Causas químicas de deterioração

A Figura 19 apresenta um fluxograma indicando as diferentes reações químicas e seus efeitos na deterioração do concreto e conseqüentes mudanças nas propriedades de comportamento.

Figura 19 - Agentes químicos de deterioração do concreto

(Fonte: METHA; MONTEIRO, 1994, p. 150)

As velocidades de ataque de alguns produtos químicos mais freqüentes sobre o concreto são apresentadas na Figura 20.

Figura 20 - Efeito de alguns produtos químicos comuns sobre o concreto

Segundo Souza (1998), a ação do hidrogênio pode contribuir para a deterioração do

concreto. O hidróxido de cálcio - Ca(OH2) - geralmente está presente na pasta de cimento

endurecida, em uma elevada quantidade, sendo solúvel em água e capaz de reagir com sais dissolvidos, como cloretos e nitratos, além de trocas de cátions entre os sais e a própria base.

b) Deterioração por ação de ácidos

Concretos quando expostos a soluções ácidas, sofrem severas deteriorações devido ao caráter básico da pasta de cimento. Porém, concretos de baixa permeabilidade quando expostos à ação de ácidos fracos, podem resistir, principalmente se a exposição for ocasional.

Os ácidos reagem com o hidróxido de cálcio da pasta de cimento, produzindo água e sais de cálcio, podendo ser facilmente lixiviados, caso sejam solúveis, aumentando a permeabilidade e a porosidade da pasta (Figura 21).

Figura 21 - Ataque de ácido sulfúrico ao concreto no interior de tubulação de esgoto.

c) Deterioração por ataque de sulfatos

O ataque ao concreto produzido por sulfatos é devido a sua ação expansiva, que pode gerar tensões capazes de fissurá-lo. Os sulfatos podem estar nos agregados, na água de amassamento ou no próprio cimento. Sua presença é comum em áreas de operação de minas e indústrias químicas.

Todos os sulfatos reagem com a pasta de cimento hidratado, sendo potencialmente prejudicial ao concreto. O ataque por sulfato gera uma perda progressiva de resistência e de massa, devido à deterioração na coesão dos produtos de hidratação do cimento. Porém, pode- se aumentar a sua resistência baixando a permeabilidade do concreto, através da redução do fator água/cimento ou pelo emprego de cimentos com adições pozolânicas.

Figura 22 - Pilar de concreto deteriorado pelo ataque de sulfatos.

Figura 23 - Estrutura de concreto armado deteriorada pelo ataque de sulfatos.

(Fonte: http://www.dcc.ufpr.br/wiki/images/0/01/TC031_Durabilidade.pdf)

As Figuras 24 e 25 apresentam os requisitos para o concreto exposta a sulfatos e graus de severidade de ataque de concretos expostos a sulfatos, respectivamente.

Figura 24 - Requisitos para o concreto exposto aos sulfatos

Figura 25 - Caracterização dos graus de severidade de ataque dos concretos expostos a sulfatos.

(Fonte: METHA; MONTEIRO, 1994, p. 160-161)

d) Deterioração por reações álcalis-agregado

A reação álcali-agregado pode ser entendida como a reação química que ocorre no interior de uma estrutura de concreto, envolvendo os hidróxidos alcalinos do cimento e certos minerais reativos que podem estar presentes no agregado. Como resultado da reação forma-se produtos que na presença de umidade, são capazes de expandir, gerando fissurações, deslocamentos e podendo levar a um comprometimento da estrutura. Essa expansão acompanhada da fissuração causa perda de resistência, elasticidade e durabilidade do concreto. Geralmente essa deterioração ocorre em estruturas localizadas em ambientes úmidos, tais como barragens, casas de força, vertedores, canais, blocos de fundações, estacas de pontes e estruturas marinhas. As Figuras 26 e 27 mostram um esquema da reação álcalis- agregado e aspectos de blocos de fundação devido à reação álcalis-agregado, respectivamente.

Figura 26 - Desenvolvimento da reação álcalis-agregado no concreto

(Fonte: SOUZA, 1998).

