2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

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1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. VIDA ÚTIL DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO Durabilidade de estruturas de concreto armado A durabilidade de uma estrutura de concreto deve ser um dos principais objetivos ao se projetar e construir uma edificação. A obtenção de um concreto durável envolve várias etapas do processo construtivo, que incluem o planejamento, a elaboração de projetos, a execução, até a manutenção da edificação propriamente construída. Entretanto, é crescente o número de estruturas de concreto que apresentam problemas de degradação. Segundo o ACI 116R (1978), a durabilidade é a capacidade do concreto resistir a ações de desgaste, ataques químicos, abrasão e outras condições de deterioração. Segundo o CEB (1989) a combinação do calor, da umidade interna e das substâncias químicas do concreto em interação com o ambiente que rodeia a estrutura e os parâmetros que controlam os mecanismos de transporte constituem os principais elementos que influem na durabilidade do concreto. O CEB (1997) considera que durabilidade é a capacidade da estrutura oferecer um desempenho requerido durante um período desejado de vida útil de acordo com a influência dos fatores de degradação. A NBR 6118 (1978) não contemplava aspectos de durabilidade, mas o projeto de revisão NBR 6118 (2001) 1 define durabilidade como a capacidade da estrutura resistir às influências ambientais previstas. As estruturas de concreto devem ser projetadas e construídas de modo que, sob as condições ambientais previstas e quando utilizadas conforme preconizado em projeto, conservem sua segurança, estabilidade e aptidão em serviço durante o período correspondente à sua vida útil. 1 Item do projeto de revisão da norma NBR 6118 (2001). 4

2 Conceito de vida útil O concreto armado, como visto anteriormente, não é um material eternamente durável, devido às interações com o meio ambiente onde está inserido, o que resulta em mudanças nas características dos materiais que o compõe. Mehta & Monteiro (1994), admitem que um material atingiu o fim da sua vida útil quando as suas propriedades, sob dadas condições de uso, deterioram a um tal ponto que a continuação do uso deste material é considerada como insegura ou antieconômica. O CEB (1989) define a vida útil como o tempo em que a estrutura mantém um limite mínimo de comportamento em serviço para qual foi projetada, sem elevados custos de manutenção e reparação. Segundo o projeto de revisão da NBR 6118 (2001), entende-se por vida útil de projeto, o período de tempo durante o qual se mantêm as características das estruturas de concreto sem exigir medidas extras de manutenção e reparo, isto é, é após esse período que começa a efetiva deterioração da estrutura, com o aparecimento de sinais visíveis como: produtos de corrosão da armadura, desagregação do concreto, fissuras, etc. Esta Norma pressupõe uma vida útil de no mínimo 50 anos. Um outro conceito sobre vida útil, que é citado por vários autores (Andrade, 1992; Nepomuceno, 1992; Bauer, 1995; Monteiro, 1996; Cascudo, 1997; entre outros), foi dado por Tuutti (1982), no qual o autor considera que, do ponto de vista da corrosão de armaduras a vida útil de estruturas de concreto é constituída de um período de iniciação e outro de propagação, como pode ser visto na Figura 2.1. A duração do estágio de iniciação é determinada pelo período de tempo no qual o cobrimento de concreto sofre mudanças como resultado de sua neutralização pela carbonatação ou da penetração de substâncias agressivas que chegam até à armadura, atingindo concentrações que proporcionam o início do processo de corrosão (Tuutti, 1982). Ou seja, é o período de tempo que os agentes agressivos, tais como os íons cloreto e o gás carbônico, levam até atingirem a armadura. Esse transporte de massa depende de diversos fatores, dentre eles: a porosidade do concreto, a qualidade do cobrimento e a diferença de concentração entre o meio e o concreto. A espessura do cobrimento é também um fator importante para estabelecimento do período de iniciação. 5

3 Grau de corrosão Penetração até a armadura CO 2, Cl - Iniciação Grau aceitável O 2, Temp, HR Propagação Tempo Vida útil Figura 2.1: Modelo conceitual de vida útil com relação à corrosão de armaduras (Tuutti, 1982). A partir do momento em que os agentes agressivos atingem a armadura e a despassiva, começa o processo de corrosão, que depende do conteúdo de umidade e oxigênio, e tem início o estágio de propagação, no qual a armadura perde seção transversal e, conseqüentemente, a sua capacidade portante. Segundo Tuutti (1982), depois de iniciado o processo de corrosão no período de propagação, os fatores que determinam a intensidade de corrosão determinarão a duração deste período. Alguns fatores que influenciam a taxa de corrosão são: o conteúdo de umidade do concreto influenciado por meio de umidade relativa, a temperatura, a composição química da solução aquosa dos poros em volta da armadura e a porosidade do concreto MICROESTRUTURA DO CONCRETO A durabilidade do concreto está intimamente ligada à sua microestrutura, o que envolve as propriedades de cada material constituinte e as relações entre eles. A estrutura interna do concreto é bastante heterogênea e altamente complexa. Segundo Mehta & Monteiro (1994), a nível macroscópico, o concreto pode ser considerado um material bifásico, constituído de partículas de agregados dispersas em uma 6

