Fatores que interferem na difusão de substâncias no interior da massa de concreto

Coeficiente de difusão

A determinação do coeficiente de difusão de cloretos é, hoje, um dos maiores desafios para o meio técnico, porque dele depende a previsão de vida útil das estruturas em ambientes contaminados por cloretos. O fenômeno da difusão desses íons no concreto é bastante complexo, pois várias são as possibilidades de combinações dos diversos fatores que o influenciam, tais como: variação da concentração superficial de cloreto com o tempo, variação da temperatura, variação do coeficiente de difusão em função do íon combinado, capacidade de combinação, que varia com o tipo de cimento, o fluxo tridimensional, a modificação da microestrutura ao longo do tempo etc. Estudando a difusão de cloretos em função do grau de hidratação e do volume de agregados, Halamickova e outros (1995) verificaram que a hidratação reduz o coeficiente de difusão e que uma maior quantidade de agregados o aumenta. Provavelmente, neste último caso, aumenta-se a conectividade da zona de transição. Estas correlações entre coeficiente de difusão e relação água/cimento e/ou volume de agregado se repetem no caso do estudo de outras substâncias, tais como vapor de água, oxigênio etc. No entanto, elas podem ser representadas por modelos matemáticos diferentes.

Para Nepomuceno (2005), os valores do coeficiente de difusão são da ordem de 10-8 cm2/s. Andrade (1993) define que, quando se considera a combinação do íon cloreto, tem-se o coeficiente de difusão aparente e, quando se determina somente o coeficiente dos cloretos livres, ele deve ser chamado de coeficiente de difusão efetivo. Na opinião do autor deste trabalho, esta nomenclatura está invertida, pois o coeficiente de difusão efetivo deve se referir ao que realmente acontece na estrutura porosa do concreto e não a um valor potencial de difusão considerando-se apenas a difusão de cloretos em água pura.

Indica-se a seguir a classificação dos concretos conforme os valores típicos do coeficiente de difusão do íon cloreto (k) nesses materiais:

• Concreto de elevada difusibilidade.…... k > 5 x 10-12

m2

/s • Concreto de média difusibilidade... 1 x 10-12

m2

/s ≤ k ≤ 5 x 10-12

m2

/s • Concreto de baixa difusibilidade... k < 1 x 10-12 _m2_/s

Difusão do vapor de água, oxigênio e do dióxido de carbono

A difusão do vapor de água presente na atmosfera para o interior do concreto, além de ser responsável pela corrosão de armaduras, também controla outros fenômenos como, por exemplo, a carbonatação, que necessita de um teor mínimo de umidade interna para ocorrer. O fluxo de vapor de água através dos poros de concreto pode ser descrito pelas leis de Fick, segundo as quais a pressão parcial de vapor (ou a umidade relativa) é o potencial que lhe impulsiona (QUENARD; SALLE, 1992). A pressão parcial de vapor também pode ser expressa na forma de concentração do vapor na atmosfera. Enquanto a umidade relativa for menor que a quantidade de vapor capaz de promover a condensação no poro (umidade crítica), o vapor de água existente está em equilíbrio com uma camada de líquido adsorvida. Nessa condição, o transporte de umidade é caracterizado pelo mecanismo de difusão de vapor de água presente no ar dos poros e pelo escoamento de líquido resultante de diferenças de pressões na camada superficial adsorvida (SATO, 1998).

Entre as principais substâncias na fase gasosa que podem comprometer a durabilidade do concreto, destaca-se o oxigênio, que é responsável pela reação catódica na corrosão de armaduras e vários processos de biodegradação. O coeficiente de difusão do O2

no concreto é da ordem de 10-8 _m2_{/s (TUUTTI, 1982) e varia em função da diferença entre os}

materiais constituintes, da preparação das amostras, do teor de umidade interna do concreto e das técnicas de medida.

Os gradientes de concentração do dióxido de carbono no concreto devem-se principalmente à reação do CO₂, sobretudo com os hidróxidos na pasta de cimento hidratado. Essa reação só acontece na presença da água. A difusão deste gás ocorre através da película de água que forra as paredes do poro até a sua superfície, onde ele se combina com os hidróxidos. Por esse motivo, a difusão de dióxido de carbono e, portanto a carbonatação, não se dá no concreto totalmente seco, nem no concreto totalmente saturado. Neste último caso, o acesso do ar contendo o CO₂ é impedido.

