Reabilitação e Reforço de Estruturas Aula 7.1: Corrosão do aço e deterioração do betão.

Transcrição

1 Mestrado em Engenharia Civil 2011 / 2012 Reabilitação e Reforço de Estruturas Aula 7.1: Corrosão do aço e deterioração do betão. António Costa 1/53

2 ACÇÕES AGRESSIVAS FÍSICAS TEMPERATURA GELO / DEGELO FOGO CRISTALIZAÇÃO DE SAIS ACÇÕES DIRECTAS (desgaste) QUÍMICAS CO 2 - corrosão das armaduras CLORETOS - corrosão das armaduras O 2 corrosão das armaduras ÁCIDOS dissolução do cimento SULFATOS reacções expansivas com o cimento ÁLCALIS - reacções expansivas com os agregados ÁGUAS PURAS dissolução do cimento SAIS (Mg, NH 4,...) - dissolução do cimento BIOLÓGICAS BACTÉRIAS (produção de ácidos, p.e. em esgotos) ALGAS, FUNGOS,... 2/53

3 TIPOS DE DETERIORAÇÃO CORROSÃO DAS ARMADURAS Carbonatação Cloretos ATAQUE QUÍMICO DO BETÃO Ataque dos sulfatos Reacções álcalis agregados Ataque dos ácidos, águas puras e sais de amónio e magnésio Acção da água do mar OUTROS Ataque biológico Desgaste por erosão, abrasão e cavitação Ciclos de gelo desgelo Acção do fogo Cristalização de sais 3/53

4 CORROSÃO DAS ARMADURAS No betão não contaminado as armaduras encontram-se protegidas contra a corrosão devido à elevada alcalinidade do meio. Hidróxido de cálcio ph 12.5 a 13.5 Hidróxidos de sódio e potássio Nestas condições forma-se à superfície da armadura uma barreira de protecção (película passiva) que impede a sua corrosão Armadura Película passiva (γ Fe 2 O 3 ) ph 12,5 A corrosão não é possível PROTECÇÃO DAS ARMADURAS NO BETÃO 4/53

5 DESPASSIVAÇÃO DAS ARMADURAS Reforço e Reabilitação de Estruturas Quando o ph desce para valores inferiores a 10-11, ou o teor de cloretos ultrapassa o valor crítico, ocorre a destruição da película passiva. A despassivação das armaduras origina o início do mecanismo da corrosão Carbonatação ph < 9 Cloretos Cl - > valor crítico Dissolução da película passiva A corrosão é possível 5/53

6 MECANISMO DA CORROSÃO Reforço e Reabilitação de Estruturas O mecanismo da corrosão é um processo electroquímico, i. e. envolve reacções químicas e correntes eléctricas Para que a corrosão se possa desenvolver é necessário a presença dos seguintes elementos: Ânodo Cátodo Condutor eléctrico zona da armadura despassivada zona da armadura com acesso ao oxigénio armadura Electrólito betão ÂNODO CÁTODO CONDUCTOR ELÉCTRICO ELECTRÓLITO 6/53

7 MECANISMO DA CORROSÃO MODELO DE UMA CÉLULA DE CORROSÃO 7/53

8 MECANISMO DA CORROSÃO Na zona anódica ocorrem reacções secundárias que originam produtos de corrosão com elevado aumento de volume Fe + 3H 2 O Fe (OH) H e - 3 Fe + 4H 2 O Fe 3 O H e - Fe + 2H 2 O FeO (OH - ) + 3 H e - Reacções anódicas secundárias Fe O(OH - ) + O 2 Fe 3 O 4 ou Fe (OH) 2 Volume relativo dos produtos de corrosão 8/53

9 MECANISMO DA CORROSÃO Reforço e Reabilitação de Estruturas A expansão dos produtos da corrosão causam a FENDILHAÇÃO e DELAMINAÇÃO do betão de recobrimento FENDILHAÇÃO DELAMINAÇÃO Aspecto da superfície do betão afectada pela corrosão das armaduras 9/53

10 MECANISMO DA CORROSÃO No caso de o betão estar saturado podem não ocorrer reacções expansivas significativas e o betão não fendilha CORROSÃO NEGRA 10/53

11 MECANISMO DA CORROSÃO Para que o mecanismo da corrosão se desenvolva é necessário ocorrerem simultaneamente um conjunto de condições para o processo anódico, catódico e electrolítico: A protecção das armaduras deve estar destruída É necessário ocorrerem diferenças de potencial na superfície da armadura Na zona catódica deve existir disponibilidade de oxigénio As zonas catódicas devem estar ligadas electricamente e electrolicamente Se alguma destas condições não ocorrer o mecanismo da corrosão não se desenvolve A velocidade de corrosão depende da : acessibilidade de oxigénio às armaduras, para alimentar a reacção catódica condutividade eléctrica do betão, que permite o movimento de iões entre o cátodo e o ânodo 11/53

