Durabilidade de Estruturas de Betão

Transcrição

1 REABILITAÇÃO E REFORÇO DE ESTRUTURAS Durabilidade de Estruturas de Betão António Costa

2 Sumário Introdução Sintomas da deterioração Causas da deterioração deficiências projecto e execução deformações impostas: retracção temperatura acções agressivas para as armaduras e betão Mecanismos de deterioração corrosão de armaduras ataque químico do betão Durabilidade Normas medidas de protecção carbonatação cloretos corrosão sulfatos álcalis metodologia prescritiva metodologia de desempenho BIBLIOGRAFIA Costa, A. Mecanismos de Deterioração em Estruturas de Betão Armado, IST, CEB Bulletin 183 Durable Concrete Structures, 1992 fib : Structural Concrete Textbook on Behaviour Design and Performance 2009, Volume 3: Design of durable concrete structures (fib bulletin 53) fib : Structural Concrete Textbook on Behaviour Design and Performance 2012,Volume 5: Through-life care and management of concrete structures - Assessment, protection, repair and strengthening (fib bulletin 62) fib bulletin 59 - Condition control and assessment of reinforced concrete structures exposed to corrosive environments (carbonation/chlorides)., fib bulletin 49 - Corrosion protection of reinforcing steels. Technical report, fib bulletin 44 - Concrete structure management: Guide to ownership and good practice Guide to good practice, 2008.

3 Exemplos de obras com deterioração precoce Docas Deterioração: idade 7 anos

4 Pontes Cais Reparação extensiva: idade 26 anos Substituição da plataforma: idade 40 anos

5 Pórticos de pontes rolantes Reparação extensiva: idade 27 anos

6 Viaduto Substituição do tabuleiro: idade 11 anos

7 As estruturas de betão são duráveis!? Nenhum material é por si próprio durável; é a interacção entre o material e o ambiente a que está exposto que determina a sua durabilidade

8 Durabilidade As estruturas devem ser projectadas e construídas com o objectivo de satisfazer um conjunto de requisitos funcionais durante um certo período de tempo sem causar custos inesperados de manutenção e reparação. Objectivo Controlar a deterioração a nível reduzido no período de vida útil das estruturas

9 Actuar a 4 níveis Projecto Execução Exploração Manutenção Necessário conhecer comportamento dos materiais, mecanismos de deterioração, medidas de protecção, técnicas de reabilitação

10 Enquadramento geral dos intervenientes no processo de Garantia da Durabilidade Dono de Obra Especificar o uso, o período de vida útil e os requisitos para o projecto e obra Controlo de qualidade Inspecção e ensaios durante e após a execução da obra Projectista Identificar as condições de exposição ambientais Conceber a estrutura (sistema estrutural, geometria dos elementos) Especificar os materiais e recobrimentos Definir os critérios de projecto (controlo da fendilhação,...) Definir eventuais medidas de protecção adicional Manual de manutenção Empreiteiro Executar a estrutura de acordo com os requisitos especificados no projecto Controlar a composição do betão (razão A/C, tipo de cimento, agregados,...) Controlar a betonagem e cura do betão Controlar os recobrimentos Utilizador Inspecção/avaliação do comportamento Manutenção Evitar alterações na utilização da estrutura que agravem a agressividade das condições de exposição

11 PRINCIPAIS CAUSAS DA DETERIORAÇÃO ERROS / DEFICIÊNCIAS Projecto Execução Exploração Manutenção DEFORMAÇÕES IMPOSTAS Retracção Temperatura ACÇÕES AGRESSIVAS Físicas Químicas Biológicas

12 Deficiências de Projecto o Deficiente avaliação da agressividade das condições de exposição o Especificação inadequada dos materiais (betão) o Especificação deficiente dos recobrimentos das armaduras o Deficiente avaliação das deformações impostas retracção e temperatura o Deficiente controlo da fendilhação o Deficiente controlo da deformação o Deficiente pormenorização de armaduras o Concepção estrutural inadequada forma ; drenagem ; juntas

13 Deficiente drenagem e impermeabilização

14 Deficiente drenagem / concepção

15 Deficiente pormenorização de armaduras

16 Deficiente controlo da fendilhação

17 Formas estruturais sensíveis à deterioração Grande área de superfície exposta elevada sensibilidade à deterioração Estrutura com maior robustez

18 Formas estruturais sensíveis à deterioração Grande área de superfície exposta Edifício sensível à deterioração Edifício com reduzida área de betão exposto

19 Efeito de canto Deterioração concentrada nos cantos salientes

20 Elementos esbeltos em ambientes muito agressivos Colapso súbito da estrutura

21 Deficiências de execução o Selecção inadequada dos materiais composição do betão o Cofragens deficientes o Posicionamento das armaduras o Recobrimentos espaçadores o Colocação e compactação do betão o Cura do betão

22 Utilização de agregados reactivos Reacções expansivas fendilhação do betão deterioração

23 Cofragens deficientes Saída de finos acumulação de agregados Deterioração por corrosão

24 Deficiente posicionamento das armaduras Armaduras sem recobrimento

25 Deficiente posicionamento das armaduras Deficiente posicionamento da armadura dificuldades de betonagem vazios corrosão

26 Colocação e compactação do betão Segregação do betão Concentração da deterioração nas zonas segregadas

27 Colocação e compactação do betão Vazios sob o varão Assentamento do betão Malha de armaduras marcada na superfície

28 Cura do betão Falta de humedecimento da superfície Retracção plástica Fendilhação do betão

29 ANOMALIAS DEVIDAS A DEFORMAÇÕES IMPOSTAS Fendilhação Deterioração precoce das estruturas Retracção o Retracção plástica o Retracção de secagem o Retracção térmica Temperatura

30 Retracção plástica Mecanismo: Secagem do betão Evaporação Contracção Causa tensões

31 Retracção plástica Influência dos principais factores: Prevenção: Proteger do vento e do sol Molhar a superfície após a colocação do betão Iniciar a cura o mais cedo possível

32 Retracção de secagem Elementos mais afectados: muros; paredes; lajes

33 Retracção de secagem Pavimentos Deterioração progressiva após a fendilhação

34 Retracção de secagem Prevenção: Composição do betão Baixa razão A/C Maior quantidade de agregados (menos cimento) Reduzir as restrições às deformações na base e nas extremidades Armadura para controlo da abertura e fendas Juntas convenientemente espaçadas

35 Retracção térmica Elementos de grandes dimensões: Aumento significativo de temperatura associado ao desenvolvimento do calor de hidratação Mecanismo: fenda contracção Temp Prevenção: Composição do betão Maior teor em adições Maior quantidade de agregados (menos cimento) Protecção da superfície do betão Arrefecimento do betão

36 Temperatura Deformações associadas a variações de temperatura Aquecimento não uniforme deformações não uniformes Base rígida impede a deformação Prevenção: Reduzir as restrições às deformações impostas Armadura para controlo da abertura de fendas

37 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,...

