Boletim Técnico da Escola Politécnica da USPDepartamento de Engenharia de Construção Civil

ISSN 0103-9830

BT/PCC/265

André T. C. GuimarãesPaulo Helene

São Paulo – 2000

DIFUSÃO DE CLORETOS E A INFLUÊNCIADO GRAU DE SATURAÇÃO DO CONCRETO:

Ensaio em Laboratórioe Medição de Obra em Uso

Escola Politécnica da Universidade de São PauloDepartamento de Engenharia de Construção CivilBoletim Técnico - Série BT/PCC

Diretor: Prof. Dr. Antônio Marcos de Aguirra MassolaVice-Diretor: Prof. Dr. Vahan Agopyan

Chefe do Departamento: Prof. Dr. Alex Kenya AbikoSuplente do Chefe do Departamento: Prof. Dr. João da Rocha Lima Junior

Conselho EditorialProf. Dr. Alex AbikoProf. Dr. Francisco CardosoProf. Dr. João da Rocha Lima Jr.Prof. Dr. Orestes Marraccini GonçalvesProf. Dr. Antônio Domingues de FigueiredoProf. Dr. Cheng Liang Yee

Coordenador TécnicoProf. Dr. Alex Abiko

O Boletim Técnico é uma publicação da Escola Politécnica da USP/Departamento de Engenharia deConstrução Civil, fruto de pesquisas realizadas por docentes e pesquisadores desta Universidade.

FICHA CATALOGRÁFICA

Guimarães, André Tavares da Cunha Difusão de cloretos e a influência do grau de saturação do concreto: ensaio em laboratório e medição de obra em uso / A.T.C. Guimarães, P. Helene. -- São Paulo : EPUSP, 2000. 19 p. – (Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP, Departa- mento de Engenharia de Construção Civil, BT/PCC/265)

1. Estruturas de concreto armado 2. Estruturas marítimas I. Hele- ne, Paulo Roberto do Lago II. Universidade de São Paulo. Escola Poli- técnica. Departamento de Engenharia de Construção Civil III. Título IV. Série

ISSN 0103-9830 CDU 624.012.45 624.034

DIFUSÃO DE CLORETOS E A INFLUÊNCIA DO GRAU DE SATURAÇÃO DOCONCRETO: ENSAIO EM LABORATÓRIO E MEDIÇÃO DE OBRA EM USO (*)

André T. C. Guimarães,Paulo Helene

Sumário

Resumo

1. Introdução

2. Obra selecionada e suas características2.1. Meio Ambiente2.2. Características do concreto

3. Ensaio de variação da difusividade em relação ao grau de saturação (GS) -ensaios em laboratório3.1. Material3.2. Ensaio3.3. Avaliação dos resultados3.4. Interpretação dos resultados

4. Ensaio de variação sazonal do grau de saturação em zona de névoa4.1. Ensaio4.2. Avaliação dos resultados4.3. Interpretação dos resultados

5. Aplicação dos resultados5.1. Zona de névoa

Conclusões

Agradecimento

Referências Bibliográficas

(*) Este texto é parte do material básico que dará origem à tese de doutoramento intitulada“Vida Útil de Estruturas de Concreto Armado em Ambientes Marítimos”.

1

DIFUSÃO DE CLORETOS E A INFLUÊNCIA DO GRAU DE SATURAÇÃO DOCONCRETO: ENSAIO EM LABORATÓRIO E MEDIÇÃO DE OBRA EM USO

Resumo

Algumas pesquisas tem mostrado que a aplicação de modelos deterministasbaseados somente nas leis de Fick, apresentam diferenças consideráveis em relação aosperfis de cloretos efetivos em estruturas marítimas existentes (GUIMARÃES, 1997).Um fator importante a ser verificado é a influência do grau de saturação (GS) doconcreto.

Nessa pesquisa foi desenvolvida metodologia de ensaio em laboratório dainfluência do GS na difusão de cloretos em pasta de cimento endurecida. Os resultadosdesse ensaio são aplicados em uma estrutura existente com 22 anos de uso, em zona denévoa marítima.

Os resultados mostram uma grande influência do GS do concreto sobre a difusãode cloretos. Portanto sua influência deve ser mais pesquisada e levada em conta naprevisão de vida útil das estruturas.

1. Introdução

Ao relacionar-se perfis de penetração de íons cloretos em obras com idadeavançada de utilização (superior a 20 anos) com os modelos deterministas baseadosexclusivamente na lei de Fick nota-se uma grande diferença entre a profundidade queseria prevista para a frente de ataque e a existente na estrutura analisada em zona demaré, zona de respingo ou zona de névoa, todas em ambiente marítimo (GUIMARÃES,1997).

Em estudos recentes, notou-se que em superfícies com alto teor de íons cloretos(2% em relação a massa de cimento) e considerando fatores como a variação daresistência a compressão, variação sazonal da temperatura, tipo de cimento, relação a/cobteve-se uma grande diferença entre a profundidade de ataque prevista por métodosdeterministas e a profundidade efetiva obtida por perfis de penetração de cloretos emcais marítimo no extremo sul do Brasil (Fig. 1). Deve-se salientar que esse teor de íonscloretos foi obtido tanto em época de chuva intensa (inverno) como em época deestiagem (verão), segundo estudos de GUIMARÃES (1997).

Supõem-se por esses fatos que a dificuldade dos cloretos penetrarem é devido aoteor de água de equilíbrio no concreto estar abaixo da saturação. Esse fato pode gerardiferenças entre resultados de laboratório e obras em serviço, pois os ensaios delaboratório que visam obter um coeficiente de difusão são realizados na condição decorpos de prova saturados (PAGE et al., 1981; PRUDÊNCIO, 1993; ANDRADE, 1993;GJ∅ RV et al., 1994).

