contribuição ao controle tecnológico de concretos estruturais de cimento, Esquemas de Engenharia Civil

Baixe contribuição ao controle tecnológico de concretos estruturais de cimento e outras Esquemas em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity! 1 Antonio Nereu Cavalcanti Filho Contribuição ao controle tecnológico de concretos estruturais de cimento Portland em ambientes marítimos São Paulo 2010 1 Antonio Nereu Cavalcanti Filho Contribuição ao controle tecnológico de concretos estruturais de cimento Portland em ambientes marítimos Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil São Paulo 2010 II AGRADECIMENTOS À Escola Politécnica da Universidade de São Paulo através do Departamento de Engenharia Civil, pela infra-estrutura para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo financiamento da bolsa de estudo para o desenvolvimento desta pesquisa. Ao Centro de Estatística Aplicada (CEA) do IME-USP, pelo suporte estatístico. Às empresas construtoras Hema e Enger, que apoiaram esta pesquisa. À todos da Tecncon – Tecnologia do Concreto e Engenharia Ltda., pelo apoio na realização do programa experimental em João Pessoa/PB, em especial a meu tio Achilles, meu irmão Guilherme, Janiélson, Biapino (Sula), José Francisco (Zezo), Israel, Márcio e Klyvia. À Profª. Drª. Silvia M. de Souza Selmo, pelo apoio em São Paulo, amizade, orientação, ensinamentos, dedicação e seriedade durante esses três anos de convivência. Aos professores Paulo Helene e Gibson Meira, pela participação no exame de qualificação e contribuições importantes para o desenvolvimento desta dissertação. Aos professores Maria Alba Cincotto, Selmo Chapira Kuppermann, Antonio Domingues de Figueiredo e Kai Loh Uemoto pelos conhecimentos adquiridos no curso de pós-graduação. Aos funcionários e colaboradores mais próximos, pela presteza e apoio de alguns afazeres desta pesquisa, em especial à Aline dos Santos, ao Mário e ao Adilson. À amiga Daniele Cafange, por toda a amizade desde o primeiro dia de pós-graduação, pelo apoio dado nesse período em São Paulo, pelas horas de estudo, pelo auxílio nos ensaios realizados em São Paulo e pelas várias caronas. Aos amigos do curso de pós-graduação: Waleska, Tais, Gilberto, Sérgio (Serjão) e Tibério. Aos amigos de apartamento Filipe e Pedro, pelo companheirismo, pelas palavras de apoio nas horas difíceis, pelas conversas na “padoca” e pela grande amizade feita para toda a vida. Às queridas amigas de João Pessoa, que sempre me deram apoio nessa fase e mesmo com a distância estiveram presentes, Jossuely, Joana, Janayra, Manoela e Sandra. À minha namorada Adriana, que suportou a saudade e a distância. Esteve sempre ao meu lado nos momentos mais difíceis no decorrer desta dissertação, incentivando e auxiliando a conclusão deste trabalho. Ao meu irmão Guilherme, fica aqui o meu eterno agradecimento à sua amizade, as dúvidas de inglês tiradas, às conversas, pelo MSN, sobre o mestrado, concreto e principalmente sobre o futuro. Este trabalho também é seu. À Nereu e Marise, meus amados pais pelo carinho, apoio, compreensão e por serem os melhores professores, pois me ensinam conhecimentos sobre a vida. Vocês foram responsáveis pelos maiores incentivos, garantindo meu equilíbrio emocional para a realização desta dissertação. E por serem exemplo de trabalho, dedicação, perseverança, dignidade e amor. III CAVALCANTI FILHO, A. N. Contribuição ao controle tecnológico de concretos estruturais de cimento Portland, em ambientes marítimos. 2010. Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2010. RESUMO A durabilidade dos edifícios em concreto armado só pode ser alcançada se for atendido um conjunto de requisitos e critérios nas etapas de projeto, execução e manutenção, nas quais os materiais envolvidos precisam ser adequadamente especificados, produzidos e empregados, de acordo com as respectivas rotinas dessas etapas. Assim, o requisito genérico de proteção das armaduras de aço carbono, para a durabilidade de estruturas, é contemplado por vários critérios, desde a etapa de projeto. Esta dissertação trata dos critérios pertinentes à qualidade do concreto e visou contribuir para a evolução de procedimentos para o controle tecnológico de concretos estruturais de cimento Portland, em atmosferas marítimas e urbanas, em clima tropical, com vistas à proteção de armaduras de aço carbono. O programa experimental estudou três lotes diferentes de concretos estruturais, semelhantes quanto a especificações básicas de abatimento: 10 ± 2 cm, de fck 30 MPa e para ambiente classe III da NBR 6118 (2003). O objetivo foi caracterizar e analisar a influência de propriedades físicas do estado fresco sobre o estado endurecido de concretos, dentro da faixa de consistência citada, com ênfase nas propriedades relacionadas ao teor de ar das misturas e suas respectivas resistências à carbonatação e ao ingresso de íons cloreto. A amostragem, os ensaios no estado fresco e a moldagem dos corpos-de-prova foram realizados durante três concretagens conduzidas em duas obras de edifícios de múltiplos andares, na cidade de João Pessoa/PB. As composições e a produção dos lotes ficaram a cargo da central dosadora e fornecedora do concreto em cada obra. O lote inicial serviu para o treinamento da equipe, em campo e laboratório, com amostragem de seis caminhões. Os outros dois lotes, identificados como 1 e 2, foram caracterizados em condições bastante semelhantes, sempre pela mesma equipe, e representados pela amostragem de cinco e seis caminhões, respectivamente. As propriedades medidas no estado fresco foram: abatimento do tronco de cone pela ABNT NBR NM 67 (1998); teor de ar por método pressométrico da ABNT NBR 47 (2002); massa específica pela ABNT NBR 9833 (2008); relação água/materiais secos por analogia à ABNT NBR 9605 (1992); e compactabilidade dos concretos adensado e não adensado, por adaptação da BS EN 12350-4 (2008). Para o estudo das propriedades no estado endurecido, os corpos-de-prova eram cilíndricos, com 10 cm de diâmetro e 20 cm de altura, e foram maturados por dois métodos adaptados do Tipo A da ASTM C 684 (1999). Certas propriedades foram ainda caracterizadas para condições normais de cura da ABNT NBR 5738 (2003). As propriedades estudadas no estado endurecido foram: resistência à compressão pela ABNT NBR 5739 (2007); resistência à tração por compressão diametral pela ABNT NBR 7222 (1994); absorção de água por capilaridade pela ABNT NBR 9779 (1995); absorção de água total e índice de vazios pela ABNT NBR 9778 (2005); resistência à carbonatação em câmara com CO2 (5%; UR 65 + 10 %; 23 + 3 oC); e resistência à penetração de cloretos e CO2, por três ciclos de um dia de molhagem e 27 dias de secagem, entre sete e 91 dias. De modo complementar, foram moldados corpos-de-prova específicos de aço e concreto, para medidas de potencial de circuito aberto, com vistas à continuidade de pesquisas sobre envelhecimento acelerado. A maioria das propriedades foram medidas por duas repetições, constando os resultados individuais em apêndices. A análise inicial dos resultados dos três lotes foi descritiva e resumiu em tabelas o valor médio, desvio padrão, valor máximo, valor mínimo, a amplitude e o coeficiente de variação de cada lote. As propriedades de cada lote também foram comparadas por análise de IV variância e, ao final, foram correlacionadas de modo conjunto, independentemente do lote de origem. Nesse caso, foram destacadas as melhores correlações entre propriedades, independentemente dos materiais constituintes de cada concreto. Entre as propriedades do estado fresco, destacaram-se as seguintes: a) o abatimento do tronco de cone apresentou correlação forte e inversa (r2 = -0,802, para lotes 1 e 2) com resistência à compressão após um dia de cura acelerada em temperatura moderada, em método similar ao Tipo A da ASTM C 684 (1999); b) o teor de ar pelo método pressométrico apresentou correlações de razoáveis a fortes com a resistência à compressão a 28 dias (r2 = -0,698, para lotes 1 e 2), com a resistência à tração por compressão diametral por cura acelerada a sete dias (r2 = -0,818, para lotes 1 e 2), com a profundidade de carbonatação em câmara de CO2 (r 2 = 0,699, para lotes 1 e 2) e com a profundidade de penetração de cloretos por três ciclos de imersão e secagem (r2 = 0,625, para lotes 1 e 2); c) as medidas de compactabilidade do concreto adensado, ainda que realizadas em condições de campo, apresentaram várias correlações moderadas com outras propriedades do estado fresco e endurecido. No estado endurecido, destacaram-se as seguintes correlações: a) r2 da ordem de -0,75 para a resistência à compressão a um dia dos concretos dos lotes 1 e 2, com cura acelerada de 0/24 horas em temperatura moderada, e a profundidade de carbonatação em câmara de CO2 (5%) e a de penetração de cloretos por três ciclos de imersão e secagem, ambas analisadas a 91 dias, tendo os corpos-de-prova recebido cura inicial acelerada de 24/48 h, em temperatura moderada, seguida de imersão normal por até sete dias; b) r2 de -0,682 entre a resistência à tração por compressão diametral, com cura acelerada de 24/48h em temperatura moderada seguida de cura normal por até sete dias, e a profundidade de ingresso de íons cloreto, para os três lotes submetidos aos ciclos citados; c) valores de r2 entre 0,521 e - 0,561 para as correlações entre a absorção de água por capilaridade, em corpos-de-prova submetidos à cura inicial acelerada em temperatura moderada por 24/48 h e em temperatura normal por até sete dias, e a resistência à carbonatação para os lotes submetidos aos ciclos citados. Assim, esta pesquisa conclui e propõe que, além do teor de ar no estado fresco, as resistências à compressão e à tração por compressão diametral entre um e sete dias, por cura acelerada do Tipo A da ASTM C 684 (1999) ou por duração adaptada da mesma, sejam propriedades que passem a ser avaliadas em concretos, com vistas a melhorar e controlar a sua resistência a agentes agressivos. Nesta pesquisa, a microestrutura nas primeiras idades do concreto mostrou ser mais determinante da rede de conexão de poros e do transporte de agentes agressivos do que a microestrutura em idades mais avançadas de hidratação; e trabalhos futuros devem confirmar esta interpretação. Espera-se que estes resultados possam estimular novas práticas de qualificação de concretos em estudos de dosagem ou no ato do recebimento de concretos pré-misturados, especialmente em ambientes mais agressivos às armaduras, com vistas à futura evolução de procedimentos da ABNT NBR 12655 (2006). Palavras chave: Concreto, Controle tecnológico, Cloretos, Carbonatação, Durabilidade, Armaduras VII Contribuição ao controle tecnológico de concretos estruturais de cimento Portland em ambientes marítimos SUMÁRIO RESUMO __________________________________________________________________________ III ABSTRACT ________________________________________________________________________ V 1 INTRODUÇÃO ____________________________________________________________________ 1 1.1 Objetivos ___________________________________________________________________ 2 1.2 Importância e justificativa do tema _______________________________________________ 3 1.3 Centros nacionais no estudo da durabilidade das estruturas de concreto armado __________ 6 1.4 Estrutura da dissertação _______________________________________________________ 7 2 A DURABILIDADE DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO E A CORROSÃO DAS ARMADURAS _____________________________________________________________________ 8 2.1 Conceitos de Durabilidade e Vida útil das Estruturas de Concreto Armado _______________ 9 2.2 Mecanismos de deterioração das estruturas de concreto armado ______________________ 13 2.3 Mecanismos mais comuns de corrosão das armaduras _____________________________ 17 2.3.1 Natureza e tipos de corrosão eletroquímica __________________________________ 18 2.3.2 Carbonatação e umidade do concreto de cobrimento __________________________ 20 2.3.2.1 Concentração de CO2 ___________________________________________ 22 2.3.2.2 Umidade relativa do ambiente _____________________________________ 25 2.3.2.3 Temperatura __________________________________________________ 27 2.3.2.4 Tipo e quantidade de cimento _____________________________________ 28 2.3.2.5 Relação água / cimento __________________________________________ 29 2.3.2.6 Cura ______________________________________________________ 32 2.3.3 Penetração de íons cloretos ______________________________________________ 33 2.3.3.1 Tipos de íons cloreto ____________________________________________ 34 2.3.3.2 Formação do aerosol marinho ____________________________________ 34 2.3.3.3 Mecanismos de transporte dos íons cloreto __________________________ 37 a) Ingresso por gradiente de pressão de vapor (absorção capilar) ______________ 37 b) Ingresso por gradiente de pressão de água líquida (permeabilidade) __________ 38 c) Ingresso por gradiente de concentração (difusão iônica) ____________________ 39 d) Ingresso por gradiente de tensão elétrica (migração de íons) ________________ 40 e) Mecanismos combinados de ingresso __________________________________ 42 2.3.3.4 Relação água/cimento ___________________________________________ 43 2.3.3.5 Tipo de cimento ________________________________________________ 44 2.3.3.6 Grau de hidratação pela cura _____________________________________ 46 2.3.3.7 Carbonatação _________________________________________________ 47 VIII 2.3.3.8 Temperatura __________________________________________________ 48 2.3.3.9 Grau de saturação dos poros _____________________________________ 49 2.3.3.10 Tipos de cátions combinados com os íons cloreto ____________________ 50 2.3.3.11 Fissuras _____________________________________________________ 51 3 REQUISITOS E CRITÉRIOS PARA A DURABILIDADE DAS ARMADURAS DO CONCRETO ESTRUTURAL ___________________________________________________________________ 52 3.1 Classificação da agressividade ambiental quanto ao macroclima ______________________ 53 3.2 A importância da caracterização dos microclimas no projeto, para a prevenção da corrosão de armaduras ________________________________________________________________ 55 3.3 Critérios de projeto quanto ao cobrimento das armaduras ___________________________ 56 3.4 Requisitos e critérios de projeto quanto à especificação do concreto ___________________ 58 3.4.1 Resistência à compressão axial ___________________________________________ 58 3.4.2 Relação água/cimento e consumo de cimento ________________________________ 61 3.5 Outras propriedades e critérios de qualidade do concreto para proteção de armaduras ____ 62 3.5.1 Módulo de elasticidade __________________________________________________ 62 3.5.2 Limites para contaminantes no concreto ____________________________________ 64 3.5.3 Tipo de cimento e teor de adições _________________________________________ 65 3.5.4 Dimensão máxima característica dos agregados ______________________________ 66 3.5.5 Trabalhabilidade do concreto fresco ________________________________________ 67 3.5.6 Critérios de absorção de água e porosidade _________________________________ 68 3.5.7 Resistência ao ingresso de íons cloreto por carga passante pela ASTM C 1202:1994_ 69 3.5.8 Proteção às armaduras através do potencial de corrosão pela ASTM C 876 (2009) __ 70 3.6 Etapas e exigências quanto à produção do concreto estrutural ________________________ 72 3.6.1 