1. Introdução. 1) Enquadramento e relevância do tema

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1 Universidade do Minho - Escola de Engenharia MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL Plano de Trabalhos para Dissertação de Mestrado 2016/17 Tema: Extensão do ciclo de vida de estruturas de betão armado para tratamento de águas residuais Aluno(a): Ricardo Daniel Vieira de Oliveira Número do Aluno(a): Orientador(a): Professor Doutor António Armando da Lima Sampaio Duarte (DEC) Coorientador(a): Professor Doutor Eduardo Nuno Borges Pereira (DEC) 1. Introdução O tema Extensão do ciclo de vida de estruturas de betão armado para tratamento de águas residuais do Mestrado Integrado em Engenharia Civil (MIEC) encontra-se desenvolvido segundo a natureza técnicocientífica na área do Perfil de Hidráulica Ambiente e do Perfil de Estruturas e Geotecnia. O trabalho de dissertação será realizado sob a orientação do Professor Doutor António Armando de Lima Sampaio Duarte do Departamento de Engenharia Civil (DEC) da Universidade do Minho e do Professor Doutor Eduardo Nuno Borges Pereira do Departamento de Engenharia Civil (DEC) da Universidade do Minho. O presente plano de trabalho corresponde a uma dissertação do tipo projeto de investigação de caráter teórico, com componente prática associada à análise da deterioração de estruturas de Estações de Tratamento de Águas Residuais através de ensaios laboratoriais que simulem a interação entre os ambientes agressivos e as estruturas estudadas. 1) Enquadramento e relevância do tema A durabilidade e o baixo custo do betão de cimento Portland são a principal razão para ser o material de construção mais usado no mundo. No entanto, as limitações do material, os erros de projeto e construção e as condições severas de exposição podem causar a deterioração do betão, resultando em problemas funcionais, estruturais e estéticos. A agressividade do meio onde as estruturas de betão armado estão inseridas pode reduzir a vida útil das mesmas significativamente. Embora existam muitos estudos sobre durabilidade de estruturas de betão armado, é ainda muito difícil a criação de um modelo matemático que traduza o tratamento quantitativo dos elementos chave da previsão da durabilidade, isto acontece porque é difícil definir o material que muda constantemente em interação com um ambiente agressivo, é difícil enumerar tipos de agressividade ou criar graduações de deterioração, quando se sabe que não há duas condições reais exatamente iguais, é difícil desenvolver ensaios de laboratório que simulem fielmente as condições de campo, quando não se consegue após uma centena de anos de tecnologia, estabelecer métodos de ensaios de resistência química plenamente satisfatórios. Tradicionalmente, a durabilidade de uma estrutura de betão armado tem sido considerada através de regras implícitas, de modo determinístico, por intermédio de fatores como recobrimento mínimo, relação água/cimento máxima, limitação de abertura de fendas, tipo de cimento, tipo de aditivo, etc. Estes valores são obtidos a partir de pesquisas de laboratório ou de campo e de lições oriundas da experiência prática. Os resultados que se tem obtido com este procedimento leva, em geral, a um grau satisfatório de durabilidade, mas com variações significativas (positivas ou negativas) devido a grande influência das condições reais do meio ambiente envolvente (Isaia 2001). Atualmente é ainda difícil obter a mesma durabilidade do betão armado testado em condições específicas em comparação com o mesmo betão armado da estrutura in situ. Para além do meio em que a estrutura está inserida, a durabilidade das estruturas de betão é influenciada por diversos fatores, tais como: aspetos relativos aos constituintes dessa estrutura (agregados, cimento, aço, entre outos); a sua mistura (relação água/cimento ou água/aglomerante, uso de aditivos, etc.) ou então a sua construção (condições de cura, por exemplo). Segundo Moreira (2006), a nível mundial tem-se assistido a uma degradação inesperada das estruturas de betão armado. Nos Estados Unidos da América, metade das pontes estão afetadas pela corrosão, estando 40% destas consideradas deficientes a nível estrutural. O custo de reparação ascende aos 50 biliões de dólares. Investigações recentes na Noruega mostraram que mais de 50% de todas as grandes pontes ao longo da costa Norueguesa sofrem de problemas de corrosão ou já tinham sido reparadas devido a problemas 1