Para investigar esse fator desenvolveu-se duas metodologias de ensaio. Aprimeira para determinar a influência da variação do grau de saturação (GS) na difusãodos cloretos. A segunda para medir a variação do GS em camadas mais externas doconcreto em um ambiente marítimo. As metodologias foram então aplicadas em um caismarítimo com 22 anos de uso.

2

2. Obra selecionada e suas características

2.1. Meio AmbienteO elemento estrutural utilizado nesta pesquisa é a viga de um trecho do

paramento do cais do Terminal de Conteiners-TECON, que situa-se em zona de névoa.O cais está localizado em porto marítimo da cidade do Rio Grande – Brasil (Fig. 2.1).

FIGURA 2.1 - Localização do cais do Terminal de Conteiners - TECON, RGS, Brazil.

2.2. Características do concretoForam extraídos testemunhos, conforme ASTM C 42 (1994), e realizados

ensaios de caracterização, além dos dados obtidos em relatórios de execução da obra.Obteve-se o perfil do teor de cloretos com material extraído com furadeira a cada 5 mmde profundidade (20 furos em cada um dos seis pontos dos 50 m de um trecho do caisque tem um total de 300 m).

O concreto da estrutura foi executado com agregado graúdo de origem graníticabritada com diâmetro máximo (Dmáx) de 38 mm e a areia é quartzosa. O aglomeranteutilizado é pozolânico com 34% de cinza volante com um consumo de 403 kg/m3. Arelação a/c é de 0,44 obtendo-se um fck de 23,4 MPa. Com 22 anos de uso apresentoumassa específica de 2275 kg/m3 e absorção por imersão e após fervura de 5,28 %conforme ASTM C 642 (1990). O perfil de penetração de cloretos apresentou umcoeficiente de penetração (k) desses íons de 5,437 mm.ano-1/2 no modelo cCl- = k.t1/2,considerando a concentração de 0,4 % de cloretos em relação a massa de cimento comolimite da frente de ataque.

3. Ensaio de variação da difusividade em relação ao grau de saturação (GS) -ensaios em laboratório

3.1. MaterialO material utilizado para o desenvolvimento e realização do ensaio foram corpos

de prova executados com pasta de cimento.O cimento utilizado foi o CPV-ARI. A utilização desse tipo de cimento se deve

ao fato da sua mais rápida hidratação em relação aos demais tipos de cimento. Dessaforma obtém-se uma influência menor das possíveis diferenças de hidratação docimento quando sujeitos a diferentes teores de umidade durante o ensaio.

OceanoAtlântico

Argentina

Uruguay

Assunção

BuenosAires

Montevideo

PortoAlegre

Rio Grande

BRASIL

TECON

Rio Grande

OceanoAtlântico

3

Com esse cimento foi executado uma pasta com relação a/c de 0,5 eposteriormente moldados 50 corpos de prova de 30 mm de diâmetro e 45 mm decomprimento em moldes plásticos, e 5 corpos de prova de 50 mm de diâmetro e 100mm de comprimento para ensaio de caracterização em moldes metálicos.

Após 24 horas de sua execução foram desmoldados e lixados no topo,desgastando alguns milímetros para extrair a camada externa que, por exsudação, ficacom sua qualidade comprometida (Fig. 3.1a). A seguir foram colocados em curasubmersa por 14 dias, ficando a partir dessa idade em ambiente de laboratório atécompletar 28 dias. Obteve-se absorção média de 29,7 % e massa específica média de1468 kg/m3 e resistência a compressão média aos 28 dias de 29 MPa.

Para estimar a massa seca dos CP's de 30 mm x 45 mm, foram selecionadosaleatoriamente 6 unidades, dentre as 50 disponíveis. Essas unidades foram secas emestufa a 105±50C por 72 horas. Obteve-se massa média de 48,3 g com um desvio padrãode 0,58 g.

3.2. EnsaioDepositou-se sobre o topo dos CP's de 30 mm x 45 mm uma camada de calda de

cimento com cloretos (5% de NaCl) e após a obtenção da estabilidade das umidadesdesejadas, obteve-se por fatiamento da metade dos corpos de prova e ensaios de teoresde cloretos na pasta, os perfis iniciais de penetração dos cloretos. Esse perfil inicialrefere-se a penetração dos cloretos com influência da sua absorção capilar. Após 3meses, com os CP's com GS estáveis obteve-se um segundo perfil para cada grupo deGS. Neste segundo caso a análise dos perfis foram realizadas com o objetivo de obter ocoeficiente de difusão para cada GS.

Para permitir a colocação da camada de calda de mesmas característicascontaminada com cloretos sobre os CP's, foi colocado um filete de silicone formandoum anel no topo dos CP's, de forma a não permitir que a calda com cloretos sederramasse contaminando a superfície lateral dos CP's (Fig. 3.1b).

FIGURA 3.1 - Preparo dos corpos de prova: a) corpo de prova com topo lixado; b)corpo de prova com anel de silicone; c) corpo de prova com capa decontaminação

GS ao redor de 55% , 75% e 90% foram obtidos secando naturalmente oumolhando os CP's com água destilada, após 28 dias de idade. O GS de quase 100% foiobtido colocando-se os CP's parcialmente submersos até a altura de 30 mm em soluçãosaturada de Ca(OH)2 (Fig. 3.1d).

a b c d

4

Cinco unidades de cada grupo foram fatiadas de 2 em 2 mm até a profundidadede 8 mm (4 fatias de aproximadamente 1,5 mm cada). Esses primeiros CP's foramfatiados com a idade de 76 dias e 30 dias após contaminação com a calda com cloretos.As fatias de mesma profundidade do mesmo grupo foram misturadas e moídas pararealização de ensaio de teor de íons cloreto totais em relação a massa de pasta conformeASTM C 1152 (1990).

Nas camadas mais profundas também foram realizados ensaios de teores de íonscloreto livres em relação a massa de pasta conforme ASTM C 1218 (1992).

