UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA E BIOQUÍMICA
I
NIBIÇÃO DAS REACÇÕES QUÍMICAS EXPANSIVAS INTERNAS NO
BETÃO
.
C
ONTROLO DA PENETRAÇÃO DE ÁGUA E MODIFICAÇÃO DAS
PROPRIEDADES EXPANSIVAS DOS PRODUTOS DE REACÇÃO
Ana Filipa Russo de Albuquerque Cristino
MESTRADO EM QUÍMICA ANALÍTICA APLICADA
2008
Dissertação orientada por:
Prof. Doutora Maria da Estrela Melo Jorge Doutor António Santos Silva
A
GRADECIMENTOSEste trabalho não estaria concluído sem que nele expressasse os meus mais sinceros agradecimentos e enorme reconhecimento àqueles que de alguma forma colaboraram no decurso da sua elaboração.
Aos meus orientadores. À professora Doutora Maria Estrela Jorge e ao Doutor António Santos Silva, quero expressar o meu mais profundo reconhecimento pela amizade, apoio e estímulo, manifestados desde sempre.
À Eng. Manuela Salta, agradeço a possibilidade de realização deste mestrado e a sua orientação inicial tão importante para o desenrolar deste trabalho.
À Dona Ludovina devo a orientação, permanente incentivo e apoio concedido, sem não esquecer o quanto me ensinou não só sobre trabalho, mas também sobre a vida.
Às meninas da sala do fundo, Patrícia Adriano, Daniela Gonçalves, Dora Soares, pela vossa amizade e apoio, nos bons e maus momentos. A todas um grande obrigado.
Ao Sr. Ramos, pelo trabalho de caroteagem que nunca tinha fim, pelos almoços que perdeu por minha causa, pela sua atitude incansável de me ajudar, um enormíssimo obrigado.
À Idalina Silva, Paula Menezes, Luzia Barracha, Susana Couto, Fátima Menezes, Fátima Forreta, Nuno Garcia, Nuno Silva, um muito obrigado pela ajuda e incentivo.
Ao pessoal do núcleo de betões, um muitíssimo obrigado pela boa disposição de sempre, pelo enorme carinho com que me trataram e acima de tudo com o carinho que trataram os meus meninos (betões).
Às empresas que disponibilizaram os materiais, sem os quais não teria sido possível este estudo, um grande obrigado.
Ao namorado, Bruno Ramos, sem o qual teria sido mais difícil cumprir esta tarefa. Obrigado pela compreensão, pelo apoio constante, e pelas repreensões nos momentos certos.
Por fim, mas não menos importante, aos meus pais e irmã, obrigado pela liberdade, pela compreensão e acima de tudo, pelo vosso amor.
Resumo
A ocorrência nos últimos anos de reacções expansivas internas (reacção álcalis-sílica – RAS e reacção sulfática interna (RSI) com formação de etringite retardada – DEF), em várias estruturas de betão a nível internacional e nacional potenciou a necessidade de se criarem medidas preventivas para a sua inibição, não só nas estruturas afectadas mas fundamentalmente para as novas estruturas. Uma das medidas de mitigação mais empregues é a do controlo do ingresso de água no betão. O uso de nitrato lítio tem sido mencionado como um método alternativo na mitigação da RAS e também, mas só muito recentemente, da DEF. Contudo em Portugal não existem quaisquer estudos realizados sobre o emprego de métodos preventivos da RAS ou RSI.
O presente trabalho surge neste contexto e consistiu no emprego de revestimentos por pintura para o controlo do ingresso de água e de nitrato de lítio para modificação das propriedades expansivas dos produtos da RAS e/ou da RSI. Para tal utilizaram-se amostras de betão que se encontravam afectadas por reacções químicas expansivas internas, tendo-se adoptado uma metodologia de caracterização composta por diferentes ensaios químicos, físicos e mecânicos para avaliação do desempenho de cada um dos sistemas empregues.
