Anais do 14 O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XIV ENCITA / 2008 Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil Outubro 20 a 23 2008. AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS AMBIENTAIS NA CORROSÃO DAS ARMADURAS DADOS DO IETCC Thiago Pimentel Nykiel Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). Rua H8 A Apto 131 Campos do CTA São José dos Campos São Paulo. CEP: 12228-460. thiagonykiel@gmail.com Maryangela Geimba de Lima Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) Centro Técnico Aeroespacial Divisão de Engenharia Civil-Aeronáutica. Pç. Mal. Eduardo Gomes 50.Vila das Acácias São José dos Campos São Paulo Brasil. CEP: 12228-900. magdlima@ita.br Resumo. Este trabalho tem como objetivo apresentar os resultados do tratamento dos dados coletados por Lima (2001) em seu programa de pós-doutoramento realizado no Instituto Eduardo Torroja Madri Espanha. No total tem-se um banco de dados de mais de 10 anos contendo dados de Temperatura e Umidade Relativa externa (do ambiente) Temperatura e Umidade Relativa interna (medidas no interior das estruturas de concreto em estudo através de sensores) e Corrente e Potencial de Corrosão. Com um banco de dados desta natureza pôde-se trabalhar as informações através de ferramentas matemáticas de forma a se obter informações preliminares sobre a modelagem de degradação das estruturas relacionando dados do ambiente com dados medidos de velocidade de corrosão das armaduras. Como principais resultados decorrentes deste estudo preliminar tem-se que a velocidade de corrosão é dependente dos parâmetros ambientais do entorno; infelizmente com as análises realizadas não foi possível realizar uma modelagem consistente tendo-se como principais conclusões as correlações realizadas e o estudo da potencialidade de uso de séries temporais nas análises em questão. Palavras chave: corrosão estruturas de concreto dados ambientais velocidade de corrosão. 1. Introdução Em geral os estudos sobre durabilidade das estruturas de concreto levam em consideração aspectos relativos aos constituintes dessa estrutura (agregados cimento aço) de sua mistura (relação água/cimento ou água/aglomerante uso de aditivos etc.) ou então a sua construção (condições de cura por exemplo). Faz-se necessário para o conhecimento do comportamento da estrutura conhecer o meio ambiente onde ela está inserida esse meio pode fazer com que um concreto devidamente especificado e executado tenha sua vida útil reduzida significativamente. As estruturas de concreto devem ser projetadas e construídas de forma a fornecer durante sua vida de serviço condições adequadas de uso e de segurança aos que delas se utilizam. Quando se considera a vida de serviço de uma estrutura de concreto as condições ambientais sob as quais essa estrutura está exposta são tão importantes quanto suas propriedades mecânicas. Temperatura umidade relativa vento poluição agressividade da água em contato entre outros são parâmetros que influenciam na degradação das estruturas de concreto tanto protendidas quanto armadas ou não-armadas. Almusallam (2001) afirma por exemplo que a temperatura do ar a umidade relativa e a velocidade do vento afetam as propriedades tanto do concreto fresco quanto do concreto endurecido. Temperatura elevada e baixa umidade relativa aceleram a retração plástica do concreto. Devido ao fenômeno de retração surgem tensões que geram fissuras as quais degradam o concreto principalmente por permitirem a penetração de Oxigênio e umidade no material dando origem por exemplo à corrosão das armaduras. Além da temperatura ambiente deve-se considerar a ação do vento e a radiação solar que conjuntamente influenciam na variação de temperatura no interior do concreto. O ideal sempre é estudar o efeito sinérgico combinado desses agentes. Como exemplo pode-se analisar a influência da temperatura na velocidade de corrosão conforme apresentado na Figura 1. Como pode ser observado existe uma variação nos valores medidos de corrente de corrosão de acordo com o comportamento da temperatura. As informações apresentadas neste gráfico (Figura 1) é que deram origem ao projeto de iniciação científica cujos resultados são apresentados neste trabalho; a necessidade de entender como estes fenômenos estão relacionados e qual seu comportamento. Alguns dados são dispersos em relação a massa geral de dados mas são dados presentes e que não podem ser descartados em um primeiro momento sem um estudo aprofundado de seu significado. Monitorações de estruturas reais levam ao entendimento do comportamento dessas estruturas frente a ação das cargas atuantes sejam elas resultantes da ação do meio ambiente do entorno ou não resultante de carregamento em uso por exemplo.