4 matriz de cimento 2 hidratado. A nível microscópico começam a aparecer as complexidades da microestrutura do concreto. A região interfacial entre as partículas de agregado e a pasta representa uma terceira fase, a zona de transição Zona de transição A zona de transição formada em volta das partículas de agregado no concreto é uma camada muito fina, tipicamente 20 a 30 µm de espessura, da pasta de cimento hidratada (Delagrave et al., 1997). Segundo Mehta & Monteiro (1994), a zona de transição apresenta uma espessura de 10 a 50 µm ao redor do agregado graúdo, sendo geralmente mais fraca que o agregado e a pasta, e exerce uma influência muito maior sobre o comportamento mecânico do concreto. A formação da zona de transição é devido a espaços preenchidos por água em volta do agregado na mistura fresca (Diamond apud Bentur & Odler, 1996), ou seja, a distribuição de água na pasta em volta do agregado não é uniforme, com efetivo aumento da relação a/c na vizinhança da superfície do agregado (Hoshino apud Bentur & Odler, 1996). A resistência da zona de transição em qualquer ponto depende do volume e do tamanho dos vazios presentes. Um outro fator responsável pela baixa resistência da zona de transição é a presença de microfissuras. Para Mehta & Monteiro (1994), a zona de transição é considerada a fase de resistência limite do concreto. A níveis de tensão maiores que 70% da resistência última, as concentrações de tensão nos poros grandes da matriz de argamassa tornam-se suficientemente grandes para iniciar novas fissuras, as quais se propagam até se unirem às fissuras originadas na zona de transição. Então as fissuras tornam-se um sistema contínuo e o material rompe. Dados do efeito da zona de transição na durabilidade dos materiais cimentíceos são limitados. Do ponto de vista teórico, a alta porosidade da zona de transição deveria facilitar o ingresso de agentes agressivos externos e favorecer o desenvolvimento de reações químicas deletérias (Delagrave et al., 1997). Segundo o autor, a presença de agregados na pasta de 2 Massa contínua da pasta de cimento endurecida. 7

5 cimento tende a modificar a microestrutura e as propriedades de transporte dos sistemas cimentíceos. Os agregados têm dois efeitos contrários nas propriedades de transportes: agem como inclusões sólidas aumentando a tortuosidade da matriz, enquanto a presença de várias zonas tende a facilitar o movimento de agentes agressivos. Resultados de pesquisa encontrados por Delagrave et al. (1997), ressaltam que não é a conectividade da zona de transição que influencia nas propriedades de transporte, mas a relação zona de transição\pasta de cimento Produtos de hidratação do cimento As matérias primas utilizadas na fabricação do cimento Portland consistem principalmente de calcário, sílica, alumina e óxido de ferro. Estes compostos interagem entre si no forno formando uma série de produtos mais complexos (Neville, 1997). Quatro compostos são considerados os principais constituintes do cimento os quais estão relacionados na Tabela 2.1. Tabela 2.1: Principais compostos do cimento (Neville, 1997). NOME DO COMPOSTO COMPOSIÇÃO EM ÓXIDOS ABREVIAÇÃO Silicato tricálcico 3CaO. SiO 2 C 3 S Silicato dicálcico 2CaO. SiO 2 C 2 S Aluminato tricálcico 3CaO. Al 2 O 3 C 3 A Ferroaluminato tetracálcico 4CaO. Al 2 O 3. Fe 2 O 3 C 4 AF Segundo Mehta & Monteiro (1994), o cimento Portland comum é constituído de 45 a 60 % de C 3 S, 15 a 30 % de C 2 S, 6 a 12 % de C 3 A e 6 a 8 % de C 4 AF. O cimento Portland só adquire a propriedade aglomerante quando misturado à água. Segundo Mehta & Monteiro (1994) são dois os mecanismos de hidratação do cimento Portland: a hidratação por dissolução-precipitação envolve a dissolução de compostos anidros em seus constituintes iônicos, formação de hidratos na solução e, devido à sua baixa solubilidade, uma eventual precipitação de hidratos provenientes da solução supersaturadas e no outro mecanismo denominado topoquímico ou hidratação no estado sólido do cimento, as reações ocorrem diretamente na superfície dos componentes do cimento anidro sem entrarem em solução. 8

