APLICAÇÃO DE SOLUÇÕES ALCALINAS PARA REALCALINIZAÇÃO DE CONCRETOS CARBONATADOS: UMA ALTERNATIVA PARA PONTES DE CONCRETO ARMADO

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1 APLICAÇÃO DE SOLUÇÕES ALCALINAS PARA REALCALINIZAÇÃO DE CONCRETOS CARBONATADOS: UMA ALTERNATIVA PARA PONTES DE CONCRETO ARMADO REUS G C 1 ; BECKER A C C 2 ; RAISDORFER J 3 ; SOUZA D J 4 ; CEZARIO H C 5 ; LENCZUK B S T 6 ;NIKKEL S 7 ; RODRIGUES D S 8; MEDEIROS M H F 9 1 Engenheira Civil, mestranda. Universidade Federal do Paraná. (gio_reus@yahoo.com.br) 2 Graduanda em engenharia civil. Universidade Federal do Paraná. (anacccbecker@gmail.com) 3 Engenheiro Civil, mestrando. Universidade Federal do Paraná. (janderwr@gmail.com) 4 Engenheiro Civil, mestrando. Universidade Federal do Paraná. (diegojesusdesouza@hotmail.com) 5 Graduanda em engenharia civil. Universidade Federal do Paraná. (helo.cezario@gmail.com) 6 Graduanda em engenharia civil. Universidade Federal do Paraná. (brunatibes@hotmail.com) 7 Graduando em engenharia civil. Universidade Federal do Paraná. (silverclash@gmail.com) 8 Graduando em engenharia civil. Universidade Federal do Paraná. (dansiriaki@gmail.com) 9 Prof. Doutor em Engenharia Civil. Universidade Federal do Paraná. (medeiros.ufpr@gmail.com)

2 RESUMO A corrosão é um mecanismo de degradação que ocorre com maior frequência no concreto armado, sendo a carbonatação um dos principais agentes iniciadores deste mecanismo de degradação. A realcalinização pode ser descrita como o processo inverso da carbonatação, ou seja, visa elevar o ph do concreto e repassivar as armaduras contidas em seu interior.o presente estudo tem por objetivo a análise da aplicação de três soluções aquosas em corpos de prova (CPs) de concretos carbonatados. Para tanto, foram confeccionados corpos de prova padrão, que foram levados à câmara de carbonatação. Posteriormente, estes foram submetidos à realcalinização através da aplicação de três soluções alcalinas. Foi verificado se as amostras estavam secas e devidamente limpas. As soluções de carbonato de sódio (Na 2CO 3), hidróxido de sódio (NaOH) e hidróxido de potássio (KOH), foram aplicadas de quatro maneiras distinta. Os métodos de aplicação foram, aplicação diretamente sobre o concreto em cinco demãos com o auxílio de um pincel, aspersão por 1 dia, aspersão por 3 dias e imersão dos corpos de prova em solução.por fim, com o objetivo de averiguar a eficiência do processo de realcalinização, os CPs foram novamente e sofreram aspersão de uma solução de fenolftaleína para verificação das regiões ainda carbonatadas. Tanto a solução de carbonato de sódio quanto a aplicação com o pincel se mostraram ineficientes. A solução de hidróxido de potássio por imersão resultou na realcalinização de toda a camada carbonatada, sendo o resultado mais eficiente. Palavras-chave: realcalinização, carbonatação, corrosão de armaduras, solução alcalina, pontes. ABSTRACT Corrosion is a degradation mechanism which occurs more frequently in steel concrete structures, and carbonation is one of the main initiators of this mechanism. Realkalisation can be described as the inverse process of carbonation, i.e., it increases the concrete s ph andrepassivate the steel. This study aims to analyze the application of three solutions in test samples of carbonated concrete. For this purpose, standard specimenswere taken to a carbonation chamber. Subsequently, three alkaline solutions were applied to the specimens. The samples were dried and thoroughly cleaned. Sodium carbonate solution (Na 2CO 3), sodium hydroxide (NaOH) and potassium hydroxide (KOH) were applied in four different forms. The application methods were: directly to the concrete in five coats with a paint brush; aspersion for one day;aspersion for 3 days; and immersion of the samples in the solution. Finally, to test the realkalisation process efficiency, the samples were fractured anda phenolphthalein solution was sprinkled to verify the areasthat were still carbonated. Both, sodium carbonate solution and the coating applied with a paint brush were inefficient. The most efficient result was the immersion of the samples in a potassium hydroxide solution, which resulted in realkalisation of all carbonated coats. Keywords: realkalisation, carbonation, corrosion, alkaline solution, bridges. INTRODUÇÃO A corrosão das armaduras é um mecanismo de degradação muito frequente em estruturas de concreto armado, bem como em estruturas de grande porte, como pontes e viadutos. Helene (1992) cita as manifestações patológicas típicas em pontes e viadutos, dentre elas a corrosão se mostra um problema típico nesse tipo de estrutura. A elevada alcalinidade é um fator de proteçãodas armaduras, que são envoltas em uma película passivadora que as protege. Quando a alcalinidade do concreto é reduzida, esta película pode ser

