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1 COMUNICAÇÃO TÉCNICA Nº Proteção catódica de estruturas de concreto armado Adriana De Araujo Palestra apresentada no SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA, 3, 2018, São Paulo,. 38 slides A série Comunicação Técnica compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT Av. Prof. Almeida Prado, 532 Cidade Universitária ou Caixa Postal 0141 CEP São Paulo SP Brasil CEP Tel /4000 Fax

2 III SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA Proteção catódica de estruturas de concreto armado Adriana de Araujo Laboratório de Corrosão e Proteção - IPT aaraujo@ipt.br

3 III SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA Grande parte das estruturas brasileiras estão sujeitas a uma degradação prematura. Falhas de execução, ausência de manutenções periódicas, não adoção de técnicas adequadas de avaliação e de proteção são os principais fatores desencadeadores de um quadro patológico. Elevado do Joá RJ Manutenção em 2015 somente após um grande período sem intervenções, em que a estrutura estava em estado crítico de deterioração. Ponte dos remédios - SP Após 14 anos sem manutenção, a ponte foi interditada em 2011 após o desabamento de parte de sua estrutura no Rio Tietê.

4 III SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA A corrosão nas estruturas de concreto é uma ameaça silenciosa! Geralmente é detectada somente com o aparecimento de patologias na superfície do concreto! 15 % causas não identificadas 4 % detalhes construtivos 14 % problemas estruturais 9 % outras manifestações 58 % corrosão de armaduras MANIFESTAÇÕES PATOLÓGICAS NAS ESTRUTURAS DE RECIFE (ANDRADE; DAL MOLIN, 1997)

5 Patologias em Estruturas de Concreto Armado Fissuração: fratura provocada por tensões no concreto, tendo abertura, profundidade e configuração variável; Manchas: falta de homogeneidade, lixiviação, eflorescências, proliferação de fungos, fuligem ácida;

6 Segregação: concentração heterogênea de componentes, em razão por exemplo de taxa excessiva de armadura e falhas de dosagem, lançamento e ou adensamento do concreto; Desagregação: perda da integridade do concreto por ataque químico, lixiviação, erosão, cavitação, atrito ou abrasão; Disgregação: perda da integridade do concreto de cobrimento devido a forças internas ou externas;

7 Nas estruturas de concreto, a corrosão é desencadeada pela ação de dois agentes agressivos: CO 2 e Cl - CO 2 atmosférico penetra no concreto e reage com Ca(OH) 2. As reações químicas resultam na redução do ph do concreto até 7,5, desestabilizando o filme passivo do aço-carbono (corrosão generalizada). Esse fenômeno é denominado de carbonatação. FILME ESTÁVEL 0 7,5 (filme passivo) 11,5 13,0 Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 CORROSÃO Neutro e ácido PASSIVAÇÃO alcalino (hidróxido de cálcio)

8 Dissolução do CO 2 : CO 2 + 2OH - CO H 2 O Dissolução do Ca(OH) 2 : Ca(OH) 2 Ca OH - Formação do carbonato de cálcio: Ca 2+ + CO 3 2- CaCO 3 Ca OH - + CO 2 CaCO 3 + H 2 Concreto úmido! Redução do ph! CO 2 ph < 9,5 CaCO 3 é um produto de baixa solubilidade e possui volume maior (~ 11 %) do que Ca(OH) 2 : Corrosão da armadura em taxa significativa em concreto úmido refinamento dos poros e, possível, colmatação de outros, dificultando a entrada de CO 2 do ar e outros; fissuração do concreto. manchamento da superfície devido a sua lixiviação.

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10 III SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA Nas estruturas de concreto, a corrosão é desencadeada pela ação de dois agentes agressivos: CO 2 e Cl - Cl - : íons originários principalmente de atmosfera marinha e, nos países de clima temperado, de sal de degelo. No Brasil, devido ao clima tropical e a grande extensão de costa marinha, os Cl - são praticamente exclusivos da atmosfera marinha. A presença de íons cloreto pode induzir à quebra localizada do filme passivo do aço-carbono (formação de pites) e assim determinar falhas prematuras das estruturas.

11 CORROSÃO POR CLORETO Manchamento Fissuração e destacamento Perda da seção do aço Todos os fatores que favorecem o ingresso de água no concreto de cobrimento da armadura, favorecem também o ingresso do Cl - ; A maresia e os respingos acumulam Cl - na superfície do concreto e as chuvas o carreia para face inferior dos elementos e reentrâncias superficiais. Períodos de molhagem e secagem são os mais propícios para o aumento da concentração de Cl - no concreto.