Para manter o máximo possível a umidade de cada grupo os CP's restantes decada grupo foram colocados em sacos plásticos com vácuo. Esse foi o método maisprático encontrado para manter e controlar a umidade de cada grupo, pois assim pode-sepesar cada grupo como um todo com mais freqüência, conhecendo o peso do sacoplástico, e antes de fatiar os CP's para obtenção do segundo perfil, pesar cada umseparadamente. Os CP's colocados dentro dos sacos plásticos ficaram com o eixo dosCP's na posição horizontal. Aproximadamente de 7 em 7 dias os CP's eram girados como saco plástico de forma a alternar as posições dos CP's. Esses cuidados foramrealizados com a intenção de manter o teor de umidade o mais uniforme possível dentrodos CP's. Somente o grupo de GS igual a 100 % ficou em recipiente de vidro conformeexplicado anteriormente (Fig. 2d).

As caldas com cloretos, após secas em estufa a 105±50C por 72 horas,apresentaram massa média de 1,6 g e desvio padrão de 0,18 g e os anéis de silicone,secos ao ar, obtiveram massa média de 0,35g e desvio padrão de 0,13 g.

Os CP's restantes foram fatiados a 150 dias de idade.Os valores médios do GS entre os tempos T1 e T2 obtidos nos ensaios para os

Grupos I, II, III e IV foram de 57,2%, 74,8%, 90,2% e 97,7% respectivamente.Considerando os intervalos de confiança na média para massa dos CP's de 30

mm x 45 mm de 48,3±0,61 g, massa dos anéis de silicone de 0,35±0,06 g, a massa dascapas contaminadas de 1,6±0,17 g e a absorção após imersão e fervura de 29,7±1,21%,calculou-se o intervalo de confiança do GS dos CP's dos Grupos I, II, III e IV. Paracalcular GS máximo foram consideradas as menores massas dos CP's, dos anéis desilicone e das capas de contaminação e menor absorção por imersão. Para calcular o GSmínimo foram consideradas as maiores massas e absorção por imersão. Assim obteve-se95% de confiança que o GS varia dentro de uma faixa de ± 9,8 %.

A Fig. 3.2 mostra os perfis do teores médios de cloretos totais nos tempos T1 eT2 dos nos CP's dos Grupos I, II, III e IV.

Os ensaios nas caldas com cloreto dos Grupos I, II, III e IV apresentaram teoresde cloretos livres de 0,93 %, 0,79 %, 0,49 % e 0,36 % respectivamente para o tempo T1,e 0,68 %, 0,53 %, 0,28 % e 0,19 % para o tempo T2. Os teores de cloretos livres naquarta camada dos CP's são 0,02 %, 0,05 %, 0,02 % e 0,07 % no tempo T1,respectivamente para o Grupo I, II, III e IV, e 0,05 %, 0,11 %, 0,09 % e 0,06 % para otempo T2. As medições dos teores de cloretos foram realizadas no Laboratório deQuímica dos Materiais do Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo S.A..

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* SD- Saturation DegreeFIGURA 3.2 - Perfis de cloretos totais: T1- CP's com 76 dias de idade e 30 dias de

contaminação; T2 - CP's com 150 dias de idade e 104 dias de contaminação.

3.3. Avaliação dos resultadosCada grupo apresentou uma variação do teor de cloretos livres da capa de

contaminação durante o ensaio, sendo que em cada grupo obteve-se um valor médiodiferente. Isso deve-se principalmente aos diferentes teores de umidade de cada grupo.Analisando os perfis dos tempos T1 na Fig. 3.2 e os teores das capas contaminadas decada grupo de CP's correspondente ao tempo T1, observa-se que a difusão de íons foimais intensa que a penetração de íons por absorção capilar, pois os cloretos penetrarammais nos CP's com maior GS.

Em uma avaliação qualitativa nota-se que entre o Grupo I e o Grupo IV há umagrande diferença na difusão de íons cloretos, pois os perfis T1 e T2 do Grupo Ipraticamente se sobrepõe a partir da profundidade de 7,5 mm. Observa-se também queas inclinações das curvas diminuem do Grupo I para o Grupo IV, evidenciando umamaior penetração de íons cloretos com o aumento do GS.

Para avaliar os coeficientes de difusão dos quatro grupos utiliza-se a seguinteequação obtida da primeira lei de Fick:

J= l

Def .(C1-C2) sendo (3.1)

GROUP I - SD=55%

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 5 10 15Depth (mm)

% C

l- T1T2

GROUP II - SD=75%

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 5 10 15Depth (mm)

% C

l- T1T2

GROUP III - SD=90%

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 5 10 15Depth (mm)

% C

l- T1T2

GROUP IV - SD=100%

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 5 10 15Depth (mm)

% C

l- T1T2

6

J = fluxo de íons cloreto em g.cm-2.s-1;Def = coeficiente de difusão efetivo de íons cloreto em cm2.s-1;l = espessura da camada em que é medido o fluxo, em cm

C1 e C2 = concentrações de cloretos na solução de poro da superfície de topo eúltima camada em g/cm3 (serão considerados os valores médios de cloretos livresdurante o ensaio).

A Fig. 3.3 mostra o esquema de corte dos CP's.

FIGURA 3.3 - Esquema do corte dos corpos de prova

O valor de J foi calculado pelo balanço de massa de íons cloretos nos primeiros8 mm de profundidade dos CP's. A massa de íons que passam nessa espessura foidividida pela seção transversal e pelo tempo entre a medição dos dados do primeiroperfil (T1) e a medição dos dados do último perfil (T2). As massa de íons cloretos nostempos T1 e T2 foram calculadas em função das massas médias da calda com cloreto edas camadas dos CP's, consideradas de 2 mm de espessura e com massa específicaconforme ensaio realizado, e dos teores de íons cloretos medidos em cada camada,considerando teores médios dessas camadas.

