As características fundamentais de um material estrutural de construção serão a sua resistência ás forças a que estará sujeito e a sua durabilidade.

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1 Durabilidade INTRODUÇÃO CONSIDERAÇÕES GERAIS As características fundamentais de um material estrutural de construção serão a sua resistência ás forças a que estará sujeito e a sua durabilidade. Em relação ao betão armado, a sua resistência à compressão foi amplamente estudada durante décadas. No início da utilização do betão armado como material de construção, os construtores conseguiam obter apenas betão e ligantes de baixas resistências e então, as peças eram fabricadas com grandes secções e usadas maiores dosagens de cimento, as espessuras de recobrimento eram maiores e a colocação de betão era muito cuidada, embora as técnicas de compactação ainda fossem rudimentares. Como as armaduras utilizadas eram de aço macio o betão não apresentava, em geral, fendilhação. Todos estes factores concorriam para que a duração das armaduras fosse muito longa tendo-se quase pensado que o betão seria de duração ilimitada! De facto a durabilidade não era explicitamente considerada mas era como que uma consequência do betão que se fabricava então, cujo critério de aceitação era baseado na resistência. Por outro lado os ambientes a que o betão estava sujeito ainda se encontravam livres do fenómeno da poluição. Com o aprofundar dos conhecimentos sobre o betão, a sua composição, as propriedades dos ligantes e consequente melhoria de todas estas características que levou a um aumento da resistência à compressão do betão - Figura 1.1 e ainda com o aperfeiçoamento dos métodos de cálculo de estruturas, a secção das peças de betão armado foi diminuindo. 70 Resistência à compressão MPa ano Figura Evolução, das resistências médias à compressão do betão aos 28 dias fabricado com cimento portland (adoptado de Pomeroy, 1987 e de Neville, 1995 e actualizado). 3

2 Capítulo 1 Foi também aumentando a quantidade de armadura colocada por área da secção de betão dificultando a passagem e acomodação de betão fresco, tendo, este facto levado à utilização de sobre dosagens de água e de elementos finos, usando-se também espessuras de recobrimento sucessivamente mais pequenas. Entretanto também se foi instalando uma "sobre confiança" no meio técnico ligado ao fabrico de betão armado, tendo como consequência uma certo relaxamento relativamente aos requisitos e cuidados de construção, sobretudo nas zonas mais armadas da estrutura. Começaram também a proliferar as construções de betão pré-esforçado, com secções de betão mais reduzidas e com o aço sujeito a tensões elevadas, tornando-o ainda mais sensível a fenómenos de corrosão. Também começaram a ser utilizados certos adjuvantes e aditivos sem se conhecerem bem os seus efeitos Todos estes factores concorreram para que a protecção natural das armaduras pela elevada alcalinidade do betão envolvente, deixasse de ser tão eficaz como no início da utilização do betão armado para além de que os níveis de poluição (agressividade) foram também crescendo e em consequência começaram-se a verificar acidentes em estruturas relativamente recentes. Constatouse então que o betão também envelhece e que, para além dos cuidados a ter na sua composição, execução e cura é também necessário ter em conta o seu envelhecimento, isto é, proceder à manutenção da estrutura, visto esta se degradar mais ou menos consoante o ambiente a que está sujeita. Surgiu assim uma noção nova associada ao betão - a durabilidade DURABILIDADE Uma estrutura é considerada durável se durante a sua vida conserva os requisitos de projecto em termos de segurança, de funcionalidade e estética, sem custos de manutenção não previstos.(andrade, 1996) Definindo "desempenho" como a capacidade de uma estrutura satisfazer os fins para que foi projectada, sob o ponto de vista de segurança, funcionalidade e aspecto geral, é opinião geral que, devido aos efeitos complexos do meio ambiente sobre as estruturas de betão e às reacções destas a esses efeitos, o desempenho de estruturas de betão ao longo da sua vida não pode ser melhorado apenas pelo aumento de qualidade dos materiais utilizados. Para se conseguir um melhor desempenho terá que se actuar: em fase de projecto de estrutura e arquitectura, a nível de processos de execução da obra e nos procedimentos relativos à inspecção e manutenção (incluindo manutenção preventiva) (CEB, 1992). As inter-relações entre os principais factores que influenciam a durabilidade e as suas consequências em termos de desempenho podem-se resumir da seguinte maneira (Figura 1.2): 4

3 Durabilidade - Projecto estrutural (principalmente pormenorização e cofragem) - Materiais (principalmente betão e armaduras) - Execução (principalmente desempenho dos operários) - Cura (principalmente humidade e calor) Estes quatro factores influenciam fortemente a qualidade da estrutura do betão no sentido em que definem a natureza e distribuição dos poros e, portanto, a maior ou menor influência dos mecanismos de transporte de substâncias nessa rede porosa, levando a uma deterioração física, química e/ou biológica mais ou menos rápida do betão assim como à corrosão das armaduras, isto é, a uma maior ou menor durabilidade da estrutura de betão. O desempenho da estrutura envolve fundamentalmente as noções de segurança (e portanto resistência), de funcionalidade (rigidez) e também do aspecto geral (superficial) e, assim, depende da durabilidade da estrutura, sendo consequência dos graus de deterioração do betão e corrosão das armaduras e, eventualmente, de natureza e distribuição dos poros. Figura Conceitos de durabilidade e desempenho de uma estrutura de betão e suas inter-relações (CEB, 1992). 5