38 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 Ciclos de gelo degelo Acção do fogo Desgaste por erosão, abrasão e cavitação Cristalização de sais Ataque biológico

39 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 ( Fe 2 O 3 ) ph 12,5 A corrosão não é possível PROTECÇÃO DAS ARMADURAS NO BETÃO

40 DESPASSIVAÇÃO DAS ARMADURAS 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

41 MECANISMO DA CORROSÃO 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 Electrólito zona da armadura despassivada zona da armadura com acesso ao oxigénio armadura betão ÂNODO CÁTODO CONDUCTOR ELÉCTRICO ELECTRÓLITO

42 MECANISMO DA CORROSÃO MODELO DE UMA CÉLULA DE CORROSÃO

43 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

44 MECANISMO DA CORROSÃO 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

45 MECANISMO DA CORROSÃO DELAMINAÇÃO

46 Evolução da deterioração MECANISMO DA CORROSÃO Zonas com defeitos Zonas das arestas salientes

47 Evolução da deterioração MECANISMO DA CORROSÃO Deterioração progressiva a partir das zonas com menor recobrimento

48 Evolução da deterioração MECANISMO DA CORROSÃO Perda de aderência

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

50 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 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

51 MECANISMO DA CORROSÃO Situações em que não ocorre corrosão significativa : A armadura não está despassivada não se forma o ânodo Em elementos submersos existe reduzida disponibilidade de oxigénio reacção catódica restringida Em elementos situados em ambientes secos o betão tem uma condutividade baixa electrólito com elevada resistividade 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

52 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

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

54 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 secos) Os cloretos aumentam a condutividade do betão Os cloretos actuam como catalisador 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

55 MECANISMO DA CORROSÃO CORROSÃO POR ACÇÃO DOS CLORETOS Processo de degradação rápido -alguns anos-

56 MECANISMO DA CORROSÃO CORROSÃO POR ACÇÃO DOS CLORETOS CORROSÃO LOCALIZADA

57 EFEITOS DA CORROSÃO NO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL Aço Redução da secção Redução da ductilidade Aumento de volume Betão Fendilhação Delaminação Redução da secção Redução da aderência aço-betão Redução da resistência do elemento estrutural

58 EFEITOS DA CORROSÃO EM VIGAS Redução da resistência à flexão redução de A c M rd M rd redução de A s Redução da resistência ao esforço transverso redução de b w V rd redução de A sw

59 EFEITOS DA CORROSÃO EM VIGAS Aumento da abertura de fendas e da deformação A abertura de fendas aumenta por: - aumento de σ s devido à redução da secção da armadura - redução da aderência aço-betão A deformação aumenta por: - aumento da fendilhação e correspondente aumento das curvaturas - redução da comparticipação do betão entre fendas por redução da aderência e delaminação - redução da inércia da secção por redução da área de betão (delaminação)

60 EFEITOS DA CORROSÃO EM VIGAS Efeito da delaminação

61 EFEITOS DA CORROSÃO EM VIGAS Alteração do modelo de comportamento estrutural delaminação

62 EFEITOS DA CORROSÃO EM PILARES Redução da resistência devido: - redução da secção da armadura longitudinal - delaminação do betão redução da secção - redução da secção das cintas redução da resistência das armaduras comprimidas redução da resistência ao esforço transverso - aumento das excentricidades devido à assimetria da delaminação Redução da ductilidade devido: - redução da secção das cintas redução do confinamento do betão

63 EFEITOS DA CORROSÃO EM LAJES Efeitos estruturais Flexão Redução da secção das armaduras (tracção) Redução da altura útil (compressão) Esforço transverso Redução da aderência e amarração (com efeito nos mecanismos resistentes relativos ao efeito de arco e efeito de consola) Redução da altura útil

64 EFEITOS DA CORROSÃO EM LAJES Avaliação do comportamento Efeito da pormenorização de armadura Asc2 totalidade das armaduras amarradas no apoio Asc1 50% das armaduras amarradas no apoio Asc0 emenda total das armaduras junto ao apoio

65 EFEITOS DA CORROSÃO EM LAJES Avaliação do comportamento Asc2 totalidade das armaduras amarradas no apoio Asc1 50% das armaduras amarradas no apoio Asc0 emenda total das armaduras junto ao apoio Dano: delaminação do betão de recobrimento

66 EFEITOS DA CORROSÃO EM LAJES Avaliação do comportamento

67 EFEITOS DA CORROSÃO EM LAJES Avaliação do comportamento

68 EFEITOS DA CORROSÃO Colapso de uma parede devido à corrosão de armaduras

69 EFEITOS DA CORROSÃO Colapso de uma parede devido à corrosão de armaduras

70 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

71 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

72 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 duas formas distintas Expansão e fendilhação do betão Perda de resistência e desagregação do betão

73 Ataque dos Sulfatos Expansão e fendilhação devida ao ataque de sulfatos com origem externa Mecanismo do ataque

74 Ataque dos Sulfatos Reacção sulfática de origem externa

75 Ataque dos Sulfatos Reacção sulfática de origem interna A deterioração é originada pela Formação de Etringite Retardada (DEF) Origem Remobilização dos sulfatos inicialmente contidos na pasta de cimento após o endurecimento do betão Causa Aumento da temperatura durante o endurecimento do betão (Temperaturas elevadas inibem a reacção dos sulfatos) 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

76 Ataque dos Sulfatos Reacção sulfática de origem interna

77 Ataque dos Sulfatos Reacção sulfática de origem interna

78 Ataque dos Sulfatos Reacção sulfática de origem interna Ensaio de reacção potencial aos sulfatos - DEF Amostra A Amostra B