A concentração média da solução de íons cloreto livre da capa de contaminação(C1) foram calculadas em função do teor de umidade médio medido entre os tempos T1e T2 e a massa de íons cloretos livres nos tempos T1 e T2, obtendo-se dois valores, dosquais calculou-se a média. Da mesma forma foi calculada a concentração média dasolução na camada situada entre as profundidades de 6 mm e 8 mmm.

Com os valores de J, l, C1 e C2 obteve-se o valor de Def, mostrado na Tabela 3.1.

TABELA 3.1 - Valores do coeficiente de difusão efetivo em função dos GS'sGrupo GS previsto - % GS obtido - % Def - cm2/s

Grupo I 55 57,2±9,8 18,37E-10

Grupo II 75 74,8±9,8 56,60E-10

Grupo III 90 90,2±9,8 65,09E-10

Grupo IV 100 97,7±9.8 203,81E-10

Calda comcloretos

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Esses resultados são apresentados em gráfico (Fig. 3.4).Neste gráfico os resultados são representados por uma equação exponencial e

mostra o intervalo de confiança na média do GS (confiança de 95%). Nota-se que osvalores do coeficiente de difusão obtidos pela curva média são ligeiramente maiores queos obtidos pela curva exponencial para GS menor que 80 %. A diferença do coeficientede difusão obtido na curva média e a linha do limite inferior é pequena para valores deGS menores que 85 %, sendo menores os valores da curva média.

A relação entre o maior coeficiente de difusão (Grupo IV- GS=100 %) e osdemais valores é de 0,09 para o Grupo I (GS=57,2±9,8%), 0,28 para o Grupo II(GS=74,8±9,8%) e 0,32 para o Grupo III (GS=90,2±9,8%). Essas relações indicam queas diferenças são bem acentuadas e que o GS do concreto é um fator que deve serconsiderado na difusão de íons.

*SD – Saturation DegreeFIGURA 3.4 - Valores médios do coef. de difusão efetivo em função do GS e intervalo

de confiança na média do GS (confiança de 95%)

3.4. Interpretação dos resultadosOs resultados do ensaio demonstram a importância de se considerar o GS do

concreto na estimativa do coeficiente de difusão dos íons cloretos.

y = 9.10-11.e0,0525x

R2 = 0,8869

1,00E-092,00E-093,00E-094,00E-095,00E-096,00E-097,00E-098,00E-099,00E-091,00E-081,10E-081,20E-081,30E-081,40E-081,50E-081,60E-081,70E-081,80E-081,90E-082,00E-082,10E-08

0 20 40 60 80 100

SD (%)

Def

(cm

2 /s)

Exponentialequation

Average

Upper limit

Lower limit

I

II

III

IV

8

As considerações feitas a seguir tem o objetivo de mostrar um possívelmecanismo que pode explicar a influência da variação do GS na difusão de íons cloretosna pasta de cimento endurecida.

� Na pasta de cimento endurecida saturada, ou seja, GS de 100% (Fig. 3.5) todosos poros acima do diâmetro crítico estão cheios de água, facilitando a difusão deíons. A seção transversal desses poros é a seção transversal por onde os íonssofrem difusão;

� Conforme MEHTA e MANMOHAN (1980), o volume de poros maiores que odiâmetro crítico é da ordem de 15% do volume total de vazios para pasta decimento com rel. a/c de 0,5, sendo esse o volume da rede interligada de porosque influi na difusão de íons. Assim, diminuindo o GS de 100% até 85% devediminuir mais acentuadamente a água na rede de poros com diâmetros maioresque o diâmetro crítico (Fig. 3.5). Portanto, a seção transversal de difusão dosíons diminui rapidamente conforme pode ser observado na Fig. 3.4 entre ospontos IV e III. O diâmetro crítico para a pasta com rel. a/c de 0,5 é deaproximadamente 80 nm (MEHTA e MANMOHAN, 1980) e a condensação emporos desse tamanho ocorre com UR maior que 95% (QUÉNARD e SALLÉE,1991). Portanto, diminuindo a UR de 95% esses poros tendem a ficarem cheioscom vapor de água e uma camada de água adsorvida em suas paredes com umaespessura de aproximadamente 0,2 nm, 0,45 nm e 0,9 nm para UR de 10% 50%e 95% respectivamente (QUÉNARD e SALLÉE, 1992). Sendo assim, os porosmaiores que o diâmetro crítico tendem a diminuir a água condensada até atingiruma camada fina de água adsorvida. Quando diminui o GS até aproximadamente85 % toda a rede de poros interligada (diâm. dos poros > diâm. crítico), teráapenas água adsorvida (Fig. 3.5). Logo a seção transversal de difusão dos íonspode diminuir muito. Nesse caso, os íons também tem que percorrer distânciasmaiores, pois precisam circundar o poro para ultrapassa-lo. Para pequenasespessuras de água (≤0,9 nm) é de se esperar que os elementos precipitados,como os Ca(OH)2, tornem-se obstáculos que dificultam a passagem dos íonscloretos, os quais possuem diâmetro de 0,36 nm;

� Para GS menor que 85 % o coeficiente de difusão deve diminuir com menosintensidade, provavelmente devido ao início da perda de água nos poros menoresque o diâmetro crítico, poros esses com menor influência no transporte demassa. Isso deve ocorrer até o momento em que a espessura de água adsorvidanas paredes dos poros com diâmetro maior que os do diâmetro crítico começa adiminuir, conforme Fig. 3.4 entre os pontos III e II;

� O coeficiente de difusão deve novamente diminuir rapidamente (Fig. 3.4, entreos pontos II e I), quando a espessura de água adsorvida nas paredes dos poroscom diâmetro maior que os do diâmetro crítico começa a diminuir (Fig. 3.5).

