monitorização permanente da corrosão em estruturas de betão...

Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 FEUP, 24-26 de outubro de 2012

Monitorização permanente da corrosão em estruturas de betão armado. Resultados a longo prazo.

Elsa Vaz Pereira1 M. Manuela Salta2

RESUMO Nesta comunicação apresentam-se resultados da aplicação de sistemas de monitorização permanente da corrosão das armaduras que foram desenvolvidos pelo LNEC e instalados há vários anos em diferentes estruturas. A análise dos resultados recolhidos em diferentes estruturas evidencia a adequabilidade dos sistemas instalados ao objectivo principal para que foram desenvolvidos - a monitorização dos processos de corrosão, bem como para avaliar o desempenho de sistemas de protecção e ainda de factores associados a outros processos de deterioração no betão. Os resultados demonstram também uma adequada robustez e durabilidade dos sensores e dos sistemas de condução de sinal e armazenamento de dados que incorporam os sistemas de monitorização permanente. Palavras-chave: Monitorização da corrosão, sensores embebidos, potencial de corrosão, intensidade de corrente de corrosão 1. INTRODUÇÃO O conhecimento atual sobre as causas de corrosão das armaduras e sobre as formas de atuação para minimizar a sua ocorrência encontra-se já bastante difundido no meio nacional. Ao nível internacional e também nacional, assiste-se atualmente ao aperfeiçoamento de modelos de previsão do comportamento a longo prazo de estruturas de betão armado danificadas com corrosão das armaduras e ao desenvolvimento de diferentes materiais de reparação e de metodologias de prevenção da corrosão das armaduras, sobretudo em ambientes de elevada agressividade ambiental. Este esforço tem sido acompanhado pelo desenvolvimento de diferentes métodos experimentais de medição de parâmetros relevantes para a degradação do aço embebido no betão. Este tipo de métodos aplica-se quer para a medição de características do betão de recobrimento, enquanto meio de proteção

1 Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Departamento de Materiais de Construção, Lisboa, Portugal. [email protected] 2 Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Departamento de Materiais de Construção, Lisboa, Portugal. [email protected]

Monitorização permanente da corrosão em estruturas de betão armado. Resultados a longo prazo