79 Ataque dos Álcalis A deterioração resulta da reacção entre os metais alcalinos (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

80 Ataque dos Álcalis Expansão e fendilhação devida à reacção álcalis-sílica Mecanismo do ataque

81 Ataque dos Álcalis Fendilhação associada às reacções expansivas Gel de sílica reactiva

82 Ataque dos Álcalis Deformações originadas pelas reacções expansivas

83 Ataque dos Álcalis Fendilhação do tabuleiro Esmagamento das vigas

84 Fendilhação nos pilares Ataque dos Álcalis

85 Fendilhação Ataque dos Álcalis Esquema simplificado do comportamento de uma viga pré-esforçada, apresentando fendilhação horizontal e exemplo ilustrativo

86 Acção da água do mar Mecanismo do ataque

87 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

88 DURABILIDADE Objectivo Assegurar que a estrutura satisfaça, durante o seu tempo de vida, os requisitos de utilização, resistência e estabilidade, sem perda significativa de utilidade nem excesso de manutenção não prevista

89 METODOLOGIA Identificar as substâncias agressivas, como é que se movimentam e acumulam relativamente à estrutura Determinar quais os mecanismos de transporte e quais os parâmetros que controlam esses mecanismos caracterizar CONDIÇÕES DE EXPOSIÇÃO Determinar quais as reacções envolvidas na deterioração e quais os parâmetros que controlam essas reacções especificar Seleccionar as medidas de protecção que controlem ou evitem os mecanismos de deterioração REQUISITOS DE DURABILIDADE

90 Nível de deterioração Enquadramento Desenvolvimento da deterioração no tempo despassivação 2 fendilhação 3 delaminação 4 rotura 2 1 iniciação t i propagação t p tempo Vida útil t L = t i + t p

91 CARBONATAÇÃO CO 2 CO 2 PARÂMETROS PRINCIPAIS C Qualidade da camada de betão de recobrimento Este parâmetro determina a resistência do betão à penetração do CO 2 A qualidade do recobrimento é função da composição, compactação e cura do betão Ambiente de exposição Este parâmetro determina o teor de humidade do betão e o teor de CO 2 do ar em contacto com o betão. Estes factores influenciam significativamente a velocidade de carbonatação do betão

92 Composição do betão Razão água-cimento Este parâmetro controla a dimensão e continuidade da estrutura porosa do betão A velocidade de carbonatação é fortemente influenciada pela razão A/C

93 Composição do betão Quantidade de cimento Este parâmetro determina a quantidade de substâncias carbonatáveis do betão Maior quantidade Maior quantidade Menor velocidade de cimento de Ca(OH) 2 de carbonatação

94 Composição do betão Adições Efeitos Redução da estrutura porosa positivo Redução da quantidade de Ca(OH) 2 negativo Limitar a quantidade de adições Efectuar uma cura adequada do betão As adições devem ser encaradas como um produto a adicionar ao betão e não como um substituto do cimento

95 Condições de exposição Determinam o teor de humidade do betão de recobrimento A difusão do CO 2 na água é cerca de 10 4 vezes menor que no ar É necessário uma certa quantidade de água para que se desenvolva a reacção de carbonatação A velocidade de carbonatação é máxima em ambientes com humidades relativas de 50-70%

96 Condições de exposição Elementos sujeitos a ambientes interiores a velocidade de carbonatação é máxima Elementos enterrados ou submersos a carbonatação tem pouco significado Elementos em ambientes exteriores com chuva a velocidade de carbonatação é baixa Elementos em ambientes exteriores protegidos a velocidade de carbonatação é mais elevada Determinam o teor de CO 2 no ar em contacto com o betão Ambientes rurais 0.03% Ambientes urbanos 0.1% Ambientes industriais Zonas densamente povoadas % Zonas com tráfego intenso até 1% > Teor de CO 2 > Velocidade de carbonatação

97 CLORETOS Cl - Cl - PARÂMETROS PRINCIPAIS C Qualidade da camada de betão de recobrimento Este parâmetro determina a resistência do betão à penetração de cloretos A qualidade do recobrimento é função da composição, compactação e cura do betão Ambiente de exposição Este parâmetro determina os tipos de mecanismos de transporte que vão actuar no betão Estes mecanismos influenciam significativamente a velocidade de penetração de cloretos

98 Composição do betão Razão água-cimento Este parâmetro controla a dimensão e continuidade da estrutura porosa do betão Acção importante na limitação da penetração por absorção e permeação A velocidade de penetração é fortemente influenciada pela razão A/C

99 Composição do betão Quantidade e composição do cimento A quantidade de cimento influencia a fixação dos cloretos no betão. Grosso modo a resistência à penetração é função da raiz quadrada da quantidade de cimento A composição do cimento determina a capacidade de fixação dos cloretos pela pasta de cimento Parâmetro mais importante: Teor em C 3 A > teor em C 3 A < velocidade de penetração Existe a vantagem em utilizar cimentos com elevadas quantidades de C 3 A em ambientes contaminados por cloretos Precauções a tomar: - calor de hidratação - ataque dos sulfatos

100 Composição do betão Adições Conduzem a um refinamento e bloqueamento da estrutura porosa do betão, aumentando a resistência à penetração de cloretos Os ensaios experimentais mostram que a utilização de sílica de fumo, pozolanas, cinzas volantes e escórias de alto forno reduz substancialmente a velocidade de penetração de cloretos. Recomendação: em ambientes contaminados por cloretos utilizar cimentos com adições (cimentos CEM II, III, IV e V) ou misturas de cimentos e adições

101 Condições de exposição Determinam os mecanismos de transporte de cloretos no betão Zona atmosférica absorção + difusão A deposição de cloretos à superfície do betão depende: - distância à orla costeira - rumo do vento - exposição à chuva A carbonatação faz acelerar a penetração de cloretos Zona de rebentação absorção + difusão A penetração depende do ritmo de secagem e molhagem do betão Zona de maré (absorção) + difusão Zona submersa permeação + difusão

102 CORROSÃO PARÂMETROS PRINCIPAIS Resistividade do betão Quantidade de oxigénio ao nível das armaduras

103 Resistividade do betão É influenciada fundamentalmente pelo teor de humidade do betão Outros factores importantes: - qualidade do betão (razão água-cimento) - contaminação por cloretos

