Utilização de ondas acústicas para avaliação da corrosão superficial em barras de aço / The use of acoustic waves to evaluation surface corrosion in steel bars

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p.62167-62179 aug. 2020. ISSN 2525-8761

Utilização de ondas acústicas para avaliação da corrosão superficial em barras

de aço

The use of acoustic waves to evaluation surface corrosion in steel bars

DOI:10.34117/bjdv6n8-589

Recebimento dos originais:08/07/2020 Aceitação para publicação:26/08/2020

Samara Guedes Ramos

Acadêmica do Curso de Engenharia Civil da Universidade Estadual de Montes Claros Instituição: Universidade Estadual de Montes Claros – UNIMONTES

Endereço: Campus Universitário Prof. Darcy Ribeiro, Av. Prof. Rui Braga, s/n – Vila Mauricéia, 39401-089, Montes Claros, MG, Brasil

E-mail: samaraguedesramos@gmail.com

Álvaro Barbosa de Carvalho Júnior

Prof. Doutor do Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional e Sistemas (PPGMCS)

Instituição: Universidade Estadual de Montes Claros – UNIMONTES

E-mail: alvaro.junior@unimontes.br

Maria Helena Teles Lopes

Mestranda do Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional e Sistemas (PPGMCS) Instituição: Universidade Estadual de Montes Claros – UNIMONTES

E-mail: mariahelenatl23@gmail.com

Edell Anny Oliveira Cangussu

Acadêmica do Curso de Engenharia Civil das Faculdades Santo Agostinho – FASA Instituição: Faculdades Santo Agostinho – FASA

Endereço: Av. Osmane Barbosa, 937, Conj. Res. Jk, 39404-007, Montes Claros, MG, Brasil E-mail: anny.cangussu18@gmail.com

Denys Cunha Fonseca Garcia

Prof. Mestre do Ensino Médio do Estado de Minas Gerais Instituição: Escola Estadual Américo Martins

Endereço: Rua Sete, 363 – Jaraguá I, 39404-182, Montes Claros, MG, Brasil E-mail: denyscfg@gmail.com

Paulo Roberto Rodrigues Xavier

Prof. Mestre do Curso de Engenharia Civil da Universidade Estadual de Montes Claros Instituição: Universidade Estadual de Montes Claros – UNIMONTES

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p.62167-62179 aug. 2020. ISSN 2525-8761 E-mail: pawlochavier@gmail.com

RESUMO

Nesse estudo buscou-se desenvolver uma metodologia simples, capaz de diferenciar os estados de corrosão superficial de barras de aço por meio da propagação de ondas acústicas. Para isso, foi utilizada a energia potencial gravitacional provocada pelo impacto de uma esfera de aço em queda livre sobre a superfície de barras de aço atacadas quimicamente. Em seguida, o sinal acústico foi capturado com o auxílio de um computador e um software livre. Os resultados obtidos mostraram uma possibilidade de método não destrutivo para a investigação da corrosão de barras de aço utilizadas em elementos estruturais de concreto armado.

Palavras-chave: onda acústica, corrosão, barra de aço, ensaio não destrutivo. ABSTRACT

The aim of this study was to develop a simple methodology, capable of characterizing different surface corrosion state in the steel bars through the acoustic waves propagation. For this, was used the gravitational potential energy caused by the impact of a steel ball in free fall on the surface of bars etched. After this, the acoustic signal was captured using computer and free software. The results obtained showed a possibility of a non-destructive method for investigating the corrosion of steel bars used in reinforced concrete structural elements.

Keywords: acoustic wave, corrosion, steel bar, non-destructive test. 1 INTRODUÇÃO

Sabe-se que nos últimos os anos a situação econômica do Brasil tem afetado a indústria da construção civil, que por sua vez enfrenta dificuldades para a finalização das obras dentro de um cronograma. A interrupção do processo construtivo de uma edificação por longos períodos pode ocasionar o surgimento de diversas patologias decorrentes de causas físicas, químicas ou biológicas.

Com a interrupção das obras, as armaduras de espera, que consistem em barras de aço que fazem a ligação entre vigas, pilares e lajes, ficam expostas às intempéries e, consequentemente, susceptíveis à corrosão eletrolítica. Os elementos estruturais podem ter sua funcionalidade comprometida pela corrosão excessiva da armadura, sendo muitas vezes necessária a realização de vistorias periciais que atestem a integridade estrutural da edificação antes do reinício da obra. Portanto, o estudo da perda de massa por oxidação das barras de aço, desperta um grande interesse por parte dos profissionais envolvidos com a construção civil (LIMA et al., 2020; LOPES et al., 2020).