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13 Reação anódica - ANODO: Fe Fe e - 3Fe+4H 2 O Fe 3 O 4 + 8H + + 8e 2Fe 3 O 4 + H 2 O 3Fe 2 O 3 + 2H + + 2e O processo de corrosão das armadura de estruturas de concreto é um fenômeno eletroquímico que ocorre em presença de umidade e oxigênio. Há um fluxo de corrente, eletrônica no aço e iônica no eletrólito (água de poro), e reações de transferência de cargas, com oxidação do aço nas regiões anódicas e a redução do oxigênio nas regiões catódicas. Reação catódica - CATODO: 2H 2 O + O 2 + 4e - 4OH - regiões anódica (A) e catódicas (C) em microcélulas de corrosão regiões anódica (A) e catódicas (C) em macrocélulas de corrosão

14 Uma vez presente um teor crítico de íons Cl - na superfície da armadura, o filme passivo é quebrado, tendo-se a nucleação de pites que são áreas ativas localizadas de corrosão com abertura muito pequena que tendem a se aprofundar e a se espalhar na superfície do aço, formando alvéolos de corrosão. Formação de alvéolos de corrosão localizada de barra de aço-carbono (Apostolopoulos et al. 2013).

15 Produtos de corrosão solúveis : o processo de corrosão continuará, levando a deterioração das estruturas de concreto armado. A água de poro com ph da ordem de 12.5, induz a passivação das armaduras Fe Fe e - 3Fe+4H 2 O Fe 3 O 4 + 8H + + 8e Produto de corrosão insolúveis: há formação de um filme compacto e aderente que atua como barreira entre o aço-carbono e o meio, reduzindo a velocidade das reações de corrosão a níveis desprezíveis.

16 III SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA Porque a necessidade de proteção das estruturas? ACI 222.3R (2003): estruturas expostas ao ambiente marinho são vulneráveis à corrosão. Por causa desse risco, outras proteções podem ser requeridas; VAYBURD e EMMONS (2000): em ambiente agressivo, um processo de degradação pode ocorrer em um curto intervalo de tempo. A estratégia é adotar concreto de qualidade e adicionar proteção; DHIR et al. (1991): a especificação do concreto não é um guia da provável durabilidade da estrutura. Somente as características do concreto não garantem uma adequada durabilidade em ambiente contaminado com íons cloreto.

17 Monitoramento do concreto e da armadura Traço Cimento Adição Aditivo TECNOLOGIAS DISPONÍVEIS AÇÃO SOBRE O CONCRETO ARMADURA aço-carbono do ponto de vista físico a/c; cobrimento fissuração. Proteção superficial: pinturas e hidrofugantes do ponto de vista químico reserva alcalina; fixadores de Cl - inibidores de corrosão etc. métodos eletroquímicos de proteção zincagem da armadura proteção catódica desalinização ou realcalinização proteção superficial por película pintura epoxídica da armadura armaduras resistentes à corrosão aços ferríticos especiais aços inoxidáveis: Compósitos poliméricos reforçados com fibra de vidro Técnicas de proteção economicamente viáveis ao se considerar o custo de construção, o custo de manutenção e a extensão da vida útil.

18 Técnicas de proteção e recuperação das estruturas NACE RP0187: Design Considerations for Corrosion Control of Reinforcing Steel in Concrete Seleção do metal de armadura: o uso de aços mais resistentes como os aços inoxidáveis. Tratamento do concreto: substituição do concreto deteriorado/ contaminado por outro com características melhores (a/c, espessura de cobrimento, propriedades), uso de inibidores de corrosão, realcalinização e extração de cloretos do concreto e/ou tratar a sua superfície. Tratamento da armadura de aço-carbono: aplicar revestimento orgânico ou metálico. Técnicas eletroquímica: proteção catódica (corrente impressa ou anodos de sacrifício), realcalinização e extração de cloretos.

19 Técnicas de proteção e recuperação das estruturas Classe 1 Tratamento da superfície do concreto Impedir ingresso dos agentes (H 2 O, O 2, Cl - e CO 2 ) que determinam ou aceleram a corrosão (adequado para concretos não contaminados ou pouco contaminados. Para concretos contaminados, estende a vida por alguns anos). NACE RP 0390 Maintenance and Rehabilitation Considerations for Corrosion Control of Atmospherically Exposed Existing Steel-Reinforced Concrete Structures Classe 2 Reparo (retirada do concreto danificado e reconstrução) Realcalinização ou extração de cloretos Proteção catódica Alterar o meio junto às armaduras (adequadas para estruturas contaminadas)

20 III SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA PROTEÇÃO CATÓDICA POR CORRENTE IMPRESSA É reconhecida como a técnica que melhor pode proteger a longo prazo as estruturas de concreto contra a corrosão. É mais comum em estruturas expostas ao ambiente marinho devido a baixa resistividade elétrica do concreto (elevado UR e % Cl - ).