12 MECANISMO DA CORROSÃO Situações em que não ocorre corrosão significativa : A armadura não está despassivada => não existe ânodo Em elementos submersos não há disponibilidade de oxigénio => não existe cátodo Em elementos situados em ambientes secos o betão tem uma condutividade baixa => não existe electrólito Em resumo, as armaduras no betão podem encontrar-se nos seguintes estados: PASSIVO Betão não contaminado por substâncias agressivas CORROSÃO Devido à acção da carbonatação ou dos cloretos ACTIVAS mas catodicamente protegidas Betão saturado Betão seco 12/53

13 MECANISMO DA CORROSÃO CORROSÃO POR ACÇÃO DA CARBONATAÇÃO Formação de micro células de corrosão Os ânodos e os cátodos são normalmente muito pequenos e localizam-se muito perto uns dos outros, originando a corrosão geral das armaduras A velocidade de corrosão é geralmente baixa A velocidade de corrosão é controlada pela resistividade do betão O acesso de oxigénio às armaduras não constitui um parâmetro limitador da corrosão no caso da carbonatação 13/53

14 MECANISMO DA CORROSÃO CORROSÃO POR ACÇÃO DA CARBONATAÇÃO Processo de degradação lento -dezenas de anos- 14/53

15 MECANISMO DA CORROSÃO CORROSÃO POR ACÇÃO DOS CLORETOS Formação de macro células de corrosão As zonas anódicas são geralmente pequenas e as zonas catódicas são grandes, podendo estar localizadas em zonas próximas ou afastadas dos ânodos O tipo de corrosão originado nesta situação é a corrosão localizada das armaduras A velocidade de corrosão é geralmente elevada A velocidade de corrosão é controlada pelo acesso de oxigénio às armaduras (ambientes muito húmidos) e pela resistividade do betão (ambientes menos húmidos) Os cloretos aumentam a condutividade do betão Os cloretos actuam como catalizador das reacções nas zonas anódicas : Seguida por: 2 Fe + 6 Cl - 2 Fe Cl e - Fe Cl OH - Fe (OH) Cl - Como as áreas catódicas são muito superiores às áreas anódicas desenvolvem-se no ânodo densidades de corrente muito elevadas, uma vez que as correntes anódicas e catódicas têm de ser iguais. Isto origina uma dissolução muito acentuada do aço 15/53

16 MECANISMO DA CORROSÃO CORROSÃO POR ACÇÃO DOS CLORETOS Processo de degradação rápido -alguns anos- 16/53

17 MECANISMO DA CORROSÃO CORROSÃO POR ACÇÃO DOS CLORETOS CORROSÃO LOCALIZADA 17/53

18 MECANISMO DA CORROSÃO Colapso de uma parede devido à corrosão de armaduras Reforço e Reabilitação de Estruturas 18/53

19 MECANISMO DA CORROSÃO VELOCIDADE DE CORROSÃO Corrosão por acção da carbonatação: I 20 a 50 µm/ano Corrosão por acção dos cloretos : Betões de boa qualidade com baixo teor de cloretos I µm/ano Betões de baixa qualidade I 100 a 500 µm/ano Localmente as velocidades podem ser significativamente maiores 19/53

20 MECANISMO DA CORROSÃO Ca O Ca(OH) 2 CIMENTO Na 2 O HIDRATAÇÃO Na OH BETÃO K 2 O K OH ARMADURAS PASSIVAS ph 12.5 a 13.5 REACÇÃO COM O CO 2 Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O DESPASSIVAÇÃO DAS ARMADURAS ph < 9 20/53

21 MECANISMO DA CARBONATAÇÃO Processo de difusão em meio gasoso CO 2 CO 2 C 21/53

22 Zonas envolvidas no mecanismo da carbonatação Reforço e Reabilitação de Estruturas O ph varia ao longo da profundidade em função da concentração de Ca (OH) 2 A despassivação das armaduras ocorre numa profundidade intermédia no interior da espessura da frente de carbonatação 22/53

23 PENETRAÇÃO DE CLORETOS Cl - Transporte em meio líquido Cl - C Mecanismos de transporte de cloretos PERMEAÇÃO (rápido) ABSORÇÃO (rápido) DIFUSÃO (lento) 23/53