2 de corrosão. A maior parte destas pontes foram construídas nos últimos 25 anos. em Portugal prevê-se que num futuro próximo mais de metade do montante envolvido no orçamento das obras públicas será gasto para efetuar a reabilitação ou reparação de estruturas de betão armado degradadas. Atualmente ainda existem muitas estruturas de betão armado com degradação precoce, estes problemas decorrem da grande dificuldade de identificar quantificar e modelar os parâmetros que influem na durabilidade e suas interações para o método de dosagem dos componentes do material a utilizar. 2) Síntese da Revisão bibliográfica Existem imensos motivos para a deterioração precoce de estruturas de betão armado como já referidos anteriormente, Torgal (2012) afirma que a maior parte das estruturas com durabilidade reduzida foram construídas numa época em que a regulamentação então vigente não tinha a durabilidade como uma preocupação central, bastando-se com a garantia de cumprimento do parâmetro resistência à compressão aos 28 dias, definido no projeto respetivo. Nas Estações de Tratamento de Águas Residuais as principais causas que provocam a reduzida durabilidade das estruturas de betão devem-se a ações agressivas, que podem ser, físicas, químicas e biológicas. A durabilidade surge assim associada à minimização da possibilidade dos agentes agressivos poderem ingressar no betão, o que poderá acontecer sob determinadas condições ambientais através de qualquer um dos seguintes mecanismos de transporte: permeabilidade, difusão ou capilaridade. Costa (1999) assume como principais agentes químicos o dióxido de carbono, cloretos, oxigénio, ácidos, sulfatos, álcalis, águas puras e os sais, e como principais agentes biológicos as bactérias, as algas e os fungos. Em seu estudo o autor aponta como principais tipos de deterioração a corrosão das armaduras, ataque químico do betão, ataque biológico, desgaste por erosão, abrasão e cavitação, ciclos de gelo-degelo, ação do fogo e cristalização de sais. A corrosão das armaduras pode ocorrer por carbonatação ou pela ação dos cloretos, enquanto que o ataque químico do betão, pode ocorrer por ataque dos sulfatos, reações álcalis-agregados, ataque dos ácidos, através de águas puras e sais de amónio e magnésio, ou pela ação da água do mar. As estruturas das Estações de Tratamento de Águas Residuais, estão expostas a um ambiente muito agressivo, para além dos fatores mencionados anteriormente, Lima (2005) destaca a degradação de estruturas de betão armado devido à ação de compostos de enxofre e de bactérias. As bactérias anaeróbias permitem a transformação dos compostos de enxofre em gás sulfídrico, enquanto que as bactérias aeróbias permitem a transformação do ácido sulfídrico em ácido sulfúrico, estes dois ácidos têm grande poder corrosivo em contacto com estruturas de betão armado. 2. Objetivos O presente trabalho de investigação tem como objetivo principal estudar o efeito dos principais agentes patológicos nas estruturas de betão armado das Estações de Tratamento de Águas Residuais e a procura de alternativas que viabilizem o aumento de tempo de vida útil dessas estruturas. De modo a alcançar o propósito principal, foram estruturadas várias fases de trabalho tendo como base os seguintes objetivos específicos: 1) Aprofundar pesquisa para estado da arte ; 2) Ensaios laboratoriais que permitam simular ambientes agressivos de sistemas de tratamento de águas residuais com estrutura de betão armado e com materiais alternativos (varões revestidos com fibras, aço inoxidável, betão com fibras, matriz de betão com cimento auto regenerativo, etc.). 3) Avaliar diferenças em termos económicos, em termos de dimensionamento, e em termos de durabilidade dos materiais ensaiados. 4) Estudar um modelo de degradação com armaduras tradicionais. 5) Estudar alternativas que possibilitem um melhor rendimento, em termos de comportamento estrutural e economia. 2

3 3. Metodologia A metodologia que servirá de base ao projeto de investigação é fruto dos conhecimentos adquiridos até à data. Para a concretização dos objetivos propostos, será necessário desenvolver uma metodologia que assente fundamentalmente em: 1) Pesquisa bibliográfica A investigação terá como base inicial a realização de uma extensiva revisão da bibliografia existente, através da consulta de artigos publicados em jornais/revistas científicos, de forma a recolher toda a informação relevante e pertinente relativamente ao tema em causa. 2) Cálculo dos estados limite de utilização de estruturas de betão armado e estruturas alternativas, com caraterização da fissuração, para permitir prever a perda de estanquidade e o ataque das armaduras. 3) Ensaios laboratoriais de arranque e/ou acelerados com o objetivo de simular a ação dos agentes patológicos em estruturas de Estações de Tratamento de Águas Residuais, com uma estrutura de betão armado e um material alternativo. 4) Análise da corrosão das armaduras/ ataque do betão dos materiais ensaiados. 5) Comparação dos resultados obtidos. 6) Caraterização de um modelo de degradação utilizando armadura tradicional. 7) Estudo de alternativas. 4. Resultados Esperados Tendo como base os objetivos definidos e as tarefas propostas, bem como a metodologia descrita anteriormente, os resultados esperados visam contribuir para um melhor estado do conhecimento sobre o tema. Assim sendo, com a realização da dissertação esperam-se os seguintes resultados: 1) Caraterização do panorama atual no que respeita ao impacto de águas residuais em estruturas de betão armado 2) Obtenção de alternativas estruturais que viabilizem um aumento de durabilidade de estruturas de Estações de Tratamento de Águas Residuais. 3) Caraterização de um modelo de degradação utilizando armadura tradicional. O resultado final da dissertação do projeto de investigação consistirá na elaboração de um documento escrito de acordo com o Despacho RT 32/2005 constituído essencialmente pelos seguintes capítulos: I. Introdução. Enquadramento e relevância do tema. Objetivos. II. Revisão do Estado da Arte. III. Caraterização dos principais agentes e modelos de deterioração de estruturas de Estações de Tratamento de Águas Residuais. IV. Caraterização física e mecânica dos materiais a utilizar nos ensaios laboratoriais e sua interação com os agentes agressivos. V. Descrição e análise de ensaios laboratoriais. VI. Comparação de desempenho estrutural e económico dos materiais ensaiados. VII. Caraterização de um modelo de degradação utilizando armaduras tradicionais. VIII. Conclusões e desenvolvimentos futuros. IX. Referências bibliográficas. 3