Esse processo apresenta forte indício de ocorrer quando se compara a curva dedistribuição dos poros na pasta de cimento (MEHTA e MANMOHAN, 1980) com osresultados do ensaio de influência do teor de umidade da pasta de cimento na difusão deíons cloretos: a inflexão na curva de distribuição dos poros na pasta com rel. a/c de 0,6ocorre quando são preenchidos com mercúrio aproximadamente 15% do volume devazios (volume de poros maiores que o poro crítico), o que eqüivale a um GS é de 85 %(Fig. 3.4, entre os pontos II e III).

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FIGURA 3.5 - Rede de poros da pasta de cimento endurecida com diferentes teores deumidade

Portanto, parece mais prudente utilizar a curva média da Fig. 3.4, sendo melhorque adotar uma correlação exponencial, principalmente para GS menores que 80 %,onde se obtém coeficientes de difusão maiores na curva média.

No caso dessa pesquisa, na determinação dos coeficientes de difusão foiconsiderado fluxo de íons cloreto em regime permanente, considerando os teoresmédios entre os perfis nos tempos T1 e T2 na superfície dos CP's e na quarta camada.

Para facilitar a determinação do coeficiente de difusão utilizando a segunda leide Fick, ou seja, em regime não permanente, pode-se manter constante o teor de íonscloretos na superfícies dos CP's durante o ensaio. Para tanto deve-se aumentar o teor deNaCl adicionado a calda acima da saturação da solução dos poros. Assim pode-secalcular o teor de cloretos solúveis para cada GS, sendo que a medida que os cloretosdissolvidos sofrem difusão, outros cloretos, até então precipitados sob a forma de NaCl,são solubilizados.

Portanto, devido as considerações feitas durante a análise desse ensaio, oscoeficientes de difusão assim calculados devem apresentar alguma diferença.

Ensaios que correlacionam o sentido do vapor com o coeficiente de difusão decloretos (MEHTA et al., 1992) parecem estar de acordo com os resultados obtidos nesseensaio. Esses ensaios correlacionam o sentido do vapor da água com o coeficiente de

Solução de poro

Vapor

Rede de poros maioresque o diâmetro crítico

GS=100%

GS>85%

GS=85%

GS<75%

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difusão, mostrando que quando o vapor se desloca no mesmo sentido dos íons cloretos ocoeficiente de difusão é bem maior que no caso contrário. Nota-se na Fig. 3.6 quequando o vapor se desloca no mesmo sentido dos cloretos as primeiras camadas poronde esses íons penetram possuem um teor de umidade maior que quando o vapor é emsentido contrário.

FIGURA 3.6 - Ensaio correlacionando o sentido do vapor da água com o coeficiente dedifusão (MEHTA et al., 1992)

HEDENBLAND (1995) demonstrou teoricamente a influência do teor deumidade na difusão de cloretos, mostrando uma maior influência do grau de hidrataçãodo cimento do que do GS. Provavelmente o grau de saturação foi um pouco maior nosgrupos com maior GS e mesmo assim esses apresentaram coeficientes de difusão bemmaiores, mostrando uma grande influência do GS. HEDENBLAND (1995) já alertavaque além do GS a precipitação de alguns elementos nos poros da pasta de cimentopoderiam diminuir o coeficiente de difusão dos cloretos.

MARTYS (1999) simulou com programa computacional a difusão de íons emporos médios (rede interligada) cheios com dois fluídos, sendo um predominantementemolhável, como por exemplo a água e o ar. Correlacionando os GS's da rede de porosinterligada simulada, com os GS's da pasta de cimento endurecida, considerando ovolume total de poros, os resultados obtidos por MARTYS (1999) apresentam umamaior influência do GS que os resultados dessa pesquisa. No entanto, na pasta decimento, temos a influência dos poros menores que o diâmetro crítico na difusão deíons. Essa influência é relativamente pequena quando a pasta de cimento está saturada.No entanto, quando há pouca umidade na rede interligada, a influência dos porospequenos deve ser considerável. Como exemplo pode-se considerar o GS de 90 % queeqüivale a de poros interligada estar com aproximadamente 33% de água do volumetotal de vazios (5% de água em 15 % de volume de vazios). Para este valor MARTYS(1999) obteve uma relação entre o coeficiente de difusão da pasta não saturada e a pastasaturada (Def/Dmáx) de 0,15, enquanto que no ensaio de influência do GS desta teseobteve-se 0,32 (Fig. 3.7).

1 2 3 4 5 6

Cl-

(% / cem)

x: distance from theconcrete surface (cm)

AB

3

2

1Cl- contentin the mix

R.H. ~ 100%

R.H. ~ 65%

x

concrete specimen(ø 10, d=3 cm)

A

B

R.H. ~ 65%x

sealed containmentR.H. ~ 100%

pulverised NaCl

11

FIGURA 3.7 - Relação entre coeficiente de difusão da pasta não saturada e dapasta saturada - Def/Dmáx (MARTYS, 1999)

4. Ensaio de variação sazonal do grau de saturação em zona de névoa

4.1. EnsaioForam extraídos do paramento do cais do TECON , testemunhos cilíndricos,

tendo o cuidado de retirar a camada mais externa. Os testemunhos assim preparadospossuem 9,4 cm de diâmetro e as seguintes espessuras: 3 testemunhos comaproximadamente 4 cm de espessura e 3 testemunhos com 8 cm de espessura.

Alguns testemunhos foram revestidos nas faces externas com silicone, comexceção de uma face de topo (Fig. 4.1b).