Definição das propriedades de controle da trabalhabilidade _____________________ 73 3.6.1.1 Consistência pelo abatimento do tronco-de-cone ______________________ 74 3.6.1.2 Teor de ar pelo método pressométrico ______________________________ 76 3.6.1.3 Massa específica, rendimento e teor de ar por método gravimétrico _______ 77 3.6.1.4 Compactabilidade ______________________________________________ 80 3.6.2 Definições quanto à composição e proporcionamento do concreto ________________ 82 3.6.3 Elaboração do concreto _________________________________________________ 83 3.6.4 Transporte ____________________________________________________________ 84 3.6.5 Lançamento ___________________________________________________________ 85 3.6.6 Adensamento _________________________________________________________ 86 3.6.7 Cura ________________________________________________________________ 87 3.7 Controle de fissuras no concreto _______________________________________________ 89 3.8 Controle de qualidade do concreto pela ABNT NBR 12655 (2006) _____________________ 92 3.8.1 Abrangência e complexidade do controle de qualidade do concreto _______________ 92 IX 3.8.2 Controle da consistência pelo abatimento ___________________________________ 93 3.8.3 Controle da resistência à compressão ______________________________________ 93 4 PROGRAMA EXPERIMENTAL PARA PROSPECÇÃO DE CONTROLE TECNOLÓGICO DO CONCRETO AMPLIADO À PROTEÇÃO DE ARMADURAS _______________________________ 96 4.1 Objetivos do programa experimental ____________________________________________ 96 4.2 Metodologia para a definição dos concretos ______________________________________ 96 4.2.1 Definições da classe de resistência, cidade e centrais dosadoras dos concretos _____ 97 4.2.2 Seleção das centrais dosadoras ___________________________________________ 98 4.2.3 Seleção e visita preliminar às obras ________________________________________ 98 4.2.4 Plano básico de amostragem dos lotes em estudo ____________________________ 99 4.2.5 Caracterização dos materiais constituintes e dosagem dos concretos ____________ 100 4.3 Amostragem e caracterização do concreto de cada lote ____________________________ 102 4.3.1 Amostragem e ensaios no concreto fresco __________________________________ 103 4.3.2 Moldagem de corpos-de-prova e ensaios no concreto endurecido _______________ 106 4.3.3 Procedimentos de cura dos corpos-de-prova ________________________________ 109 4.3.4 Ensaios de compressão simples e diametral ________________________________ 111 4.3.5 Ensaios indicadores de porosidade _______________________________________ 113 4.3.6 Ensaios acelerados quanto à penetração de cloretos e CO2 ____________________ 113 4.3.7 Potencial de corrosão de armaduras em cura normal do concreto _______________ 120 5 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS _________________________________ 123 5.1 Análise descritiva das propriedades de cada lote _________________________________ 123 5.1.1 Concreto fresco _______________________________________________________ 123 5.1.1.1 Informes das notas fiscais de fornecimento _________________________ 123 5.1.1.2 Abatimento do tronco-de-cone (“slump”) ____________________________ 125 5.1.1.3 Massa específica aparente ______________________________________ 126 5.1.1.4 Compactabilidade do concreto adensado ___________________________ 127 5.1.1.5 Compactabilidade do concreto não-adensado _______________________ 128 5.1.1.6 Teor de ar pelo método pressométrico _____________________________ 129 5.1.1.7 Umidade do concreto fresco _____________________________________ 131 5.1.2 Concreto endurecido ___________________________________________________ 132 5.1.2.1 Resistência à compressão simples ________________________________ 132 a) Resistências à compressão medidas a 1 dia (fc1 e fc1acel) ______________ 132 b) Resistências à compressão medidas a 7 dias (fc7 e fc7acel) _____________ 134 c) Resistência à compressão a 28 dias (fc28) por cura normal ____________ 136 d) Resistência à compressão a 63 dias (fc63) por cura normal ____________ 137 e) Resistência à compressão a 91 dias (fc91) por normal ________________ 138 f) Análise conjunta das idades por lote ______________________________ 139 XII LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Incidência de manifestações patológicas mais freqüentes em edifícios com média de 7,1 anos e fck 15 MPa, na cidade de João Pessoa/PB (SILVA et al. 2003) _____________________________________________________________________ 5 Figura 2 – Modelo de vida útil de TUUTTI (1982)___________________________________________10 Figura 3 – Ampliação do conceito de vida útil das estruturas de concreto, tomando-se por referência o fenômeno da corrosão das armaduras e a realização de reparos de manutenção corretiva (HELENE, 1993)_________________________________ 12 Figura 4 - Lei de evolução de custos (SITTER, 1984 apud HELENE, 1993) ______________________ 17 Figura 5 - Tipos de corrosão e fatores que as provocam (CAMPOS, 2006) ______________________ 19 Figura 6 - Esquema do avanço do processo de carbonatação (CEB, 1984 citado por Figueiredo, 2005) ___________________________________________________________ 21 Figura 7 - Variação da profundidade de carbonatação com a umidade (ANDRADE, 1992) __________ 25 Figura 8 – Profundidade média de carbonatação a 10, 100, 200 e 500 metros do mar: (a) a/c = 0,50; (b) a/c = 0,57; (c) a/c = 0,65 (MEIRA et al., 2006) ______________________ 27 Figura 9 - Profundidade de carbonatação acelerada a 10% aos 91 dias (COSTA Jr. et al. 2006) _____ 29 Figura 10 – Ilustração da influência secundária do GSmédio em comparação à relação água/cimento, na profundidade de carbonatação de concretos, em quatro distancias do mar (10, 100, 200 e 500 m) para os mesmos dados ilustrados na Figura 8: (a) a/c = 0,50; (b) a/c = 0,57; (c) a/c = 0,65 para concretos expostos em João Pessoa-PB (MEIRA et al., 2006) ________________________ 31 Figura 11 – Faixa de valores do Grau de saturação em função do distanciamento do mar (MEIRA, 2004).___________________________________________31 Figura 12 - Representação esquemática das zonas de agressividade do aerosol marinho em cidades litorâneas. (MEIRA, 2004)___________________________________________ 35 Figura 13 - Carga passante x relação água/cimento para uma mesma consistência (MEDEIROS; HELENE, 2003) _________________________________________________ 41 Figura 14 - Migração de íons cloreto x relação água/cimento (CPI S, CPIII e CPIV) (REGATTIERI, 1998) ________________________________________________________ 42 Figura 15 - Atuação de diversos mecanismos de transporte em uma estrutura marítima (PERRATON et al. ,1992, citado por PEREIRA, 2001) ______________________ 42 Figura 16 - Efeito da relação água/cimento na penetração de cloretos (JAERGEMAN, 1990, citado por MEIRA, 2004) ___________________________________ 44 XIII Figura 17 - Penetração de íons cloreto versus o tempo de cura em concretos (1, 7 e 28 dias) (PLANTE; BILOUDEAU, 1989 citado por PEREIRA, 2001) ___________________ 46 Figura 18 - Efeitos isolados da idade e do tipo de cimento de concretos sobre o coeficiente efetivo de difusão (PEREIRA, 2001) ___________________________________ 47 Figura 19 - Comportamento do coeficiente de difusão com a variação do grau de saturação do concreto (MEIRA, 2004) ___________________________________________ 50 Figura 20 – Variação da profundidade de carbonatação em vigas e pilares de garagem em prédio com 30 anos e comparação com os valores calculados pelo modelo de HELENE (CARMONA, 2005) ____________________________ 56 Figura 21 – Carga passante (C) de cloretos versus porosidade de concretos estruturais (MEDEIROS; HELENE, 2003) ________________________________________ 68 Figura 22 – Sequência de passos para a realização do ensaio de abatimento do tronco de cone para concretos de consistência plástica (MEHTA; MONTEIRO, 2008) __________________________________________________________ 75 Figura 23 - Equipamento de medição do teor de ar. Ilustração do Departamento de Engenheiro de Construção Civil da Escola Politécnica da USP. _______________________ 77 Figura 25 – Ensaio de massa específica pelo método gravimétrico. Ilustração do Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da USP ___________________________________________________________________ 78 Figura 26 – Aparelho de Glanville para medida de fator de compactação do concreto fresco, pela norma extinta, BS 1881-103:1993 – Testing Concrete Method for Determination of Compactability Factor (MEHTA e MONTEIRO, 2008) ______________ 81 Figura 27 – Descrição geral da amostragem dos lotes analisados ____________________________ 100 Figura 28 – Fluxograma dos materiais utilizados nos concretos amostrados da obra 1 ____________ 101 Figura 29 – Fluxograma dos materiais utilizados nos concretos amostrados da obra 2 ____________ 101 Figura 30 – Fluxograma da amostragem dos ensaios no concreto fresco de cada caminhão-betoneira integrante dos lotes estudados. ______________________________ 103 Figura 31 – Amostragem do concreto fresco _____________________________________________ 104 Figura 32 – Equipe de técnicos que participaram das concretagens ___________________________ 104 Figura 33 – Moldagem dos corpos-de-prova cilíndricos, de 10 cm x 20 cm, segundo a ABNT NBR 5738 (2003) _____________________________________________________ 107 Figura 34 – Fluxograma de resumo dos ensaios no concreto endurecido _______________________ 108 Figura 35 – Cura convencional da ABNT NBR 5738 (2003), por imersão em tanque com água saturada de cal, em pátio do laboratório de realização do estudo, em João Pessoa/PB. _________________________________________________ 110 XIV Figura 36- Detalhes da cura térmica em tanques similares ao de cura convencional, mas com aquecimento de água por resistência elétrica a (35 ± 3)°C, em analogia ao método A da ASTM C 684:99. ______________________________________ 110 Figura 37 – Etapa de imersão total em solução de 3,5% de NaCl por 24 horas __________________ 115 Figura 38 – Caixa térmica de secagem dos corpos-de-prova, nos períodos diurno e noturno _______ 116 Figura 39 – Imersão das seções dos corpos-de-prova em solução de fenolftaleína e nitrato de prata. ___________________________________________________________ 117 Figura 40 – Metade de corpos-de-prova seccionados em terços superior e inferior para nova aspersão de solução nitrato de prata __________________________________ 118 Figura 41 - Câmara de CO2 semi-automática da Bass utilizada na pesquisa no laboratório _________ 119 Figura 42 – Detalhes das barras utilizadas e armação dos corpos-de-prova para medida de potencial de corrosão das armaduras. _______________________________________ 120 Figura 43 – Fluxograma dos corpos-de-prova dos lotes treinamento e 1, para medidas de potencial de corrosão, conforme a ASTM C 876 (2009). ________________________ 121 Figura 44 - Fluxograma dos corpos-de-prova do lote 2, para medidas de potencial de corrosão, conforme a ASTM C 876 (2009). _____________________________________ 121 Figura 45 – Corpos-de-prova armados após moldagem e cura, na bancada do laboratório da USP e imersos em solução de cal. ________________________________ 122 Figura 46 – Variações do abatimento médio dos concretos analisados nos três lotes. ABNT NBR NM 67 (1998) __________________________________________________ 126 Figura 47 – Variações da massa específica aparente média dos concretos amostrados nos três lotes. ABNT NBR 9833 (2008) ________________________________________ 127 Figura 48 – Variações da compactabilidade adensada média de cada caminhão entre os concretos amostrados nos três lotes (BS EN 12350-4, 2008). ___________________ 128 Figura 49 – Variações da compactabilidade média do concreto fresco não-adensado, nos lotes 1 e 2. Adaptado da BS EN 12350-4 (2008) _____________________________ 129 Figura 50 – Variações do teor de ar médio por método pressométrico, entre os concretos amostrados nos três lotes. ABNT NBR 47 (2002). _______________________ 130 Figura 51 – Variações do teor de umidade médio do concreto fresco entre os concretos amostrados de cada lote ____________________________________________ 132 Figura 52 – Variação da resistência à compressão média a 1 dia por cura normal nos concretos amostrados em dois lotes. ABNT NBR 5739 (2007). ______________________ 133 Figura 53 – Variação da resistência à compressão média a 1 por cura acelerada nos concretos amostrados em dois lotes. ABNT NBR 5739 (2007). ______________________ 134 Figura 54 – Variação da resistência à compressão a 7 dias, por cura normal, nos concretos dos dois lotes amostrados. ABNT NBR 5739 (2007). ______________________________ 135 XVII Figura 80 – Seções de medida da penetração de cloretos nos corpos-de-prova 441 e 442 do lote 1, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem, entre 7 e 91 dias. __________________________________________________ 271 Figura 81 – Seções de medida da penetração de cloretos nos corpos-de-prova 443 e 444, com cura acelerada 24/48 h, do lote 1, após três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. __________________________________________________ 272 Figura 82 – Seções de medida da penetração de cloretos nos corpos-de-prova 445 e 446 do lote 1, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem, entre 7 e 91 dias. __________________________________________________ 272 Figura 83 – Seções de medida da penetração de cloretos nos corpos-de-prova 447 e 448 do lote 1, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. __________________________________________________ 273 Figura 84 – Seções de medida da penetração de cloretos nos corpos-de-prova 449 e 450 do lote 1, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. __________________________________________________ 273 Figura 85 – Seções de medida da penetração de cloretos nos corpos-de-prova 451 e 452 do lote 1, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. __________________________________________________ 274 Figura 86 – Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de- prova 441, 442, 443 e 444 dos caminhões 1 e 2 do lote 1, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. _____________ 275 Figura 87 – Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de-prova 445, 446, 447 e 448 dos caminhões 3 e 4, do lote 1, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. _____________________ 276 Figura 88 - Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de- prova 449, 450, 451 e 452 dos caminhões 5 e 6, do lote 1, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. _____________ 277 Figura 89 – Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de-prova 429, 430, 431 e 432, após secagem prolongada em estufa ventilada e sete dia em câmara com CO2 a 5%._______________278 Figura 90 - Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de-prova 433, 434, 435 e 436, após secagem prolongada em estufa ventilada e sete dias em câmara com CO2 a 5%. ______________________________________________ 279 Figura 91 - Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de-prova 437, 438, 439 e 440, após secagem prolongada em estufa ventilada e sete dias em câmara com CO2 a 5%. ______________________________________________ 279 XVIII Figura 92 - Seções de medida da penetração de cloretos nos corpos-de-prova 227 e 228 do lote 2, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. __________________________________________________________ 