durabilidade de estruturas de betão armado e pré-esforçado
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BETÃO ARMADO E PRÉ-ESFORÇADO I
FOLHAS DE APOIO ÀS AULAS
MÓDULO 4
DURABILIDADE DE ESTRUTURAS DE BETÃO ARMADO
E PRÉ-ESFORÇADO
Júlio Appleton
Ano Lectivo 2007/2008
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Betão Armado e Pré-Esforçado I
MÓDULO 4 – Durabilidade de Estruturas de Betão Armado e Pré-Esforçado 139
ÍNDICE
1. MECANISMOS DE DETERIORAÇÃO ................................................................................. 140
2. MICROAMBIENTE................................................................................................................ 141
3. PERÍODO DE INICIAÇÃO E PERÍODO DE PROPAGAÇÃO ............................................. 142
4. DESPASSIVAÇÃO DAS ARMADURAS.............................................................................. 144
5. CORROSÃO DAS ARMADURAS........................................................................................ 145
6. EFEITOS DA DETERIORAÇÃO........................................................................................... 147
7. METODOLOGIAS PARA A GARANTIA DA DURABILIDADE ........................................... 147
7.1. CLASSES DE EXPOSIÇÃO ...................................................................................................147
7.2. ANÁLISE PROBABILÍSTICA DA OCORRÊNCIA DE DESPASSIVAÇÃO DAS ARMADURAS................149
7.3. RECOBRIMENTO E QUALIDADE DO BETÃO............................................................................149
7.4. OUTROS ASPECTOS IMPORTANTES PARA A GARANTIA DA DURABILIDADE DAS CONSTRUÇÕES 152
7.4.1. CONCEPÇÃO E PROJECTO ........................................................................................152
7.4.2. EXECUÇÃO ..............................................................................................................153
7.4.3. MANUTENÇÃO..........................................................................................................153
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Betão Armado e Pré-Esforçado I
MÓDULO 4 – Durabilidade de Estruturas de Betão Armado e Pré-Esforçado 140
Durabilidade de uma Estrutura – Aptidão de uma estrutura para desempenhar as
funções para que havia sido concebida durante o período de vida previsto, sem que
para tal seja necessário dispender custos de manutenção e reparação imprevistos.
Categorias parao período de
vida
Valores indicativosdo período de vida
(anos)
Exemplos
1 10 Estruturas temporárias (1)
2 10 a 25 Partes estruturais substituíveis (apoios, ...)
3 15 a 30 Estruturas para agricultura ou similares
4 50 Estruturas de edifícios e outras estruturas comuns
5 100 Monumentos, pontes e outras obras públicas
(1) Estruturas que podem ser desmontadas para serem reutilizadas não são consideradas temporárias
1. Mecanismo de Deterioração
Corrosão das armadurasCarbonatação
Cloretos
Ataque químico do betão
Ataque dos sulfatos
Reacções álcalis-inertes
Ataque dos ácidos, águas puras e sais
de amónio e magnésio
Acção da água do mar
Outros
Ataque Biológico
Desgaste por erosão, abrasão e cavitaçãoCiclos de gelo-degelo
Acção do fogo
Cristalização de sais
Reacções químicas mais significativas:
• Reacção dos sulfatos com os aluminatos da paste de cimento
Reacção expansiva
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Betão Armado e Pré-Esforçado I
MÓDULO 4 – Durabilidade de Estruturas de Betão Armado e Pré-Esforçado 141
• Reacção dos álcalis com os inertes reactivos do betão
Reacção expansiva
• Reacção dos ácidos, sais de magnésio, sais de amónio e águas puras sulfatos
com a paste de cimento
Perda das propriedades ligantes
2. Microambiente
Condições de exposição
Exemplo: Ambiente marítimo
Zona Atmosférica – Corrosão das Armaduras (XS1)
Zona de Rebentação – Corrosão das Armaduras (XS3)
Erosão do Betão
Zona de Maré – Ataque Químico do betão (XS3, XA)
Corrosão das armaduras
Erosão do Betão
Ataque Biológico
Zona Submersa – Ataque Químico do Betão (XS2)
Ataque Biológico
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Betão Armado e Pré-Esforçado I
MÓDULO 4 – Durabilidade de Estruturas de Betão Armado e Pré-Esforçado 142
Exemplo:
Ambiente Exterior – microambientes possíveis
3. Período de Iniciação e Período de Propagação
A estrutura pode estar sujeita a um nível de contaminação elevado sem que haja
sinais visíveis de deterioração (fase de iniciação)
INICIA ÃO PROPAGA ÃO
VIDA ÚTIL
NÍVEL DEDETERIORAÇÃO
TEMPO
LIMITE ACEITÁVEL
Num problema de corrosão de armaduras o fim do período de imiciação representa a
despassivação das armaduras e o período de propagação corresponde aodesenvolvimento da corrosão.
