AÇO INOXIDÁVEL NA CONSTRUÇÃO E REABILITAÇÃO SUSTENTÁVEIS
M. J. Correia M. M. Salta
Inv. Auxiliar Inv. Coordenadora
LNEC LNEC
Lisboa; Portugal Lisboa; Portugal
mjmcorreia@lnec.pt msalta@lnec.pt
RESUMO
O bom desempenho do aço inoxidável na construção é já patente nas diversas aplicações em todo o mundo. Contudo, a informação e experiência existente deverá ser analisada de forma integrada, contribuindo para a harmonização de procedimentos, para que se beneficie das potencialidades da vasta gama de ligas de aço inoxidável existente uma vez que a eficiência de uma dada solução é determinada não só pela sua compatibilidade com o meio ambiente como também pela qualidade da conceção e da construção. A presente comunicação visa a transferência de conhecimentos fundamentais para uma eficiente utilização do aço inoxidável, que é essencial para a durabilidade, sustentabilidade e resiliência da construção. Em particular, abordará a avaliação do desempenho do aço inoxidável e a melhoria de conhecimento para mitigação das suas vulnerabilidades específicas visando o consequente aumento da resistência aos principais mecanismos de deterioração.
1. INTRODUÇÃO
A indústria da construção está a ser desafiada a contribuir para o desenvolvimento sustentável e resiliente de um mundo em permanente evolução e, em particular, a convergir para as prioridades de crescimento inteligente, sustentável e inclusivo estabelecidas pela União Europeia.
A implementação de estratégias social e ambientalmente responsáveis, em simultâneo assegurando a sua viabilidade económica, constituem desafios prioritários para o setor da construção, que deverá encetar iniciativas de investigação multidisciplinar e de inovação objetivando tomadas de decisão informadas, eficientes e resilientes.
A qualidade, a durabilidade e a capacidade adaptativa do património construído, visando a otimização de desempenho bem como o prolongamento do seu tempo de vida, constituem no contexto atual os desafios quotidianos devidos a necessidades frequentes de remediação e requisitos crescentes do setor da construção.
A sustentabilidade e resiliência às ações climáticas da construção requerem a utilização otimizada, eficiente e robusta de materiais duráveis. Nesta conjuntura surgem oportunidades para o desenvolvimento e aplicação de novos materiais ou de soluções otimizadas integrando materiais correntes, tal como o aço inoxidável, que constituem alternativas competitivas desde que o custo inicial seja ponderado em simultâneo com os benefícios da sua utilização ao longo do tempo de vida útil duma estrutura.
A implementação eficiente e robusta de novos materiais ou sistemas construtivos contribuirá necessariamente a longo prazo para reduzir os enormes impactos sociais, ambientais e económicos correntemente associados às atividades relativas à manutenção do património construído.
Uma construção sustentável e robusta implica necessariamente a utilização de materiais adequados às funções e condições de exposição previstas. Em particular, soluções integrando o aço inoxidável poderão permitir atingir longos tempos de vida útil, em ambientes especialmente agressivos, minimizando em simultâneo os impactos da construção através da utilização de soluções eco eficientes.
A durabilidade e desempenho do aço inoxidável estão intrinsecamente dependentes da sua adequabilidade e utilização informada, que deverá ser baseada em indicadores mensuráveis e regulamentação específica pretendendo a minimização dos custos e a maximização dos benefícios associados à sua aplicação.
O desenvolvimento e implementação de práticas construtivas sustentáveis envolvem a otimização de soluções duráveis, sem significativas necessidades de manutenção. Deste modo, é essencial tirar o máximo proveito da variedade das propriedades disponíveis e mitigar as vulnerabilidades específicas do aço inoxidável.
Esta comunicação documenta tais vulnerabilidades e identifica formas correntes para a sua mitigação. Em particular, a mitigação da corrosão deverá integrar o projeto de construção ou reabilitação em toda a sua extensão, desde a seleção dos materiais até ao detalhe. Esta mitigação é especialmente relevante em elementos de ligação e juntas e em geometrias específicas que impliquem o contacto com diferentes ligas ou que favoreçam condições ambientais diferenciadas. Todos estes pormenores potenciam a ocorrência de corrosão localizada que, por sua vez, poderá vir a comprometer a durabilidade e robustez duma dada solução com aço inoxidável.