3 quebrada e a corrosão tem seu início. A carbonatação é um mecanismo de degradação que diminui o ph do concreto, já a realcalinização é um tratamento que visa reverter a diminuição do ph em função da carbonatação. A realcalinização é um dos poucos métodos de tratamento de estruturas que possibilita a reabilitação de forma não destrutiva de estruturas de concreto armado acometidas da corrosão. Este método pode ser realizado de forma química ou eletroquímica. O método eletroquímico apesar de ter obtido resultados eficientes, se mostrou um método trabalhoso, devido a necessidade de mão de obra especializada além de equipamentos sofisticados. Neste contexto, a realcalinização química ainda é um método pouco estudado, porém se mostra um método interessante, pois pode ser de simples aplicação. Porém, o desafio principal é desenvolver o método de aplicação e a solução mais adequados para o sucesso deste tipo de método de recuperação de estruturas de concreto armado. Desse modo, este artigo está focado na realcalinização química (RAQ), com diferentes técnicas de execução e diferentes soluções alcalinas. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Para que o processo de realcalinização seja compreendido, é necessário que se entenda os processos de corrosão, passivação das armaduras e carbonatação. Corrosão O concreto é uma material alcalino, que tem seu ph variando ente 12,5 e 13,5. Esta elevada alcalinidade é responsável pela formação de uma película fina e aderente ao aço que o protege da corrosão. Esta película é denominada película de passivação. Sua formação ocorre por meio da reação química entre o íon ferro do aço e a portlandita (hidróxido de cálcio) presente na fase líquida dos poros do concreto(helene, 1986). A portlandita é o elemento que atribui o elevado ph do concreto. Segundo Metha e Monteiro(2008), quando o ph do concreto passa a ser menor que 11,5, a película passivadora é destruída, o que propicia o início da corrosão. A corrosão eletroquímica ocorre quando há diferença na concentração de íons dissolvidos no interior do concreto, criando células de potenciais eletroquímicos. A água age como condutor elétrico entre o cátodo e o ânodo, pois contém íons que transportam a corrente elétrica. O cátodo e o ânodo são regiões diferentes da mesma armadura, onde a região com perda de seção é a região anódica, pois os elétrons migram do ânodo para o cátodo. O fenômeno da carbonatação, dentre outros, é um fator que pode causar o início da corrosão, pois este mecanismo de degradação diminui o ph do concreto, podendo ocasionar a destruição a camada de proteção das armaduras.

4 Carbonatação A carbonatação é o processo físico-químico entre o CO2 presente na atmosfera e os compostos da pasta de cimento hidratada. Neste processo o dióxido de carbono penetra no interior do concreto por difusão e reage com a água formando ácido carbônico. Numa segunda etapa, o ácido carbônico reage com os elementos alcalinos presente na água do interior dos poros do concreto, ou seja, o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), o hidróxido de sódio (NaOH) e o hidróxido de potássio (KOH), originando elementos menos alcalinos. Realcalinização A realcalinização tem por objetivo a restauração da alcalinidade do concreto e pode ser realizada de forma química ou eletroquímica. A realcalinização eletroquímica é um sistema anódico temporário, onde é instaurado um campo elétrico para a indução do transporte de íons através da migração. Um meio de aplicação deste tratamento é usando uma malha de aço ou titânio utilizada como ânodo, que é imersa em polpa de papel embebida em solução de carbonato de sódio (Na2CO3) ou carbonato de potássio (K2CO3) (BERTOLINI; CARSANA; REDAELLI, 2008). O processo da realcalinização eletroquímica é descrito na Figura 1. Figura 1 Representação esquemática da realcalinização eletroquímica. Fonte: O autor, adaptado de (YEIH; CHANG, 2005) O processo da realcalinização eletroquímica em uma estrutura real é mostrado na Figura 2.

