Estruturas betão armado. Guia técnico de recomendações

Transcrição

1 Estruturas betão armado. Guia técnico de recomendações Afonso Póvoa Estradas de Portugal, SA, Departamento de Gestão de Conservação de Obras de Arte, Coimbra António Santos Silva LNEC, IP, Departamento de Materiais, Lisboa Quirino Tomás LNEC, IP, Departamento de Materiais, Lisboa RESUMO: A presente comunicação pretende sintetizar o trabalho de pesquisa e compilação desenvolvido no seio do projecto DURATINET (Grupo de Trabalho 3 - WG3), designadamente no que se refere à elaboração de Guias com Recomendações Técnicas de Apoio à Manutenção de Estruturas de Betão Armado, onde são mencionados em particular os aspectos relacionados com os mecanismos de deterioração, as técnicas de ensaio para inspecção (destrutivas e não destrutivas) e os métodos de reparação mais adequados a cada patologia. 1 INTRODUÇÃO A nível mundial tem-se assistido, nos últimos anos, a uma degradação significativa das estruturas de betão armado, designadamente daquelas que se encontram expostas aos ambientes mais agressivos (atmosféricos, ambientais, etc). Devido à existência de um património significativo de obras de betão armado (p.e., pontes) executadas mais recentemente, designadamente a partir de meados do século passado, deparamo-nos hoje, em todo o mundo, com uma quantidade significativa de infra-estruturas de transportes (pontes) em betão armado, que apresentam importantes problemas de durabilidade e que, por esse fato, necessitam de ser mantidas e conservadas, de forma a garantir o funcionamento e a exploração, em segurança, das vias que servem. Por outro lado, actualmente, deparamo-nos, também, com um leque diversificado de tecnologias e materiais associados à reparação de estruturas de betão armado. Finalmente, as verbas orçamentais envolvidas na reabilitação e conservação começam a ser cada vez mais significativas, em face da quantidade e complexidade das intervenções que têm vindo a realizar-se. Este cenário impõe a necessidade de garantir, na construção e reparação, uma maior durabilidade, aliada a uma gestão mais eficiente do património executado, podendo considerar-se um dos desafios da engenharia do século XXI. 2 MECANISMOS DE DEGRADAÇÃO DO BETÃO ARMADO A degradação do betão armado resulta de uma alteração das propriedades físicas, químicas e mecânicas, quer à superfície quer no interior, normalmente devido à alteração dos seus constituintes. Este processo que pode ser bastante complexo, e onde podem ocorrer acções conjuntas de vários factores (internos e externos), pode

2 ser agravado pelas características do meio a que vai estar exposto. Para além destes processos físico-químicos, há outros que ocorrem por deficiências ao nível da execução (colocação em obra, cura, acabamento) e da sua produção (composição, qualidade dos constituintes). São, normalmente, três os sinais visuais de degradação: fendilhação, destacamento e desagregação. 2.1 Causas de Deterioração/Degradação Na Figura 1 apresenta-se uma panorâmica das diferentes causas comuns de deterioração, quer ao nível do betão quer das armaduras. Figura 1. Causas comuns de deterioração do Betão Armado. 2.2 Modelos de Degradação dos Materiais e Impacto no Desempenho A durabilidade do betão pode ser definida como a capacidade para resistir às acções externas (físicas, químicas, mecânicas), inerentes aos mecanismos de deterioração do material. Consequentemente, o desempenho de uma estrutura de betão armado, será dependente da sua capacidade para resistir a essas acções, garantindo a satisfação dos requisitos para os quais foi concebida (segurança, funcionalidade, estética). A degradação das propriedades dos materiais enquadra-se, na maioria das situações, sob a acção combinada de vários factores, internos (propriedades intrínsecas dos materiais) e externos (acções ambientais, acidentais), conduzindo à perda de desempenho dos materiais da estrutura. Na Figura 2 pode observar-se a relação entre os processos/mecanismos de degradação e os defeitos provocados e, consequentemente o desempenho do betão. Recentemente tem havido um maior interesse em desenvolver modelos que procuram prever o tempo de vida útil das estruturas de betão armado. Essas metodologias (determinísticas) baseiam-se na conjugação de projecções de modelos de cálculo dos diferentes mecanismos de degradação envolvidos bem como das condições ambientais existentes (expectáveis). Além dos modelos determinísticos, têm surgido modelos baseados em abordagens probabilísticas, assentes em modelos matemáticos representativos dos fenómenos de deterioração e com dados sobre a variabilidade de ocorrência desses fenómenos.