2. PREVENÇÃO E MITIGAÇÃO DA CORROSÃO
No setor da construção os custos diretos associados à corrosão são consideráveis, mesmo que normalmente não sejam contabilizados os custos indiretos e consequentes impactos sociais e ambientais das ações de manutenção e reparação das estruturas em muitos dos casos após pouco tempo de serviço. A deterioração do património construído tem um impacto significativo na sociedade, bem como na conservação dos recursos disponíveis e na segurança dos seus utilizadores. Deste modo, a prevenção e a mitigação da corrosão terão necessariamente consequências diretas na durabilidade, eficiência e robustez da construção e assim contribuirão para a sua sustentabilidade.
A utilização de ligas de aço inoxidável constitui uma medida preventiva da corrosão com excelente desempenho, ainda que em alguns dos casos não tenha sido otimizada de acordo com o estado de conhecimento atual. Neste contexto, importa rever o estado da arte e identificar soluções integrando o aço inoxidável que possam ser benéficas para o setor da construção, nomeadamente no âmbito da construção e reabilitação sustentáveis, e que favoreçam a sua convergência com as prioridades identificadas na União Europeia.
A prevenção da corrosão no betão armado e a mitigação da corrosão em estruturas metálicas e em elementos compósitos com funções estruturais constituirão o principal objeto de abordagem nesta comunicação, integrando o presente conhecimento e identificando áreas com potencial de inovação e desenvolvimento no que se refere à utilização eficiente e robusta do aço inoxidável no setor da construção.
2.1Prevenção da corrosão no betão armado 2.1.1 Aço inoxidável no betão
A corrosão do aço das armaduras é a causa mais comum da deterioração das estruturas de betão armado. Este mecanismo de deterioração, devido às graves consequências a si associadas, tem sido objeto de ampla investigação no sentido de se desenvolverem alternativas que ofereçam uma maior durabilidade e desempenho das construções.
Atualmente considera-se que é essencial a aplicação de medidas de prevenção da corrosão nas estruturas de betão armado, que devem ser adotadas desde a fase do projeto, no que se refere à conceção e à adoção de composições de
práticas construtivas adequadas. Medidas preventivas adicionais são igualmente fundamentais e determinantes no desempenho das estruturas durante a sua vida em serviço, sendo especialmente recomendável a sua adoção em estruturas expostas em ambientes de elevada agressividade para as quais se pretenda longa vida em serviço.
Neste âmbito, destaca-se a utilização de armaduras de aço inoxidável que tem assumido nos últimos anos uma importância crescente face ao seu bom comportamento à corrosão [1] permitindo a construção de estruturas que podem atingir facilmente uma vida útil superior a 100 anos sem necessidade de manutenção significativa.
O exemplo de maior longevidade reporta-se a um pontão no México construído com aço inoxidável 1.4301, entre 1937 e 1941, que atualmente mantém um bom estado de conservação ao contrário de outro adjacente, construído posteriormente na década de 60 com aço não ligado que, devido ao avançado grau de deterioração do betão armado, já não se encontra em uso [2].
Nos últimos anos tem-se assistido a uma expansão da utilização de armaduras de ligas de aço inoxidável austenítico e austeno-ferrítico, com diversos exemplos de aplicação em todo o mundo, havendo já suporte adequado em documentos normativos [3]-[6]. Contudo, a utilização do aço inoxidável no betão armado pelas competentes entidades gestoras e empresas do setor da construção beneficiará da existência de um documento regulador europeu que se encontra em preparação [7].
A principal desvantagem apontada ao uso do aço inoxidável no betão armado continua a ser o seu elevado custo, relativamente ao custo do aço não ligado. Com o propósito de minorar esta desvantagem, têm sido desenvolvidas novas ligas de aço inoxidável mais económicas utilizando o manganês como elemento estabilizador da austenite [8]. A avaliação da resistência à corrosão e a caracterização das propriedades do aço inoxidável estão subjacentes a estes desenvolvimentos, registando-se neste domínio um grande potencial de inovação.
Na seleção de uma liga de aço inoxidável deverá ser ponderada a agressividade ambiental, a resistência à corrosão, e os requisitos de tempo de vida previstos. No que se refere ao projeto, na prática registam-se algumas alterações na conceção de estruturas de betão armado duráveis sendo admitidas alterações nos requisitos de durabilidade do betão, tais como redução da espessura do recobrimento do betão e aumento da espessura da fissuração admissível na superfície do betão [9]. Estas alterações ao serem adotadas, considerando a especificidade dos requisitos nacionais (anexo nacional EN 1992-1-1:2004 [6]), em paralelo com a adequada utilização do aço inoxidável, poderão contribuir para o desenvolvimento de soluções eco eficientes na reabilitação do património construído.
