durabilidade ataque por sulfatos joana de sousa

DURABILIDADE

ATAQUE POR SULFATOS

Joana de Sousa Coutinho

FEUP 2001

2Durabilidade-Ataque por sulfatos Joana de Sousa Coutinho

ATAQUE POR SULFATOS 1. ATAQUE (CLÁSSICO) POR SULFATOS

Ambiente exterior

Sulfatos

SO4

2-

+

C3A (ou....) (ou Al2O3

do agregado)

expansiva

Etringite + gesso Sulfoaluminato de cálcio hidratado

Betão (agregado)

3CaO.Al2O3. 3CaSO4.31H2O

Em geral o ataque por sulfatos incide sobre o aluminato tricálcico do cimento hidratado

3CaO.Al2O3 (designação simplificada C3A).

As soluções de sulfatos podem reagir com o aluminato tricálcico do cimento hidratado ou

com a alumina do agregado, causando expansões, fissuração, descamação do betão,

amolecimento e desintegração (Figura 1).

Figura 1 - Degradação de uma manilha de betão por ataque por sulfatos (Concrete Petrography, 1998).

Os cimentos mais vulneráveis são os cimentos tipo I – Portland. Os cimentos Portland

resistentes aos sulfatos, os cimentos pozolânicos (> 30%) e os cimentos com escórias (> 65%)

volume final = 2,5 X volume inicial causando tensões intensas e fissuração irregular do betão, facilitando a penetração posterior de mais substância agressiva e progressão da deterioração

presença Ca(OH)2

e água


são os que oferecem maior resistência mas não tornam o betão imune ao ataque por sulfatos

em todas as situações e para qualquer concentração das soluções. De facto aquelas adições

contribuem para a durabilidade em condições de agressividade moderada mas não evitam o

ataque em betão de baixa qualidade (Lea’s, 1998).

Em ambientes químicamente agressivos, a degradação resultante do ataque por sulfatos,

para uma determinada dosagem de cimento, depende claramente do teor de C3A (aluminato

tricálcico) desse cimento, dependencia que vai sendo menos notória à medida que a dosagem

aumenta – Figura 2 (Gonçalves, 2000).

Figura 2 – Influência da dosagem de cimento e do seu teor de C3A na resistência do betão ao

ataque por sulfatos (Gonçalves, 2000)

Os sulfatos de cálcio, magnésio, sódio e potássio existem em solos argilosos ou outros

solos, frequentemente em quantidades consideráveis. A sua distribuição é muito heterogénea

podendo-se verificar concentrações muito diferentes em zonas distanciadas de apenas alguns

metros. Por exemplo o gesso ocorre frequentemente em cristais discretos ou aglomerados de

cristais ou em bandas concentradas.

Nas soluções percolantes nos solos, a concentração de sulfatos também pode variar

significativamente dependendo do movimento de percolação, do conteúdo de sulfatos do solo

e, sobretudo, da solubilidade do sal de sulfato em questão.

O sulfato de cálcio apresenta uma solubilidade limitada a 2 g por litro de água, o que

corresponde a um limite máximo de 1.2 g de SO3 por litro de água. Se se constata que o solo

apresenta um valor superior em termos de concentração de SO3, esse facto indica que se está

perante uma solução de sulfatos cuja solubilidade é maior, isto é, sulfatos de magnésio, sódio

ou potássio (Lea’s, 1998).


Todos os sulfatos levam à deterioração do betão de cimento Portland mas o mecanismo

e grau de ataque depende do tipo de sulfato presente.

Sulfato de cálcio e sulfato de sódio

Enquanto que o sulfato de cálcio apenas reage com o aluminato de cálcio hidratado para

formar sulfoaluminato de cálcio, o sulfato de sódio reage com o hidróxido de cálcio livre,

formando-se sulfato de cálcio que por sua vez reage com a aluminato.