Caso haja uma incerteza sobre o estado de corrosão das armaduras, podem ser feitos furos nos elementos estruturais de concreto com o auxílio de marteletes e outras ferramentas mecânicas. Entretanto, a introdução de vibrações mecânicas excessivas nas estruturas de concreto deve ser evitada, conforme recomenda as normas de construção civil (SOUZA e RIPPER, 1998).

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Outro inconveniente com a aberturas de furos em vigas e pilares, consiste na necessidade de reparos cuidadosos das regiões perfuradas. Além disso, todas as etapas, que se estendem desde a abertura dos furos até os reparos, acarretam em um maior tempo e custo para que a obra seja retomada.

Existem técnicas não destrutivas de inspeção que são baseadas na propagação de ondas ultrassônicas e possibilitam uma investigação rápida e precisa dos elementos estruturais, sem que haja a necessidade de danos (ABNT NBR 8802:2019). Entretanto, essas técnicas praticamente não são observadas em obras de médio e pequeno porte. Acredita-se que esse fato pode estar associado a falta de conhecimento, ao pequeno número de profissionais qualificados na metodologia não destrutiva e aos custos adicionais, entre outros fatores.

Os ensaios não destrutivos que utilizam propagação de ondas acústicas para controle de corrosão apresentam uma grande vantagem em relação aos ensaios de radiografia industrial, já que não necessitam de planos preventivos de segurança para proteção radiológica. Além disso, os resultados são obtidos de forma mais rápida, pois não necessitam de revelações de filmes. Nesse contexto, muitos estudos têm sido realizados com o intuito de desenvolver metodologias que possam investigar o estado de corrosão das armaduras nas estruturas de concreto por meio da propagação de ondas acústicas (XU e JIN, 2018; ROCHA e PÓVOAS, 2019; LIU et al., 2020).

Com base nos aspectos abordados acima, este trabalho buscou desenvolver uma metodologia simples, capaz de gerar e capturar sinais acústicos em barras de aço que estão em diferentes estados de corrosão. Para isso, foram avaliados os sinais acústicos introduzidos nas barras, sendo os resultados relacionados com o estado de corrosão superficial para verificar a viabilidade do método proposto.

2 MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS

Para esse estudo foi utilizado um vergalhão nervurado de aço CA-50, procedente do fabricante Gerdau Brasil. A partir do vergalhão foram cortadas três amostras com 100 mm de comprimento e 6,3 mm de diâmetro. Uma das amostras foi mantida em seu estado natural como amostra de referência, enquanto que as outras duas foram submetidas a um ataque químico para aceleração do processo de corrosão.

O ataque químico foi realizado com dois tipos de solução, cujo intuito foi obter barras em estados diferentes de corrosão. Assim, uma das barras foi mergulhada em solução de cloreto de sódio para uma corrosão mais branda e a outra foi mergulhada em solução de ácido clorídrico para

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uma corrosão mais severa. O tempo de duração do ataque químico foi de 12 meses. A Figura 1 apresenta a barra de referência e as barras submetidas ao ataque químico. A barra de referência foi denominada de REF, enquanto que as barras com corrosão média e alta foram denominadas de BCM e BCA, respectivamente.

Figura 1 - Amostras de barras de aço CA-50

A massa das barras foi aferida antes e após o ataque químico com uma balança digital de resolução igual a 0,1 g. Nessa etapa, foi constatado que a corrosão superficial não provocou mudanças perceptíveis no valor da massa das barras REF e BCM, que permaneceu em torno de 24,4 g. Para a barra BCA a massa encontrada foi de aproximadamente 24,0 g.

2.2 GERAÇÃO E CAPTURA DOS SINAIS ACÚSTICOS NA SUPERFÍCIE DAS BARRAS Para analisar a propagação das ondas acústicas nas barras de aço foi realizado um experimento simples que utiliza uma esfera de aço e um software livre que simula um osciloscópio. As ondas acústicas foram geradas por meio do impacto provocado pela esfera de aço em queda livre sobre a superfície das barras. A esfera utilizada possui diâmetro de 2,4 cm e massa igual a 54,9 g. A altura de queda livre foi de aproximadamente 2 cm. As ondas acústicas foram geradas com uma pequena energia potencial gravitacional em torno de 0,0108 J, obtida por meio da Equação 1 (TIPLER e MOSCA, 2009).