280 Figura 93 - Seções de medida da penetração de cloretos nos corpos-de-prova 229 e 230 do lote 2, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. __________________________________________________________ 281 Figura 94 - Seções de medida da penetração de cloretos nos corpos-de-prova 231 e 232 do lote 2, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. __________________________________________________________ 281 Figura 95 - Seções de medida da penetração de cloretos nos corpos-de-prova 233 e 234 do lote 2, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. __________________________________________________________ 282 Figura 96 - Seções de medida da penetração de cloretos nos corpos-de-prova 235 e 236 do lote 2, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. __________________________________________________________ 282 Figura 97 - Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de-prova 227, 228, 229 e 230 dos caminhões 1 e 2, do lote 1, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. _____________________ 283 Figura 98 - Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de-prova 231, 232, 233 e 234 dos caminhões 3 e 4, do lote 1, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. _____________________ 284 Figura 99 - Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de-prova 235 e 236 do caminhão 5, do lote 1, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. __________________________________ 284 Figura 100 - Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de-prova 217, 218, 219 e 220, do lote 2, após secagem prolongada em estufa ventilada e sete dias em câmara com CO2 a 5%. _________________________________________ 285 Figura 101 - Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de-prova 221, 222, 223, 224 e 225, do lote 2, após secagem prolongada em estufa ventilada e sete dias em câmara com CO2 a 5%. _________________________________ 286 Figura 102 - Seções de medida da penetração de cloretos nos corpos-de-prova 109 e 111 do lote treinamento, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem, entre 7 e 91 dias. _________________________________________ 287 Figura 103 - Seções de medida da penetração de cloretos nos corpos-de-prova 113 e 114 do lote treinamento, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem, entre 7 e 91 dias. _________________________________________ 288 XIX Figura 104 - Seções de medida da penetração de cloretos nos corpos-de-prova 117 e 119 do lote treinamento, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem, entre 7 e 91 dias. _________________________________________ 289 Figura 105 - Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de-prova 109, 110, 111 e 112 dos caminhões 1 e 2, do lote treinamento, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. _____________ 290 Figura 106 - Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de-prova 113 e 115 dos caminhões 3 e 5, do lote treinamento, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. _____________________ 291 Figura 107 - Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de-prova 117, 118, 119 e 120 dos caminhões 5 e 6, do lote treinamento, após cura acelerada (24/48 h) e três ciclos de imersão e secagem entre 7 e 91 dias. _____________ 291 Figura 108 – Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de-prova 99, 100, 101 e 102 do lote treinamento, após secagem prolongada e sete dias em câmara com 5% de CO2. _________________________________________________ 293 Figura 109 - Seções de medida da profundidade de carbonatação nos corpos-de-prova 103, 104, 105, 106, 107 e 108 do lote treinamento, após secagem prolongada e sete dias em câmara com 5% de CO2. ________________________________________ 294 Figura 110 – (a) Corte esquemático da obra 1; (b) Planta baixa do pavimento-tipo da obra 1 _______ 331 Figura 111 – (a) Corte esquemático da obra 2; (b) Planta Baixa do pavimento tipo da obra 2 _______ 334 XXII Tabela 41 - Resultados do ensaio de resistência à compressão a 63 dias por cura normal, nos concretos dos dois lotes analisados. ABNT NBR 5739 (2007). _____________________ 137 Tabela 42 - Resultados do ensaio de resistência à compressão, com cura normal a 91 dias por cura normal nos concretos dos dois lotes analisados. ABNT NBR 5739 (2007). ________ 138 Tabela 43 - Resultados do ensaio de resistência à compressão nos concretos amostrados do lote treinamento. ABNT NBR 5739 (2007) _____________________________________ 140 Tabela 44 – Resultados do ensaio de resistência à compressão nos concretos amostrados do lote 1. ABNT NBR 5739 (2007). _____________________________________________ 142 Tabela 45 - Resultados do ensaio de resistência à compressão nos concretos amostrados do lote 2. ABNT NBR 5739 (2007). _____________________________________________ 144 Tabela 46 - Evolução da resistência relativa a cura normal a 28 dias nos corpos-de-prova amostrados do lote treinamento. _____________________________________________ 146 Tabela 47 - Evolução da resistência a 28 dias por cura normal dos corpos-de-prova amostrados do lote1. ______________________________________________________ 147 Tabela 48 - Evolução da resistência a 28 dias por cura normal dos corpos-de-prova amostrados do lote2. ______________________________________________________ 148 Tabela 49 - Resistência característica por amostragem parcial dos concretos do lote treinamento. ABNT NBR 12655 (2006). _______________________________________ 149 Tabela 50 - Resistência característica por amostragem parcial dos concretos do lote 1. ABNT NBR 12655 (2006). _______________________________________________________ 149 Tabela 51 – Simulação da resistência característica por amostragem total dos concretos dos lote treinamento e 1. ABNT NBR 12655 (2006). _________________________________ 150 Tabela 52 – Resistência característica dos concretos amostrados do lote 2. ABNT NBR 12655 (2006) ____________________________________________________________ 151 Tabela 53 - Resultados do ensaio de resistência à tração por compressão diametral, cura acelerada 24/48 horas e imersão em água até 7 dias nos concretos dos três lotes analisados. ABNT NBR 7222 (1994). _________________________________________ 151 Tabela 54 - Resultados do ensaio de resistência à tração por compressão diametral com cura normal até 28 dias nos concretos dos três lotes analisados. ABNT NBR 7222 (1994). _________________________________________________________________ 152 Tabela 55 - Resultados do ensaio de resistência à tração por compressão diametral nos concretos amostrados do lote treinamento e evolução da resistência em função da resistência à tração a 28 dias. ABNT NBR 7222 (1994). __________________________ 154 Tabela 56 - Resultados do ensaio de resistência à tração por compressão diametral nos concretos amostrados do lote 1. ABNT NBR 7222 (1994). _________________________ 155 Tabela 57 - Resultados do ensaio de resistência à tração por compressão diametral nos concretos amostrados do lote 2. ABNT NBR 7222 (1994). _________________________ 156 XXIII Tabela 58 - Relação entre resistência à tração por compressão diametral e a resistência à compressão a 28 dias do concreto do lote treinamento. ___________________________ 157 Tabela 59 – Relação entre resistência à tração por compressão diametral e a resistência à compressão a 28 dias dos concretos do lote 1. _________________________________ 158 Tabela 60 - Relação entre resistência à tração por compressão diametral e a resistência à compressão a 28 dias dos concretos do lote 2. _________________________________ 159 Tabela 61 - Resultados médios da absorção de água por capilaridade, ao final de 72 horas, nos concretos por cura normal até 28 dias e acelerada 24/48 horas mais imersão em água até 7 dias nos lotes analisados. ABNT NBR 9779 (1995). __________________ 160 Tabela 62 – Coeficiente de absorção de água por capilaridade nas idades de 15 min e 72 horas (4320 min) de ensaio, nos três lotes analisados. ___________________________ 162 Tabela 63 - Resultados do ensaio de absorção de água total nos concretos com cura acelerada 24/48 horas e com imersão em água até 7 dias nos três lotes analisados ______________________________________________________________ 162 Tabela 64 - Resultados do ensaio de índice de vazios nos concretos com cura acelerada 24/48 horas e imersão em água até 7 dias dos três lotes analisados. ________________ 164 Tabela 65 - Resultados do ensaio de resistência à carbonatação por câmara de CO2 (5%; 7 dias) de corpos-de-prova submetidos à cura acelerada 24/48 horas mais imersão em água até 7 dias, nos concretos dos três lotes analisados, por fenolftaleína e timolftaleína. _________________________________________________ 166 Tabela 66 - Comparação entre as profundidades de carbonatação obtida neste trabalho com as calculadas pelo modelo apresentado por Atis (2003) citado por Silva (2007) __________________________________________________________________ 168 Tabela 67 - Comparação entre as profundidades de carbonatação obtida neste trabalho com as calculadas pelo segundo modelo apresentado por Atis (2003) citado por Silva (2007) _____________________________________________________________ 169 Tabela 68 - Resultados do ensaio de resistência à carbonatação por três ciclos de imersão e secagem em corpos-de-prova submetidos a cura acelerada 24/48 h mais imersão em água até 7 dias nos concretos dos três lotes analisados. _______________________ 174 Tabela 69 - Resultados do ensaio de resistência à penetração de cloretos, por três ciclos de imersão e secagem, das metades seccionadas diametralmente e nos terços médios, submetidos a cura acelerada 24/48 horas mais imersão em água até 7 dias nos concretos dos três lotes analisados. ___________________________________ 175 Tabela 70 – Profundidade mínima e máxima característica de carbonatação por câmara de CO2 e por ciclagem nos corpos-de-prova dos três lotes ___________________________ 178 Tabela 71 - Profundidade mínima e máxima característica da penetração de cloretos por ciclagem nos corpos-de-prova dos três lotes ___________________________________ 178 XXIV Tabela 72 – Resultados do ensaio de potencial de corrosão nos corpos-de-prova com 2,5 cm de cobrimento, amostrados dos três lotes analisados ____________________________ 179 Tabela 73 – Correlações entre o abatimento do tronco de cone e propriedades dos três lotes _______ 183 Tabela 74 - Correlações entre a massa específica do concreto fresco aparente e propriedades dos três lotes _________________________________________________ 184 Tabela 75 - Correlações entre a compactabilidade do concreto adensado e _____________________ 185 Tabela 76 - Correlações entre a compactabilidade do concreto não-adensado e propriedades de dois lotes de diferentes centrais (Lote 1 e 2) _________________________________ 186 Tabela 77 - Correlações entre o teor de ar pelo método pressométrico e propriedades de dois lotes de diferentes centrais (Lote 1 e 2) _______________________________________ 187 Tabela 78 - Correlações entre a umidade do concreto fresco e propriedades de dois lotes de diferentes centrais (Lotes 1 e 2) _____________________________________________ 188 Tabela 79 - Correlações entre a absorção de água por capilaridade e propriedades de dois lotes de diferentes centrais (Lotes 1 e 2)_______________________________________ 189 Tabela 80 - Correlações entre a absorção de água total e as propriedades dos três lotes __________ 190 Tabela 81 - Correlações entre o índice de vazios entre propriedades dos três lotes _______________ 190 Tabela 82 - Correlações entre resistência à compressão a 1 dia entre propriedades de dois lotes de diferentes centrais (Lotes 1 e 2)_____________________________________ 191 Tabela 83 - Correlações entre resistência à compressão a 7 dias por cura acelerada entre propriedades de dois lotes de diferentes centrais (Lotes 1 e 2) _____________________ 192 Tabela 84 - Correlações entre resistência à compressão a 28 dias por cura normal entre propriedades dos três lotes _________________________________________________ 192 Tabela 85 - Correlações entre resistência à compressão a 63 dias por cura normal entre propriedades de dois lotes de diferentes centrais (Lotes 1 e 2) _____________________ 193 Tabela 86 - Correlações entre resistência à compressão a 91 dias por cura normal entre propriedades de dois lotes de diferentes centrais (Lotes 1 e 2) _____________________ 194 Tabela 87 - Correlações entre resistência à tração por compressão diametral a 7 dias por cura acelerada 24/48 horas com demais propriedades dos dois lotes analisados ______________________________________________________________ 195 Tabela 88 - Correlações entre a profundidade de carbonatação e penetração de cloretos em corpos-de-prova ciclados por imersão e secagem dos três lotes analisados ______________________________________________________________ 197 Tabela 89 - Correlações entre a profundidade de carbonatação por câmara de CO2 em corpos-de-prova dos três lotes analisados _____________________________________ 198 Tabela 90 - Propriedades químicas, físicas e mecânicas do CP V ARI RS do concreto da obra 1 mês de Agosto/08 ___________________________________________________ 222 Tabela 91 - Propriedades químicas, físicas e mecânicas do CP IIF 32 do concreto da obra 2 _______ 224 XXVII Tabela 127 - Valores do potencia de corrosão no potenciostato modelo 273 (mV,ECS), nos corpos-de-prova com cobrimento de 3,5 e 1,5 cm do lote 2 _________________________________________________________________ 257 Tabela 128 - Resultados do ensaio de abatimento do tronco de cone do lote treinamento __________ 258 Tabela 129 – Resultados dos ensaios de massa especifica do concreto fresco do lote treinamento ____________________________________________________________ 258 Tabela 130 – Resultados do ensaio de compactabilidade com adensamento prévio do concreto amostrado do lote treinamento______________________________________ 259 Tabela 131 – Resultados dos ensaios de teor de ar e umidade do lote treinamento _______________ 259 Tabela 132 – Resultados dos ensaios de absorção de água total do lote treinamento _____________ 260 Tabela 133 – Resultados dos ensaios de absorção de água por capilaridade do lote treinamento ____ 262 Tabela 134 – Resultados dos ensaios mecânicos e acelerados do lote treinamento _______________ 263 Tabela 135 – Resultados dos ensaios de carbonatação por câmara de CO2 (5%; 7 dias) nos corpos-de-prova por fenolftaleína, submetidos a cura acelerada 24/48 horas mais imersão em água até 7 dias, do treinamento _________________________ 264 Tabela 136 - Resultados dos ensaios de profundidade de carbonatação em câmara de CO2 (5%; 7 dias), por timolftaleina nos corpos-de-prova do lote treinamento _____________________________________________________________ 265 Tabela 137 – Resultados dos ensaios de carbonatação nos corpos-de-prova submetidos a três ciclos de imersão em solução de 3,5 % de NaCl e secagem em caixa térmica ventilada, do lote treinamento ________________________ 266 Tabela 138 - Resultados do ensaio de penetração de cloretos em corpos-de-prova rompidos na diametral, submetidos a ciclos de molhagem e secagem, dos caminhões amostrados do lote treinamento _______________________________ 267 Tabela 139 – Resultados dos ensaios da penetração de cloretos nos terços médios dos corpos-de-prova do lote