Avaliação das Características do Concreto quando Submetido à Degradação de Origem Química

Transcrição

1 Avaliação das Características do Concreto quando Submetido à Degradação de Origem Química Jairo José de Oliveira Andrade (1); Francisco Teston Tisbierek (2); Letícia Ponce Rosa Rather (3); Thiago Ricardo Santos Nobre (4) (1) Professor Doutor, Curso de Engenharia Civil, Universidade Luterana do Brasil (ULBRA); Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUC/RS) (2, 3, 4) Acadêmicos do Curso de Engenharia Civil, Universidade Luterana do Brasil (ULBRA) Universidade Luterana do Brasil (ULBRA). Curso de Engenharia Civil, Rua Miguel Tostes, 11, prédio 11, sala 24, São Luís, Canoas, RS. CEP: Palavras Chaves: concreto, durabilidade, cimentos, dosagem, ataque químico Resumo O concreto é o material de construção mais empregado na Construção Civil, se comparado a outros processos construtivos, por suas excelentes qualidades técnicas. Porém, apesar das inúmeras características positivas que favorecem o seu uso, se o mesmo for empregado em ambientes agressivos (áreas marítimas, plantas industriais, por exemplo), dosado e moldado de maneira inadequada, podem ocorrer problemas em sua estrutura, tanto química quanto física, durante a sua vida útil. Neste trabalho buscou-se a avaliar a correlação existente entre a relação a/c (,42,,2,,63) e 2 tipos de cimento (CP IV e CP V) com a perda de massa de corpos-de-prova expostos à ataque químico com ácidos (lático, acético, clorídrico). Foram realizados ensaios de resistência à compressão e absorção por imersão em corpos-de-prova cilíndricos (1 x 2 cm) aos 3, 7, 28 e 63 dias. Também foram moldados corpos-de-prova prismáticos de dimensões cm x cm x 2 cm que foram imersos em soluções de ácidos com uma concentração fixa igual a 14%. Com base nos resultados obtidos verificou-se que o ácido lático provoca o ataque mais severo ao concreto, seguido do ácido clorídrico, e do ácido acético. Além disso pôdese analisar que o concreto dosado com relação água/cimento mais alta teve um menor desempenho que aquele dosado com a relação água/cimento mais baixa e, também, o cimento CP V teve um desempenho ligeiramente inferior ao cimento CP IV. Desta forma, através dos resultados apresentados, torna-se visível a importância da dosagem do concreto, no sentido de minimizar a sua degradação quando exposto a ambientes agressivos.