3 Figura 2. Degradação do betão e mecanismos e processos associados. Os modelos de degradação de estruturas, geralmente, têm uma formulação do género da ilustrada na Figura 3, em que se identificam duas fases (tempos) distintos, uma que corresponde ao início do processo de degradação (iniciação), por via das alterações das propriedades mecânicas dos materiais, e uma segunda (propagação) que corresponde ao período em que se inicia o processo de deterioração dos materiais, com reflexos evidentes no desempenho e na própria vida útil da estrutura. Figura 3. Modelo de degradação Impacto no desempenho estrutural. 2.3 Decisão sobre a Data de Intervenção A importância de informação pertinente relativa ao desempenho da durabilidade das estruturas (e dos materiais), assente nos modelos de degradação, é vital para o processo de tomada de decisões, constituindo, também, uma mais-valia em termos económico-sociais. Para que, ao longo da vida útil, uma estrutura mantenha a sua integridade, são necessárias intervenções de conservação e de reparação, de modo a garantir um determinado estado ou condição, no fim de um determinado período, e cujo objectivo pode ser alcançado, por via de diferentes cenários (intervenções periódicas, preventivas ou reactivas). É, pois, essencial para o processo de tomada de decisão, a informação relativa ao desempenho das estruturas (e materiais), assente nos modelos de degradação. O momento óptimo de intervenção não se pode generalizar uma vez que se deve ao balanço de equilíbrio de vários factores: Técnicos: capacidade residual, perda de funcionalidade ou estética; Económicos: custo de reparação;

4 Sociais: alterações e danos por incapacidade temporal da estrutura. Tendo por base os modelos de degradação expectáveis, das estruturas, importará escolher a melhor data para realizar determinada intervenção de reparação, tendo por base os diferentes cenários e os desempenhos esperados, tal como representado na Figura 4. Figura 4. Modelo de degradação Impacto no desempenho estrutural 3 REQUISITOS DE DURABILIDADE EM ESTRUTURAS DE BETÃO A durabilidade das estruturas de betão armado depende de diversos factores, sendo os mais importantes a agressividade do meio ambiente a que a estrutura está exposta (temperatura, humidade, etc) bem como às características de betão (elementos constitutivos, composição da mistura, aplicação, cura, etc). As características do material são essenciais para, por um lado, prevenir o aparecimento de fissuras no betão, caminho preferencial de penetração dos agentes agressivos, e por outro, para determinar a porosidade do betão, do qual depende a maior ou menor facilidade de penetração e transporte das substâncias agressivas. 3.1 Exposição Ambiental A caracterização do ambiente assenta na consideração de vários factores: humidade, temperatura, teores de CO 2, O 2, cloretos, ácidos, sulfatos, álcalis, etc. A humidade relativa do ar constitui um factor determinante em todo o processo de degradação do betão. A temperatura tem, também, um contributo significativo no processo de degradação, pois potencia o aumento da velocidade das reacções químicas, por via da penetração de iões e moléculas no interior do betão. De igual forma, a concentração de substâncias agressivas (CO 2, O 2, cloretos, ácidos, sulfatos, álcalis, etc), tem um papel importante no desenrolar dos processos de degradação, sendo o dióxido de carbono e os cloretos, os mais importantes, dado provocarem a destruição da película passiva do betão que protege as armaduras, promovendo a sua corrosão, conjuntamente com o oxigénio, indispensável para que o processo ocorra. Na normativa europeia em vigor para o betão (EN 206-1) é feita a organização das acções ambientais, em classes de exposição, função dos principais factores de degradação (ataque por gelo-degelo, ataque químico e corrosão das armaduras), as