5 Figura 2 Sistema anódico temporário aplicado no pilar de concreto armado.. Fonte: (BERTOLINI; CARSANA; REDAELL, 2008). Na realcalinização eletroquímica o ph é elevado primeiramente ao redor das armaduras e na superfície do concreto.passado algum tempo, regiões realcalinizadas vão aumentando ao ponto em que se encontram no final do tratamento. Este processo é apresentado na Figura 3. Figura 3 Evolução ao longo do tempo da realcalinização eletroquímica. Fonte: a autora, adaptado de(bertolini; CARSANA; REDAELLI, 2008). A realcalinização química ocorre através da absorção e difusão de soluções alcalinas, através da ação capilar e de forças hidráulicas, não necessitando de campo elétrico. Como pode ser observado na figura

6 Portanto a realcalinização ocorre da parte externa da superfície para a parte interna, conforme mostrado na Figura 4. Figura 4 Evolução ao longo do tempo da realcalinização químicas. Fonte: a autora. Em estudos recentes, como Araújo(2004), Moreira(2006), Sá(2006) e Araújo(2009), as soluções utilizadas foram, hidróxido de sódio (NaOH), hidróxido de potássio (KOH), hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), carbonato de sódio (Na2CO3) e uma solução tripla contendo hidróxido de sódio, hidróxido de potássio e carbonato de sódio. Araujo (2004) aplicou a realcalinização química com os corpos de prova imersos, com ciclos de molhagem e secagem, em soluções alcalinas de carbonato de sódio, hidróxido de potássio e uma mistura dessas duas substâncias anteriores com hidróxido de cálcio. O resultado observado foi a realcalinização de 2,5 cm em todos os corpos de prova, sendo o hidróxido de potássio a solução que obteve a realcalinização em menor tempo (686 horas). Sá (2006), dando seguimento ao estudo iniciado por.araújo (2004), examinou a realcalinização em corpos de prova imersos em solução tripla de (KOH, Na2CO3 e Ca(OH)2). O resultados obtido indicou 1,5 cm de profundidade realcalinizada após 5 dias de tratamento. METODOLOGIA Para o presente estudo, foram dosados dois traços variando apenas a quantidade de cinzas volantes. Para cada traço foram moldados 3 corpos de prova cilíndricos de 10cm X 20cm, totalizando 6 corpos de prova. Em um dos traços houve substituição de 10% do cimento por cinzas volantes e no outro foi adicionada 10% de cinza volante em relação ao cimento. Para fins de nomenclatura, os 3 corpos de prova com substituição do cimento pela cinza volante foram chamados de 1.0 CV 10 e os corpos de prova com adição de cinza volante foram chamados de 1.1 CV 10. Na Figura 1 seguem os traços utilizados:

7 Cinzas Volantes (kg) Tabela 1 Dosagem dos corpos de prova Cimento (kg) Areia (kg) Brita (kg) Água (kg) Aditivo (kg) 1.0 CV 10 1,31 11,82 29,55 39,40 6,57 9,19 0,7 1.1 CV 10 1,31 13,13 29,55 39,40 7,22 14,45 1,0 % Os corpos de prova foram adensados com vibrador de agulha de imersão, para evitar diferenças de adensamento causadas pelo trabalhador. As relações água/finos e proporção de agregados foram fixadas e apenas a quantidade de aditivo superplastificante mudou, de modo a manter um slump 10 ± 2cm. A carbonatação dos corpos de prova foi realizada em uma câmara de carbonatação, mostrada na Figura 5. A câmara possui controle da umidade relativa, temperatura e teor de dióxido de carbono. A concentração de CO2 adotada foi de 5 ± 1%, a temperatura foi estabilizada em 40 ± 0,1ºC e a umidade relativa foi controlada em 60 ± 2 %. Ensaios de resistência a compressão foram realizados complementarmente.

8 Figura 5 Câmara de carbonatação (Laboratório de Materiais e Estruturas do Departamento de Construção Civil da UFPR). Após o processo de carbonatação acelerada, foi cortada uma fatia superior de cada corpo de prova com o tamanho aproximado de 1/4 do CP. Os CPs foram identificados pelo nome do traço (1.0CV10 ou 1.1CV11). A fatia superior foi denominada de referência (sem tratamento de realcalinização química) efoi aspergidoum solução com fenolftaleína na superfície recém fraturada para verificaçãoda frente de carbonatação. Após a aspersão, a parte inferior dos corpos de prova foi submetida à aplicação de três soluções diferentes para cada traço, totalizando 6 amostras. As soluções utilizadas foram:1 - carbonato de sódio (Na2CO3);2 - hidróxido de potássio (KOH) e 3 - hidróxido de sódio (NaOH), que foram obtidas com a mistura de água destilada através da proporção mostrada na Tabela 2. Tabela 2 Concentração das soluções usadas na realcalinização química. Na2CO3 3g para 100ml de água KOH 15g para 100ml de água NaOH 21g para 100ml de água Foram realizadas cinco aplicações de cada solução, com intervalo de 30 minutos, totalizando duas horas e trinta minutos de ensaio. Para a aplicação foi utilizado o auxílio de um pincel.esta forma de