4 Capítulo 1 A deterioração das estruturas de betão é muito afectada pelo transporte de gases, de água e de agentes agressivos dissolvidos na água. A maior ou menor facilidade deste transporte depende basicamente da rede porosa e das condições ambientais à superfície do betão. Evidentemente que a presença de água e humidade é o elemento preponderante que define os vários processos de deterioração (excluindo a deterioração mecânica). O transporte de água no seio do betão é determinado pelo tamanho e tipo de poros, sua distribuição e pelas (micro e macro) fendas existentes e é por essa razão que se torna imprescindível o controlo da natureza e distribuição dos poros e fendas, em termos de obtenção de uma estrutura durável. Na realidade o estudo da durabilidade do betão tem evoluído nos últimos anos graças ao aprofundar dos conhecimentos dos mecanismos de transporte através dos poros e fendas de gases e líquidos agressivos. Essa evolução de conhecimentos permitiu associar o factor tempo aos modelos matemáticos que expressam quantitativamente esses mecanismos e assim avaliar a vida útil, expressa em número de anos, em função do ambiente a que a estrutura de betão estará sujeita. Vida útil de uma estrutura de betão armado ou pré-esforçado, como se verá adiante (1.3), é o período de tempo durante o qual a estrutura conserva os requisitos de segurança, funcionalidade e estéticos definidos em projecto, sem custos de manutenção adicional (Andrade e Alonso, 1996). Haverá portanto necessidade de, por um lado, avaliar e classificar o grau de agressividade do ambiente e, por outro lado, conhecer o betão e a estrutura, para inferir da sua durabilidade e portanto do seu desempenho. É evidente que a durabilidade de uma estrutura de betão armado (ou pré-esforçado) dependerá quer da deterioração física, química e/ou biológica do betão (de recobrimento), quer da corrosão das armaduras, podendo, qualquer desses dois factores, comprometer tanto a estrutura, em termos de resistência e rigidez (dos materiais, das secções transversais e dos vários elementos estruturais que compõem essa estrutura) como também as condições superficiais e, assim, definir o desempenho dessa estrutura. Uma estrutura de betão armado sendo susceptível de se degradar devido sobretudo à deterioração do betão de recobrimento ou à corrosão da armadura como consequência do meio ambiente em que se encontra, é habitual, hoje em dia (Figura 1.2) a separação em termos de durabilidade, de betão resistente a meios agressivos que ataquem sobretudo o betão de recobrimento e betão resistente a meios agressivos que ataquem principalmente as armaduras. A acção dos ácidos, sulfatos, gelo/degelo e a reacção álcalis-agregado atacarão fundamentalmente, do ponto de vista físico, químico e/ou biológico o betão de recobrimento e, secundariamente, as armaduras. 6

5 Durabilidade Relativamente ao ataque das armaduras, os principais agentes agressivos são o dióxido de carbono e os iões cloreto. Embora não deteriorem o betão de recobrimento em si, destroem a película passiva protectora, das armaduras, por diminuição da alcalinidade do betão envolvente. No caso dos cloretos estes intervêm, de facto, nas reacções de dissolução do ferro e em qualquer dos casos, após despassivação e necessário verificarem-se condições suficientes de humidade e oxigénio para se processar a corrosão VIDA ÚTIL Na fase de projecto de uma determinada estrutura e com base nas solicitações do tipo mecânico e ambiental a que estará sujeita, são definidos os requisitos de segurança e funcionalidade. Vida Útil da estrutura será então o período de tempo durante o qual a estrutura satisfaz esses requisitos de segurança, de funcionalidade e estéticos, sem custos de manutenção não previstos, isto é, o período de tempo durante o qual o desempenho da estrutura é satisfatório (superior ao mínimo aceitável) como se esquematiza na Figura 1.3. Portanto considera-se que a estrutura mantêm as características iniciais de projecto até o grau de deterioração atingir um certo limite (mínimo aceitável) que irá depender de inúmeros factores tais como: tipo de elemento estrutural (viga, pilar, etc.), do aspecto exterior (estético), riscos de desprendimento de pedaços de betão, etc. A Vida residual de uma estrutura de betão armado ou pré-esforçado será o período de tempo contado a partir do momento em que o desempenho da estrutura se torna inaceitável. Então ter-se à de intervir e proceder a reparações repondo novamente condições de segurança funcionalidade ou estéticas, semelhantes às do projecto ou mesmo superiores - Figura 1.3. A grande maioria dos casos de degradação de estruturas é atribuído à corrosão das armaduras por perda de passivação resultante da carbonatação ou penetração de cloretos no betão de recobrimento, como será visto em 1.3. Um modelo vulgarmente considerado no estudo da corrosão de armaduras é o estabelecido por Tutti, em que a vida útil é considerada composta por dois períodos (Andrade e Alonso, 1996) - figura 1.3: 1 - Período de iniciação da corrosão que corresponde ao tempo necessário à destruição da película passivante, que em geral ocorre por carbonatação do betão de recobrimento e/ou por penetração de cloretos até à armadura. 7

