Estruturas de betão: Técnicas de inspeção e diagnóstico A. Santos Silva, LNEC; A. Monteiro, LNEC; E. Pereira, LNEC

Project nr 2008-1/049 Estruturas de betão: Técnicas de inspeção e diagnóstico A. Santos Silva, LNEC; A. Monteiro, LNEC; E. Pereira, LNEC Investing in our common future Guia Técnico Parte IV - VOL 3 - Estruturas de Betão Técnicas de ensaio 1

Parte IV VOL 3 Principais técnicas de ensaio, TND e TD, para a inspeção e diagnóstico de estruturas de betão, focando : campo de aplicação, objetivos, procedimento e interpretação dos resultados e outros aspetos. Secção 1 Considerações gerais sobre a inspeção visual e as técnicas de inspeção in-situ Secção 2 Exame visual Secção 3 Índice de fissuração Secção 4 Técnicas de ensaio não destrutivas (TND) Secção 5 técnicas de ensaio semi-destrutivas ou destrutivas (TD) Secção 6 Considerações sobre a seleção das técnicas de ensaio Secção 7 Referências Versão WEB 2

Durante a vida das estruturas de betão armado, devem ser efetuadas avaliações periódicas com recurso a diferentes níveis de inspeção. Estas inspeções vão desde simples inspeções visuais até inspeções especiais, que utilizam uma gama sofisticada de técnicas de ensaio. O objetivo principal de qualquer inspeção é identificar os defeitos presentes que podem prejudicar o desempenho atual ou futuro, e os processos de deterioração subjacentes que tenham, ou possam no futuro, vir a conduzir a tais defeitos. Exame visual: método mais comum durante a inspeção das estruturas. A forma mais comum de deterioração é a corrosão das armaduras resultante da contaminação do betão por cloretos e/ou carbonatação. A presença de corrosão, é muitas vezes precedida por sinais visíveis na superfície do betão, incluindo manchas de ferrugem, fissuras ou destacamento do betão de recobrimento. 3

Índice de fissuração A informação obtida durante um simples exame visual não é na maioria dos casos suficiente para a tomada de opção e planeamento de uma intervenção de reparação. amostragem Recobrimento - 'Covermeter' Técnicas de ensaio destrutivas e/ou nãodestrutivas adicionais são normalmente necessárias para quantificar a extensão dos danos, e assim determinar as exigências da reparação e o momento da intervenção. 4

Project nr 2008-1/049 Estruturas de betão Técnicas de Inspeção Manual Técnico Parte IV Vol. 3 Propriedades mecânicas e de transporte André Monteiro Investing in our common future Técnicas de ensaio não destrutivas: Mecânicas Esclerómetro Pull-out Pull-off Principal aplicação: Avaliação qualitativa da resistência à compressão do betão Principal vantagem: Permite avaliar grandes áreas de betão num curto espaço de tempo Principais limitações/desvantagens: Apenas avaliar o betão até poucos centímetros de profundidade Fatores que afetam os resultados: rugosidade, carbonatação, humidade do betão, tipo de agregados, etc. 5

Técnicas de ensaio não destrutivas: Mecânicas Esclerómetro Pull-out Pull-off Principal aplicação: Avaliação da resistência à compressão do betão Principal vantagem: Boa correlação com a resistência à compressão Principais limitação/desvantagem: Técnica semi-destrutiva Técnicas de ensaio não destrutivas: Mecânicas Esclerómetro Pull-out Pull-off Principal aplicação: Avaliação da tensão de arrancamento dos materiais de reparação Principal vantagem: Fácil execução Principal limitação/desvantagem: O endurecimento da resina pode demorar várias horas 6

Técnicas de ensaio não destrutivas: Propriedades de transporte Permeabilidade ao ar Permeabilidade à água Ensaio de migração de cloretos (Permit) Ensaio de Figg Ensaio de Schonlin Ensaio de Torrent Principal aplicação: Avaliação da qualidade do betão de recobrimento no que diz respeito à sua resistência à penetração do CO 2 (carbonatação) Principal vantagem: Fácil utilização e rápida execução Principal limitação/desvantagem: Os resultados dependem fortemente do teor de água do betão Técnicas de ensaio não destrutivas: Propriedades de transporte Permeabilidade ao ar Permeabilidade à água Ensaio de migração de cloretos (Permit) Ensaio de Figg Ensaio AutoClam Principais aplicações: Avaliação das características de absorção e permeabilidade à água do betão sup. Avaliação do desempenho do betão usado em estruturas de retenção de água Principal vantagem: Rápida execução Principais limitações/desvantagens: Os resultados dependem fortemente do teor de água do betão Dificuldades na fixação do equipamento à superfície de betão 7