24 PENETRAÇÃO DE CLORETOS Em condições reais a penetração ocorre através da associação dos vários mecanismos de transporte Para haver transporte por difusão é necessário que os poros contenham água > teor em água > transporte por difusão 24/53

25 Teor Crítico de Cloretos Os cloretos no interior do betão estão em dois estados: - combinados (quimicamente e fisicamente) não agressivos - livres (na solução dos poros) agressivos Reforço e Reabilitação de Estruturas Parâmetros importantes Composição do cimento Adições Qualidade do betão Carbonatação, sulfatos Temperatura Humidade Composição do cimento: teor em C 3 A => combinação química dos cloretos Adições: gel de CSH => combinação física dos cloretos Carbonatação, sulfatos => libertação dos cloretos combinados Temperatura => libertação dos cloretos combinados Humidade => influencia o processo catódico e electrolítico - humidade baixa: o betão apresenta maior resistividade - humidade elevada: o acesso de oxigénio às armaduras é restringido Maior teor crítico 25/53

26 Teor Crítico de Cloretos Efeito das condições de exposição e da qualidade do betão 26/53

27 ATAQUE QUÍMICO DO BETÃO SUBSTÂNCIAS AGRESSIVAS COMPONENTES DO BETÃO REACÇÃO QUÍMICA DECOMPOSIÇÃO DO BETÃO Necessário : Água : Apenas os betões situados em ambientes com HR elevadas podem sofrer ataque químico Transporte de substâncias agressivas, geralmente provenientes do exterior, para as substâncias reactivas do betão 27/53

28 ATAQUE QUÍMICO DO BETÃO Reacções químicas mais significativas : Reacção dos sulfatos com os aluminatos da pasta de cimento Reacção expansiva Reacção dos álcalis com os agregados reactivos do betão Reacção expansiva Reacção dos ácidos, sais de magnésio, sais de amónio e águas puras com a pasta de cimento Perda das propriedades ligantes Reacção dos iões agressivos da água do mar com a pasta de cimento Perda das propriedades ligantes 28/53

29 Ataque dos Sulfatos Os sulfatos ocorrem normalmente no solo na forma sólida ou em solução nas águas freáticas. Podem também ter como origem fertilizantes e efluentes industriais Sulfatos mais frequentes Sulfato de sódio Sulfato de potássio Sulfato de cálcio Sulfato de magnésio Sulfato de amónio Componentes da pasta de cimento susceptíveis de serem atacados Aluminatos de cálcio hidratados Hidróxido de cálcio A deterioração pode tomar Expansão e fendilhação do betão duas formas distintas Perda de resistência e desagregação do betão 29/53

30 Ataque dos Sulfatos Expansão e fendilhação devida ao ataque de sulfatos Mecanismo do ataque 30/53

31 Ataque dos Sulfatos Reacção sulfática de origem externa 31/53

32 Ataque dos Sulfatos Reacção sulfática de origem interna A deterioração é originada pela Formação de Etringite Retardada (DEF) A origem Uma remobilização dos sulfatos inicialmente contidos na pasta de cimento após o endurecimento do betão A principal causa Um aumento da temperatura durante o endurecimento do betão (Temperaturas elevadas inibem a reacção dos sulfatos) Os tipos de betão afectados - betões sujeitos a tratamentos térmicos - partes da estrutura de betão em massa (pilares, maciços) - betões com cimentos de alta resistência e endurecimento rápido 32/53

33 Ataque dos Sulfatos Reacção sulfática de origem interna 33/53

34 Ataque dos Álcalis Reforço e Reabilitação de Estruturas A deterioração resulta da reacção entre os metais alcalinos existentes no betão (K 2 O e Na 2 O) e os agregados reactivos (geralmente silicatos) K 2 O ; Na 2 O agregados reactivos Reacção química gel + H 2 O EXPANSÃO Necessário: Quantidade suficiente de álcalis no betão Agregados reactivos numa certa quantidade Quantidade de água suficiente para hidratar o gel 34/53

35 Ataque dos Álcalis Expansão e fendilhação devida à reacção álcalis-sílica Reforço e Reabilitação de Estruturas Mecanismo do ataque 35/53