𝐸𝑝 = 𝑚. 𝑔. ℎ (1)

onde:

m = massa (kg);

g = aceleração da gravidade (9,8 m/s2_);

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Para que a esfera fosse abandonada em queda livre sempre da mesma posição foi utilizado um tubo de PVC com 2 cm de altura. O diâmetro do tubo foi de 2,54 cm, cujo valor é um pouco maior do que o diâmetro da esfera. A medida da altura de queda livre foi escolhida de modo a não provocar o quique da esfera de aço, sendo cada sinal acústico obtido com um único impacto. A Figura 2 apresenta um esquema representativo da geração das ondas acústicas na superfície das barras. Os sinais das ondas acústicas gerados com o impacto da esfera foram capturados com o auxílio do software Soundcard Oscilloscope, que consiste em um osciloscópio digital com interface visual semelhante a um osciloscópio convencional.

Figura 2 - Esquema da geração das ondas acústicas nas barras de aço.

A amplitude dos sinais foi avaliada em função do tempo de percurso da onda acústica pela barra na faixa compreendida entre 0 e 20 milissegundos (ms). Como receptor dos sinais acústicos foi utilizado um fone de ouvido estéreo, Plug P2, com microfone embutido. O fone foi fixado em uma das extremidades das barras com o auxílio de uma liga elástica. A Figura 3 ilustra a montagem do experimento. Na Figura 3(a) está apresentado o computador utilizado, enquanto a Figura 3(b) mostra em detalhe a fixação do fone para o início do experimento. A Figura 4 exemplifica um sinal de onda acústica capturado com o software Soundcard Oscilloscope e apresentado na tela do computador.

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Figura 3 - Montagem do experimento para geração e captura do sinal acústico nas barras de aço: (a) sistema utilizado e (b) fixação do fone receptor.

Figura 4 - Exemplo do sinal acústico capturado na superfície das barras.

O comportamento do sinal acústico foi analisado por meio de 20 medidas realizadas em cada barra. Entre uma medida e outra as barras foram rotacionadas em torno do próprio eixo, de modo que a esfera fosse abandonada em queda livre em diferentes regiões da superfície nervurada. Os dados obtidos foram exportados para programa Origin7.0, que oferece melhores recursos para as análises dos sinais. Os experimentos realizados nesse estudo foram feitos no laboratório de informática do Programa de Pós-Graduação em Modelagem e Sistemas da Universidade Estadual de Montes Claros - MG (PPGMCS/UNIMONTES).

2.3 ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DOS SINAIS ACÚSTICOS

Depois de analisar o comportamento dos sinais acústicos não foram observadas mudanças significativas na forma dos sinais, além de uma pequena variação nos valores de amplitudes. As medidas realizadas foram bastante reprodutíveis, sendo possível obter um sinal médio característico para cada barra após 20 medidas.

Para realizar uma análise comparativa entre os estados de corrosão das barras e os sinais acústicos foi investigada a região compreendida entre 10 ms e 12 ms. Essa região foi escolhida por apresentar picos de amplitudes característicos e por não estar localizada na região de atenuação da onda acústica. Depois disso, os picos de amplitudes foram localizados sobre o eixo do tempo.

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Para decompor a função temporal do sinal acústico no domínio da frequência foi utilizado o método da Transformada Rápida de Fourier (Fast Fourier Transform - FFT), que é adequado para o estudo de processamento de sinais e várias outras aplicações da física e engenharia (DELYRA, 2014; VARANIS et al., 2016). Esse procedimento teve como objetivo extrair informações sobre as frequências dos harmônicos excitados nas barras durante a propagação da onda acústica. A análise foi realizada com o programa Origin7.0, utilizando a ferramenta Analysis/FFT, que corresponde à função da Transformada Rápida de Fourier.

Os sinais acústicos no domínio do tempo e da frequência foram analisados em função das microscopias capturadas nas superfícies das barras. Para a captura das imagens foi utilizado microscópio digital da marca Proscope USB, com aumento de 10 vezes.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 ANÁLISE DOS SINAIS ACÚSTICOS DAS BARRAS

Os sinais acústicos médios em função do tempo de percurso da onda através das barras estão apresentados na Figura 5. Para melhor visualização, os sinais acústicos foram deslocados ao longo do eixo vertical da amplitude. Analisando os resultados é possível perceber com maior clareza a região de interesse para esse estudo, que está situada entre 10 ms e 12 ms. No sinal da barra REF nota-se a presença de picos de amplitudes bem definidos, os quais são menos visíveis nas barras BCM e BCA.

Figura 5 - Exemplo do sinal acústico capturado na superfície das barras.