104 Acesso de oxigénio às armaduras É influenciado fundamentalmente pelo teor de humidade do betão Outros factores importantes: - qualidade do betão (razão água-cimento) - espessura de recobrimento das armaduras

105 Efeito da humidade na velocidade de corrosão Existe um teor de humidade intermédio para o qual a velocidade de corrosão é máxima Os maiores níveis de deterioração por corrosão de armaduras ocorrem em elementos sujeitos a períodos alternados de molhagem e secagem

106 Efeito da temperatura na velocidade de corrosão A temperatura influencia a velocidade das reacções químicas e a mobilidade dos iões no mecanismo da corrosão Os ensaios confirmam a regra de que a um aumento da temperatura de 10 ºC corresponde uma duplicação da velocidade de corrosão Os climas quentes são mais agressivos relativamente à deterioração por corrosão de armaduras

107 Interacção ambiente-estrutura A velocidade de corrosão é influenciada essencialmente pelo teor de humidade do betão ao nível das armaduras O teor de humidade no interior do betão depende de dois factores: condições ambientais à superfície do betão espessura e qualidade do betão de recobrimento

108 Influência da espessura e da qualidade do betão de recobrimento na humidade relativa ao nível das armaduras a) Velocidade de corrosão baixa b) Velocidade de corrosão elevada c) Velocidade de corrosão elevada

109 Fendilhação Permite o acesso rápido das substâncias agressivas ao nível das armaduras fendas paralelas às armaduras têm grande influência no mecanismo da corrosão despassivação velocidade de corrosão fendas transversais às armaduras têm uma influência importante na despassivação e pouca influência na velocidade de corrosão (W < 0.5 mm) O mecanismo da corrosão é fundamentalmente influenciado pelo processo catódico nas zonas adjacentes às fendas Qualidade do betão

110 SULFATOS Reacção sulfática de origem externa PARÂMETROS PRINCIPAIS Qualidade do betão Este parâmetro determina a resistência do betão à penetração de sulfatos A qualidade do betão é função da composição, compactação e cura Composição do cimento Este parâmetro determina a quantidade de substâncias reactivas no betão (C 3 A) Ambiente de exposição Este parâmetro determina a quantidade de sulfatos em contacto com o betão e os tipos de mecanismos de transporte que vão actuar

111 Medidas de protecção Controlar a permeabilidade do betão Três tipos Controlar a quantidade de substâncias reactivas Impermeabilizar o betão Permeabilidade - Utilizar razões água-cimento baixas e dosagens de cimento adequadas - Utilizar adições activas pozolanas, cinzas volantes, sílica de fumo e escórias de alto forno Substâncias reactivas - Utilizar cimentos com baixo teor em C 3 A - Utilizar adições activas para reduzir a quantidade de hidróxido de cálcio as adições têm um duplo efeito na protecção do betão Revestimentos superficiais - Em ambientes muito contaminados é conveniente impermeabilizar o betão para evitar o contacto com os sulfatos

112 Medidas de protecção Reacção sulfática de origem interna Controlar a temperatura máxima no betão nas primeiras idades: T 65ºC Controlar o teor de álcalis do betão e de aluminatos e sulfatos do ligante: Na 2 O equiv < 3 kg/m 3 ; SO 3 3.5% se C 3 A 3% SO 3 2.5% se C 3 A 5% Controlar a humidade e manter o betão num estado relativamente seco: revestimentos de impermeabilização Controlar o teor de hidróxido de cálcio: utilização de adições do tipo II

113 ÁLCALIS PARÂMETROS PRINCIPAIS Composição do betão Este parâmetro determina a resistência à difusão do álcalis no interior do betão e a quantidade de agregados reactivos Composição do cimento Este parâmetro determina o teor em álcalis do betão Ambiente de exposição Este parâmetro determina a humidade do betão

114 Medidas de protecção Evitar a utilização de agregados reactivos - avaliação da reactividade aos álcalis Especificação LNEC E 415 Limitar o teor em álcalis no cimento - cimentos com baixo teor em álcalis: Na 2 O equiv < 0.6% Limitar o teor em álcalis no betão - Na 2 O equiv < 3 kg/m 3 Betões com baixa permeabilidade - controlo da penetração de água e do movimento de álcalis no interior do betão - utilizar adições activas para reduzir a permeabilidade do betão e o teor em hidróxido de cálcio da pasta de cimento Revestimentos superficiais para o betão - para humidades relativas inferiores a 80% não ocorre expansão significativa

115 Prevenção das Reacções Expansivas Internas

116 Medidas de protecção adicional Revestimentos superficiais para betão Prevenção catódica

117 Medidas de protecção adicional Aço inox Progresso Pier (Golfo do México, 1940) Exemplo de uma ponte de betão armado em meio muito agressivo, que mantém uma grande durabilidade e em que foi adoptado aço inox

118 Medidas de protecção adicional Aço inox Ponte localizada no Golfo do México Ponte executada com aço carbono 32 anos Ponte executada com aço inox (AISI 304) 60 anos (sem manutenção) Teor de cloretos ao nível das armaduras chega a atingir 20 vezes o teor crítico relativo a armaduras correntes

119 Medidas de protecção adicional Aço inox

120 Enquadramento Normativo ESTRUTURAS DE BETÃO Projecto de Estruturas de Betão NP EN 1992 BETÃO NP EN Execução de Estruturas de Betão NP NP EN 197 cimento NP EN 450 cinzas volantes NP EN sílica de fumo NP EN adjuvantes NP EN agregados NP EN agregados leves NP EN 1008 água de amassadura NP EN ensaios de betão fresco NP EN ensaios de betão endurecido Durabilidade Esp LNEC E 461 Esp LNEC E 464 Esp LNEC E 465. NP EN pigmentos

121 ESPECIFICAÇÃO DA DURABILIDADE 2 métodos: Metodologia prescritiva com base em requisitos de composição e recobrimento de armaduras Metodologia baseada em propriedades de desempenho do betão modelação dos mecanismos de deterioração considerando a variabilidade dos parâmetros em causa (análise probabilística)