Os resultados experimentais permitiram evidenciar que a eficácia dos revestimentos por pintura está grandemente dependente do tipo de sistema empregue e do estado de degradação do betão. Permitiram igualmente mostrar que as condições de aceleração utilizadas permitem prever com antecipação o comportamento dos diferentes revestimentos na inibição das reacções em estudo, enquanto que as condições de exposição natural, que estão dependentes da cinética lenta destas reacções, permitirão avaliar a médio/longo prazo o desempenho dos revestimentos por pintura empregues.
O tratamento do betão com nitrato de lítio mostrou, relativamente aos revestimentos por pintura, ser eficaz na redução da expansão e, de entre os vários métodos empregues para a introdução do lítio no betão, o método electroquímico foi o mais eficaz.
Abstract
The occurrence of internal expansive reactions (alkali-silica reaction - ASR and internal sulphatic reaction with delayed etringite formation - DEF), in several international and national concrete structures, in the last years, has pointed that need for preventive measures for its inhibition, not only in the affected structures but fundamentally in new structures. One of the most employed mitigation measures is the control of the water ingress in concrete. The use of lithium nitrate has been mentioned as an alternative method in the ASR mitigation and also, but very recently, in the DEF mitigation. However, in Portugal there are no existing studies on the use of preventive methods of ASR or DEF.
This work is about the use of concrete coating systems to control the water ingress and lithium nitrate, for the modification of the expansive properties of the ASR and/or RSI products. For this purpose samples of concrete affected by internal chemical expansive reactions were used, and a methodology was adopted for the characterizing, based on different chemical, physical and mechanical tests to evaluate the performance of each treatment employed.
The experimental results show that the effectiveness of coating systems are very dependent on the type of system used and on the state of the concrete degradation. They also show that the accelerated conditions used allow us to predict, in advance, the behaviour of the different coatings systems in the inhibition of the reactions in study, while the conditions of natural exposure, which are dependent on the slow kinetics of these reactions, permit us to evaluate the medium/long performance of the coating systems used.
The treatment of concrete with lithium nitrate, showed, compared to the concretes painted with the coating systems, to be effective in reducing the expansion and, that the most effective methods employed was the electrochemical method.
Índice do Texto
Pág.
Capítulo I – Introdução………...1
1.1.CONSIDERAÇÕES GERAIS... 3
1.2.ENQUADRAMENTO DO TRABALHO PROPOSTO... 4
1.3.OBJECTIVOS... 5
1.4.ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO... 5
Capítulo II – Degradação do betão por reacções químicas expansivas de origem interna………...7
2.1.INTRODUÇÃO... 9
2.2.A REACÇÃO ÁLCALIS-SÍLICA... 12
2.2.1. Factores condicionantes da RAS no betão ... 15
2.3.AREACÇÃO SULFÁTICA INTERNA... 16
2.3.1. A etringite primária e secundária... 18
2.3.2. Os factores condicionantes da DEF no betão ... 20
2.4.INDÍCIOS DA RAS E DA DEF EM ESTRUTURAS DE BETÃO... 22
2.5.MEDIDAS PREVENTIVAS... 25
2.5.1. A não utilização de agregados reactivos... 26
2.5.2. Controlo do teor de álcalis no betão ... 28
2.5.3. Utilização de adições minerais em substituição do cimento ... 29
2.5.4. Controlo da temperatura ... 30
2.5.5. Utilização de compostos de lítio... 30
2.6.MEDIDAS DE MITIGAÇÃO E/OU CONTROLO... 31
2.6.1. Controlo do teor de humidade ... 31
2.6.2. A utilização de revestimentos impermeabilizantes ... 31
2.6.2.1. Definição das diferentes famílias de revestimentos ... 34
2.6.2.2. Selecção do método de protecção... 36
2.6.3. Modificação das propriedades expansivas dos produtos de reacção com recurso a sais de lítio ... 37
2.6.3.1. Mecanismos reaccionais de actuação do lítio... 38
Pág.