Figura 27 - Reação álcali-agregado em blocos de fundação de edifícios em Recife-PE

(Fonte: http://www.dcc.ufpr.br/wiki/images/0/01/TC031_Durabilidade.pdf)

e) Deterioração pela hidratação dos componentes do cimento - MgO e CaO

Os componentes MgO e CaO (óxido de magnésio e óxido de cálcio) cristalinos, quando presentes em grande quantidade no cimento, podem causar expansão no concreto,

hidratando de forma muito lenta, após o endurecimento do cimento, resultando no aumento de volume e conseqüente fissuração do concreto.

O efeito expansivo e altamente prejudicial da alta quantidade de MgO foi observado inicialmente em 1884 após a ruína de várias pontes e viadutos de concreto na França, logo após a sua construção. Na Alemanha, a prefeitura de Kassel teve que ser reconstruída pelos mesmos motivos, onde o percentual de MgO chegava a 30%. Atualmente, como medida preventiva, faz-se um controle da quantidade destes elementos no cimento. Recomenda-se que o teor máximo de MgO seja de 6% e o de CaO não seja maior que 1%.

f) Deterioração por ataque de água pura

A água pura age prejudicialmente no concreto através da lixiviação/hidrólise de componentes da pasta do cimento endurecido. Quando entra em contato com a pasta do cimento, a água tende a hidrolisar ou dissolver os componentes que contém cálcio.

Nesse tipo de ataque, ocorre a percolação de água pura em concretos fissurados ou com alta permeabilidade, resultando na dissolução da pasta de cimento (ANDRADE e SILVA, 2005). Além da perda de resistência, a lixiviação do hidróxido de cálcio (Figura 28) pode ser indesejável por razões estéticas. Porém, a dissolução pela água é tanto maior quanto mais pura ela for, ou seja, quanto menos carbonato de cálcio e de magnésio ela contém, mais fraca é a sua dureza.

Figura 28 - Lixiviação da pasta do cimento.

(Fonte: AGUIAR (2011)).

g) Deterioração por ataque de água do mar

Segundo Helene (1994), a velocidade de corrosão em ambiente marinho pode ser de 30 a 40 vezes maior do que em atmosfera rural (Figura 29). Os danos podem ser ainda mais severos quando a estrutura está sujeita diretamente a variação do nível do mar.

A água do mar, além de ser perigosa para a corrosão das armaduras, também pode agir diretamente sobre o concreto causando: erosão superficial, provocada pelas ondas ou pela maré, dilatação causada pela cristalização dos sais, ataque químico por parte dos sais dissolvidos (sulfatos, cloretos).

O fator prejudicial da água do mar ao concreto é a presença de hidróxido de cálcio e dos aluminatos de cálcio hidratado. Por isso, os cimentos mais apropriados para estruturas na água do mar são os de alto-forno e os pozolânicos, pois possuem menos hidróxido de cálcio nos produtos de hidratação.

Figura 29 - Pilar sobre o mar, após 10 anos de construção, deterioração por ataque da água do mar.

(Fonte: AGUIAR (2006)).

h) Deterioração por carbonatação

A carbonatação ocorre da ação dissolvente do anidrido carbônico (CO2), presente no

ar atmosférico, sobre o cimento hidratado, com a formação do carbonato de cálcio e a conseqüente redução do pH do concreto até valores menores que 9. A reação principal da carbonatação pode ser representada pela Equação:

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O

Segundo Cascudo (1997), o processo de carbonatação se inicia na superfície do concreto, formando uma frente de avanço do processo, que separa duas zonas com pH muito diferentes: uma com pH menor que 9 (carbonatada) e outra com pH maior que 12 (não carbonatada). Esta frente é chamada de frente de carborbonatação e deve ser mensurada com relação à espessura de concreto de cobrimento da armadura. As Figuras 30 e 31 mostram

Figura 30 - Modelo do processo de carbonatação pela difusão do CO2 através dos poros do

concreto

(Fonte: GUIMARÃES, 1997).

Figura 31 - Avanço do processo de Carbonatação

(Fonte: CEB-BI 152 (1984), apud FIGUEIREDO (2005)).