6 Segundo Mehta & Monteiro (1994), quando o cimento Portland é disperso em água, após alguns minutos de hidratação, há uma combinação entre o cálcio, sulfato, aluminato e íons hidroxila e aparecem os primeiros cristais de sulfoaluminato de cálcio hidratados chamados etringita. Algumas horas depois, cristais de hidróxido de cálcio e silicatos de cálcio hidratado começam a preencher o espaço vazio ocupado inicialmente pela água e as partículas de cimento em dissolução. A pasta de cimento hidratado apresenta quatro fases sólidas principais, as quais são: silicato de cálcio hidratado, hidróxido de cálcio, sulfoaluminatos de cálcio e os grãos de clínquer não hidratado. Tais fases foram descritas por Mehta & Monteiro (1994) e estão dispostas a seguir:!"os silicatos de cálcio hidratado, ou simplesmente C-S-H, constituem de 50 a 60 % do volume de sólidos de uma pasta de cimento Portland completamente hidratado, sendo assim o constituinte mais importante na determinação das propriedades da pasta. A morfologia do C-S-H varia de fibras pouco cristalinas a um reticulado cristalino.!"os cristais de hidróxido de cálcio, ou portlandita, constituem de 20 a 25 % do volume de sólidos na pasta hidratada. O hidróxido de cálcio tende a formar cristais grandes na forma de prismas hexagonais. A morfologia dos cristais apresenta desde formas não definidas até pilhas de placas geometricamente bem definidas.!"os sulfoaluminatos de cálcio ocupam de 15 a 20 % do volume de sólidos na pasta de cimento endurecida e desempenham um papel menor nas relações estruturapropriedade.!"os grãos de clínquer não hidratado podem ser encontrados na microestrutura de pastas de cimento hidratado mesmo após um longo período de hidratação Fase aquosa presente nos poros do concreto A hidratação do cimento Portland normalmente ocorre na presença de uma quantidade de água limitada. Segundo Mehta & Monteiro (1994), a água pode estar presente na pasta de várias formas. A classificação da água em diversos tipos feita pelos autores é baseada no grau 9

7 de dificuldade ou facilidade que a mesma pode ser removida. Para os autores a água pode estar presente nos seguintes estados descritos a seguir:!"água capilar: água que está presente nos poros maiores que 50 Å. Pode ser descrita como o volume de água que está livre da influência das forças de atração exercidas pela superfície sólida. A água capilar pode ser dividida em duas categorias: água presente em vazios maiores que 50 nm a qual pode ser considerada água livre uma vez que a sua remoção não causa variação de volume e a água retida por tensão capilar em capilares pequenos, entre 5 e 50 nm, cuja remoção pode causar retração do sistema;!"água adsorvida: as moléculas de água próximas a superfície do sólido sob a influência de forças de atração, estão fisicamente adsorvidas à superfície dos sólidos da pasta. A perda de água adsorvida é principalmente responsável pela retração da pasta na secagem.!"água interlamelar: água associada à estrutura do C-S-H. Esta água é perdida somente por secagem forte, com umidade relativa abaixo de 11%, e quando o mesmo acontece a estrutura do C-S-H retrai consideravelmente.!"água quimicamente combinada: água que é parte integrante da estrutura de vários produtos hidratados do cimento. Esta água não é perdida na secagem e é liberada quando os produtos hidratados são decompostos por aquecimento. A composição da fase aquosa dos poros é o fator decisivo para determinar se o aço estará passivado ou se estará em corrosão ativa (Rosenberg et al., 1989). O concreto contém substâncias básicas tais como o CaO, Na 2 O e o K 2 O que ao se hidratarem produzem o Ca(OH) 2, NaOH e KOH constituindo a reserva alcalina do concreto. A concentração de álcalis e hidroxilas da fase aquosa pode ser um dos fatores que alteram o comportamento frente a carbonatação. Quanto maior o consumo de cimento maior a quantidade de álcalis e, conseqüentemente, maior a dificuldade de carbonatar (Tuutti, 1982). 10