5 quais devem ser consideradas na concepção de estruturas de betão armado, de acordo com a seguinte classificação: Sem risco de corrosão ou ataque (X0); Corrosão induzida por carbonatação (XC); Corrosão induzida por cloretos não provenientes da água do mar (XD); Corrosão induzida por cloretos provenientes da água do mar (XS); Ataque pelo gelo/degelo com ou sem produtos descongelantes (XF); Ataque químico (XA); Na Figura 5 estão esquematizadas as diferentes zonas de exposição ambiental para uma estrutura construída no mar, bem como os diferentes mecanismos de deterioração mais frequentes nessas zonas. Figura 5. Condições de exposição e mecanismos de deterioração num ambiente marítimo. Na zona atmosférica, o mecanismo de deterioração mais frequente é a corrosão das armaduras. Na zona de rebentação, além da corrosão das armaduras, dá-se a erosão do betão por acção da rebentação das ondas. Na zona de maré, existem vários mecanismos de deterioração possíveis, referindo-se a corrosão das armaduras, o ataque químico e biológico e a erosão do betão. Finalmente, na zona submersa, o ataque químico e biológico do betão são as deteriorações mais frequentes. Uma estrutura de betão armado (em ambiente marítimo) deverá, assim, considerarse sujeita a várias acções, sendo estas expressas como conjugação de diferentes classes de exposição. 3.2 Requisitos de Desempenho A norma EN define os requisitos básicos para os diferentes materiais constituintes do betão, nomeadamente, os agregados, cimentos, água, adjuvantes e aditivos, relacionando-os com as classes de exposição, em termos de valores limites, quer para a composição quer ao nível das propriedades definidas para o betão. Apesar de os códigos e as especificações de trabalho para as estruturas de betão terem sido alteradas várias vezes durante os últimos 30 anos, os requisitos da durabilidade do betão são quase exclusivamente baseados nos requisitos tradicionais da composição do betão, nos procedimentos e nas condições de cura, onde a resistência à compressão é o único critério de desempenho. Esta abordagem prescritiva demonstrou possuir insuficiências e resultados não satisfatórios

6 Contudo, para as mais recentes estruturas de betão, tem havido uma crescente preocupação na definição de parâmetros de qualidade adicionais, baseados, p.e., na absorção de água e na difusividade do ião cloreto. Tais parâmetros de qualidade do betão, são utilizados quer para as especificações de trabalho, quer para o controlo in situ da qualidade sendo, igualmente, utilizados como parâmetros em modelos de projecção da vida útil de uma estrutura. Uma vez que os requisitos de durabilidade do betão e de exposição ambiental estão interligados, a abordagem probabilística fornece as bases essenciais para análise de durabilidade. Nesse pressuposto, os projectos de durabilidade poderão ser baseados no desempenho tendo em conta a natureza probabilística da agressividade ambiental, dos processos de degradação e das propriedades dos materiais envolvidos. O diagrama esquemático da Figura 6, de uma forma simplista, pretende ilustrar uma hipotética forma de degradação, associada a um índice de permeabilidade, sendo possível prever as reparações e os limites temporais para utilização da estrutura. Figura 6. A reparação numa abordagem baseada no desempenho. 4 ESTRATÉGIAS DE INSPECÇÃO E AVALIAÇÃO DE ESTRUTURAS A realização de inspecções periódicas e ensaios, com vista a assegurar a durabilidade de uma estrutura, cumprindo as exigências funcionais para que foi concebida, ou de uma inspecção específica, tendo em vista avaliar e diagnosticar as anomalias existentes num dado período de vida, é um factor primordial para se poder intervir atempada e correctamente na sua preservação. 4.1 Inspecções Visuais A realização de inspecções periódicas constitui a primeira via na metodologia de gestão eficiente das estruturas de betão armado, uma vez que a probabilidade de se detectar e reparar uma anomalia, numa fase inicial, é bastante maior e, necessariamente, mais económica. A manutenção e conservação das estruturas (pontes) baseia-se nos resultados das inspecções,,que, função da sua periodicidade e especificidade se dividem em inspecções de Rotina, Principais, Especiais ou Detalhadas, Quadro 1. Esta actividade assenta na adopção de regras claras e precisas (manuais de inspecção) que incluem a descrição detalhada dos diferentes tipos de anomalias, respectivas causas e consequências, bem como as respectivas metodologias de reparação associadas.