Icorr 0900 0800 0700 0600 0500 0400 0300 0200 0100 0000 0 102 127 175 207 233 290 322 367 414 463 539 588 712 887 1006 1070 1183 1344 2264 2483 Idade (días) 500 400 300 200 100 00-100 Temperatura (oc) Icorr TEMP-EXT Polinômio (TEMP-EXT) Polinômio (Icorr) Figura 1 - Comportamento da corrente de corrosão (Icorr) e da temperatura ambiente (TEMP-Ext) (Lima 2005) Poucos são os estudos que relacionam parâmetros medidos de degradação com fatores ambientais buscando especialmente a modelagem dos fenômenos relacionando-os. Existem hoje dois grandes projetos internacionais em andamento: O projeto DURACON (realizado na Iberoamerica) e o Projeto DURACRETE (realizado na União Européia). Projetos desta natureza necessitam de períodos longos para sua realização e volumes consideráveis de recursos. Este trabalho tem como objetivo analisar os dados coletados por Lima (2001) em seu programa de pósdoutoramento realizado no Instituto Eduardo Torroja Madri Espanha no ano de 2001. Os dados coletados na ocasião eram monitorados anteriormente e seguem em monitoração até os dias de hoje. No total tem-se um banco de dados de mais de 10 anos contendo dados de Temperatura e Umidade Relativa externa (do ambiente) Temperatura e Umidade Relativa interna (medidas no interior das estruturas em estudo através de sensores) e Corrente e Potencial de Corrosão. Com um banco de dados desta natureza pode-se trabalhar as informações através de ferramentas matemáticas de forma buscando entender as relações existentes entre os parâmetros ambientais e a degradação das estruturas de concreto por corrosão de suas armaduras. 2. Revisão Bibliográfica Com exceção de alguns metais nobres os metais são quase sempre encontrados na natureza em forma de óxidos. Isso significa que esses compostos são as formas mais estáveis para estes metais. A corrosão pode ser encarada como a tendência de retorno dos metais já beneficiados para um composto mais estável. Assim por exemplo quando uma peça de aço enferruja o ferro principal componente desta liga metálica está retornando à sua forma mais estável que é na forma de óxido de ferro que é encontrado na natureza originalmente. A corrosão atua nas armaduras no interior do concreto corroendo o ferro que é o principal componente das ligas de aço. As conseqüências desse processo corrosivo estão relacionadas à perda de capacidade de suporte pelas estruturas de concreto armado devido a perda de sessão resistente das armaduras. A corrosão nas estruturas de concreto armado é um processo de natureza eletroquímica onde está presente reações anódicas e catódicas. (Schiessl1983 apud Lima 1996). A Figura 2 indica a ação da célula do processo corrosivo composto pela zona anódica e catódica.
Figura 2 - Célula de corrosão (Lima 1996) Gomes Barreto e Popovics (1993 apud Lima 1996) apresentam as reações mais prováveis durante o processo corrosivo na Tabela 1. Tabela 1 - Reações do processo corrosivo (Lima 1996) Região Reação provável Características do produto formado Zona anódica 2 2 + Fe Fe + 4e -------- -------- Zona catódica 2 H 2 4 2O+ O2 + e OH 2+ 2Fe + 4OH 2Fe( OH) Superfície da 2+ 2Fe + 4OH 2FeO. H O Barra eletrólito ou 2 2 Hidróxido ferroso fracamente solúvel de cor marrom Óxido ferroso hidratado expansivo de cor marrom 4Fe( OH) + 2H O+ O 4Fe( OH) Hidróxido férrico 2 2 2 3 3Fe + 8OH Fe O + 8e + 4H O expansivo avermelhado Óxido de característica 3 4 2 mista - férrico e ferroso 4Fe( OH) + 2H O+ O 4Fe O. H Óxido férrico hidratado 2 2 2 2 3 2 expansivo De acordo com Helene (1986) três fatores são necessários para que a corrosão das armaduras no interior do concreto se desenvolva: Eletrólito: meio por onde a corrente elétrica irá passar entre o cátodo e ânodo. É constituído basicamente de íons em solução; Diferença de potencial: entre dois pontos da armadura devido às diferenças de concentração salina umidade aeração e heterogeneidades inerentes ao concreto entre outros; Oxigênio: dissolvido na água presente nos poros do concreto. A Figura 3 apresenta um modelo físico para o desenvolvimento do processo corrosivo das armaduras no interior do concreto. A fissuração do concreto próximo à região de corrosão é outra conseqüência do processo corrosivo. Isso é devido à característica de expansão apresentadas pelos produtos de corrosão (óxidos de ferro). A fissuração é uma porta de entrada de água e outros compostos nocivos às armaduras intensificando o processo de corrosão como cloretos sulfetos e gás carbônico.