2 1 Introdução A degradação das estruturas de concreto pode ocorrer devido a ações de origem física (como as fissuras), eletroquímicas (como a corrosão de armaduras) e químicas (contato de soluções agressivas ao material). Segundo MEHTA e MONTEIRO (1994) e NEVILLE (1997), a resistência do concreto a processos destrutivos iniciados por reações químicas envolve geralmente interações entre agentes agressivos presentes no meio externo e os constituintes da pasta de cimento. Em uma pasta de cimento Portland hidratada, a fase sólida composta de silicatos de cálcio relativamente insolúveis encontra-se em um equilíbrio estável, com o fluido dos poros com alto ph (entre 12, e 13,). Assim, qualquer meio com ph menor que 12, pode ser considerado como agressivo, pois a redução da alcalinidade nos poros levaria a uma desestabilização dos produtos finais de hidratação. Os efeitos observados desse processo de deterioração são o aumento da porosidade e da permeabilidade, diminuição da resistência mecânica, fissuração e lascamento do material (MEHTA e MONTEIRO, 1994). O contato do concreto com soluções ácidas ocorre em uma grande quantidade de ambientes, principalmente naqueles onde prepondera o microclima industrial. Na indústria petrolífera, segundo MIRANDA & GOLD (1996), é observado o ataque de soluções com baixos ph utilizadas na acidificação dos poços de petróleo para aumento da produção sobre as áreas cimentadas. Outro fator de degradação ocorre através da ação das bactérias que transformam enxofre, que é um material comum em matérias orgânicas, em substâncias altamente agressivas. De acordo com PICCOLI (1996) bactérias chamadas Dessulfovíbrios, presentes nas águas do Porto de Vila do Conde PA, liberam ácido sulfídrico, o qual em contato com a água é agressivo ao concreto e possui ação descalcificante. Nas indústrias de laticínios, papel, fertilizantes e nas estações de tratamento de água e esgoto, o concreto é alvo de elevada agressividade, principalmente por ataque ácido, que pode ter várias origens (HELENE, 1993; DAL MOLIN et al., 1996; ANDRADE, 21). Da mesma forma, os agentes alcalinos são agressivos ao concreto, quando em soluções básicas concentradas, que podem ocasionar a solubilização de silicatos e aluminatos formados na hidratação do cimento. Também os sais podem ser agressivos ao concreto, uma vez que ao contribuir na diminuição da resistividade propiciam o início e propagação da corrosão das armaduras (GENTIL, 1996). Uma forma de degradação do concreto através da ação química é a hidrólise dos componentes da pasta de cimento. Tal fenômeno ocorre quando o concreto é posto em contato com águas com baixo teor de cálcio dissolvido. No momento em que esse tipo de água entra em contato com a pasta de cimento Portland, elas tendem a hidrolisar ou dissolver os produtos contendo cálcio, principalmente o hidróxido de cálcio [Ca(OH) 2 ], expondo os demais constituintes do cimento à decomposição química. Outra forma de deterioração do material está relacionada com a ação de alguns tipos de sais. De acordo com GENTIL (1996), a ação desses elementos ocorre na pasta de cimento ou na armadura. Por exemplo, os sais de amônio são destrutivos porque reagem com o hidróxido de cálcio, liberando amônia

3 (NH 3 ). O magnésio, na forma de sulfato (MgSO 4 ) também reage com o Ca(OH) 2, produzindo o hidróxido de magnésio insolúvel [Mg(OH) 2 ]. Outras substâncias bastante agressivas à pasta de cimento são o cloreto de ferro (FeCl 3 ) e de alumínio (AlCl 3 ), pois formam sais solúveis quando adicionados à água. Além disso, deve-se considerar a ação destrutiva de alguns tipos de sais, principalmente os sulfatos, que podem levar à uma expansão do concreto com a perda da capacidade resistente do elemento estrutural (MEHTA e MONTEIRO, 1994). GENTIL (1996) cita que não deve-se considerar apenas os efeitos da redução do ph como uma das conseqüências do ataque por ácidos, mas também a parte aniônica dos mesmos. Por exemplo, no caso do ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ), além da ação ácida, há a formação dos íons sulfatos (SO 4-2 ), que podem causar a expansão do material. Caso uma estrutura esteja em contato com soluções que contenham certos tipos de ácidos (acético, clorídrico, lático, entre outros) ocorre uma troca de cátions entre os componentes da pasta de cimento e as soluções ácidas. Os produtos resultantes dessa troca são sais solúveis de cálcio, que podem ser removidos por lixiviação (BICZÓK, 1964). O ácido lático (CH 3.CHOH.COOH), encontrado em indústrias de laticínios, a partir da fermentação da lactose, ataca com grande severidade o hidróxido de cálcio presente na pasta de cimento Portland (BICZÓK, 1964). Além disso, a fermentação do leite no interior das juntas pode causar uma degradação do material e a produção de odores intensos. De acordo com BICZÓK (1964), o ácido acético (CH 3.COOH) é um produto de oxidação do álcool, sendo um dos mais fortes ácidos orgânicos produzidos nas indústrias químicas, principalmente nas de alimentos. Assim como o ácido lático, tal elemento combina-se com o Ca(OH) 2, formando acetato de cálcio, que é um elemento altamente solúvel. Experimentos citados por BICZÓK (1964) citam que soluções com concentrações entre 3 e % já se apresentam como sendo prejudiciais ao concreto. Já o ácido clorídrico comercial (HCl) é um ácido inorgânico que é utilizado comercialmente para limpeza em geral. Tal material ataca o concreto, lixiviando os produtos de cálcio e acarretando uma degradação da pasta de cimento, com a formação do cloreto de cálcio (CaCl 2 ). Através da realização de experimentos em argamassas de cimento Portland, BICZÓK (1964) mostrou que concentrações acima de % podem causar uma significativa perda de resistência dos materiais investigados. Dentro desses processos de degradação química, uma das primeiras medidas que podem ser adotadas para minimizar a ação dos agentes de degradação consiste na adequada escolha do tipo de cimento. MONTEIRO et al. (2), através de análises de expansões por sulfatos em corpos-de-prova por um período superior a 4 anos em ensaios não acelerados, mostraram que os cimentos que possuíam teores de C 3 A menores que 8% apresentaram taxas de expansão significativamente inferiores aos cimentos com teores de C 3 A maiores que 8%. PREZZI (199) cita que, para minimizar a probabilidade de ocorrência da reação álcali-agregado, deve-se utilizar um cimento com baixos teores de álcalis equivalentes (Na 2 O +,68.K 2 O). Uma das formas de avaliar a capacidade de proteção de um tipo de cimento em relação ao ataque químico é através da perda de massa. DE BELIE et al. (1997) realizaram um estudo sobre o comportamento de concretos

