Corrosão das Armaduras de Concreto: Mecanismo e Controle, Trabalhos de Química Aplicada

Baixe Corrosão das Armaduras de Concreto: Mecanismo e Controle e outras Trabalhos em PDF para Química Aplicada, somente na Docsity! Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP Departamento de Engenharia de Construção Civil ISSN 0103-9830 BT/PCC/69 Corrosão das Armaduras do Concreto: Mecanismos e Controle Roberto Fernando dos Santos Farias Yazuko Tezuka São Paulo - 1992 O presente trabalho é uma versão abreviada da dissertação de mestrado apresentada pelo Engº Roberto Fernando dos Santos Farias, sob orientação da Prof!, Dr?. Yasuko Tezuka: "Corrosão das armaduras do concreto: mecanismos e controle”. A íntegra da dissertação encontra-se à disposição com o autor e na Biblioteca de Engenharia Civil da Escola Politécnica. Farias, Roberto Fernando dos Santos Corrosão das armaduras do concreto: mecanismos e controle / R.F. dos S. Farias, Y. Tezuka, -— São Paulo : EPUSP, 1992, 19p. —— (Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP, Departamento de Engenharia de Construção ci vil, BT/PCC/69) 1, Armaduras de concreto armado (Estruturas) - Corrosão 1. Tezuka, Yasuko II. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenha ria de Construção Civil III. Título IV. Série CDU 624.012.454 3.1 Passivaçaão das Armaduras A elevada alcalinidade da solução aquosa dos poros do concreto favorece a formação e manutenção de um filme de oxido, aderente a superfície do aço, que evita a dissolução anódica dos íons ferro- sos e portanto passiva o aço. A elevada alcalinidade do meio, com pH entre 12,5 a 13,5 é obti- da às custas da formação de óxidos básicos durante a hidratação do cimento (11). Quando o filme de passivação nao é formado ou é enfraquecido e destruído, pode haver corrosão. 3.2 Mecanismos de Corrosão das Armaduras A formação de uma celula eletroquimica ou célula de corrosão de- pende da existência de quatro componentes. Um anodo, onde ocorre a reação de oxidação ou dissolução; um cátodo onde ocorre a reação de redução; um condutor metálico, onde a corrente elétrica é um fluxo de elétrons; um eletrolito, onde a corrente é um fluxo de íons num meio aquoso. As áreas anódicas e catodicas surgem como resultado de diferen - ças de potencial elétrico na superfície das armaduras. O condutor metálico é o próprio aço das armaduras. A existência do eletrolito, o condutor de íons, é a condição que permite o contato das armaduras com a fase aquosa. O fluxo de elétrons e íons - a corrente de corrosão - é uma medi da direta da corrosão do aço. Os parâmetros que determinam se a corrosão é ou não possível, ou seja, a termodinâmica da reação, são o pH da solução (pH do eletró- lito) e o potencial eletroquímico existente na superfície do aço (22). Os parâmetros que determinam a velocidade ou taxa de corrosão , ou seja, a cinética da reação, são a resistividade elétrica do ele- trólito (concreto, no caso) e a disponibilidade de oxigênio. Para ocorrer o processo de corrosão deve existir, como já foi di to, um circuito elétrico completo entre as áreas anódicas e catódi- cas do aço. Reunindo todas as informações ja expostas, o esquema de corrosão das armaduras no concreto pode ser representado pelo mode- lo físico ilustrado na Figura 1. Na superfície do aço podem surgir areas anodicas decorrentes da despassivação do aço favorecendo a reação de oxidação ou dissolução do ferro Fe —+» Fe*'* 4 pe” e libe- «— 4 ração de eletrons para as regiões catodicas. Os pontos de despassi- vação podem ser generalizados e formar macro ou micro celulas com as áreas passivadas que atuam como catodos. A relação entre a area anódica e a área catodica influencia diretamente na taxa de corro- são. Fe, o .