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das armaduras face ao ambiente de exposição, quer à medição de parâmetros relevantes para a evolução da degradação das armaduras como, por exemplo, a velocidade de corrosão. A abordagem convencional para o diagnóstico de processo de contaminação do betão com agentes agressivos consiste na análise química de amostras retiradas das estruturas. No caso de deterioração relacionada com a corrosão das armaduras é habitualmente avaliada a profundidade de carbonatação e/ou o perfil de cloretos. Existem também várias técnicas não destrutivas ou parcialmente destrutivas disponíveis que permitem avaliar diretamente o estado de corrosão das armaduras, como a medida do potencial de corrosão e medidas da intensidade de corrente de corrosão. Trata-se, contudo, de leituras pontuais, realizadas com sondas externas, que só fornecem informação relativa a um dado instante. Sendo a velocidade de corrosão das armaduras e, portanto, a velocidade de degradação do betão armado muito influenciada pela temperatura, pela humidade e pelo acesso de oxigénio, reconhece-se que uma adequada compreensão sobre o processo de deterioração e, portanto, do estado do betão, só pode ser alcançado através do estudo do histórico de alterações temporais e sazonais que ocorrem na zona do betão de recobrimento. A obtenção de informação relevante requere a realização de várias campanhas experimentais com periodicidades criteriosamente escolhidas. Outra abordagem que tem vindo a ser desenvolvida consiste na introdução de sensores embebidos no betão de recobrimento durante a fase de construção ou na sequência de trabalhos de reparação. Este tipo de sensores, desenhados de modo a medir os parâmetros relevantes para a durabilidade, são habitualmente ligados a sistemas de aquisição automática de dados, sendo assim possível obter informação com grande detalhe, em tempo real, sobre a evolução da degradação das estruturas por corrosão das armaduras. A monitorização contínua da corrosão das armaduras permite não só diagnosticar o problema mas também acionar soluções e avaliar a sua eficácia, constituindo assim importantes ferramentas disponíveis para a otimização das operações de manutenção e reparação de estruturas betão armado, sobretudo em ambientes de elevada agressividade ambiental. O LNEC tem vindo a desenvolver diversos sensores eletroquímicos adequados para embeber no betão que permitem detetar, em tempo real, a progressão da penetração de agentes agressivos para as armaduras no betão de recobrimento, o início da corrosão do aço embebido no betão e a sua velocidade de degradação. O desenvolvimento de sistemas de monitorização permanente da corrosão das armaduras iniciou-se no LNEC à época da construção da Ponte Internacional sobre o Rio Guadiana, onde foram introduzidos os primeiros sensores embebidos no betão, para avaliação do potencial de corrosão das armaduras. Desde esta altura prosseguiu-se com o aperfeiçoamento dos sensores aplicados e com o desenvolvimento de novos sensores. Atualmente existe já uma grande experiência na utilização deste tipo de sistemas de monitorização, tanto em laboratório, para avaliação de produtos e de metodologias de reparação, como em obras novas localizadas em ambientes agressivos e em estruturas danificadas com corrosão das armaduras e submetidas a trabalhos de reparação ou reabilitação. Nesta comunicação exemplificando-se as potencialidades e limitações deste tipo de sistemas com a apresentação de resultados de obras instrumentadas pelo LNEC. 2. SENSORES PARA MONITORIÇÃO DA CORROSÃO DAS ARMADURAS A monitorização da corrosão pode realizar-se de diferentes formas, de natureza destrutiva ou não, utilizando metodologias com diferentes graus de complexidade e custo, da aplicação das quais se poderá obter informação mais ou menos pormenorizada sobre a progressão e cinética dos fenómenos de degradação.