4 moldados com adições de sílica ativa e cinza volante frente à ação do ácido láctico e ácido acético, mostrando que os concretos moldados com adição de cinza volante foram aqueles que apresentaram uma menor perda de massa, em comparação com os demais. Em outro trabalho DE BELIE et al. (1997a) observaram o comportamento de cimento com escória de alto forno e cimento aluminoso frente à ação de ácido acético e ácido láctico, indicando que o cimento aluminoso apresentou uma maior resistência à ação das soluções ácidas utilizadas, principalmente, para soluções de ph muito baixo. Há, no entanto, restrições quanto ao uso deste tipo de cimento, devido ao processo de conversão deste, que é uma reação química interna que causa queda na resistência à compressão dos seus concretos em mais de %. Apesar de todo agente ácido exercer uma influência e dano sobre as estruturas de concreto armado, torna-se necessário quantificar e compreender a relação existente entre a ação de tais agentes e alguns parâmetros importantes na dosagem do concreto, como a relação a/c e o tipo de cimento empregado. Em função das considerações apresentadas, estudos devem ser realizados no sentido de verificar a possível relação existente entre tais parâmetros e a perda de massa de concretos moldados com diferentes tipos de cimento, quando submetidos à ação de alguns agentes agressivos. 2 Procedimento Experimental Os materiais que foram empregados na investigação estão apresentados a seguir: Cimento: 2 tipos (CP IV e CP V) Agregado miúdo: areia média Agregado graúdo: brita basáltica (D máx = 19 mm) Água: proveniente da rede pública de abastecimento Relações a/c:,42 (Traço 1:3,);,3 (Traço 1:) e,62 (Traço 1:6,) Método de dosagem: IPT/EPUSP (HELENE e TERZIAN, 1993) Teor de argamassa empregado (α): 49% Abatimento: 6, ± 1, cm Foram moldados corpos-de-prova cilíndricos (1 cm x 2 cm) e prismáticos ( cm x cm x 2 cm) para a realização dos ensaios de resistência mecânica e ataque químico. Os corpos-de-prova cilíndricos foram utilizados no ensaio de resistência à compressão axial (NBR 739, 1994) e no ensaio de absorção d água por imersão (NBR 9778, 1987). Após a produção dos concretos, os espécimes foram desmoldados após 24 horas e colocados em cura saturada em câmara úmida, de onde foram retirados para a realização dos ensaios de resistência mecânica e absorção nas idades pré-determinadas (3, 7, 28 e 63 dias). Os corpos-de-prova prismáticos foram inseridos em soluções contendo ácido lático, acético e clorídrico em uma concentração igual a 14%. Após 24h os mesmos foram desmoldados e submersos em água para a realização da cura por 28 dias, conforme o procedimento adotado em DAL MOLIN et al. (1996). Terminado o período estipulado para a cura, os espécimes foram retirados e deixados secar ao ar por 24h e, logo após, foram pesados. Após a