6 Capítulo Período de propagação em que a corrosão evolui até ser atingido um limite de deterioração inaceitável do ponto de vista de segurança, funcionalidade ou estético, em que portanto, termina a vida útil dessa estrutura a não ser que se proceda a reparação da mesma. Figura Vida útil de uma estrutura. Portanto, considerando o modelo de Tuutti, ter-se-á: Vida útil = t i + t p t i - tempo de iniciação t p - tempo de propagação É no período de iniciação que se verificam o transporte dos elementos agressivos como os cloretos até à superfície das armaduras e as reacções químicas que ocorrem no betão de 8

7 Durabilidade recobrimento, como a carbonatação, assim como reacções electroquímicas na interface aço-betão e que resultarão, finalmente, na propagação da corrosão das armaduras. A qualidade do betão de recobrimento, e, portanto, a sua resistência aos agentes agressivos como (sobretudo) os cloretos e dióxido de carbono, vai desempenhar um papel fundamental no prolongamento do dito período de iniciação, pelo que, um dos aspectos primordiais em termos de durabilidade de estruturas de betão armado e (pré-esforçado) é a qualidade desse betão de recobrimento traduzida por baixa permeabilidade e suficiente espessura. Mas, finda a vida útil da estrutura de betão armado ou pré-esforçado e após inspecção, procede-se eventualmente, às necessárias reparações, para repôr uma nova vida útil da estrutura, (Andrade e Alonso, 1996) - Figura 1.4. Figura Vida útil e vida residual (CEB, 1992; Andrade e Alonso, 1996). Previsão do tempo de iniciação A penetração de agentes agressivos como o dióxido de carbono e iões cloreto, através do betão pode ser representada, como se verá em (carbonatação) e (penetração de cloretos), por um modelo do tipo: x = K t em que x - é a profundidade de penetração do agente agressivo 9

8 Capítulo 1 t - tempo K - coeficiente de durabilidade que engloba todas as variáveis dependentes da agressividade ambiental e do próprio betão. Associando x à espessura de recobrimento, t será o tempo que o agente agressivo - Cl - ou CO 2, demora a transpor essa espessura de recobrimento e despassivar as armaduras, isto é, o tempo de iniciação. Quanto maior for o valor de K mais curto é o tempo de iniciação. Caracterizando, para determinado betão, os valores de K CO 2 e K Cl, é possível prever o tempo de iniciação. Logaritmizando a expressão anterior tem-se: log x = log K logt C = k T Usando escalas logarítmicas para os valores de recobrimento e do tempo, obter-se-ão rectas de inclinação 0.5 cujas ordenada em t = 1 ano correspondem aos vários valores de K, como se esquematiza na Figura 1.5 (Andrade e Alonso, 1996). Voltar-se-á a este assunto a propósito de espessura de recobrimento (2.11). Figura Representação de x = K t em escalas logarítmicas (Andrade e Alonso, 1996).

9 Durabilidade Previsão do tempo de propagação Neste período dá-se a dissolução do aço provocando a redução de secção das armaduras e formação de óxidos que provocam tensões no betão, originando fissuração, perda de aderência aço/betão e eventualmente destacamentos. Considerando a Figura 1.3, o período de propagação tem inicio após despassivação das armaduras e prolonga-se até os efeitos da corrosão se tornarem inaceitáveis. É a velocidade de corrosão, V corr, que determina o período de propagação. A velocidade de corrosão depende das velocidades do processo anódico e catódico e da resistividade do betão, sendo corrente considerar que a velocidade de corrosão é inversamente proporcional à resistividade do betão: V corr C = ρ em que: ρ - resistividade do betão (Ω.m) C - constante - Bazant aponta para 000; outros autores apontam para 00 (Salta, ). O período de propagação, t p, pode ser calculado por (Andrade e Alonso, 1996): t p x V = lim corr em que: t p - período de propagação, anos x lim - valor limite de perda de secção da armadura, µm V corr - velocidade de corrosão, µm/ano O valor de x lim - perda de secção da armadura, varia de caso para caso, embora, como ordem de grandeza se possa tomar 0 µm correspondentes a valores de períodos de propagação entre 20 e 0 anos, para o caso de carbonatação em que os valores médios da velocidade de corrosão são de 1 a 5 µm/ano. (Andrade e Alonso, 1996) Na Figura 1.6 apresenta-se um exemplo que ilustra a variação do período de propagação com a perda de secção da armadura, em função da velocidade de corrosão. 11

