reabilitar2010 EFEITOS ESTRUTURAIS DAS ALCALIS-SÍLICA NAS ESTRUTURAS DE BETÃO REACÇÕES Júlio Appleton Profeor Catedrátio Intituto Superior Ténio ICIST Liboa julapple@ivil.it.utl.pt António Cota Profeor Auxiliar Intituto Superior Ténio ICIST Liboa aota@ivil.it.utl.pt SUMÁRIO O artigo tem omo objetivoo analiar o efeito etruturai da reaçõe alali ília no omportamento e egurança de etrutura de betão armado. Será apreentada a análie do efeito dea reaçõe expaniva betão e no efeito globai na etrutura. na fendilhação do Ee etudo erá ilutrado om exemplo de ponte afetada por ete fenómeno. Palavra-have: Reaçõe ASR; Deterioração.
1. INTRODUÇÃO A reaçõe expaniva de origem interna no betão ão em onjunto om a orroão de armadura a prinipai anomalia na etrutura de betão. Eta reaçõe etão aoiada à preença de agregado (Fig. 1) que reagem quimiamente om o hidróxido de ódio preente no betão originando óxido e hidróxido de ília e ódio que etão aoiado a um aumento de volume, no interior do betão. Figura 1. Ilutração de um agregado reativo Ete aumento de volume gera força interna que riam tenõe no betão apaze de o fendilhar, quando e atinge a ua reitênia à tração. O gele aoiado à referida reaçõe tendem a migrar para a uperfíie originando uma maração da fenda (om apeto de humidade reente) ou a deoloração da uperfíie (Fig. 2). Figura 2. Apeto uperfiial da fenda aoiada a reaçõe ASR
Ea fendilhação é frequentemente irregular (tipo raquelet ) ) ma pode também apreentar uma orientação definida quando o onfinamento (ou tenõe de ompreão exitente exit na etrutura) impede ea fendilhação om qualquer orientação (Fig. 3 e 4).. Figura 3. Apeto viual da fendilhação em viga vig de um tabuleiro de uma ponte Ete problema oorrem quando exite exit uma quantidade ufiiente de alali no betão, agregado reativo numa erta quantidade e preença de água para hidratar o gel. Figura 4. Fendilhação vertial num pilar de um ponte loalizada na albufeira de uma barragem. A fendilhação ainda não e verifia na zona uperfiial do pilar, aima do nível máximo da água da albufeira Na última déada têm-e e identifiado numeroa obra de betão om ete problema, em partiular ponte e barragen A identifiação da preença dea reaçõe é fáil. Em muito ao uma inpeção viual é ufiiente para ea identifiação.
A onfirmação da oorrênia dea reaçõe e da preença de agregado reativo pode er feita extraindo amotra (arote) de betão e realizando a ua análie químia ou petrográfia ou realizando o enaio de pulverização da uperfíie do betão da arote om aetato de uranito e iluminando-a om luz UV obervando-e a fluoreênia dee omponente (Fig. 5). Figura 5. Enaio de identifiação do agregado reativo É também poível realizar enaio para avaliação da reatividade reidual do agregado ao álali, para efetuarmo o prognótio da evolução dea reaçõe, traduzido por exemplo pela deformação de expanão reidual do betão. Importa referir que eta reaçõe etão aoiada a deformaçõe enorme que hegam a ultrapaar o 500 x 10-5 = 5 o que equivale (ε = α T) a uma variação de temperatura de 500 C. Ete valore expliam o dano brutai que e obervam nalguma obra, aoiado a ete fenómeno. Reonheendo-e a gravidade do problema e a impoibilidade de remover do betão o ontituinte aoiado a ea reaçõe, reta pratiamente a poibilidade de reduzir o teor em água da amada uperfiial do betão (uma vez que ditânia da ordem do 15m da uperfíie o betão mantém o eu poro em etado aturado) e monitorizar a etrutura. Eta omuniação tem omo objetivo analiar a onequênia etruturai deta reaçõe. Importa referir que ao produzir a fendilhação do betão eta reaçõe vão gerar uma aeleração do proeo de depaivação da armadura e onequente orroão. 2. EFEITOS ESTRUTURAIS DA REACÇÃO ÁLCALIS-SÍLICA Para além da manifetaçõe à uperfíie do betão a fendilhação do betão vai originar o eguinte fenómeno:
Corroão de armadura om a onequente perda de eção da armadura, delaminação e perda da eção do betão, perda de aderênia aço-betão e redução da dutilidade da armadura. Introdução de tenõe de tração na armadura que atraveam a fenda, à quai é impota a deformação de expanão obervada. Ea traçõe podem atingir valore que originam a edênia da armadura endo então a deformação de expanão onentrada numa extenão reduzida junto à fenda (da ordem do 5 a 10 m), o que e traduz numa tranferênia mai gravoa da extenão para a armadura, podendo originar a ua rotura (quando atingida a extenão última do aço). Ete é talvez o apeto mai grave dete proeo de deterioração, o qual poderá vir a reduzir ignifiativamente a egurança da obra e pôr em aua a ua utilização e egurança. Redução da araterítia da deformabilidade (redução do módulo de elatiidade do betão) e da reitênia do betão. Expanão global da obra, verifiando-e em vária ituaçõe que no Inverno a ontração devida à redução da temperatura é largamente ultrapaada pela reaçõe expaniva, favoreida pela maior preença de água nee período. Neta ituação pode oorrer o emagamento da etrutura, e a expanão não for permitida, om dano evero omo o repreentado no apoio da viga de um viaduto, ilutrado na Fig. 6. Figura 6. Emagamento do apoio de uma viga e reontrução dea zona de apoio 3. MODELAÇÃO DOS EFEITOS ESTRUTURAIS DAS REACÇÕES ÁLCALIS- SÍLICA a) Efeito etruturai em laje e viga A fendilhação em elemento de betão armado apreenta em geral uma geometria irregular em orientação preferenial, podendo no entanto aumentar a abertura de fenda aoiada também a efeito etruturai da arga permanente.
Nete tipo de ituação (ver Fig. 3) a apaidade reitente da viga não é ignifiativamente afetada por ete proeo. Em viga de betão pré-eforçado ea fendilhação pode ter uma orientação horizontal preferenial uma vez que na direção perpendiular ao pré-eforço a viga etá préomprimida. Figura 7. Equema implifiado do omportamento de uma viga pré-eforçada, apreentando fendilhação horizontal e exemplo ilutrativo Nete tipo de ituaçõe a fendilhação horizontal poderá originar a rotura do etribo da viga e afetar ignifiativamente a apaidade reitente quer à flexão quer ao eforço tranvero. Para além dete apeto o eventual emagamento na zona do apoio (Figura 6) pode também pôr em aua a apaidade de tranmião de arga para o apoio e originar uma rotura loal da etrutura. b) Efeito etruturai em pilare Para analiar o efeito etruturai em pilare onidera-e um pilar irular maiço de uma ponte omo o repreentado na figura 5. Para etudar o efeito de expanão interna da reaçõe alali-ília modelou-e uma eção de um pilar om 2,60m de diâmetro om uma malha de elemento finito inluindo a armadura de intagem do pilar e apliou-e uma variação de temperatura de 1 C em toda a eção do betão, verifiando-e que a eção não apreenta pratiamente tenõe de tração no betão, o que ignifia que a modelação do proeo da reaçõe expaniva não etá orreta.