122 Classes de exposição ambiental (LNEC E464) Quadro 1 Sem risco de corrosão ou ataque Classe Descrição do ambiente Exemplos informativos X0 Para betão sem armaduras: Todas as exposições, excepto ao gelo/degelo, abrasão ou ao ataque químico Betão enterrado em solo não agressivo. Betão permanentemente submerso em água não agressiva. Betão com ciclos de molhagem/secagem não sujeito a abrasão, gelo/degelo ou ataque químico. Para betão armado: muito seco Betão armado em ambiente muito seco. Betão no interior de edifícios com muito baixa humidade do ar. Quadro 2 Corrosão induzida por carbonatação Classe Descrição do ambiente Exemplos informativos XC1 Seco ou permanentemente húmido Betão armado no interior de edifícios ou estruturas, com excepção das áreas com humidade elevada. Betão armado permanentemente submerso em água não agressiva. XC2 Húmido, raramente seco Betão armado enterrado em solo não agressivo. Betão armado sujeito a longos períodos de contacto com água não agressiva. XC3 Moderadamente húmido Superfícies exteriores de betão armado protegidas da chuva transportada pelo vento. Betão armado no interior de estruturas com moderada ou elevada humidade do ar (v.g., cozinhas, casas de banho). XC4 Ciclicamente húmido e seco Betão armado exposto a ciclos de molhagem/secagem. Superfícies exteriores de betão armado expostas à chuva ou fora do âmbito da XC2

123 Classes de exposição ambiental Quadro 3 Corrosão induzida por cloretos não provenientes da água do mar Classe Descrição do ambiente Exemplos informativos XD1 Moderadamente húmido Betão armado em partes de pontes afastadas da acção directa dos sais descongelantes, mas expostas a cloretos transportados pelo ar. XD2 Húmido, raramente seco Betão armado completamente imerso em água contendo cloretos; piscinas. XD3 Ciclicamente húmido e seco Betão armado directamente afectado pelos sais descongelantes ou pelos salpicos de água contendo cloretos (1). Betão armado em que uma das superfícies está imersa em água contendo cloretos e a outra exposta ao ar (v.g., algumas piscinas ou partes delas). Lajes de parques de estacionamento de automóveis (2) e outros pavimentos expostos a sais contendo cloretos. (1) No nosso país estas situações deverão ser consideradas na classe XD1; (2) Idem, se relevante Quadro 4 Corrosão induzida por cloretos da água do mar Classe Descrição do ambiente Exemplos informativos XS1 Ar transportando sais marinhos mas sem contacto directo com água do mar Betão armado em ambiente marítimo saturado de sais. Betão armado em áreas costeiras perto do mar, directamente exposto e a menos de 200 m do mar; esta distância pode ser aumentada até 1 km nas costas planas e foz de rios. XS2 Submersão permanente Betão armado permanentemente submerso. XS3 Zona de marés, de rebentação e de salpicos Betão armado sujeito às marés ou aos salpicos, desde 10 m acima do nível superior das marés (5 m na costa Sul de Portugal Continental) até 1 m abaixo do nível inferior das marés. Betão armado em que uma das superfícies está imersa em água do mar e a outra exposta ao ar (v.g., túneis submersos ou abertos em rocha ou solos permeáveis no mar ou em estuário de rios). Esta exposição exigirá muito provavelmente medidas de protecção suplementares.

124 Classes de exposição ambiental Quadro 5 Ataque pelo gelo/degelo Classe Descrição do ambiente Exemplos informativos XF1 Moderado número de ciclos de gelo/degelo, sem produtos descongelantes Betão em superfícies verticais expostas à chuva e ao gelo. Betão em superfícies não verticais mas expostas à chuva ou gelo. XF2 Moderado número de ciclos de gelo/degelo, com produtos descongelantes Betão, tal como nas pontes, classificável como XF1, mas exposto aos sais descongelantes directa ou indirectamente. 6. Ataque químico XA1 XA2 XA3 Ambiente químico ligeiramente agressivo, de acordo com a EN 206-1, Quadro 2 Ambiente químico moderadamente agressivo, de acordo com a EN 206-1, Quadro 2 Ambiente químico altamente agressivo, de acordo com a EN 206-1, Quadro 2 Terrenos naturais e água no terreno Terrenos naturais e água no terreno Terrenos naturais e água no terreno

125 Classes de exposição ambiental Caracterização química Classes de exposição Água no solo XA1 pouco agressivas XA2 moderadamente agressivas XA3 muito agressivas SO 2-4 mg/l 200 e 600 > 600 e 3000 > 3000 e 6000 ph 6.5 e 5.5 < 5.5 e 4.5 < 4.5 e 4.0 CO 2 agressivo mg/l 15 e 40 > 40 e 100 > 100 até à saturação NH + 4 mg/l 15 e 30 > 30 e 60 > 60 e 100 Mg 2+ mg/l 300 e 1000 > 1000 e 3000 > 3000 até à saturação Solos SO 2-4 mg/kgª ) total 2000 e 3000 (b) > 3000 b) e > e Acidez ml/kg > 200 Baumann Gully Não encontrado na prática a) Os solos argilosos com uma permeabilidade abaixo de 10-5 m/s podem ser colocados numa classe mais baixa b) O limite de 3000 mg/kg deve ser reduzido para 2000 mg/kg, caso exista risco de acumulação de iões sulfato no betão devido a ciclos de secagem e molhagem ou à absorção capilar.

126 Classes de exposição ambiental Exemplo: Ponte localizada num estuário CORTE TIPO XC3/XS1 XC4/XS1 XC4/XS3 XC4/XS3/XA1 XC2/XS2/XA1

127 Metodologia prescritiva Prescrições relativas ao recobrimento, composição e classe de resistência do betão - Vida útil de 50 anos- Quadro 6 Limites da composição e da classe de resistência do betão sob acção do dióxido de carbono, para uma vida útil de 50 anos Tipo de cimento CEM I (Referência); CEM II/A (1) CEM II/B (1) ; CEM III/A (2) ; CEM IV (2) ; CEM V/A (2) Classe de exposição XC1 XC2 XC3 XC4 XC1 XC2 XC3 XC4 Mínimo recobrimento nominal (mm) * Máxima razão água/cimento Mínima dosagem de cimento, C (kg/m 3 ) 0,65 0,65 0,60 0,60 0,65 0,65 0,55 0, Mínima classe de resistência C25/30 LC25/28 C25/30 LC25/28 C30/37 LC30/33 C30/37 LC30/33 C25/30 LC25/28 C25/30 LC25/28 C30/37 LC30/33 C30/37 LC30/33 (1) Não aplicável aos cimentos II/A-T e II/A-W e aos cimentos II/B-T e II/B-W, respectivamente. (2) Não aplicável aos cimentos com percentagem inferior a 50% de clínquer portland, em massa.