21 CORRENTE IMPRESSA: o fluxo de corrente de proteção é fornecido por uma fonte externa de energia elétrica (retificador). Retificador de corrente + - Argamassa Anodo Anodos inertes: malhas e fitas de titânio revestido com óxidos de metal nobre (MMO); Armadura embutida em concreto contaminado com Cl - Argamassa: cimentícia com caraterísticas adequadas, podendo ser aditivada com carbono.

22 ANODO INERTE CATODO CATODO Cl - Cl - OH - OH - Efeitos da Proteção catódica: Cloretos migram para o ânodo, podendo o meio ser acidificado: 4OH - O 2 + H 2 O + 4e- 2 H 2 O O 2 + 4H + + 4e- Produção de OH - no catodo, repassivando a armadura: O 2 + H 2 O + 4e- 4OH - 2H 2 O + 2e- H 2 + 4OH -

23 Fita de malha de titânio revestido com MMO Malha de titânio revestido com MMO Zetacorr

24 Malha de titânio revestido com MMO Fita de malha de titânio revestido com MMO Zetacorr

25 BENNET; TURK, 1994; BAZZONI et al., 1996; PEDEFERRI, 1996) DIN EN de 2012: polarização catódica mínima de 100 mv para um tempo máximo de decaimento 24 h ou mínima de 150 mv para um tempo de decaimento igual ou superior a 24 h. O critério de 100 mv para o tempo de decaimento de 4 h que é o mais adotado em campo!

26 Em estruturas atmosféricas de concreto, aplica-se o conceito de proteção e repassivação E pite E prot

27 E pite E prot ph concreto Pourbaix, 1972

28 Monitoramento Embutimento junto à armadura de eletrodos de referência para monitoramento do potencial Off e de decaimento (PN4h) EM - eletrodo de manganês/óxido de manganês - Mn/MnO 2 ; EPCP - eletrodo de prata/cloreto de prata - Ag/AgCl Resultado em cada solução de Ca(OH) 2 Resultado geral Eletrodo interno ph 12,5 ph 12,5 - N 2 e O 2 ph 9,5 ph 12,5-0,4 % NaCl ph 12,5-1 % NaCl Valor médio Faixa de variação EM EPCP EMMO Valor médio Desvio padrão Valor médio Desvio padrão Valor médio Desvio padrão ± ± ±

29 III SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA PROTEÇÃO CATÓDICA GALVÂNICA É reconhecida como a técnica que melhor pode repassivar a armadura em trecho de reparos de elementos de estruturas e evitar a incompatibilidade eletroquímica em trecho adjacente aos reparos em que a armadura está embutida no concreto original contaminado. É mais usado em estruturas atmosféricas sujeitas a contaminação com cloretos (ambiente marinho). Os anodos de sacrifício são distintos dos aplicados em solo e mar. A argamassa é específica para reparo com uso de anodo, devendo envolver todo o trecho de armadura corroída (previamente tratada).

30 ANODO Corrosão por macrocélula, decorrente da diferença de potencial eletroquímico resultante de concentração diferencial de elementos contaminantes (carbonatação ou íons cloreto) entre a região do reparo e o concreto original. -0,1 V -0,5 V -0,1 V CATODO CATODO

31 III SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA ANODO CATODO ANODO Diferença de potencial entre as áreas anódicas (-0,5 V) e catódicas (-0,1V) gera uma diferença de potencial de 0,4V -0,1 V -0,1 V -0,1 V -0,5 V -0,5 V CATODO CATODO ANODOS INCIPIENETES

32 III SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA Antes do reparo Região catódica Região anódica Região catódica Linha da escarificação -0,1 V -0,5 V -0,1 V Concreto contaminado

33 III SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA Reparo convencional Nova região anódica Nova região catódica Nova região anódica -0,5 V -0,1 V -0,5 V Concreto contaminado

34 III SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA Reparo com proteção catódica galvânica Entre o anodo e a armadura há fluxo de corrente que é conhecida como corrente galvânica e que deve se manter em níveis adequados para a permanente polarização do aço.

35 Anodo de sacrifício com pastilha de liga de zinco é o único usualmente aplicado na proteção galvânica das estruturas de concreto: o zinco confere proteção às armaduras de aço-carbono em razão de se oxidar preferencialmente e seus produtos serem pouco expansivos. Reações: Zn Zn e - Zn 2+ + H 2 O Zn(OH) 2 + 2H + +4e - Em condições adequadas, a corrente galvânica de proteção deve ser capaz de atender o critério de 100 mv de polarização no entorno do reparo:

36 Taxa de corrosão do zinco em função do ph Shreir (1977, p ). ph > 13,3 alta taxa de corrosão Ca(Zn(OH) 3 ) 2.2H 2 O A presença de umidade, associada à presença do hidróxido de cálcio, leva à formação de hidroxizincato de cálcio (Ca(Zn(OH) 3 ) 2.2H 2 O).