Figura 3 - Etapas do processo corrosivo Farias (1988 apud Lima 1996) 2.1. O material concreto O concreto é o material mais utilizado na engenharia para a construção de obras de infra-estrutura e residências em geral. Ele é constituído por uma mistura de cimento areia pedra e água. Esse material é heterogêneo e complexo. De acordo com Mehta (1994) o estudo desse material é divido em três partes que correspondem a suas fases: a pasta o agregado e a zona de transição. A zona de transição é a região de interface entre as partículas do agregado graúdo e a pasta. É uma camada delgada de 10 a 50 µm de espessura ao redor do agregado graúdo; ela é geralmente mais fraca que as outras duas fases por isso exerce uma influência muito grande no comportamento mecânico do concreto. A pasta do concreto é uma região extremamente heterogênea de diferentes tipos de fases sólidas (como o silicato de cálcio hidratado o hidróxido de cálcio e o sulfoaluminatos de cálcio) poros e microfissuras. O agregado é constituído por materiais como o seixo e a rocha britada e possui influência na massa unitária módulo de elasticidade e estabilidade dimensional do concreto. 2.2. Ação do meio ambiente sobre estruturas de concreto Para o conhecimento do comportamento de estruturas de concreto ao longo de sua vida útil é importe saber quais são as características do meio ambiente onde esta estrutura será construída. Esse meio pode interferir na durabilidade das peças diminuindo a vida útil de toda a estrutura. Existem vários fatores que interferem na durabilidade das estruturas de concreto tais como clima temperatura amplitude térmica chuva umidade relativa chuva ácida e poluentes por exemplo. Nos processos de degradação das estruturas de concreto a influência da temperatura pode ser desconsiderada porém essa influência pode aumentar a velocidade com que essa degradação pode ocorrer. De acordo com Geho-CEB (1993 apud Lima 2005) um aumento de 10º C na temperatura dobra a velocidade das reações químicas de corrosão do aço. Nos países tropicais a influência desse fator é muito mais relevante que em países temperados.
