INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Curso de Engenharia Civil BETÃO ESTRUTURAL I CAPÍTULO 8 Durabilidade e recobrimento Texto de apoio Outubro 2012 1
Índice 1 Introdução... 3 2 Corrosão das armaduras... 3 2.1 Ideias gerais... 3 2.2 Medidas para aumentar a durabilidade face à corrosão... 5 3 Classes de exposição ambiental... 5 4 Metodologia prescritiva relativa a recobrimento das armaduras... 7 2
1 Introdução A durabilidade faz parte dos requisitos fundamentais das estruturas. De acordo com o requisito da durabilidade, as estruturas devem manter-se numa boa condição (isto é, sem deterioração significativa) durante o período de vida útil intencionado, sem que para tal sejam necessários gastos com manutenção não previstos. De acordo com esta definição está implícito que as estruturas requerem manutenção e que são necessários fundos para essa manutenção. O requisito da durabilidade só deixa de ser cumprido quando a manutenção prevista não é suficiente para manter a estrutura numa boa condição. A regulamentação actual dá grande relevo a questões de durabilidade. Por exemplo, a NP EN 206-1 (2007) dedica uma boa parte das suas cláusulas a questões de durabilidade e o próprio EC2 contém um capítulo só dedicado à durabilidade o Capítulo 4. Os presentes apontamentos cobrem os aspectos essenciais desse Capítulo. As metodologias para a verificação do requisito da durabilidade podem ser agrupados em duas grandes categorias: 1) metodologia prescritiva, baseada em determinadas regras a respeitar, sem consideração explicita dos mecanismos de deterioração. 2) metodologia baseada no desempenho (metodologia probabilística). A metodologia base prevista no EC2 é a primeira. No entanto o Anexo Nacional (p252) prevê a adopção de métodos probabilísticos como alternativa ao recurso à metodologia prescritiva. Na metodologia baseada no desempenho, os mecanismos de deterioração são modelados considerando a variabilidade (e a consequente incerteza) dos diferentes factores intervenientes. No domínio da durabilidade, dois documentos normativos relevantes devem ser mencionados: são as especificações LNEC E464 e E465. A primeira contém elementos para aplicação da 1.ª metodologia (metodologia prescritiva) e a segunda contém elementos para aplicação da 2.ª metodologia. Entre as diferentes fontes de deterioração das estruturas de betão armado podemos mencionar: deterioração por corrosão das armaduras; deterioração provocada por ataques químicos; deterioração provocada por reacções álcali-sílica; deterioração pela acção do gelo/degelo. Entre essas, sem dúvida, a deterioração associada à corrosão das armaduras é a mais comum. 2 Corrosão das armaduras 2.1 Ideias gerais A corrosão das armaduras é um fenómeno electroquímico que se pode separar em 3 processos. Em primeiro lugar ocorre a perda de electrões dos átomos de ferro, transformando-os em iões de ferro (D Arga e Lima, 1988): 2Fe 2Fe2+ + 4e- Este processo é conhecido como processo anódico. A seguir dá-se o chamado processo catódico, caracterizado pela reacção dos electrões com a água e oxigénio presentes na vizinhança do aço, originando os chamados iões hidróxido: 3
- - + 2 + 2 4e O 2H O 4(OH) Finalmente os iões hidróxido combinam-se com os iões de ferro anteriormente criados, dando lugar a óxidos de ferro hidratados, comumente designados por ferrugem: 2Fe2+ + 4(OH -) 2Fe(OH) 2 A Figura seguinte (extraída de http://www.cement.org/tech/cct_dur_corrosion.asp) esquematiza o processo electroquímico acabo de descrever. Observando as reacções químicas descritas acima, pode-se concluir que para existir corrosão é necessária a presença de água e oxigénio. Assim, numa atmosfera seca (HR < 45%, como ordem de grandeza) não haverá corrosão por falta de água. Em ambiente submerso também não haverá corrosão, mas agora devido à falta de oxigénio. Os produtos da corrosão (óxidos de ferro, ou ferrugem) têm um volume muito superior ao volume dos produtos que lhes dão origem (cerca de 7 a 8 vezes superior), o que explica a delaminação típica