Adicionalmente, a construção e a reabilitação deverão integrar metodologias harmonizadas de modelação e avaliação de desempenho durante o ciclo de vida das estruturas. Assim, o conhecimento resultante da recolha sistemática de informação, no que concerne os processos de degradação e o comportamento estrutural do aço inoxidável, contribuirá para o estabelecimento de indicadores de desempenho, calibração de modelos e para o desenvolvimento de métodos, modelos e ferramentas essenciais para inovar no setor da construção através da utilização eficiente do aço inoxidável. 2.1.2 Resistência à corrosão do aço inoxidável no betão
Duma forma geral o aço inoxidável revela uma excelente resistência à corrosão localizada no betão. Esta é evidenciada por referências a valores de teores críticos de cloreto mais de 10 vezes superior aos determinados para o aço não ligado [1]. Mesmo em situações de eventual carbonatação do betão em simultâneo com a presença de cloretos, apesar do seu teor crítico sofrer uma redução apreciável, o aço inoxidável apresenta uma resistência à corrosão superior à do aço não ligado.
Também a maioria das novas ligas produzidas com baixo conteúdo em níquel tem revelado boa resistência à corrosão, apesar de ligeiramente inferior à exibida pelas ligas austeníticas convencionais especialmente sob condições muito agressivas que envolvam a ação simultânea de iões cloreto e da carbonatação do betão [1],[10],[11].
Uma outra vantagem na utilização do aço inoxidável no betão é a reduzida suscetibilidade à ocorrência de corrosão uniforme, com a consequente diminuição das forças expansivas resultantes dos produtos de corrosão e redução significativa de fissuração e delaminação do betão.
Inúmeros fatores têm sido referidos como sendo críticos para a resistência à corrosão por picada do aço inoxidável no betão, nomeadamente a composição química e microestrutura da liga e respetiva adequabilidade às condições ambientais e a condição superficial da armadura. Em particular, o aumento de rugosidade, a diminuição de pH e a soldadura registam efeitos adversos na resistência à corrosão do aço inoxidável no betão [1],[12],[13]. Os mecanismos de ação destes fatores são normalmente correlacionados com as propriedades dos filmes de passivação, cuja estabilidade determina a elevada resistência à corrosão do aço inoxidável.
A corrosão localizada também pode ser potenciada por condições de exposição diferenciadas, tais como a formação de microambientes em fendas [13]. Consequentemente, a fissuração do betão por degradação química associada a reações de natureza expansiva aumentará a suscetibilidade do aço inoxidável a corrosão localizada, designadamente à corrosão intersticial.
Um outro fator crítico no desempenho destas ligas é a ação de tensões que podem, em simultâneo com condições que promovam a suscetibilidade à corrosão, provocar a ocorrência de corrosão sob tensão. O risco de corrosão sob tensão, já demonstrado especialmente para ligas de elevado teor em manganês em meio alcalino [14], constituiu ainda objeto de investigação para a melhoria de conhecimento necessária neste domínio.
Em particular, na reabilitação em que se determine a utilização seletiva do aço inoxidável, ainda que previsivelmente que não seja grave, é atualmente recomendável que seja evitada a ligação entre o aço inoxidável e o aço não ligado, pois os estudos disponíveis na literatura não são consensuais quanto ao risco associado às consequências dos efeitos galvânicos, especialmente no que se refere à sua influência na resistência à corrosão do aço não ligado no betão.
2.2Mitigação da corrosão em estruturas metálicas
A degradação dos metais nas estruturas metálicas também pode comprometer o seu desempenho e, em casos mais graves comprometer a função e/ou segurança da estrutura. Assim, o conhecimento dos processos e mecanismos de degradação das ligas metálicas, em condições normais de funcionamento, bem como das suas causas mais comuns e consequências, é essencial para se definirem medidas que garantam a durabilidade e o bom desempenho das estruturas durante o seu tempo de vida útil [15].
A fadiga e corrosão, como principais mecanismos de degradação das estruturas de aço, devem estar bem patentes na conceção de estruturas novas e na reabilitação das estruturas existentes. Neste contexto é essencial a utilização de ferramentas de caracterização e previsão dos efeitos dos mecanismos de degradação na integridade das estruturas, sendo então fundamental o conhecimento destes processos.