37 Para uma proteção eficiência em longo prazo, é usual que a argamassa que envolve a pastilha de zinco seja porosa, o que facilita a difusão dos produtos da corrosão do zinco e, assim, evitar a formação de uma barreira ao fluxo da corrente galvânica. Outra medida comum é o uso de aditivos na argamassa com a finalidade de manter o zinco em estado ativo de corrosão Sentinel GL - Euclid MasterProtect 8065CP - Basf

38 Argamassa cimentícia com adição de inibidor de corrosão e de nitrato de lítio e de brometo de lítio para elevar o ph do meio para em torno de 14, condição em que o zinco se mantém em estado ativo de corrosão. Argamassa não cimentícia (ph baixo) para manter o zinco ativo e aditivo para impedir a sua repassivação por quelação (formação de complexos hidrossolúveis capazes de manter aprisionados os íons de zinco, o que impede a formação de uma barreira redor do anodo (passivação)

39 Monitoramento A corrente que circula pelo resistor é calculada periodicamente pela Lei de Ohm, utilizando o valor da diferença de potencial entre anodo e armadura. A carga acumulada, por sua vez, foi calculada com a Equação 1 (ASTM G109, 2007):

40 Monitoramento Avaliação do critério de 100 mv no entorno do reparo. Euclid

41 III SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA Resultados preliminares de avaliação de proteção catódica de estruturas de concreto armado Recipiente de solução Fissura Barra B1 a ser protegida

42 Avaliação simulada de obras novas Prevenção catódica iniciada após a construção (concreto não contaminado e armadura passiva) Gráfico do potencial natural barra B1 PN (4h) CPs NPI sem proteção! Reajuste constante p/ estabelecer o critério de 100 mv! Heterogeneidade do concreto! Critério < 50 mv Corrosão!! Reajuste somente no Ciclo 18! Reajuste constante p/ estabelecer o critério de 100 mv! Comportamento variável! POFF em torno de mv (1 V)! POFF em torno de mv (3 a 15 V)! Critério - ciclo 18 NPI NPI NPI-15 0 NPI NPI NPI-18 0 NPI NPI Critério final NPI NPI NPI NPI NPI NPI NPI NPI-20 54

43 Avaliação simulada de obras novas Prevenção iniciada quando da contaminação (concreto contaminado e armadura ativa) Gráfico do potencial natural barra B1 PN (4h) CPs NPI 9-12 Sem proteção sem proteção! catódica Menos intensa a corrosão, maior o é o valor de critério! 7 1 Critério final NPI NPI-2 96 NPI NPI NPI NPI NPI Reajuste constante p/ estabelecer o critério de 100 mv! Comportamento variável! POFF em torno de mv (15 a 20 V)! POFF em torno de mv (10 a 25 V)!

44 Avaliação simulada de obras reparadas Proteção catódica galvânica após reparo (armadura passiva/corrosão incipiente) Gráfico do potencial natural barra B1 PN (4h) Reparo Concreto original Corrosão dos CPs R sem proteção! Reparo Anodo de sacrifício PN mais negativo do que PCA inicial em torno de -100 mv! POFF mantido em torno de -600 mv! Critério final RPG RPG RPG RPG RPG RPG RPG

45 Potencial (Ag AgCl KCl 3 mol/l) Avaliação simulada em laboratório Proteção catódica galvânica em meio contaminado Critério de 100 mv Gráfico do potencial natural barra B1 PN (4h) B1 B2 B3-800 B4-900 B Sentinel- PN4h Tempo (mês) Sentinel- PN24h 150 C B1 B2 B3 150 B4 100 B Tempo (mês)

46 Avaliação simulada em laboratório Proteção catódica galvânica em meio contaminado Potencial (Ag AgCl KCl 3 mol/l) Critério de 100 mv -500 Gráfico do potencial natural barra B1 PN (4h) B1 B2 B3-800 B4-900 B Tempo (mês) MasterProtect- PN4h MasterProtect- PN24h 250 C B1 B2 B3 B4 B Tempo (mês)

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48 III SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltará ao seu tamanho original. Albert Einstein Obrigada! aaraujo@ipt.br aaraujobonini@gmail.com lcp@ipt.br Laboratório de Corrosão e Proteção Fone: +55 (11)