FIGURA 4.1 - Testemunhos - a) não revestidos; b) revestidos com silicone; c) com facevertical exposta em posição similar a face vertical do paramento do cais

Como o objetivo era comparar a variação do teor de umidade em zona de névoa,os testemunhos foram colocados em uma estrutura que fica aproximadamente a 10 m dealtura da laje do cais e a 120 m do paramento do cais. Os testemunhos revestidos comsilicone foram colocados de forma que a face não revestida ficou na posição vertical ena mesma posição do paramento do cais. Os testemunhos ficaram a frente de uma vigade concreto, de forma que a incidência solar fosse a mesma que a face vertical doparamento do cais (Fig. 4.1c). Para evitar que os testemunhos ficassem parcialmente

a

b c

1,00Def/Dmáx

0,75

0,50

0,25

0,000 25 50 75 100

GS (%)

12

submersos em água de chuva, os testemunhos foram colocados sobre calços e em localde boa drenagem.

Esses cuidados foram tomados para simular as condições ambientais das facesverticais da viga do paramento do cais na zona de névoa e o acesso aos testemunhos queem certos períodos foram pesados diariamente, foi facilitado.

Para se ter uma certeza de quando os testemunhos estariam totalmente emequilíbrio com o ambiente, alguns testemunhos foram colocados no local de exposiçãocom um alto teor de umidade e outros com um baixo teor de umidade. Dessa forma,quando dois testemunhos de mesma dimensão e colocados com diferentes teores deumidade começassem a se comportar de forma similar, ou seja, apresentar teor deumidade e variação do teor de umidade aproximados, foi considerado que essestestemunhos estavam em equilíbrio com o meio ambiente.

A massa diária dos testemunhos foi sempre obtida na mesma hora, ou seja, as9:00 h.

Após as medições realizadas em março de 1998 (medições de verão), foirealizado ensaio de absorção por imersão após fervura ASTM C 642 (1990) nostestemunhos. Após esse ensaio os testemunhos de 4 cm de espessura foram revestidoscom silicone conforme descrição anterior e novamente colocados em exposição, sendoque um dos testemunhos tinha um teor de umidade elevado, o segundo um teor deumidade médio e o terceiro um teor de umidade baixo. Assim obteve-se as medições deinverno.

4.2. Avaliação dos resultadosAnalisando os valores diários dos testemunhos pode-se fazer algumas

observações.Os testemunhos não revestidos com silicone tiveram um comportamento

diferentes dos revestidos com silicone: o ganho ou a perda de massa foi mais rápidotanto nos testemunhos com 4 cm de espessura como nos de 8 cm de espessura.

Os CP's com 4 cm de espessura e revestidos com silicone apresentaramcomportamento similar após aproximadamente dois meses de exposição (entre aprimavera e o verão de 1999). Após o ensaio de absorção por imersão e nova exposiçãoao ambiente, comportamento similar entre os CP's foi obtido após aproximadamente ummês de exposição (julho/1999). Portanto em época de chuva o comportamento similar éobtido em tempo bem menor.

Os testemunhos de 8 cm de espessura e revestidos com silicone não chegaram aoequilíbrio de umidade com o ambiente. Por esse motivo esses testemunhos não foramutilizados para analisar os resultados.

4.3. Interpretação dos resultadosAtravés das medições obtidas durante o verão, verificou-se que o GS se manteve

com uma média dos valores medidos de aproximadamente 70 % , sendo que o desviopadrão é de 1,49%, que corresponde a um coeficiente de variação é de 2,2%. Portantonota-se uma baixa variação do GS nesta estação do ano.

As medições de inverno mostram um GS médio de 85%, sendo que o desviopadrão é de 4,5% e coeficiente de variação de 5,3%. O desvio padrão é mais elevado noinverno, quando comparado com as medições de verão, mas ainda baixo. Isso deve-se aschuvas mais freqüentes no inverno, intercaladas por períodos sem chuva, quando ocorreuma secagem mais rápida no concreto com elevado GS.

13

5. Aplicação dos resultados

Os fatores que influenciam na penetração de íons cloretos são aplicados sobre asseguintes equações desenvolvidas a partir da Segunda Lei de Fick:

cCl = 2. (z) . ( Dconst.Cl- . t )1/2 onde: (5.1)

cCl : espessura em cm;Dconst.Cl- : coeficiente de difusão do concreto, considerado constante, em cm2/ano ;t : vida útil, em anos ;z : valor da função de erro de Gauss,

erf(z) = 1 - ( CcCl - CO ) / ( CS - CO ); sendo: (5.2)

CcCl : concentração de cloretos na profundidade cCl, no tempo t;CO : concentração inicial de cloretos no interior do concreto do componente estrutural;CS : concentração de cloretos na superfície do elemento estrutural, admitida constante;erf(z) : função de erro de Gauss.

A dificuldade desse modelo é o conhecimento do valor de DconstCl para ascondições em que o concreto do elemento estrutural pesquisado se encontra no seuambiente natural.

5.1. Zona de névoaA seguir é aplicado esse modelo para a viga do paramento do cais do TECON,

que está posicionada em zona de névoa.O coeficiente de difusão efetivo é obtido comparando-se o valor da resistência à

compressão do concreto com valores obtidos na bibliografia pesquisada.Devido ao grande aumento de resistência a compressão durante os dois

primeiros anos de vida útil dos concretos executados com adição de cinza volante,foram selecionados dois valores de resistência a compressão: um valor médio dos doisprimeiros anos e o valor praticamente constante dos 20 anos restantes, relativo a idadede 22 anos da estrutura pesquisada.

Para os primeiros dois anos foi considerado um fck de 23,4 MPa. Considerandoum aumento de 67% em dois anos tem-se uma resistência média de 31,2 MPa. Para os20 anos restantes a resistência a compressão é de 39,1 MPa.