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Betão Armado e Pré-Esforçado I
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∴ Há que desenvolver acções de inspecção, mesmo que não existam sinais de
deterioração visíveis, por forma a permitir desenvolver operações de manutenção
antes que os mecanismos de deterioração mais severos se desenvolvam.
Os custos de reparação de uma estrutura que se apresente na fase de propagação
são sempre elevados.
Influência do recobrimento na profundidade de carbonatação
Recobrimento mínimo e qualidade (resistência) do betão – Valores de referência
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4. Despassivação das Armaduras
No betão não contaminado as armaduras encontram-se protegidas contra a corrosão
devido à elevada alcalinidade do meio.
Hidróxido de cálcio
Hidróxido de sódio e potássio → pH ≈ 12.5 a 13.5
Nestas condições forma-se à superfície da armadura uma barreira de protecção
(película passiva) que impede a sua corrosão.
pH ≥≥≥≥ 12,5
Película passiva
(γ γγ γ F e2O 3)
Armadura
A corrosão não épossível
Protecção das armaduras no betão
Quando o pH desce para valores inferiores a 10 - 11, ou o teor de cloretos ultrapassao valor crítico, ocorre a destruição da película passiva.
A despassivação das armaduras origina o início do mecanismo da corrosão
Dissolução da película passiva
CarbonataçãopH valor crítico
A corrosão é possível
Corrosão das armaduras após a dissolução da película passiva
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Betão Armado e Pré-Esforçado I
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5. Corrosão das Armaduras
O mecanismo da corrosão é um processo electroquímico, i.e. envolve reacções
químicas e correntes eléctricas
Para que a corrosão se possa desenvolver é necessário a presença dos seguintes
elementos:
Ânodo Zona da armadura despassivada
Cátodo Zona da armadura com acesso ao oxigénio
Conductor eléctrico Armadura
Electrólito Betão
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Betão Armado e Pré-Esforçado I
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Modelo de uma célula de corrosão
H2OO
CÁTODO
ÂNODO
Cl- CO2 H2O O2
DISSOLUÇÃO DO AÇO
Fe Fe++ + 2e-
REDUÇÃO DO OXIGÉNIO
1/2 O2 + H2O + 2e- 2OH-
2 e-
OH-
PRODUTOS DA CORROSÃO
Fe++ + 2OH- Fe (OH)2
Fe++
Volume relativo dos produtos da corrosão (Aumento percentual)
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Betão Armado e Pré-Esforçado I
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Situações em que não ocorre corrosão significativa:
• A armadura não está despassivada ⇒ não existe ânodo
• Em elementos submersos não há disponibilidade de oxigénio ⇒ não existe
cátodo
• Em elementos situados em ambientes secos o betão tem uma condutividade
baixa ⇒ não existe electrólito
6. Efeitos da Deterioração
Efeitos de corrosão das armaduras
• Fendilhação/Delaminação/Descasque do betão de recobrimento
• Perda de aderência aço/betão
• Perda de secção e ductilidade do aço
7. Metodologia para a Garantia da Durabilidade
7.1. Classes de exposição
Designaçãoda classe
Descrição do ambiente Exemplos informativos decondições em que podem ocorreras classes de exposição
1 Nenhum risco de corrosão ou ataque
