UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM CONSTRUÇÃO CIVIL

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM CONSTRUÇÃO CIVIL SISTEMAS DE IMPERMEABILIZAÇÃO E PROTEÇÃO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO DE RESERVATÓRIOS DE ÁGUA TRATADA ATACADOS POR CLORETOS Autor: Rodrigo César Rissari Bissa Orientador: Prof. José Eduardo de Aguiar, Msc. Dezembro/2008

2 Autor: Rodrigo César Rissari Bissa SISTEMAS DE IMPERMEABILIZAÇÃO E PROTEÇÃO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO DE RESERVATÓRIOS DE ÁGUA TRATADA ATACADOS POR CLORETOS Monografia apresentada a Escola de Engenharia da UFMG como requisito final para a obtenção do título de Especialista no Curso de Especialização em Construção Civil. Orientador: Prof. José Eduardo de Aguiar, Msc. Dezembro/2008

3 Podemos escolher o que semear, mas somos obrigados a colher aquilo que plantamos." Provérbio Chinês.

4 AGRADECIMENTOS Agradeço aos mestres pelo conhecimento compartilhado, em especial ao Professor e orientador José Eduardo de Aguiar, pela disponibilidade e orientação durante o desenvolvimento desta monografia. Obrigado UFMG. Aos meus amigos e colegas pelo incentivo e torcida constantes. Aos novos amigos do curso de especialização, pela companhia no decorrer dessa jornada, espero que a amizade possa continuar mesmo longe das salas de aula. Aos meus pais e demais familiares pelo apoio e oportunidade. Estiveram sempre torcendo para que eu pudesse alcançar essa vitória. À CESAN pela oportunidade de concluir esta especialização e por contribuir com dados relevantes para o desenvolvimento do tema proposto. À ARCELOR MITTAL pelo patrocínio, contribuindo para uma formação acadêmica especializada e de qualidade. Ao meu amor, Bel, pela paciência e companheirismo durante toda a essa caminhada.

5 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO FUNDAMENTAÇÃO E JUSTIFICATIVA OBJETIVO CORROSÃO DE ARMADURA MECANISMO DA CORROSÃO CONSEQÜÊNCIAS DA CORROSÃO DO AÇO AÇÃO E INGRESSO DE CLORETOS MECANISMOS DE CORROSÃO INDUZIDA POR CLORETOS TEORES LIMITES DE ÍONS CLORETOS FATORES INFLUENTES NA VELOCIDADE E PROFUNDIDADE DOS ÍONS CLORETOS COMPOSIÇÃO, TIPO E QUANTIDADE DE CIMENTO RELAÇÃO ÁGUA/CIMENTO, ADENSAMENTO E CURA GRAU DE SATURAÇÃO DOS POROS, CONCENTRAÇÃO DE ÍONS CLORETOS E TEMPERATURA FISSURAS CARBONATAÇÃO AMBIENTE EXTERNO DOS RESERVATÓRIOS DE ÁGUA TRATADA AMBIENTE INTERNO DOS RESERVATÓRIOS DE ÁGUA TRATADA CUIDADOS VISANDO À MELHORIA DA DURABILIDADE DO CONCRETO ARMADO CAUSA EXTRÍNSECAS DE DETERIORAÇÃO CONSIDERAÇÕES ESTRUTURAIS PROCEDIMENTO DE VERIFICAÇÃO DE ABERTURA DE FISSURAS SISTEMAS DE IMPERMEABILIZAÇÃO E PROTEÇÃO SISTEMAS DE CRISTALIZAÇÃO REVESTIMENTOS A BASE DE CIMENTO POLIMÉRICO...71

6 7.3 REVESTIMENTO DE ALTA RESISTÊNCIA QUÍMICA À BASE DE CIMENTO CONCLUSÕES, RECOMENDAÇÕES E TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS...79

7 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Interrelacionamento entre conceitos de durabilidade e desempenho C.E.B Boletim 183 (1989) apud (SOUZA, 1998) Figura 2 Esquema do processo de tratamento de água (SABESP)...16 Figura 3 - POURBAIX (1987) apud FORTES & ANDRADE (2000)...22 Figura 4 Escala de energia...25 Figura 5 Processo de corrosão eletroquímica do aço (Catálogos SIKA, 2006)...27 Figura 6 - Representação da deterioração resultante da corrosão (NEVILLE,1997).29 Figura 7 Aumento de volume devido à oxidação e expansão da armadura Interior de reservatório em operação no município da Serra - (CESAN)...30 Figura 8 Esquematização da corrosão eletroquímica (Catálogos SIKA, 2006)...35 Figura 9 Efeito da relação água/cimento na penetração de cloretos...42 Figura 10 Pilar em indústria com corrosão das armaduras devido à carbonatação (AGUIAR, 2006) Figura 11 Pilar sobre o mar após 10 anos de construção efeito sinérgico da ação de carbonatação e íons cloretos (AGUIAR, 2006) Figura 12 Localização litorânea Guarapari ES...48 Figura 13 Reservatório elevado de água tratada (CESAN)...49 Figura 14 - Teor total de íons cloretos em relação à massa de cimento com molhagem e secagem alternadas (Neville, 1997) Figura 15 Escamamento e delaminação do concreto. Reservatório em operação.51 Figura 16 Escamamento e delaminação do concreto. Reservatório desativado...52 Figura 17 Manifestação de fissuras conforme cada tipo de esforço atuando...57 Figura 18 Representação sistema estrutural de cálculo...59 Figura 19 Forma da laje de tampa...60 Figura 20 Corte A-A reservatório 300 m Figura 21 Diagrama de momentos fletores cobertura...65 Figura 22 Seção fissurada no estádio 2 puro...65 Figura 23 Área de envolvimento A cr Figura 24 Exame microscópico do concreto aos 28 dias Figura 25 Estrutura de concreto típica com umidade Figura 26 Penetração da formação cristalina...75

8 LISTA DE QUADROS Quadro 1 NBR Quadro 2 - Classes de agressividade ambiental (HELENE, 1997) Quadro 3 Teor limite de cloreto para diversas normas:...37 Quadro 4 Quantidade de cloretos livres em relação a diversos teores de C 3 A...40 Quadro 5 Concentração de Cloretos nos Reservatórios do Município da Serra...53 Quadro 6 - Fatores intervenientes no processo de corrosão e contaminação (HELENE, 1993)...55 Quadro 7 - Coeficiente de conformação superficial do aço (NBR 6118/2003) Quadro 8 Adaptação dos quadros 6.1 e 13.3 da NBR

9 LISTA DE EQUAÇÕES Fe Fe e - (Equação 1) e - + O H 2 O 4 (OH - ) (Equação 2)...27 Fe (OH - ) Fe (OH) 2 (Equação 3)...28 Fe(OH) H 2 O + O 2 4 Fe(OH) 3 (Equação 4)...28 Fe Cl - FeCl 2 (Equação 5)...34 FeCl H 2 O Fe(OH) HCl (Equação 6)...34 Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 +H 2 O (Equação 7)...44

10 LISTAS DE COMPOSTOS E ELEMENTOS QUÍMICOS 4Fe(OH) 3 C3A Cl - Fe(OH) 2 Fe ++ Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 FeCl 2 H 2 O HCl O 2 OH - Hidróxido férrico - ferrugem Aluminato tricálcico Cloro Hidróxido ferroso Ferro Óxido férrico Óxido ferroso - Magnetita Cloreto ferroso Água Ácido clorídrico Oxigênio Hidroxila

11 RESUMO Atualmente, o concreto armado é um dos materiais mais difundidos na construção de obras de saneamento em se tratando de instalações de produção de água. Isso se deve à facilidade de compor formas e dimensões, que são de grande importância para produzir detalhes arquitetônicos e estruturais. Nesse grupo se enquadram à construção de grandes reservatórios de água tratada, que são partes integrantes dos sistemas de abastecimentos das grandes cidades. A indústria de produção de água faz uso de produtos químicos durante seu processo de tratamento visando o atendimento dos padrões de potabilidade e consumo humano. No entanto, muitos desses produtos são nocivos à estrutura de concreto armado. Essa monografia dará ênfase aos mecanismos deletérios que envolvem íons cloretos presentes no processo de cloração da água, como fator importante para o início de um processo corrosivo da armadura. A limitação desta obra está em analisar os efeitos deletérios dos íons cloretos de forma isolada, o que na prática não é observado, pois agentes externos atuam de forma sinérgica na estrutura de concreto armado: carbonatação e íons cloretos, por exemplo. Em seguida, trataremos da importância de se verificar os limites de fissuração para estruturas de concreto aramado, apresentando o procedimento de cálculo de uma laje de tampa do reservatório construído no município de Viana-ES. Esse procedimento de cálculo, mesmo que não muito preciso, deve servir de parâmetro

12 para a elaboração de projetos comprometidos com durabilidade e vida útil. Estruturas fissuradas são pontos preferenciais para a entrada de águas contaminadas por cloretos e instalação de um processo corrosivo na armadura. Por fim, faremos menção a sistemas de impermeabilização e proteção de estruturas que se proponham a criar barreiras de entrada dos íons cloreto, dissolvidos na água, pelas fissuras do concreto.