treinamento ________________________________________ 268 Tabela 140 – Valores do potencia de corrosão no potenciostato modelo 273 (mV,ECS), nos corpos-de-prova com cobrimento de 2,5 cm do lote treinamento _______________ 269 Tabela 141 - Valores do potencia de corrosão no potenciostato modelo 273 (mV,ECS), nos corpos-de-prova com cobrimento de 3,5 cm e 1,5 cm do lote treinamento ____________________________________________________________ 270 XXVIII LISTA DE ABREVIATURAS ABECE Associação Brasileira de Engenharia e Consultoria Estrutural ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ACI American Concrete Institute ASTM American Society for Testing and Materials BS British Standard CEA Centro de Estatística Aplicada do IME-USP CEB Comitê Euro-International Du Beton CEFET Centro Federal de Educação Tecnológica CP I – S Cimento Portland comum CP II – F Cimento Portland composto com filer CP II – Z Cimento Portland composto com pozolana CP III Cimento Portland de alto forno CP IV Cimento Portland pozolanico CP V ARI Cimento Portland de alta resistência inicial C10,...,C80 Classe de resistência à compressão EPUSP Escola Politécnica da Universidade de São Paulo IBRACON Instituto Brasileiro do Concreto IME Instituto de Matemática e Estatística da Universidade de São Paulo INT Instituto Nacional de Tecnologia IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo ITA Instituto da Aeronáutica PUC Pontifica Universidade Católica UFG Universidade Federal de Goiás UFPB Universidade Federal da Paraíba UFSC Universidade Federal de Santa Catarina UFSM Universidade Federal de Santa Maria UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul UNICAMP Universidade de Campinas UR Umidade Relativa USP Universidade de São Paulo XXIX LISTA DE SÍMBOLOS A Teor de ar do concreto fresco Ab Abatimento do tronco de cone Absc Absorção de água por capilaridade Abst Absorção de água total Ab1/2cp Absorção de água de meio corpo-de-prova Ar Teor de ar pelo método pressométrico a/c Relação água/cimento C Consumo de cimento Ca(OH)2 Hidróxido de cálcio Co Compactabilidade C3A Aluminato tri-cálcico C4AF Ferro Aluminato tetra-cálcico Cl-CO2 Resistência à carbonatação e cloretos simultâneos em corpos-de-prova submetidos a 3 ciclos de molhagem e secagem Cl- Íons Cloreto CO2 91d Resistência à carbonatação em câmara com 5% de CO2 D Coeficiente efetivo de difusão D (t) Coeficiente de difusão em função da temperatura fc Resistência à compressão fck Resistência característica do concreto à compressão fcj Resistência à compressão do concreto por ensaio na idade de j dias fcj,acel Resistência à compressão do concreto por ensaio acelerado na idade de j dias fck,est Resistência característica à compressão estimada fct,SP Resistência à tração por compressão diametral Gs Grau de saturação H Umidade do concreto fresco H2S Gás Sulfídrico h Altura ou penetração da água no capilar Ia Índice de ar presente na mistura Iv Índice de vazios 1 CAPÍTULO 1 1 INTRODUÇÃO O momento atual da Engenharia Civil, no Brasil e no mundo, tem se caracterizado por uma grande preocupação com a qualidade e a durabilidade das edificações e obras em geral, com vistas ao desenvolvimento sustentável das cidades. A durabilidade dos edifícios em concreto armado só pode ser alcançada, se atendido um conjunto de requisitos nas etapas de projeto, execução e manutenção. Em cada uma, há propriedades específicas a serem exigidas e atendidas pelos concretos de cimento Portland, enquanto material estrutural envolvente e de proteção das armaduras de aço carbono. Proteção esta que é exclusiva do concreto e do sistema de pintura, em estruturas de concreto aparente, ou conjunta com um sistema de revestimento de argamassa e pintura, que é o caso mais comum. Em qualquer desses casos, a responsabilidade da proteção das armaduras é atribuída apenas ao concreto, enquanto material estrutural. Parte da área técnica, de projetistas e empresas construtoras a órgãos públicos, tem consciência de que a qualidade das obras é rentável a médio e a longo prazo, e este consenso precisa ser cada vez mais pactuado e respeitado, por todos da cadeia da Construção Civil. Os avanços conseguidos no Brasil, na qualidade das estruturas de concreto armado, aconteceram em função da discussão permanente e da implementação de novas normas técnicas de projeto e execução, e de outros documentos de idoneidade técnica, como são as dissertações e teses acadêmicas. Como se sabe, as normas de estruturas de concreto armado até a revisão da ABNT NBR 6118 (2003) - Norma Brasileira de Projeto de Estruturas de Concreto – Procedimentos, sempre valorizaram o binômio “esforços solicitantes versus capacidade resistente”, dando pouca ênfase nos diferentes níveis de exposição dos elementos estruturais ao meio ambiente, às necessidades diferenciadas de cobrimento das armaduras e vários outros aspectos importantes da produção do concreto. A partir da ABNT NBR 6118 (2003) e da ABNT NBR 14931 (2003) – Execução de Estruturas de Concreto – Procedimento, a questão da durabilidade das estruturas passou a ser tratada de maneira sistêmica, como necessário, e foram enfatizadas as características do concreto que possam contribuir para longevidade das estruturas em serviço e frente aos mecanismos de deterioração mais comuns. Esta nova visão foi também incorporada na revisão 2 da ABNT NBR 12655 (2006) – Concreto de Cimento Portland – Preparo, Controle e Recebimento - Procedimento, mas ainda de forma prescritiva e por limites de relação água/cimento e de consumo de cimento, sem haver evolução no campo de métodos para a pré-seleção ou o controle de qualidade de concretos dosados por esses critérios e que são, usualmente, citados como “critérios de durabilidade”. Mas a etapa de projeto é sabidamente o primeiro e um dos mais importantes passos para se obter estruturas duráveis, e o conhecimento de outras diretrizes que visam à durabilidade como, por exemplo, o de se adotar corretamente a classe ambiental do meio em que a estrutura será executada e ainda conhecer o micro-clima peculiar de cada elemento estrutural e as exigências de espessura de cobrimento das armaduras, além das características do concreto, são todos requisitos de fundamental importância, que precisam agora evoluir pela evolução correspondente no campo da produção do concreto e execução das estruturas. Os itens que seguem nesta introdução detalham as justificativas e os objetivos desta dissertação; por fim, as instituições que são referência no tema desta pesquisa e a estrutura deste trabalho. 1.1 Objetivos Esta pesquisa teve por objetivo geral contribuir para a evolução de procedimentos para o controle tecnológico e recebimento de concreto estrutural em atmosferas marítimas e urbanas de clima tropical, com vistas à proteção de armaduras e durabilidade dessas estruturas. O programa experimental objetivou amostrar e caracterizar, em campo, três lotes de concretos estruturais pré-misturados de mesmo abatimento e resistência característica à compressão a 28 dias, com vistas a comparar e correlacionar as suas propriedades desde o estado fresco, quanto à capacidade de proteção de armaduras para estruturas em ambiente urbano do litoral brasileiro. Em especial, no estado fresco, foram visadas propriedades relacionadas ao teor de ar no concreto fresco e algumas propriedades físicas e mecânicas de fácil caracterização no estado endurecido. As seguintes premissas e objetivos complementares orientaram a definição das propriedades estudadas e dos procedimentos adotados na metodologia: - Antecipar a idade de qualificação de concretos, através do emprego de cura acelerada em temperatura moderada, segundo procedimento baseado no tipo A da ASTM C 684 (1999); 3 - Adotar recursos laboratoriais acessíveis a empresas de controle tecnológico do mercado brasileiro, para estimular novas práticas em estudo de dosagem, seleção ou recebimento de concretos estruturais. 1.2 Importância e justificativa do tema O início da tecnologia do concreto no Brasil remonta ao final do séc. XIX, com a instalação, pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, do Gabinete da Resistência dos Materiais, em 1899. Em 1905, foi publicado, pelo Grêmio Politécnico, o Manual de Resistência dos Materiais resultante das atividades laboratoriais empreendidas pelos Engs. Willhem Fischer e Hyppolyto Gustavo Pujol, no qual constavam resultados de ensaios em cimentos e cales, além de metais e madeiras (HELENE; TERZIAN, 1993). A inexistência de um consenso nacional sobre os procedimentos e parâmetros de dosagem levou vários pesquisadores a proporem o seu método de dosagem, como o método de dosagem do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), proposto por Ary Torres em 1927; o método de dosagem do Instituto Nacional de Tecnologia (INT), proposto por Lobo Carneiro; o método do Instituto Tecnológico do Estado do Rio Grande do Sul, proposto por Eládio Petrucci; o método dos engenheiros Ary Torres e Carlos Eduardo Rosman, baseado nos trabalhos anteriormente publicados, cujos princípios foram posteriormente incorporados às recomendações do projeto de revisão da NB-1 em 1958, entre outros. Várias publicações acadêmicas e livros editados nas décadas seguintes contribuíram para a disseminação de estudos de dosagem de concretos para estruturas, por exemplo, o de Helene; Terzian (1993). Esta evolução culminou recentemente no fato de que vários especialistas endossaram a simplificação e a uniformização dos procedimentos de dosagem do concreto pelo recém- batizado Método de Dosagem IBRACON, divulgado em ISAIA (2005). Já nas últimas décadas, diversos trabalhos acadêmicos procuraram contribuir para o entendimento de que as variáveis de dosagem, expressas por natureza e teor dos componentes do concreto, bem como a espessura de cobrimento das armaduras, afetam a carbonatação e o ingresso de íons cloreto no concreto, por exemplo: HELENE (1993), CASCUDO (1996, 2001), BAUER (1995); DIAZ (1997) REGATTIERI (1998); TULA (2000); CUNHA (2001); GOMES (2006); SILVA (2007) e MEIRA (2004). Assim, as normas brasileiras de projeto e execução de estruturas de concreto armado já incorporaram grande parte da evolução tecnológica no campo da durabilidade, nas últimas décadas, a partir da ABNT NBR 6118 (2003). Mas ainda falta a evolução correspondente para 6 Nince (1996) pesquisou a incidência de manifestações patológicas em estruturas de concreto na região Centro-Oeste de Brasília-DF, encontrando que 30,1% de incidência das anomalias eram de corrosão das armaduras. No caso de cidades urbanas e não marítimas, o mecanismo preponderante que desencadeia a corrosão de armaduras é a carbonatação do concreto em presença de umidade. 1.3 Centros nacionais no estudo da durabilidade das estruturas de concreto armado No Brasil, foi pioneiro o grupo da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP) liderado pelo Prof. Dr. Paulo Helene, e onde também trabalham a orientadora deste trabalho, a Profª Drª. Silvia Selmo, e vários outros especialistas em durabilidade do concreto como: a Profª Drª. Maria Alba Cincotto, o Prof. Dr. Gaspar Djanikian, o Prof. Dr. Antonio Figueiredo, o Prof. Dr. Vahan Agopyam, o Prof. Dr. Vanderley M. John entre outros. O Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) do Estado de São Paulo tem ainda vários outros especialistas como o Prof. Dr. Ercio Thomaz, o Prof. Dr. Valdecir Quarcione e a Profª Drª Zehbour Panossian. O Instituto Tecnológico da Aeronáutica (ITA) ainda no Estado de São Paulo é bem representado pela Profª. Maryangela G. de Lima. Na região centro-oeste, pode-se destacar o grupo de pesquisa da Universidade Federal de Goiás (UFG), liderado pelos Prof. Dr. Enio Pazini Figueiredo e Prof. Dr. Osvaldo Cascudo. O grupo de pesquisa da Universidade de Brasília (UnB) é representado pelos Prof. Dr. Alberto Nepomuceno e Prof. Dr. Elton Bauer. Na região sul, destaca-se o grupo de pesquisa da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) liderado pela Profª. Drª Denise Dal Molin e ainda há os professores de várias outras universidades gaúchas, tais como: o Prof. Dr. Geraldo Isaia da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM); o Prof. Dr. André Guimarães da Fundação Universidade do Rio Grande (FURG); o Prof. Dr. Jairo José de Andrade da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do sul (PUC-RS), Prof. Dr. Wellington Repette, Prof. Dr. Luis Prudêncio Junior e Prof. Dr. Ivo José Padaratz, da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Na região nordeste, a Profª. Drª. Eliana Monteiro da Universidade Católica de Pernambuco (UNICAP) e o Prof. Dr. Gibson Rocha Meira, do Centro Federal de Educação Tecnológica da Paraíba (CEFET-PB), trabalham em pesquisas sobre classificação da agressividade ambiental para estruturas de concreto armado. 7 Muitos desses professores contribuíram para a elaboração e tradução de livros que disseminaram a tecnologia do concreto no Brasil, tanto por editoras técnicas nacionas, quanto pelo Instituto Brasileiro do Concreto (IBRACON). 1.4 Estrutura da dissertação A apresentação da pesquisa foi estruturada em sete capítulos, conforme descrito a seguir. O Capítulo um contém a introdução, a importância e justificativas pela escolha do tema, os centros de excelência, os objetivos da pesquisa, bem como explica a estrutura dos capítulos desta dissertação. O Capitulo dois apresenta os conceitos de interesse ao escopo da dissertação quanto à vida útil e durabilidade das estruturas, mecanismos de deterioração do concreto armado, impactos da deterioração das estruturas por corrosão de armaduras e modelos de previsão da vida útil dessas estruturas. O Capítulo três aborda os requisitos e critérios das normas brasileiras quanto ao projeto e à execução das estruturas de concreto armado, abordando de forma mais detalhada as exigências pertinentes aos concretos para proteção de armaduras. No Capítulo quatro é descrito o programa experimental e estão apresentados os objetivos, a escolha das obras, procedimentos de amostragem do concreto de cada lote e a descrição dos ensaios realizados, e a metodologia de ensaios de carbonatação e penetração de cloretos. No Capitulo cinco estão apresentados os resultados e discussões dos ensaios realizados, em que contou-se com especial contribuição do Centro de Estatística Aplicada do IME-USP, através da Professora Júlia Maria Pavan Soler e dos graduandos Márcio Eduardo Maciel e Karina Paula Santos Silva. No Capítulo seis são resumidas as principais conclusões e considerações finais, bem como sugestões para estudos futuros. O Capítulo sete apresenta as referências bibliográficas. Os Apêndices e Anexo tem o conteúdo descrito pelos seus títulos respectivos, conforme o sumário. 