128 Metodologia prescritiva Quadro 7 Limites da composição e da classe de resistência do betão sob acção dos cloretos, para uma vida útil de 50 anos Tipo de cimento CEM IV/A (Referência); CEM IV/B; CEM III/A; CEM III/B; CEM V; CEM II/B (1) ; CEM II/A-D CEM I; CEM II/A (1) Classe de exposição XS1/ XD1 XS2/ XD2 XS3/ XD3 XS1/ XD1 XS2/ XD2 XS3/ XD3 Mínimo recobrimento nominal (mm)* Máxima razão água/cimento Mínima dosagem de cimento, C (kg/m 3 ) Mínima classe de resistência 0,55 0,55 0,45 0,45 0,45 0, C30/37 LC30/33 C30/37 LC30/33 (1) Não aplicável aos cimentos II-T, II-W, II/B-L e II/B-LL. C35/45 LC35/38 C40/50 LC40/44 C40/50 LC40/44 C50/60 LC50/55 O tipo de cimento apresenta uma influência significativa nos requisitos de composição e resistência

129 Metodologia prescritiva Quadro 9 Limites da composição e da classe de resistência à compressão do betão sob ataque químico, para uma vida útil de 50 anos Tipo de cimento CEM IV/A (Referência); CEM IV/B; CEM III/A; CEM III/B; CEM V; CEM II/B (1) ; CEM II/A-D CEM I; CEM II/A (1) Classe de exposição XA1 XA2 (2) XA3 (2) XA1 XA2 (2) XA3 (2) Máxima razão água/cimento 0,55 0,50 0,45 0,50 0,45 0,45 Mínima dosagem de cimento, C (kg/m 3 ) Mínima classe de resistência C30/37 LC30/33 C35/45 LC35/38 C35/45 LC35/38 C35/45 LC35/38 C40/50 LC40/44 C40/50 LC40/44 (1) Não aplicável aos cimentos II-T, II-W, II/B-L e II/B-LL. (2) Quando a agressividade resultar da presença de sulfatos, os cimentos devem satisfazer os requisitos mencionados na secção 5, nomeadamente no Quadro 10, aplicando-se ao betão as exigências estabelecidas neste quadro para o CEM IV. Se na composição do betão forem utilizadas adições os termos dosagem de cimento e razão água-cimento devem ser substituídos por dosagem de ligante e razão águaligante A dosagem de cimento indicada nos quadros referem-se a betões com com D máx 32 mm Para outros valores de D máx tem-se: 12.5 D máx < 20mm: C 20/12.5 = 1.10 C 4 < D máx <12.5 mm: C 12.5/4 = 1.23 C

130 Metodologia prescritiva - Vida útil de 100 anos - Alterações dos requisitos dos quadros 6 e 7: Classes XC; XD e XS o recobrimento nominal é aumentado de 10 mm Classes XF e XA razão A/C é diminuída de 0.05 C é aumentada de 20 kg/m 3 classe de resistência é aumentada de 2 classes

131 Nos casos de não satisfação dos requisitos definidos nos quadros 6 e 7 da E 464 há que recorrer às seguintes metodologias: Conceito de desempenho equivalente - composição não respeitando os limites indicados - utilização de outros cimentos que não os indicados Métodos baseados no desempenho - recobrimentos menores que os mínimos indicados - recobrimentos maiores que os indicados e composições com menores exigências - períodos de vida útil diferentes de 50 e 100 anos

132 DURABILIDADE Metodologias de desempenho Especificação LNEC E465 Metodologia para estimar as propriedades de desempenho que permitem satisfazer a vida útil de projecto de estruturas de betão armado ou préesforçado sob as exposições ambientais XC e XS

133 Nível de deterioração Enquadramento Desenvolvimento da deterioração no tempo despassivação 2 fendilhação 3 delaminação 4 rotura 2 1 iniciação t i propagação t p tempo Vida útil t L = t i + t p

134 Vida útil Categorias de vida útil na EN 1990 Vida útil pretendida Exemplos Categoria t g (anos) 1 10 Estruturas temporárias 2 10 a 25 Partes estruturais substituíveis 3 15 a 30 Estruturas para a agricultura e semelhantes 4 50 Edifícios e outras estruturas comuns (v.g., hospitais, escolas) Edifícios monumentais, pontes e outras estruturas de engenharia civil As diferentes partes de uma estrutura podem ter diferentes vidas úteis

135 R; S Dada a aleatoriedade dos processos de deterioração a avaliação da vida útil deve ser realizada com base numa análise probabilística, tal como acontece no projecto de estruturas para as acções mecânicas. 2 tipos de abordagem: R(t) S R Service period design p f p f = P{[R(t)- S(t)<0]} T < p alvo S(t) p alvo nível aceitável da probabilidade de falha S(t) efeito da acção R(t) - resistência T L T g p f f (T L ) Tempo Lifetime design T Lmédio p f = 0,5 p f = P(T L <T g ) < p alvo T L vida útil T g vida útil pretendida

136 A análise probabilística pode ser realizada com base no Índice de Fiabilidade β p f = P(T L <T g ) = P(Z<0) T L = Ф(-β) em que Z(t) = R(t) S(t) No caso das funções S(t) e R(t) terem distribuições normais β = (μ R -μ S ) / (σ 2 R + σ 2 S) 0.5 = (μ R -μ S ) / σ Z β.σ(z) = μ R -μ S p f β.σ(z) = μ Z f Z

137 Nível de deterioração Nível de deterioração Índice de fiabilidade Relação entre a probabilidade de rotura e o índice de fiabilidade para um período de referência de 50 anos p r β despassivação fendilhação delaminação rotura 2 1 o o o o ~ 1.5 ~ 3.8 tempo

138 Nível de deterioração O cálculo da vida útil é realizado com base em estados limites: Estado limite de despassivação das armaduras Estado limite de fendilhação Estado limite de delaminação Estado limite último Para definição da vida útil a Esp LNEC E465 estabelece apenas o estado limite de utilização definido como início da fendilhação do betão de recobrimento por corrosão de armaduras despassivação fendilhação delaminação rotura 2 1 t i t p tempo t L

139 Metodologia adoptada pela E 465 Garantir que: t L t g > 0 t L vida útil avaliada através de modelos de desempenho t g vida útil pretendida Análise semi-probabilística considerar um factor de segurança da vida útil Esta metodologia permite: Calcular de forma determinística as propriedades de desempenho para vida útil de cálculo: t d = t g de modo a satisfazer a condição t L t g > 0 com uma abordagem probabilística.