Técnicas de ensaio não destrutivas: Propriedades de transporte Permeabilidade ao ar Permeabilidade à água Ensaio de migração de cloretos (Permit) Principal aplicação: Avaliação da qualidade do betão relativamente à sua resistência à penetração dos cloretos Principal vantagem: Fácil utilização (ensaio automatizado) Principais limitações/desvantagens: Ensaio moroso (24 h para saturar + 6 h de ensaio) Introduz cloretos no betão, deixa manchas e é semi-destrutivo Não aplicável a betões de alto desempenho Técnicas de ensaio não destrutivas: Acústicas Velocidade de transmissão dos ultrasons Tomografia sísmica por transmissão Impacto-eco Pulse-Echo Transmissão de ondas de superfície Emissão acústica Principais aplicações: Avaliação qualitativa da resistência à compressão e mód. de elasticidade Deteção de fissuras e estimativa da sua profundidade Principal vantagem: Simplicidade do equipamento Principais limitações/desvantagens: As armaduras e as vibrações existentes em obra podem afetar os resultados 8

Técnicas de ensaio não destrutivas: Acústicas Velocidade de transmissão dos ultrasons Tomografia sísmica por transmissão Impacto-eco Pulse-Echo Transmissão de ondas de superfície Emissão acústica Principais aplicações: Avaliação da espessura dos elementos estruturais Deteção de defeitos (vazios, delaminação, etc.) Principal vantagem: Simplicidade do equipamento Principais limitações/desvantagens: É necessário que a superfície de medição seja relativamente lisa Superfícies paralelas (elementos em que se pretende estimar a espessura) Técnicas de ensaio destrutivas: Mecânicas Resistência à compressão Resistência à tração Módulo de elasticidade Principais aplicações: Avaliação da capacidade estrutural Avaliação da conformidade do betão fornecido em caso de dúvida Principal vantagem: Método mais preciso para estimar a resistência à compressão do betão Principais limitações/desvantagens: Técnica destrutiva 9

Técnicas de ensaio destrutivas: Mecânicas Resistência à compressão Resistência à tração Módulo de elasticidade Principais aplicações: Avaliação da deterioração do betão Avaliação do desempenho da estrutura em condições de serviço Principal vantagem: Maior sensibilidade à deterioração do betão (e.g. devida a reações expansivas) que a resistência à compressão Principal limitação/desvantagem: Técnica destrutiva Técnicas de ensaio destrutivas: Mecânicas Resistência à compressão Resistência à tração Módulo de elasticidade estático Principais aplicações: Avaliação da deterioração do betão Compatibilização entre o betão existente e os materiais de reparação estrutural Principal vantagem: Maior sensibilidade à deterioração do betão (e.g. devida a reações expansivas) que a resistência à compressão Principal limitação/desvantagem: Técnica destrutiva 10

Técnicas de ensaio destrutivas: Propriedades de transporte Porosimetria de mercúrio Porosidade Absorção capilar Coeficiente de permeabilidade Migração de cloretos (reg. estacionário e reg. não estacionário) Penetração de cloretos por colorimetria Perfil de cloretos Profundidade de carbonatação Perfil de carbonatação Principais aplicações: Avaliação do desempenho do betão relativamente à pen. de agentes agressivos Principais vantagens: Fácil execução Bom indicador da estrutura porosa do betão Principais limitações/desvantagens: Não diferencia as propriedades químicas do ligante Os poros de grandes dimensões não têm capacidade de absorver água Técnicas de ensaio destrutivas: Propriedades de transporte Porosimetria de mercúrio Porosidade Absorção capilar Coeficiente de permeabilidade Migração de cloretos (reg. estacionário e reg. não estacionário) Penetração de cloretos por colorimetria Perfil de cloretos Profundidade de carbonatação Perfil de carbonatação Principal aplicação: Avaliação do desempenho do betão relativamente penetração de CO 2 Principal vantagem: Existem modelos de vida útil baseados nesta propriedade Principais limitações/desvantagens: Não diferencia as propriedades químicas do ligante Muito sensível a defeitos 11