Em particular, os impactos sociais, económicos e ambientais dos danos por corrosão e dos sistemas de proteção que são essenciais para a preservação duma estrutura metálica podem justificar, em certas circunstâncias de especial agressividade ou de acesso limitado, a implementação de medidas preventivas adicionais da corrosão. O aço inoxidável pode surgir então como alternativa ao aço não ligado para elementos ou estruturas para os quais se pretenda um longo tempo de vida com pouca manutenção ou que sejam construídos em ambientes especialmente agressivos.
2.2.1 Construir em aço inoxidável
O aço inoxidável forma espontaneamente na sua superfície uma fina camada de óxidos, estável e aderente na maioria dos ambientes, que proporciona uma barreira protetora eficaz e que confere a este tipo de aços uma excelente resistência à corrosão, não sendo necessária nem recomendável a aplicação de outros meios de proteção correntes em estruturas metálicas.
Aplicações típicas incluem coberturas, fachadas, elementos estruturais, elementos compósitos, sistemas de fixação e equipamento diverso. O aço inoxidável proporciona várias geometrias e acabamentos e permite beneficiar da supressão da necessidade de revestimentos protetores e de significativa manutenção. As ligas austeníticas são as mais comummente utilizadas no setor da construção, se bem que em ambientes particularmente agressivos sejam recomendáveis as ligas austeno-ferríticas (duplex). As ligas ferríticas também podem ser adequadas, em particular para utilização em interiores.
O desenvolvimento de um projeto com aço inoxidável rege-se por requisitos específicos Europeus harmonizados [16],[17]. Contudo, dada a sua aplicação geral a diferentes formas e materiais de construção, é necessária com frequência a especificação de requisitos adicionais específicos para um projeto em particular. Estes requisitos específicos estão na base de práticas construtivas informadas e eficientes com aço inoxidável integrando produtos de elevada qualidade e potenciando a sua durabilidade nas diferentes fases construtivas.
Apesar de os procedimentos serem de aplicação genérica, as diferentes propriedades, a relevância do acabamento e as próprias práticas construtivas implicam especificações adicionais para que se garanta uma utilização durável, eficiente e robusta do aço inoxidável. Em particular, os produtos [18]-[21] encontram-se ao abrigo de especificações harmonizadas, porém a diversidade de ligas [22] e acabamentos existentes obriga a que a resistência à corrosão e necessidades de manutenção (limpeza) sejam integradas com a função e as condições de exposição ambiental para que se otimize a utilização do aço inoxidável.
O aço inoxidável pode ser especialmente suscetível a mecanismos de corrosão localizada, nomeadamente corrosão por picada, corrosão intersticial, corrosão galvânica e corrosão sob tensão especialmente a temperaturas elevadas. O projeto e detalhe de sistemas integrando o aço inoxidável deverão ser cuidados para que se previna a existência de fendas e a retenção de detritos e humidade, sendo aconselhável potenciar diferentes formas de limpeza natural. Falha na soldadura poderá comprometer o desempenho do aço inoxidável e em particular a sua resistência à corrosão, devendo assim os procedimentos e consumíveis de soldadura ser regulados por requisitos específicos e a ligação ser executada por mão-de-obra qualificada, integrando um conjunto de processos de tratamento superficial e de inspeção.
Um outro fator especialmente relevante no projeto e detalhe é a prevenção da corrosão galvânica que pode ter graves consequências, especialmente para a liga menos nobre. O risco de corrosão galvânica aumenta tanto com o aumento da diferença de potencial entre as ligas em contacto elétrico como com o aumento da proporção relativa dos componentes do par. Em particular, não se devem utilizar fixações de ligas menos nobres em contacto com elementos de aço inoxidável. O recurso a sistemas de isolamento é recomendável sempre que não se possa evitar a utilização de diferentes ligas metálicas.
O aço inoxidável requer também precauções durante fabricação, transporte e aplicação para que se evitem danos, marcas e manchas superficiais que possam afetar a capacidade autoregeneradora do filme de passivação protetor. Ferramentas, acessórios e maquinaria devem ser específicos ou devidamente cuidados para que se previna a contaminação com outros materiais evitando os respetivos efeitos e consequente aumento de vulnerabilidade à deterioração localizada do aço inoxidável.
3. CONCLUSÕES
O setor da construção necessita do desenvolvimento e utilização de materiais com bom desempenho, tal como o aço inoxidável, que permitam a construção de estruturas duráveis e robustas por um longos tempos de vida com baixos requisitos energéticos. Contudo, são necessários documentos reguladores harmonizados e ainda a melhoria do conhecimento sobre a durabilidade e ciclo de vida das soluções integrando as diferentes ligas de aço inoxidável para que as entidades relevantes façam escolhas mais sustentáveis e robustas para as suas estruturas.