140 Factores de segurança / Índices de fiabilidade Mínimos índices de fiabilidade Classes de fiabilidade RC3 RC2 RC1 2,0 1,5 1,2 probabilidade 2,3 * ,7 * * 10-2 Factores de segurança da vida útil Classes de fiabilidade Factor para o Estado Limite de Utilização RC3 2,8 RC2 2,3 RC1 2,0

141 Modelação da deterioração Objectivo: Especificar propriedades de desempenho para o betão de modo a que t L > t d t L = t i + t p t L vida útil avaliada através de modelos de desempenho Necessário: Modelar a fase de iniciação: Período de tempo até que a frente de Carbonatação ou o teor crítico de Cloretos atinja o nível das armaduras Modelar a fase de propagação: Período de tempo até o nível de corrosão causar a fendilhação do betão de recobrimento

142 Modelos de cálculo para o Período de Iniciação CARBONATAÇÃO Modelo 1 Objectivo: Definir a resistência à carbonatação do betão de modo a que ao fim do período de iniciação t i a profundidade de carbonatação seja no máximo igual ao recobrimento X 2* D* c * t * K a 2* D* c * t * a t k0* k1* k2 t 0 n onde: X - profundidade de carbonatação (m) D coeficiente de difusão do CO 2 no betão carbonatado (65% HR; 20 ºC) c =0,0007kg/m 3 (concentração do CO 2 no ar) a= consumo de CO 2, função do tipo e dosagem de cimento (quantidade de CO 2 necessário para carbonatar uma unidade de volume de betão) K0 factor igual a 3 quando ensaio de carbonatação é realizado segundo a esp LNEC E 391 K1 factor dependente da HR do betão K2 factor dependente da cura do betão n factor dependente da molhagem/secagem ao longo do tempo (<0,3) t 0 período de referência (1 ano)

143 Considerando que a resistência à carbonatação R C65 pode ser medida pela seguinte relação: R C a D 65 (kg.ano/m 5 ) Introduzindo esta relação na expressão anterior vem: X 2 0,0007 t R C65 t k0* k1 k2 t 0 n R 1,4*10 R t 3 i C65 k0* k1 k2 2 t t 0 i 2n Valor da resistência à carbonatação a exigir ao betão A medição de R C65 é feita no ensaio acelerado (LNEC E391) R C65 2 c X acel 2 1 t 1 C acel concentração de CO 2 na câmara de carbonatação (90 x 10-3 kg/m 3 5% CO 2 )

144 ACÇÃO DOS CLORETOS Modelo base Objectivo: Definir a resistência à penetração de cloretos do betão de modo a que ao fim do período de iniciação t i a profundidade do teor critico seja no máximo igual ao recobrimento C( x, t) C S 1 erf 2 X Dt D é o coeficiente de difusão dos cloretos no betão, em m 2 /s; C (x, t) é a concentração dos cloretos, à profundidade x (m) após decorrido o tempo t (s) C S é a concentração dos cloretos, em % da massa de ligante, na superfície do betão (X=0) erf é a função erro: erf (z)=w D 2 X 2 4 t com: erf C 1 S C( x, t) C S A despassivação das armaduras ocorre para uma concentração de cloretos ao nível das armaduras C (x, t) = C(R,t i ) = C R (teor critico de cloretos) R recobrimento das armaduras

145 Teor crítico de cloretos C R (% em massa do cimento) Água/cimento XS1; XS2 XS3 a/c 0,30 0,6 0,5 0,30 < a/c 0,40 0,5 0,4 a/c >0,40 0,4 0,3 A concentração superficial C s é dada por: C s Cb ka/ c k vert k hor k temp C b =3,0% nas classes XS2 e XS3 e C b =2,0% na XS1 K a/c = 2,5 * (a/c), sendo a/c a razão água/ligante K temp, referente ao betão, tem os seguintes valores: 0 ºC 10 ºC 15ºC 20 ºC 25ºC 30 ºC 35ºC 2,2 1,5 1,2 1,0 0,8 0,7 0,6 k vert e k hor têm os valores indicados no quadro: Classe de exposição k vert XS1 0,7 XS2 1 a 1m de profundidade 1,4 a 24 m de profundidade* XS3 1,0 Distância à linha de costa** K hor Km* 0,6

146 O coeficiente de difusão D 0 a exigir ao betão é dado por: D a (t) = D a (t 0 ) * (t 0 /t) n = k D,c * k D,RH * k D,T * D 0 * (t 0 /t) n k D,c é um factor que tem em conta a influência das condições de cura; k D,RH é um factor que tem em conta a influência da humidade relativa do ambiente; k D,T é um factor que tem em conta a influência da temperatura; D 0 é o coeficiente de difusão potencial (m 2 /s), determinado em laboratório de acordo com a Especificação LNEC E 463, com o betão na idade de referência t 0 =28 dias; n é um factor que tem em conta o decréscimo de ingresso dos cloretos ao longo do tempo. Número de dias de cura k D,c normalizada 2,4 em contacto permanente com água Cofragem de permeabilidade controlada e 3 dias de cura húmida Classes de exposição CEM I / II* n 0,75 1,0 CEM III / IV XS1 0,55 0,65 XS2 0,45 0,55 XS3 0,55 0,65 * Excepto CEM II-W, II-T, II/B-L e II/B-LL Classes de exposição K D,RH XS1 0,4 XS3 1,0 XS2 1,0 Temperatura do betão (ºC) K D,T 30 ºC 1,5 25 ºC 1,2 20 ºC 1,0 15 ºC 0,8 10 ºC 0,75 0 ºC 0,4