13 1 INTRODUÇÃO Os tempos modernos ditaram a certeza de que o concreto e o aço, como materiais de construção, são instáveis ao longo do tempo, alterando suas propriedades físicas e químicas em função das características de seus componentes e das respostas destes às condicionantes do meio ambiente. Às conseqüências destes processos de alteração que venham a comprometer o desempenho de uma estrutura, ou material, costuma-se chamar deterioração. Os agentes agressores, em si, são designados agentes de deterioração (SOUZA, 1998). Na realidade a deterioração do concreto ocorre muitas vezes como resultado de uma combinação de diferentes fatores externos e internos. São processos complexos, determinados pelas propriedades físico-químicas do concreto e da forma como está exposto. Os processos de degradação alteram a capacidade de o material desempenhar as suas funções, e nem sempre se manifestam visualmente. Os três principais sintomas que podem surgir isoladamente ou simultaneamente são a fissuração, o destacamento e a desagregação (AGUIAR, 2006). Cada material ou componente reage de uma forma particular aos agentes de deterioração a que é submetido, sendo a forma de deterioração e a sua velocidade função da natureza do material ou componente e das condições de exposição aos agentes de deterioração (SOUZA, 1998). A concepção de uma construção durável implica a adoção de um conjunto de decisões e procedimentos que garantam a estrutura e os materiais que a compõem

14 um desempenho satisfatório ao longo da vida útil da construção. Assim, serão a quantidade de água no concreto e a sua relação com a quantidade de ligante o elemento básico que irá reger características como densidade, compacidade, porosidade, permeabilidade, capilaridade e fissuração, além de sua resistência mecânica, que, em resumo, são os indicadores de qualidade do material, passo primeiro para classificação de uma estrutura durável ou não. O outro lado da equação é justamente o que aborda a agressividade ambiental, ou seja, a capacidade de transporte dos líquidos e gases contidos no meio ambiente para o interior do concreto (SOUZA, 1998). Figura 1 Interrelacionamento entre conceitos de durabilidade e desempenho C.E.B Boletim 183 (1989) apud (SOUZA, 1998).

15 Da figura 1 infere-se que a combinação dos agentes ambientais (temperatura, umidade, chuva, vento, salinidade e agressividade química ou biológica) transportados para a massa de concreto, assim como a resposta dessa massa a tal ação, constituem os principais elementos do processo de caracterização da durabilidade, sendo a água o elemento principal de toda a questão, considerando adequados os mecanismos de resistência. A essência destes conceitos estará, pois, na execução de uma obra que apresente desempenho satisfatório, por um período suficientemente longo e com custos de manutenção razoáveis (SOUZA, 1998). A manutenção de uma estrutura se resume ao conjunto de atividades necessárias à garantia do seu desempenho satisfatório ao longo do tempo, ou seja, o conjunto de rotinas que tenham por finalidade o prolongamento da vida útil da estrutura. Dentre essas rotinas estão enquadrados os sistemas de proteção e impermeabilização de estruturas.

16 2 FUNDAMENTAÇÃO E JUSTIFICATIVA A história do abastecimento de água para consumo humano surge inicialmente para satisfazer demandas relacionadas à captação, transporte e armazenamento, como conseqüência do aumento do consumo a partir do crescimento das cidades. O tratamento nasce primeiramente para satisfazer uma demanda estética em relação aos aspectos organolépticos (cor, turbidez, ferro, manganês, alcalinidade, dureza, ph, cloretos, sulfatos, cloro residual e flúor) presentes nas águas impuras, e posteriormente aspectos de natureza sanitária (microorganismos e metais pesados). Até a disposição nas residências, a água bruta captada no corpo hídrico passa por uma série de processos que visam adequá-la aos padrões de consumo humano. A água é levada por adutoras à estação de tratamento onde se inicia as adições de produtos químicos tornando-a própria para o consumo e finalmente distribuída para o consumidor final. A figura 2 mostra a esquematização do processo de tratamento que torna a água própria para o consumo. Figura 2 Esquema do processo de tratamento de água (SABESP).

17 1. Represamento 2. Captação e Bombeamento: Após a captação, a água é bombeada para as Estações de Tratamento de água onde passará por diversas etapas explicadas a seguir. 3. Tratamento Químico: Pré-cloração: Adição de cloro assim que a água chega à estação para facilitar a retirada de matéria orgânica e metais; Pré-alcalinização: Adição de cal ou soda à água para ajustar o ph aos valores exigidos para as fases seguintes do tratamento; Coagulação: Adição de sulfato de alumínio, cloreto férrico ou outro coagulante, seguido de uma agitação violenta da água para provocar a desestabilização elétrica das partículas de sujeira, facilitando sua agregação. 4. Floculação: É o processo onde a água recebe uma substância química chamada de sulfato de alumínio. Este produto faz com que as impurezas se aglutinem formando flocos para serem facilmente Removidos. 5. Decantação: Na decantação, como os flocos de sujeira são mais pesados do que a água, eles se depositam no fundo do decantador. 6. Filtração: Nesta fase, a água passa por várias camadas filtrantes onde ocorre a retenção dos flocos menores que não ficaram na decantação. A água então fica livre das impurezas. Estas três etapas: floculação, decantação e filtração recebem o nome de clarificação. Nesta fase, todas as partículas de impurezas são removidas deixando a água límpida. 7. Cloração: Consiste na adição de cloro. Este produto é usado para destruição de microorganismos presentes na água.

18 8. Fluoretação: O produto aplicado tem a função de colaborar para redução da incidência da cárie dentária. 9. Reservatório: Após o tratamento, a água tratada é armazenada inicialmente em reservatórios de distribuição e depois em reservatórios de bairros, espalhados em regiões estratégicas das cidades. 10. Distribuição: Desses reservatórios a água vai para as tubulações maiores (denominadas adutoras) e depois para as redes de distribuição até chegar aos domicílios. 11. Redes de distribuição: Depois das redes de distribuição, a água geralmente é armazenada em caixas d'água. A responsabilidade da concessionária é entregar água até a entrada da residência onde estão o cavalete e o hidrômetro. As adições de produtos químicos têm como objetivo adequar a água aos padrões exigidos pela portaria do Ministério da Saúde número 518/2004 que estabelece os procedimentos e responsabilidades relativas ao controle e vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade. Muitos reservatórios de água de concreto armado apresentam patologias de concreto decorrentes principalmente da gestão (projeto), execução ou, posteriormente, durante a vida útil da estrutura (conservação e manutenção). Esses últimos são fatores primordiais para a integridade da estrutura de concreto armado, uma vez que as contribuições de íons cloretos totais envolvidos no processo de tratamento da água nas etapas de pré-cloração e cloração, elevam a oferta de agentes deletérios juntamente com condições ambientais internas favoráveis (umidade e calor) a degradação do aço.

19 Portanto, é necessário o uso de materiais de recuperação adequados para criar barreiras na estrutura e impedir a percolação de águas contaminadas pela rede de poros da estrutura de concreto armado.

20 3 OBJETIVO Este projeto dará ênfase às contribuições deletérias de íons cloretos envolvidos nas etapas de cloração da água, às estruturas de concreto armado destinadas a reservação de água tratada, tais como tampas de reservatórios, onde existe uma atmosfera favorável a degradação. Será abordada importância da verificação dos Estados limites Últimos de Fissuração ELS-W (Abertura e formação de fissuras) nas lajes de fechamento dos reservatórios, como fatores facilitadores de penetração de íons cloretos na estrutura. Será apresentado o procedimento de cálculo e verificação de abertura de fissuras como parâmetro para elaboração de projetos estruturais que visem durabilidade e vida útil da estrutura de concreto armado. Posteriormente será feito um estudo sobre sistemas de impermeabilização e proteção, visando garantir maior estanqueidade, durabilidade e resistência à atuação dos íons cloretos na estrutura de concreto.