8 Porosidade do concreto A porosidade é a relação expressa como a porcentagem do volume de vazios de um material com relação ao seu volume total. A porosidade total do concreto está constituída tanto pelos poros fechados ou por uma rede de poros, cujos tamanhos variam entre poucos Å até em torno de 100 Å para os poros de gel, de aproximadamente 100 Å a 10 5 Å para os poros capilares e de 10 Å até a ordem de mm para os chamados poros de ar ou grandes poros (Andrade, 1984). Segundo Mehta & Monteiro (1994), a pasta de cimento contém diferentes tipos de vazios que têm uma influência importante em suas propriedades. Estes autores descrevem três tipos de vazios:!"espaço interlamelar no C-S-H: Powers apud Mehta & Monteiro (1994), assume que a largura do espaço interlamelar na estrutura C-S-H é de 18 Å e determinou que ele é responsável por 28 % da porosidade capilar no C-S-H sólido. Para os autores, este tamanho de vazio é muito pequeno para ter um efeito desfavorável sobre a resistência e a permeabilidade da pasta.!"vazios capilares: os vazios capilares representam o espaço não preenchido pelos componentes sólidos da pasta. A hidratação do cimento deve ser considerada como um processo durante o qual o espaço inicialmente ocupado pelo cimento e a água vai sendo gradativamente substituído pelo espaço preenchido pelos produtos de hidratação. O espaço não ocupado pelo cimento ou pelos produtos de hidratação consiste de vazios capilares. Vazios capilares de uma pasta maiores que 50 nm (macroporos) são admitidos como prejudiciais à resistência e à impermeabilidade, enquanto que os vazios menores que 50 nm (microporos) são considerados como mais importantes para a retração por secagem e a fluência. Segundo Sato (1998), a quantidade de vazios é proporcional à relação a/c.!"ar incorporado: aditivos podem ser colocados no concreto propositadamente para incorporar poros muito pequenos na pasta de cimento. O ar pode ser aprisionado na pasta fresca de cimento durante a operação de mistura, sendo que seus vazios podem chegar a 3 nm, enquanto que os vazios de ar incorporado variam de 50 a 200 µm. Assim, tanto os vazios de ar aprisionado como os de ar incorporado na pasta são 11

9 muito maiores do que os vazios capilares afetando negativamente a resistência e impermeabilidade. Haynes (1973) apresenta três propriedades que são fundamentais para a descrição de materiais porosos, as quais são:!"porosidade: é a fração de volume total ocupada pelos poros.!"superfície específica: é a área ou superfície acessível contida em uma unidade de massa do volume do sólido. Esta é derivada, a princípio, da porosidade e da distribuição do tamanho de poros;!"distribuição de tamanho de poros: em termos da geometria do sistema de poros real, a distribuição de tamanhos de poros observada pode ser um produto bastante complexo de formas de poros e dos caminhos nos quais eles estão interconectados. A característica da distribuição de tamanho de poros em pastas de cimento hidratada é importante porque ela influencia na resistência, permeabilidade e durabilidade do concreto (Diamond, 1971). Segundo Mehta & Monteiro (1994), a distribuição de tamanhos de poros, e não a porosidade total, é o melhor critério para a avaliação das características de vazios capilares. Haynes (1973) classifica os métodos para a medição das propriedades estruturais dos poros como métodos diretos e indiretos. Os métodos diretos são aqueles que produzem uma imagem da microestrutura, revelando o tamanho e formas das fases (Pratt, 1988). Os métodos indiretos dão informações sobre frações de volume médio das fases presentes no material e pode dizer algo sobre o tamanho médio e a distribuição de tamanhos de algumas ou de todas as fases (Pratt, 1988). Pode-se citar como métodos diretos a microscopia ótica, a microscopia eletrônica e todos os que produzem uma imagem física direta da amostra que está sendo examinada. Detalhes da morfologia e do relacionamento espacial entre componentes podem ser vistos por estes métodos (Pratt, 1988). Como métodos indiretos podem ser citados a difração de raio-x, a resistividade elétrica, a termogravimetria, a porosimetria por adsorção e por intrusão de mercúrio. Em 12