4 5. Faseamento e Calendarização 5.1 Faseamento As tarefas a seguir identificadas estão de acordo com os objetivos específicos propostos. Por sua vez, as atividades previstas a serem realizadas encontram-se descritas na metodologia do presente plano de trabalhos. Tarefa 1: Consolidação da revisão bibliográfica efetuada. Tarefa 2: Cálculo dos estados limite de utilização de estruturas de betão armado e estruturas alternativas, com caraterização da fissuração, para se poder prever a perda de estanquidade e o ataque das armaduras. Tarefa 3: Ensaios laboratoriais de arranque e acelerados com um agente patológico que simule a ação das águas residuais em estruturas de Estações de Tratamento, com uma estrutura de betão armado e um material alternativo. Tarefa 4: Análise da corrosão das armaduras/ataque do betão dos materiais ensaiados. Tarefa 5: Comparação dos resultados obtidos. Tarefa 6: Caraterização de um modelo de degradação utilizando armadura tradicional. Tarefa 7: Estudo de alternativas. Tarefa 8: Redação da dissertação Calendarização O período de trabalho para a elaboração da dissertação terá uma duração de seis messes com início em março de Apresenta-se de seguida, sob a forma de cronograma dividido em semanas de trabalho, o tempo previsto para cada uma das tarefas identificadas e supracitadas anteriormente. Tempo (semanas) Tarefa 1 Tarefa 2 Tarefa 3 Tarefa 4 Tarefa 5 Tarefa 6 Tarefa 7 Tarefa 8 Nota: O cronograma apresentado admite que a Dissertação será entre em setembro e defendida em setembro. Referências Bibliográficas IV CONGRESSO IBERO-AMERICANO SOBRE BETÃO AUTOCOMPACTÁVEL, Porto, Indicadores de durabilidade de concreto Auto adensável em ambiente quente e agressivo. FEUP e LABEST. ANTUNES, E. P. D. A. - Efeitos estruturais das reações químicas expansivas. Lisboa: Instituto Superior Técnico, Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil. COELHO, M., NEVES, L., SENA-CRUZ, J. - Designing NSM FRP systems in concrete using partial safety factors, submited to Composites Part B: Engineering, (2016). [Consult. 18 Fev. 2017]. Dísponivel na internet:<url: COELHO, M., SENA-CRUZ, J., NEVES, L. - A review on the bond behavior of FRP NSM systems in concrete. Construction and Building Materials, (2015), 93, [Consult. 18 Fev. 2017]. Dísponivel na internet:<url: 4

5 CONGRESSO DE INOVAÇÃO NA CONSTRUÇÃO SUSTENTÁVEL, 3ª, Guimarães, Desenvolvimento de um betão com elevada resistência ao ataque por ácido sulfúrico contendo resíduos de borracha de pneus. Plataforma para a Construção Sustentável. COSTA, A. - Mecanismos de Deterioração em Estruturas de Betão Armado, IST, ISAIA, G. C. - Durabilidade do concreto ou das estruturas de concreto? Reflexões sobre o tema. WORKSHOP SOBRE DURABILIDADE DAS CONSTRUÇÕES. Novembro São José dos Campos. KULISCH, D. - Ataque por sulfatos em estruturas de concreto. Paraná: Universidade Federal do Paraná, Trabalho final de curso em Engenharia de Construção Civil, Setor de Tecnologia. LIMA, M. G. Concreto: Ensino, Pesquisa e Realizações. 1. ed. São Paulo: IBRACON, v. MARTINS, T. M. R. - Utilização de nanopartículas para obtenção de betões de elevado desempenho. Guimarães: Universidade do Minho, Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil. METHA, P. K. - Durability of concrete Fifty years of progress?. COLÓQUIO INTERNACIONAL AVANÇOS NA TECNOLOGIA DE PRODUÇÃO E REPARO DE CONCRETOS EM MEIOS AGRESSIVOS. Agosto USP - São Paulo. MOREIRA, P. M. - Contribuição dos revestimentos poliméricos para a durabilidade de betões em ambientes agressivos. Guimarães: Universidade do Minho, Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil. SERRA, A. H. G. F. - Análise de patologias em estruturas construídas em ambiente marítimo. Porto: Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil. TORGAL, F. P. (2012). Materias bio-inspirados: utilizando a biotecnologia para aumentar a durabilidade do betão. Bolina. (2012). [Consult. 18 Fev. 2017]. Dísponivel na internet:<url: 5