O efeito de grandes variações térmicas pode ser crítico no estudo da contração ou retração do concreto. O aparecimento de esforços de tração no interior do concreto devido a essas variações pode gerar o aparecimento de fissuras que podem prejudicar a vida útil das estruturas. (Paulon 1985) O meio ambiente urbano caracterizado pelo acúmulo populacional poluição maior ocorrência de chuvas ácidas deposição de partículas sólidas e lançamento em excesso de gás carbônico na atmosfera provoca a intensa degradação das estruturas de concreto armado. A poluição das grandes cidades (principalmente pela emissão de gás carbônico e compostos de enxofre) gera o aumento da velocidade da carbonatação dos concretos e conseqüentemente corrosão nas armaduras. O meio ambiente marinho apresenta presença de sais como os de base Cloreto que penetram na estrutura através dos poros do concreto. Quando chegam às armaduras estes íons provocam corrosão das armaduras. A combinação dos agentes agressivos presentes nas grandes cidades localizadas no litoral (o Brasil apresenta 60% da população em região litorânea) caracteriza o meio ambiente urbano-marinho onde o comportamento é diferenciado dos ambientes isolados. O enfoque deste trabalho é na ação das variáveis ambientais Temperatura e Umidade Relativa na velocidade de corrosão medida em estruturas. A presença de agentes agressivos é condicionante para o desencadeamento da corrosão cuja velocidade será influenciada pela Temperatura e Umidade Relativa do ambiente onde a estrutura está inserida. 2.3. Durabilidade do concreto De acordo com Sarja e Vesikari (1996 apud Andrade 2005) durabilidade é a capacidade de uma estrutura manter um desempenho mínimo em um determinado tempo sob influência de agentes agressivos. O concreto é um material de excelente durabilidade em diferentes ambientes; por isso é um material bastante utilizado no mundo. Porém a ação de agentes nocivos a esse material provoca seu envelhecimento ou seja perda progressiva de desempenho estético funcional e estrutural. As causas da degradação do concreto armado estão ligadas a esses agentes e envolvem ainda ações mecânicas físicas químicas físico-químicas e biológicas que atuam nesses tipos de estruturas. (Andrade 2005). As principais origens e causas estão apresentadas na Tabela 2. Tabela 2 - Principais origens e causas do processo corrosivo (Lima 1996)
3. Metodologia 3.1. Dados utilizados Os dados utilizados neste trabalho foram coletados por Lima (2001) em seu programa de pós-doutoramento realizado no Instituto Eduardo Torroja Madri Espanha e apresentam-se na forma de tabelas contendo os dados monitorados (leituras de velocidade de corrosão umidade relativa e temperatura internas às peças de concreto armado) e os dados ambientais relativos medidos em simultaneidade. As medições foram realizadas em Vigas de sessão T expostas ao ambiente de Madrid. Uma vista das vigas e da monitoração sendo realizada pode ser vista na Figura 4. Figura 4 Vista geral das medições e das peças no ambiente de exposição (Foto: Maryangela Geimba de Lima 2008) 4. Tratamento e Análise de dados O banco de dados utilizado para a modelagem do processo de corrosão possui mais de 10 anos contendo aproximadamente 400 observações de idade Temperatura e Umidade Relativa externa (do ambiente) Temperatura e Umidade Relativa interna (medidas no interior das estruturas em estudo através de sensores) e Corrente e Potencial de Corrosão. Para a análise desse banco de dados foi utilizado o Microsoft Excel 2007 por ser um software capaz de realizar regressões lineares e temporais estabelecidas para o estudo preliminar aqui apresentado. Para o estudo separado para apresentação neste artigo foram escolhidos os primeiros quatro anos de observações com 238 dados. De acordo com os trabalhos apresentados anteriormente as três variáveis que mais influenciam na corrente de corrosão são os parâmetros no interior da peça de concreto armado: temperatura umidade relativa e idade. As análises estatísticas foram iniciadas com esses três parâmetros pois caso não se encontre uma correlação entre essas variáveis e a corrosão é necessário ou um estudo mais aprofundado de outras variáveis que interferem nesse processo ou a aplicação de outros softwares estatísticos nesta modelagem e análise. Foram realizados três tipos de análise para esse problema: linear multiplicativa e temporal. Utilizando conceitos de regressão linear pôde-se chegar ao resultado apresentado pela Tabela 3: Tabela 3 - Resultado da regressão linear (software Excel versão 2007)