10 todos estes métodos um estímulo externo é aplicado e a reação é medida com um detector adequado (Pratt, 1988). Um dos métodos mais utilizados para a caracterização da estrutura porosa de pastas de cimento, argamassas e de concretos é a porosimetria por intrusão de mercúrio e a microscopia eletrônica Microscopia eletrônica de varredura O método consiste na obtenção de imagens de amostras com microscópio eletrônico de varredura e na posterior digitalização e tratamento destas imagens. Baseia-se no fato de que, em imagens obtidas com microscópio eletrônico de varredura por elétrons retroespelhados, as fases de maior número atômico presentes na amostra apresentam-se com brilho, enquanto que os poros ficam negros (Sato, 1998). Para a obtenção de micrografias é necessário realizar um polimento cuidadoso da superfície das amostras, pois alterações no relevo fazem com que os pontos altos tornem-se também brilhantes, independentemente da massa atômica do elemento presente Adsorção de vapor de água A porosidade pode ser determinada por meio do levantamento experimental de isotermas de adsorção e dessorção de vapor de água através do qual, a partir de modelos de adsorção física e condensação capilar, é estimada a distribuição do volume de poros em função da massa de umidade adsorvida. Esta técnica está aplicada a poros de pequenos diâmetros e sua aplicação está limitada a amostras totalmente hidratadas (Sato, 1998). O fenômeno da adsorção física de vapor de água pela superfície dos poros ocorre devido às interações físicas que ocorrem entre as moléculas de gás e a superfície sólida. A água adsorvida consiste em camadas de moléculas que aderem sobre a superfície dos poros. O processo de adsorção continua até que se estabeleça o equilíbrio termodinâmico entre o meio gasoso e a camada adsorvida (Sato, 1998). 13

11 Porosimetria por intrusão de mercúrio A porosimetria é um método bastante utilizado para a caracterização da distribuição de tamanhos de poros em materiais a base de cimento Portland, mas apesar disso ainda não existe uma especificação nem descrição do método normalizados. Alguns autores como, Diamond (2000), Cook & Hover (1999) e Sato (1998), fazem a descrição do método. Segundo Diamond (2000), uma pequena amostra é primeiramente seca, para esvaziar os poros de algum fluido existente, então a mesma é pesada e transferida para uma câmara na qual é efetuado vácuo. O objetivo de se submeter a amostra à vácuo é de remover a maior parte de gases e vapores presentes na amostra antes de se injetar o mercúrio (Sato, 1998). Nessa câmara será introduzido o mercúrio em volta da amostra e como o mercúrio não molha os sólidos cimentíceos espontaneamente, é necessário que sejam aplicadas pressões para que o mercúrio penetre nos poros vazios da amostra. Incrementos progressivos de pressão são aplicados ao mercúrio e a intrusão é monitorada a cada passo. A série de passos de pressão e os volumes intrudidos correspondentes provêem os dados básicos para o cálculo da distribuição de tamanho de poros. Para a aplicação do método supõe-se um modelo de que todos os poros são cilíndricos e que cada poro é igualmente e inteiramente acessível da superfície externa da amostra. Assim o diâmetro do poro cilíndrico é calculado pela equação de Washburn, Equação 2.1, a cada passo de pressão aplicada. d 4g cosθ P = (Equação 2.1) Onde: d = diâmetro do poro cilíndrico que está sendo intrudido; g = tensão superficial do mercúrio; θ = ângulo de contato entre o mercúrio e a parede do poro; P = pressão que está sendo aplicada. 14

12 Com a suposição de que os poros sejam independentes assume-se que os poros menores vão sendo preenchidos à medida que se aumenta a pressão, independentemente de sua posição no espaço poroso (Sato, 1998). Não há distinção no modelo entre a intrusão de um longo cilindro contínuo ou a intrusão em vários pequenos cilindros de pequeno diâmetro, contanto que todos eles estejam abertos à superfície externa da amostra (Diamond, 2000). Alguns autores, como Diamond (2000) e Cook & Hover (1999), citam críticas neste método quanto a determinação da verdadeira distribuição de tamanho de poros. Estes autores apresentam limitações na técnica como: a forma dos poros, pois todos são considerados cilíndricos; a acessibilidade dos poros e a possível quebra das paredes dos poros por causa das altas pressões aplicadas ao mercúrio. Entretanto, segundo Diamond (2000) e Winslow et al. (1994), o conhecimento do diâmetro crítico e do volume de poros penetráveis, através da porosimetria por intrusão de mercúrio, pode constituir um índice comparativo útil das pastas de cimento ou poros de concreto e podem ser determinados sem referência de nenhuma distribuição de tamanho calculada Diâmetro crítico de poro Segundo Sato (1998), o diâmetro crítico de poro pode ser definido como a menor dimensão de poro acima da qual se estabelece uma trajetória de poros conectados de uma extremidade a outra da amostra. O diâmetro crítico pode ser um bom indicador de durabilidade do material, pois tem uma importante influência nas características de permeabilidade e difusão de pastas de cimento. Cook & Hover (1999), mostram que o aumento do período de cura e o decréscimo da relação a/c resultam em uma menor porosidade total e valores pequenos para o diâmetro crítico MECANISMOS DE TRANSPORTE NO CONCRETO A durabilidade das estruturas de concreto está relacionada com os mecanismos de transportes de líquidos e gases no concreto. Na maioria das vezes a difusão e a 15