7 Quadro 1. Tipos de Inspecção de Pontes. Tipo Inspecção Periodicidade Âmbito Rotina 1-2 anos Superficial, ao nível da manutenção Principal 4-6 anos Geral, ao nível da reparação/conservação Especial (ou de Dano) - Geral, após acidente (p.e.) Detalhada - Profunda, no âmbito de projecto de reparação 4.2 Ensaios In-Situ e Monitorização Paralela e complementarmente à inspecção, os ensaios e monitorizações constituem um auxiliar valioso, seja na fase de identificação das anomalias e respectiva extensão e profundidade, seja ao nível do controlo de qualidade das estruturas, durante a fase de construção, ou após intervenção de reparação, a fim de garantir a conformidade com as especificações, designadamente as que visam assegurar a durabilidade requerida. Actualmente, existem inúmeros ensaios para as estruturas, Não-Destrutivos (Mecânicos: Ultra-Sons, Tomografia; Electromagnéticos: Radar GPR, Gamagrafia; Eléctricos e Electroquímicos: Resistividade, Potencial Eléctrico) e Semi-Destrutivos ou Intrusivos (Resistência à Compressão/Tracção, Porosidade, Perfil de Carbonatação, Teor de Sulfatos e Alcális), e que permitem caracterizar, com alguma fiabilidade, as propriedades mecânicas e de durabilidade dos materiais constituintes. 5 ESTRATÉGIAS DE REPARAÇÃO Tomando como ponto de partida a norma europeia EN 1504 e respectivas especificações de suporte para os produtos e métodos de reparação, é efectuada uma compilação das diferentes técnicas de reparação existentes. 5.1 Estratégias de Reparação Métodos e Materiais A reparação e reforço de estruturas de betão exige um dimensionamento relativamente mais complexo, relativamente às obras novas, fruto das condições já existentes (ambiente, materiais, etc.), pelo que o sucesso do método de reparação adoptado dependerá, sobretudo, da adequação desse mesmo método, às condicionantes existentes, da eficácia do dimensionamento e da qualidade da execução. O Quadro 2, procura evidenciar, na avaliação das anomalias ou defeitos das estruturas, quais os ensaios mais adequados à sua caracterização. É possível adoptar diferentes estratégias para se atingir os requisitos de durabilidade da estrutura: - Não actuar; - Reavaliação da capacidade estrutural, reduzindo, se necessário, níveis de serviço; - Prevenção ou redução da degradação espectável; - Reparação e reforço de parte ou da totalidade da estrutura: - Reconstrução de parte da estrutura.

8 Quadro 2. Ensaios vs Defeitos. O Quadro 3 apresenta os princípios mais comuns em que a reparação se deve basear quando a deterioração causa defeitos no betão ou é devida a corrosão das armaduras Quadro 3. Estratégias de Reparação Princípios. Relacionados com defeitos no betão 1. Protecção contra o ingresso 2. Controlo da humidade 3. Restauro do betão 4. Reforço estrutural 5. Aumento da resistência física 6. Resistência aos agentes Químicos Relacionados com corrosão nas armaduras 7. Preservação ou restauro da passivação 8. Aumento da Resistividade 9. Controlo Catódico 10. Protecção Catódica 11. Controlo das áreas anódicas A escolha do método ou sistema de reparação (Figura 7) deverá, ter em consideração em primeiro lugar o principio ou princípios de base da reparação e ainda os seguintes aspectos: - Uso pretendido; - Período de vida da estrutura; - Requisitos de comportamento (EN 206-1); - Análise dos custos de reparações periódicas; - Estética das superfícies reparadas; - Impacto da intervenção sobre a utilização da estrutura; - Requisitos de segurança. 5.2 Avaliação do Desempenho da Reparação A avaliação do desempenho dos sistemas de reparação é conseguida com base na observação periódica das condições e do comportamento da estrutura e dos materiais