Reacção com sulfato de sódio:

Ca(OH)2 + Na2SO4.10H2O → CaSO42H2O + 2NaOH + 8H2O (1)

gesso

Reacção com sulfato de cálcio:

4CaO.Al2O3.19H2O + 3(CaSO4.2H2O) + 16H2O→3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O + Ca(OH)2 (2)

aluminato gesso etringite

A reacção (1) prossegue enquanto houver condições para tal. Por exemplo, em água

corrente com fornecimento constante de sulfato de sódio e remoção do hidróxido de sódio

formado, a reacção prosseguirá até ao fim. No entanto se o hidróxido de sódio se acumular,

atingir-se-á um equilíbrio dependendo da concentração de sulfato de sódio. Por exemplo, para

uma concentração de 5% de sulfato de sódio só cerca de um terço do trióxido de enxofre é

depositado como sulfato de cálcio quando o equilíbrio é atingido e para uma concentração de

2%, cerca de um quinto.

Sulfato de magnésio:

O sulfato de magnésio tem uma acção mais devastadora do que os outros sulfatos pois

decompõe os silicatos de cálcio hidratados e reage com os aluminatos e hidróxido de cálcio.

3CaO2.SiO2aq. + MgSO4.7H2O → 3CaSO4.2H2O + 3Mg(OH)2 + 2SiO2aq.

gesso

gesso + aluminato → etringite + ........


2. FORMAÇÃO RETARDADA DE ETRINGITE OU ATAQUE INTERNO POR SULFATOS (DEF – delayed ettringite formation ou internal sulfate attack)

Este tipo de ataque (DEF) é habitual em betões de cimento portland que tenham sido

curados com tratamento térmico e depende dos materiais, condições de cura e condições

ambientais podendo-se distinguir facilmente por microscopia óptica ou electrónica da reacção

álcalis-agregado (ASR) e de outros mecanismos de deterioração (Skalny et al., 1996).

A reacção DEF pode se manifestar se:

- se verificou ausência de fontes externas de sulfatos

- história de cura por calor (ou demasiado calor desenvolvido durante a presa)

- presença de vacúolos em torno das partículas de agregados

- vacúolos proporcionais ao tamanho das partículas

(Skalny et al., 1996).

Nas Figuras 3 e 4 apresentam-se casos de microfissuras causadas por formação

retardada de etringite (Lawrence et al., 1990).

Figura 3 – Microfissura à superfície de uma viga pré-esforçada provavelmente causada por formação

retardada de etringite (Lawrence et al., 1990).


Figura 4 – Microfissura provavelmente causada por formação retardada de etringite num provete de

betão de 21 anos (Lawrence et al., 1990).

Foi proposto um ensaio rápido (1 mês) para detectar este tipo de ataque. Este ensaio

desenvolvido no Canadá é designado por "Duggan test" (Grabowski et al., 1992).

3 ATAQUE POR SULFATOS COM FORMAÇÃO DE TAUMASITE (TSA – thaumasite form of sulfate attack)

O mecanismo de ataque por sulfatos com formação de taumasite pode ser severo em

termos de estruturas de betão se na composição do betão forem usados constituintes

iinapropriados e o ambiente corresponder a solos com sulfatos.

O tipo de estruturas susceptíveis de ataque dos sulfatos com formação de taumasite são:

- fundações e lajes de pavimento em contacto com solos com sulfatos

- estradas e sub-bases

- tuneis e tubagens de esgotos


Figura 5 – Betão sujeito ao ataque por sulfatos com formação de taumasite chega a transformar-se num

material friável, separável à mão (Wallace,1999 e ENBRI, 2001).