21 4 CORROSÃO DE ARMADURA O concreto é um material que possui como principal característica a sua elevada resistência à compressão, porém sua resistência à tração é baixa (em torno de 10% da resistência à compressão). O uso do aço fornece essa resistência ao concreto, criando assim, o concreto armado. Este material é largamente empregado, pois fornece condições para execução de estruturas de várias formas e tamanhos (MATTOS, 2002). Por muito tempo, o concreto foi especificado para as obras simplesmente pela sua resistência característica à compressão aos 28 dias (Fck), contudo a agressividade do meio não era avaliada, ou não se tinha como avaliá-la, e a durabilidade da estrutura ficava então em segundo plano, ocasionando assim vários problemas patológicos (MATTOS, 2002). Um dos principais reflexos da preocupação com a durabilidade foi a atenção dada pela comunidade técnica internacional, nos últimos 25 anos, aos problemas de corrosão de armaduras, buscando melhores caminhos para a especificação de projetos de novas obras, execução de reparos, reforços e reconstruções (HELENE, 1993). O aço ficará bem protegido quando o concreto for bem executado, levando-se em conta dois aspectos: físico e químico. A proteção física é devida à qualidade e à espessura do cobrimento. E a proteção química é resultante do ph elevado proporcionado pelo concreto, permitindo assim a formação de uma fina película

22 protetora, conhecida como camada de passivação (FORTES & ANDRADE, 2000 apud MATTOS, 2002). POURBAIX (1987) apud FORTES & ANDRADE (2000) apud MATTOS (2002), mostra, em seu diagrama potencial x ph, Figura 3, que o aço encontra-se em um estado passivo para um ph entre 10,5 a 12,5, considerando-se potenciais de corrosão entre +0,1 e -0,5V (relativo ao potencial normal de hidrogênio). Nesta condição de alcalinidade, que o concreto proporciona, o filme de óxido formado sobre o aço é aderente e estável, impedindo o prosseguimento da corrosão. Figura 3 - POURBAIX (1987) apud FORTES & ANDRADE (2000). Contudo, para a execução de uma estrutura durável de concreto armado, existe a necessidade de um estudo do local e do ambiente da edificação, para se fazer a análise de quanto a corrosão será significativa durante a vida útil da estrutura.

23 Dentre os itens que devem ser analisados destacam-se (SERRA, 1992) apud (MATTOS, 2002): Solo (natural ou aterro; ácido ou alcalino; resistividade elétrica); Água (doce, salobra, variações do nível do lençol freático, zonas de respingo ou névoa, grau de poluição); Clima (temperatura, umidade, vento predominante); Atmosfera (industrial, urbana, marinha); Outros (correntes de fuga, exposição a agentes químicos); Já em 1997, HELENE realizou uma síntese sobre a agressividade ambiental, definindo classes de agressividade, visando a sua utilização na elaboração de projetos (Quadro 1). Propôs, também, a utilização do Quadro 2 para avaliação da agressividade do meio ambiente em relação à estrutura ou de suas partes, conforme seu grau de exposição. Quadro 1 NBR Classe de Agressividade Agressividade Risco de Deterioração da Estrutura l Fraca Insignificante ll Média Pequeno lll Forte Grande lv Muito forte Elevado

24 Quadro 2 - Classes de agressividade ambiental (HELENE, 1997). Macro-clima Micro-clima Interior das edificações Exterior das edificações Seco UR 65% (1) Úmido ou ciclos (2) de molhagem e secagem Seco UR 65% (3) Úmido ou ciclos (4) de molhagem e secagem Rural I I I II Urbano I II I II Marinho II III - III Industrial II III II III Específico II III ou IV III III ou IV Respingo de maré IV Submerso 3 m I Úmido e Solo - - Não agressivo, I agressivo, II, III ou IV 1 Salas, dormitórios ou ambientes com concreto revestido com argamassa e pintura; 2 Vestiários, banheiros, garagens, lavanderias; 3 Obras no interior do Nordeste do País, partes protegidas em ambientes predominantemente secos; 4 Incluindo ambientes quimicamente agressivos, tanques industriais, branqueamento em indústrias de papel e celulose, armazém de fertilizantes, indústrias químicas.

25 Tendo em vista que a corrosão gera conseqüências desastrosas, o estudo do processo de corrosão é importante para os projetistas saberem a maneira como ela atua e terem condições de evitá-la. 4.1 MECANISMO DA CORROSÃO O aço sofre corrosão visto que não é um material encontrado em seu estado natural. O minério de ferro da natureza sofre processo de fundição e melhora na sua composição química, transformando-se em aço. Sob determinadas condições, o aço perde esta energia e volta ao seu estado natural. O nome dado a essa perda de energia é corrosão, como é mostrado na figura 4 (MATTOS, 2002). Metal Escala de Energia E2 Metalurgia ENERGIA Corrosão E1 Composto (Minério) Figura 4 Escala de energia. A corrosão pode ser dividida em dois tipos de processos: o denominado de corrosão eletroquímica, o qual será evidenciado neste trabalho, e o de oxidação direta (HELENE, 1993).

26 No processo de corrosão eletroquímica, o fenômeno ocorre como resultado da formação de pilhas ou células de corrosão devido à presença de umidade. Neste estágio existe a necessidade de quatro condições básicas: existência de um eletrólito, diferença de potencial de eletrodo entre áreas anódicas e catódicas, umidade e a presença de oxigênio. Ao iniciar o processo de corrosão, vai existir: um ânodo, um cátodo, um eletrólito e a presença de um condutor elétrico. Nas regiões catódicas, o ataque à armadura pode ser considerado desprezível, porém, nas regiões anódicas, ocorre a dissolução do aço (HELENE, 1993; CASCUDO, 1997 apud MATTOS, 2002). Com relação à oxidação direta, esta ocorre quando o ar atmosférico reage diretamente com o aço. Este tipo de corrosão é lento à temperatura ambiente, podendo ser significativo somente em altas temperaturas. Normalmente provoca uma corrosão uniforme em toda a superfície da armadura (HELENE, 1993). Segundo NEVILLE apud MATTOS (2002), o processo da corrosão eletroquímica pode ser resumido como segue: existindo uma diferença de potencial entre 2 pontos da armadura (aço) no concreto, gera-se uma célula eletroquímica. Neste momento existe, então, uma região anódica e uma região catódica ligadas pelo eletrólito na forma de água (H 2 O) nos poros da pasta de cimento endurecida. Os íons de ferro, Fe ++, com cargas elétricas positivas no ânodo, passam para a solução (concreto), enquanto os elétrons livres, e -, com carga elétrica negativa, passam pelo aço para o cátodo. No cátodo, os elétrons são combinados com a água e o oxigênio e formam íons de hidroxila (OH - ). Estes íons migram para o ânodo, através do eletrólito, onde vão combinar com os íons ferrosos, formando hidróxido ferroso, que por outra

27 oxidação vai se transformar em hidróxido férrico (ferrugem). A figura 5 mostra esquematicamente o processo de corrosão eletroquímica do aço. Figura 5 Processo de corrosão eletroquímica do aço (Catálogos SIKA, 2006). Algumas reações do processo de corrosão podem ser descritas como se segue (CASCUDO, 1997 apud MATTOS, 2002): Zonas anódicas (reações de dissolução do ferro oxidação): Fe Fe e - (Equação 1) Zonas catódicas (reações de redução do oxigênio): 4 e - + O H 2 O 4 (OH - ) (Equação 2) Zonas intermediárias entre o ânodo e o cátodo, inclusive podendo ocorrer em regiões próximas do cátodo. Isto devido ao OH - possuir menor mobilidade iônica que o Fe ++, resultado de seu maior tamanho e massa comparado ao íon de ferro:

28 Fe (OH - ) Fe (OH) 2 (Equação 3) Zonas iguais a anterior, porém em locais mais aerados: Fe(OH) H 2 O + O 2 4 Fe(OH) 3 (Equação 4) Analisando as reações, verifica-se a necessidade da água para a continuidade do processo de corrosão, portanto não há corrosão no concreto seco, provavelmente com umidade relativa abaixo de 60%. E também não existe corrosão em concretos completamente imersos, exceto quando a água pode reter ar (oxigênio), como por exemplo, pela ação de ondas. Umidades relativas entre 70% e 80% são ótimas para a corrosão. Em umidades relativas mais altas, a difusão do oxigênio através do concreto é consideravelmente mais reduzida (NEVILLE, 1997 apud MATTOS, 2002). As diferenças de potencial eletroquímico podem ser geradas por diferenças de ambiente a que o concreto armado está exposto. Cita-se, por exemplo, para o caso de macrocélulas ou macropilhas, quando o concreto possui uma parte permanentemente imersa em água do mar e outra exposta a molhagem e secagem alternadas. Outra situação semelhante a essa é quando a armadura, conectada eletricamente, estiver com diferenças de espessura de cobrimento ao longo da peça estrutural. As células eletroquímicas também podem ser formadas por causa de diferenças de concentração salina na água dos poros ou por causa do acesso não uniforme do oxigênio na estrutura (NEVILLE, 1997 apud MATTOS, 2202).

29 4.2 CONSEQÜÊNCIAS DA CORROSÃO DO AÇO A transformação do aço metálico para ferrugem é acompanhada por um aumento no volume, o qual, dependendo do estado de oxidação, pode chegar a ser de até 600% do metal original, causando assim, fissuras nas peças de concreto armado (MEHTA & MONTEIRO, 1994 apud MATTOS, 2002). Esse processo pode ser demonstrado esquematicamente pela figura 6 abaixo: Figura 6 - Representação da deterioração resultante da corrosão (NEVILLE,1997).

30 Figura 7 Aumento de volume devido à oxidação e expansão da armadura Interior de reservatório em operação no município da Serra - (CESAN). Tal fato torna a entrada de agentes agressivos em direção ao aço, como um conseqüente aumento da velocidade de corrosão. O processo da corrosão no anodo reduz a área da seção transversal do aço, reduzindo a sua capacidade de suporte de solicitações. No caso particular da corrosão induzida por cloretos, ela é muito localizada em um pequeno anodo, causando uma escarificação do aço (NEVILLE, 1997). Os produtos de corrosão, menos volumosos do que as circunstâncias normais, podem se deslocar para os vazios do concreto sem fissuração ou escamamento progressivos (NEVILLE, 1997).