+ = 2" = ÁREA ANÓDICA FILME DE PASSIVAÇÃO < raso, do torto (FILME ROMPIDO) « Pr nz0 | h,0 concRETO ÁREA CATÓDICA e. N tPILME INTACTO ) ZAP DAP TIA ei Z za Es ZU SIP, LL le ELI L gZz CL AM dei io es Zz A ZUDDR ACO rd or RÃ, 200 nO O, mo es ",o 7) "0 o) . 2 2 Mo do 0 2 2 2 FISSURA — PERPENDICULAR AS TENSÕES GERADAS [= PRODUTO DE CORROSÃO E AS PRESSÕES INTERNAS DEVIDAS A EXPANSÃO Falou) FetoH A, Ou” f .=— - ++ Ot 2M,0 +40 DD 404 re! + 24047) Fotonda Fetom)a * H Feton), om Fe om 3 n$0 era Rm PRA A PEL. 8 E tr DM dm CACERR | o, e, 1d) Fig. 1 - Modelo físico para a corrosão das armaduras do con- creto. 3.3 Principais Fatores de Despassivação das Armaduras Sendo a despassivação do ago a primeira etapa no processo corro- sivo das armaduras, a carbonatação e o ataque por cloretos devem ser considerados prioritários nesta avaliação. A carbonatação, ou também conhecida como neutralização do concre to é um fenômeno químico que ocorre na superfície do concreto e 5 prossegue durante anos para o interior do concreto. O hidroxido de cálcio [Ca(0H),] que é liberado na hidratação do cimento, combina- se com o gàãs carbônico (cos) do ar atmosférico para formar o carbo- nato de calcio (cacos), insolúvel em água, que se deposita nos po- ros do concreto, fechando-os (6 ). Ca(0H), + CO —s | CacO, + H,0 2 A carbonatação da pasta de cimento reduz substancialmente a alca linidade da solução dos poros a valores de pH aproximadamente de 8,5, e portanto despassivando o aço. O fenômeno da carbonatação e sua influência na corrosão das arma duras já tem sido bastante estudado nos últimos anos e os princi- pais fatores controladores do processo são: - concentração de dióxido de carbono na atmosfera; - permeabilidade do concreto e disposição dos poros; -— teor de umidade do cobrimento; -— temperatura; - capacidade reativa do concreto com o Co, (teor de Ca(0H), e alca- lis). Os íons cloretos podem ser introduzidos no concreto de várias ma neiras (2) e não devem ser considerados da mesma forma, exatamente pelas diferenças devidas a suas origens (1). Importa saber se os cloretos estão presentes no cimento ou na água, se eles estão nos agregados ou nos aditivos. O processo de corrosão das armaduras compreende dois estágios. No primeiro estágio, chamado de ativação, atração ou incubação(36), os íons cloretos presentes no concreto ou proveniente do meio exter no se aproximam das armaduras. Uma vez que a concentração desses íons atinja um determinado valor nas proximidades das armaduras, o processo corrosivo pode ser acionado e então se inicia o segundo es tágio, cinético, que é chamado de corrosão ativa ou desenvolvimento de produtos de corrosão (36). O domínio completo do processo exigi- ria um conhecimento de todos os parâmetros e mecanismos desses dois estágios e sobre os valores críticos ou limites da concentração des ses ions agressivos, no caso os cloretos. Tanto os óxidos de ferro em seus vários estágios de oxidação co- mo os cloretos de ferro complexos podem conduzir a tensões internas decorrentes da expansão gerada por esses produtos. Fecl, e FeCl, são mais expansivos que Fe(0H),, Fe,0, ou Fe,0 34 23. Por isso a fissuração decorrente da corrosão por cloretos é bastan- 6 - RESISTIVIDADE ELÉTRICA DO CONCRETO 6.1 Importância da Resistividade Uma vez despassivadas