9 aplicação é indicada por um fornecedor de uma solução para realcalinização química, por isso optouse por este método de aplicação.a Figura 6 exemplifica a divisão inicial do corpo de prova de referência. (a) (b) Figura 6 (a) Divisão do corpo de prova e tipo de aplicação. (b) Corpo de prova com aspersão de fenolftaleína antes da realcalinização. Após uma semana da aplicação, os corpos de prova foram divididos em três partes, para nova aspersão de fenolftaleína e verificação da realcalinização. Devido a obtenção de um resultado insatisfatório quanto ao procedimento de tratamento adotado, deciciu-se que, em cada fatia obtida seria realizada uma nova tentativa de realcalinização. Desse modoem cada CP foi adotado um diferente método de aplicaçãototalizando 6 corpos de prova x 3 fatias = 18 amostras, classificadas quanto a sua posição em I, II e III. Respeitando as soluções aplicadas em cada corpo de prova, foram realizadas novas aplicações de em cada fatia. Nesta etapa foram testados 3 métodos distintos de aplicação. Nas fatias I a forma de aplicaçãofoi aspersão da solução 20 vezes com intervalo de 10 minutos, durante 1 dia. As fatias II tiveram aplicações de solução por 10 vezes com intervalo de 20 minutos, este processo foi repetido 5 vezes, totalizando 50 aplicações, todo este processo durou 3 dias. As fatias III ficaram imersas durante 50 horas. A Figura 7 exemplifica os tipos de aplicações realizadas nas amostras e a Figura 8mostra a aplicação de solução de hidróxido de potássio por aspersão.

10 Figura 7 Divisão do corpo de prova de referência e método de aplicação das soluções.

11 Figura 8 Aspersão de solução de hidróxido de potássio. Após o rompimento e nova aspersão de fenolftaleína, foram medidos os valores de profundidade de carbonatação para a obtenção do resultado final. ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS O ensaio de resistência a compressão dos corpos de prova foi realizado de maneira complementar, resultando em 40 MPa para o traço 1.0 CV 10 e 37 MPa para o traço 1.1 CV 10, ambos aos 28 dias de idade. A apresentação dos gráficos está mostrada separadamente para cada solução, sendo que os diferentes traços do concreto aparecem em barras lado a lado. As espessuras de carbonatação para cada tipo de concreto são apresentadas em forma de linha para cada solução.

12 A solução de carbonato de sódio (Na2CO3) não apresenta nenhum gráfico, pois não houve realcalinização em nenhum dos quatro métodos testados e em nenhum dos concretos com diferentes traços. Este resultado pode ser observado na Figura 9, onde a profundidade de carbonatação permaneceu inalterada em relação ao concreto não tratado. O método de aplicação com o pincel não resultouem nenhuma realcalinização com as três soluções realcalinizadoras empregadas neste trabalho, como pode ser observado nas Figura 10 e Figura 12. A solução de hidróxido de sódio apresentou valores semelhantes de profundidade de realcalinização, principalmente para os métodos de aplicação de aspersão em 3 dias e imersão, conforme pode ser observado na Figura 10, porém não foi suficiente para realcalinizar toda a camada do concreto carbonatado. Figura 9 Concreto tratado com Na 2CO 3sem ter apresentado indícios de realcalinização.