Conforme ábaco proposto por HELENE (1994) o coeficiente de difusãoconsiderado constante (Dconst.Cl-) para concretos com fck de 30 MPa e 40 MPa é de600.10-10 cm2.s-1 e 316.10-10 cm2.s-1 respectivamente, sendo considerado CS de 1,2%, COde 0,02%, CeCl de 0,3%. Obtém-se assim uma média ponderada de 342.10-10 cm2.s-1.Esse valor é próximo ao valor obtido por PAGE et al. (1981) para rel. a/c de 0,4 comcimento Portland comum (equivalente a fck de 30 MPa) e temperatura de 22,5oC,considerando Dconst.Cl-=Def/p, com porosidade p entre 0,3 e 0,4 [16] e Def= 227 .10-10

cm2.s-1. Os valores de HELENE (1994) são bem próximos aos valores citados em outrotrabalho do mesmo autor (1993), sendo que os valores de coeficiente de difusão efetivopara concretos de alta resistência são bastante próximos aos determinados por GJ∅ RVet al. (1994) em ensaios com corpos de prova submersos em água do mar em laboratório

14

com temperatura média de 20oC. Para a utilização das equações acima, são consideradosos valores de HELENE (1994), temperatura de 22,5±2,5oC e concreto executado comcimento Portland comum.

Conforme ISAIA e HELENE (1993) e ábaco de HELENE (1994), deve-sediminuir a espessura de cobrimento em 20% para concretos executados com adição depelo menos 8% de microssílica ou 50% de cinza volante, o que eqüivale a umadiminuição do coeficiente de difusão de 36%, ou um coeficiente de redução docoeficiente de difusão (RC) de 0,64.

A influência da temperatura é obtida pela equação de Arrhenius:��

���

� −−= ToT

k

T eDoD11

. onde: (5.3)

DT= difusividade efetiva à temperatura T;DTo= difusividade efetiva à temperatura To;k = constante da reação;T,To = temperaturas em OK

PAGE et al. (1981) realizou ensaios de difusão de cloretos com variação datemperatura. Com esses dados obtém-se valores de k de 5511 e 4766 para relação a/c de0,5 e 0,4 respectivamente. É considerado o valor médio de k, obtendo-se kmédio de 5139.Considerando a temperatura TO de 22,5oC e a temperatura média por estação do ano,obtém-se um coeficiente médio anual de diminuição do coeficiente de difusão (RT),conforme Tabela 5.1. Os valores médios de temperatura foram calculados com valoresde temperatura diária dos anos de 1988 até o ano de 1998, conforme dados da FundaçãoUniversidade do Rio Grande- Instituto Nacional de Meteorologia-8º Distrito, RS,Brazil.

TABELA 5.1 - Valores médios de RT

To = 22,5 oC = 295,5 K

k =5139 Média

Meses Ti (oC) Ti(K) RT *

Verão 23,4 296,4 1,05

Outono 16,46 289,46 0,70

Inverno 14,37 287,37 0,61

Primavera 20,33 293,33 0,88

0,81

* RT =

��

���

� −−ToT

ke

11

O coeficiente de redução do coeficiente de difusão devido a variação do GS (RGS)écalculada pela linha média da Fig. 3.4 para GS's médios medidos durante as estações deinverno e verão. O GS na primavera e outono são considerados como o valor médioentre os GS's médios de inverno e verão. Os resultados são apresentados na Tabela 5.2.

15

TABELA 5.2 - Valores médios de RGS

Estação GS médio - % RGS RGS médio

Verão 70,0 0,226

Outono 77,5 0,286

Inverno 85,0 0,305

Primavera 77,5 0,286

0,276

O efeito da posição da superfície em relação a concretagem, na pesquisa deGUIMARÃES et al. (1999), relacionando resultados de testemunhos cuja superfície deataque é a face lateral em relação a superfície de concretagem com testemunhos cujaface de ataque é obtida por corte do centro dos CP's, obtidos em ensaio de medição dacorrente passante, conforme ASTM C 1202 (1994), para CP's executados com concretoque obtiveram abatimento de tronco cônico de 10 cm. O coeficiente de redução devido adiferença da posição da superfície exposta em relação a superfície de concretagem (RSC)é calculado com a média de 4 valores de carga passante, obtendo-se RSC=0,74.

Assim calcula-se o coeficiente de difusão efetivo considerando as condições doconcreto do elemento estrutural pesquisado em seu micro ambiente e o tipo de cimentoutilizado, em função do coeficiente de difusão obtido em laboratório para concretoexecutado com cimento Portland:

Dconst.Cl- (ef) = DconstCl (lab.). RC.RT.RGS.RSC (5.4)

Logo Dconst.Cl- (ef) = 342.10-10 cm2.s-1.0,64.0,81.0,276.0,74 = 36,2.10-10 cm2.s-1.Para se obter o valor da profundidade da frente de ataque de íons cloreto, deve-

se obter o valor de z (valor da função de erro de Gauss), conforme eq. 5.2.São considerados como teores de cloretos em relação a massa de cimento CeCl =

0,4 % e CO = 0,02 %.O valor de CS é calculado conforme medição do teor de íons cloretos nos

primeiros 5 mm de profundidade. Esse valor é de 0,53 % em relação a massa deconcreto seco.

Na camada mais externa dos elementos de concreto deve-se levar em conta umadiminuição do teor de agregado graúdo em função do efeito parede junto a fôrma deconcretagem (COUTINHO, 1973).

O aumento do teor de agregado graúdo é considerado de zero % da superfície doelemento de concreto até um teor máximo em um plano distante a metade do diâmetrodo menor agregado graúdo com um percentual significante na composiçãogranulométrica dos agregados graúdos. No concreto utilizado nos elementospesquisados, o diâmetro do menor agregado graúdo com um percentual significante nacomposição granulométrica dos agregados graúdos é de 9,5 mm. Logo considera-se queo teor máximo de agregado graúdo é atingido a uma distância de aproximadamente 5mm. Portanto, a partir dessa profundidade tem-se o menor consumo de cimento (403kg/m3).

16

Considerando que junto a superfície externa tem-se apenas argamassa, essa temmassa específica quando fresca de 2177 kg/m3 e 2068 kg/m3 quando seca e consumo decimento de 707 kg/m3. Considerando uma diminuição linear do consumo do cimento dasuperfície externa até a profundidade de 5 mm, o consumo médio de cimento daprimeira camada de extração, que também é de 5 mm, é de 555 kg/m3. A massaespecífica seca média nessa camada é de 2171 kg/m3.