as armaduras, o processo de corrosão sera governado pela disponibilidade de oxigênio e pela resistividade elé trica do concreto (18, 22, 33). A resistividade elétrica do concre- to tem sido objeto de uma série de estudos (10, 12, 17, 20, 21, 22, e3, 26, 29, 30, 31, 37, 38, 40, 42, 44) e os pesquisadores co mentam sua importância no processo corrosivo das armaduras (9, 18, 23, 31, 32, 45). O metodo potencial eletroquímico tem sido aceito como um meio confiável para localizar as áreas anódicas, porém não informa sobre a gravidade do problema. As armaduras despassivadas podem estar corroendo a uma taxa ja elevada ou pode estar corroendo lentamente. Esta informação estã diretamente ligada a vida útil da estrutura e pode justificar ou não uma ação remediadora. Figg e Mardsen (15) sugeriram os valores da tabela 6.1 a seguir, como uma diretriz a ser usada na análise dos resultados obtidos com o mapea- mento de resistividade elétrica numa estrutura. Tabela 6.1 - Valores de resistividade elétrica medidas em es- truturas de concreto para avaliar probabilidade de corrosão. (A em) PROBABILIDADE (TAXA DE CORROSÃO) 5.000 Muito elevada 5.000 a 10.000 Elevada 10.000 a 20.000 Moderada a baixa 20.000 Baixa Vassie ( 43) já havia sugerido uma tabela semelhante cujos valo- res são apresentados a seguir, na tabela 6.2, e Browne ( 8) afir- mou que uma corrosão rápida só ocorrerá quando a resistividade do concreto for menor que 5.000 2 cm. Outros ( 39) observaram que num concreto de alta resistividade elétrica (maior que 60.000 O. cm) O processo de corrosão existe. não Tabela 6.2 - Valores de resistividade elétrica medidas em es- truturas de concreto para avaliar probabilidade de corrosão. (O cm) PROBABILIDADE (TAXA DE CORROSÃO) < 5.000 Certeza 5.000 a 10.000 É provável > 12.000 Não é provável 6.2 Definição A resistividade elétrica, ou resistência elétrica específica , representada pela letra grega * Q “ é uma grandeza que caracteriza a capacidade do concreto de oferecer ou não resistência à passagem de corrente elétrica e pode ser expressa por (28, 32): E - ES (LA cm) (6.1) onde = resistividade elétrica, em O. . cm. resistividade elétrica, em OQ... - area da seção transversal, em cm”. eu zo u = comprimento, em cm. Pela Lei de Ohm, que estabelece a relação entre uma corrente con tínua através de um condutor, a tensão aplicada e a resistência tem-se: , = (4) (6.2) ou R= af (6.3), onde I = corrente elétrica, em A. = tensão, em V R - resistência elétrica, em O... Desta forma: s E- > E (LM em (6.4). 6.3 Fatores Influentes Os fatores que influem na resistividade elétrica do concreto são considerados aqui sob dois aspectos. Fatores intrínsecos ao concre- 10 to como o tipo de materiais utilizados, a relação entre esses mate- riais e a idade, que serão chamados de fatores estruturais. E fato- res que podem ser ou não considerados intrínsecos, podem estar dire tamente ligados e dependentes desses, mas que dizem respeito e con- dicionam o fluxo de corrente elétrica, como por exemplo a heteroge- neidade do concreto, o teor de umidade, e a concentração iônica, e serão chamados de fatores condicionais. Sobre todos esses atuam os fatores ambientais de temperatura e umidade relativa do ar. As características do cimento variam consideravelmente durante o processo de hidratação e consequentemente fatores tais como o tipo de cimento, relação água/cimento e a idade são de extrema importân- cia, e influenciam diretamente na resistividade elétrica (17, 18, 21, 26, 30, 32). Os fatores