13 permeabilidade são os mecanismos responsáveis pelo transporte de água, gases e outras substâncias deletérias do meio ambiente até a superfície das armaduras no interior do concreto (Ferreira et al., 1999). A penetração dos agentes agressivos no concreto ocorre basicamente por transporte através dos poros da matriz de cimento e das microfissuras. Os mecanismos de transporte destas substâncias no concreto dependem:!"das características químicas e físicas e de sua concentração superficial ou das condições ambientais;!"da microestrutura, tipo e distribuição dos tamanhos dos poros ou presença de microfissuras;!"do grau de umidade do concreto;!"da temperatura. Segundo o autor, estes fatores determinam o tipo de mecanismo de penetração do agente agressivo, tais como a absorção capilar, a difusão e a penetração por pressão ou permeabilidade. A combinação dos agentes agressivos por parte do concreto, através de reações químicas ou de adsorção física, dificulta a penetração do agressivo. Para um melhor entendimento será feita a seguir uma descrição destes mecanismos de transportes Permeabilidade Entende-se por permeabilidade a facilidade com que um fluido (líquido ou gás) passa através de um corpo poroso devido à ação de um gradiente de pressão (ACI 116R, 1978). Todos os poros que estão conectados entre si estão relacionados com o conceito de permeabilidade ou penetrabilidade, que é a característica fundamental que vai controlar a chegada de agentes agressivos até a armadura. A permeabilidade do concreto a uma determinada substância não depende somente do tamanho e número de poros, mas também da influência dos fenômenos de adsorção, das reações químicas que podem ser produzidas durante a penetração (Andrade, 1984). 16

14 O escoamento em materiais porosos segue a lei de Darcy para fluxo laminar através de meio poroso (Neville, 1997): dq K ' ρ g h = A (Equação 2.2) dt η L Onde: dq/dt = velocidade de escoamento da água em m 3 /s; A = área da seção transversal do elemento em m 2 ; h = diferença de altura da coluna hidráulica através do elemento em m; L = espessura do elemento em m; η = viscosidade dinâmica do fluido em N.s/m 2 ; ρ = massa específica do fluido em kg/m 3 ; g = aceleração da gravidade em m/s 2 ; K = permeabilidade intrínseca do material para qualquer fluido em m 2 ; Como geralmente o fluido é a água, pode-se fazer: K K' ρ g η = (Equação 2.3) Sendo a equação do escoamento escrita da seguinte forma: dq dt h = K A (Equação 2.4) L Onde: K = coeficiente de permeabilidade do concreto em m. 17

15 Absorção capilar Absorção é o processo pelo qual um líquido ascende para o interior de um corpo sólido poroso e tende a preencher seus poros permeáveis (ACI 116R, 1978). A absorção capilar é a ascensão ou penetração da água nos poros do concreto devido a tensão capilar que atua nos poros. As características do líquido que influem na absorção são a viscosidade, a densidade e a tensão superficial, enquanto que as características do concreto que alteram a ascensão do líquido são a estrutura dos poros, como raio, tortuosidade e continuidade dos capilares, e a energia superficial. A modelação da ascensão capilar pode ser feita pela lei de Jurim: h 2ν rγ = (Equação 2.5) Onde: h = altura ou penetração de água no capilar em m; ν = tensão superficial em kg/m; r = raio do capilar em m; γ = massa específica da água em kg/m 3. Em princípio, quanto menor for o diâmetro dos capilares, maior as pressões capilares e conseqüentemente, maior e mais rápida a absorção de água. Entretanto esta teoria nem sempre é válida se tratando de concreto. Apesar de possuírem poros maiores, os concretos com altas relações a/c apresentam uma maior quantidade de poros interconectados que podem promover uma maior altura de ascensão capilar em relação a concretos com baixas relações a/c Difusão O fenômeno da difusão é um processo espontâneo de transporte de massa num sistema físico-químico por efeito de gradientes de concentração, proporcionado pelos dois diferentes meios em contato íntimo: o da solução dos poros do concreto e o meio ambiente. Esse 18