31 5 AÇÃO E INGRESSO DE CLORETOS O ataque por cloreto é diferente em que a ação principal é a corrosão do aço e, somente como conseqüência dessa corrosão é que se danifica o concreto em torno da armadura (NEVILLE, 1997). A corrosão da armadura devido à ação dos íons cloretos é apontada como um dos mais sérios problemas à durabilidade das estruturas de concreto armado (HELENE, 1986; TREADWAY et al.; FUGIWARA; MINOSAKU, 1990 apud FIGUEIREDO, 2005). Quanto à ação dos cloretos, quando estes são adicionados à mistura, tendem a se distribuir uniformemente, possuindo assim menor tendência à formação de pilhas de concentração. Por outro lado, no caso da penetração de íons cloretos a partir da superfície dos concretos endurecidos, a concentração junto ao aço não é uniforme devido às diferenças de permeabilidade do concreto. Esse fato propicia a formação de macrocélulas de concentração, com o agravante de existir uma relação desfavorável entre as áreas anódicas e catódicas (SERRA, 1992 apud MATTOS, 2002). As vias que podem seguir os íons cloretos até o concreto podem ser assim resumidas nas seguintes formas (FIGUEIREDO, 2005): Uso de aceleradores de pega que contém CaCl²;

32 Na forma de impurezas indesejadas dos agregados e da água de amassamento; Atmosfera marinha; Água do mar (estruturas off shore ); Uso de sais de degelo; Processos industriais (etapa de branqueamento de indústria de celulose e papel e produção de água). O mecanismo de penetração dos íons cloretos através do concreto, para que uma certa quantidade chegue até a armadura, na forma de cloretos livres, e consiga desencadear o processo de corrosão, depende de uma série de fatores relacionados, por exemplo, com o tipo de cátion associado aos cloretos, tipo de acesso ao concreto (antes ou depois de endurecido), tipo de cimento empregado na produção do concreto, condições de produção e cura do concreto, umidade ambiental (condições de saturação dos poros) e quantidade de cimento por metro cúbico de concreto (FIGUEIREDO, 2005). Os cloretos agressivos podem ser encontrados na natureza, dissolvidos em água. Quando sólidos, podem depositar-se na superfície do concreto. Em dissolução aquosa, por intermédio de chuvas ou umidade e através da rede de poros, os agentes agressivos, tanto para o concreto como para a armadura, atingem as regiões mais internas do concreto armado.

33 Os cloretos transportados pelo ar podem percorrer grandes distâncias, sendo já observado casos de transporte de até 2 quilômetros, dependendo do vento a da topografia (NEVILLE, 1997). Qualquer que seja a origem, os cloretos penetram no concreto pela movimentação da água contendo os cloretos, bem como por difusão dos íons na água e por absorção. O ingresso prolongado e repetido pode, com o tempo, resultar altas concentrações de íons cloretos junto à superfície do aço da armadura (NEVILLE, 1997). Segundo CASCUDO (1997) apud MATTOS (2002), os cloretos podem ser transportados para dentro do concreto através dos mecanismos de absorção capilar, difusão, permeabilidade e migração. Quando o concreto permanece constantemente submerso, os cloretos penetram até profundidades consideráveis, mas não haverá corrosão, a menos que haja oxigênio presente no catodo. Sabendo que os processos de produção de água tratada envolvem etapas de adição de produtos químicos à água (cloração), contribuindo para a oferta de íons cloretos à estrutura de concreto armado, fica evidente a importância de se especificar métodos de impermeabilização e proteção das estruturas de concreto criando barreiras que bloqueiem parcial/total a entrada de íons cloretos para o interior da estrutura de concreto armado e impedido que se inicie um processo corrosivo da armadura.

34 5.1 MECANISMOS DE CORROSÃO INDUZIDA POR CLORETOS O filme que se forma logo após o início da hidratação do cimento, consiste de γ- Fe 2 O 3, firmemente aderente ao aço. Enquanto esta película de óxido estiver presente, o aço permanece intacto. No entanto, os íons cloretos destroem a película e, com a presença de água e oxigênio, ocorre corrosão (NEVILLE, 1997). De acordo com Fortes e Andrade (2001), os íons cloreto (Cl - ), em contato com a armadura, produzem uma redução do elevado ph do concreto, que é formado por valores entre 12,5 a 13,5, para valores de até 5. Tais íons atingem a armadura de forma localizada, destruindo a camada passivadora, resultando na corrosão que, depois de formado, permanece ativo sempre reduzindo o diâmetro da barra. Para que se inicie a corrosão, a camada de passivação deve ser atravessada. Os íons cloretos ativam a superfície do aço formando o anodo, sendo catodo a superfície passivada. As reações são as seguintes: Fe Cl - FeCl 2 (Equação 5) FeCl H 2 O Fe(OH) HCl (Equação 6) Assim o Cl - é regenerado de modo que a ferrugem não contém cloreto, embora se forme cloreto ferroso no estágio intermediário. A figura 8 mostra a corrosão eletroquímica na presença de cloretos.

35 Figura 8 Esquematização da corrosão eletroquímica (Catálogos SIKA, 2006).. Como a célula eletroquímica necessita uma conexão entre anodo e o catodo pela água dos poros, bem como pela própria armadura, o sistema de poros na pasta de cimento endurecida é um fator importante influenciando a corrosão. Em termos elétricos, é a resistência da conexão pelo concreto que controla a passagem da corrente. A resistividade elétrica do concreto é fortemente influenciada pelo seu teor de umidade, pela composição iônica da água dos poros e pela continuidade do sistema de poros da pasta de cimento endurecida (NEVILLE, 1997). 5.2 TEORES LIMITES DE ÍONS CLORETOS Normalmente os cloretos penetram no concreto por duas maneiras: são levados com seus componentes (aditivos, água, brita ou areia) ou provenientes do exterior, por penetração, através da rede de poros, como no caso de ambientes marinhos (maresia ou névoa salina) (ANDRADE, 1992; CASCUDO, 1997 apud. MATTOS, 2002).

36 HELENE (1993) resumiu a presença dos cloretos no concreto de três formas: como cloretos livres (na forma de íons na água dos poros), combinados quimicamente formando o cloroaluminato de cálcio, conhecido por sal de Friedel: (C3A.CaCl 2.10H 2 O) ou retidos por adsorção física às paredes dos poros capilares. A soma dos livres e retidos é denominada cloretos totais. A medição de cloretos é feita em amostras de pó retiradas do concreto, em diferentes profundidades da estrutura, e a análise quantitativa é feita por via química (ASTM C ) ou por análise de fluorescência de Raio-X (FIGUEIREDO, 2005 apud AGUIAR, 2006). Uma certa quantidade de íons cloreto pode ser tolerada sem risco de corrosão, uma vez que, após reagirem com aluminatos, provenientes do clinquer, esses íons não estarão livres para atacar o filme passivante. No entanto existe um valor limite de concentração no qual os íons cloreto podem romper a camada de óxidos passivante e iniciar o processo de corrosão da armadura (FIGUEIREDO, 2005). FIGUEIREDO (2005) apresentou alguns valores (Quadro 3) normalizados por diferentes países, que podem ser tomados como referência na quantidade máxima de cloretos totais, pois praticamente todas as normas estabelecem o limite de cloretos em termos de cloretos totais. A NBR 6118 (2003) não se reporta ao teor de cloretos, chamando somente a atenção quanto ao uso de aditivos contendo cloretos. As Normas Européias CEB

37 (1991), ENV 206 (1991) e a BS 8110:1 (1985) recomendam um limite de 0,40% em relação à massa de cimento, enquanto a ACI (2003) limitam em 0,15% em ambientes com cloretos, 0,3% em ambientes normais, 1% em ambientes secos e 0,06% em concreto protendidos (FIGUEIREDO, 2005, apud AGUIAR, 2006). Quadro 3 Teor limite de cloreto para diversas normas: Norma País Ano Teor de cloretos recomendado NBR (6118) Brasil 2003 Não se reporta ao teor de cloretos 5 ABNT ACI USA ,15% em relação à massa de cimento, em ambiente com cloretos. 0,30% em relação à massa de cimento, em ambiente normal. 1% em relação à massa de cimento, em ambiente seco. 0,06% em relação à massa de cimento (concreto protendido). CEB Europa 1991 ENV 206 Portugal ,4% em relação a massa de cimento BS 8110:1 Inglaterra 1985 JCSE-SP2 Japão ,60 Kg/m 3 de concreto A necessidade de se saber a quantidade de cloretos (totais ou livres) os quais podem causar corrosão na armadura é muito importante, porém estabelecer um limite único é extremamente difícil. A quantidade de cloretos depende de vários 5 A ABNT-NBR 6118:2003 não se reporta ao teor de cloretos, mas enfatiza que não é permitido utilizar aditivos contendo cloretos em sua composição, tanto em estruturas de concreto armado, quanto em protendidos.