Capítulo III – Metodologia de ensaio………...43
3.1.AMOSTRAGEM... 45
3.2. EMPREGO DE REVESTIMENTOS IMPERMEABILIZANTES NO CONTROLO DO INGRESSO DA ÁGUA... 46
3.2.1. Método de aplicação... 46
3.2.2. Ambientes de exposição dos provetes ... 48
3.2.2.1. Exposição em câmara saturada... 49
3.2.2.2. Exposição em ambiente de imersão... 49
3.2.2.3. Exposição natural ... 50
3.2.3. Métodos de ensaio e de caracterização... 50
3.2.3.1. Caracterização dos produtos de revestimento ... 52
3.2.3.2. Caracterização física, química e microestrutural dos betões ... 54
3.2.3.3. Caracterização mecânica ... 56
3.3. EMPREGO DE NITRATO DE LITIO NA MODIFICAÇÃO DAS PROPRIEDADES EXPANSIVAS DOS PRODUTOS DA REACÇÃO... 57
3.3.1. Introdução do ião lítio no betão por difusão... 58
3.3.1.1. Ensaios de imersão ... 59
3.3.1.2. Ciclos de imersão/secagem... 59
3.3.2. Introdução do ião lítio no betão por migração electroquímica ... 60
3.3.3. Métodos de caracterização e de ensaio... 63
Capítulo IV – Resultados experimentais e discussão……….65
4.1.CONSIDERAÇÕES GERAIS... 67
4.2.CARACTERIZAÇÃO DOS PRODUTOS DE REVESTIMENTO... 67
4.2.1. Ensaios de permeabilidade à água líquida... 67
4.2.2. Ensaios de crack-bridging ... 68
4.3. CARACTERIZAÇÃO FÍSICA, QUÍMICA E MICROESTRUTURAL DOS BETÕES REVESTIDOS E NÃO REVESTIDOS... 70
4.3.1. Ensaios de expansão ... 70
4.3.2. Evolução do teor de álcalis solúveis... 81
4.3.3. Evolução da microestrutura e da composição da pasta por MEV/EDS ... 86
Pág.
4.4.1. Resistência à compressão ... 94
4.4.2. Módulo de elasticidade em compressão ... 95
4.5.TRATAMENTO COM NITRATO DE LÍTIO... 100
4.5.1. Ensaios de imersão a 20 ºC... 100
4.5.2. Ensaios de imersão a 38 ºC... 101
4.5.3. Ciclos de imersão/secagem... 102
4.5.4. Ensaios de Migração... 104
4.5.5. Eficiência do fornecimento de lítio: difusão versus migração ... 107
4.5.6. Ensaios de expans\ão e de variação de massa ... 108
4.5.7. Evolução da microestrutura e da composição da pasta por MEV/EDS ... 108
Capítulo V – Conclusões e trabalhos futuros………115
5.1.CONCLUSÕES... 117
5.2.TRABALHOS FUTUROS... 119
Anexos………...117 ANEXO I – Modelos de Expansão dos produtos de reacção da RAS e da DEF... A-1 I.1.MECANISMO DE EXPANSÃO DA RAS ... A-1 I.1.1.MODELO DE DENT-GLASSER E KATAOKA... A-1 I.1.2.MODELO DE POOLE... A-2 I.1.3.MODELO DE CHATTERJI E COLABORADORES... A-3
I.1.4.MODELO DE WANG E GILLOTT... A-5 I.1.5.MODELO DE DRON... A-8
I.1.6.MODELO DE MÔNICA PREZZI –TEORIA DA DUPLA CAMADA ELECTRÓNICAA-9
I.2.PRINCIPAIS ASPECTOS DO MECANISMO DA RAS ... A-13
I.3. MECANISMOS DE EXPANSÃO DA DEF ... A-13
I.3.1. Expansão por absorção de água pela etringite coloidal... A-13 I.3.2. Expansão por pressão de cristalização ... A-14 I.3.3. Expansão produzida pelo fenómeno de dupla camada eléctrica ... A-14
ANEXO II – Preparação das amostras para os ensaios de caracterização ... A-15 II.1. CARACTERIZAÇÃO DOS REVESTIMENTOS... A-15
Pág.