16 fenômeno será tanto mais intenso quanto maior o gradiente de concentração de elementos dissolvidos nos dois meios, tendendo a um equilíbrio (Helene, 1986). As principais substâncias que penetram no concreto por meio deste mecanismo são os cloretos, o CO 2 e o oxigênio. As expressões matemáticas que expressam o fenômeno são dadas pelas leis de Fick da difusão. A 1 a lei considera a difusão em estado estacionário com fluxo constante no tempo ao longo da seção por onde penetra a substância, a qual é expressa pela Equação 2.6. C J = D x (Equação 2.6) Onde: J = fluxo de íons ou velocidade de transporte de massa kg/m 2.s ou moles/m 2.s; D = coeficiente efetivo de difusão em m 2 /s; C/ x = gradiente de concentração em kg/m 4 ou moles/m 4 ; C = concentração de íons na solução; x = profundidade considerada. A 2 a lei considera o fluxo variável com o tempo e com a profundidade de penetração, a qual é expressa pela Equação 2.7. C t 2 C = D 2 x (Equação 2.7) Onde: t = tempo considerado. A difusão dos íons cloreto será tanto mais intenso quanto maior a sua concentração na solução externa. Em estruturas parcialmente submersas em água contaminada com cloreto a região acima da linha d água é a mais contaminada devido a elevação da concentração à 19

17 medida que a água que sobe por capilaridade, levando íons cloreto, se evapora (Monteiro, 1996). O coeficiente efetivo de difusão do O 2 no concreto armado tem um efeito diretamente decisivo para a taxa de corrosão do aço. Isto se deve ao oxigênio ser uma substância essencial para o progresso do processo catódico 3. A difusividade do oxigênio é dependente da temperatura e da viscosidade do fluido. O oxigênio tem uma pequena solubilidade na água e sua mobilidade é limitada pela alta densidade da água com relação a mesma. As condições na fase gasosa são bastante diferentes. A concentração pode ser alta e a difusividade pode estar entre 10 4 e 10 5 vezes maior que no líquido (Tuutti, 1982). O coeficiente de difusão do CO 2 depende da umidade do concreto, que por sua vez é influenciada pelas condições ambientais, e do movimento de água no interior dos poros, ou seja, da penetração de água por absorção capilar e da perda de água por difusão de vapor de água resultante da carbonatação (Kropp apud Silva, 1998). A neutralização do concreto normalmente acontece através da penetração do gás CO 2 no concreto que é então carbonatado. O processo de carbonatação é um processo de difusão combinada da penetração de CO 2 e OH - na qual a difusão é devido a diferença de concentração de ambos os lados da frente de carbonatação (Tuutti, 1982). Segundo o autor, quando o CO 2 penetra no concreto, NaOH e KOH carbonatam primeiro, aumentando assim a solubilidade do Ca(OH) 2. Então tem-se um processo de difusão do CO 2 para dentro do concreto e um processo de difusão de NaOH, KOH e Ca(OH) 2 para em sentido contrário CARBONATAÇÃO Uma das qualidades químicas mais importantes da pasta de cimento endurecida de cimento Portland é seu caráter fortemente básico, com ph entre 12 e 13. Entretanto o meio ambiente que a circunda tende a diminuir seu ph, mediante reações de neutralização. Entre as reações de neutralização se encontra a carbonatação, que pode definir-se como a reação 3 Ver o Item 2.5 relativo a conceitos sobre corrosão. 20

18 química mediante a qual os compostos que integram a pasta endurecida de cimento hidratado se combinam com o dióxido de carbono do ambiente que a rodeia (Fernandez Paris, 1973). Os principais responsáveis pelo fenômeno da neutralização, que se encontram na atmosfera, são os óxidos de enxofre, 6-10 mg de SO 3 /litro em chuva, e o dióxido de carbono mg de CO 2 /m 3 no ar, sendo que este último desempenha o papel mais importante de neutralização: a carbonatação. A neutralização pode dever-se também a águas ácidas contendo H 2 CO 3 provenientes de fermentações anaeróbicas em águas paradas (Sanjuán, 1992). O dióxido de carbono, CO 2, na atmosfera deriva principalmente do processo natural de desenvolvimento de vegetais na superfície da Terra e de processos industriais que usam combustíveis fósseis (Parrott, 1987). O CO 2 também chamado anidrido carbônico, ocupa 0,03% em volume de ar (Parrott, 1987; Fernandez Paris, 1973; González & Andrade, 1980), o que representa 0,04% em peso a uma concentração de 0,5 mg/litro, que são estimados como valores médios e suscetíveis a ligeira variações por influência das condições de pressão e temperatura atmosférica. Segundo Neville (1997), as concentrações de CO 2 em um ambiente rural é de cerca de 0,03% em volume e em grandes cidades podem chegar a 0,3% e, excepcionalmente a 1%. Normalmente a carbonatação é um processo lento, devido à baixa concentração de CO 2 presente em atmosferas urbanas, mas que pode ser acelerado em regiões de ambiente altamente contaminado, como túneis e garagens (Feijão, 2000). Para que ocorra o fenômeno da carbonatação, pressupõe-se que o CO 2 penetre no concreto. O ingresso do CO 2 ocorre por mecanismo de difusão, principalmente pela diferença de concentração entre o ambiente externo e o interior do concreto (Bauer, 1995). Conforme já comentado anteriormente o elevado ph da fase aquosa é proporcionado pelos hidróxidos de cálcio, sódio e potássio. A presença de hidróxidos de sódio e potássio eleva o ph para valores maiores a 14 (Parrott, 1987). A medida que o CO 2 penetra no concreto ele se dissolve na fase líquida dos poros e vai havendo uma redução gradativa do ph, pela sua reação com os hidróxidos conforme podese observar no gráfico da Figura 2.2 feito a partir de dados obtidos através de uma difração de raio-x no qual são apresentados os valores de ph em função da taxa de intensidade (%) do 21