38 fatores como, por exemplo, tipo de cimento, alcalinidade, teor de C3A - aluminato tricálcico, finura, teor de gesso, traço do concreto e relação água/cimento (a/c). Segundo ANDRADE (1992) apud MATTOS (2002), um valor médio aceito, geralmente, para o teor de cloretos é de 0,4% em relação à massa de cimento ou 0,05% a 0,1% em relação à massa de concreto. Vale lembrar que uma quantidade excessiva de cloretos na mistura inicial do concreto, resulta uma ação mais agressiva e, portanto, uma corrosão mais rápida, do que a mesma quantidade de cloretos tiver ingressado no concreto já em serviço (NEVILLE, 1993). Já os cloretos que tenham ingressado no concreto, ainda é mais difícil estabelecer um limite de concentração de íons cloretos abaixo do qual não haja corrosão. Esse limite depende de muitos fatores, dos quais ainda não são bem conhecidos. Para efeitos práticos, a prevenção da corrosão é feita pelo controle do ingresso de cloretos, pela espessura do cobrimento da armadura e pela penetrabilidade do concreto do cobrimento (NEVILLE, 1997). Enquanto, em quaisquer circunstancias, possa haver um limite para que se inicie a corrosão, o seu prosseguimento depende da resistividade da pasta de cimento, que varia com a umidade, e a disponibilidade de oxigênio, influenciada pela imersão do concreto (NEVILLE, 1997).

39 Em qualquer caso, não é o teor total de cloretos que é importante para a corrosão. Uma parte dos cloretos está quimicamente retida, sendo incorporada aos produtos da hidratação do cimento. Outra parte dos cloretos está fisicamente retida por absorção à superfície dos poros de gel. É somente uma terceira parte dos cloretos, isto é, os cloretos livres, que está disponível para a reação agressiva com o aço. No entanto, a distribuição dos íons cloreto entre as três formas não é fixa, pois existe uma situação de equilíbrio tal que sempre alguns íons cloretos livres estão presentes na água dos poros (NEVILLE, 1997). 5.3 FATORES INFLUENTES NA VELOCIDADE E PROFUNDIDADE DOS ÍONS CLORETOS Basicamente os fatores que mais influenciam a penetração de íons cloretos são: Composição do cimento; Tipo do cimento; Quantidade de cimento; Relação água cimento; Adensamento; Cura; Grau de Saturação dos poros; Concentração de íons cloretos; Fissuras; Carbonatação; Temperatura.

40 5.3.1 COMPOSIÇÃO, TIPO E QUANTIDADE DE CIMENTO A quantidade de C 3 A do cimento determina a capacidade de combinação com os íons cloreto. Cimentos com baixos teores de aluminato tricálcico possuem pouca capacidade de imobilizar os íons cloreto, através da formação de uma sal complexo insolúvel, o cloro aluminato de cálcio hidratado (Sal de Friedel), que reduz a concentração de íons cloretos livres na solução aquosa dos poros do concreto (PAGE et al., 1986) citado por FIGUEIREDO (2005). Rasheeduzzafar et al. (1990) citado por FIGUEIREDO (2005) trabalhando com cimentos com diferentes teores de C 3 A verificaram que aqueles com teores mais elevados de C 3 A podem ter um desempenho muito superior àqueles cimentos com baixos teores conforme quadro 4. Page at al. (1986) apud Figueiredo (2005), encontraram que a adição de escoria e cinza volante levava a uma diminuição da difusibilidade dos cloretos em relação ao cimento portland puro. Quadro 4 Quantidade de cloretos livres em relação a diversos teores de C 3 A. Teor de C 3 A % de cloretos Livres Acréscimo de tempo para iniciar a corrosão 2% 86% Referência 9% 58% 1,75 vezes 11% 51% 1,93 vezes 14% 33% 2,45 vezes Estes ensaios revelam que os cimentos com adições, quando submetidos aos cloretos, agem de forma a frear a penetração desses íons.

41 Nos experimentos realizados por ZANG&GJORV (1991), citado por Figueiredo (2005), a introdução de sílica ativa em pastas de cimento reduziu a difusividade dos íons cloretos. Os autores associaram este desempenho à diminuição da porosidade total e a distribuição dos poros da argamassa com sílica ativa. Mangat&Molloy (1992), citado por Figueiredo (2005), estudando os fatores que influenciam a corrosão da armadura devido à ação dos cloretos, concluíram que a quantidade de cimento possui uma insignificante influencia sobre a despassivação RELAÇÃO ÁGUA/CIMENTO, ADENSAMENTO E CURA Gjorv&Vennesland (1979), citado por Figueiredo (2005), estudando a difusão de íons cloreto em concretos de diferentes relação água/cimento e diferentes tipos de cimento, verificaram que para curtos períodos de exposição o efeito da relação água/ cimento foi limitado a camada superficial do concreto. Em longos períodos de exposição, o tipo de cimento apresentou uma maior influência sobre a profundidade de penetração dos cloretos que a relação água/cimento. A figura 9 apresenta os resultados da profundidade de penetração de cloretos a diferentes relações a/c.

42 2 1,5 CL- (% Cobrimento) 1 0,5 Efeito da relação a/c na penetração de cloretos a/c=0,75 a/c=0,60 a/c=0,5 a/c=0, ,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Profundidade (cm) Figura 9 Efeito da relação água/cimento na penetração de cloretos. Segundo Page et al. (1981), citado por Figueiredo (2005), as condições de cura possuem um marcado efeito sobre as propriedades de transporte de pastas de cimento endurecidas e, por conseguinte, sobre a difusibilidade efetiva dos íons cloreto. Segundo esses pesquisadores, as condições de cura modificam a estrutura dos poros da pasta e, por conseguinte, alteram a porosidade final. Devido a isso, um concreto com um período de cura mais curto apresenta mais cloretos que um concreto com cura mais prolongada. No entanto, essa diferença é menos expressiva à medida que se passa para camadas mais internas, já que a difusidade interna é menos afetada pelas propriedades da pele (JAERGERMAM, 1990, apud FIGUEIREDO, 2005).

43 5.3.3 GRAU DE SATURAÇÃO DOS POROS, CONCENTRAÇÃO DE ÍONS CLORETOS E TEMPERATURA O transporte de íons cloretos somente ocorre em presença de água. Nas situações onde a água que contém os cloretos encontra-se estagnada, a penetração ao interior do concreto ocorre através de difusão. Os íons cloretos também podem penetrar por sucção capilar da água que os contém. Essa última situação ocorre quando a estrutura de concreto está submetida a ciclos de umedecimento, com água que contém os íons cloreto, e posterior secagem. Com o aumento da quantidade de cloretos, nos poros do concreto, a possibilidade de secagem do concreto é diminuída devido ao efeito higroscópico característico dos sais (FIGUEIREDO, 2005). O aumento da temperatura aumenta a mobilidade molecular e favorece o seu transporte pela microestrutura. Quando a temperatura cai, pode ocorrer condensação e aumento da umidade do material (FIGUEIREDO, 2005) FISSURAS Quando uma fissura de concreto está exposta à água, vapor ou solo, que contém íons cloreto, a quantidade necessária de cloretos para que se inicie o processo o processo de corrosão será primeiramente atingido nas regiões fissuras (FIGUEIREDO, 2005). Quadro 8 mostra os limites máximos de abertura de fissuras de acordo com o grau de agressividade e natureza de utilização da estrutura.

44 As fissuras no concreto favorecem a penetração dos cloretos, sendo que velocidade depende da abertura das fissuras e da qualidade do concreto CARBONATAÇÃO A ação do CO 2 sobre os constituintes do cimento hidratado é complexa, pois não se limita ao hidróxido de cálcio, mas ataca e degrada todos os produtos da hidratação do cimento. O concreto é um material poroso e o CO 2 do ar penetra pelos seus poros. A reação mais simples e importante é a combinação com o hidróxido de cálcio liberado pela hidratação do cimento (AGUIAR, 2006). Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 +H 2 O (Equação 7) O concreto possui um ph da ordem de 12,5, principalmente por causa do Ca(OH) 2. O desaparecimento do hidróxido de cálcio do interior dos poros da pasta de cimento hidratado e sua transformação em carbonato de cálcio faz baixar o ph da solução em equilíbrio de 12,5 para 9,4, fator importante para o início da corrosão das armaduras (AGUIAR, 2006). A figura 10 mostra pilar de concreto de uma indústria que sofreu corrosão devido à carbonatação.