8 CAPÍTULO 2 2 A DURABILIDADE DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO E A CORROSÃO DAS ARMADURAS No Brasil, o conceito tecnológico de durabilidade dos edifícios foi possivelmente difundido por especialistas do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), nas décadas de 70 e 80, para a previsão de desempenho de novos sistemas construtivos. Portanto, no que tange ao desempenho, a durabilidade é interpretada para o edifício como um todo, e não apenas à deterioração dos materiais. Logo, é uma propriedade complexa e que resulta de um amplo atendimento de condicionantes críticas do projeto, da execução e da manutenção dos edifícios, além das propriedades dos materiais empregados. Do ponto de vista da Engenharia de Materiais aplicada ao projeto estrutural dos edifícios, a interação das armaduras de aço-carbono com o meio ambiente ocorre em função das características físicas do cobrimento do concreto, como: porosidade, permeabilidade, absorção e características químicas que dependem principalmente da composição do cimento, adições e dosagem dos materiais no concreto. Estas características permitem uma maior ou menor capacidade de interação com os agentes agressivos que podem permear o concreto a partir do meio ambiente e comprometer a durabilidade das armaduras. Segundo Helene (1993), os problemas quanto à durabilidade dos edifícios geralmente apresentam manifestações patológicas características, a partir das quais se podem deduzir ou estimar a natureza, a origem e os mecanismos dos fenômenos envolvidos. Em geral a maior parte desses mecanismos resulta por também causar a corrosão de armaduras. “A degradação de estruturas de concreto frente ao problema da corrosão é algo que afeta a construção civil em todo mundo, com repercussão em função do volume de casos registrados, da precocidade com que ocorrem, bem como do montante de recursos envolvidos” (MEIRA, 2004). Uma importância ainda mais ampla da durabilidade das estruturas de concreto, e bastante atual, está em favorecer o desenvolvimento sustentável, pois à medida que se prolonga o ciclo de vida das edificações, há economia de recursos naturais e redução do impacto ambiental. A indústria da construção civil vem aprimorando suas técnicas construtivas, e caminhando para o avanço tecnológico. Mas essa mesma indústria, que cresce e se aprimora, 11 Tabela 1 – Termos e conceitos relativos à durabilidade dos edifícios e suas partes, pela BS 7543 (1992), em paralelo aos termos propostos por Helene (1993), para descrever a durabilidade das estruturas de concreto armado, sujeitas à deterioração preponderante por corrosão das armaduras Tipo de durabiliade Termos aplicados Termo original Descrição BS 7543 (1992) para edifícios Proposição de Helene (1993) para as estruturas de concreto Efetiva ou real (de serviço) Durabilidade "Durability" Habilidade da construção e suas partes em desempenhar suas funções, ao longo de um período de tempo, sob a influência de agentes de exposição. - Limite de durabilidade "Durability limit" Ponto no qual a perda de desempenho leva ao fim da vida útil de serviço. - Vida útil ou vida útil de serviço "Service life" Período real de tempo durante o qual não há gastos excessivos para uso, manutenção ou reparo de um componente construtivo ou da construção. É o registro efetivo da durabilidade, pela retroalimentação de informação da edificação em uso. Período de tempo equivalente ao período de despassivação das armaduras mais o período de propagação da corrosão em níveis aceitáveis. Teórica (de projeto) Vida útil requerida "Required service life" Vida útil a ser especificada para atender às exigências dos usuários. É definida pelo proprietário da obra, obedecendo a critérios da norma ou estabelecidas pelo projetista. - Vida útil prevista "Predicted service life" Declaração do fabricante de um produto ou processo acerca da sua durabilidade estimada, por ensaios acelerados ou registros de desempenho em serviço. Iterpretado pelo tempo que agentes agressivos ingressam pelo cobrimento até as armaduras Vida útil de projeto "Design life" Proposta do projetista para o proprietário da obra. Período de tempo que vai até a despassivação da armadura Vida útil residual - - Corresponde ao período de tempo que a estrutura ainda será capaz de desempenhar suas funções, contando a partir da data de uma vistoria Vida útil total ou estrutural - - Período de tempo desde a produção até o colapso parcial ou total da estrutura, pela corrosão O período de iniciação da corrosão, quando a armadura passa de um estado passivo para um estado ativo, é determinado pelo período de tempo no qual os agentes agressivos penetram no concreto de cobrimento e alcançam a armadura, podendo atingir concentrações que provocam o rompimento da película de passivação. O modelo de HELENE (1993) introduz o conceito teórico de vida útil residual, que corresponde ao período de tempo estimado em que a estrutura ainda será capaz de desempenhar suas funções, conforme ilustra a Figura 3. 12 Figura 3 – Ampliação do conceito de vida útil das estruturas de concreto, tomando-se por referência o fenômeno da corrosão das armaduras e a realização de reparos de manutenção corretiva (HELENE, 1993) Assim HELENE (1993) ampliou e diferenciou os conceitos de vida útil, como segue:
Vida útil de serviço: Período de tempo equivalente ao período de despassivação das armaduras mais o período de propagação da corrosão em níveis aceitáveis;
Vida útil de projeto: Período de tempo que vai até a despassivação da armadura;
Vida útil residual: Corresponde ao período de tempo o qual a estrutura ainda será capaz de desempenhar suas funções, contado-se a partir da data de uma vistoria;
Vida útil total: Período de tempo desde a produção até o colapso parcial ou total da estrutura, pela corrosão. A análise de vida útil para o projeto de estruturas de concreto pode ser efetuada através de requisitos e critérios, que podem ser específicos de cada projeto e não generalizados, quando se pensa em evoluir de especificações prescritivas para especificações de desempenho, e estabelecidas com base em: experiência anterior de campo acumulada por especialistas (em geral, assume caráter prescritivo); previsão por ensaios acelerados; enfoque determinista ou enfoque probabilista. Todavia, as informações para modelagem de vida útil de projeto, de serviço ou vida útil residual de armaduras de concreto requerem dados e modelos muito mais precisos sobre as características do concreto de produção das estruturas. Isto, portanto, requer a melhoria e a 13 evolução permanente de normas de projeto e do controle de qualidade da execução, incluído aqui o controle de qualidade do concreto, foco principal deste trabalho. Para o caso de edifícios com sistemas construtivos em concreto armado parte dos critérios da ABNT NBR 6118 (2003) para equacionar a vida útil de projeto das estruturas está baseada na proteção das armaduras, pelo cobrimento e a qualidade do concreto estrutural, e são critérios empíricos estabelecidos por ensaios laboratoriais e pela experiência de especialistas, como evidenciam os requisitos e critérios tratados no Capítulo 3. Em se tratando de obras com caráter repetitivo quanto aos aspectos construtivos, é possível antever que apenas a progressão conjunta do controle tecnológico do concreto e da memória técnica de projeto e construção das estruturas em concreto armado é que podem, fundamentalmente, contribuir para a evolução da modelagem dos seus processos de deterioração e de previsão de desempenho, em novas formulações de concretos ou de sistemas construtivos. Em qualquer dos enfoques devem ser levados em conta a geometria da estrutura, os materiais utilizados na construção, o ambiente no qual a estrutura está localizada, variabilidade dos fatores, mecanismos de deterioração, qualidade da mão de obra de execução do concreto e inspeção da estrutura. 2.2 Mecanismos de deterioração das estruturas de concreto armado Para toda causa de deterioração do concreto armado, existe um ou mais agentes atuantes que interagem com o concreto e o aço, reduzindo o seu desempenho estrutural (ANDRADE, 2005). A seguir a Tabela 2, adaptada do autor citado, resume as principais origens, mecanismos e sintomas da deterioração do concreto armado nas estruturas. A velocidade em que ocorrerá a perda de desempenho das estruturas, por um ou mais dos mecanismos informados, dependerá dos cuidados adotados no projeto, na execução, no controle de qualidade dessas etapas e na manutenção frente às ações e agentes atuantes, durante a etapa de serviço da obra. Para Nepomuceno (1992) o principal fator de deterioração das estruturas de concreto armado é a interação do meio ambiente com o concreto. O que determina a penetração dos agentes agressivos nas estruturas de concreto é o tipo, tamanho e distribuição dos poros, a presença de água e fissuras (NEVILLE, 1997). Segundo Mehta; Monteiro (2008), vazios capilares maiores do que 50 nm, chamados de macroporos na literatura moderna, tem, provavelmente, mais influência na resistência mecânica e no transporte de agentes agressivos, do que os poros abaixo desse valor, cuja 16 É interessante observar que a grande maioria dos mecanismos de deterioração listados na Tabela 2, também tem conseqüências sobre a deterioração do cobrimento de proteção das armaduras, de modo que o controle tecnológico do concreto precisa evoluir com vistas a prevenir mecanismos de agressão potencial às armaduras, pois estará então atuando de forma efetiva com vistas à durabilidade das estruturas em serviço. As estruturas de concreto armado quando sujeitas à corrosão das armaduras, perdem durabilidade, ocasionando perdas na estabilidade, funcionabilidade e estética da estrutura, diminuindo a sua vida útil. A corrosão das armaduras do concreto provoca vários danos à estrutura, que se manifestam na forma de expansão, fissuração, desplacamento do concreto, perda de aderência e redução da seção da armadura. Na fase em que se trata da recuperação das estruturas de concreto, deterioradas por corrosão ou qualquer outro mecanismo, não se pode deixar de comentar os impactos econômicos bem descritos pela “lei dos cinco” elaborada por SITTER (1983)1, citado por HELENE (1993). Essa lei comenta a importância de se dar atenção à qualidade, nas etapas de projeto e de construção, e ainda à manutenção preventiva, no período de iniciação da corrosão, em relação às manutenções corretivas tomadas no período de propagação. A importância da “lei dos cinco”, conforme a Figura 4, está na conscientização de que o foco da atenção, na cadeia produtiva, deve ser concentrado na fase de projeto e construção e na manutenção preventiva, para obtenção da durabilidade das estruturas de concreto (ANDRADE; SILVA, 2005). A manutenção preventiva, na maioria das vezes, não está relacionada diretamente com a estrutura, mas com os subsistemas que interagem com a estrutura, como: instalações prediais, impermeabilização, fachadas e outros. O programa experimental desta pesquisa no Capítulo 4 visa justamente, estimular evoluções no controle tecnológico do concreto estrutural, pois justamente falta melhorar a aquisição de dados na fase de execução, para o gradativo refinamento das especificações de projeto e de manutenção das estruturas. 1 SITTER, W. R. Costs for service life optimization the “Law of Fives”. Comite Euro International du Beton – CEB. Boletim Técnico. Copenhagen, Denmark, n. 152, p. 131 – 134, 1983. 17 Figura 4 - Lei de evolução de custos (SITTER, 1984 apud HELENE, 1993) De acordo com Gomes (2006), manutenção de uma estrutura “é o conjunto de atividades necessárias à garantia de seu desempenho satisfatório ao longo do tempo, ou o conjunto de rotinas que tenha por finalidade o prolongamento de sua vida útil, a um custo compensador. Intervenções preventivas e avaliações programadas de manutenção possibilitam que sejam minimizadas as necessidades de reparos e/ou reforços”. Apesar do avanço tecnológico no campo das técnicas e dos materiais de construção, tem-se observado um grande número de edificações apresentando manifestações patológicas, após pouco tempo de serviço. O uso inadequado de materiais aliado à falta de cuidados na execução e à falta de manutenção tem criado despesas extras aos condomínios, tendo que consumir recursos financeiros em reparações que poderiam ser evitados (SILVA et al. 2003), além de causar a geração de resíduos. 2.3 Mecanismos mais comuns de corrosão das armaduras A passivação do aço deve ser gerada por película de óxidos estáveis, na interface do metal com a pasta de cimento Portland, e ser uma barreira química efetiva para reduzir a sua taxa de corrosão a valores muito baixos ou desprezíveis, segundo consenso internacional que passou a ser discutido no Brasil a partir de Helene (1986). Em resumo, o concreto oferece ao aço uma dupla proteção: uma proteção física, separando-o do contato com o meio externo, e a outra é uma proteção química, dada pela película passivadora que promove ao metal. A elevada alcalinidade do meio, com pH entre 12 e 13,5, é obtida a partir de álcalis liberados no meio aquoso durante a hidratação do cimento. 18 Quando essa passivação é destruída, poderá haver a corrosão, pela conjunção simultânea dos agentes atuantes nesse processo. A corrosão em armaduras de aço-carbono do concreto armado é de natureza eletroquímica, propriamente dita. Ocorre na presença de água, isto é, em ambiente úmido, pela redução da alcalinidade da solução aquosa dos poros do concreto e a alteração da película de óxidos passivantes, ou pelo ingresso de certos íons agressivos, que podem romper essa película mesmo em elevado pH. Para que ocorra a formação da célula de corrosão na armadura do concreto, é necessária a configuração física de quatro componentes. Um ânodo, onde ocorre a reação de oxidação ou dissolução; um cátodo onde ocorre a reação de redução; um condutor metálico, no caso, a armadura, que permite o fluxo de elétrons interior ao metal e um eletrólito que é a fase aquosa do concreto e viabiliza o elo de fechamento da pilha entre regiões anódicas e catódicas. As áreas anódicas e catódicas surgem como resultado de diferenças de potencial elétrico das regiões das armaduras (ANDRADE, 1992). A corrosão só ocorre quando existir um eletrólito, uma diferença de potencial e oxigênio. A água presente nos poros do concreto constitui o eletrólito. A diferença de potencial pode ocorrer por variações de umidade, aeração ou de tensões no concreto e no aço. 2.3.1 Natureza e tipos de corrosão eletroquímica No período de propagação, a corrosão da armadura começa a se desenvolver com a aceleração da pilha eletroquímica, até que se alcance um grau de deterioração inaceitável. Segundo a morfologia, a corrosão das armaduras pode ser classificada em três tipos, segundo CASCUDO (1997):
Corrosão generalizada;
Corrosão por pite;
Corrosão sob tensão. A corrosão generalizada é uniforme e ocorre em toda a superfície do metal, podendo ser causada pela carbonatação do concreto associado à presença de umidade. A corrosão por pites ou puntiforme é um tipo de corrosão localizada, no qual ocorre perda pontual de massa na superfície metálica, podendo causar a ruptura da barra, como na corrosão causada por cloretos. A corrosão sob tensão é um tipo de corrosão localizada, que se dá por meio de uma tensão de tração na armadura, podendo dar origem à propagação de fissuras no aço, conforme a Figura 5. 21 Figura 6 - Esquema do avanço do processo de carbonatação (Figueiredo, 2005) Para que possa ter a reação química do CO2 com os elementos alcalinos, primeiramente tem que ocorrer a difusão gasosa do CO2, que se encontra na atmosfera, na fase aquosa. Para que a carbonatação se desenvolva, é necessário que primeiro ocorra a solubilização do dióxido de carbono. As reações presentes no processo de carbonatação são apresentadas a seguir, de modo simplificado (FIGUEIREDO, 2005):
Ca(OH)2 → Ca2+ + 2 OH- (fase aquosa dos poros)
CO2 + 2OH- → CO2- 3 + H2O (solubilização do CO2)
CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O
CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O