10 Capítulo 1 Figura Perda de secção da armadura (para dois diâmetros diferentes) em função de velocidade de corrosão (Andrade e Alonso, 1996). Segundo Polder (Salta, ) é possível determinar o tempo de propagação a partir da resistência à compressão, por: tp = f ρ f - resistência do betão à compressão (N/mm 2 ) ρ - resistividade do betão (Ω.m) De qualquer forma todos estes processos estão ainda em fase de investigação pelo que ainda não é possível, com rigor, definir tempos de inicio e propagação de corrosão MECANISMOS QUE AFECTAM A DURABILIDADE REDE POROSA A maioria das propriedades do betão depende muito mais da estrutura física dos produtos de hidratação - a rede porosa, do que propriamente da sua composição química. Depois do betão ganhar presa e durante a fase de hidratação, a pasta de cimento endurecida é composta por hidratos pouco cristalizados de diversos compostos que constituem um material coloidal com superfície específica cerca de 500 vezes a do cimento que lhe deu origem (Powers, 1967) e designado por gel, por cristais de hidróxido de cálcio Ca(OH) 2, por cimento não hidratado, por vazios cheios de água e por outros componentes. Estes vazios designam-se por poros capilares 12

11 Durabilidade e tem diâmetros a partir das dezenas de nanómetros (mediana cerca de 1300 nanómetros) enquanto que os vazios existentes no próprio gel (microporos ou poros do gel) tem dimensões mais reduzidas e de poucos nanómetros - Figura 1.7 (Neville, 1995). C C C - poros capilares - microporos ou poros do gel - partículas de gel C C Figura Modelo simplificado da estrutura da pasta de cimento (Neville, 1995). A rede porosa da pasta de cimento de um betão é constituída pelos poros descritos anteriormente - os poros do gel e os poros capilares e ainda, os poros de maiores dimensões - os macroporos resultantes da granulometria e do ar emulsionado com os componentes durante a amassadura e que não se conseguiu libertar durante a fase de compactação (Coutinho e Gonçalves, 1994). Na Figura 1.8 apresenta-se uma classificação dos poros de acordo com a sua origem e tamanho, segundo Setzer. Raio do Poro (nanómetro) 1 metros poros capilares poros de compactação microporos poros de ar macroporos poros capilares microporos ( 30 nm) poros com influência na durabilidade Distribuição de poros segundo Setzer (CEB) Figura Distribuição de poros segundo Setzer (CEB, 92; Setzer, 1995). 13

12 Capítulo 1 A quantidade de água necessária para hidratar o cimento é considerada em geral de 23 por cento da massa do cimento anidro. Esta água chamada água não evaporável é a que se combina ou que hidrata o cimento; no entanto, para que se dê a hidratação total do cimento é necessário que exista água suficiente não só para reagir quimicamente com o cimento formando o gel mas para encher os microporos que se vão formando (a água existente no gel não se consegue deslocar para o interior dos capilares e reagir com o cimento ainda não hidratado). Para relações água/cimento baixas ( 0,20 a 0,38), possíveis, hoje, devido ao uso de super plastificantes (HPC - betão de elevado desempenho), o volume de capilares é muito reduzido, produzindo-se uma pasta de cimento muito densa, o que é francamente vantajoso em termos de durabilidade. Se o betão fendilhar as partículas de cimento não hidratadas poderão reagir com a água que vai penetrando nas fendas contribuindo para a sua colmatação. Em termos de resistência, este facto de existirem partículas de cimento não totalmente hidratadas, também é benéfico (Neville, 1995) funcionando como inclusões na matriz de hidrossilicatos (Almeida, 1990). A densidade da pasta de cimento hidratado têm consequências mecânicas a nível de transferência de tensões na interface com o inerte, pois o betão funciona como verdadeiro material compósito onde os inertes são componentes activos cujas propriedades elásticas influenciam as respectivas propriedades do betão (Aitcin, 1997). Para relações água/cimento superiores a cerca de 0,38 todo o cimento hidrata transformandose em gel cujo volume não preenche todo o espaço livre. A proporção final de poros capilares (após hidratação total) será tanto maior quanto maior a relação água/cimento como se pode verificar na Figura na qual se podem observar os volumes relativos de cimento não hidratado, dos produtos da hidratação do cimento e dos capilares, obtidos a partir de composições de pastas correspondentes a vários valores da relação água/cimento (Neville, 1995). Repare-se que o volume de poros capilares aumenta muito a partir da relação água/cimento 0,4 a 0,5 e uma cura inadequada pode levar a uma hidratação incompleta com um volume enorme de rede capilar (Richardson, 1992/93). Para valores muito elevados da relação água/cimento, a microestrutura dum betão é sempre muito aberta, com agulhas de etringite, cristais hexagonais de hidróxido de cálcio e outros cristais de silicatos de cálcio muito fracamente aderentes aos inertes (Sampaio, 1996). 14