Conforme Figueiredo (1994) há vários fatores que influenciam na carbonatação do concreto, tais como:

a) Concentração de CO2: para concretos de elevadas relações de água/cimento, a

CO2. A Figura 32 apresenta classes de agressividade ambiental em função do macro-clima e

concentração de CO2.

Figura 32 - Classificação da agressividade do ambiente

(Fonte: Helene (1995), apud Figueiredo (2005)).

b) Umidade Relativa (UR) do ambiente: segundo Guimatrães (1997) a umidade relativa do ar é um fator relevante na difusão do CO2, pois vai determinar a quantidade de

umidade nos poros do concreto. Assim sendo, em condições de umidade relativa muito alta ou estruturas submersas, os poros se apresentam saturados. Por outro lado, para que o processo ocorra, é preciso que haja um mínimo de água nos poros, caso contrário, a baixa umidade impossibilitará a carbonatação.

c) Relação água/cimento: este fator está relacionado com a quantidade e tamanho dos poros do concreto endurecido. Quanto maior a relação água/cimento, maior será a porosidade

e a permeabilidade de um concreto, aumentando assim a penetração de CO2 para o interior do

material.

As figuras 33 e 34 mostram o efeito da umidade do ar no grau de carbonatação e no teor de umidade dos poros, respectivamente.

Figura 33 - Influência da umidade relativa no grau de carbonatação

(Fonte: FIGUEIREDO, 2005).

Figura 34 - Teor de umidade dos poros do concreto em função da umidade do ambiente.

(Fonte: Andrade (1992), apud Figueiredo (2005)).

d) Condições de cura: quanto maior o tempo de cura, maior será o grau de hidratação do cimento, diminuindo a porosidade e a permeabilidade, minimizando os efeitos da carbonatação nos concretos.

A comprovação das áreas carbonatadas pode ser feito através de indicadores de pH a base de fenolftaleína e timolftaleina. Com o uso da fenolftaleina, as regiões mais alcalinas adquirem cor violeta, enquanto as menos alcalinas são incolores (figuras 35 e 36). Já a timolftaleina adquire cor azul para regiões mais alcalinas, enquanto as menos alcalinas ficam incolores (SILVA, 1995). A determinação da frente de carbonatação deve ser realizada em uma fratura fresca de concreto, pois as superfícies expostas carbonatam rapidamente.

Figura 35 - Fenolftaleína aplicada em corpo de prova.

(Fonte: Rocha (2005), apud Polito (2006)).

Figura 36 - Avanço da carbonatação, indicada por teste químico via fenolftaleína.

(Fonte: http://www.dcc.ufpr.br/wiki/images/0/01/TC031_Durabilidade.pdf)

Cada concreto tem velocidade diferente durante o processo de carbonatação (figura

37). O modelo da raiz quadrada do tempo é usado para representar a penetração de CO2

através da rede de poros do concreto. Foi inicialmente apresentado no Japão por Uchida e Hamada (1928), citados por Richardson (2002), sendo representado através da equação:

onde:

x = profundidade de carbonatação (cm); k = coeficiente de carbonatação (cm/ano); e t = tempo (anos)

A constante k depende de muitos fatores relacionados com a qualidade e resistência do

concreto, da concentração de CO2 no ambiente, das condições de exposição da estrutura, entre

outros fatores. Conhecendo k, pode-se determinar a velocidade de avanço da frente de carbonatação e o tempo em que demorará pra chegar até a armadura, caso já não tenha alcançado.

Figura 37 - Exemplos de variação da espessura carbonatada com a resistência do concreto, o consumo do cimento, a relação a/c e a umidade do ambiente

i) Biodeterioração do concreto

A biodeterioração é a mudança indesejável nas propriedades do material, devido à ação de microorganismos, e pode levar a produção de ácidos, ocasionando uma dissolução dos compostos hidratados do cimento, particularmente o hidróxido de cálcio, além dos silicatos de cálcio hidratados. Tal problema leva à deterioração por ações químicas e à corrosão de armaduras.

Os microorganismos podem atuar sobre o concreto em ações deletérias contra os agregados e a pasta de cimento, interferindo em sua estética, reduzindo a sua durabilidade comprometendo a sua integridade. Tal mecanismo ocorre em túneis e galerias de esgoto, pois são ambientes ácidos com um pH baixo e muito agressivos às estruturas.