Para melhor identificar o número de picos de amplitudes presentes nos sinais acústicos das barras, bem como suas posições sobre o eixo do tempo, foram realizadas ampliações na região de

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interesse entre 10 ms e 12 ms com o auxilio do programa Origin7.0. Os resultados das ampliações para as barras REF, BCM e BCA estão apresentados nas Figuras 6, 7 e 8, respectivamente.

Analisando as regiões ampliadas dos sinais acústicos é possível perceber pelo eixos verticais das figuras que os picos de amplitude diminuem em função do estado de corrosão superficial das barras.

Com a ampliação realizada no sinal da barra REF (Figura 6) observa-se a presença de 7 picos característicos de amplitudes. Os picos de amplitudes estão situados nas seguintes posições em relação ao eixo do tempo em ms: P1 = 10,092; P2 = 10,395; P3 = 10,681; P4 = 10,957; P5 = 11,267; P6 = 11,563 e P7 = 11,841.

Figura 6 - Ampliação do sinal acústico na barra de referência.

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Figura 8 - Ampliação do sinal acústico na barra com alta corrosão.

Depois de um ataque químico moderado, o sinal acústico para a barra BCM mostra uma diminuição nas amplitudes de P1 a P7, sendo também constatado um deslocamento na posição desses picos para maiores valores de tempo em ms. As linhas trecejadas na Figura 7 indicam as posições dos picos encontrados na barra REF. Nesse caso, o resultado sugere que a propagação da onda acústica através de uma barra com corrosão moderada sofre uma pequena atenuação, onde os picos de amplitude assumem as seguintes posições no eixo do tempo em ms: P1 = 10,129; P2 = 10,454; P3 = 10,815; P4 = 11,049; P5 = 11,384; P6 = 11,719 e P7 = 11,970.

Para um ataque químico mais severo, observa-se que os picos de amplitude no sinal acústico da barra BCA são totalmente suprimidos. O resultado apresentado na Figura 8 indica que a onda acústica encontra uma dificuldade de excitar os picos de amplitude, quando propagada através de uma barra com elevada corrosão superficial.

3.2 ANÁLISE DA SUPERFÍCIE DAS BARRAS

As microscopias obtidas nas superfícies das barras REF, BCM e BCA estão apresentadas na Figura 10. Comparando as imagens é possível perceber os diferentes estados de corrosão entre as barras. A superfície da barra REF se apresenta mais integra, com apenas pequenos pontos de oxidação que são de ocorrência natural nos aços carbono. Entretanto, decorridos 12 meses de ataque químico em solução de cloreto de sódio, uma maior oxidação pode ser observada na barra BCM, sendo mais predominante sobre a superfície das nervuras. O efeito mais agressivo do ataque químico com ácido clorídrico pode ser visto na barra BCA, onde tanto as nervuras como as demais regiões da superfície apresentam um maior estado de corrosão superficial.

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Figura 10 - Imagens das superfícies das barras: sem corrosão (REF), com corrosão média (BCM) e com alta corrosão (BCA).

A partir das imagens apresentadas na Figura 10, algumas associações com os sinais acústicos das barras podem ser realizadas. Por exemplo, o sinal acústico apresentado na Figura 6 para a barra REF pode ser atribuído à uma superfície livre de corrosão, onde a propagação da onda através da barra favorece o surgimento de vários picos de amplitudes bem definidos situados sobre o eixo do tempo.

Para uma barra de corrosão moderada, a propagação da onda acústica é influenciada por uma superfície com maior oxidação, que atenua o sinal acústico resultando na diminuição dos picos de amplitudes com pequenos deslocamentos no eixo do tempo, como mostrado na Figura 7 para a barra BCM. De forma análoga, o sinal acústico apresentado na Figura 8 para a barra BCA está atribuído a um elevado estado de corrosão superficial, que suprime completamente os picos de amplitude pela atenuação da onda acústica e por uma pequena perda de massa de aproximadamente 0,4 g.

3.3 ANÁLISE DOS SINAIS ACÚSTICOS NO DOMÍNIO DA FREQUÊNCIA

As funções temporais dos sinais acústicos decompostas no domínio da frequência estão apresentadas na Figura 11. Para melhor visualização, os sinais acústicos no domínio da frequência foram deslocados ao longo do eixo vertical da amplitude. Aplicando a Transformada Rápida de Fourier (FFT) no programa Origin7.0 foi possível observar que o espectro de frequência da barra REF é constituído por vários picos de amplitude característicos, compreendidos na faixa de frequência entre 0,5 e 5 Hz.