CO2 + KOH → K2CO3 + H2O A durabilidade depende da espessura e da estanqueidade que o concreto de cobrimento deve proporcionar ao longo do tempo às armaduras, bem como da reserva alcalina responsável pela passivação das armaduras (HELENE, 1993). A velocidade e a profundidade de carbonatação dependem de fatores relacionados com o meio ambiente e com as características do concreto, conforme resumem os itens, 2.3.2.1 a 2.3.2.6, que seguem. A medida mais utilizada para estimativa da profundidade de carbonatação de concretos é através do indicador de pH à base de fenolftaleína ou timolftaleína, embora hoje questionada por alguns autores, como Chang (2004). 22 Outras pesquisas para aprimorar as medidas de espessura da frente de carbonatação de concretos vêm também sendo feitas, como as de Silva; Helene (2007) e Cafange (2009). Existem vários modelos em discussão na literatura internacional, mas os de destaque e mais difundidos até hoje no Brasil são: o modelo da raiz quadrada do tempo, TUUTTI (1982) e HELENE (1993). O modelo da raiz quadrada do tempo representa a penetração do CO2 através da rede de poros do concreto, através da Equação 1. x = k √t (Equação 1) onde: x = profundidade de carbonatação (mm); k = coeficiente de carbonatação (mm/ano); t = tempo (anos). 2.3.2.1 Concentração de CO2 A quantidade de CO2 influencia bastante a velocidade de carbonatação, pois aumenta quando o ambiente possui uma maior concentração de CO2, principalmente para concretos de elevada relação água/cimento. Mas, os ensaios acelerados de carbonatação em presença de teores de CO2 muito acima do comum na maioria dos ambientes, são utilizados com o objetivo de diminuir o tempo de resposta desse fenômeno nos concretos estruturais. Mas não existem normas internacionais de consenso que regulamentem os ensaios de carbonatação, e cada pesquisador acaba adotando um método específico. No levantamento bibliográfico realizado por Cafange (2009), pode ser verificada a falta de padronização dos ensaios, apresentando percentuais de exposição de CO2 variando de natural até 100%, conforme a Tabela 3. Isto já vem sendo apontado por levantamentos precedentes, como o de Medeiros (2002). A utilização de elevados teores de CO2 em ensaios acelerados, pode resultar em alterações na microestrutura da pasta carbonatada (FIGUEIREDO, 2005). Mehta; Monteiro (1994) alertam ainda que, quando a velocidade de carbonatação é alta, devido à elevada taxa de CO2, a reação entre o hidróxido de cálcio e dióxido de carbono, poderá tornar-se instável, pela geração de ácido carbônico e a conseqüente transformação do carbonato de cálcio (insolúvel) em bicarbonato de cálcio (solúvel). Isaia, et. al. (2005) realizaram estudo comparativo de concretos com substituição de cimentos por misturas de cinza volante, cinzas de casca de arroz e sílica ativa com teores entre 23 10 e 50% em massa. Foram feitos ensaios acelerados com 10% de exposição de CO2 com leituras após 4, 8, 12 e 16 semanas e exposição natural após 0,5, 1 e 2 anos de exposição em ambiente de laboratório. Os ensaios mostraram que a relação entre os coeficientes de carbonatação calculados a partir do ensaio acelerado e natural tem uma boa correlação para concretos com relação água/cimento inferiores a 0,45. 26 européias como um nível diferenciado de agressividade, segundo levantamento de Cafange (2009). A umidade relativa pode exercer grande influência na água e no CO2 contidos em certa faixa de poros do concreto. Quando os poros estão secos, o CO2 pode difundir até as regiões internas mais permeáveis do concreto, mas devido à falta de água, a reação não ocorre. Quando os poros estão saturados de água, a velocidade de penetração e reação do CO2 é diminuída, devido à dificuldade de difusão desse gás na água. Meira et al. (2006) expuseram vários pilaretes de concreto, com relação água/cimento de 0,5; 0,57 e 0,65, à agressividade do ambiente de João Pessoa-PB, com distanciamento do mar controlado em 10 m, 100 m, 200 m e 500 m, e mediram a profundidade de carbonatação em 6, 10, 14, 18 e 46 meses. Os concretos possuíam abatimento plástico na faixa de 8 ± 1 cm, e consumo de cimento, respectivamente, igual a 320 kg/m3, 356 kg/m3 e 406 kg/m3. Os resultados naquela região mostram alguma tendência à redução da profundidade de carbonatação com a proximidade do mar, de acordo com a Figura 8. Todavia, o efeito da relação água/cimento na profundidade de carbonatação informada parece ter um peso mais importante para definir a evolução da frente de CO2, inclusive, por ser uma variável determinante do nível de saturação dos poros em efeito conjunto com o ambiente de exposição. Esta opinião está corroborada para esses mesmos dados ilustrados, segundo a relação água/cimento e o grau de saturação, no subitem 2.3.2.5. 27 Figura 8 – Profundidade média de carbonatação a 10, 100, 200 e 500 metros do mar: (a) a/c = 0,50; (b) a/c = 0,57; (c) a/c = 0,65 (MEIRA et al., 2006) 2.3.2.3 Temperatura O aumento da temperatura funciona como acelerador das reações químicas, portanto, climas equatoriais e tropicais são piores que os temperados para a carbonatação do concreto (HELENE, 1993). Mas, conforme o tipo de ensaio acelerado para carbonatação, o fenômeno de transporte dominante é a difusão do CO2, cuja velocidade é pouco influenciada por variações de temperatura, na opinião de Figueiredo (2005). Mesmo exercendo pouca influência essa variável não deve ser desprezada, pois atua na corrosão. Do ponto de vista do mapeamento climático disponível em bases de dados especializados, muito pouco ainda se usa para inferir sobre a vida útil de projeto de novos edifícios ou mesmo para realizar diagnóstico de estruturas com manifestações patológicas de 28 corrosão de armaduras. Possivelmente, o distanciamento das condições usuais de ensaios acelerados, com pressão elevada de CO2, em relação aos mecanismos reais de carbonatação, contribuem para essa situação. 2.3.2.4 Tipo e quantidade de cimento O tipo de cimento é uma das variáveis que mais influem na velocidade de carbonatação, já que a reserva alcalina é função da composição do cimento. Com o aumento do Ca(OH)2 na solução intersticial, o CO2 não penetra com a mesma velocidade, pois precisa primeiro baixar o pH e depois reagir com o Ca(OH)2 para então seguir penetrando e precipitando CaCO3. Helene (1993) explica que as adições reduzem a porosidade, a permeabilidade e aumentam a resistência à compressão, porém aumentam a profundidade de carbonatação, devido à menor reserva alcalina. Muitos pesquisadores como: HELENE (1993), BAUER (1995), ISAIA (1995), MONTEIRO (1996), BARBOSA et al. (2005), COSTA Jr. et al. (2006), FIGUEIREDO (2005) e BOURGUIGNON et al. (2006), encontraram que o emprego de adições resulta em maiores taxas de carbonatação, já que a sílica das adições reage com o Ca(OH)2, diminuindo a reserva alcalina do concreto. Segundo Figueiredo (2005), a constatação que o aumento do teor de escória leva à diminuição do teor de Ca(OH)2 é consensual entre os pesquisadores. A velocidade de carbonatação passa a ser maior para uma mesma relação água/cimento, pois a reserva alcalina é menor. Quanto mais fina for a escória, maior será a frente de carbonatação, uma vez que a finura representa um fator positivo na reatividade da escória. Reagindo mais intensamente, diminui a quantidade de hidróxido de cálcio disponível, ocorrendo redução da reserva alcalina. Costa Jr. et al. (2006) estudaram a carbonatação em concretos, classes C20; C30; C35; C40, com altos teores de escória, utilizando teores da ordem de 30%, 66% e 83% da massa do cimento. Foi utilizado o CP II E 32, o CP III 32 RS e o material cimentício CP III 32 RS com mais escória. Os corpos-de-prova foram expostos a 10% de CO2. As medidas de carbonatação foram realizadas nas idades de 63, 77 e 91 dias, e os resultados são apresentados na Figura 9. Os autores verificaram que as maiores profundidades encontradas foram para os concretos com maiores teores de escória, isto é, para o material cimentício CP III 32 RS + Escória, o que está de acordo com a opinião dos vários autores já citados. 31 Figura 10 – Ilustração da influência secundária do GSmédio em comparação à relação água/cimento, na profundidade de carbonatação de concretos, em quatro distâncias do mar (10, 100, 200 e 500 m) para os mesmos dados ilustrados na Figura 8: (a) a/c = 0,50; (b) a/c = 0,57; (c) a/c = 0,65 para concretos expostos em João Pessoa-PB (MEIRA et al., 2006). 32 A Figura 11 apresenta a faixa de valores do Grau de saturação em função do distanciamento do mar (MEIRA, 2004). Figura 11 – Faixa de valores do Grau de saturação em função do distanciamento do mar (MEIRA, 2004). 2.3.2.6 Cura A cura nas primeiras idades do concreto é o principal mecanismo responsável pela continuidade da hidratação do cimento e uso do seu potencial aglomerante, pois a permeabilidade do concreto pode diminuir com o aumento do grau de hidratação do cimento. Com a diminuição das dimensões capilares e da sua permeabilidade, pode-se ter uma menor velocidade de carbonatação. O grau de saturação é o percentual do teor de umidade da massa de concreto em relação à máxima que pode ser absorvida por imersão e fervura. É uma propriedade física clássica de caracterização de materiais porosos e foi recentemente interpretada em estudos nacionais por GUIMARÃES (2000) e MEIRA (2004). Barbosa et al. (2005) estudaram o efeito da carbonatação natural em concretos produzidos com cimento CP V ARI e CP III com e sem sílica ativa, submetidos a diferentes tipos de cura: cura térmica, cura imersa até 7 dias e cura ambiente. A cura térmica foi realizada nas temperaturas de 60ºC e 80ºC e as idades de ensaio foram 28, 90, 180 e 365 dias. Foi observado que o tipo de cura influenciou na carbonatação. Em ambos os concretos com e sem sílica ativa, a cura ambiente, foi a que apresentou maiores profundidades de carbonatação. Concretos submetidos à cura imersa apresentaram melhores resistências à carbonatação. Concretos submetidos à cura térmica apresentaram desempenho intermediários em relação às 33 curas imersas e ao ar, comprovando que o tipo de cura interfere na profundidade de carbonatação. 2.3.3 Penetração de íons cloretos A preocupação com este mecanismo ocorre em regiões litorâneas (atmosfera marinha, ação direta de água do mar, lençol freático), pois a proximidade do mar faz com que a atmosfera contenha íons cloretos. As partículas de água do mar contendo sais dissolvidos, quando em suspensão na atmosfera, são arrastadas pelo vento e podem depositar-se nas estruturas, podendo os íons cloreto ingressar no concreto por absorção capilar da água, em que se encontram dissolvidos. Ainda há outras situações de projeto ou obras em que pode haver o ingresso ou a contaminação do concreto, respectivamente, água ou solo contaminados e sais de degelo, e agregados ou aditivos contendo sais de cloreto. Os íons cloreto são um dos agentes mais problemáticos para a corrosão de armaduras, pois são capazes de despassivar o aço mesmo em pH extremamente elevado. Os cloretos penetram nos poros do concreto por meio de difusão ou pela absorção capilar de águas, que diluem a deposição do aerosol marinho a partir da sua superfície, contendo o íon na forma dissolvida e ao superarem, na solução dos poros, um certo limite em relação à concentração de hidroxilas, despassivam a superfície do aço e dão início ao processo corrosivo. O mecanismo de penetração dos íons cloreto através do concreto depende de uma série de fatores inter-relacionados, no que diz respeito ao concreto, por exemplo, as características do macroclima, tipo de exposição do concreto, o tipo de cátion associado ao cloreto, à presença de ânions como o sulfato, o tipo de cimento empregado na produção do concreto, à relação água/cimento, o consumo de cimento, as formas de produção e cura das peças estruturais, a velocidade de carbonatação do concreto, entre outros fatores. Outras fontes de cloretos no concreto e argamassa podem ser os agregados, a água ou solo contaminado, o aditivo acelerador de pega à base de cloretos, os sais de degelo, a atmosfera marinha ou a ação direta de água do mar, sendo que a maior incidência ocorre em regiões litorâneas, atmosfera marinha. 36 De acordo com Fitzgerald (1991)3; O´dowd et al. (1997)4 citados por MEIRA (2004), a produção do aerosol marinho tem origem na agitação da superfície do mar pelo vento. Esse efeito gera bolhas de ar que, em seguida, explodem produzindo gotículas em forma de espuma. Essas bolhas são mais numerosas na zona de quebra das ondas, onde são formadas pelo aprisionamento do ar na superfície da água com o movimento de quebra das ondas. O aerosol também é formado a partir do atrito entre o vento e a superfície do mar, fazendo com que as áreas de mar aberto também contribuam para a produção do aerosol. Após a geração das gotículas, estas entram em equilíbrio com o ambiente e, dependendo das condições de temperatura e de umidade relativa, assumem a forma de partículas salinas, ou soluções salinas de diferentes concentrações. A intensidade dos ventos aumenta a quantidade de partículas salinas no aerosol e facilita a geração de partículas de maior tamanho e massa. A intensidade dos ventos também influi no maior alcance que as partículas possam atingir na direção da costa (MEIRA, 2004). No trabalho de Morcillo et al. (2000)5 citado por MEIRA (2004), os resultados indicaram que a partir de 3,0 m/s (10,8 km/h), o efeito do vento assume um valor de relevância na geração e transporte do aerosol, valor também assumido por Fitzgerald (1991) citado por Meira (2004). Gustafsson e Franzen (1996)6, citados por MEIRA (2004), relatam que: A influência do vento na concentração salina diminui à medida que se avança na direção do continente, isto é explicado, pelo fato de que nas primeiras faixas de terra há uma forte ação do efeito gravitacional e as partículas maiores logo se depositam. Com o aumento da velocidade do vento, estas partículas podem chegar um pouco mais longe. Contudo, o efeito gravimétrico ainda é importante e se sobrepõe ao efeito do vento. Desta forma, a relação não é linear, mas sofre atenuação com o afastamento em relação à costa. Aliado a esse comportamento, o efeito de fricção com obstáculos pode assumir uma importante parcela de contribuição na redução da concentração salina com a distância. 3 FITZGERALD, J. W. Marine aerosol: a review. Atmospheric Environment, v. 25A, n. ¾, p. 533-545, 1991. 4 O´DOWD, C. D.; SMITH, M. H.; CONSTERDINE, I. A.; LOWE, J. A. Marine aerosol sea-salt, and the marine sulphur cycle: a short review. Atmospheric Environment, v. 31, n.1, p. 73-80, 1997. 5 MORCILLO, M.; CHICO, B.; MARIACA, L.; OTERO, E. Salinity in marine atmospheric corrosion: its dependence on the wind regime existing in the site. Corrosion Science, v. 42, p. 91-104, 2000. 6 GUSTAFSSON, M. E. R.; FRANZÉN, L. G. Dry deposition and concentration of marine aerosol in a coastal area, sw sweden. Atmospheric Envirnonment, v. 30, n. 6, p. 997-989, 1996. 37 Em sua tese, Meira (2004) aplicou metodologia para caracterizar a deposição de sais em ambientes marinhos e, inclusive, propôs uma classificação de agressividade do aerosol marinho às estruturas de concreto da orla marítima de João Pessoa-PB. Por monitoramento de corpos-de-prova em campo, nessa cidade, Meira (2004) constatou que a faixa entre 10 e 100 metros da orla é bastante crítica para a exposição do concreto ao aerosol marinho. 