Pereira e Salta

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A identificação e quantificação da degradação numa estrutura iniciam-se, naturalmente, pela observação visual pormenorizada acompanhada do levantamento de elementos referentes ao seu historial (tipo de estrutura, elementos prescritos no projecto, ano de execução, materiais utilizados, anteriores intervenções, etc.). Devem ainda recolher-se elementos relativos ao tipo de ambiente em que a estrutura se insere e identificarem-se possíveis zonas de microambientes ou microclimas. Com base nestas informações preliminares, estabelece-se um plano de amostragem em locais característicos da estrutura que sejam representativos de algum aspecto, por exemplo, que caracterizem as situações de maior risco de contaminação ou os elementos estruturais de maior relevância estrutural. Sob as amostras realizam-se, em geral, ensaios de caracterização do betão cujos resultados se cruzam com os requisitos do projecto e avalia-se da adequabilidade do tipo de betão utilizado para o ambiente de exposição. Determina-se a profundidade de carbonatação com indicadores de pH e/ou o teor de cloretos a diferentes profundidades. Face aos resultados obtidos, nalgumas zonas, poderá remover-se o betão de recobrimento e efectuar observação directa das armaduras. Os métodos destrutivos estão naturalmente limitados à amostragem realizada pelo que podem não fornecer uma ideia do conjunto, o que é particularmente importante numa estrutura com grandes heterogeneidades tanto em termos de material como de ambiente de exposição. Por outro lado, em situações em que se pretenda avaliar a evolução da corrosão com o tempo, como por exemplo, na sequência de alguma intervenção de reparação, não permitem obter resultados com grande detalhe ou poderá mesmo não ser recomendável a sua utilização por ser necessário retirar-se uma grande quantidade de amostras o que poderá ser incompatível com a reparação efectuada. Dentro deste contexto têm vindo a ser desenvolvidos métodos não destrutivos, os quais se pretende que forneçam, de forma rápida, informação sobre toda a estrutura. Idealmente deveriam detectar o estado de corrosão do aço no interior do betão, as principais causas de corrosão e a evolução dos fenómenos de corrosão no tempo. O desenvolvimento de métodos electroquímicos não destrutivos para avaliação da corrosão em estruturas de betão armado iniciou-se nos anos setenta com a medição do potencial de corrosão [1]. Seguiu-se, no início dos anos noventa e, sobretudo na última década, a medição da velocidade de corrosão [2], da resistividade [3], da corrente galvânica [4], da corrente limite de redução de oxigénio [5] e do teor de cloretos [6, 7]. Para aplicação destes métodos as medidas são efectuadas recorrendo a sondas externas, colocadas sobre a superfície do betão, ou a sensores embebidos no betão. A utilização de sensores externos permite efectuar medidas em toda a superfície exterior do betão. Exige, no entanto, intervenção de um operador e, nalgumas zonas, necessita de montagem de meios de acesso, o que, se se pretender avaliar o comportamento ao longo do tempo, poderá ser dispendioso. Em estruturas pintadas e em zonas de betão submerso ou enterrado, a utilização de sensores externos exige que se retire o revestimento e se exponha o betão para efectuar as medidas o que poderá influenciar os resultados. Betões muito resistivos ou com elevadas espessuras de recobrimento também poderão limitar a utilização deste tipo de métodos. A utilização de sensores embebidos no betão apresenta a desvantagem de fornecer uma amostragem mais limitada e de necessitar que os sensores sejam instalados durante a construção ou na sequência de trabalhos de reparação. Permitem, no entanto, recorrer a sistemas de aquisição automática de dados os quais possibilitam a recolha de informação pormenorizada durante grandes períodos de tempo sem aceder à estrutura. Permitem ainda recolher informação relativamente a zonas de difícil acesso numa estrutura, zonas pintadas, enterradas, submersas, betões resistivos, com elevadas espessuras de recobrimento, etc. Atingido um limite máximo pré-estabelecido, por exemplo de carbonatação do betão de recobrimento, poderão, ser ativados mecanismos preventivos da corrosão das armaduras, como a aplicação de revestimentos na superfície do betão, proteção cátodica, ou poderá optar-se, por exemplo, por um tratamento de realcalinização.