5 pesagem, foram totalmente imersos nos respectivos ácidos por dias. A fim de acelerar o processo de corrosão, estes corpos-de-prova foram retirados do recipiente contendo ácido e lavados, para retirar os resíduos de concreto, além dos sais solúveis resultantes das trocas químicas entre o cimento e a solução ácida depositados na sua superfície, deixando-os secar ao ar livre por seis dias, conforme esquematizado na Figura 1. Passado este período, fecha-se o ciclo de 11 dias iniciando-se outro. Fez-se a pesagem e a imersão novamente, até que os corpos-de-prova apresentassem uma perda de massa relevante. As pesagens foram realizadas para verificar a perda de massa a cada ciclo, para um mesmo corpo-de-prova. Pesagem 1 Imersão (d) Secagem (6d) Lavagem Pesagem 2 1 o Ciclo (11 dias) Figura 1 Representação esquemática de um ciclo de ensaios para um corpode-prova submetido à degradação química 3 Resultados e Discussão 3.1 Resistência Mecânica Os resultados do ensaio de resistência mecânica para o cimento CP IV estão apresentados na Figura 2, enquanto que os resultados para o cimento CP V estão mostrados na Figura 3.

6 fc (MPa) 7 6 Idades 3 dias 7 dias 28 dias 63 dias C(kg/m³) a/c Abatimento = 7 ± 1 mm m(kg/kg) Figura 2 Diagrama de dosagem para o cimento CP IV fc (MPa) 7 6 Idades 3 dias 7 dias 28 dias 63 dias C(kg/m³) a/c Abatimento = 7 ± 1 mm m(kg/kg) Figura 3 Diagrama de dosagem para o cimento CP V

7 Verifica-se que o cimento CP V apresenta uma maior resistência mecânica para todos os traços e relações a/c avaliadas, considerando a mesma idade de ruptura dos corpos-de-prova. Tal fato já é conhecido do meio técnico-científico, onde o CP V, por ter uma maior quantidade de C 3 A na sua composição química e apresentar uma maior finura, apresenta maiores resistências que o CP IV. Contudo, deve-se ter em mente que concretos que apresentam uma resistência mecânica elevada não apresentam necessariamente uma grande resistência às agressões de origem química. ANDRADE (23), em uma avaliação da vida útil de concretos moldados com os cimentos CP IV e CP V através da análise de confiabilidade, observou que o cimento CP V, verificou que o CPV, embora tivesse uma maior resistência à compressão, apresentou um menor índice de confiabilidade que o cimento CP IV no decorrer do tempo. PIMENTEL et al. (21) citam também que não há uma relação direta entre a resistência aos ataques químicos e as propriedades mecânicas do material. 3.2 Absorção por Imersão Na Figura 4 está apresentado o gráfico de absorção para os corpos-deprova moldados com o cimento CP IV, enquanto que na Figura estão mostrados os mesmos resultados para o CP V, para os traços e idades avaliadas. 7 6 Absorção (%) Traço 1 : 3, Traço 1 :, Traço 1 : 6, 3 dias 7 dias 28 dias 63 dias Figura 4 Resultado do ensaio de absorção por imersão nos corpos-de-prova para o cimento CP IV

8 Absorção (%) Traço 1 : 3, Traço 1 :, Traço 1 : 6, 3 dias 7 dias 28 dias 63 dias Figura Resultado do ensaio de absorção por imersão nos corpos-de-prova para o cimento CP V Pode-se verificar que, quanto menor a relação a/c, menor a passagem de água para o interior do concreto, em função da minimização da conexão existente entre os capilares. Além disso, quanto maior a idade de ensaio menor a absorção, em função da contínua hidratação do cimento, preenchendo os vazios presentes no interior do material. Na Figura 6 está apresentada uma comparação da absorção entre os corpos-de-prova de relação a/c igual a,3 moldados com os cimentos estudados, onde verifica-se que o cimento CP V apresenta uma menor absorção que o CP IV, onde tal comportamento também foi observado para os demais traços estudados. 7 6 Absorção (%) CP IV CP V 3 dias 7 dias 28 dias 63 dias Figura 6 Resultado do ensaio de absorção por imersão nos corpos-de-prova de traço 1 :,