13 Figura 10 Realcalinização de concretos com diferentes tipos de métodos de aplicação de solução de hidróxido de sódio (NaOH). A realcalinização parcial da espessura carbonatada pode ser observada na Figura 11. Figura 11 Concreto tratado com NaOH por imersão, apresentando realcalinização em parte da espessura carbonatada. A solução de hidróxido de potássio não obteve realcalinização com os métodos de aplicação com pincel e aspersão por 1 dia. Já para o método de aspersão por 3 dias resultou em uma pequena espessura de realcalinização para os dois traços utilizados. O método de imersão de solução de hidróxido de potássio se mostrou mais eficiente dentre todos os estudados, de modo que toda a

14 espessura carbonatada foi realcalinizada após 50 horas de imersão, como pode ser observado na Figura 12. O estudo de Araujo (2004) também indicou a solução de hidróxido de potássio como a mais eficiente entre as testadas em seu experimento. Figura 12 - Realcalinização de concretos com diferentes tipos de métodos de aplicação de solução de hidróxido de potássio (KOH). A Figura 13mostra uma amostra com a espessura carbonatada completamente realcalinizada pela imersão do corpo de prova em solução de hidróxido de potássio. Figura 13 - Concreto tratado com KOH por imersão, apresentando toda a profundidade de carbonatação realcalinizada.

15 CONCLUSÃO Este trabalho foi focado em uma técnica de recomposição da alcalinidade do concreto denominada realcalinização química (REQ), que tem seu maior campo de aplicação estruturas executadas em concreto aparente porque trata-se de uma tratamento baseado na penetração de soluções alcalinas com superfície do concreto que ingressam a partir da sucção capilar e difusão de substâncias de elevada alcalinidade. As estruturas de pontes e viadutos podem ser citadas como os principais campos de aplicação desta técnica de recuperação, pois são tipicamente colocadas em serviço com acabamento em concreto aparente. Desse modo, por meio dos resultados obtidos com este estudo foi possível concluir: O método de aplicação com pincel, com 5 demãos em intervalo de 30 minutos não se mostrou eficiente; O método de aplicação de aspersão em 1 dia, com 20 aplicações com intervalos de 10 minutos também não se mostrou eficiente; O método de aspersão de soluções alcalinas durante 3 dias, sendo 5 aplicações de 10 vezes a cada 20minutos obteve uma pequena espessura de realcalinização ao fim dos 3 dias. Apesar de ter apresentada esta camada de elevado ph, esta técnica de aplicação se mostrou pouco eficiente, pois o tempo para realcalinizar espessuras maiores de carbonatação pode ser elevado. O método de aplicação por imersão se mostrou eficiente, pois foi capaz de realcalinizar parte da espessura do concreto carbonatado quando imerso em solução de hidróxido de sódio e toda a espessura carbonatada quando imerso em solução de hidróxido de potássio. A solução de carbonato de sódio se mostrou ineficiente, não realcalinizando nenhuma das amostras estudadas, com nenhum dos métodos testados. A solução de hidróxido de potássio se apresentou como a solução mais eficiente dentre as três soluções estudadas. O meio técnico ainda carece de um métodos de aplicação de soluções alcalinizadoras eficientes em condições de campo, pois o método de imersão não é prático a ponto de viabilizar a recuperação de estruturas de concreto armado em condições reais. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ARAÚJO, F. W. C. DE. Contribuição à viabilização da técnica de realcalinizaçào do concreto carbonatado através da absorção/difusão de soluções alcalinas.dissertação. Universidade Federal de Goiás, ARAÚJO, F. W. C. DE. Estudo da repassivação da armadura em concretos carbonatados através da técnica de realcalinização química. Tese. Universidade de São Paulo, 2009.

16 BERTOLINI, L.; CARSANA, M.; REDAELLI, E. Conservation of historical reinforced concrete structures damaged by carbonation induced corrosion by means of electrochemical realkalisation. Journal of Cultural Heritage, v. 9, n. 4, p , HELENE, P. R. L. Corrosão em armaduras para concreto armado. 1 a. ed. São Paulo: PINI, HELENE, P. R. L. Manual para reparo, reforço e proteção de estruturas de concreto. 2. ed. São Paulo: PINI, HELENE, P. R. L. Manual de Reparo, Proteção e Reforço de Estruturas de Concreto. 1 a. ed. São Paulo: Multipla, MOREIRA, C. Realcalinização de estruturas de concreto carbonatado com utilização de gel saturado de solução alcalina. [s.l.] Universidade Federal de Goiás, P. KURMAR, P. J. M. M.; MONTEIRO. Concreto: microestrutura, propriedades e materiais. 1 a. ed. São Paulo: IBRACON, SÁ, R. R. DE. Influência da realcalinização por meio da absorção /difusão de soluções alcalinas na resistência à compressão do concreto, na aderência de tintas e vernizes na repassivação da armadura.dissertação. Universidade Federal de Goiás, YEIH, W.; CHANG, J. J. A study on the efficiency of electrochemical realkalisation of carbonated concrete. Construction and Building Materials, v. 19, p , 2005.