As principais causas de degradação do concreto por ação bacteriológica são: - concreto de resistência inadequada;

- cobrimento insuficiente das armaduras; - má aeração das tubulações e/ou galerias; - ausência de proteção e

- rupturas localizadas pela ação de cargas excessivas ou recalques.

Como essa ação resulta de microorganismos vivos, os fatores ligados à manutenção da vida dos agentes envolvidos são determinantes para que o processo de biodeterioração se estabeleça.

Assim, uma estratégia de prevenção desse problema deve incluir uma avaliação das condições ambientais em conjunto com a suscetibilidade dos materiais componentes da estrutura. Além disso, devem-se conhecer as características da obra, condições físicas e químicas do material e do meio ambiente, possíveis fontes de nutrientes, assim como a inter- relação com a população de microorganismos existentes.

A armadura dentro do concreto normalmente encontra-se protegida da corrosão devido à alta alcalinidade deste material (pH entre 12,7 e 13,8). Esse nível de pH favorece a formação

de uma camada de óxidos passiva, compacta e aderente de Fe2O3 sobre a superfície da

armadura Tal camada protege a armadura da corrosão, desde que o concreto preserve sua boa qualidade, não fissure e não modifique suas características físicas e químicas devido à ação dos agentes agressivos externos. Porém, segundo Ferreira (2000), a corrosão eletroquímica da armadura ocorre devido à falta de uniformidade do aço, do contato com metais com menor potencial eletroquímico, assim como da heterogeneidade do meio físico e químico que o rodeia (figura 38).

Figura 38 - Representação esquemática da corrosão do aço no concreto.

(Fonte: MOSKOVIN et al. (1983), apud GUIMARÃES, (1997)).

O mecanismo de corrosão nos metais pode ocorrer basicamente de duas formas. A primeira é a oxidação e está relacionada com a corrosão de caráter puramente químico. Tal reação ocorre por uma reação gás/sólido na superfície do material, formando um filme delgado de produtos de corrosão na superfície do metal. A segunda é a corrosão eletroquímica, que é o tipo de deterioração que ocorre em estruturas de concreto armado. Essa corrosão é baseada na existência de um desequilíbrio elétrico entre os metais diferentes ou

entre distintas partes do mesmo metal, formando o que se chama de pilha de corrosão ou célula de corrosão (figura 39).

A corrosão de armaduras pode se apresentar de diversas formas: corrosão generalizada, por pite e fissurante. Segundo Cascudo (1997), a corrosão generalizada ocorre devido a uma perda generalizada da película de passivação, resultante da frente de carbonatação no concreto e/ou presença excessiva de cloretos (figura 40). A corrosão por pite é um tipo de corrosão localizada, no qual há formação de pontos de desgaste definidos na superfície metálica, os quais evoluem aprofundando-se, podendo causar a ruptura pontual da barra. Já a corrosão sob tensão é outro tipo de corrosão localizada, a qual se dá com uma tensão de tração na armadura, podendo dar origem à propagação de fissuras na estrutura do aço.

Figura 39 - Lascamento e destacamento do concreto na região anódica da pilha eletroquímica.

(Fonte: Adaptado de Mar (2006)).

Figura 40 - Tipos de corrosão e fatores que os provocam

A corrosão é a transformação de um material, geralmente metálico, por ação química ou eletroquímica do meio em que se encontra. Esse fenômeno de natureza expansiva leva ao surgimento de elevadas tensões de tração no concreto, ocasionando a fissuração e posteriormente o lascamento do cobrimento do material. As Figuras 41 a 43 apresentam um esquema das fases da instalação da corrosão de armaduras e perdas de seção, respectivamente.

Figura 41 - Fases da instalação da corrosão em uma barra de armadura.

(Fonte: HELENE (1986), apud POLITO (2006)).

Figura 42 - Perda de seção na barra de aço devido à corrosão eletroquímica.

Figura 43 – Elementos estruturais com perdas de seção de aço em Montevidéu