Na década de 80 e princípios dos anos 90 foram detectados no Reino Unido vários casos de

degradação de betão enterrado em que a matriz cimentícia tinha sido completamente substituída por

taumasite transformando o betão num material mole, empapado e sem coesão. Ultimamente têm sido

detectados bastantes mais casos em viadutos de autoestradas.


ataque por sulfatos ( pontos 1 e 2 )

sulfatos + C3A → gesso etringite

ataque por sulfatos com formação de taumasite (ponto.3)

sulfatos + CSH → taumasite

O ataque por sulfatos com formação de taumasite difere do ataque comum (com

formação de gesso e etringite – pontos 1 e 2) pois não são os aluminatos cálcicos hidratados

que são atacados mas sim os silicatos cálcicos hidratados (CSH).

Estes compostos são o principal agente ligante do cimento Portland incluindo o cimento

resistente aos sulfatos.

A substituição de CSH por taumasite é acompanhado da redução das propriedades

ligantes no betão endurecido com perda de resistência e transformação numa massa pastosa

sem coesão.

Condições para se formar taumazite.

As circunstâncias necessárias à formação de taumasite são a disponibilidade de:

- iões sulfatos

- iões carbonato

- silicatos cálcicos ou silicatos cálcicos hidratados

- humidade, água.

Uma fonte proeminente de iões carbonato é o calcário presente no próprio betão utilizado

como agregado ou filler embora se conheçam casos em que o carbonato tenha sido fornecido

do exterior.

É necessário uma fonte exterior de iões sulfato e água em quantidade.

Assim as obras com mais risco de ataque serão FUNDAÇÕES realizadas com agregados

calcários em solos com água e sulfatos.

Note-se que este tipo de ataque não permite detecção por inspecção de rotina acima do

nível do solo pois verifica-se em betão enterrado (ENBRI, 2001).

Este mecanismo parece muito mais grave que o mais bem conhecido fenómeno da

formação de etringite pois a formação de taumasite realiza-se à custa dos silicatos hidratados

de cálcio que são os principais contribuintes para a resistência do cimento portland. Muitos dos

casos estudados de ataque por sulfatos eram geralmente atribuídos ao fenómeno da formação


de etringite devido ao processo de realização dos ensaios. A etringite é produzida quando os

sulfatos reagem com os aluminatos cálcicos hidratados que são constituintes secundários da

pasta de cimento endurecida e pouco contribuem para a resistência do betão (Parker, 1998).

Um cimento portland corrente tem entre 6 e 10% de aluminato tricálcico (C3A). Como se

sabe este composto reage de imediato com água, pelo que no fabrico de cimento é necessário

adicionar sulfato de cálcio, em geral sob a forma de gesso, para regular a presa. Na presença

de gesso, o aluminato tricálcico reage formando-se sulfoaluminato de cálcio insolúvel que, com

o tempo, se desdobra em aluminatos de cálcio hidratados. No entanto estes compostos em

presença de sulfatos provenientes do exterior convertem-se em etringite que é um

sulfoaluminato de cálcio expansivo que destrói a estrutura da matriz cimentícia causando a

desagregação do betão (Parker, 98).

No caso de o local da obra apresentar um teor elevado de sulfatos é prática corrente

especificar cimentos resistentes a sulfatos com um teor de C3A inferior a 3.5%. No entanto tem-

se verificado que mesmo usando cimentos resistentes a sulfatos, o betão é vulnerável ao

ataque por sulfatos desde que exista uma fonte de carbonato de cálcio, sabendo-se hoje que

nem sequer é necessário que o carbonato de cálcio se encontre finamente dividido - mesmo

partículas de carbonato de cálcio de grandes dimensões podem provocar a formação de

taumasite sobretudo a TEMPERATURAS BAIXAS (Parker, 98).

No cimento resistente a sulfatos, a quantidade de silicatos hidratados de cálcio vulnerável

ao ataque por taumasite é, por incrível que pareça, mais elevado que em cimento portland.

Estes compostos (silicatos hidratados de cálcio) em condições de temperaturas baixas e

elevada humidade, reagem com os sulfatos provenientes do exterior (por ex. solo) e com os

carbonatos (agregados calcários) formando cristais translúcidos e moles de taumasite:

Ca Si O3 . Ca CO3 . Ca SO4 . 15H2O.