13 Durabilidade 4 3 Pasta fresca Hidratação 33% Hidratação 67% Hidratação 0% Relação água/cimento (peso) água capilar produtos de hidratação cimento não hidratado Figura Composição da pasta de cimento em diferentes fases de hidratação. Em qualquer fase de hidratação, o volume correspondente aos poros capilares da pasta de cimento é a parte que ainda não foi preenchido pelos produtos de hidratação e à medida que se vai processando a hidratação esse volume vai diminuindo, pois o cimento vai hidratando (o volume dos produtos de hidratação do cimento é cerca do dobro do seu volume inicial). Portanto a quantidade de poros capilares da pasta de cimento depende não só da relação água/cimento, mas também do seu grau de hidratação. Em pastas já "maduras" (elevado grau de hidratação) os poros capilares podem ficar bloqueados pela formação do gel, segmentando a rede porosa (capilar) de tal modo que os capilares ficam apenas ligados pelos microporos. A ausência de continuidade na rede porosa capilar é portanto causada pela combinação de uma relação água/cimento adequada e um tempo de cura húmida suficientemente longo (Neville, 1995). Na Figura 1. apresenta-se um esquema simplificado (foram por exemplo omitidos os cristais de hidróxido de cálcio, cimento não hidratado, etc.) no qual se procura evidenciar a necessidade de se considerar uma relação água/cimento reduzida e um tempo de cura suficiente para que se produza uma rede porosa segmentada e consequentemente um betão durável. 15

14 Capítulo 1 Pasta após presa Pasta curada a/c>0,7 a/c>0,7 partículas de gel poros capilares 0,4<a/c<0,7 novas partículas de gel 0,4<a/c<0,7 cura suficiente poros capilares bloqueados a/c<0,4 a/c<0,4 - microporos ou poros do gel - partículas de gel Figura 1. - Representação esquemática da influência da relação água/cimento e cura na rede porosa capilar. Um modo de se conhecer melhor a estrutura porosa do betão é recorrer a curvas porométricas obtidas por ensaios de porometria de mercúrio. Uma curva porométrica representa a distribuição dos poros duma dada amostra, segundo o seu tamanho, e pode ser obtida por ensaios de porometria por utilização de um porosímetro de mercúrio. 16

15 Durabilidade O princípio de funcionamento de um porosímetro consiste na medida do volume penetrado de mercúrio (líquido não molhante) para valores de pressão sucessivamente crescentes até esta estabilizar. Conhecendo por cada valor da pressão p, o valor mínimo do diâmetro d do poro penetrado pelo mercúrio, dado pela equação de Washburn: d = 4δ cos θ (Washburn, ) p em que: θ - o ângulo de contacto do menisco de mercúrio com o material em causa (betão) δ - tensão superficial. é possível conhecer a curva cumulativa do volume dos poros em função do seu diâmetro (Washburn, e ; Ritter e Drake, 1945; Drake, 1949). Esta curva pode ser tratada de modo a obter curvas diferentes, por exemplo, dividindo o volume penetrado pelo volume da amostra ou, pelo peso da amostra (Cook e Hover, 1993) e ainda pode ser transformada numa curva de frequência (histograma), por diferenciação, pois o gradiente da curva cumulativa, para cada valor do diâmetro do poro, fornece a frequência verificada para esse diâmetro. No presente trabalho designou-se por curva porométrica este tipo de curvas correspondente, portanto, à curva da frequência de distribuição dos poros segundo o seu tamanho. Apresentam-se na Figura 1.11 curvas porométricas obtidas por ensaios de porometria de mercúrio, de betões fabricados com cimento portland, sujeitos a três dias de cura, correspondentes a várias relações água/cimento (Hilsdorf, 1989). Os poros apresentam diâmetros que variam aproximadamente entre 5 e 5 nm e verifica-se que a diminuição da relação água/cimento tem como consequência não só um volume total de poros menor (área abaixo da curva porométrica) como também uma diminuição do tamanho dos poros (translação da curva no sentido negativo). Na Figura 1.12, apresentam-se as curvas porométricas de betões fabricados com cimento portland, com a mesma relação água/cimento mas para vários tempos de cura (Hilsdorf, 1989). Aqui observa-se uma nítida diminuição da quantidade e do tamanho dos poros capilares confirmando-se o fenómeno da segmentação quando o tempo de cura é suficiente. 17

16 Capítulo 1 Figura Curvas porométricas para betões com diferentes relações água/cimento curados 3 dias (Hilsdorf, 1989). Figura Curvas porométricas para betões com a mesma relação água/cimento mas tempos de cura diferentes (Hilsdorf, 1989). No Quadro 1.1 apresentam-se valores aproximados do tempo de cura húmida necessária à segmentação capilar em função de valores da relação água/cimento para cimento do tipo portland. Quadro 1.1- Tempo necessário de cura húmida para produzir capilares segmentados cimento portland (Neville, 1995). Relação água/cimento 0,4 0,45 0,5 0,6 0,7 Superior a 0,7 Tempo de cura 3 dias 7 dias 14 dias 6 meses 1 ano segmentação impossível Note-se que para relações água/cimento superiores a 0,7, mesmo após a hidratação total não se produziria quantidade de gel suficiente para segmentar a rede capilar (ver figura 1.). No caso de se usar cimento muito moído a relação água/cimento máxima com possibilidade de segmentação da rede capilar por cura poderia ser mais elevada assim como inversamente seria mais baixa para cimentos menos moídos (Neville, 1995). Assim, é de maior importância, em termos de durabilidade do betão eliminar a continuidade da rede capilar. Em relação aos microporos também designados de poros do gel que são muito mais pequenos (poucos nanómetros) do que os poros capilares é importante referir que durante a 18