II.1.2. Ensaios de Crack-bridging... A-17II.2.CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E MICROESTRUTURAL... A-19 II.2.1.DETERMINAÇÃO DO TEOR DE ÁLCALIS SOLÚVEIS NO BETÃO POR EAA.... A-19
II.2.2.DETERMINAÇÃO DO TEOR DE ÁLCALIS SOLÚVEIS NO BETÃO POR EAA.... A-23
II.3– DETERMINAÇÃO DO VOLUME DE SOLUÇÃO DE LINO3 30% A UTILIZAR NOS
ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO PARA O EMPREGO DE NITRATO DE LÍTIO... A-23
ANEXO III – Resultados dos ensaios de caracterização para o emprego de
revestimentos... A-25 III.1. CARACTERIZAÇÃO DOS REVESTIMENTOS... A-25
III.1.1. Ensaios de permeabilidade à água ... A-25 III.1.2. Crack-bridging... A-29
III.2.CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA E MICROESTRUTURAL DOS BETÕES REVESTIDOS E NÃO REVESTIDOS... A-31
III.2.1. Determinação do teor de álcalis solúveis nos betões por EAA ... A-31 III.2.2. Caracterização da microestrutura por MEV/EDS dos betões da travessa 2, Ref-P2 e P2... A-42
III.3.CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DOS BETÕES REVESTIDOS E NÃO REVESTIDOS .. ... A-48
III.3.1. Resistência à compressão ... A-48 III.3.2. Módulo de elasticidade em compressão ... A-48
ANEXO IV – Resultados dos ensaios de caracterização química e microestrutural dos betões sujeitos ao tratamento com nitrato de lítio ... A-51
IV.1.DETERMINAÇÃO DO TEOR DE ÁLCALIS SOLÚVEIS (NA+,K+ E LI+) POR EAA ...
... A-51 IV.2.CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL POR MEV/EDS DOS BETÕES SUJEITOS
AOS ENSAIOS DE DIFUSÃO DO IÃO LÍTIO POR IMERSÃO A 20 ºC ... A-54
IV.3.CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL POR MEV/EDS DOS BETÕES SUJEITOS AOS ENSAIOS DE MIGRAÇÃO... A-56
Índice das Figuras
Pág.
Figura 1 – a) Imagem ao microscópio electrónico de varrimento (MEV) do gel da RAS e b) análise química por espectroscopia de dispersão de energia (EDS) do gel em a) [Cristino, 2004]... 13 Figura 2 – Esquema reaccional apresentado por Dent-Glasser e Kataoka (a): ionização dos grupos silanol e neutralização pelos iões Na+ e K+; (b): ruptura das pontes siloxano pelos iões hidroxilo [Dent-Glasser e Kataoka, 1981]... 13 Figura 3 – Ataque dos álcalis à sílica a) bem cristalizada e b) mal cristalizada. As estruturas apresentadas são meramente ilustrativas [Dent-Glasser e Kataoka, 1981].... 14 Figura 4 – a) Imagem ao MEV de etringite sobre um agregado e b) respectivo espectro obtido por EDS [Santos Silva, 2005a]... 17 Figura 5 – Fotografias de travessas de betão para caminhos-de-ferro fissuradas em resultado de DEF. ... 20 Figura 6 – Degradação de uma ponte em que é visível a fissuração típica das reacções expansivas internas. ... 23 Figura 7 – Exemplos da degradação excessiva em que a fissuração tende a alinhar--se com as armaduras principais da estrutura e com exsudação de gel e destacamento de material. ... 23 Figura 8 – Evidência de zonas húmidas e poros, parcialmente ou totalmente preenchidos com produtos da reacção, numa carote de betão retirada de uma estrutura afectada por reacções químicas expansivas internas... 24 Figura 9 – Imagens ao MEV de produtos da RAS presentes em interfaces agregado/pasta, nas formas semi-cristalizada (à esquerda) e amorfa (à direita). ... 24 Figura 10 – Formação de DEF numa interface agregado/pasta, sendo visível em maior ampliação o aspecto compactado dos cristais, e a sua composição característica no espectro EDS. ... 25 Figura 11 – Comportamento péssimo para uma argamassa com teor em álcalis de 6 kg/m3 e razões água/cimento e agregado/cimento de 0,4 e 2,75, respectivamente [Hobbs, 1988]. ... 27 Figura 12 – Desenho esquemático típico de um impregnante hidrófobo [EN 1504, 2004]... 35 Figura 13 – Desenho esquemático típico de um impregnante [EN 1504, 2004]... 35Pág.