9 que a constituem. Este objectivo poderá ser conseguido por via da implementação de Sistemas de Monitorização que permitirão (p.e. no caso da corrosão de armaduras): - Acompanhamento, contínuo do desempenho da estrutura no que se refere à evolução da corrosão no betão armado; - Quantificação da progressão das condições de corrosividade no betão ou de progressão da corrosão nas armaduras; - Acompanhamento dos efeitos da introdução de eventuais medidas preventivas ou verificação da eficácia das reparações efectuadas. Figura 7. Listagem das técnicas de reparação de estruturas de betão armado [in manual Web Duratinet]. No âmbito do projecto DURATINET foi analisada informação recolhida de diferentes casos de estudo (p.e: Ponte da Barra Portugal e Ferrycarrig Bridge - Republica da Irlanda), nos quais foram implementados sistemas de monitorização e vários métodos de reparação, e cujos resultados serão divulgados no âmbito do projecto. 6 CONCLUSÕES Os resultados deste projecto, disseminados essencialmente em documentação produzida no seu seio, na forma de Guias Técnicos [3-6], deverão ser uma ferramenta de trabalho útil e proveitosa para todos os end-users (gestores, responsáveis das infra-estruturas, empresas de construção, projectistas) que têm uma intervenção activa na área da conservação e reparação de estruturas de betão armado.

10 Estes guias tratam os aspectos considerados mais relevantes na área da reabilitação de estruturas de betão armado, desde a concepção das soluções (requisitos, escolha de materiais, patologias e processos de deterioração, durabilidade dos materiais), a execução da intervenção (adequação dos trabalhos, tipologias de reparação e protecção) e o período de vida da estrutura (inspecção/ensaios e avaliação do desempenho). AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Programa Operacional Espaço Atlântico , cofinanciado pelo FEDER, o apoio financeiro dado ao projecto DURATINET - Network for Durable Transport Infrastructures in Atlantic Area. REFERÊNCIAS BASHEER, L.; KROPP, J.; CLELAND, D.J Assessment of the durability of concrete from its permeation properties: a review. Construction and Building Materials, 15 (2001). BRIME Bridge Manangment in Europe, Deliverable D14 Final Report, 2001CONCRETE STRUCTURES Factors and requirements for durability, Part IV - Vol. I. In: Maintenance and repair of transport infrastructure Technical Guide, to be published in CONCRETE STRUCTURES Deterioration processes, Part IV - Vol. II. In: Maintenance and repair of transport infrastructure Technical Guide, to be published in CONCRETE STRUCTURES Testing techniques for evaluation and diagnostic, Part IV - Vol. III. In: Maintenance and repair of transport infrastructure Technical Guide, to be published in CONCRETE STRUCTURES repair, Part IV - Vol. IV. In: Maintenance and repair of transport infrastructure Technical Guide, to be published in MALHORTA,V.M.- Durability of Concrete,Corrosion Handbook Second Edition, R.W. Revie Ed.,Wiley, NP EN 206-1: 2007: Especificação, desempenho, produção e conformidade, IPQ, p. 84. NP EN :2006: Produtos e sistemas para a protecção e reparação de estruturas de betão. Definições, requisitos, controlo da qualidade e avaliação da conformidade. Parte 1: Definições, IPQ, p. 12. NP EN :2009: Produtos e sistemas para a protecção e reparação de estruturas de betão. Definições, requisitos, controlo da qualidade e avaliação da conformidade Parte 9: Princípios gerais para a utilização de produtos e sistemas. PROBABILITY-BASED DURABILITY ANALYSIS OF CONCRETE STRUCTURES IN MARINE ENVIRONMENT Ferreira, Miguel, UM, REHABCON Manual Strategy for maintenance and rehabilitation in concrete structures, 2004.