17 Durabilidade hidratação e excepto para os cimentos com elevado teor de C 2 S verifica-se um crescimento das partículas de gel apenas em número e portanto as partículas previamente formadas não aumentam de tamanho. De facto, quer o volume total dos poros capilares quer o seu diâmetro diminuem com a redução da relação água/cimento e aumento do grau de hidratação do cimento que, por sua vez, depende da duração de cura e idade do betão. Em termos comparativos, o betão resultante de uma relação água/cimento elevada tem uma estrutura com muitos poros onde se desenvolvem durante o endurecimento, cristais hexagonais de hidróxido de cálcio e também agulhas de etringite (sulfoaluminato de cálcio), plaquetas de monosulfoaluminato e silicatos de cálcio hidratados (CSH). Pelo contrário, o betão com relação água/cimento muito reduzida é composto por uma pasta densa e homogénea de aspecto amorfo sem a presença dos ditos cristais e contendo partículas de cimento não hidratado. Uma segunda diferença diz respeito à interface inerte-pasta de cimento. De facto num betão usual a zona de interface é mais porosa do que a restante pasta de cimento e apresenta cristais bem desenvolvidos enquanto que em betões resultantes de uma relação água/cimento reduzida desenvolve-se um contacto íntimo entre o inerte e a pasta envolvente. Estas diferenças tem como consequência que enquanto que em betão usual os inertes são praticamente demitidos das tensões instaladas devido à elevada porosidade da zona de transição, em betão resultante de uma baixa relação água/cimento os inertes participam activamente na transmissão das tensões instaladas (Aitcin, 1997) MECANISMOS DE TRANSPORTE A estrutura porosa do betão endurecido, sobretudo da rede capilar, é o factor decisivo em termos de durabilidade, pois esta depende principalmente da facilidade com que os fluídos, sobretudo água pura ou com substâncias dissolvidas, dióxido de carbono e oxigénio, penetram e se movimentam através da rede porosa, sobretudo nos capilares que formam uma rede contínua pois os microporos ou poros do gel já são demasiado pequenos para intervirem e os macroporos, em geral, estão isolados da rede. A esta "facilidade" ou "penetrabilidade" é em geral associado o termo permeabilidade do betão, envolvendo os seguintes mecanismos de transporte através do rede porosa: a) permeação ou permeabilidade, b) sucção capilar (ou absorção) e c) difusão. 19

18 Capítulo 1 Estes mecanismos são descritos em seguida. a) Permeação ou permeabilidade no sentido restrito, diz respeito ao caudal escoado através do sistema poroso, em condições de saturação, causado por um gradiente de pressão (gradiente hidráulico, no caso de betão submerso). Este fenómeno é regido pela Lei de Darcy, se o escoamento for laminar não turbulento e permanente (deduzida para um maciço incoerente por Darcy), em que: V = ki V - velocidade da circulação da água (m/s) H i = - gradiente de pressão hidráulica (adimensional) L k - coeficiente de permeabilidade (dimensões de uma velocidade) à água (m/s) Como a velocidade de escoamento é o quociente entre o caudal Q (m 3 /s) escoado por unidade de área total A (m 2 ) e o gradiente hidráulico é o quociente entre a pressão aplicada à superfície da peça de betão, expressa com coluna de água H (m) e o percurso L (m) percorrido pela água, tem-se: Q H V = = k (1.1) A L Como nota refere-se que k está relacionado com a permeabilidade intrínseca do betão K (m 2 ) que é uma grandeza independente de fluido em causa, da seguinte forma (Neville, 1995). k = Kρg η em que: ρ - massa específica do fluído (kg/m 3 ) η - viscosidade dinâmica do fluído (N.s/m 2 ) g - aceleração da gravidade. A expressão 1.1 permite então determinar o coeficiente de permeabilidade quando o fluido em causa é a água, e se verifica regime permanente que, certamente é uma abordagem simplificada pois o gradiente hidráulico não é constante e não se conhece ainda a lei de variação de pressão no interior do betão (Coutinho e Gonçalves, 1994). 20