45 Figura 10 Pilar em indústria com corrosão das armaduras devido à carbonatação (AGUIAR, 2006). A concentração de cloretos necessária para promover a corrosão é fortemente afetada pelo ph do concreto. Foi demonstrado que é necessário um nível de ppm de íons cloretos para iniciar o processo quando o ph é de 13,2, mas quando o ph cai para um patamar de 11,6, a corrosão se inicia com somente 71 ppm de íons cloretos (EMMONS, 1993 apud AGUIAR, 2006). A figura 11 mostra o resultado da ação conjunta da carbonatação e ataque de íons cloretos sobre a estrutura de um pilar de concreto sobre o mar após 10 anos de

46 construção, mostrando claramente que a ação de agentes deletérios dificilmente ocorre de maneira única e isolada. Figura 11 Pilar sobre o mar após 10 anos de construção efeito sinérgico da ação de carbonatação e íons cloretos (AGUIAR, 2006). Considerando um concreto que possua uma certa quantidade de cloretos combinados e outra livre, embora inferior à necessária para despassivar a armadura. Quando esse concreto começa a carbonatar, parte dos cloretos combinados passam a condição de livres. Desta forma a quantidade de íons livres pode atingir o limite crítico de rompimento da camada passivada da armadura com uma quantidade de

47 cloretos totais mais baixa (TUUTTI, 1982 apud FIGUEIREDO, 2005). Esse efeito sinérgico dos dois ataques são responsáveis por severos problemas de corrosão, pois causam a aceleração do processo quando comparado de forma independente. 5.4 AMBIENTE EXTERNO DOS RESERVATÓRIOS DE ÁGUA TRATADA O micro clima e a atmosfera em que a estrutura está inserida influenciam a profundidade de penetração e o teor de cloretos. Normalmente as regiões de variação e respingos de maré são as mais afetadas, pois têm cloretos, água e oxigênio suficientes para manter o processo de corrosão (HELENE, 1993). De acordo com HELENE (1993), ciclos de molhagem e secagem, característicos de zonas de respingos de maré, concentram os cloretos dentro da estrutura, ao mesmo tempo em que essas zonas mostram-se mais atacadas por corrosão. Isso é avaliado tanto por observação visual quanto por mapeamento a partir dos potenciais de corrosão. Nas regiões litorâneas, as direções preferenciais do vento caracterizam, de forma diferenciada, as fachadas as quais são abrangidas pelo mesmo. O vento carreia partículas de água do mar, contendo sais dissolvidos (inclusive cloretos), e as depositam por impacto nas superfícies das estruturas de concreto. Esta ação causa maior grau de ataque nessas fachadas. A evaporação da água do mar não carreia cloretos, porém águas agitadas e ventos favorecem a suspensão na atmosfera de partículas de água e névoa salina, colaborando com o seu transporte (HELENE, 1993).

48 As ilustrações abaixo caracterizam claramente o ambiente marinho que está inserido a estrutura de concreto armado da figura 12. Trata-se de um reservatório elevado de água tratada na forma de guarda-chuva, integrante do sistema de abastecimento de água da Companhia Espírito Santense de Saneamento CESAN. Figura 12 Localização litorânea Guarapari ES. A figura 13 é uma vista sob a estrutura do reservatório. Nota-se claramente a ação dos mecanismos de corrosão nas bordas da estrutura, onde já dá sinais de lascamento ou delaminação da estrutura de concreto, tornando mais fácil a entrada de agentes agressivos em direção ao aço aumentando a velocidade de corrosão.

49 Figura 13 Reservatório elevado de água tratada (CESAN). De acordo com NEVILLE (1997), Uma descrição frequentemente encontrada no litoral em climas quentes, o concreto seco vai sendo embebido por água do mar por absorção e, em certas condições até saturação. Se as condições externas passarem a mais secas, inverte-se o movimento da água e ela evapora pelas extremidades dos poros capilares abertas ao ar. No entanto, é a água pura que se evapora pelas extremidades da superfície do concreto. O gradiente de concentração que se origina faz com que o sal da região superficial se desloque para dentro por difusão. Portanto, fica evidente o ingresso progressivo de sais em direção da armadura com a molhagem e secagem alternadas. A figura 14 mostra o aumento na concentração de cloretos em relação a massa de cimento com ciclos de molhagem e secagem.

50 TEOR TOTAL DE ÍONS CLORETOS EM RELAÇÃO À MASSA DE CIMENTO 1,20 1,00 TEOR DE CLORETO - % 0,80 0,60 0,40 0,20 0, DISTÃNCIA DA SUPERFÍCIE (mm) Figura 14 - Teor total de íons cloretos em relação à massa de cimento com molhagem e secagem alternadas (Neville, 1997). LIAM et al (1992) apud HELENE (1993) verificaram que a temperatura também tem papel muito importante no processo de penetração de cloretos. Sendo constatado que um aumento de temperatura de 15 C para 30 C praticamente dobra o coeficiente efetivo de difusão de cloretos. 5.5 AMBIENTE INTERNO DOS RESERVATÓRIOS DE ÁGUA TRATADA Os íons cloretos podem chegar até o concreto através de diversas formas, como uso de aceleradores de pega que contêm CaCl 2, impureza na água de amassamento e nos agregados, água do mar e maresia, sais de degelo e processos industriais (AGUIAR, 2006).

51 Em ambientes industriais de produção de água, a concentração de cloretos ao longo dos anos de utilização da estrutura, associada como outros mecanismos de degradação já citados, é considerada como a principal causa de deterioração de armaduras. Em estruturas de reservação de água tratada tais como lajes de tampa, associado às condições internas de temperatura e umidade, os cloretos encontram condições favoráveis para o sucesso do processo de deterioração. As figuras 14 e 15 mostram detalhes de processos expansivos de armadura na laje de cobertura no interior de um reservatório de água tratada. Figura 15 Escamamento e delaminação do concreto. Reservatório em operação.

52 Figura 16 Escamamento e delaminação do concreto. Reservatório desativado. A seguir, o quadro 5 mostra os teores de cloretos aferidos ao longo de dez meses pelo setor de qualidade da água da Companhia Espírito Santense de Saneamento CESAN. Esses valores são referentes à análise da água de um reservatório situado no município da Serra ES. Conhecendo os mecanismos de penetração de cloretos nas estruturas de concreto e corrosão de armadura, fica claro que a maior preocupação é para as estruturas de cobertura dos reservatórios. Essas estruturas sofrem com as concentrações de vapores contaminados sob a laje de tampa e ciclos de molhagem e secagem de acordo com o consumo de água processado durante as 24 horas de abastecimento.

53 Caso a estrutura esteja totalmente submersa, apesar de ocorrer a contaminação por cloretos a grandes profundidades, a corrosão não ocorrerá a menos que haja um suprimento de oxigênio nos poros. Por outro lado, não ocorrerá corrosão em concretos secos. Quadro 5 Concentração de Cloretos nos Reservatórios do Município da Serra Data Componente Elemento Cl mg/l 07/01/08 Reservatório Água Tratada 6,8 04/02/08 Reservatório Água Tratada 5,9 07/04/08 Reservatório Água Tratada 4,9 22/04/08 Reservatório Água Tratada 5,9 05/05/08 Reservatório Água Tratada 5,0 02/06/08 Reservatório Água Tratada 4,7 07/07/08 Reservatório Água Tratada 6,0 04/08/08 Reservatório Água Tratada 6,3 01/09/08 Reservatório Água Tratada 5,1 06/10/08 Reservatório Água Tratada 5,9 Fonte: CESAN Companhia Espírito Santense de Saneamento

54 5.6 CUIDADOS VISANDO À MELHORIA DA DURABILIDADE DO CONCRETO ARMADO A durabilidade das estruturas de concreto armado está vinculada a diversos fatores, sendo estes em função das etapas de construção da edificação e, por fim, dos critérios de manutenção. Durante a execução da obra, é necessário um controle mínimo dos seguintes itens: Escolha do tipo de cimento adequado ao meio ambiente ao qual a obra será inserida, dentre os tipos existentes no mercado da região; Relação água/cimento (a/c) adequada à agressividade do ambiente; Água de amassamento e agregados isentos de agentes agressivos; Trabalhabilidade do concreto adequada para o tipo de concretagem a ser efetuada, resultando assim em um concreto bem compactado e menos heterogêneo; Cura bem feita, evitando a secagem superficial do concreto por ventos; Cobrimento adequado às condições do ambiente em que a peça ficará exposta. No quadro 6 é apresentado um resumo dos fatores determinantes da corrosão, bem como maneiras de evitá-los (HELENE, 1993).