em estruturas de betão armado com corrosão, como ilustrado na Figura ao lado. O betão é um meio fortemente alcalino (ph ~ 12) devido à presença de hidróxido de cálcio ( Ca(OH) 2 ), criando condições para a formação e manutenção de uma película envolvendo os varões (chamada película passivante) que impede o desenvolvimento da corrosão. A corrosão tem inicio quando tal película é destruída. Os dois principais agentes capazes de destruir a película passivante são os iões cloreto (Cl - ) (abundantes em ambientes marinhos) e o dióxido de carbono (abundante em atmosferas poluídas). Os processos de corrosão associados a estes dois agentes têm sido amplamente estudados. No caso dos cloretos, sabe-se que estes atravessam com relativa facilidade a 4
película passivante, destruindo-a e deixando assim o aço desprotegido. A corrosão resultante é bastante localizada (corrosão picada) e geralmente é acompanhada de perda significativa de secção. No caso do dióxido de carbono, sabe-se que reage com o hidróxido de cálcio do betão produzindo carbonato de cálcio: CO2 + Ca(OH) 2 CO3Ca + H2O Esta reacção química (conhecida como carbonatação do betão) é acompanhada de uma diminuição do ph fazendo com que a película passivante se torne instável. Ao contrário da corrosão associada ao ataque dos cloretos (corrosão picada), a corrosão associada à carbonatação do betão é superficial e geralmente não é acompanhada de perda significativa de secção. A ocorrência de manhas avermelhadas na superfície de betão constitui um sintoma típico de existência de corrosão por carbonatação. 2.2 Medidas para aumentar a durabilidade face à corrosão De acordo com o acima exposto, uma medida lógica consiste em diminuir a porosidade do betão, a fim de diminuir a sua permeabilidades aos gases (CO 2 ) e aos líquidos (cl - ). A diminuição da porosidade consegue-se (1) diminuindo a relação A/C, (2) procedendo a uma boa compactação e (3) realizando uma boa cura. A diminuição da porosidade e o consequente aumento da compacidade está fortemente correlacionado com a classe de resistência. Betões com elevadas resistências possuem elevada compacidade e assim garantem uma melhor protecção das armaduras contra a corrosão. Refira-se a este propósito que hoje em dia é muito frequente a adopção de betões de classe elevada não por razões de resistência, mas, justamente, por razões de durabilidade. Outra medida consiste em aumentar o recobrimento, a fim de diminuir o tempo necessário para os iões cloreto ou o dióxido de carbono atingirem as armaduras. A garantia da satisfação do requisito da durabilidade pode ainda ser conseguida pela adopção de disposições particulares, como por exemplo a utilização de aço inoxidável, a aplicação de revestimentos, a protecção catódica, entre outras. 3 Classes de exposição ambiental Do ponto de vista da durabilidade o primeiro aspecto a definir é o tipo de ambiente (que pode ser mais ou menos agressivo) onde se insere a estrutura que pretendemos projectar. O EC2 prevê as classes de exposição ambiental indicadas no Quadro 4.1 (p57), que se reproduz na página seguinte. Conforme se observa, o EC2 agrupa as classes de exposição ambiental em 6 categorias, consoante o tipo de deterioração mais provável: 1) Nenhum risco de corrosão ou ataque: X0. 2) Risco de corrosão induzida por carbonatação: XC1, XC2, XC3 e XC4. 3) Risco de corrosão induzida por cloretos: XD1, XD2 e XD3. 4) Risco de corrosão induzida por cloretos presentes na água do mar: XS1, XS2 e XS3. 5) Risco de deterioração provocada pelo gelo/degelo: XF1, XF2, XF3 e XF4. 6) Risco de deterioração provocado por ataque químico: XA1, XA2, XA3. 5
De realçar que os ambientes secos são sempree menos agressivos do que os ambientes húmidos e que estes, por sua vez, são menos agressivos quee os ambientes alternadamentee secos/húmidos. Para cada uma das classes de exposição ambiental, a EN 1992-1-1 ( Anexo E) recomenda classes de resistência a adoptar para o betão, que q constam no Quadro E.1N 6