estruturais determinam as principais propriedades do concreto como resistência mecânica, permeabilidade, porosidade, absorção, e são responsáveis pelo teor de água livre e concentração de íons nos poros. A denominação "fatores condicionais" talvez não seja tão abran- gente quanto se deseja, mas a sua análise leva em consideração o concreto na sua condição de material heterogêneo sujeito a varia- ções de umidade, e cuja solução aquosa apresenta variações na sua composição química. O concreto pode ser considerado como um compósito de partículas de agregado numa matriz de pasta de cimento. A corrente elétrica atravessa um volume de concreto por três caminhos possíveis: pela pasta de cimento, pela pasta e agregados em série, e pelos agrega - dos em contato um com o outro. A resistividade eletrica dos agregados normalmente usados em con- cretos é da ordem de 10º a 10º 4 cm ou mais ( 44). A resistivida- de elétrica do concreto úmido se situa na faixa de 102 ass x 10º AL em (17, 18, 27, 32, 37, 44) e a pasta de cimento, também úmida, na faixa de 102 a 102 SL cm (23, 30, 37,44). A afirmativa inicial passa a ser: o concreto pode ser considerado como um composito de partículas não condutoras contidas numa matriz de pasta de cimento condutora ou semi-condutora. Portanto tudo que afetar a resistivida de da pasta afetará sobremaneira a resistividade do concreto. Os mecanismos de condução elétrica é de se esperar que sejam di- ferentes de acordo com a quantidade de àgua armazenada no interior da estrutura do concreto. O concreto seco (0 % de umidade) tem propriedades que mais se aproximam daqueles dos semicondutores. 13 método brasileiro NBR-9204: Concreto endurecido, Determinação da resistividade elétrica volumétrica, de dez/1985. Utilizou-se uma fonte de energia e voltimetro da Fluke modelo 760 A Meter Calibrator e um Multitest da Icel-Kaise para medidas de corrente elétrica. Inicialmente os ensaios foram realizados estritamente como deter mina o metodo, e em seguida foram feitas algumas alterações: - saturação dos corpos de prova com imersão em água até o momento do ensaio, realizado dentro de uma redoma de vidro para manter a saturação do ambiente, simulando um caso extremo de saturação. - corpos de prova secos em estufa até peso constante para obter a umidade de O %, simulando um caso extremo de estruturas expostas a ambientes secos permanentemente. Os resultados obtidos foram reunidos na tabela 6.5 a seguir, on- de constam as condições de realização dos ensaios. 6.5 Comentários Os resultados obtidos com os ensaios de laboratorio confirmam as informações ja conhecidas na literatura disponivel e mencionadas no texto deste trabalho. A resistividade elétrica dos concretos ensaia dos se encontra na faixa de 4.570 S cm no estado saturado a 101.430.910 -S.-cm no estado seco. Observa-se que no estado de umidade natural dos corpos de prova expostos ao ar e nos corpos de prova saturados existe um aumento proporcional da resistividade elétrica com a idade, sendo esse au- mento bem mais acentuado nos corpos de prova saturados, enquanto que no estado seco de umidade O % não existe essa correlação defini da. Este fato deve-se provavelmente ao fenômeno de condução iônica já iniciado mesmo nos baixos teores de umidade. No estado completamente seco o mecanismo de condutibilidade elé- trica fica dependente exclusivamente da condução eletrônica. A in- terpretação dos resultados é dificultada pela elevada resistividade dos agregados, e da complexa estrutura interna do