2.3.3.3 Mecanismos de transporte dos íons cloreto Os mecanismos de transporte dependem ainda das características físicas e químicas e da concentração superficial das substâncias que penetram no material, das condições ambientais, do grau de umidificação do concreto e da temperatura. O ingresso de fluidos e íons agressivos no concreto ocorre através da gravidade (infiltração) ou permeabilidade (penetração sob pressão externa), difusão (gradiente de concentração), absorção (pressão interna) e da migração (efeito de um campo elétrico). a) Ingresso por gradiente de pressão de vapor (absorção capilar) É o fenômeno que se dá através do contato entre o concreto e a água líquida, que adentra através de poros sujeitos a tensões capilares. As características do líquido que influem na absorção capilar são: viscosidade, densidade e tensão superficial. De acordo com HELENE (1993), a absorção capilar pode ser modelada pela lei de Jurin que relaciona a altura de ascensão ao raio capilar (Equação 2) e pode ser ainda descrita em função do tempo de contato com a água, no regime estacionário e na ausência de evaporação, conforme a Equação 3. h = 2 ʋ / r γ (Equação 2) h = ½ √ ʋ r t / η (Equação 3) Onde: h – altura ou penetração da água no capilar (m); ʋ – tensão superficial da água, kg/m (≈75x10-4); γ – massa específica da água em kg/m3; r – raio do capilar (m); η – viscosidade da água (kgs/m2 )(≈13x10-5); t – período de tempo para atingir a penetração h, (s). 38 Após penetrar por capilaridade até certa propriedade limitada ao máximo fornecido pela lei de Jurin, a água só poderá continuar penetrando por difusão e não mais por absorção capilar. Helene (1993) conclui por afirmar que concretos de baixa relação água / cimento apresentam capilares de menor diâmetro e menos intercomunicáveis, resultando menores alturas de sucção e menores volumes absorvidos. Aqui cabe ainda lembrar que a rede capilar interconectada à zona de transição ou a vazios de ar pode ser o caminho preferencial e mais importante para o ingresso de água em concretos com média a alta relação água/cimento A absorção capilar se manifesta, na maioria dos casos, em concretos aparentes ou sem revestimento, expostos ao intemperismo, semi-enterrados ou sem-submersos, isto é, sujeitos a alternância ou ciclos de molhagem e secagem. Não há absorção capilar em concretos saturados, pois o concreto deve estar com os poros secos ou parcialmente secos para que seja possível a absorção de água por capilaridade. A absorção capilar é o principal mecanismo para a penetração de cloretos em estruturas em atmosfera marinha, pois os cloretos ficam impregnados na superfície da peça e quando dissolvidos em contato com a água penetram por absorção capilar. Em concretos saturados de forma permanente, o principal mecanismo de ingresso de cloretos passa a ser por difusão, associado ou não a gradiente de pressão. b) Ingresso por gradiente de pressão de água líquida (permeabilidade) Mehta; Monteiro (2008) definem permeabilidade como a facilidade com que um fluido pode escoar através de um sólido, sob um gradiente de pressão externa. O mecanismo de penetração de água sob pressão se caracteriza pela existência de um gradiente hidráulico que força a entrada de água no concreto, estando diretamente ainda ligado com a porosidade do material. Esta situação ocorre em estruturas submersas ou parcialmente submersas e pode acelerar a penetração de agentes agressivos no concreto e corrosão de armaduras. Marchand; Gerard (1995)7 citados por MEIRA (2004) definem que “a permeabilidade de um fluido pode ser descrita através da lei de Darcy, considerando que há um fluxo laminar, em regime estacionário, desconsiderando-se a ação da gravidade nas partículas”. Nilsson; Tang 7 MARCHAND, J.; GÉRADRD, B. New developments inthe modeling of mass transport process in cement-based composites – a review. In: ADVANCES IN CONCRETE THECNOLOGY, 2TH ACI/CANMET INTERNATIONAL SYMPOSIUM. (1995: Las Vegas). Proceedings…Las Vegas: ACI, 1995. 41 processo, os íons cloreto se movem no sentido da armadura, desde que a mesma esteja polarizada positivamente. Medeiros; Helene (2003) estudaram a influência dos parâmetros de dosagem, tais como consistência, relação água/cimento e consumo de cimento, na propriedade de migração de cloretos através do concreto. O estudo foi realizado variando a relação água/cimento; deixando constante a consistência e variando a consistência e deixando constante a relação água/cimento. Os resultados indicam que a quantidade e a qualidade da pasta são fatores de extrema importância na penetração de cloretos no concreto, concluindo que a migração de cloretos é função direta do consumo de cimento, quando se mantém a relação água/cimento constante, e também é função inversa do consumo de cimento, quando se varia a relação água/cimento e se mantém constante a consistência. Pode-se concluir que a relação água/cimento é o principal agente controlador da resistência à penetração de cloretos no concreto, como mostra a Figura 13. 2000 3000 4000 5000 0,53 0,64 0,74 Relação a/c C ar g a p as sa n te ( C ) Figura 13 - Carga passante x relação água/cimento para uma mesma consistência (MEDEIROS; HELENE, 2003) Regattieri (1998) também estudou a migração de cloretos, variando a relação água/cimento e o tipo de cimento; os resultados podem ser vistos na Figura 14. Os resultados encontrados concordam com a conclusão de Medeiros; Helene (2003) e por estes resultados é possível diferenciar como os concretos com adições de escória e de cinza volante são menos afetados pela relação água/cimento do que aqueles com cimento CP I S. 42 0,0 2000,0 4000,0 6000,0 8000,0 10000,0 12000,0 0,35 0,5 0,7 Relação a/c C ar g a p as sa n te ( C ) CP I S CP III CP IV Figura 14 - Migração de íons cloreto x relação água/cimento (CPI S, CPIII e CPIV) (REGATTIERI, 1998) e) Mecanismos combinados de ingresso De acordo com Helene (1993), as maiores penetrações de cloretos são observadas onde os mecanismos de penetração de cloretos podem atuar juntos. A Figura 15 mostra como uma peça estrutural pode estar exposta a vários mecanismos de transporte. Figura 15 - Atuação de diversos mecanismos de transporte em uma estrutura marítima (PERRATON et al. ,1992, citado por PEREIRA, 2001) 43 No caso de exposição das estruturas de concreto em ambientes marítimos, os mecanismos de transporte de cloretos e CO2 são mistos e atuam com elevado grau de complexidade, dado o fato de que a microestrutura do concreto é também evolutiva com o tempo. Obviamente, fissuras no concreto sempre são o caminho preferencial para o ingresso de agentes agressivo, e isto dificulta ainda mais os trabalhos de modelagem deste fenômeno. Mas é consenso de que a porosidade total do concreto governa e controla o ingresso de agentes agressivos no concreto. Helene (1993) propôs classificação importante para este critério, discutido no próximo Capítulo. 2.3.3.4 Relação água/cimento A relação água/cimento é a responsável pela porosidade e permeabilidade do concreto, sendo assim, controla a penetração dos cloretos. Quanto maior a relação água/cimento, maior será a porosidade e a permeabilidade do concreto e, maior será a penetração de cloretos. Monteiro (1996), estudando três tipos de cimento produzidos no Brasil, verificou que a redução da relação água/cimento melhorou o desempenho de todos os cimentos, em relação à corrosão das armaduras por cloretos. Pereira (2001) avaliou a difusão de íons cloretos em concretos confeccionados com dois tipos diferentes de cimentos (CP II F e CP IV), distintas relações água/cimento, cinco temperaturas de cura e cinco idades diferentes. Concluiu que os coeficientes de difusão diminuem com o uso de cimento CP IV e com a redução da relação água/cimento. Confirmou que a relação água/cimento exerce grande influência no coeficiente de difusão de cloretos, como observado por vários outros autores como TUUTTI (1982), MONTEIRO (1996), MEDEIROS e HELENE (2003), MEIRA (2004); dentre outros, e aqui ilustrado pela Figura 16. 46 Todavia é mais difícil a previsão de comportamento pela exposição a ciclos de imersão e secagem do concreto, em que a carbonatação pode ocorrer de modo simultâneo ao ingresso de cloretos, pela razão que se destaca no item 2.3.3.7. 2.3.3.6 Grau de hidratação pela cura As condições de cura úmida do concreto nas primeiras idades fazem a hidratação do cimento progredir e modificam a estrutura dos poros da pasta e, por conseqüência, alteram a porosidade final. Um concreto com período de cura mais curto apresentará uma maior penetração de cloretos que um concreto com período de cura mais prolongado (FIGUEIREDO, 2005). Plante; Bilodeau (1989)9 citados por PEREIRA (2001), mostraram a diminuição da penetração de cloretos com o aumento do tempo de cura (1, 7 e 28 dias), em concretos confeccionados com diferentes relações água/cimento, a saber: 0,22; 0,65; 0,50 e 0,71, devido à redução da porosidade com o decorrer do tempo de cura, conforme apresentado na Figura 17. Figura 17 - Penetração de íons cloreto versus o tempo de cura em concretos (1, 7 e 28 dias) (PLANTE; BILODEAU, 1989 citado por PEREIRA, 2001) 9 PLANTE, P.; BILODEAU, A. Rapid chloride íon permeability test: data on concretes incorporating supplementary cementing materials: In: INTERNATIONAL CONFERENCE FLY ASH, SILICA FUME, SLAG AND NATURAL POZZOLANS IN CONCRETE, 3., 1989, Trodheim. Proceedings…Trodheim, 1989. v.1, p. 654- 644. 47 Pereira (2001), avaliando a difusão de íons cloretos em concretos confeccionados com dois tipos diferentes de cimentos (CP II F e CP IV) e cinco idades diferentes de cura (7, 14, 28, 63 e 91 dias) obteve os resultados apresentados na Figura 18. A partir dos resultados apresentados, observa-se que, quanto maior é a idade, menor é o coeficiente efetivo de difusão de cloretos, para os dois tipos de cimento. Essa redução ocorreu devido ao prosseguimento da hidratação do cimento com o decorrer do tempo. Figura 18 - Efeitos isolados da idade e do tipo de cimento de concretos sobre o coeficiente efetivo de difusão (PEREIRA, 2001) 2.3.3.7 Carbonatação Um concreto carbonatado não possui a mesma capacidade de fixar cloretos no gel cimento de que um concreto não carbonatado. Quando o concreto começa a carbonatar parte dos cloretos que estiverem combinados passam à condição de livres, podendo atingir o limite crítico. De acordo com HELENE (1993), a capacidade de fixação dos cloretos pelo C3A é reduzida quando há ocorrência de carbonatação, pois os cloroaluminatos não são estáveis em valores baixos de pH. Jones et al. (1991)10 citados por PEREIRA (2001) estudaram o tempo de iniciação da corrosão através do ingresso de cloretos, e observaram que esse tempo é reduzido quando os corpos-de-prova já estão parcialmente carbonatados. 10 JONES, M. R.; DHIR, R. K.; GILL, J. P. Concrete surface treatment: effect of exposure temperature on chloride diffusion resistance. Cement Concrete Research, v. 25, n. 1, p. 197-208, 1991. 48 2.3.3.8 Temperatura A elevação da temperatura pode reduzir a vida útil de serviço das estruturas de concreto armado, como conseqüência do aumento da velocidade de penetração dos cloretos, uma vez que esses íons têm mais mobilidade em temperaturas mais elevadas. Também as reações de corrosão são mais rápidas a temperaturas mais elevadas, e há um estimulo à mobilidade das moléculas, portanto o efeito acelerador da temperatura explica por que existem muitos mais concretos deteriorados em regiões litorâneas quentes do que em regiões temperadas (NEVILLE, 1997). A relação temperatura e difusão de íons pode ser representada pela equação de Arrehnius, segundo o qual o crescimento do coeficiente de difusão é função do aumento da temperatura, conforme Equação 7. D(t) = D0 e -U/RT (Equação 7) Onde: D(t) – coeficiente de difusão da temperatura T (cm2/s); D0, U – constantes características de cada sistema; R - constante dos gases; T – temperatura (ºC). Page et al. (1981), citados por MEIRA (2004), estudando pastas de cimento a diversas temperaturas, calcularam o aumento do coeficiente de difusão para uma variação de 7 a 44ºC, como consta na Tabela 5. Analisando esta tabela, pode-se inferir que o aumento da relação água/cimento é tão nocivo quanto o aumento da temperatura, podendo esta segunda variável ser ainda mais prejudicial, nas faixas de variação consideradas. Obviamente, estes resultados podem ser questionados e cabem ser confirmados para outros concretos. Tabela 5 - Coeficiente de difusão efetivo em função da temperatura e relação água/cimento (PAGE et al., 1991 citados por MEIRA, 2004) a/c= 0,4 a/c = 0,5 a/c = 0,6 Dex10-19 cm2/s Dex10-19 cm2/s Dex10-19 cm2/s 7 11,03 20,7 51,9 14,5 12,7 23,6 84,6 25 26 44,7 123,5 35 44,7 94,8 165,2 44 84 183,6 318,2 Temperatura (°C) 51 2.3.3.11 Fissuras Como bem resume FIGUEIREDO (2005), quando uma estrutura de concreto está exposta à água, vapor ou solo que contenham íons cloretos, o ingresso preferencial se dá nas regiões fissuradas, do cobrimento e é por elas que se inicia a corrosão, ao atingirem teores críticos deste contaminante. Por conseguinte, além dos efeitos do meio ambiente, uma considerável parcela da resistência ao ingresso de cloretos nas estruturas de concreto depende da compacidade e da durabilidade física do cobrimento. A limitação de abertura de fissuras, em função da agressividade ambiental, é proposta pela NBR 6118 (2003) e sempre que possível deve ser minimizada, para as estruturas sujeitas à ação de cloretos ou outros íons agressivos. 52 CAPÍTULO 3 3 REQUISITOS E CRITÉRIOS PARA A DURABILIDADE DAS ARMADURAS DO CONCRETO ESTRUTURAL Todo projeto estrutural deve ter por objetivo conseguir uma estrutura de mínimo custo que atenda com segurança às solicitações de uso. Para isso, é necessário conhecer o comportamento das estruturas semelhantes já construídas e a influência das principais as variáveis que entram no dimensionamento da nova estrutura. Toda estrutura de concreto armado, depois de acabada, possui uma série de características próprias que a diferenciam daquela que foi especificada no projeto estrutural. O aço e o concreto não possuem exatamente a resistência característica especificada, as armaduras não estão perfeitamente nas posições desenhadas, as formas não têm as dimensões com as quais se efetuou o dimensionamento do componente estrutural, os pilares não guardam o prumo absoluto, entre outros (HELENE, 1981). O projeto estrutural não pode assegurar que durante a execução da estrutura sejam empregados os materiais e os métodos construtivos por ele especificados. A etapa de execução da obra está sempre sujeita às variações aleatórias, de tal modo que não é possível prever com certeza qual o resultado final. O grau de concordância dessas características finais com aquelas que foram anteriormente especificadas pode ser medido e informa sobre a qualidade da execução. Essa qualidade será tanto mais alta quanto maior a conformidade do executado com o que foi projetado (HELENE, 1981). Há requisitos qualitativos e alguns critérios quantitativos muito importantes e relacionados à durabilidade das estruturas de concreto e que devem ser atendidos pelo projeto estrutural, pelo projeto arquitetônico e durante a execução da obra. Entre estes se incluem a qualidade e a espessura de cobrimento do concreto sobre as armaduras, bem como a limitação de fissuras pela ação de esforços sobre os elementos estruturais. Inicialmente, cabe destacar a seguinte e importante recomendação da ABNT NBR 6118 (2003) no seu item 5.2 – Requisitos de Qualidade de Projeto: “A qualidade da solução adotada deve ainda considerar as condições arquitetônicas, funcionais, construtivas, estruturais, de integração com os demais projetos (elétricos, hidráulicos, e outros), explicitadas pelos responsáveis técnicos de cada especialidade com a anuência do contratante”. 