Figura 14 – Desenho esquemático típico de um revestimento de superfície [EN 1504, 2004]... 35 Figura 15 – Selecção dos produtos e sistemas de protecção superficial do betão consoante os objectivos pretendidos [Rodrigues, 2003]. ... 36 Figura 16 – Esquema da migração do lítio durante o tratamento electroquímico [Whitmore, D. e Abbott, S., 2000]. ... 42 Figura 17 – Extracção por carotagem das amostras das travessas de betão e aspecto duma travessa após a operação de carotagem. ... 45 Figura 18 – Imagens da aplicação de dois dos revestimentos à trincha. ... 48 Figura 19 – Aspecto dos provetes de betão conservados em câmara saturada (T=20 ºC e uma HR > 95 %)... 49 Figura 20 – Contentor plástico para condicionamento dos provetes de betão em imersão a 20 ºC. ... 50 Figura 21 – Fotos dos provetes de betão conservados em exposição natural na estação experimental do LNEC. ... 50 Figura 22 – Diagrama esquemático dum provete para ensaio de crack-bridging. ... 54 Figura 23 – Marcação das geratrizes de um provete cilíndrico e colagem dos pernos: (a) representação esquemática de um provete equipado com três séries de pernos colados longitudinalmente ao longo de três geratrizes espaçadas de 120º; (b) marcação das geratrizes com recurso a um molde plástico perfurado; c) colagem e ajuste da distância entre pernos ao longo de uma das geratrizes. ... 55 Figura 24 – Equipamento para determinação da resistência em compressão do Núcleo de Betões do LNEC, I.P.. ... 56 Figura 25 – Equipamento para determinação do módulo de elasticidade em compressão do Núcleo de Betões do LNEC, I.P.. ... 57 Figura 26 – Provete de betão em imersão na solução de 30% de LiNO3. ... 59 Figura 27 – Aplicação tópica de uma solução de lítio numa via degradada, a) Aspecto do estado de degradação da via; b) Aplicação em progresso [Folliard, et al., 2003]... 60 Figura 28 – Representação esquemática da montagem efectuada para o estudo das condições de aplicação da migração do ião lítio. ... 61 Figura 29 – Representação esquemática da montagem para o ensaio de migração a 60 V em provetes de betão com 160 mm de altura. ... 62Pág.