De facto para que o setor da construção se alinhe com as atuais prioridades da União Europeia é crucial explorar as potencialidades das propriedades dos materiais para simultaneamente inovar e melhorar o desempenho de soluções de construção e reabilitação promissoras. A especificação da liga de aço inoxidável para a obtenção de estruturas duráveis, sustentáveis e robustas deverá ser simplificada pelo desenvolvimento de documentos específicos harmonizados.
Apesar de existirem ou estarem atualmente em desenvolvimento normas Europeias e documentos integrando recomendações para a utilização do aço inoxidável na construção, a inexistência de normas específicas para apoio à conceção de soluções construtivas particulares dificulta a tomada de decisão das entidades relevantes para implementação de novas soluções que, sob determinadas circunstâncias, numa perspetiva de custos diretos de construção são ainda mais onerosas.
As condicionantes enumeradas constituem entraves à inovação e desenvolvimento do setor da construção nomeadamente no que se refere à utilização eficiente e informada de materiais duráveis, tal como o aço inoxidável, integrando todos os benefícios a si associados.
4. REFERÊNCIAS
[1] Correia, M. J.; Ramón Nóvoa, X.; Salta, M. M., “Smart & green structural and repair materials: TR 1 – Stainless steel rebars”, LNEC, Lisbon, 2012.
[2] ARMINOX, Pier in Progreso, Mexico: Evaluation of the Stainless Steel Reinforcement, March 1999, www.arminox.com.
[3] BS 6744:2001 + A2:2009 -“Stainless steel bars for the reinforcement of and use in concrete. Requirements and test methods”.
[4] ASTM A955/A955M-04 – “Deformed and plain stainless steel bars for concrete reinforcement”.
[5] EN 10088-5:2009 –“Stainless steels. Technical delivery conditions for bars, rods, wire, sections and bright products of corrosion resisting steels for construction purposes”.
[6] EN 1992-1-1:2004 – “Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings”. [7] ECISS/TC19/SC1/WG6 preliminary European standard draft.
[8] EC-HIPER Project -“Increased infrastructure reliability by developing a low cost and high performance stainless steel rebars”, GDR1-2000-25601, EC, HIPER Project final report, 2005.
[9] EN 206: 2013- “Concrete. Specification, performance, production and conformity”.
[10] García-Alonso, M. C. et al., “Corrosion behaviour of innovative stainless steels in mortar”, Cement and Concrete Research, 37, 2007, pp. 1562-1569.
[11] García-Alonso, M. C. et al., “Corrosion behaviour of new stainless steels reinforcing bars embedded in concrete”, Cement and Concrete Research, 37, 2007, pp. 1463-1471.
[12] Correia, M. J.; Fonseca, I. T. E.; Salta, M. M., “Corrosion resistance evaluation of welded stainless steels in concrete”; MEDACHS 10, La Rochelle, 28-30 April 2010.
[13] Correia, M. J.et al., “Corrosion resistance of stainless steel reinforcements in cracked concrete”; MEDACHS 08, LNEC, Lisbon, 2008.
[14] Correia, M. J. e Salta, M. M., “Stress corrosion cracking of austenitic stainless steel alloys for reinforced concrete”; Advanced Materials Forum III - Materials Science Forum 514-516, 2006,pp. 1511.
[15] Correia, M. J. et al., “DURATINET Technical guide - Maintenance and repair of transport infrastructures: Part III - Steel structures”, Vol 2 - Deterioration, 1st ed., LNEC, Lisbon, 2012, ISBN 978-972-49-2237-9.
[16] EN 1993-1-4:2006 - “Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-4: General rules - Supplementary rules for stainless steels”.
[17] EN 1090-2:2008+A1:2011 – “Execution of steel structures and aluminium structures. Technical requirements for steel structures”.
[18] EN 10088-4:2009 – “Stainless steels. Technical delivery conditions for sheet/plate and strip of corrosion resisting steels for construction purposes”.
[19] EN 10088-5:2009–“Stainless steels. Technical delivery conditions for bars, rods, wire, sections and bright products of corrosion resisting steels for construction purposes”.
[20] EN 10297-2:2005 – “Seamless circular steel tubes for mechanical and general engineering purposes. Technical delivery conditions. Stainless steel”.
[21] EN 10296-2:2005–“Welded circular steel tubes for mechanical and general engineering purposes. Technical delivery conditions. Stainless steel”.