i.1) Tenõe no betão: i.2) Força / tenõe na armadura: omp = 0. 60KPa tra 0 KPa F = 0. 83kN tra = 2. 13MPa NOTA: Eta modelação não onidera o efeito loal da expanão do agregado. O modelo indiado em ii) é mai realita. Figura 8. Modelo de eção ujeita a variação de temperatura unitária no elemento de betão Se em vez de uma apliação de uma variação de temperatura em toda a eção, o fizermo apena nalgun elemento eolhido arbitrariamente obtemo a ditribuição de tenõe indiada na figura 10, revelando que eta modelação é razoável e tem orrepondênia om a ação loalizada do fenómeno de expanão no interior do betão ii) Ação impota em divero ii.1) Tenõe no betão: elemento (aleatoriamente): tra = 88KPa ξ T=1ºC tra = 25KPa ii.2) Força / tenõe na armadura: F = 0. 47kN tra = 1. 2MPa Figura 9. Modelo de eção ujeita a variação de temperatura unitária nalgun elemento (alientado na figura uperior à equerda om maior eureimento)
Com bae nete modelo atingir-e-á a fendilhação para uma variação de temperatura T dada por T 88 kpa = f t = 2000 kpa, ou eja T = 22,7 C (equivalente a uma extenão de ε = α T = 22,7 10-5 Trata-e de um valor reduzido quando omparado om a extenõe obervada em elemento ujeito à reaçõe ASR. Até oorrer fendilhação a tenõe na armadura mantêm um valor reduzido. Continuando no tempo a progreão da expanão devida à reaçõe ASR e modelando agora a eção om fenda obtiveram-e para uma variação de temperatura unitária o reultado apreentado na figura 10 d.2) Situação om fenda: i) Ação impota em divero i.1) Tenõe no betão: elemento (aleatoriamente): tra = 120KPa ξ T=1ºC tra = 25KPa i.2) Força / tenõe na armadura: F = 2. 17kN tra = 5. 52MPa Figura 10. Modelo de eção fendilhada ujeita a variação de temperatura unitária nalgun elemento
A edênia da armadura (A235, por hipótee) oorrerá para uma variação de temperatura de: y = 235MPa = 5,5 T T = 42,6 C Ou eja a edênia da inta do pilar poderá oorrer para uma temperatura de 42,6 C a que orreponde uma extenão equivalente de ε = α T = 42,6 10-5 e uma poível abertura de fenda (para uma ditânia de fenda de 200 mm) de ω = 42,6 10-5 200 = 0,085mm. Apó a edênia da armadura a deformação onentra-e na zona fendilhada. A rotura da inta oorrerá quando e atingir a deformação última do aço. Admitindo ε u = 10% e um omprimento da zona de onentração da deformação de 100mm têm-e que a rotura oorrerá por uma abertura da fenda da ordem de ω = 0,1 100mm = 10 mm, em oniderar o efeito da orroão que terão omo reultado reduzir ignifiativamente ete valor. Têm-e obervado fenda em elemento dete tipo uperiore a 5 mm, endo poível que nee ao já tenha oorrido a rotura da inta. A rotura da inta retira o efeito do onfinamento no betão pilar e da armadura longitudinai e por outro lado elimina a retrição da inta à abertura da fenda no betão. A progreão dete fenómeno etá também aoiado à propagação da fenda para o interior da eção podendo vir a originar o ompleto eionamento da eção. Nea ituação verifia-e uma ignifiativa perda de reitênia em flexão ompota, quer pela alteração da eção efiaz quer pela redução da ontribuição da armadura longitudinai do pilar. Na figura 11 apreentam-e o diagrama de eforço reitente em flexão ompota para ee enário (eção total, eção reduzida em o ontributo da amada exterior, eção eionada em dua metade, oniderando ou não a ontribuição da armadura longitudinai) e orrepondente eforço atuante, oniderando o aumento de eforço devido ao efeito de 2ª ordem num pilar om 31m de altura. Muito embora o modelo apreentado ejam muito imple e hoje eja poível realizar a modelação dete fenómeno de forma muito mai rigoroa, o reultado obtido motram qualitativamente o omportamento do pilar ujeito a eta reaçõe. Conidera-e aim que a progreão do fenómeno da eçõe ASR onduzirá à rotura do pilare da etrutura envolvendo apena a ação da arga vertiai. Naturalmente que o dano etruturai referido têm uma reperuão ainda mai grave e e analiar o omportamento da etrutura para a ação de um imo.
Curva de Interação Nrd [kn] 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0-5000 -10000 0 5000 10000 15000 20000 25000 Mrd [knm] Seção Total Seção Reduzida Eforço Seção Total Eforço Seção Reduzida Seção Reduzida A=0 Meia Seção Meia Seção A=0 Eforço Meia Seção Figura 11. Avaliação da apaidade reitente em flexão ompota de um pilar ujeito a reaçõe ASR 4. CONCLUSÕES O efeito da reaçõe expaniva interna do betão têm reperuõe etruturai uja gravidade depende do problema epeífio podendo onduzir a prazo ao olapo da etrutura fortemente afetada por ee fenómeno. REFERÊNCIAS [1] Curo obre Degradação de Etrutura por reaçõe expaniva de origem interna. LNEC, Dezembro 2001 [2] LCPC Manual d Identifiation de reation de degradation interne du béton dan le ouvrage d art.