9 Observa-se também que o cimento CP IV apresenta uma maior absorção d água que o CP V principalmente nas menores idades. Isso ocorre devido à maior densificação microestrutural causada pela maior hidratação do CP V nas menores idades. Em função da característica lenta da reação pozolânica, o cimento CP IV apresenta uma maior absorção nas menores idades, onde com o passar do tempo há a formação do CSH secundário, acarretando uma diminuição da absorção de água para o interior do material aos 63 dias. 3.3 Ataque Químico Para a realização das análises foram calculadas as perdas de massa (em percentual) correspondentes a média de 3 corpos-de-prova que foram imersos nas soluções correspondentes, onde vale salientar que cada ciclo corresponde a um período de 11 dias. Desta forma, na Figura 7 estão apresentados os resultados dos ensaios de imersão dos corpos-de-prova nas soluções químicas para o cimento CP IV. Perda de massa (%) Lático Acético Clorídrico 1 ciclo 2 ciclo 3 ciclo 4 ciclo ciclo Perda de massa (%) Lático Acético Clorídrico 1 ciclo 2 ciclo 3 ciclo 4 ciclo (a) (b) Perda de massa (%) ciclo 2 ciclo 3 ciclo 4 ciclo ciclo (c) Lático Acético Clorídrico Figura 7 Gráficos de perda de massa para o cimento CP IV: (a) traço 1 : 3,; (b) traço 1 :,; (c) traço 1 : 6, Primeiramente pode-se verificar que o ácido lático leva a uma maior perda de massa que os demais produtos químicos, independentemente do

10 traço avaliado. Logo após, em ordem decrescente de agressividade, vem o ácido clorídrico seguido pelo ácido acético. Também pode ser observado que, quanto maior a relação a/c, maior a perda de massa para um determinado tipo de ácido. Essa perda de massa não se apresenta tão significativa ao se comparar os espécimes moldados com as relações a/c,42 e,3. Contudo, para a maior relação a/c avaliada (,62), a perda de massa foi maior que nos demais casos. Isso se justifica através da elevada porosidade dos concretos, que permitiam o fluxo de substâncias agressivas para o interior do material, degradando-o. Tal comportamento também foi observado nos corpos-de-prova moldados com o cimento CP V, conforme mostrado na Figura 8. Perda de massa (%) Lático Acético Clorídrico 1 ciclo 2 ciclo 3 ciclo 4 ciclo ciclo (a) Perda de massa (%) Lático Acético Clorídrico 1 ciclo 2 ciclo 3 ciclo 4 ciclo ciclo (b) Perda de massa (%) ciclo 2 ciclo 3 ciclo 4 ciclo ciclo (c) Lático Acético Clorídrico Figura 8 Gráficos de perda de massa para o cimento CP V: (a) traço 1 : 3,; (b) traço 1 :,; (c) traço 1 : 6, Verifica-se que para o cimento CP V a perda de massa foi mais pronunciada que para o cimento CP IV, considerando um mesmo tipo de ácido para uma dada relação a/c. Para o caso do cimento CP IV, e considerando a relação a/c igual a,3 (Figura 7b), verifica-se que o experimento foi conduzido até o 4 o ciclo, em função de problemas de ordem experimental. Conforme registra a literatura (BICZÓK, 1964; DE BELIE et al., 1997), os cimentos com adições apresentam uma melhor resistência à degradação provocada por agentes ácidos.