desse Anexo. Todavia, o Anexo Nacional alterou esse Quadro, substituindo-o pelo quadro equivalente que consta na pagina 254 e que se reproduz de seguida. 4 Metodologia prescritiva relativa a recobrim mento das armaduras Descreve-se de seguida a metodologia prescritiva relativa aoo recobrimento das armaduras conforme especificada na EN 1992-1-1. O recobrimento das armaduras, c, é a distância mínima das armaduras à face de betão, como se ilustra na Figura seguinte: O recobrimento das armaduras é um dos parâmetros importantes a especificar nos desenhos de construção (Cl.. 4.4.1.1 (2)). Esse recobrimento, chamado recobrimentoo nominal, é definido por: c = c +Δc nom min c dev. Δc dev = 10 mm (Cl. 4.4.1.3 (1)) O recobrimento mínimo deve assegurar: (1) a transmissão eficaz das forças de aderência, (2) a protecção do aço contra a corrosão (durabilidade) e (3) uma adequadaa resistência ao fogo ( Cl. 4.4.1.2 (1)). É obtido pela expressão: 7
cmin, b cmin = max cmin, dur +Δcdur, γ Δcdur, st Δcdur, add = 0 = 20 mm = 5 mm 10 mm O valor c min,b é o valor mínimo do recobrimento que garante uma transmissão eficaz das armaduras, podendo-se considerar c min,b = φ, sendo φ o diâmetro da armadura em causa. O valor Δ cdur, γ, para o qual o EC2 recomenda zero, representa uma tolerância destinada a cobrir incertezas. Os valores Δ c dur, st e Δ c dur, add representam reduções no recobrimento no caso de se adoptar, respectivamente, aço inoxidável e medidas de protecção adicionais (revestimentos, por exemplo). Relativamente ao parâmetro c min,b, considere-se uma viga com estribos de diâmetro φ t e armadura longitudinal de diâmetro φ l. Deve-se garantir que cmin φt e que cmin + φt φl cmin φl φt. Assim, para este caso particular, a Equação acima pode-se ser reescrita na forma: φ t c min φt φl φt = max c +Δ c Δ c Δ c 10 mm min, dur dur, γ dur, st dur, add φ l A determinação de c min,dur depende da classe de exposição e da chamada classe estrutural. A EN 1992-1-1 classifica as estruturas em 6 classes estruturais, S1 a S6. A classe estrutural correspondente a uma vida útil de projecto de 50 anos é S4 (NA-4.4.1.2 (5), p251). Para um tempo de vida útil de projecto de 30 anos, ou inferior, a classe estrutural a adoptar é S3. A classe estrutural assim definida (S4 ou S3) deve ser encarada como uma primeira aproximação, devendo ser corrigida em conformidade com o Quadro 4.3N. O Anexo nacional introduziu pequenas alterações neste quadro, substituindo-o pelo Quadro NA-4.3N (p252), que se reproduz de seguida: 8
Uma vez atribuída à estrutura em projecto uma classe estrutural, determina- com base no Quadro 4.4N (p60), que também se reproduz dee seguida: Observe-se que no caso de lajes, o quadro acima prevê p uma a redução na classe estrutural, que se irá traduzirr numa diminuição do recobrimento nominal. A razão r paraa esta redução tem a ver com facto do risco de corrosão em lajes ser inferior ao risco de corrosão em vigas ( ou em pilares). Com efeito, como se depreende pela Figura abaixo, no caso de vigas (e especialmentee em varõess de canto) existem dois d caminhos possíveis para os agentes agressivos atingirem as armaduras, enquanto que noo caso dass lajes há apenas um caminho: -se c min,dur 9
Exemplo. Considere uma viga de betão armado cuja secção se representa na Figura. φ100 φ200 Betão: C30/37 Classe de exposição ambiental: XC1 a) Determine o recobrimento nominal das armaduras para uma vida útil de 100 anos. b) Com base no recobrimento que determinou na alínea anterior, determine a alturaa útil da viga, d, para efeitos de dimensionamento à flexão. Considere h = 0.70. Resolução: Determinação da classe estrutural (Quadro NA-4.3N): Tempo de vida útil de 100 anos: +2; S4 é a classe estrutural de partida. Betão C30/37: 1 ; Portanto, a classe estrutural é S5. Do Quadro 4.4N, tem-se cmin, 200 mm. dur = φt 10 c min = max φl φ t = max 20 10 = 20 mm cmin,, dur +Δcdur, γ Δcdurr, st Δcdur, add 20 10 mm 10 mm c nom = cmin +Δ c dev = 20 + 10 = 30 mm ; Este seria o valor a indicar nos desenhos de construção. b) d = 0.70 0.03 0.01 0.025/2 = 0.65 m ; 10