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As primeiras aplicações de sensores embebidos em estruturas de betão armado verificaram-se no final dos anos setenta com a introdução de eléctrodos de referência para controlo do potencial de corrosão em protecção catódica [8]. Seguiu-se, no início dos anos noventa, um sensor baseado na medição da corrente galvânica em macrocélulas proposto por Schiessl e Raupach [9]. Mais tarde foram propostos sensores para medição da resistividade do betão [10], velocidade de corrosão e corrente limite de redução de oxigénio [11 a 15] e teor de cloretos [16]. Mais recentemente têm sido também propostos novos sensores de fibra óptica para monitorizar diferentes factores que contribuem para a durabilidade do betão armado [17]. A selecção dos parâmetros a serem medidos em cada situação particular, bem como os locais das estruturas a serem instrumentados são críticos para o sucesso de cada sistema de monitorização da corrosão instalado. Relativamente à selecção das zonas a monitorizar estas deverão ser representativas dos vários tipos de exposição, devendo sempre seleccionar-se as zonas de maior probabilidade de corrosão, devida quer ao ambiente de exposição (zonas de maré e salpicos em estruturas marítimas, zonas de maior condensação ou de estagnação, onde exista maior probabilidade de acumulação dos agentes iniciadores ou de propagação da corrosão) quer a aspectos específicos do projecto estrutural ou de práticas construtivas (juntas de betonagem e de dilatação, zonas de elevada densidade de armaduras, zonas de canto, etc.). Relativamente à selecção dos parâmetros a medir, no período de iniciação de corrosão, durante o qual os agentes agressivos penetram no betão de recobrimento até atingir o aço, o parâmetro mais relevante em ambiente marítimo é o teor de cloretos. Em aplicações industriais ou interiores onde se pode desenvolver extensa carbonatação, a evolução da frente de carbonatação e a humidade são normalmente seguidas. No período de propagação, durante o qual as armaduras de corroem até um valor máximo admissível, a velocidade de corrosão foi identificada como o parâmetro mais relevante na avaliação da evolução da corrosão. Se inibidores orgânicos são aplicados na superfície de betão, para reduzir a corrosão, será importante saber a eficácia da penetração através do recobrimento de betão e obter informação sobre a velocidade de corrosão do aço no betão contaminado. Quando os tratamentos de superfície são usados para prevenir ou reduzir a penetração da água, para além do controlo da evolução de humidade no interior de betão, é também necessário seguir a perda das propriedades protectoras dos tratamentos de superfície com o tempo, a fim de definir os intervalos de repintura que permitam um controlo eficaz de custos. 2. SISTEMAS INTEGRADOS DE MONITORIZAÇÃO DA CORROSÃO DAS ARMADURAS Atualmente os sistemas de monitorização permanente que são instalados em estruturas são constituídos por vários tipos de sensores, designados por sistemas de monitorização integrados. Os sistemas de monitorização da corrosão instalados pelo LNEC são constituídos por sensores de corrente galvânica, potencial de corrosão, resistividade do betão e por termómetros. Em estruturas novas ou em estruturas reparadas onde todo o betão de recobrimento é removido, são normalmente instalados sensores de corrente galvânica no betão de recobrimento para acompanhar a progressão de agentes agressivos (Fig. 1). A corrente eléctrica entre o ânodo e o cátodo que é medida é proporcional à dissolução do ferro no ânodo, sendo, portanto proporcional à velocidade de corrosão. Quando a frente de despassivação é detectada nos pequenos eléctrodos de aço não ligado instalados no betão de recobrimento a diferentes profundidades, pode ser decidida a aplicação de sistemas de protecção adicionais como a aplicação de revestimentos de protecção.

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Figura 1. Sensor de corrente galvânica para instalação no betão de recobrimento durante a construção. Instalam-se também sensores de corrente galvânica em estruturas existentes para acompanhar o efeito de inibidores de corrosão ou de revestimentos de protecção. Nesse caso são removidas de locais selecionados da estrutura carotes de betão com um pequeno troço de armadura rodeada pelo betão contaminado. A carote é instrumentada no laboratório utilizando o aço embebido no betão como ânodo e um eléctrodo de aço inoxidável colocado externamente como cátodo. Após a instrumentação, a célula de corrente galvânica é recolocada no local original (Fig. 2). Materiais de reparação, como inibidores de corrosão ou revestimentos protectores são então aplicados sobre a superfície de betão.

Figura 2. Sensor de corrente galvânica para instalação em obras existentes.

Em estruturas novas o potencial de corrosão é também sempre medido para detectar o início da corrosão das armaduras. Para a medição são instalados geralmente elétrodos de referência de MnO2 em diferentes locais. Tem também sido utilizado titânio ativado como elétrodo de referência em algumas aplicações. Em estruturas existentes os eléctrodos de referência são instalados em orifícios feitos deliberadamente e que são subsequentemente cheio com uma argamassa apropriada. Em áreas das estruturas já contaminadas com agentes agressivos, a medição do potencial de corrosão pode fornecer informação sobre a influência de procedimentos de reparação (remoção de betão contaminado em torno da armadura, aplicação de inibidores de corrosão, aplicação de revestimentos de protecção, etc.). A medição da resistência eléctrica de betão pode fornecer informação complementar sobre a progressão da frente de despassivação, o grau de saturação do betão e a eficácia dos sistemas de protecção contra a corrosão e, por conseguinte, são também instalados sensores de resistividade. Instalam-se também sensores de temperatura uma vez que este parâmetro influencia directamente a velocidade de corrosão das armaduras e as propriedades de transporte de agentes agressivos no betão de recobrimento.