X0Para betão sem armadura ouelementos metálicos embebidos:todas as exposições excepto emsituação de gelo/degelo, abrasão ouataque químico Para betão com armadura ouelementos metálicos embebidos:muito seco
Betão no interior de edifícios comuma humidade do ar ambiente muitobaixa
2 Corrosão induzida por carbonatação XC1 Seco ou permanentemente húmido Betão no interior de edifícios comuma humidade do ar ambientebaixaBetão permanentemente submersoem água
XC2 Húmido, raramente seco Superfícies de betão sujeitas acontacto prolongado com águaUm grande número de fundações
XC3 Humidade moderada Betão no interior de edifícios comuma humidade do ar ambientemoderada ou elevadaBetão exterior protegido da chuva
XC4 Alternadamente húmido e seco Superfícies de betão sujeitas a
contacto com água, não incluídas naclasse de exposição XC2
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Betão Armado e Pré-Esforçado I
MÓDULO 4 – Durabilidade de Estruturas de Betão Armado e Pré-Esforçado 148
3 Corrosão induzida por cloretos XD1 Humidade moderada Superfícies de betão expostas a
cloretos transportados pelo arXD2 Húmido, raramente seco Piscinas
Elementos de betão expostos aáguas industriais contendo cloretos
XD3 Alternadamente húmido e seco Elementos de pontes expostos apulverizações contendo cloretosPavimentosLajes de parques de estacionamento
4 Corrosão induzida por cloretos presentes na água do mar XS1 Exposto ao sal transportado pelo ar
mas não em contacto directo com aágua do mar
Estruturas próximas da costa ou nacosta
XS2 Permanentemente submerso Elementos de estruturas marítimasXS3 Zonas sujeitas aos efeitos das marés,
da rebentação e da neblina marítimaElementos de estruturas marítimas
5. Ataque gelo/degeloXF1 Saturação moderada em água, sem
produto descongelanteSuperfícies verticais de betãoexpostas à chuva e ao gelo
XF2 Saturação moderada em água, comproduto descongelante
Superfícies verticais de betão deestruturas rodoviárias expostas aogelo e a produtos descongelantestransportados pelo ar
XF3 Saturação elevada em água, semprodutos descongelantes
Superfícies horizontais de betãoexpostas à chuva e ao gelo
XF4 Saturação elevada em água comprodutos descongelantes ou comágua do mar
Estradas e tabuleiros de pontesexpostos a produtos descongelantesSuperfícies de betão expostas apulverizações directas contendoprodutos descongelantes e expostasao geloZonas sujeitas aos efeitos darebentação de estruturas marítimas
expostas ao gelo6. Ataque químico
XA1 Ambiente químico ligeiramenteagressivo, de acordo com a EN 206-1, Quadro 2
Terrenos naturais e água no terreno
XA2 Ambiente químico moderadamenteagressivo, de acordo com a EN 206-1, Quadro 2
Terrenos naturais e água no terreno
XA3 Ambiente químico altamenteagressivo, de acordo com a EN 206-1, Quadro 2
Terrenos naturais e água no terreno
Nota: Este quadro é parte integrante da EN1992-1-1 – Capítulo 4. A composição do betão
afecta quer a protecção das armaduras quer a resistência do betão aos ataques. O Anexo E dáclasses de resistência indicativas para as diferentes classes de exposição. Tal pode conduzir àescolha de classes de resistência mais elevadas do que as que seriam necessárias ao cálculoestrutural. Neste caso, deve adoptar-se o valor de f ctm associado à resistência mais elevadapara o cálculo da armadura mínima e para o controlo da largura de fendas (ver 7.3.2 a 7.3.4).
