Ataque de Íons Carbonato

A penetração de íons carbonato usualmente leva à carbonatação dentro da matriz de cimento. A carbonatação do cimento é a reação entre o CO2 com fases do

cimento anidro ou com os íons cálcio presentes na matriz de cimento para formação de compostos carbonatados. O CO2 pode penetrar na pasta como gás ou pelo ácido carbônico

(H2CO3) dissolvido na água subterrânea. Como o ácido carbônico é instável, ele se

decompõe em CO2 e água, como na reação representada na equação 4.4-13. A taxa de

carbonatação pode variar dependendo do pH da solução, da pressão parcial do meio (uma vez que o CO2 formado é um composto gasoso) e da temperatura (JUNG e UM, 2013;

AUROY et al., 2015).

CO2 + H2O  H2CO3  HCO3- + H+ 4.4-13

Esse processo é altamente dependente da quantidade de água no material e, consequentemente, da umidade relativa. Em ambientes extremamente secos, com U.R. baixa, a quantidade de água retida nos poros não é suficiente para que ocorra a carbonatação. Em alta U.R., os poros estão totalmente preenchidos de água, dificultando a entrada do carbonato. A condição mais favorável para que a carbonatação ocorra é em umidade relativa média (PERSSON, 1998; NUNES e FIGUEIREDO, 2007; MOLINA et al., 2015).

Se os íons penetram ainda durante a hidratação, a resistência mecânica do cimento é melhorada, uma vez que a carbonatação das fases do cimento anidro C2S e C3S

acelera o processo de cura. As reações estão apresentadas nas equações 4.4-14 e 4.4-15 (ROSTAMI et al., 2012).

C3S + (3 – x)CO2 + yH2O  CxSHy + (3 – x)CaCO3 4.4-14

C2S + (2 – x)CO2 + yH2O  CxSHy + (2 – x)CaCO3 4.4-15

AUROY et al. (2015) mostraram que amostras de pasta de cimento, após serem submetidas à carbonatação, apresentaram uma redução na quantidade dos compostos anidros.

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Quando a carbonatação ocorre em idades avançadas, o CO2 dissolvido reage

com os produtos de hidratação, formando calcita (CaCO3) e sílica gel (SiO2). As reações

com a portlandita e com o CSH estão apresentadas nas equações 4.4-16 e 4.4-17 (RAMEZANIANPOUR et al., 2014).

Ca(OH)2 + CO2  CaCO3 + H2O 4.4-16

CSH + 2CO2  SiO2 + 2CaCO3 + H2O 4.4-17

Se, por um lado, a formação de calcita pode levar ao bloqueio dos poros do cimento e à diminuição da penetração de íons, por outro lado, pode levar à descalcificação do CSH, comprometendo a matriz cimentícia e sua durabilidade, se a taxa de formação for alta. Assim, a carbonatação pode ocasionar danos permanentes ao cimento e à sua resistência mecânica (FABBRI et al., 2012).

A redução na porosidade do material depende do tipo de cimento utilizado e da relação água cimento. Além disso, a distribuição de tamanho dos poros do cimento é alterada. Pesquisas recentes indicam que a carbonatação pode ser capaz de produzir poros capilares mais largos em relações água/cimento maiores (THIÉRY et al., 2012; MORANDEAU et al., 2015; ZHA et al., 2016). Porém ao mesmo tempo em que se observa o aumento do tamanho dos poros, um aumento na densidade e uma diminuição na água retida nos poros do material foram relatados.

O efeito da carbonatação na permeabilidade também é controverso. Enquanto algumas pesquisas indicam uma diminuição na permeabilidade (DEWAELE et al., 1991; CLAISSE et al., 1999; SONG e KWON, 2007), outros indicam um aumento, observando maior penetração de água e de ar no material após o processo de carbonatação (BORGES et al., 2010; THIÉRY et al., 2012; WANG et al., 2012). Isso pode ocorrer devido a diferenças no tipo de cimento utilizado, na concentração de CO2 utilizado ou na

formulação do material (diferentes relações A/C, adição de materiais suplementares, como cinza volante, etc.) (AUROY et al., 2015).

AUROY et al. (2015) atribuíram as diferenças encontradas em relação ao tipo de reação que ocorre no material. Em sua pesquisa, foi observado que a quantidade de calcita formada era maior e o resultado era um maior bloqueio dos poros do material, quando a carbonatação acontecia principalmente pela reação com a portlandita. Se a carbonatação ocorria principalmente pela reação com o C-S-H, foi observado o aumento na

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quantidade de fraturas no material, além de um aumento no tamanho dos poros, levando ao aumento na permeabilidade (AUROY et al., 2015).

Além da obstrução dos poros do cimento, a carbonatação leva à redução do pH da solução dos poros. Como visto na equação 4.4-16, a formação da calcita é acompanhada da perda de Ca(OH)2, ocasionando a diminuição do pH da solução dos poros, o que

propicia a corrosão do aço no concreto. Por essa razão, a carbonatação tem sido estudada nos últimos anos como um dos processos que podem levar à corrosão do aço em estruturas de concreto armado. (AUROY et al., 2015; ZHA et al., 2016; LIU et al., 2017).

Esse comportamento foi observado por JAKOBSEN et al. (2016), que descreveram a precipitação de calcita na superfície de concretos expostos a ambientes marinhos, pela reação do carbonato com o cálcio, ambos provenientes da água do mar. Essa formação deve ser diferenciada do processo de carbonatação, no qual os íons carbonato reagem com o cálcio do cimento por um processo de substituição.

No mesmo estudo, foi encontrada dentro do concreto a formação de calcita com morfologia distinta, chamada de carbonatação tipo ―pipoca‖. Essa formação foi descrita por alguns pesquisadores e é uma forma especial de carbonatação, na qual o C-S- H se divide em grandes conjuntos de cristais de calcita que se parecem com uma pipoca. Esse processo, que causa a descalcificação do C-S-H e danos ao cimento, foi reportado na literatura em materiais cimentícios expostos à água contendo ácido carbônico (JAKOBSEN et al., 2016).

Outro processo importante que ocorre na penetração de carbonato é a retração por carbonatação. Essa retração ocorre, principalmente, pelo mecanismo descrito na retração por descalcificação (sessão 4.3). Nesse caso, a descalcificação causada pela reação dos íons carbonato com o cálcio proveniente do C-S-H leva à importante retração no cimento. Essa reação é maior quando a umidade relativa é intermediária, uma vez que a carbonatação seria favorecida nessas condições (CHEN et al., 2006; NUNES e FIGUEIREDO, 2007).