11 3 Considerações Finais É clara a importância que deve ser dada às características do concreto quando submetidos à degradação de origem química. Entre os fatores que governam essas características, a escolha adequada do tipo de cimento e da relação a/c deve ser levada em consideração. Desta forma, com os resultados obtidos no presente trabalho, algumas considerações de cunho geral podem ser colocadas: deve-se levar em consideração que não existe uma relação direta entre a resistência mecânica e a resistência do concreto quando submetido aos ataques químicos, pois a capacidade de proteção do material está mais relacionada com o tipo do cimento empregado; a absorção do concreto aumenta com o crescimento da relação a/c e diminui com a idade dos corpos-de-prova avaliados. Além disso, os cimentos com adições apresentam uma maior absorção que os cimentos que apresentam um menor teor de adições a menores idades; o ataque químico ao concreto foi mais pronunciado para o ácido lático, seguido do ácido clorídrico e do ácido acético, independente da relação a/c e do tipo de cimento adotado; e os cimentos com adições geralmente apresentam uma menor degradação química (representada pela menor perda de massa dos espécimes), considerando a mesma relação a/c e agente químico, que os cimentos sem adições. 4 Referências Bibliográficas ANDRADE, J. J. O. Avaliação da Vida Útil de Concretos Moldados com Diferentes Tipos de Cimentos Considerando Aspectos Probabilísticos. In: Congresso Nacional sobre Patologia e Reabilitação de Estruturas. Anais. Sobral, 23. 1p. ANDRADE, J. J. O. Danos e Formas de Recuperação em Estruturas de Concreto Armado. Apostila. Curso de Especialização/Extensão em Engenharia Civil. Porto Alegre, 21. 7p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Argamassa e Concreto Endurecido Determinação da Absorção de Água por Imersão, Índice de Vazios e Massa Específica. NBR Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Concreto Ensaio de Compressão em Corpos-de-Prova Cilíndricos. NBR 739. Rio de Janeiro, BICZÓK, I. Concrete Corrosion and Concrete Protection. Akadémiai Kiadó, p. DAL MOLIN, D. et al. Estudo de Concretos com Adição de Sílica Ativa (Microssílica) Frente ao Ataque de Agentes Agressivos para Emprego em Pisos Especiais. In: 1 st International Congress on High-Performance Concrete and Performance and Quality of Concrete Structures. Proceedings. Florianópolis, p

12 DE BELIE, N.; COSTER, V.; NIEUWENBURG, D. V. Use of Fly Ash or Silica Fume to Increase the Resistence of Concrete to Feed Acids. Magazine of Concrete Research, v. 49, n. 181,, p GENTIL, V. Corrosão. 3ª Ed. Livros Técnicos e Científicos. Rio de Janeiro, p. HELENE, P. Contribuição ao Estudo da Corrosão em Armaduras de Concreto Armado. São Paulo, 1993, 271 p. Tese (Livre Docência) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. HELENE, P.R.L., TERZIAN, P. Manual de dosagem e controle do concreto. São Paulo: PINI, p. MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais. 1ª Ed. São Paulo. Ed. PINI, p. MIRANDA, C.R.; GOLD, J.S. Estudo do Ataque de Soluções Ácidas ao Cimento. In: Congresso de Química do Cimento, Anais, São Paulo, MONTEIRO, P. J. M et al. Empirical Models to Predict Concrete Expansion Caused by Sulfate Attack. ACI Materials Journal, v. 97, n. 16, 2; errata v. 97, n. 173, 2. NEVILLE, A. Propriedades do Concreto. Ed. PINI, 2ª Edição. São Paulo, p. PICCOLI, G. M. Procedimentos Adotados para Definir o Tipo de Cimento e o Concreto Resistente à Ação de Bactérias Agressivas em Obras Portuárias no Pará. In: 4º CONGRESSO DE QUÍMICA DO CIMENTO, Anais, São Paulo, p PIMENTEL, H. et al. Influência de Alguns Agentes Agressivos na Resistência à Compressão de Concretos Amassados com Diferentes Tipos de Cimentos Brasileiros. Boletim Técnico da USP. BT/PCC/286, p. PREZZI, M. Analysis of the Mechanisms of Concrete Deterioration. PhD Thesis. University of California, Berkeley, p.