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Betão Armado e Pré-Esforçado I
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7.2. Análise Probabilística da Ocorrência de Despassivação das armaduras
Os parâmetros associados à avaliação destes fenómenos (ex: corrosão)têm uma
determinada distribuição estatística.
A avaliação não pode ser feita com base em valores médios. Deve ser feita em termosde probabilidade de ocorrência. Por exemplo 10%.
Avaliação da Probabilidade de corrosão, Z, Resistência, R, e Carga (Acção), F.
Z = R – F
R – Distribuição do recobrimento
F – Penetração do teor crítico de
cloretos F (t)
Pf = ∅ [- µz / σz] = ∅ (- β)
µz – valor médio de Z
σz Desvio padrão de Z: ( )σ2R + σ2F1/2
β – índice de fiabilidade
7.3. Recobrimento e Qualidade do Betão
Em Portugal e para um período de vida de 50 anos a classe a adoptar é S4.
Armadura Ordinária
Requisitos relativos à condição de exposição ambiental para Cmin,dur (mm)
Classe de exposição de acordo com o Quadro 4.1 Classe
Estrutural X0 XC1 XC2/XC3 XC4 XD1/XS1 XD2/XS2 XD3/XS3
S1 10 10 10 15 20 25 30
S2 10 10 15 20 25 30 35
S3 10 10 20 25 30 35 40
S4 10 15 25 30 35 40 45
S5 15 20 30 35 40 45 50
S6 20 25 35 40 45 50 55
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Betão Armado e Pré-Esforçado I
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Armaduras Pré-Esforçadas
Requisitos relativos à condição de exposição ambiental para Cmin,dur (mm)
Classe de exposição de acordo com o Quadro 4.1 Classe
Estrutural X0 XC1 XC2/XC3 XC4 XD1/XS1 XD2/XS2 XD3/XS3
S1 10 15 20 25 30 35 40
S2 10 15 25 30 35 40 45
S3 10 20 30 35 40 45 50
S4 10 25 35 40 45 50 55
S5 15 30 40 45 50 55 60
S6 20 35 45 50 55 60 65
Classe Estrutural
Condições de exposição de acordo com o quadro 4.1 Criterio
X0 XC1 XC2/XC3 XC4 XD1 XD2/XS1 XD3/XS2/ XS3
Período de vida útil
de 100 anos
aumentar
2 classes
aumentar
2 classes
aumentar
2 classes
aumentar
2 classes
aumentar
2 classes
aumentar
2 classes
aumentar 2
classes
Classe de
resistência
≥ C30/37
reduzir 1
classe
≥ C30/37
reduzir 1
classe
≥ C35/45
reduzir 1
classe
≥ C40/50
reduzir 1
classe
≥C40/50*a
reduzir 1
classe
≥ C40/50
reduzir 1
classe
≥C45/55*b
reduzir 1
classe
Elemento tipo laje
(se a posição das
armaduras não for
afectada pelo
processo construtivo)
reduzir 1
classe
reduzir 1
classe
reduzir 1
classe
reduzir 1
classe
reduzir 1
classe
reduzir 1
classe
reduzir 1
classe
Controlo de
qualidade especial
para a produção do
betão
reduzir 1
classe
reduzir 1
classe
reduzir 1
classe
reduzir 1
classe
reduzir 1
classe
reduzir 1
classe
reduzir 1
classe
*a ou C50/60 – CEM I/IIA *b ou C60/75 – CEM I/IIA
O valor a indicar nos desenhos é o do recobrimento nominal.
