Mecanismos de transporte dos íons cloreto

Os mecanismos de transporte dependem ainda das características físicas e químicas e da concentração superficial das substâncias que penetram no material, das condições ambientais, do grau de umidificação do concreto e da temperatura.

O ingresso de fluidos e íons agressivos no concreto ocorre através da gravidade (infiltração) ou permeabilidade (penetração sob pressão externa), difusão (gradiente de concentração), absorção (pressão interna) e da migração (efeito de um campo elétrico).

a) Ingresso por gradiente de pressão de vapor (absorção capilar)

É o fenômeno que se dá através do contato entre o concreto e a água líquida, que adentra através de poros sujeitos a tensões capilares. As características do líquido que influem na absorção capilar são: viscosidade, densidade e tensão superficial.

De acordo com HELENE (1993), a absorção capilar pode ser modelada pela lei de Jurin que relaciona a altura de ascensão ao raio capilar (Equação 2) e pode ser ainda descrita em função do tempo de contato com a água, no regime estacionário e na ausência de evaporação, conforme a Equação 3.

h = 2 ʋ / r γ (Equação 2) h = ½ √ʋ r t / ηηηη (Equação 3) Onde:

h – altura ou penetração da água no capilar (m); ʋ – tensão superficial da água, kg/m (≈75x10-4); γ – massa específica da água em kg/m3; r – raio do capilar (m);

η – viscosidade da água (kgs/m2 )(≈13x10-5);

38 Após penetrar por capilaridade até certa propriedade limitada ao máximo fornecido pela lei de Jurin, a água só poderá continuar penetrando por difusão e não mais por absorção capilar.

Helene (1993) conclui por afirmar que concretos de baixa relação água / cimento apresentam capilares de menor diâmetro e menos intercomunicáveis, resultando menores alturas de sucção e menores volumes absorvidos.

Aqui cabe ainda lembrar que a rede capilar interconectada à zona de transição ou a vazios de ar pode ser o caminho preferencial e mais importante para o ingresso de água em concretos com média a alta relação água/cimento

A absorção capilar se manifesta, na maioria dos casos, em concretos aparentes ou sem revestimento, expostos ao intemperismo, semi-enterrados ou sem-submersos, isto é, sujeitos a alternância ou ciclos de molhagem e secagem. Não há absorção capilar em concretos saturados, pois o concreto deve estar com os poros secos ou parcialmente secos para que seja possível a absorção de água por capilaridade.

A absorção capilar é o principal mecanismo para a penetração de cloretos em estruturas em atmosfera marinha, pois os cloretos ficam impregnados na superfície da peça e quando dissolvidos em contato com a água penetram por absorção capilar. Em concretos saturados de forma permanente, o principal mecanismo de ingresso de cloretos passa a ser por difusão, associado ou não a gradiente de pressão.

b) Ingresso por gradiente de pressão de água líquida (permeabilidade)

Mehta; Monteiro (2008) definem permeabilidade como a facilidade com que um fluido pode escoar através de um sólido, sob um gradiente de pressão externa. O mecanismo de penetração de água sob pressão se caracteriza pela existência de um gradiente hidráulico que força a entrada de água no concreto, estando diretamente ainda ligado com a porosidade do material. Esta situação ocorre em estruturas submersas ou parcialmente submersas e pode acelerar a penetração de agentes agressivos no concreto e corrosão de armaduras.

Marchand; Gerard (1995)7 citados por MEIRA (2004) definem que “a permeabilidade de um fluido pode ser descrita através da lei de Darcy, considerando que há um fluxo laminar, em regime estacionário, desconsiderando-se a ação da gravidade nas partículas”. Nilsson; Tang

7 MARCHAND, J.; GÉRADRD, B. New developments inthe modeling of mass transport process in cement-based

composites – a review. In: ADVANCES IN CONCRETE THECNOLOGY, 2TH ACI/CANMET

39 (1996) abordam outra forma de determinação da permeabilidade, através da equação geral de transporte de massa, Equação 4.

J = - (Kp / ηηηη) (δp/δx) (Equação 4)

Onde:

J – fluxo (m3/s);

η – viscosidade do fluxo (kgs/m2); δp/δx – gradiente de pressão;

Kp – coeficiente de permeabilidade do material.

c) Ingresso por gradiente de concentração (difusão iônica)

Consiste no movimento de íons provocado pela diferença de concentração, buscando um equilíbrio entre meios contínuos. No caso do concreto esse fenômeno ocorre devido ao contato da solução dos poros com o ambiente.

Este fenômeno de transporte ocorre tanto para substâncias em estado líquido como para aquelas em estado gasoso. Os dois principais agentes agressivos, que comprometem as armaduras de aço, íons cloreto e CO2, têm sua penetração no concreto controlada

principalmente por este fenômeno.

A difusão dos íons cloreto será tanto mais intensa quanto maior a sua concentração na solução externa. Os mecanismos de transporte dos cloretos, em sua maioria, ocorrem por absorção capilar e por difusão iônica. A absorção capilar se dá na camada mais externa do concreto, onde ocorre o umedecimento e a secagem do cobrimento; no interior do concreto, onde a presença do eletrólito é mais intensa, tem-se basicamente a difusão.

As expressões matemáticas que indicam esse fenômeno de transporte são dadas pelas leis de Fick da difusão. O coeficiente de difusão D, das substâncias que penetram no concreto, é calculado através das seguintes expressões.