55 Quadro 6 - Fatores intervenientes no processo de corrosão e contaminação (HELENE, 1993). O tempo necessário à despassivação pode ser aumentado com: Aumento da espessura de cobrimento A taxa de corrosão pode ser reduzida com: Aumento da espessura de cobrimento A penetração de cloretos no concreto pode ser reduzida com: Aumento da espessura de cobrimento Redução da relação a/c Redução da relação a/c Redução da relação a/c Secagem do concreto Secagem do concreto Secagem do concreto Redução da umidade relativa do ambiente Redução da umidade relativa do ambiente Redução da umidade relativa do ambiente Redução da temperatura Redução da temperatura Redução da temperatura Aumento do tempo de cura Aumento do tempo de cura Aumento do tempo de cura - - Aumento do teor de escória de alto forno - - Aumento do teor de pozolana - - Aumento do teor de sílica ativa Aumento do teor de C3A Aumento do teor de C3A Aumento do teor de C3A Saturação do concreto Saturação do concreto -

56 6 CAUSA EXTRÍNSECAS DE DETERIORAÇÃO A fissuração em elementos estruturais de concreto armado é inevitável, devido a grande variabilidade e a baixa resistência do concreto a tração; mesmo sob as ações de serviço, valores críticos de tensões de tração são atingidos. Visando obter um bom desempenho relacionado à proteção das armaduras quanto à corrosão e aceitabilidade sensorial dos usuários, busca-se controlar a abertura dessas fissuras (NBR ). Estruturas bem projetadas que respeitem métodos construtivos e cargas previstas em projeto, a abertura de fissura não representa perda de durabilidade. No entanto, é importante salientar que a abertura de fissuras pode ter outras origens como a retração térmica ou química que ocorre nas primeiras idades do concreto, devendo ser limitadas com outros procedimentos tecnológicos como cura e traço adequado do concreto. A caracterização da fissuração como deficiência estrutural dependerá sempre da origem, intensidade e magnitude do quadro de fissuração existente, posto que o concreto por ser um material com baixa resistência à tração, fissurará por natureza, sempre que as tensões trativas, que podem ser instalados pelos mais diversos motivos, superem a sua resistência última à tração. As falhas de projetos estruturais, com influência direta na formação de fissuras, podem ser as mais diversas, assumindo as correspondentes fissuras configuração

57 própria, função do tipo de esforço a que estão submetidas às várias peças estruturais como está exemplificado na figura 17. PAREDE PAREDE Figura 17 Manifestação de fissuras conforme cada tipo de esforço atuando. São conhecidas como causas extrínsecas de deterioração da estrutura, que independem do corpo estrutural em si, assim como da composição interna do concreto, ou de falhas inerentes ao processo de execução, podendo, de outra forma, ser vistas como os fatores que atacam a estrutura de fora para dentro, durante as fases de concepção ou ao longo da vida útil desta. As falhas humanas na faze de projeto podem ter diversas origens descritas baixo: Modelização inadequada da estrutura; Má avaliação das cargas; Detalhamento errado ou insuficiente da estrutura; Inadequação ao ambiente; Incorreção na interação solo-estrutura; Incorreção na consideração de juntas de dilatação.

58 Nos procedimentos seguintes, será feita uma análise quanto à abertura de fissuras de uma laje de tampa de concreto armado do reservatório de água tratada semienterrado situado no município de Viana-ES. O objetivo dessa análise é enfatizar a importância da execução de projetos estruturais visando verificar a abertura de fissuras. Neste caso abordado, o tanque destinado a reservação de água, está sujeito à ação de cloretos livres provenientes do tratamento da água, além de possuir uma atmosfera interna (calor e umidade) que garante o sucesso de sua penetração na estrutura de concreto e início prematuro da corrosão do aço. 6.1 CONSIDERAÇÕES ESTRUTURAIS O reservatório mostrado nas figuras 19 e 20 foi construído no município de Viana, zona rural da Grande Vitória do estado do Espírito Santo. Essa estrutura de concreto armado é destinada a reservação 300 m³ de água tratada sendo parte constituínte da ampliação do sistema de abastecimento de água deste mesmo município. Apesar de estar situado na zona rural da Grande Vitória, ele é parte importante no processo industrial de produção de água. Portanto, segundo o quadro 1, ele está enquadrado na classe de agressividade IV com elevada possibilidade de deterioração da estrutura de concreto devido a características específicas inerentes do processo, ciclos de molhagem e secagem, alta umidade interna e calor. O reservatório possui uma circunferência de cerca de 11,40 metros e pé-direito estrutural de 4,10 metros de altura conforme figuras 19 e 20. Suas paredes possuem uma espessura de 20 cm assim como sua laje de tampa. Apresenta uma laje circular

59 em estrutura convencional apoiada sobre pilar central com capitel de mesma espessura da laje. As cargas envolvidas para o cálculo da laje de tampa durante a concepção do projeto estrutural estão assim distribuídas: 100 Kgf/m² de revestimento, 200 Kgf/m² de carga variável e 500 Kgf/m² de peso próprio. A laje de tampa encontra-se engastada nas paredes do reservatório e apoiada sobre pilar único central. Esquematicamente, o modelo de cálculo segue representado na figura 18. Figura 18 Representação sistema estrutural de cálculo.

60 50 A R550 1 A PLANTA DE FORMA - TAMPA 1200 Figura 19 Forma da laje de tampa A CORTE - AA Figura 20 Corte A-A reservatório 300 m 3.

61 6.2 PROCEDIMENTO DE VERIFICAÇÃO DE ABERTURA DE FISSURAS O valor da abertura de fissuras pode sofrer a influência de restrições às variações volumétricas da estrutura, difíceis de serem consideradas nessa avaliação de forma suficientemente precisa. Além disso, essa abertura sofre também a influência das condições de execução da estrutura (NBR ). Por essas razões, os critérios apresentados a seguir devem ser encarados como avaliações aceitáveis do comportamento geral do elemento, mas não garantem avaliação precisa da abertura de uma fissura especifica (NBR ). Cálculo do Momento de Fissuração ( M ) é definido como o momento fletor que r teoricamente produz a primeira fissura numa seção de concreto simples, supondo que a resistência à tração do concreto seja f ctm. Dados a serem considerados no procedimento de verificação: h altura da seção h = 0, 20m b largura da seção b = 1, 0m c Cobrimento da Amadura c = 0, 04m f Resistência Característica do Concreto ck

62 N f ck = m 2 Ecs Módulo de Elasticidade Secante do Concreto γ Coeficiente de Ponderação da Resistência do Concreto c γ c =1,4 fctm Acr Resistência à Tração do Concreto Área da Região de Envolvimento γ Coeficiente de Ponderação da Resistência do Aço s γ s =1,15 e Deformação Especifica de Escoamento do Aço yd f yd Tensão Limite do Aço f Resistência Característica do Aço ao Escoamento yk N f yk = m ² Es Módulo de Elasticidade do Aço E s = MPa As Área de Aço da Armadura Longitudinal Tracionada As' ρr Área de Aço da Armadura Longitudinal Comprimida Taxa de Armadura na Região de Envolvimento A cr x Profundidade da Linha Neutra 1 x Profundidade da Linha Neutra na Seção Fissurada 2

63 M r Momento de Fissuração M Momento Fletor de Cálculo s I c I 2 yt wk Momento de Inércia da Seção Bruta Momento de Inércia na Seção Fissurada Ordenada das Fibras mais Tracionadas Abertura de Fissura M Momento Fletor de Cálculo s w Abertura de Fissura k η 1 Coeficiente de Conformação Superficial 2 / 3 2 / 3 f ctm = 0,3 f ck = 0, = N ,29 m² x d max 3,5%% = (3,5%% + E yd ) f f yk N = = ,70 CA-50 γ 1,15 m² yd = s e yd = , = 0,00207 Na fronteira entre os domínios 3 e 4, a profundidade da linha neutra é x = xmax : x 3, ,07 max = d (3, ) = x = max 0, 10021m 0,628

64 3 3 b h 1 0,20 I c = = = 0,00067m y t = ( 0,2 0,10021) = 0, 0997cm ,29 0,00067 M r = = 23233N m 0,0997 Para que não ocorra fissuração da estrutura de concreto devido somente aos esforços envolvidos na laje de tampa do reservatório, a seção fissurada deverá encontrar-se no Estádio 1 ( w k = o). Para isso, o momento fletor de cálculo M ) deverá ser necessariamente menor que o momento de fissuração ( M r ) calculado anteriormente M < M ). ( s r ( s Para verificação dos momentos solicitantes ( M s ), foi utilizada uma modelagem estrutural com o auxílio do software de cálculo estrutural (TQS V ) da TQS informática. Os resultados obtidos são mostrados no diagrama de momento fletor da figura 21 abaixo, onde se observa que o maior valor em módulo para o momento N fletor de cálculo foi de m ²

65 Figura 21 Diagrama de momentos fletores cobertura Portanto, o momento de fissuração ( M r ) calculado anteriormente é menor que o momento fletor de cálculo ( M s ). A seção fissurada está enquadrada no Estádio 2 logo, será necessária a verificação dimensional da abertura de fissura ( w k ) e posteriormente comparada com o quadro 4 de acordo com a classe de agressividade, finalidade da estrutura e limite máximo de abertura ( w lim ). Seja a figura 22 representando a seção Fissurada no Estádio 2 puro. A seqüência seguinte tem como objetivo de calcular a linha neutra na seção fissurada ( x 2 ) e seu momento de inércia ( I 2 ). Figura 22 Seção fissurada no estádio 2 puro.