concreto formada por compostos de cimentos hidratados cuja resistividade eletrica é difícil de ser medida e por poros que apresentam uma gama muito va- riada de tamanhos, formas e interligações. Quando o concreto se encontra numa faixa inicial de saturação |, como ne caso dos ensaios realizados na umidade natural (0,70 % a 1,82 %), é muito perigoso interpretar os resultados pelo seu valor absoluto. O mecanismo de condução iônica pode estar na fase inicial 14 “(% 86 “HU N) OJPTA op euopss qos opeaunges eAoOJId ap oduoy — opeanges *% EB'T E 45'0 SP OpuelJBA opeptu “JE OE JED9S OpEXT9p eAoJd op oduog - Teangeu apeptun oz se | vIEc9T EZTLITY age 989 - - - sosau 61 s9 | sz |oserr | vizcozre co TOS - ze'z cetz 06 cotifasos oqu/s 95 se | OLI'EL | OTIcoL's see PU SvE 9' tp - - sz 6186 =L oz | se | Leves EIEtOTET 96 g9t0" OU BL E - - - sosou 61 59 se ovL'9 016" 0€b* IO1 paso BS E - cBct 00“ y 06 Ouro = 91 95 se | o45'b 028 oLv" EG pos0 Oto E tez - - ez Greer oL se | 154º6 BLt'L9E"9T pro SEL E - - - sosou 61 s9 | se | OTT'L 86b“ L6LLIT cos OPS e - setor 86 06 osto = 9/Y 95 ge | 0€9'9 95Lº0EP "LT aero CEO tTE T'se - - ez SrovErd oz | se | g6sve | aLr pelve eng Eles - - - sosau 61 s9 se OcI'ce ETT' I68'€8 onto E ESP - es'8 ectE 06 srro = D/v gs | sz | atroz | oobrozLrse 06:00 Or e'zp - - sz Str Bmerd Ra “By odvanLvS | AaVaIWn % O 0D4S [1VUNLYN aavarwn E cota vs say tevia) *dWaL Quo 7 ) voltLITA AQVQIALLSISAS dq JDIANI > “soprigo sopeg Insas sop ounsoy — S*9 eTtoqel 15 de transferência de carga, e dependendo da estrutura interna do con creto a interligação dos filmes de água pode acontecer a níveis di- ferentes de umidade para cada concreto. A análise dos resultados de resistividade elétrica do concreto talvez tenha que ser feita através de uma relação entre os ensaios obtidos no estado seco ou no estado natural e no estado saturado, podendo ser chamado de fa- tor condicional. Quanto menor esse fator melhor o concreto quanto a resistividade elétrica. No caso específico destas experiências de laboratório teríamos os seguintes fatores condicionais apresentados na tabela 6.6. Desta forma o concreto com microssílica (T-298.19) e relação água/cimento - 0,50 seria considerado o que melhor atende às condi- ções de resistividade elétrica, em seguida seria o traço T-378 com A/C = 0,45, o T-340.19 com A/C - 0,50, e por último o traço T- 243.19 com A/C - 0,70. Tabela 6.6 - Fatores condicionais de resistividade elétrica dos concretos ensaiados. IDADE TRAÇO A/C FATOR CONDICIONAL *1 MENOR VALOR T-378.19|] 0,45 151,45 -— 28 T-340.191] 0,50 318,29 — dias T-243.19] 0,70 737,70 — T-298.19| 0,50 26,20 26,20 T-378.19| 0,45 153,18 — 90 T-340.19| 0,50 357,33 — dias T-243.19|] 0,70 531,25 — T-298.19| 0,50 33,46 33,46 T-398.19| 0,45 150,71 — 19 T-340.19| 0,50 280,27 - meses T-243.19| 0,70 449,53 — T-298.19|] 0,50 42,10 4º,10 "3 = Fator condicionar - f DO estado natural de untonde (0 cm) Nota: O traço T-298.19 contem 29,8 kg de microssílica, perfazen- do um total de aglomerante de 327,8 kg/m. 17) 18) 19) 20) 21) 22) 23) 24) 25) 26) 27) 28) 29) 30) 31) 18 corrosion in reinforced concrete by calcium nitritem cement. Concrete and Aggregates, 9 (1):30-3, 1987. GRIMALDI, G., LANGUEHARD, J.C., Raharinaivo, A. Choix du mortier pour enrober les anodes de protection cathodique des armatures du beton. Bull. Liaison Labo Ponts et Chaussees, 160, Fevr. - Mars. 1989, 77-80. GJORV, O.E. et alii. Electrical resistivity of concrete in the oceans. 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