Cnom = Cmin + ∆C
∆C – Tolerância (rigor) no posicionamento das armaduras (10mm)
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Para além do recobrimento a EN206 estabelece os requisitos da qualidade dos betões
para as várias condições de agressividade ambiental:
Tipo de
cimento CEM I (Referência); CEM II/A(1)
CEM II/B (1); CEM III/A (2); CEM IV (2);CEM V/A (2)
Classe de
exposiçãoXC1 XC2 XC3 XC4 XC1 XC2 XC3 XC4
Mínimo
recobrimento
nominal (mm)
25 35 35 40 25 35 35 40
Máxima razão
água/cimernto0.65 0.65 0.60 0.60 0.65 0.65 0.55 0.55
Mínimadosagem de
cimento, C
(kg/m3)
240 240 280 280 260 260 300 300
Mínima classe
de resistência
C25/30
LC25/28
C25/30
LC25/28
C30/37
LC30/33
C30/37
LC30/33
C25/30
LC25/28
C25/30
LC25/28
C30/37
LC30/33
C30/37
LC30/33
(1) Não aplicável aos cimentos II/A-T e II/A-W e aos cimentos II/B-T e II/B-W, respectivamente(2) Não aplicável aos cimentos com percentagem inferior a 50% de clínquer portland, em massa
Limites da composição e da classe de resistência do betão sob acção de cloretos,para uma vida útil de 50 anos
Tipo de cimento CEM IV/A (Referência); CEM IV/B;CEM III/A; CEM III/B; CEM V; CEMII/B (1); CEM II/A-D
CEM I; CEM II/A (1)
Classe de
exposiçãoXS1/XD1 XS2/XD2 XS3/XD3 XS1/XD1 XS2/XD1 XS3/XD3
Mínimo
recobrimento
nominal (mm)
45 50 55 45 50 55
Máxima razão
água/cimento0,55 0,50 0,45 0,45 0,45 0,40
Mínima
dosagem de
cimento, C
(kg/m3)
320 320 340 360 360 380
Mínima classe
de resistência
C30/37
LC30/33
C30/37
LC30/33
C35/45
LC35/38
C40/50
LC40/44
C40/50
LC40/44
C50/60
LC50/55
(1) Não aplicável aos cimentos II –T, II-W, II/B-L e II/B-LL
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Betão Armado e Pré-Esforçado I
MÓDULO 4 – Durabilidade de Estruturas de Betão Armado e Pré-Esforçado 152
Limites da composição e da classe de resistência à compressão do betão sob ataque
químico, para uma vida útil de 50 anos
Tipo de cimento CEM IV/A (Referência); CEM IV/B;CEM III/A; CEM III/B; CEM V; CEM
II/B
(1)
; CEM II/A-D
CEM I; CEM II/A (1)
Classe de
exposiçãoXA1 XA2 (2) XA3 (2) XA1 XA2 (2) XA3 (2)
Máxima razão
água/cimento0,55 0,50 0,45 0,50 0,45 0,45
Mínima
dosagem de
cimento, C
(kg/m3)
320 340 360 340 360 380
Mínima classe
de resistência
C30/37
LC30/33
C35/45
LC35/38
C35/45
LC35/38
C35/45
LC35/38
C40/50
LC40/44
C40/50
LC40/44
(1) Não aplicável aos cimentos II-T, II-W, II/B-L e II/B-LL.(2) Quando a agressividade resultar da presença de sulfatos, os cimentos devem satisfazer os requisitos
mencionados na secção 5, nomeadamente no Quadro 10, aplicando-se ao betão as exigênciasestabelecidas neste quadro para o CEM IV.
7.4. Outros aspectos importantes para a garantia da durabilidade das construções
7.4.1. Concepção e Projecto
Forma Estrutural
• Adoptar sempre que possível formas simples que minimizem a área de exposição
ao ambiente
• Evitar saliências e cantos
Adoptar formas arredondadas
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MÓDULO 4 – Durabilidade de Estruturas de Betão Armado e Pré-Esforçado 153
Dono de Obra
Critério de Projecto
Caderno de EncargosProjecto
Concepção – Robustez
Pormenorização
Especificações Técnicas
7.4.2. Execução
Controlo Técnico de Execução
Recobrimentos
Qualidade do Betão
Cura
7.4.3. Manutenção
Inspecção e ensaios
Conservação. Medidas preventivas