147 Modelo de cálculo para o Período de Propagação O modelo recorre: - lei de Faraday x 0,0115I cor t p x (mm) é a redução de raio provocada pela intensidade da corrente de corrosão I corr ( A/cm 2 ) durante o tempo de propagação da corrosão t p (anos) - à expressão experimental de estima da redução de raio, x, que provoca a iniciação da fissuração: x = 10-3 * (74,5 + 7,3R/ 0 17,4 f cd ) R é o recobrimento (mm); f cd é a resistência à compressão diametral do betão, com o valor 2 e 2,5 MPa nos betões para a carbonatação e 3 e 4 MPa nos betões para os cloretos. 0 diâmetro inicial das armaduras - à consideração da diferente influência na corrosão da carbonatação e da acção dos cloretos 0 - = x = 2 quando a corrosão é uniforme, caso da corrosão por carbonatação 10 quando a corrosão é por picadas, caso da corrosão por cloretos

148 - à consideração dos níveis de corrosão expectáveis nas classes de exposição XC e XS em função dos teores de humidade nos poros do betão Classes de exposição e níveis de corrosão das armaduras XC1 XC2 XC3 XC4 XS1 XS2 XS3 Despr Baixo Despr. Baixo/ Moder. Moder. Despr Elevado Níveis de corrosão Intensidade da corrente de corrosão ( A/cm 2 ) < 0,1 0,1-0,5 0,5-1 >1 Nível de corrosão desprezável baixo moderado elevado Período de propagação: t p = k 0 / (1,15 I corr ) com: k = 0,1*(74,5 + 7,3 R/ 0 17,4 f cd ) /( 0 /2)

149 Exemplo: Fendilhação cálculo do t p Perda de raio que provoca o início da fendilhação: x = 10-3 * (74,5 + 7,3R/ 0 17,4 f cd ) R recobrimento [mm] Ф 0 diâmetro do varão [mm] f cd resistência à compressão diametral do betão [MPa] R = 30 mm Ф 0 = 20 mm f cd = 2.5 MPa x = 42 μm I corr = 0.1 μ A/cm 2 t p = 37 anos I corr = 1 μ A/cm 2 t p = 3.7 anos I corr = 10 μ A/cm 2 t p = 0.37 anos

150 Cálculo das propriedades de desempenho do betão Síntese: Definir previamente: Período de vida útil pretendido t g Classe de fiabilidade da estrutura ou do elemento estrutural: RC1//RC2/RC3 Classes de exposição a que cada elemento estrutural está sujeito: XC1 a XC4 ou XS1 a XS3 Recobrimento mínimo a adoptar em cada elemento estrutural Seguidamente calcular: O período de propagação t p t p = k 0 / (1,15 I corr ) O período de iniciação de cálculo t ic = (t g t p ). As propriedades do betão relacionadas com a durabilidade resistência à carbonatação R C65 e coeficiente de difusão aos cloretos D 0 com base nos modelos de deterioração.

151 EXEMPLO Ponte localizada no estuário de um rio Período de vida útil pretendido 120 anos CORTE TIPO XC4/XS1 XC4/XS3 XC4/XS3/XA1 XC2/XS2/XA1 Cálculo das propriedades de desempenho do betão para os elementos estruturais sujeitos à classe de exposição XS3

152 Classe de fiabilidade da estrutura RC3 Classe de exposição XS3 Recobrimento mínimo 50mm Recobrimento nominal 60mm Betão: cimento tipo IV; razão A/C : 0.35 Cálculo do período de iniciação: t ic = (t g t p ). Factores de segurança da vida útil Classes de fiabilidade Factor para o Estado Limite de Utilização RC3 2,8 RC2 2,3 RC1 2,0

153 Período de propagação: t p = k 0 / (1,15 I corr ) k = 0,1*(74,5 + 7,3 R/ 0 17,4 f cd ) /( 0 /2) R = 50mm 0 = 12 mm f cd = 4 MPa = 8 I corr = 5 μa/cm 2 t p = 0.38 anos t ic = t g t ic = 2.8 x 120 = 336 anos

154 Modelo de cálculo C( x, t) C S 1 erf 2 X Dt O período de iniciação t i é atingido quando o teor de cloretos ao nível das armaduras atingir o teor crítico: C (x, t) = C(R,t i ) = C R (teor crítico de cloretos) C R (% em massa do cimento) Água/cimento XS1; XS2 XS3 a/c 0,30 0,6 0,5 0,30 < a/c 0,40 0,5 0,4 a/c >0,40 0,4 0,3

155 Teor de cloretos à superfície C s : C s K temp Cb ka/ c kvert khor ktemp 0 ºC 10 ºC 15ºC 20 ºC 25ºC 30 ºC 35ºC 2,2 1,5 1,2 1,0 0,8 0,7 0,6 C b =3,0% nas classes XS2 e XS3 K a/c = 2,5 * (a/c) K a/c = 2,5 x 0.35 = Classe de exposição k vert XS1 0,7 XS2 1 a 1m de profundidade 1,4 a 24 m de profundidade* XS3 1,0 C s = 2.625% Distância à linha de costa** K hor Km* 0,6 C( x, t) C S 1 erf 2 X Dt erf * D D = 1.67 mm 2 /ano

156 Cálculo do coeficiente de difusão D 0 (LNEC E 463) a exigir ao betão de modo a garantir o período de vida de 120 anos para a estrutura D a (t) = D a (t 0 ) * (t 0 /t) n = k D,c * k D,RH * k D,T * D 0 * (t 0 /t) n Número de dias de cura k D,c normalizada 2,4 em contacto permanente com água Cofragem de permeabilidade controlada e 3 dias de cura húmida Classes de exposição CEM I / II* n 0,75 1,0 CEM III / IV XS1 0,55 0,65 XS2 0,45 0,55 XS3 0,55 0,65 * Excepto CEM II-W, II-T, II/B-L e II/B-LL Classes de exposição K D,RH XS1 0,4 XS3 1,0 XS2 1,0 Temperatura do betão (ºC) K D,T 30 ºC 1,5 25 ºC 1,2 20 ºC 1,0 15 ºC 0,8 10 ºC 0,75 0 ºC 0,4 D 0 = 162 mm 2 /ano = 5.1x10-12 m 2 /s