19 CaCO 3 e do Ca(OH) 2. Nota-se que o ph decresce com a diminuição de Ca(OH) 2 e diminui com o aumento do CaCO 3. O fenômeno da carbonatação pode ocorrer de forma espontânea ou natural na atmosfera terrestre ou artificialmente em condições controladas (Fernandez Paris, 1973). ph CaCO 3 I I I I I I Ca(OH) 2 Figura 2.2: Valores de ph versus a taxa de intensidade (%) do CaCO 3 e do Ca(OH) 2 obtidas a partir da difração de raio-x (Ohgishi apud Parrott, 1987). A carbonatação espontânea dos concretos endurecidos dependerá, do ponto de vista químico, da carbonatabilidade dos produtos de hidratação do cimento Portland (Fernandez Paris, 1973). O Ca(OH) 2, também chamado portlandita, tem uma solubilidade limitada a qual é marcadamente dependente da concentração de OH na solução. Por outro lado o Na e o K, são consideravelmente mais solúveis e estão quase completamente dissolvidos na fase aquosa dos poros do concreto (Tuutti, 1982). As reações químicas fundamentais do dióxido de carbono com os constituintes do concreto são: ( ) 2 CO + Ca OH CaCO + H O (Reação 2.1) H O

20 + + (Reação 2.2) HO 2 CO 2NaOH Na CO H O (Reação 2.3) HO 2 CO 2KOH K CO H O O dióxido de carbono atmosférico dissolve-se na fase aquosa dos poros do concreto e forma o ácido carbônico, Reação 2.4, o qual reage com o hidróxido de cálcio, Reação 2.5, gerado na hidratação do cimento e com os hidróxidos de sódio e potássio (Banfill, 1997). CO2 + H2O H 2CO3 (Reação 2.4) ( ) HCO+ CaOH CaCO+ HO (Reação 2.5) O hidróxido de cálcio tem a forma de lâminas hexagonais e sua solubilidade a 20 ºC é de 1,2 grama/litro. Os cristais de CaCO 3 se depositam a uma distância determinada da situação inicial do Ca(OH) 2, realizando a função de preencher os vazios. Esta ação explica, em parte, o aumento de compacidade das pastas carbonatadas (Fernandez Paris, 1973). A avaliação do efeito dos danos da carbonatação na vida útil de estruturas de concreto armado envolve considerações de pelo menos dois estágios (Tuutti, 1982): 1. O período de iniciação no qual a frente de carbonatação, controlada pela difusão, penetra o cobrimento de concreto provocando a perda da alcalinidade, conseqüentemente, a despassivação da armadura do concreto. 2. O período de propagação no qual, dependendo das condições de umidade local, a armadura despassivada se corroe e os produtos de corrosão causam tensões que fissuram o cobrimento de concreto. A carbonatação por si só não supõe um risco para a armadura, mas sim quando há umidade suficiente nos poros do concreto (Alonso & Andrade, 1987). A carbonatação na presença de umidade provoca uma corrosão generalizada originando uma diminuição paulatina da seção da armadura. Além da diminuição do ph na fase aquosa, a carbonatação provoca também a mudança da permeabilidade efetiva devido a mudança no volume e microfissuras causadas pelas reações químicas (Johannesson & Utgenannt, 2001). Segundo esses autores, o carbonato 23

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