Relações entre difusão, capilaridade e permeabilidade

Sendo o movimento dos fluidos no concreto realizado através do mesmo sistema de poros, é natural que seja possível estabelecer relações entre os diferentes mecanismos de

transporte, conforme Gonçalves e Coutinho (1995, p. 337). De acordo com o Comité Euro- Internaccional du Béton CEB-1990 (1991), a distribuição da porosidade, dependendo da dimensão dos poros, influencia diretamente o fluxo de massa através do concreto. Os poros da pasta de cimento são de vários tamanhos, podendo ser, genericamente, classificados em macroporos, poros capilares ou microporos, sendo os dois primeiros particularmente importantes quanto à durabilidade das estruturas de concreto, pois é por seu intermédio que ocorre a maior parte do transporte de massa.

Salienta-se que o movimento da água líquida se processa mesmo com os poros ocupados por água, enquanto o movimento do vapor ou dos gases só se dá nos poros não saturados. A umidade do concreto desempenha portanto um papel fundamental no transporte de massa pelos poros do concreto, podendo dificultar o estabelecimento das relações entre difusão, capilaridade e permeabilidade. De fato, para uma determinada umidade relativa do ar, devido ao fenômeno de condensação capilar, existem ao mesmo tempo poros com água sob a forma líquida, sob a forma de vapor ou sob ambas as formas. Assim, num processo de secagem, por exemplo, o fluxo da umidade nos poros envolverá diferentes mecanismos de transporte (Figura 2.38). Compreende-se portanto que só em situações de umidade muito baixa, em que o gás ou vapor ocupa todo o sistema de poros, os seus respectivos coeficientes de difusão ou de permeabilidade poderão estar relacionados, por exemplo, com o coeficiente de permeabilidade à água.

Figura 2.38 – Fluxo da umidade nos poros para uma determinada umidade relativa Fonte: Gonçalves e Coutinho (1995).

Nestas condições, é possível estabelecer uma relação entre o coeficiente de permeabilidade à água, k, e o coeficiente de difusão do vapor de água ou de um outro gás qualquer, D_c, como a

descrita a seguir:

k=C⋅Dcb (2.37)

onde:

C é uma constante;

b é um coeficiente da ordem de 1,8 para o caso do vapor de água (Figura 2.39).

Figura 2.39 – Relação entre o coeficiente de permeabilidade à água, k, e o coeficiente de difusão do vapor, Dc (medido à umidade relativa de 39%), em argamassa de cimento Fonte: Gonçalves e Coutinho (1995).

No caso de poros com elevados teores de umidade, é possível se obter relações entre a difusão dos íons e a permeabilidade à água semelhantes às expressas na equação 2.37, onde o expoente b depende também do tipo de íon. A Figura 2.40 ilustra a relação entre a permeabilidade e o coeficiente de difusão do cloreto na água. É natural que em concretos muito densos, com poros de pequeno diâmetro, a relação deixe de ser verdadeira, uma vez que a mobilidade dos íons e a das moléculas de água podem ser afetadas de modo diferente. Igual comportamento pode acontecer se os íons reagirem com os componentes do concreto, alterando a sua porosidade.

Figura 2.40 – Relação entre a permeabilidade à água e a difusão do íon cloreto Fonte: Gonçalves e Coutinho (1995).

Segundo Rodrigues (2009), considerar o grau de saturação do concreto como fator de influência sobre a difusão de íons cloreto é algo recente. Utilizando-se de simulação computacional, Martys (1999) obteve dados que possibilitaram a elaboração do gráfico mencionado na Figura 2.41, onde se verifica, para uma mesma pasta de cimento, a correlação entre a razão dos coeficientes de difusão do material saturado e não saturado com os seus diferentes graus de saturação. Ressalta-se que nessa pesquisa foi considerada apenas a rede de poros mais interligada (poros maiores). Segundo Guimarães e Helene (2000), o grau de saturação é um fator mais decisivo na intensidade de penetração de cloretos que o teor de umidade, como também a interligação dos poros é mais importante que o teor total de vazios no concreto.

Figura 2.41 – Relação entre a razão dos coeficientes de difusão de pastas não saturada e saturada (D_ef/D_máx) e o grau de saturação