36 Ataque dos Álcalis Fendilhação associada às reacções expansivas Gel de sílica reactiva 36/53

37 Ataque dos Álcalis Deformações originadas pelas reacções expansivas 37/53

38 Reforço e Reabilitação de Estruturas Ataque dos Álcalis Fendilhação do tabuleiro Esmagamento das vigas 38/53

39 Ataque dos Ácidos, Sais e Águas Puras Ácidos e sais de magnésio e amónio A reacção destas substâncias com a pasta de cimento traduz-se na conversão dos compostos de cálcio (hidróxido de cálcio, silicatos e aluminatos de cálcio) em sais de cálcio solúveis Decomposição da pasta de cimento Perda das propriedades ligantes A agressividade dos ácidos depende da solubilidade dos sais de cálcio que originam > solubilidade > ritmo de deterioração Ritmo de ataque à temperatura ambiente Rápido Ácidos inorgânicos Clorídrico Fluorídrico Nítrico Sulfúrico Ácidos orgânicos Acético Fórmico Láctico Moderado Fosfórico Tânico Baixo Carbónico - Desprezável - Oxálico Tartárico 39/53

40 Ataque dos Ácidos, Sais e Águas Puras Mecanismo do ataque Reforço e Reabilitação de Estruturas ph < 6.5 ataque moderado Agressividade das soluções ph < 5.5 ataque severo ph < 4.5 ataque muito severo 40/53

41 Ataque dos Ácidos, Sais e Águas Puras Deterioração por acção dos ácidos Águas puras Têm elevado poder dissolvente. Dissolvem o hidróxido de cálcio originando a sua lixiviação Perda das propriedades ligantes Decomposição da pasta de cimento A agressividade das águas depende da sua renovação : água corrente => maior agressividade água parada => menor agressividade 41/53

42 Ataque dos Ácidos, Sais e Águas Puras A lixiviação do hidróxido de cálcio origina eflorescências A agressividade decresce com o aumento da dureza da água (teor em iões de cálcio) A presença de dióxido de carbono e álcalis dissolvidos conduzem a um aumento da agressividade 42/53

43 Ataque dos Ácidos, Sais e Águas Puras Deterioração da camada superficial do betão por acção de águas puras 43/53

44 Acção da água do mar O ataque químico do betão provocado pela água do mar é devido à grande quantidade de iões agressivos presentes nesta água Iões agressivos Pasta de cimento Reacção química Deterioração Iões agressivos Iões [g/l] Cl - SO 4 -- Ca ++ Mg ++ Na + K + Atlântico Norte Atlântico Sul Média Mundial /53

45 Acção da água do mar Mecanismo do ataque 45/53

46 Acção da água do mar Deterioração de estacas por ataque químico da água do mar Consequências: Decomposição da pasta de cimento desagregação do betão erosão das camadas superficiais exposição das armaduras corrosão redução da secção da estaca redução capacidade resistente e introdução de excentricidade na carga aplicada aumento dos esforços actuantes 46/53

47 Ataque Biológico O crescimento de vegetação (líquenes, musgos, algas, raízes de plantas, etc.) em zonas porosas do betão e fendas origina forças expansivas deterioração mecânica do betão Micro organismos que produzem ácido húmico ataque químico da pasta de cimento Esgotos: bactérias anaeróbias transformação dos compostos de enxofre em gás sulfídrico bactérias aeróbias transformação do ácido sulfídrico em ácido sulfúrico ataque químico da pasta de cimento 47/53

48 Ataque Biológico Deterioração por ataque químico em esgotos 48/53

49 Erosão, Abrasão e Cavitação Tráfego de veículos e peões, deslizamento e impacto de objectos Abrasão Acção da água com partículas sólidas em suspensão Erosão Escoamento de água com elevada velocidade Cavitação Deterioração perda progressiva de massa na zona superficial do betão Abrasão 49/53

50 Erosão, Abrasão e Cavitação Erosão Perda progressiva do ligante e posterior desintegração do betão Cavitação Deterioração progressiva das camadas superficiais 50/53

51 Acção do Gelo-desgelo A congelação da água origina um aumento de volume de cerca de 9% A expansão do gelo origina tensões de tracção que conduzem à fendilhação e delaminação da zona superficial do betão Para ocorrer deterioração significativa é necessário a ocorrência das seguintes condições : - Os poros do betão devem estar saturados - As temperaturas devem atingir valores significativamente abaixo de 0ºC - Ocorrência de ciclos repetidos de gelo/desgelo 51/53

52 Acção do Fogo Temperaturas elevadas alterações da pasta de cimento diminuição da resistência à compressão A pasta de cimento é constituída por produtos hidratados O fogo origina a desidratação dos componentes da pasta alteração da estrutura dos silicatos com perda significativa da resistência 300ºC os silicatos e aluminatos perdem parte da água quimicamente combinada 500ºC o hidróxido de cálcio começa a decompor-se 900ºC decomposição total dos silicatos de cálcio A pressão causada pelo vapor de água pode conduzir à delaminação do betão da zona superficial 52/53

53 Acção do Fogo Deterioração do betão pela acção do fogo 53/53