físicas dos materiais da crosta terrestre.

AREIAS

SILTES

ARGILAS

Ar MatériamineralÁgua

Matéria orgânica



Solosintemperizados

Uma amostra de solo é tratada como se fosse uma massa inerte, de substâncias minerais e resíduos orgânicos com uma determinada granulometria.

Matacão (5,0 cmm a 1,0 m), Pedra (7,6 cm a 25,0 cm). Pedregulho (4,8 cm a 7,6 cm),Areia (0,05 mm a 4,8 cm), Silte (0,005 mm a 0,05 mm) Argila (menor que 0,005 mm).



PARTÍCULASMENORES

Dois sistemas tradicionais de classificação são utilizados:• O Classificação Unificada (USCS - Unified Soil Classification

System). – A. Casagrande (1947) Linhas de transmissão• Sistema Rodoviário – HRB (Highway Research Board)

Visã

o da

Eng

enha

ria C

ivil



CRÍTICA DA ANÁLISE TRADICIONAL

Qualitativa (campo): Baseado na sensação ao tato (plasticidade e pegajosidade) e requer experiência (outros materiais podem mascarar o resultado).

Quantitativa (laboratório): Uso de peneiras para frações mais grossas (> 0,05mmm) e método da pipeta para frações argila e silte

Não consegue se expressar as condições naturais momentâneas

de campo.



Visã

o at

ual d

os S

olos

Enquanto isso, na visão das novas ciências, qualquer propriedade do solo (S) é função do clima (Cl), dos organismos vivos (O), do relevo (R), do material de origem (MO) e do tempo (T). S = f (MO+O+R+Cl+T).

ELEMENTO VIVO(Dinâmico)



Essa visão vai além da formação dos minerais primários. Trata dos minerais secundários e seus efeitos físicos e químicos sobre a vida vegetal

Visã

o da

Agr

onom

ia

Ciclos biogeoquímicos



SOLO JOVEMSOLO MADUROSOLO VELHO

Os solos passam continuamente por processos de formação Gerais e Específicos:



PROCESSOS GERAIS

AdiçãoRemoçãoTranslocaçãoTransformação

PROCESSOS ESPECÍFICOS

LatolizaçãoPodzolizaçãoGleizaçãoLaterizaçãoCarbonataçãoSalinizaçãoDentre outros

DINÂMICA DOS SOLOS

Pela dinâmica dos solos as propriedades variam com o tempo, e os ensaios tradicionais não conseguem expressar fielmente essas mudanças:

TemperaturaUmidadeComposição do arMobilidade de íons e cátions

pHCôrEstruturaDensidadeMatéria orgânicaMicroorganismosPorosidade

Substâncias mineraisDistribuição de partículasFormação de horizontesDensidade das partículasTextura

Minutos ou horas

Meses ou anos Centenas a milhares de anos



Variação dasPropriedades

Evaporação e transporte

Descensão Mat. orgânica

No mesmo instante em que um mecanismo tradicional de corrosão acontece, o solo passa continuamente, por transformações físicas: lixiviação, concentração de partículas coloidais, adsorção, troca de íons, etc.

MeteorizaçãoLixiviação

Dina

mism

o fís

ico

Ascensão

Descensão



No mesmo instante em que o mecanismo tradicional de corrosão acontece, o solo passa continuamente, por transformações químicas: Hidratação, Dissolução Hidrólise, Carbonatação, Oxidação, etc.



No mesmo instante em que o mecanismo tradicional de corrosão acontece, o solo passa continuamente, por transformações biológicas: restos de vegetais e de animais.

•Matéria orgânica não humificada: carbohidratos, aminoácidos, proteínas, lipídeos, ácidos nucleicos, ligninas e ácidos orgânicos.•Matéria orgânica humificada: ácidos húmicos, ácidos fólicos, ácidos himatomelânicos e minas.

19981995 1996 19971994



Atmosfera

AC

C

N

NA

CC

C

A

A

Defeitosconstrutivos

Oxigênio - x %

Oxigênio - y %

Temperatura - T1

Temperatura - T2

A

Componentes orgânicos

Movimentosdescendentes

Movimentosascendentes

Correnteselétricas

Acúm

ulo

de e

lem

ento

s co

rros

ivos

Dife

renc

iais

de

tem

pera

tura

eox

igen

amen

to

Tirantes atravessando solos heterogêneos são muito vulneráveis aos problemas oriundos da gênese dos solos

Aspectos de gênese dos solos não são levados em consideração





A classificação pedológica genético-natural é a que mais se aproxima do nosso objetivo de estudar a corrosão pelo solo, por levar em conta os atributos morfológicos, físicos, químicos, mineralógicos e biológicos.



Essa classificação permite extrapolar as características dos solos para outros locais com iguais condições climáticas,

geológicas e de relevo (sem dados experimentais)

Sistema Brasileiro Sistema Americano

Ex: Latossolo Amarelo Distrófico Típico



A sistemática adotada leva em conta a influência das sazonalidades do clima/ecosistema sobre as características dos solos.

CLIMA TEMPERADO CLIMA ÚMIDO CLIMA SECO

Influ

ênci

a do

clim

a

M. ORIGEM + CLIMA + RELEVO + TEMPO + ORGANISMOS VIVOS



a) pH em água.b) b) Fósforo (P), Potássio (K), Cálcio (Ca) e

Magnésio (Mg).c) Alumínio (Al).d) Hidrogênio (H).e) Soma de bases (SB).f) Capacidade de Troca de Cátions (CTC).g) Saturação por bases (V%).h) Saturação de alumínio (m%).i) Matéria Orgânica.