superfície

armadura

aquisição automática de dados

ânodo cátodo

ânodo

ânodo

cátodo

aquisição automática

de dados

superfície

betão armadura


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3. APLICAÇÃO EM OBRAS DURANTE A FASE DE CONSTRUÇÃO Em obras novas as estruturas são instrumentadas durante a fase de construção em várias zonas, com diferentes exposições ambientais, habitualmente com conjuntos de sensores de potencial de corrosão, corrente galvânica em macrocélulas, resistência elétrica e temperatura - Fig. 3. O sinal proveniente dos vários sensores é encaminhado através de tubagens instaladas no interior do betão até caixas de centralização. As leituras fazem-se, em geral, com periodicidade diária, com sistemas de aquisição automática de dados. Embora estes sistemas possam enviar dados por comunicação telefónica, habitualmente realizam-se recolhas periódicas de dados dos sistemas no local com uma periodicidade que varia entre seis meses a um ano.

Figura 3. a) Instrumentação de uma estrutura durante a fase de construção com sensores de corrosão. b) Caixa de centralização do sinal e de aquisição de dados. Na Fig. 4 apresenta-se um exemplo onde se detectou a contaminação do betão com agentes agressivos a 1 cm de recobrimento. Análise química do betão a 1 cm de recobrimento revelou que a percentagem de cloretos no betão era de 1% (% relativa ao teor de cimento).

Figura 4. Deteção do início da corrosão com sondas de potencial de corrosão (Ecorr) e corrente galvânica (I) em ambiente de exposição natural. Na Fig. 5 apresentam-se resultados de um sistema instalado há cerca de 10 anos numa obra. É evidente o aumento da resistividade do betão ao longo do tempo decorrente da evolução da microestrutura do betão. Observa-se também a variação periódica da resistividade do betão com a variação da temperatura. O potencial de corrosão (Ecorr) apresenta um ligeiro aumento ao longo do tempo decorrente também da evolução da microestrutura do betão. Os potenciais de corrosão medidos são, contudo indicativos do estado de passivação das armaduras. A corrente galvânica medida (Igal) é também muito baixa, próxima de 0 µA e também indicativa de que as armaduras se encontram no estado passivo.

a)

Despassivação

Despassivação

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Figura 5. Resultados de medição de T, R, Ecorr e Igal numa estrutura localizada em ambiente marítimo e instrumentada durante a fase de construção. De referir que o sistema se encontra a funcionar interruptamente e de forma correta desde a sua instalação em 2001, tendo apenas havido necessidade de proceder à substituição de um sistema de aquisição de dados cerca de 9 anos após a sua instalação. 4. APLICAÇÃO EM OBRAS DURANTE OS TRABALHOS DE REPAR AÇÃO Em obras já existentes e submetidas a trabalhos de reparação devido a corrosão das armaduras, como foi referido, instalam-se sensores eletroquímicos especialmente desenhados de modo a obter informação sobre a eficácia das metodologias de reparação utilizadas, por exemplo o efeito da aplicação de inibidores de corrosão ou de revestimentos por pintura. O efeito de reparações localizadas na evolução da corrosão nas zonas de interface entre zonas onde o betão contaminado é removido e zonas onde o betão é preservado pode também ser monitorizado. Em zonas onde se procede à remoção total do betão de recobrimento embebem-se sensores do mesmo tipo dos utilizados em obras novas, embora a sua constituição exata seja selecionada tendo em atenção as condições específicas de cada obra. Nas zonas onde o betão de recobrimento é mantido, geralmente retiram-se carotes armadas, em zonas estratégias da estrutura sob o ponto de vista da durabilidade, que são depois instrumentadas em laboratório (Fig. 6). O varão embebido no betão original é utilizado como um dos elétrodos do sensor eletroquímico, de modo a simular, tanto quanto possível, as condições de corrosividade existentes nessas condições. Nalguns casos utilizam-se argamassas contaminadas com teores conhecidos de agentes agressivos e monitoriza-se a efeito dos inibidores de corrosão e/ou de revestimentos por pintura utilizados na reparação nas condições de exposição mais agressivas a que a obra se encontra sujeita. Os cabos de condução do sinal desde as zonas instrumentadas até aos sistemas de aquisição automática de dados são conduzidos através de tubagens exteriores – Fig. 7. Na Fig. 8 apresentam-se resultados de resistividade (R), potencial de corrosão (Ecorr), corrente galvânica (Igal) e temperatura (T) numa obra danificada por corrosão das armaduras e sujeita a trabalhos de reparação. Nas zonas contaminadas com cloretos o betão envolvente das armaduras foi