Logo o valor de CS na viga do paramento (zona de névoa) é de:

CS = 0,53.(2171/555) % = 2,17% (em relação a massa de cimento)

Obtém com esses valores um erf(z) = 0,8146 , que corresponde a um z = 0,94.Chega-se assim ao modelo para zona de névoa no ambiente pesquisado:

cCl = 2. (0,94) . (36,2.10-10 cm2.s-1. t )1/2

cCl = (6,35 mm.ano-1/2).( t )1/2

Observa-se que o valor de 6,35 mm.ano-1/2 corresponde ao coeficiente depenetração de íons cloreto, e que para esse mesmo ponto o coeficiente de penetração deíons cloreto calculado a partir do perfil de íons cloreto é de 5,437 mm.ano-1/2. Os valoresapresentam apenas uma diferença de 17% a mais do obtido com as considerações acimaem relação ao obtido com o perfil de cloretos medido na estrutura. Caso não sejaconsiderada a variação do GS (RGS) e a posição da superfície exposta em relação asuperfície de concretagem (RSC), essa diferença seria de 158%, pois o coeficiente depenetração de íons cloreto seria de 14,05 mm.ano-1/2 (Fig. 10), sendo a variação do GS(RGS) o fator mais significativo. Caso não fosse considerado apenas a variação do GS adiferença aumentaria de 17% para 122%.

FIGURA 5.1 - Coeficiente de penetração de íons cloreto - K (mm.ano-1/2) - zona denévoa: a) através dos perfis medidos; b) previsto considerando superfície deataque e GS; c) previsto não considerando superfície de ataque e GS

5,437 6,35

14,05

1,171 2,58

0

2

4

6

8

10

12

14

16

a b c

K (mm.ano-1/2)

K / Kmedido

Zona de névoa

17

ConclusõesOs ensaios aqui desenvolvidos assim como a aplicação dos resultados em uma

estrutura marítima indicam uma grande influência do GS. O GS é um fator maisdecisivo na intensidade de penetração de íons cloreto que o teor de umidade, assimcomo a interligação dos poros é mais importante que o teor total de vazios no concreto.

Portanto o grau de saturação do concreto deve ser considerado na previsão devida útil de uma estrutura em ambiente marítimo.

AgradecimentoAo Prof. Paulo Helene pela orientação deste trabalho e por valiosos

ensinamentos transmitidos nestes anos de convívio.

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BOLETINS TÉCNICOS PUBLICADOS

BT/PCC/246 Tecnologia e Projeto de Revestimentos Cerâmicos de Fachadas de Edifícios. JONASSILVESTRE MEDEIROS, FERNANDO HENRIQUE SABBATINI. 28p.

BT/PCC/247 Metodologia para a Implantação de Programa de Uso Racional da Água em Edifícios.LÚCIA HELENA DE OLIVEIRA, ORESTES MARRACCINI GONÇALVES. 14p.

BT/PCC/248 Vedação Vertical Interna de Chapas de Gesso Acartonado: Método Construtivo. ELIANAKIMIE TANIGUTI, MERCIA MARIA BOTTURA DE BARROS. 26p.

BT/PCC/249 Metodologia de Avaliação de Custos de Inovações Tecnológicas na Produção de Habitaçõesde Interesse Social. LUIZ REYNALDO DE AZEVEDO CARDOSO, ALEX KENYAABIKO. 22p

BT/PCC/250 Método para Quantificação de Perdas de Materiais nos Canteiros de Obra em Obras deConstrução de Edifícios: Superestrutura e Alvenaria. ARTEMÁRIA COÊLHO DEANDRADE, UBIRACI ESPINELLI LEMES DE SOUZA. 23p.

BT/PCC/251 Emprego de Dispositivos Automáticos em Aparelhos Sanitários para Uso Racional da Água.CYNTHIA DO CARMO ARANHA FREIRE, RACINE TADEU ARAÚJO PRADO. 14p.

BT/PCC/252 Qualidade no Projeto e na Execução de Alvenaria Estrutural e de Alvenarias de Vedação emEdifícios. ERCIO THOMAZ, , PAULO ROBERTO DO LAGO HELENE. 31 p.

BT/PCC/253 Avaliação de Áreas Urbanas através dos Usuários: O Caso do Centro de Guaratiguetá.MAURICIO MONTEIRO VIEIRA, WITOLD ZMITROWICZ. 20p.

BT/PCC/254 O Conceito de Tempo Útil das Pastas de Gesso. RUBIANE PAZ DO NASCIMENTOANTUNES, VANDERLEY MOACYR JOHN.15p.

BT/PCC/255 Impactos Ambientais Causados por Resíduos Sólidos Urbanos: O Caso de Maringá/PR.GENEROSO DE ANGELIS NETO, WITOLD ZMITROWICZ. 24p.

BT/PCC/256 Produção e Obtenção de Barras de Fios de Aço para Concreto Armado. OSWALDOCASCUDO MATOS, PAULO ROBERTO DO LAGO HELENE. 16p.

BT/PCC/257 Influência do Tipo de Cal Hidratada na Reologia de Pastas. FABÍOLA RAGO, MARIAALBA CINCOTTO. 25p.

BT/PCC/258 Metodologia para Análises Ergonométricas de Projetos Arquitetônicos com Base na Teoriados Sistemas Nebulosos. ANA LÚCIA NOGUEIRA DE CAMARGO HARRIS, CHENGLIANG-YEE. 33p.

BT/PCC/259 Estudo da Água do Poro de Pastas de Cimento de Escória pelo Método da Água deEquilíbrio. CLÁUDIA T. A. OLIVEIRA, VAHAN AGOPYAN. 12p.

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