66 x 2 [ a = 2 + a a 2 a 1 1 a 3 ] b 1,0 a1 = = = 0, 5m 2 2 a2 = n As + ( n 1) As' A E = A φ 10c /10 0,000785m 2 s s' / = 0, f = = 30104, cs ck 88 Es n = = 6,975 unidades em MPa E 30104,88 = cs m MPa a = 6,975 0, (6,9751 1) 0, = 0, m a3 = n A d + ( n 1) A ' d' s s a3 = 6,975 0, , (6,975 1) 0, ,04 = 0,0011m³ ² I b x = + n As ( d x) + ( n 1) As ' ( x d' ) [ 0, (0,0102)² 4 0,5 0,0011 x = = 0, 04m 2 0,5 I 1,0 0,04³ = + 6,975 0, (0,1595 0,04) + (6,975 1) 0, (0,04 0,04) I 2 = 0, m 4 A figura 23 mostra a região de envolvimento na seção de concreto, cujo valor de cálculo adotado deverá seguir o seguinte critério: A cr = min[( y + 7,5 φ ); h / 2] b

67 Figura 23 Área de envolvimento A cr. A cr = min[( 0,04 + 7,5 0,01);0,2/ 2] 1,0 Acr = min[ 0,115;0,1] logoacr = 0,1m ² w = min( w 1; w k 2 ) φ σ s 3 σ s w1 = 12,5 η E f 1 s ctm w 2 φ σ s 4 = ,5 η1 Es ηr Quadro 7 - Coeficiente de conformação superficial do aço (NBR 6118/2003). Tipo de Barra η 1 Lisa (CA-25) 1,00 Entalhada (CA-60) 1,40 Alta Aderência (CA-50) 2,25 Calculado a tensão do aço tracionado na seção fissurada ( σ s ), serão determinadas as aberturas de fissuras segundo as equações de ( w 1 ) e ( w 2 ). A aço utilizado para o projeto do reservatório é do tipo de alta aderência, portanto será adotado o valor do Coeficiente de conformação superficial do aço conforme o quadro 4.

68 σ s = n σ c M = n I sd 2 ( d x ) 2 6, (0,1595 0,04) σ = 0, s = N ,37 m² 0, , ,37 w1 = = 0, m 0, 1mm 12,5 2, ,29 0, ,37 4 w1 = + 45 = 0,000212m 0, 2mm 12,5 2, , De acordo com o critério de cálculo de abertura de fissuras, o valor de referência a ser considerado na estrutura da laje de tampa do reservatório é de que w 1 < w 2. 0,1mm uma vez A verificação da segurança quanto ao estado limite de abertura das fissuras ( ELS W ) foi atendida, pois o valor calculado é inferior ao exigido pela norma como é mostrado no quadro 8. A norma se reporta a valores da ordem de 0,2 mm para classe de agressividade IV. Embora as estimativas de abertura de fissuras devam respeitar os limites do quadro 8, não se deve esperar que as aberturas reais correspondam estritamente aos valores estimados, isto é, fissuras reais podem eventualmente ultrapassar esses limites (NBR ). Entretanto, devido ao estágio atual dos conhecimentos e da alta variabilidade das grandezas envolvidas, esses limites devem ser vistos apenas como critérios para um projeto adequado de estruturas.

69 No caso de as fissuras afetarem a funcionalidade da estrutura, como, por exemplo, no caso da estanqueidade de reservatórios, devem ser adotados limites menores para as aberturas das fissuras. Para controles mais efetivos da fissuração nessas estruturas, é conveniente a utilização da protensão mesmo que exista a possibilidade de corrosão da armadura sob tensão. A estrutura projetada atende aos quesitos exigidos pela norma NBR 6118/2003 assinalados no quadro 5. Contudo, não podemos deixar de avaliar que reservatórios de água tratada estão sujeitos a concentrações altíssimas de cloretos no seu interior devido ao processo de tratamento da água, além dos cloretos transportados pelo ar. Portanto, se a estrutura do reservatório encontra-se fissura, a água que contém íons cloreto irá difundir e dar início a um processo corrosivo na estrutura de concreto armado preferencialmente nessas regiões. O cálculo de abertura de fissuras não é muito preciso. No entanto, serve como parâmetro para a elaboração de projetos adequados que levem em conta a vida útil e durabilidade da estrutura. Fissuras originadas por falhas de dimensionamento estrutural são apenas a pequena parte de um problema complexo que pode ter outras origens como já foi mencionado. Por isso é imprescindível a adoção de sistemas complementares de impermeabilização que atuem como barreiras impedindo a entrada de agentes por vias aquosas assim como o cloreto.

70 Quadro 8 Adaptação dos quadros 6.1 e 13.3 da NBR Abertura de fissura limite W lim Classe de agressividade Agressividade Tipo de Ambiente W lim Ambiental I Fraca Rural ou submerso 0,4 II Moderada Urbano III Forte Marinho 0,3 IV Muito forte Indústrias químicas ou respingos de maré 0,2

71 7 SISTEMAS DE IMPERMEABILIZAÇÃO E PROTEÇÃO Atualmente os principais sistemas de impermeabilização e proteção de estruturas minerais estão divididos em Sistemas de cristalização, Revestimentos a base de cimento polimérico, Revestimentos de alta resistência química à base de cimento e Revestimentos minerais de alta resistência química isentos de cimento (PINTO e TAKAGI, 2008). 7.1 SISTEMAS DE CRISTALIZAÇÃO Os sistemas de cristalização são conhecidos e vêm sendo aplicados mundialmente com sucesso durante as últimas décadas. Tratam-se de sistemas que tornam o concreto menos permeável devido a reações de formações de cristais nos poros e capilares do concreto. Diversos sistemas estão disponíveis, sendo os atuais manuseados da forma monocomponente e aplicados por pintura sobre o concreto em não mais do que duas camadas. Suas propriedades permitem sua aplicação em áreas de água potável e também de efluentes, pois sua resistência química encontra-se numa faixa de ph entre 3 e 11. Porém cuidados devem ser tomados, pois estes sistemas não possuem resistência à abrasão (PINTO e TAKAGI, 2008). 7.2 REVESTIMENTOS A BASE DE CIMENTO POLIMÉRICO Os revestimentos à base de cimento polimérico consistem normalmente em produtos bicomponentes, sendo um pó a base de cimento e um líquido a base de polímeros.

72 Como nos sistemas cristalizantes, os produtos mais atuais utilizam em sua formulação polímeros em pó e são manuseados da forma monocomponente, o que diminui a possibilidade de erros na dosagem. Suas propriedades permitem normalmente sua aplicação em estruturas de água, não sendo recomendados para a aplicação em estruturas de efluentes devido à sua baixa resistência química e falta de resistência à abrasão (PINTO e TAKAGI, 2008). Porém este sistema tem sido contestado na Alemanha onde recentemente foi publicado o resultado de um estudo da VDZ, associação alemã dos fabricantes de cimento. O estudo foi feito com base em uma pesquisa em diversos reservatórios e testes de laboratórios que mostraram a formação de pontos de corrosão nos revestimentos. Esta corrosão deve-se principalmente a presença de metil-celulose e um alto fator água cimento nos produtos. Com base neste estudo a DVGW Associação Científica e Técnica Alemã para Gás e Água - Comitê de Armazenamento de Água, publicou um manual de requerimentos básicos para o uso de revestimentos cimentíceos em reservatórios de água potável, sendo os principais requerimentos os seguintes (PINTO e TAKAGI, 2008): Fator água cimento equivalente < 0,5; Ar incorporado na argamassa fresca < 5 %; Volume total de poros 90 dias < 10 %; Resistência a compressão > 45 MPa Aderência > 1,5 MPa; Espessura mínima 5 mm.

73 7.3 REVESTIMENTO DE ALTA RESISTÊNCIA QUÍMICA À BASE DE CIMENTO Os revestimentos minerais de alta resistência à base de cimento atendem aos requerimentos da DVGW e preferencialmente utilizam cimentos isentos de C 3 A em função da necessária resistência a sulfatos. Podem ser aplicados de maneira manual ou projetado e são recomendados para aplicação em estruturas que armazenam água potável e em estruturas que contenham efluentes devido à sua grande resistência química (ph 3 a 14). Um exemplo é o sistema PENETRON, que é um produto de impermeabilização por cristalização capilar que consiste de cimento comum, areia de quartzo e produtos químicos. Possui a propriedade de penetrar profundamente nos capilares do concreto por pressão de osmose e forma cristais que vedam os caplilares e as fissuras. Em testes, seu crescimento capilar foi observado a profundidades de 1 metro no concreto. A figura 24 mostra a fotografia de um exame microscópico do concreto aos 28 dias. Dentre os benefícios apontados são citados os seguintes: Penetra profundamente e veda os capilares e fissuras de retração do concreto; Propriedades de impermeabilização e resistência química permanecem intactas mesmo se a superfície for danificada; Facilidade de aplicação;

74 Veda fissuras de até 0,4 mm. Permite que o concreto respire evitando a formação de vapor d água; Resiste ao ataque químico (ph 3-11 contato constante, ph 2-12 contato periódico) e proporciona uma ampla gama de proteção contra ciclos de congelamento/degelo, águas subterrâneas agressivas, água do mar, carbonatos, cloretos, sulfatos e nitratos; Aprovado para o uso em água potável. Figura 24 Exame microscópico do concreto aos 28 dias.