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10

20

30

40

N-01 J-02 M-03 N-03 A-04 A-05 D-05 A-06 A-07 J-08 S-08 M-09 J-1 0 S-10 J-11

Data

T (

ºC)

V1TV2T

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000


Data

R (

Ohm

)

V2RV3R

-5.E-06

-3.E-06

0.E+00

3.E-06

5.E-06


Data

I gal

(A

)

V1MV2MV3M

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0


Data

Eco

rr (

mV

)

V2P


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substituído. Foi aplicado um inibidor de corrosão por migração e a estrutura foi pintada. Os resultados de resistividade do betão mostraram existir em vários locais uma diminuição de R que foi atribuída a fissuração do betão (Fig. 9). Embora os potenciais de corrosão medidos continuem a indicar que as armaduras nos locais instrumentados se encontram no estado passivos, verifica-se existir uma evolução no sentido dos potenciais anódicos e, portanto um aumento da probabilidade de ocorrência de corrosão. As medições de corrente galvânica também evidenciaram que nalguns locais não reparados ocorreram picadas do aço.

Figura 6. Aspetos da instrumentação de uma estrutura danificada com corrosão das armaduras e sujeita a trabalhos de reparação.

Figura 7. No caso de obras sujeitas a trabalhos de reparação a condução do sinal desde os sensores de corrosão até aos sistemas de aquisição automática de dados é feita através de tubagens exteriores. É importante salientar que um dos maiores problemas detectados até à data com estes sistemas de monitorização se prende com faltas de manutenção. De facto, nos gráficos apresentados na figura verifica-se que durante alguns períodos de tempo não se registaram leituras. Estas interrupções foram devidas a deficiências na alimentação eléctrica do sistema de monitorização. 5. CONCLUSÕES A utilização de sistemas permanentes de monitorização da durabilidade nas estruturas de betão armado pode fornecer informação com grande detalhe sobre o estado de corrosão das armaduras e sua evolução, pelo que constituem uma ferramenta importante na definição de estratégias de manutenção e reparação, em particular as que envolvem a aplicação de medidas de caracter preventivo. Embora

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tratando-se de sistemas que necessitam de manutenção e acompanhamento continuado permitem, sem necessidades de criação de meios próprios adicionais para acessibilidade, ter uma avaliação em tempo real da evolução da degradação e da eficácia de metodologias de manutenção ou reparação e obter informação muito detalhada e precisa sobre os mecanismos de progressão da deterioração, informação de grande relevância na aplicação de modelos de previsão de vida útil. A análise dos resultados recolhidos pelo LNEC em diferentes estruturas evidencia a adequabilidade dos sistemas instalados ao objetivo principal para que foram desenvolvidos - a monitorização dos processos de corrosão, bem como para avaliar o desempenho de sistemas de proteção e ainda de fatores associados a outros processos de deterioração no betão. Os resultados demonstram também uma adequada robustez e durabilidade dos sensores e dos sistemas de condução de sinal e armazenamento de dados que incorporam os sistemas de monitorização permanente instalados.

Figura 8. Resultados de medição de T, R, Ecorr e Igal numa estrutura sujeita a trabalhos de reparação devido a corrosão das armaduras.

Figura 9. Fissuração do betão.


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AGRADECIMENTOS

As autoras agradessem ao Programa Operacional Espaço Atlântico 2007-2013, co-financiado pelo FEDER, o apoio financeiro dado ao projecto DURATINET. REFERÊNCIAS

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