Segundo o organismo britânico BRE (British Research Establishment) no Reino Unido

40% do betão estrutural contém agregados calcários. Segundo aquele organismo a razão pela

qual o problema da taumasite foi tardiamente descoberto deveu-se ao facto da resistência aos

sulfatos ser tradicionalmente avaliado com base em ensaios com agregados siliciosos e a

temperaturas de 20oC pelo que qualquer ataque por sulfatos era atribuído à formação de

etringite (Parker, 98).

Portanto a formação de taumasite requer uma fonte de carbonato de cálcio como por

exemplo o fíler calcário usado nos cimentos modernos. As temperaturas baixas parecem de

facto conduzir à formação de taumasite. Foi estudada experimentalmente a formação de

taumasite com cimentos com variados teores de C3A e com o mesmo cimento portland (C3A

constante) mas percentagens de fíler calcário de 5 a 35%. Observou-se que a resistência aos

sulfatos diminui com o aumento da percentagem de fíler calcário sobretudo para adições


superiores a 10% conduzindo a deteriorações muito mais rápida. Também parece que a

resistência aos sulfatos diminui com o aumento de C3A. As temperaturas mais baixas

favorecem a reacção. Também parece que a concentração de solução (de 0.14% de SO4 a

1.8% de SO4) não influi nos resultados. Estes estudos conduziram à recomendação por parte

do BRE, que o cimento portland de fíler calcário produzido de acordo com a BS 7583 não deve

ser empregue em condições de sulfatos superiores à classe 1 (EQ1 segundo E 378). A BS

7583 permite 20% de fíler calcário (Halliwell et al., 1996).

REFERÊNCIAS

“Lea´s Chemistry of Cement and Concrete”, Ed. Peter C. Hewlett, Ed. Arnold, UK, 1998.

Gonçalves, A. “Exigências relacionadas com a durabilidade do betão”. ATIC Magazine, nº25,

pp.41-48, Maio, 2000.

Wallace, J.”Strengthening thaumasite-affected concrete bridges”, CONCRETE, pp.28-29,

September, 1999.

""J. Skalny, V. Johansen, N. Thaulow e A. Palomo "DEF: Una forma de ataque por sulfatos".

Materiales de Construcción, vol. 46, nº 244 Octobre/Noviembre/Diciembre, 1996.

Halliwell; N. Crammond e A. Baker. "The thaumasite form of sulfate attack in limestone-filled

cement mortars".. Building Research Establishment, 1996.

Parker, Dave "Sulphate attack hits M5 bridges", New Civil Engineer, 2 April, 1998.

ENBRI Construction Technology in Europe, "Combating the thaumasite threat to concrete"

Issue 16, June, 2001.

Lawrence, C.;., Dalziel, J.A. Hobbs, D.W., "Sulphate attack arising from delayed ettringite

formation" Interim Technical Note 12. BCA – British Cement Association, May 1990.

Grabowski, E., Czarnecki, B., Gillot, J.E., Duggan, C.R. and Scott, J.F., "Rapid Test of Concrete

Expansivity due to Internal Sulfate Atack". ACI Materials Journal, pp. 469-480, Sept – Oct.,

1992 and Discussion,1993.


Reacção dos sulfatos com os agregados

Ambiente exterior

C3A do cimento

Sulfatos

SO4

2-

+

presença

Ca(OH)2

Alumina do agregados

Al2O3

expansiva

Etringite:

Sulfoaluminato de cálcio hidratado

Betão (agregado; cimento)

Exemplo: CaSO4 .2H2O +

gesso Al2O3 + 31H2O 3CaO.Al2O3.

3CaSO4.31H2O etringite

Como exposto, em geral o ataque por sulfatos incide sobre o aluminato tricálcico do cimento

hidratado 3CaO.Al2O3 (designação simplificada C3A).