Os resultados mostram também que uma corrosão superficial moderada na barra BCM elimina alguns picos de amplitude localizados sobre o eixo da frequência. Uma redução ainda maior do número de picos pode ser observada para a barra BCA, cuja corrosão superficial foi mais elevada. A Tabela 1 sumariza os picos de amplitude que permaneceram e aqueles que foram eliminados em função do ataque químico nas barras.

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Figura 11 - Espectro no domínio da frequência: barra sem corrosão (REF), com corrosão moderada (BCM) e com corrosão elevada (BCA).

Tabela 1 – Localização dos picos de amplitudes no domínio da frequência

Picos Frequência (Hz) REF BCM BCA P1 0,69 0,69 0,69 P2 0,78 0,78 0,78 P3 0,86 0,86 - P4 0,99 0,99 0,99 P5 1,08 1,08 - P6 1,16 1,16 - P7 1,38 1,38 1,38 P8 1,46 1,46 - P9 1,59 - 1,59 P10 1,68 - 1,68 P11 1,77 - 1,77 P12 2,02 2,02 - P13 2,24 - - P14 2,45 - - P15 2,71 - - P16 2,88 - - P17 3,18 3,18 3,18 P18 3,40 3,40 - P19 3,57 - 3,57 P20 3,78 - - P21 3,96 - - P22 4,18 - - P23 4,26 - - P24 4,48 - - P25 4,56 - -

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Os resultados da Tabela 1 mostram que o impacto provocado pela esfera de aço excita 25 picos de amplitudes na barra REF. É importante ressaltar que as amplitudes desses picos podem variar em função das medidas, tendo em vista os diferentes locais de impacto da esfera na superfície, quando a barra de aço é rotacionada. Entretanto, as mudanças nas alturas das amplitudes não influenciam a localização dos picos sobre o eixo da frequência.

Depois de um ataque químico moderado na barra BCM, apenas os picos de P1 a P8 e os picos P12, P17 e P18 foram observados. Para um ataque químico mais severo realizado na barra BCA, nota-se a ausência de um número maior de picos, mas também o reaparecimento dos picos P9, P10, P11 e P19. Esse fato pode estar associado ao procedimento de rotação da barra durante a medida, onde a onda acústica pode ter se propagado por uma região de menor oxidação sobre a superfície da barra BCA excitando esses picos de amplitude.

4 CONCLUSÃO

Os resultados desta pesquisa mostraram que os sinais acústicos encontrados no domínio do tempo podem ser relacionados com o estado de corrosão superficial de barras de aço CA-50. Entretanto, as relações existentes entre as propagações das ondas acústicas e o estado de corrosão das barras ficam melhor evidenciadas, quando as análises dos sinais são realizadas no domínio da frequência.

A metodologia proposta, embora seja simples, demostrou a possiblidade de investigar o estado de corrosão das armaduras de aço que compõem os elementos estruturais de concreto armado, mas para isso, ainda se faz necessário a realização de mais estudo e investimentos de infraestrutura com o intuito de aprimorar esse tipo de experimento.

REFERÊNCIAS

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LIMA, R. F. M.; LISBOA, D. C. S.; ROCHA, L. N.; RANGEL, A. N.; SANTANA, C. G.; MULLER, R. M. L. Análise do concreto armado em relação à agressividade em ambiente marinho: Estudo comportamental quanto à influência de cloretos da água do mar. Brazilian Journal of Development, v. 6, n. 3, p. 10692-10720, 2020.

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LOPES, F. L. C.; MONTEIRO, M. D. S.; MELO, H. C. S.; SIQUEIRA, L. M.; LOPES, F. L. G. Análise quantitativa da perda de massa por oxidação em barras de aço carbono CA-50: uma proposta metodológica para a contextualização do estudo da corrosão em cursos de engenharia civil/ IFS. Brazilian Journal of Development, v. 6, n. 5, p. 28561-28575, 2020.

ROCHA, J. H. A.; PÓVOAS, Y. V. Detecção de corrosão em concreto armado com termografia infravermelha e ultrassom. Ambiente Construído, v. 19, n. 3, p. 53-68, 2019.

SOUZA, V. C. M.; RIPPER, T. Patologia, recuperação e reforço de estruturas de concreto. São Paulo: Pini, 1998.

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VARANIS, M.; SILVA, A.L.; BRUNETTO, P.H.A.; GREGOLIN, R.F. Instrumentation for mechanical vibrations analysis in the time domain and frequency domain using the Arduino platform. Rev. Bras. Ens. Fís. v. 38, n. 1, 1301, 2016.

XU, Y.; JIN, R. Measurement of reinforcement corrosion in concrete adopting ultrasonic tests and artificial neural network. Construction and Building Materials, v. 177, p. 125-133, 2018.