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
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FISSURA — PERPENDICULAR
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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
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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.
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21)
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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. IN.: OFFSHORE TECHNOLOGY CONFERENCE, Houston
May, 1977. v.l. p.581-88.
GOUDA, V.K. & HALAKA, W.Y. Corrosion and corrosion inhibition
of reinforcing stell. II. Embedded in concrete. British
Corrosion journal, 5:204-8, Sept. 1970.
GUSTAFSON, D.P. Inspection and acceptance of epoxy - coated
reinforcing bars. Concrete Construction. Feb. 1987. p-197-
201.
HAMMOND, E. & ROBSON, T.D. Comparison of eletrical properties
of various cements and concretes. The Engineer, Jan. 1955 .
78-115.
HANSSON, C.M. Comments on ejetrochemical measurements of the
rate of corrosion of steel in concrete. Cement and Concrete
Research, 14:574-84, 1984.
HANSSON, I.L.H. & HANSSON, C.M. Electrical resistivity
measurements of Portland cement based materials. Cement
and Concrete Research, 13:675-83, 1983.
HELENE, P.R.L. Corrosão em armaduras para concreto armado.
Sao Paulo, Pini, 1986.
HIGGINS, R.J. Fusion Bonded epoxy powder coating chosen foor
rebar protection inDubai, Aug. 1987. p.102-4.
HOPE, B.B. et alii. Corrosion and electrical impedance in
concrete. Cement and Concrete Research, 15:525-34, 1985.
HOWER, K.C. Cathodic protection for reinforced concrete
structures, rehabilitation, reservation and preservation
of concrete and masonry structures. Detroit, ACI, 1985. Pp.
175-208. (publication SP-85).
KUZNETSOV, M. Fundamentos de eletrotécnica. 2 ed. Moscou, Mor
Publishers, 1967, p.36.
LEWIS, D.A., COPENHAGEN, W.J. Corrosion of reinforcing steel
in Concrete in Marine atmosphere. Corrosion (1959) 15, 382-
388.
MCCARTER, W.J. & CURREAN, P.N. The electrical response
characteristics of setting cemente paste. Magazine of
Concrete Research, vol. 36, nº 126, March 1984, 42-49.
MILLARD, S.G. Reinforced concrete resistivity measurement
techniques, structural and building board. Proc. Instn. Civ.
Engrs, Part 2, 1991, 91, March, 71-88.
32)
33)
34)
35)
36)
37)
38)
39)
40)
41)
42)
43)
44)
45)
46)
19
MONFORE, G.E. The extrical resistivity of concrete. Journal
of the PCA Research and Development Laboratoires, 10 (2
35-49, May, 1965.
MOSKVIN, V. et alii. Concrete and reinforced concrete
deterioration and protection. Moscou, Mir Publishers, 1983.
NACE Standard RP-0187-87 - Nº 53063. Design considerations
for corrosion control of reinforcing steel in concrete :
recommendd practice. Houston, 1987.
PERKINS, P. Concrete Structures: repair waterproofing and
protection. 2 ed. London, Applied Science Publishers, 1972.
RAHARINAIVO, A. Prévision de la corrosion des armatures du
béton sous 1l'action des chlorures. Bulletin Liaison des
Laboratoires des Ponts et Chausées, (125):77-9, jan. 7 fev.
1988.
SCHULTE, Ch., WITTMANN, F.H. & MADER, H. Condutibilidade elé-
trica de cimento endurecido a teor de umidade diverso
Cement and Concrete Research, Vol. 8, 1979, 359-368.
STRATFULL, R.F. How chlorides affect concrete used with
reinforcing steel. Materials Protection, Mar. 1968. p.29-34.
STRATFULL, R.F., JURKOVITCH, W.T. & SPELLMAN, D.L. Corrosion
testing of bridge decks. Transportation Research Records
nº 539, 1975.
TREMPER, B. & BEATON, J.L. & STRATFULL, R.F. Corrosion of
reinforcing steel and repair of concrete in a marine
enviroment. Highway Research Board Bull. 182, Washington |,
D.C., 1958, 18-41.
TURRIZIANI, R. Internal degradation of concrete : alkali —
aggregate reaction reinforcement steel corrosion. Trabalho
apresentado no 8º Congresso Internacional de Química do Ci-
mento. Special Reports, 1:388-442, Set. 1986.
UNZ, M. Insulating properties of cement mortar coating .
Corrosion, July, 1960, 16, 343-353.
VASSIE, P. A survey of site tests for the assessment of
corrosion in reinforced concrete. TRRL Laboratory Report .
953.
WHITTINGTON, H.W. et alii. The conduction of eletricity
through concrete. Magazine of concrete Research, 33 (114) |,
Mar. 1981.
WONG, K.H. et alii. The retardation of reinforcing steel
corrosion by Alkyl-Alkoxy Silane. Cement and Concrete
Research, 13:778-88, 1983.
ZINC INSTITUTE, Galvanized reinforcement for concrete .
2 ed. 1970.