As soluções de sulfatos podem reagir com o aluminato tricálcico do cimento hidratado ou com a

alumina do agregado, causando expansões, fissuração, descamação do betão, amolecimento e

desintegração

É possível então, verificar-se esse ataque sem que o cimento hidratado contenha aluminato tricálcico

desde que providenciado pelo agregado. De facto, se o agregado contém feldspatos caulinizados então

contém alumina (Al2O3) que pode reagir com os sulfatos. Se o betão se encontrar sobressaturado em

hidróxido de cálcio resultante da hidratação do cimento, forma-se sulfo-aluminato de cálcio hidratado –

etringite (ou sal de Candlot) acompanhado de forte expansão do betão e provocando a sua desagregação.

3CaO.Al2O3 . 3CaSO4 . 31H2O Sulfoaluminato de cálcio hidratado

Ou Etringite

Ou sal de Candlot

Assim é importante evitar o uso de agregados contendo alumina pelo que se deve proceder ao

ensaio preconizado na especificação do LNEC E 251, "INERTES PARA ARGAMASSAS E BETÕES.

+ ...


Ensaio de reactividade com os sulfatos em presença de hidróxido de cálcio". Este ensaio consiste em

fabricar prismas de argamassa de 160 × 40 × 40 mm, com o agregado a analisar e, após 48 horas,

mergulhá-los em água do mar filtrada (contém sulfatos). Ao fim de seis meses, para que o agregado seja

considerado não reactivo, os prismas de argamassa não podem apresentar fendilhamento e a sua

extensão terá de ser inferior a 0,5 × 10-3, segundo a especificação do LNEC E 373, "INERTES PARA

ARGAMASSAS E BETÕES. Características e verificação da conformidade". Segundo esta especificação

o agregado também é considerado não reactivo com os sulfatos quando num ensaio com provetes de

rocha estes apresentam uma extensão inferior a 1,0 × 10-3 ao fim de 6 meses.

Para se determinar se o agregado é ou não susceptível de originar a decomposição do betão pela

acção dos sulfatos, talham-se prismas, por exemplo com 1 × 1 ×10 cm3, da rocha originária do agregado,

que se colocam dentro de uma solução de 2,6 g de sulfato por litro à qual se adicionam 10 a 20 g de

hidróxido de cálcio, o que conduz à sua sobressaturação em hidróxido, e observa-se a sua expansão. Em

vez da solução de sulfato pode usar-se água do mar à qual se adiciona também 10 a 20 g de hidróxido de

cálcio por litro de modo a obter a sua sobressaturação (Coutinho, 1988).

É ainda referido na especificação do LNEC E 373 que o ensaio de reactividade com os sulfatos é

exigido quando os:

- os betões ficam em contacto com a água do mar ou

- os betões ficam em contacto com água ou solos que contém sulfatos com teores iguais ou

superiores aos da água do mar (cerca de 2,2 g/lt.)

- os agregados exibem feldspatos.

Refere-se que em Portugal, em 1940, dois anos após o enchimento da doca nº 1 do porto de Leixões,

que foi construída a seco durante os anos de 1937 e 1938, começaram a verificar-se sintomas de alteração

das argamassas de refechamento dos blocos dos muros cais da doca, assim como a abertura de fendas

horizontais no paramento de alvenaria à altura do nível médio das marés; em 1941 notaram-se expansões

importantes nos muros cais.

O estudo desta alteração foi objecto de diferentes relatórios oficiais e em 1952 atribuía-se a alteração

à formação do sulfoaluminato expansivo, a expensas da alumina reactiva do agregado e não da

alumina do cimento, como até então se pensava. A questão foi estudada desde então em pormenor, os

primeiros resultados foram publicados em 1958 e os obtidos em diferentes estudos posteriores foram

publicados em 1965 (Coutinho, 1988).

In « Agregados para argamassas e betões », Joana de Sousa Coutinho

MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO 1, 1999,Edições DEC-FEUP

durabilidade ataque por sulfatos joana de sousa

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