Pode-se verificar que aderência a esse modelo foi muito baixa R 2 igual a 0065 indicando que esse modelo não é compatível para a descrição do processo corrosivo utilizando-se esse banco de dados disponibilizado. A regressão multiplicativa para essa modelagem também não teve sucesso. Foi encontrada aderência baixa do modelo R 2 igual a 006. O resultado obtido dessa regressão está indicado na Tabela 4. Tabela 4 - Resultado da regressão multiplicativa (software Excel versão 2007) A regressão temporal foi obtida pela análise dos parâmetros de idade da peça temperatura umidade no seu interior e a valor da corrente de corrosão na medição anterior. Este modelo foi o que possuiu maior aderência entre os analisados mas ainda obteve-se um valor muito baixo R 2. O resultado da regressão temporal está apresentado na Tabela 5. A segunda modelagem temporal foi obtida através da análise da primeira medição de cada mês dos parâmetros de temperatura umidade idade e da medição do mês anterior no período do banco de dados. Portanto foram obtidas 46 observações. O resultado dessa análise está indicado na Tabela 6. Tabela 5 - Resultado regressão temporal Tabela 6 - Resultado da regressão temporal 2
5. Considerações finais Pode-se concluir que nenhuma das modelagens sugeridas possui uma boa aderência para ser utilizada para descrever o processo corrosivo em termos de suas causas principais que são: temperatura umidade externa e idade da estrutura de concreto. Um dos motivos pode ser a modelagem disponibilizada pelo próprio software utilizado. Outro aspecto é que deve-se levar em consideração a inércia do próprio material em responder às ações do meio ambiente; isso pode criar uma resposta distinta daquela quando se submete um corpo-de-prova a ação constante de um agente sem o relacionamento entre eles e a ação acumulada de variações consecutivas dos mesmos parâmetros analisados. Os modelos obtidos de regressões estatísticas foram insuficientes para a sugestão de modelagem da corrosão nas estruturas de concreto armado monitoradas. Assim faz-se necessário a formulação matemática por softwares estatísticos mais adequados e a obtenção de dados de outros parâmetros que podem influenciar na corrosão das estruturas como a concentração de íons cloreto e o processo de carbonatação. O escopo do trabalho foi analisar a possibilidade de modelagem com os dados disponíveis para os parâmetros utilizados; com as análises realizadas essa modelagem não pode ser desenhada. No entanto cabe ressaltar que outras análises podem e devem ser realizadas utilizando outras ferramentas estatísticas mais adequadas. 6. Agradecimentos Primeiramente gostaria de agradecer ao CNPq pelo incentivo aos estudos e pesquisas que certamente fazem com que o Brasil obtenha notáveis resultados científicos que ajudam no desenvolvimento nacional. Agradeço a Prof. Maryangela coordenadora dessa pesquisa pela grande ajuda para que esse projeto fosse desenvolvido brilhantemente. Também agradeço a minha família e minha namorada que sempre proporcionam momentos de relaxamento e descontração tão necessários na vida de um universitário. Finalmente deixo meus agradecimentos a todos os integrantes do ITA que fizeram com que esse projeto tenha sido desenvolvido. 7. Referências Almusallam A. A. 2001 Effect of environmental conditions on the properties of fresh and hardened concrete. Cement and Concrete Composites. Vol. 23 pp. 353-361. Disponível em: <http://www.elsevier.com/locate/cemconcomp>. Acesso em: 05 set. 2008. Andrade T. 2005 Tópicos sobre durabilidade do concreto. In: Ed. ISAIA G. C. Concreto Ensino Pesquisa e Realizações. São Paulo: IBRACON. v. 1 pp. 753-792. Duracrete 1999 Models for environmental actions on concrete structures. The European Union Brite EuRam III 273p. Helene P.R.L. 1986 Corrosão de armaduras no concreto. PINI São Paulo 47p. Lima M. G. 2005 Ação do meio ambiente sobre as estruturas de concreto. In: Ed. ISAIA G. C. Concreto Ensino Pesquisa e Realizações. São Paulo: IBRACON. v. 1 pp. 713-751. Lima M.G. 2001. Influencia de los factores ambientales (HR y Temperatura) em La corrosión de las armaduras em las estructuras de hormigón armado Relatório de pós-doutoramento. Lima M. G. 1996 Inibidores de Corrosão - Avaliação da Eficiência frente à Corrosão Provocada por Cloretos. Dissertação (Doutorado) Universidade de São Paulo USP Brasil. Mehta P. K. & Monteiro P. K. 1994 Concreto: Estrutura propriedades e materiais. Ed. Pini Brasil pp. 1-186. Neville A. M. 1982 Propriedades do concreto.ed. Pini. S. Paulo Brasil pp. 412-501. Paulon V.A. 2005 A microestrutura do concreto convencional. In: Ed. ISAIA G. C. Concreto Ensino Pesquisa e Realizações. São Paulo: IBRACON. v. 1 pp. 583-604.