19 Durabilidade Os valores do coeficiente de permeabilidade para o betão variam sensivelmente de -16 a - m/s (Geiker et al, 1995). Para determinar o coeficiente de permeabilidade à água é necessário que o betão esteja saturado, evitando assim o mecanismo de absorção por capilaridade e também fenómenos de fricção para que se atinja, ao fim de mais ou menos tempo, um fluxo estacionário, o que não é muitas vezes possível em betões menos permeáveis mesmo empregando pressões elevadas (3,5 MPa) durante longos períodos (5000 horas). Para estes últimos betões é utilizado então um método não estacionário que consiste em medir a profundidade de penetração da água sob pressão (Khatri e Sirivavtnanon, 1997). Isto é, os métodos para determinação da permeabilidade à água dividem-se em duas categorias: 1) Método de escoamento de água sob pressão que consiste em submeter a determinado gradiente hidráulico, um provete de betão de preferência de pequena espessura de modo a que o fluxo se dê em condições estacionárias, o que se torna, em geral, possível quando o provete está totalmente saturado anulando-se as forças capilares e verificando-se, na prática, uma diminuição de pressão inicial e posterior estabilização da mesma. Existem vários tipos de equipamento apropriados para aplicação deste método de escoamento de água sob pressão para cálculo do coeficiente de permeabilidade à água (expressão 1.1), entre os quais os indicado nas Figuras 1.13 e chapa de aperto 150mm provete de betão 50mm camara de ar interior (borracha) água anel limitado (aço) 260mm cinta de PVC cilindro (vedante) de perspex parafuso Figura Célula para o ensaio de permeabilidade à água segundo Cement and Concrete Association (Concrete Society, 1987). 21

20 Capítulo 1 Figura Equipamento usado no LNEC para o ensaio de permeabilidade à água (Coutinho e Gonçalves, 1994). Este tipo de método é usado para betões relativamente muito permeáveis com coeficiente de permeabilidade superiores a cerca de 1.3 x -13 m/s (Khatri e Sirivavtnanon, 1997) como se esquematiza na Figura x -13 método de profundidade de penetração método de escoamento k coeficiente de permeabilidade (m/s) elevada qualidade qualidade média qualidade baixa Figura Qualidade do betão em função do coeficiente de permeabilidade à água k ( a partir de dados de Browne, 1991, Khatri e Sirivavtnanon, 1997 e Appleton, 1997). 2) Método de profundidade de penetração de água sob pressão usado para betões pouco permeáveis ( k <1.3x -13 m/s) em que não é estabelecido um estado estacionário pois o fluxo não chega a atravessar o provete, em que é medida a quantidade de água penetrada ou a profundidade atingida. Neste tipo de ensaios é necessário garantir que o escoamento seja uniaxial o que se consegue, na prática, se a profundidade de penetração da água fôr consideravelmente inferior à largura do provete (Khatri e Sirivavtnanon, 1997). Estes ensaios dependem de inúmeros factores tais como as dimensões e o acondicionamento do provete, da pressão aplicada, das reacções químicas da água com o cimento não hidratado, e ainda das fugas de água por má vedação nos dispositivos confinantes com o provete (Geiker et al, 1995). 22

21 Durabilidade Existem vários tipos de equipamento para estes ensaios, dando-se um exemplo na Figura anel de estanqueidade placa fixa com parafusos parafuso atirantado água sob pressão entrada da água Figura Célula para determinação da profundidade de penetração de água sob pressão (Concrete Society, 1989). Em certas condições é possível calcular o coeficiente de permeabilidade a partir da profundidade de penetração, expressão deduzida por Valenta, 1970 (Concrete Society, 1987; Geiker et al, 1995). em que: k p = 2 d υ (1.2) 2th k p - coeficiente de permeabilidade no método de penetração (m/s) t - tempo de ensaio até ser atingida a profundidade de penetração (s) d - profundidade de penetração (m) h - pressão imposta (m) υ - fracção do volume de betão ocupado por poros não ligados à rede, tais como bolhas de ar, que só se enchem de água quando sob pressão e que toma valores de 0.02 a 0.06 (Neville, 1995). É de referir no entanto que os valores assim calculados são em geral um pouco superiores aos calculados pelo método de escoamento pelo facto de neste último a permeabilidade ser reduzida pela hidratação de partículas de cimento anidras ao longo dos ensaios (Concrete Society, 23

22 Capítulo ). De facto a permeabilidade é função da estrutura porosa mas esta vai-se alterando ao longo do ensaio não só pela aceleração do processo de hidratação facilitado pela pressão de água imposta, como também pela danificação e colmatação de alguns poros devido ao escoamento sob pressão através deles. Assim o escoamento diminui significativamente com o tempo de ensaio, como se pode verificar na Figura 1.17, pelo que os coeficientes de permeabilidade calculados a partir de ensaios de penetração de água sob pressão em que a água nem chega a atravessar o provete são maiores do que os observados em ensaios de escoamento, tanto mais quanto mais demorarem estes ensaios. Aliás nestes últimos ensaios é tomado o valor médio do coeficiente de permeabilidade, ao longo do ensaio (Concrete Society, 1987). Coeficiente de permeabilidade (m/s) dados de Glanville dados de Taywood Engineeruing Duração dos ensaios dias Figura 1.17 Variação de permeabilidade durante a penetração de água (Concrete Society, 1987). Relativamente a recomendações e normas sobre ensaios de profundidade de penetração de água sob pressão existem as normas SS e Din 48/1 e a recomendação ISO/DIS 7031 (Geiker et al, 95) baseada na recomendação RILEM CPC Refere-se também a norma espanhola UNE (1990). Os procedimentos destas normas e recomendações são equivalentes e, segundo a ISO/DIS 7031, o provete é sujeito a uma pressão de 0,1 MPa nas primeiras 48 horas do ensaio, nas 24 horas seguintes a uma pressão de 0,3 MPa e finalmente nas últimas 24 horas a uma pressão de 0,7 MPa. Na norma NP-ENV 206 que remete para a 24