Além de outros aspectos, os parâmetros interpretativos em análise de solo são:

As propriedades elétricas e eletrocinéticas que influem no poder de adsorção de íons e atuam no metabolismo dos vegetais são representadas pela Capacidade de Troca Catiônica (CTC) - Quantidade de cátions adsorvidos reversivelmente por unidade de massa de material seco

CmolcKg de solo



Neste trabalho utilizamos o Sistema Brasileiro de Classificação de Solos e mapas pedológicos divulgados pelo Centro Nacional de Pesquisa de Solos (CNPS-EMBRAPA).





A linha de transmissão foi associada aos mapas pedológicos existentes. A legenda do corredor da linha de transmissão estudada é composta por quarenta e nove unidades de mapeamento, representando as unidades de solos.

MAPA DO BRASIL MAPA DO MUNICIPIO



BASE DE DADOS: 47 locais ESCAVADOS

DATA ESTRUTURACOORDENADAS UTM (DATUN-69)

CLASSE DE SOLOE N

Fevereiro - 2007 185/1 219892.789 9538142.959 Grupo 4

Março - 2008 56/2 793903.872 9453139.058 Grupo 4

Maio - 2009 176//2 526742.454 9577353.308 Grupo 3

Dezembro-2009 176/2 526742.454 9577353.308 Grupo 4

Março - 2010 205/4 549993.107 9570238.161 Grupo 4

Março - 2010 205/4 549993.107 9570238.161 Grupo 4

Janeiro - 2011 64/2 800981.008 9456262.854 Grupo 4

Março - 2011 299/1 326035.679 9572940.662 Grupo 4

Junho - 2011 94/1 820068.265 9478656.022 Grupo 4

9 Casos reais de arrancamento em quatro anos seguidos após a operação da linha

38 Fundações avaliadas pelo método RIMT, não invasivo (Reflectometria) e posteriormente escavadas

Para cada estrutura foi feita a identificação do solo e a respectiva análise pedológica individual e estabelecido o seu grau de gravidade

Parâmetro do solo Pontuação

Resistividade (ohm.cm)<700 10700 – 1000 81000 – 1200 51200 – 1500 21500 – 2000 1> 2000 0

pH0 – 2 52 – 4 34 – 6,5 06,5 – 7,5 07,5 – 8,5 0> 8,5 3

Potencial Redox (mV)> 100 050 – 100 3,50 – 50 4< 0 5

SulfídeosPositivo 3,5Traço 2Negativo 0

UmidadeDrenagem ruim, continuamente molhado 2Drenagem razoável, geralmente úmido 1Drenagem adequada, geralmente seco 0



ESTIMATIVA DA GRAVIDADE

Escala de corrosividade da AWWA (American Water Works Associations)

Para cada TIPO DE SOLO foi feita a estimativa de probabilidade de falha



ESTIMATIVA DA PROBABILIDADE



· Nível 1 – Intervenção não previstaProbabilidade

· Nível 2 – Intervenção em longo prazo;

Gravidad

e

1 2 2 3

· Nível 3 – Intervenção em curto prazo;2 2 3 4

· Nível 4 – Intervenção urgente;2 3 4 5

· Nível 5 – Intervenção muito urgente3 4 5 5

Os dados foram tratados por análise preliminar de riscos para então definir o nível de prioridades das intervenções

Plano de atuaçãoEstrutura N. Data para intervenção ObservaçõesPontuação de risco

Podemos concluir que a metodologia sugerida para avaliação da agressividade do solo mostrou grande acerto, permitindo identificar pontos críticos que devem ser inspecionados, antes de adotar as medidas anticorrosivas, se necessário.

Acerto

Erro

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Series1

11%

89%



Atmosfera

AC

C

N

N

C

ADefeitosconstrutivos

Oxigênio - x %

Oxigênio - y %

Temperatura - T1

Temperatura - T2

Acúmulo de Substâncias salinas

LIXIVIAÇÃO

Tubo PVC

Solo

Roch

a

O caso mais típico são os tirantes com defeitos construtivos que travessam zonas de transição solo-rocha susceptíveis à corrosão pelo acúmulo de sais.

N - Neutra

C - CatódicaA - Anódica



O artigo técnico reconhece as dificuldades ainda existentes pela excessiva complexidade dos solos. As variações (resistividade elétrica, grau de aeração, composição química, grau de umidade e outras) dão origem, também, a pilhas de corrosão nas superfícies dos materiais neles enterrados.

Superposição de efeitos/pilhas



Reconhece também que a classificação pedológica existente se refere a uma camada superficial limitada da crosta terrestre, e necessita de ajustes.



Um conhecimento mais detalhado e aprofundado da química, física e biologia dos solos necessita ser incorporado ao mecanismo básico da corrosão.

MAPEAMENTO DOS SOLOSCORROSIVOS ?



O texto propõe a inclusão das reações químicas (podzolização, laterização, calcificação, salinização, etc.) e dos fenômenos físicos (lixiviação, concentração de partículas coloidais, adsorção, troca de íons, etc.) ao modelo eletroquímico tradicional de estudo da corrosão.



Ressalta-se que as informações contidas neste trabalho não substituem os recursos já existentes, mas podem constituir importante ferramenta de trabalho. Além disso, pode ser adotada como prática dos projetistas na elaboração de projetos e especificações.



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