Técnicas de ensaio destrutivas: Propriedades de transporte Porosimetria de mercúrio Porosidade Absorção capilar Coeficiente de permeabilidade Migração de cloretos (reg. estacionário e reg. não estacionário) Penetração de cloretos por colorimetria Perfil de cloretos Profundidade de carbonatação Perfil de carbonatação Ensaio de Luping Principal aplicação: Avaliação do desempenho do betão relativamente penetração de cloretos Principais vantagens: Rápida execução face a outros métodos Existem modelos de vida útil baseados nesta propriedade Principal limitação/desvantagem: Técnica destrutiva Técnicas de ensaio destrutivas: Propriedades de transporte Porosimetria de mercúrio Porosidade Absorção capilar Coeficiente de permeabilidade Migração de cloretos (reg. estacionário e reg. não estacionário) Penetração de cloretos por colorimetria Perfil de cloretos Profundidade de carbonatação Perfil de carbonatação Principais aplicações: Avaliação da profundidade de penetração dos cloretos (despassivação das armaduras) Avaliação do tempo de vida útil residual de estruturas perto da costa Principal vantagem: Atualmente é o ensaio mais preciso para estimar o teor de cloretos do betão Principal limitação/desvantagem: Ensaio dispendioso 12

Técnicas de ensaio destrutivas: Propriedades de transporte Porosimetria de mercúrio Porosidade Absorção capilar Coeficiente de permeabilidade Migração de cloretos (reg. estacionário e reg. não estacionário) Penetração de cloretos por colorimetria Perfil de cloretos Profundidade de carbonatação Perfil de carbonatação Principais aplicações: Avaliação da profundidade de carbonatação (despassivação das armaduras) Avaliação do tempo de vida útil residual de estruturas Principal vantagem: Fácil e rápida execução Principal limitação/desvantagem: Não aplicável a betões com elevado teor de aluminatos Project nr 2008-1/049 Estruturas de betão Técnicas de Inspeção Manual Técnico Parte IV Vol. 3 Métodos electroquímicos Elsa Vaz Pereira Investing in our common future 13

Resistividade elétrica A resistividade eléctrica de pastas cimenticias, argamassas e betões depende: estrutura porosa composição química do líquido intersticial existente na estrutura porosa humidade interna e da temperatura. Condução de electricidade no betão Os agregados são praticamente isolantes eléctricos A condução eléctrica faz-se fundamentalmente na pasta cimentica e na zona intersticial entre a pasta cimenticia e os agregados Resistividade elétrica Principalmente utilizada para : monitorizar a corrosão das armaduras avaliar o desempenho de produtos de reparação baseados no princípio de aumentar a resistividade do betão fornecer informações sobre variações de humidade no interior do betão (relevante para vários fenómenos de degradação). Utilizada: in situ os locais com menor resistividade são os locais em que ocorrerá mais rápida penetração de cloretos e os locais onde uma vez contaminado o betão com agentes agressivos a velocidade de degradação será maior. laboratório ex. para avaliar a resistência à penetração de cloretos de materiais cimenticios (estabelecidas correlações entre as propriedades de transporte de cloretos no betão e a resistividade). 14

Concreteresistivityρ concrete (Ω m) Environment Ordinary Portland Cement Concrete (CEM I) Blast furnace (> 65 % slag, CEM III/B) or fly ash (>25 %) cement or silica fume (>5 %) concrete Very wet, submerged, splash zone, [fog room] 50-200 300-1000 Outside, exposed 100-400 500-2000 Outside, sheltered, coated, 200-500 1000-4000 Hydrophobised[20 ºC/ 80 % RH], not carbonated Ditto, carbonated, Indoor climate (carbonated)[20 ºC/ 50 % RH] 1000 and higher 3000 and higher 2000-6000 and higher 4000-10000 and higher Table 3. Global reference values at 20 ºC for the electrical resistivity of denseaggregate concrete of existing structures (age > 10 years); conditions between [ ] are the comparable laboratory climates. Dependendo das condições ambientais e da qualidade do betão, a resistividade pode variar várias ordens de grandeza (1 a MΩ m). As resistividades mais elevadas são encontradas em betão muito seco, revestido, carbonatado e em betão com baixas relações água/cimento e/ou com aditivos e adjuvantes. Resistividade elétrica Sonda de Wenner Aplicação de corrente Medição da variação de potencial ρ = 2 π a R Linhas equipotenciais Linhas de circulação da corrente 30 15