23 Durabilidade recomendação ISO 7031 a determinação da profundidade de penetração, refere-se que um betão é considerado impermeável se a profundidade média é inferior a 20 mm e a máxima é inferior a 50 mm, aos 28 dias de idade. É de referir que as normas inglesas não incluem ensaios de profundidade de penetração de água sob pressão em virtude da dificuldade em localizar a frente de penetração (Concrete Society, 1987) pois o provete deve encontrar-se previamente saturado até ao momento do ensaio segundo a ISO/DIS A norma espanhola UNE (1990) que é idêntica à ISO/DIS 7031 diferindo desta no pormenor do provete ser seco nas 24 horas anteriores ao ensaio numa estufa a 50 ± 5 o C. É evidente que por um lado este procedimento torna possível a visualização de frente de penetração no fim do ensaio quando o provete é aberto, mas por outro está a ser considerado no processo também o mecanismo da absorção para além do da permeação. b) Sucção capilar ou absorção - corresponde a entrada de água na rede porosa do betão devido a forças capilares que resultam da diferença de pressão entre a superfície livre da água no exterior do betão e a sua superfície nos poros capilares e depende do diâmetro capilar. Este mecanismo ocorre se o betão está sujeito a ciclos de molhagem e secagem. Há que distinguir aqui a absorção capilar do termo "absorção" (por imersão) este último correspondendo à quantidade de volume poroso, que é em geral obtido após secagem de um provete e posterior imersão em água até massa constante, medindo-se o aumento de massa expresso em função da massa do provete seco, em percentagem. De acordo com o procedimento usado (temperatura e duração de secagem, tempo de imersão, temperatura da água) os resultados para o mesmo betão são muito dispersos (por exemplo de 3 a 18% - Concrete Society, 1987) pelo que os valores da absorção não são, em geral, usados para medir a qualidade do betão; no entanto a maioria dos betões de boa qualidade tem valores de absorção inferiores a % (Neville, 1995). Na prática interessa considerar e estudar as características de absorção relativamente ao betão de recobrimento das armaduras e por isso foram desenvolvidos vários ensaios que medem a absorção superficial ou perto da superfície do betão, mas em que se impõe uma determinada pressão (água ou ar) embora baixa e ligeiramente superior à que seria causada por chuva batida. Estes ensaios, na realidade, já não são ensaios de absorção pura estando também envolvido o mecanismo de permeação, no entanto dão indicações relativamente à qualidade do betão. Como exemplos poder-se-á referir o ISAT - Initial Surface Absorption Test e o ensaio de Fig. O ISAT encontra-se descrito na norma britânica BS Part (Coutinho e Gonçalves, 1994) e corresponde a um ensaio em que a superfície do betão está sujeita a uma pressão correspondente a uma coluna de água de 200 mm. O de Figg (LNEC E 413) é um ensaio em que o betão está sujeito também a uma determinada pressão, usando-se água ou ar. 25

24 Capítulo 1 Em relação à absorção capilar propriamente dita este mecanismo é muito importante relativamente à maioria das obras em betão na medida em que constitui um dos mecanismos preponderantes na entrada de água e de agentes agressivos nela dissolvidos no betão de recobrimento das armaduras. Difere da permeação e absorção por imersão pois não é causada por gradientes hidráulicos. Em termos de modelização, o mecanismo da absorção por capilaridade verifica-se quando um líquido, neste caso a água, está em contacto com um capilar, estabelecendo-se uma diferença de pressão entre a sua superfície livre e a superfície da água dentro do capilar. Essa diferença de pressão p (pressão de ascenção capilar, por exemplo g/mm 2 ), é dada pela Lei de Jurin e se o líquido molhar perfeitamente a parede do capilar (ângulo de molhagem igual a zero), tem-se que: p = 2δ r em que: r (mm) é o raio do capilar δ (g/mm) é a tensão superficial do líquido. Igualando a pressão de ascensão capilar (vertical) p ao peso da coluna de líquido que a equilibra, neste caso a água, tem-se que, no fim da ascensão: 2δ = ρh r em que: ρ - peso específico da água (1 a -3 g/mm 3 ) h - altura da ascensão capilar (mm) δ - 75 x -4 g/mm vem que 2δ 15 h (mm) = = (1.3) rρ r Em geral a água não pode subir tão alto em virtude da evaporação. Se atingido um estado estacionário (movimento sem aceleração) de sucção capilar, na prática se o raio do poro for superior a 0,1 µm, então a velocidade de ascensão capilar V à dada pela Lei de Poiseuille: 26