53 Devem ser utilizadas formas arquitetônicas e estruturais apropriadas, de modo a evitar disposições espaciais ou construtivas que reduzam a durabilidade da estrutura, isto é, sem prejudicar os aspectos estéticos e a inspiração artística da arquitetura. É conveniente prever acesso adequado para a inspeção e a manutenção de partes da estrutura com vida útil inferior ao todo. Assim, muitos outros requisitos de projeto caberiam listados aqui, mas podem ser resumidos pelos seguintes procedimentos: 1 - Evitar formas arquitetônicas e estruturais inexeqüíveis; 2 – Prever drenagens eficientes; 3 - Controlar fissuração das peças; 4 - Prever revestimento protetor em exposição ambiental muita agressiva; 5 - Detalhar adequadamente as armaduras; 6 – Garantir cobrimento de concretos apropriado para proteção às armaduras; 7 - Garantir concreto com qualidade apropriada, ao macroclima local e particularmente nas regiões superficiais dos elementos estruturais; Os itens 3.1 a 3.8, que seguem analisam em especial os requisitos e critérios para definição do concreto, segundo normas brasileiras pertinentes à essa lista de verificações. 3.1 Classificação da agressividade ambiental quanto ao macroclima A agressividade do meio ambiente está relacionada às ações físicas e químicas que atuam sobre as estruturas de concreto, além das ações mecânicas, das variações volumétricas de origem térmica, da hidratação e outras, conforme resumo pela Tabela 1, no item 2.1. A classificação da agressividade do meio ambiente deve ser feita com base nas condições de exposição da estrutura ou suas partes, e ainda deve levar em conta o microclima atuante em suas diferentes partes. Lima (2005) enfatiza que: As variações térmicas do ambiente exercem influência nos processos físicos e químicos de degradação das estruturas de concreto. O clima brasileiro apresenta consideráveis amplitudes térmicas médias e elevadas temperaturas médias anuais, fatos que exercem grande influência nos processos de degradação das obras de concreto (LIMA, 2005). 56 Carmona (2005) estudou a profundidade de carbonatação nas garagens de um edifício residencial. O edifício selecionado para o estudo, com aproximadamente 30 anos de idade, encontra-se na zona central da cidade de São Paulo-SP. A garagem do edifício estudado estava situada a aproximadamente 2 metros abaixo do nível da rua e apresentava pouca ventilação. A estrutura era em concreto armado e pintada com caiação, com o piso apoiado diretamente sobre o solo. Foi encontrada uma elevada incidência de carbonatação no meio dos pilares e nos vãos das vigas. Na base dos pilares, a menor carbonatação pode ter sido pela maior absorção capilar da água do concreto junto ao solo e à presença de água de lavagem do piso. Já na região central das vigas, a maior profundidade de carbonatação foi atribuída a maior fissuração nessa região, em relação aos apoios, conforme a Figura 20. Figura 20 – Variação da profundidade de carbonatação em vigas e pilares de garagem em prédio com 30 anos e comparação com os valores calculados pelo modelo de HELENE (CARMONA, 2005) Assim, é consenso no meio técnico, que a agressividade específica do microclima em certos elementos estruturais e ambientes do edifício pode contribuir, de modo diferenciado, pra a incidência de corrosão das armaduras, nos mais diversos tipos de projeto. 3.3 Critérios de projeto quanto ao cobrimento das armaduras Uma das grandes vantagens do concreto armado em relação a outros materiais de construção é que ele pode, por natureza, e desde que bem executado, proteger o aço-carbono 57 das armaduras contra a corrosão. Essa proteção baseia-se no impedimento do progresso da corrosão através de uma barreira física e de uma proteção de natureza química (HELENE, 1993). O cobrimento das armaduras deve ter alta compacidade, teor de argamassa adequado e homogêneo, que possa gerar proteção à armadura. O pH da solução dos poros do concreto de cobrimento deve estar acima de 12 e sem íons cloretos, para que se possa dizer que a armadura encontra-se passivada, cumprido o papel de barreira química (MEHTA; MONTEIRO, 1994). Vilasboas; Machado (2005) em estudo realizado na cidade de Salvador-BA avaliaram 48 obras com problemas de corrosão. Dentre essas, 27 obras ou 56,25% apresentavam cobrimento inadequado, devido ao projeto ou à execução. Este fato indica a necessidade de cuidados com o cobrimento das armaduras e com a qualidade do concreto, A respeito do cobrimento das armaduras, a ABNT NBR 6118 (2003) diz que, atendidas as demais condições estabelecidas, a durabilidade das estruturas é altamente dependente da espessura do concreto de cobrimento da armadura, e prescreve o indicado na Tabela 7, para os elementos estruturais, nas suas condições de projeto, definidas pelo macroclima geral e microclima específicos. Tabela 7 - Correspondência entre a classe de agressividade ambiental e o cobrimento (ABNT NBR 6118, 2003) I II III IV3 Laje2 20 25 35 45 Viga/Pilar 25 30 40 50 Concreto Protendido1 Todos 30 35 45 55 1 - Cobrimento nominal da armadura passiva que envolve a bainha ou os f ios, cabos e cordoalhas, sempre superior ao especif icado para o elemento de concreto armado, devido aos riscos de corrosão fragilizante sob tensão. 2 - Para a face superior de lajes e vigas que serão revestidas com argamassa de contra-piso, com revestimentos f inais secos tipo carpete e madeira, com argamassa de revestimento e acabamento tais como pisos de elevado desempenho, pisos cerâmicos, pisos asfálticos e outros tantos, as exigências desta tabela podem ser substituidas pot 7.4.7.5, respeitado um cobrimento nominal ≥ 15 mm. 3 - Nas faces inferiores de lajes e vigas de reservatórios, estações de tratamento de água e esgoto, canaletas de efluentes e outras obras em ambiente químico e intensamente agressivos, a armadura dever ter cobrimento nominal ≥ 45 mm. Classe de agressividade ambiental Cobrimento nominal (mm) Tipos de Estrutura Componentes ou elemento Concreto Armado Fusco (2008) reforça que: “É preciso lembrar que os códigos normalizadores especificam espessuras de cobrimento com valores absolutos. Quaisquer falhas de arranjo das armaduras, 58 no projeto ou na construção, podem levar a espessuras reais menores que esses mínimos absolutos, tornando-se causas eficientes de corrosão das armaduras. Por esse motivo, é prudente admitir-se que no projeto sejam especificados cobrimentos nominais com um acréscimo de 0,5 a 1,0 centímetro acima dos mínimos absolutos regulamentares”. 3.4 Requisitos e critérios de projeto quanto à especificação do concreto Este item, inicialmente, apresenta os critérios para especificação do concreto vigentes na ABNT NBR 6118 (2003) e que devem ser complementados por outros da ABNT NBR 12655 (2006). Ao final, estão analisados ainda certos critérios empíricos ou de normas estrangeiras, para determinadas propriedades do concreto, que poderiam ser mais empregados e testados por empresas de controle tecnológico, em serviços de dosagem ou na fase de execução das estruturas, inclusive, pois iria permitir o seu refinamento progressivo. Segundo a ABNT NBR 6118 (2003), cabe ao profissional responsável pelo projeto estrutural: - o registro da resistência característica do concreto, fck, em todos os desenhos e memórias que descrevem o projeto tecnicamente; - a especificação, quando necessário, dos valores de fck para as etapas construtivas e outros procedimentos, tais como: retirada do cimbramento, aplicação de protensão, etc.; - a especificação dos requisitos e critérios correspondentes para a durabilidade da estrutura e propriedades específicas do concreto, tais como: consumo mínimo do cimento, relação água/cimento, módulo de deformação estático mínimo na idade da desforma e outras propriedades necessárias à estabilidade e durabilidade da estrutura, durante a fase construtiva e a sua vida útil. Assim, os critérios de especificação do concreto para a durabilidade das estruturas devem levar em consideração aspectos como os materiais constituintes e o seu proporcionamento (agregados, cimento, relação água/cimento, aditivos e adições) e na execução, a concretagem dos elementos estruturais, pelo transporte, lançamento, adensamento e cura adequada do concreto em um dado sistema de formas, que também influi na qualidade da estrutura, entre outros itens do processo construtivo da estrutura. 3.4.1 Resistência à compressão axial A resistência à compressão simples do concreto é um dos requisitos sempre especificados no projeto de estruturas de concreto armado, por razões tecnológicas diversas. 61 Tabela 8 – Influência das operações de ensaio (HELENE; TERZIAN, 1993) Coeficiente de variação real do processo de produção do concreto vc,real (%) Coeficiente de variação dos procedimentos de ensaio e controle ve (%) Coeficiente de variação total do processo de produção e ensaio do concreto vc (%) Resistência muito bom 3,0 9,5 razoável 5,5 10,5 deficiente 7,0 11,4 muito bom 3,0 12,4 razoável 5,5 13,2 deficiente 7,0 13,9 muito bom 3,0 16,3 razoável 5,5 16,9 deficiente 7,0 17,5 9 % usual em usinas gravimétricas 12 % usual em canteiros de obras bem administrados 16 % usual em canteiro de obras mal administrados 3.4.2 Relação água/cimento e consumo de cimento Segundo a ABNT NBR 12655 (2006) a relação água/cimento é a “relação em massa entre o conteúdo efetivo de água e o conteúdo de cimento Portland”. Admite esta norma que o consumo efetivo de água é o que resulta da “diferença entre a água total presente no concreto fresco e a água absorvida pelos agregados”, sendo esta uma premissa relativamente simplificada e que desconsidera as interações na interface pasta/agregados. A relação água/cimento total de um concreto pode ser também considerada a variável mais influente na porosidade da matriz e da zona de transição, e conseqüentemente na resistência do concreto. Em geral, esta relação controla a microestrutura e propriedades do concreto endurecido. Quanto maior a relação água /cimento total de um concreto, maior será a sua porosidade e permeabilidade Parte da água de amassamento tem como finalidade transmitir à mistura fresca uma consistência adequada para o lançamento e adensamento do concreto. Após a aplicação, parte dessa água irá se evaporar, devendo esta evaporação ser bem controlada, de forma que não ocorra com muita velocidade, causando tensões internas e, consequentemente, o surgimento de fissuras no concreto. Parte da água de amassamento deverá permanecer no concreto, com a finalidade de promover a hidratação do cimento, reação responsável pela resistência mecânica e durabilidade do concreto endurecido (NEVILLE, 1997). Estudos de dosagem do concreto devem ponderar a durabilidade da estrutura frente ao tipo e nível de agressividade previsto em projeto, e sempre que possível confirmar os critérios 62 mínimos a serem atendidos pelo concreto. Na falta destes estudos, e devido à existência de uma forte correspondência entre a relação água/cimento, a resistência à compressão do concreto e à capacidade de proteção das armaduras, permite-se adotar os critérios na Tabela 9, da ABNT NBR 6118 (2003) e da ABNT NBR 12655 (2006). Exigências complementares para ambientes de exposição específicos contendo sulfatos constam ainda na Tabela 11. Observar que o consumo mínimo de cimento por metro cúbico de concreto é uma variável interdependente tanto da relação água/cimento quanto da resistência característica à compressão e que é determinada a partir de controle da determinação da densidade aparente do concreto fresco, segundo o item 3.6.1.4 Tabela 9 – Especificações prescritivas do concreto estrutural pela classe de agressividade ambiental (ABNT NBR 6118, 2003 e ABNT NBR 12655, 2006) I II III IV CA ≤ 0,65 ≤ 0,60 ≤ 0,55 ≤ 0,45 CP ≤ 0,60 ≤ 0,55 ≤ 0,50 ≤ 0,45 CA ≥ C20 ≥ C25 ≥ C30 ≥ C40 CP ≥ C25 ≥ C30 ≥ C35 ≥ C40 CA CP Classe de agressividade do ambiente ≥ 260 ≥ 280 ≥ 320 ≥ 360 CA - Componentes e elementos estruturais de concreto armado CP - Componentes e elementos estruturais de concreto protendido Relação água/cimento em massa Concreto Tipo Classe do concreto (ABNT) Consumo de cimento por metro cúbico de concreto kg/m3 3.5 Outras propriedades e critérios de qualidade do concreto para proteção de armaduras Em condições desfavoráveis de macroclima e de microclima atuantes sobre elementos estruturais em um dado projeto, é recomendável a especificação de requisitos e critérios complementares para o concreto, com vistas à proteção de armaduras, conforme itens 3.5.1 a 3.5.8, sendo que o primeiro a seguir discutido vem sendo bastante empregado em obras especiais, com vistas ao controle da fissuração das estruturas. 3.5.1 Módulo de elasticidade Para que um cálculo estrutural se aproxime da maneira mais realista do comportamento do material é de grande importância o conhecimento das propriedades da deformação do material a ser utilizado, não só a resistência à compressão, tem-se que conhecer com precisão 63 o módulo de elasticidade, retração, a fluência, e outros parâmetros que expressem as condições dos estados limites de serviço (MELO NETO, 2002). O módulo de elasticidade pode ser definido como sendo a relação entre a tensão aplicada e deformação instantânea dentro de um limite proporcional adotado (MEHTA; MONTEIRO, 2004). “De forma simplificada, o ensaio de determinação do módulo estático de deformação do concreto se dá através da construção de uma curva “tensão-deformação especifica” com um mínimo de dois pontos. A relação das diferenças de tensão e deformação nesses dois pontos fornece o módulo de deformação” (MONTIJA, 2007). A mediação das deformações, em laboratórios brasileiros, se dá preferencialmente no terço médio central longitudinal do corpo- de-prova cilíndrico com altura igual ao dobro do diâmetro e por esta região ser praticamente isenta de esforços externos transversais. A leitura das deformações se dá através de medidores com sensibilidade mínima de milésimo de milímetro, fixados na citada região do corpo-de-prova. As tensões atingidas são obtidas ou calculadas a partir de plano de carga em porcentagem da tensão estimada de ruptura, aplicado pela da máquina de ensaio” (MONTIJA, 2007). A ABNT NBR 6118 (2003) destaca que o módulo de elasticidade deve ser obtido segundo a ABNT NBR 8522 (2008), sendo considerado o módulo de deformação tangencial inicial cordal a 30%fc ou outra tensão especificada em projeto. Quando não forem feitos os ensaios e não existiram dados mais precisos sobre o concreto usado na idade de 28 dias, pode-se estimar o valor do módulo de elasticidade usando a seguinte Equação (8): Ect = 5600 fck 1/2 (Equação 8) Onde: Ect = Módulo de elasticidade, em MPa; fck = Resistência à compressão, em MPa; A retirada das fôrmas e do escoramento só pode ser feita quando o concreto estiver suficientemente endurecido para resistir às ações e tensões que atuarem sobre ele, sem resultarem em deformações que possam fissurar peças de modo precoce, o que pode prejudicar também a durabilidade de armaduras. Enfim, com vistas à prevenção de fissuras no concreto e exposição precoce de armaduras, se tornam importantes tanto o módulo de elasticidade quanto a evolução das resistências à tração e à compressão do concreto, nas primeiras idades, além das características do projeto de forma e plano reescoramento.