Resistividade elétrica 1200 1000 800 y = 0.8644x - 29.397 R 2 = 0.9974 R AC/Ohm 600 400 200 0 0 200 400 600 800 1000 1200 R DC/Ohm Valores de resistência eléctrica obtidos em corrente alternada, R AC, e corrente contínua, com equipamento de aquisição automática de dados, R DC. Resistividade elétrica 32 16

Resistividade elétrica Resistividade elétrica Deteção de fissuração Aumento da probabilidade de corrosão das armaduras 34 17

Potencial de corrosão Potencial de elétrodo adquirido espontaneamente por um material que se corrói num ambiente particular Indicações sobre o estado ativo/passivo do material Não fornece indicações sobre a velocidade de corrosão Grau de saturação do betão influência os resultados Betão Armadura Multímetro com elevada resistência interna (>10MOhm) Potencial de corrosão Table 4 Typical ranges of potentials of normal steel in concrete (Volts CSE) Table 3 Interpretation of potential measurements according to ASTM C 876:91 Potential (E corr vs. CSE) Probability of corrosion E corr >0,2 < 10% -0,2> E corr >-0,35 Unknown E corr <-0,35 > 90 % Water saturated concrete without oxygen Wet, chloride contaminated concrete Humid, chloride free concrete Humid, carbonated concrete -0,9 to -1,0 V -0,4 to -0,6 V +0,1 to -0,2 V -+0,1 to -0,4 V Dry, carbonated concrete +0,2 to 0 V Dry concrete +0,2 to 0 V 18

Potencial de corrosão Sistema de aquisição de dados + _ Armadura E. Ref. Elétrodos de referência: MnO 2 Ag/AgCl Titânio ativado Chumbo Grafite 37 Velocidade de corrosão Modelo de Andrade et al. [1] Corrosão uniforme P x V corr - µm/ano V corr =11,6 I corr I corr =B/R p Corrosão por picadas αp x φ 0 φ 0 φ t φ t φ(t)= φ 0-0,0116. α.i. corr. t φ(t) = diâmetro da armadura no instante t (mm) φ 0 = diâmetro inicial da armadura (mm) I corr = densidade de corrente de corrosão (µa cm -2 ) t = tempo após o inicio do período de propagação (anos) α = factor de picada [1] C. Andrade et al., IABSE Symposium, Durability of Structures, Lisboa, 1989, pp. 359-364. 19

Velocidade de corrosão R p = E/ I I corr =B/R p B=26 mv Velocidade de corrosão - I corr e I gal Table 2. Values of I gal corresponding to the standard values of I corr, indicative of the steel corrosion condition. Steel condition I corr (µa cm -2 ) I gal (na cm -2 ) passive state < 0.1 < 0.14 high active corrosion > 1 > 1 40 20

Velocidade de corrosão - I gal Estruturas novas Estruturas existentes 41 Velocidade de corrosão - I gal 21

Project nr 2008-1/049 Estruturas de betão Técnicas de Inspeção Manual Técnico Parte IV Vol. 3 Métodos químicos e de reatividade A. Santos Silva Investing in our common future Técnicas de ensaio : Determinações químicas Teor de cloretos totais e livres Teor de sulfatos Teor de álcalis Teor de portlandite 22

Técnicas de ensaio : Determinações químicas Teor de cloretos totais e livres Teor de sulfatos Teor de álcalis Teor de portlandite Técnicas de ensaio : Determinações químicas Teor de cloretos totais e livres Teor de sulfatos Teor de álcalis Teor de portlandite 23

Técnicas de ensaio : Determinações químicas Teor de cloretos totais e livres Teor de sulfatos Teor de álcalis Teor de portlandite Técnicas de ensaio : microscópicas Microscopia ótica Microscopia eletrónica de varrimento 24

28-11-2013 Técnicas de ensaio : microscópicas Microscopia ótica Microscopia eletrónica de varrimento Técnicas de ensaio : microscópicas Microscopia ótica Microscopia eletrónica de varrimento 25

Técnicas de ensaio : microscópicas Microscopia ótica Microscopia eletrónica de varrimento Imagem em modo BSE Imagem em modo SEI Técnicas de ensaio : microscópicas Microscopia ótica Microscopia eletrónica de varrimento 26

Técnicas de ensaio : reatividade residual Álcalis internos Sulfatos internos Técnicas de ensaio : reatividade residual Álcalis internos Sulfatos internos 27

Versão WEB 28