1ª lei - Difusão em estado estacionário – fluxo constante: J = - D (δC / δX) = cte (Equação 5) Onde:

J – fluxo de íons (mol/cm2s);

D – Coeficiente efetivo de difusão (cm2/s); δC / δX – Gradiente de concentração (cm2/s); X – Profundidade considerada (mm).

2ª lei – Difusão em fluxo variável – fluxo variável em relação ao tempo.

40 Para que ocorra a difusão iônica no concreto é necessário certo teor mínimo de umidade, que permita a movimentação dos íons. A difusão iônica é mais efetiva quando os poros da pasta de cimento hidratado estão saturados, mas também ocorre em concretos parcialmente saturados (NEVILLE, 1997).

Page et al. (1981)8 estudaram o comportamento da difusão de cloretos em pastas de cimento elaboradas com cimento Portland comum, cimento resistente a sulfato (baixo teor de C3A), cimento com adição de 65% de escória de alto forno e cimento com 30% de adição de

cinza volante. Os resultados mostram que a presença de adições reduz a difusão de cloretos, o que é explicado pelo refinamento da estrutura porosa, como pode ser visto na Tabela 4.

Tabela 4 - Coeficiente de difusão de cloretos, a 25º C em pastas de cimento com relação água/cimento igual a 0,5 (Page et.al., citado por MEIRA, 2004)

Tipo de cimento Coeficiente de difusão x10-19 (cm2/s) Cimento Portland comum 44,7 Cimento com 30% de cinza volante 14,7 Cimento com 65% de escória 4,1 Cimento resistente a sulfetos 100

Conforme Helene (1993), as adições aumentam a resistência do concreto à penetração de cloretos. A difusividade está relacionada com as características do cimento, devido ao fato de parte dos cloretos reagirem com compostos da hidratação do cimento. O coeficiente de difusão varia com a idade, pois o sistema de poros do concreto varia com o tempo, especialmente com a evolução da hidratação do cimento.

d) Ingresso por gradiente de tensão elétrica (migração de íons)

Consiste na movimentação dos íons provocada por uma diferença de potencial elétrico, de forma que os íons positivos são atraídos pelo pólo negativo; e os íons negativos pelo pólo positivo. No concreto, geralmente, o campo elétrico é gerado pela corrente elétrica do processo eletroquímico ou de uma diferença de potencial gerada por uma fonte externa. Durante este

8 PAGE, C. L.; SHORT, N. R.; EL TARRAS, A. Diffusion of chloride ions in hardened cement pastes. Cement

41 processo, os íons cloreto se movem no sentido da armadura, desde que a mesma esteja polarizada positivamente.

Medeiros; Helene (2003) estudaram a influência dos parâmetros de dosagem, tais como consistência, relação água/cimento e consumo de cimento, na propriedade de migração de cloretos através do concreto. O estudo foi realizado variando a relação água/cimento; deixando constante a consistência e variando a consistência e deixando constante a relação água/cimento. Os resultados indicam que a quantidade e a qualidade da pasta são fatores de extrema importância na penetração de cloretos no concreto, concluindo que a migração de cloretos é função direta do consumo de cimento, quando se mantém a relação água/cimento constante, e também é função inversa do consumo de cimento, quando se varia a relação água/cimento e se mantém constante a consistência. Pode-se concluir que a relação água/cimento é o principal agente controlador da resistência à penetração de cloretos no concreto, como mostra a Figura 13.

2000 3000 4000 5000 0,53 0,64 0,74 Relação a/c C a rg a p a s s a n te ( C )

Figura 13 - Carga passante x relação água/cimento para uma mesma consistência (MEDEIROS; HELENE, 2003)

Regattieri (1998) também estudou a migração de cloretos, variando a relação água/cimento e o tipo de cimento; os resultados podem ser vistos na Figura 14. Os resultados encontrados concordam com a conclusão de Medeiros; Helene (2003) e por estes resultados é possível diferenciar como os concretos com adições de escória e de cinza volante são menos afetados pela relação água/cimento do que aqueles com cimento CP I S.

42 0,0 2000,0 4000,0 6000,0 8000,0 10000,0 12000,0 0,35 0,5 0,7 Relação a/c C a rg a p a s s a n te ( C ) CP I S CP III CP IV

Figura 14 - Migração de íons cloreto x relação água/cimento (CPI S, CPIII e CPIV) (REGATTIERI, 1998)

e) Mecanismos combinados de ingresso

De acordo com Helene (1993), as maiores penetrações de cloretos são observadas onde os mecanismos de penetração de cloretos podem atuar juntos. A Figura 15 mostra como uma peça estrutural pode estar exposta a vários mecanismos de transporte.

Figura 15 - Atuação de diversos mecanismos de transporte em uma estrutura marítima (PERRATON et al. ,1992, citado por PEREIRA, 2001)

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No caso de exposição das estruturas de concreto em ambientes marítimos, os

mecanismos de transporte de cloretos e CO2 são mistos e atuam com elevado grau de

complexidade, dado o fato de que a microestrutura do concreto é também evolutiva com o tempo. Obviamente, fissuras no concreto sempre são o caminho preferencial para o ingresso de agentes agressivo, e isto dificulta ainda mais os trabalhos de modelagem deste fenômeno. Mas é consenso de que a porosidade total do concreto governa e controla o ingresso de agentes agressivos no concreto. Helene (1993) propôs classificação importante para este critério, discutido no próximo Capítulo.