Figura 30 – Aspectos da montagem final para o ensaio de migração do ião lítio em provetes de betão com 160 mm de altura. ... 62 Figura 31 – Curvas de absorção capilar em função da raiz quadrada do tempo para os vários revestimentos. ... 67 Figura 32 – Fotografia dos provetes revestidos com o sistema P5 (em cima à esquerda) e P6 (em baixo à esquerda), que fissuraram após aplicação da tensão e pormenor da fissuração (à direita). ... 69 Figura 33 – Gráfico de expansão dos provetes de betão não revestidos (referência) em câmara saturada a 20 ºC... 71 Figura 34 – Gráfico de variação de massa dos provetes de betão não revestidos (referência) em câmara saturada a 20 ºC. ... 71 Figura 35 – Gráficos de expansão (esquerda) e de variação de massa (direita) dos provetes de betão não revestidos (referência) e revestidos em câmara saturada a 20 ºC.... 73 Figura 36 – Aspecto com 28 dias dum provete revestido com o sistema P4. É evidente o fraco poder de cobertura deste revestimento. ... 75 Figura 37 – Gráfico de expansão dos provetes de betão não revestidos (referência) em imersão a 20 ºC... 76 Figura 38 – Gráfico de variação de massa dos provetes de betão não revestidos (referência) em imersão a 20 ºC ... 77 Figura 39 – Gráficos de expansão (esquerda) e de variação de massa (direita) dos provetes de betão não revestidos (referência) e revestidos em imersão a 20 ºC. ... 78 Figura 40 – Gráfico de expansão de provetes de betão não revestidos (referência) em ambiente natural. ... 79 Figura 41 – Gráfico de variação de massa de provetes de betão não revestidos (referência) em ambiente natural. ... 80 Figura 42 – Gráfico de expansão de provetes de betão revestidos em ambiente natural.
... 80 Figura 43 – Gráfico de variação de massa de provetes de betão revestidos em ambiente natural. ... 81 Figura 44 – Teores de Na2Oeq (obtidos por EAA) aos 0 e 180 dias para os provetes não revestidos (referência) nos três ambientes de exposição. ... 82
Pág.
Figura 45 – Teores de Na2Oeq (obtidos por EAA) ao longo do tempo para os provetes revestidos em câmara saturada. ... 83 Figura 46 – Teores de Na2Oeq (obtidos por EAA) ao longo do tempo para os provetes com os sistemas P2, P5 e P7 em imersão. ... 84 Figura 47 – Teores de Na2Oeq (obtidos por EAA) ao longo do tempo para os provetes revestidos em exposição natural. ... 85 Figura 48 – Representação da variação do consumo de Na2Oeq a 180 dias, para os vários provetes de betão revestidos e em função do tipo de exposição. ... 86 Figura 49 – Observação ao MEV/EDS do betão não revestido Ref-P2 em câmara saturada que evidencia a presença de produtos RAS (a) semi-cristalizados e (c) amorfos em interfaces agregado/pasta, e respectivos espectros EDS (b) e (d). ... 87 Figura 50 – Observação ao MEV/EDS do betão não revestido Ref-P2 em câmara saturada de etringite na forma massiva (esquerda) e acicular (direita) e espectro EDS característico da etringite... 88 Figura 51 – Observação ao MEV/EDS do betão revestido P2 em câmara saturada de etringite na forma massiva (esquerda) e gel da RAS (direita)... 89 Figura 52 – Observação ao MEV do betão de Ref-P2, de produtos amorfos da RAS (a) em poros e de zona afectada por etringite (c), onde é evidente, em maior ampliação, a maior espessura do gel (b) e a grande quantidade de etringite (d). ... 89 Figura 53 – Observação ao MEV da pasta do betão não revestido Ref-P2 conservado em câmara saturada (a) e imersão (b) e respectivos espectros EDS... 90 Figura 54 – Razão atómica Ca/Si do gel CSH para os betões de referência aos 0 e 180 dias em câmara saturada (CS) e em imersão. ... 92 Figura 55 – Teor de Na2Oeq do gel CSH (obtidos por EDS) para os betões de referência aos 0 e 180 dias em câmara saturada (CS) e em imersão. ... 92 Figura 56 – Razão atómica Ca/Si do gel CSH para os betões revestidos com 0 e 180 dias em câmara saturada (CS) e em imersão... 93 Figura 57 – Teor de Na2Oeq do gel CSH (obtidos por EDS) para os betões revestidos aos 0 e 180 dias em câmara saturada (CS) e em imersão. ... 93 Figura 58 – Evolução da resistência à compressão para os vários betões em câmara saturada a 20 ºC. ... 94 Figura 59 – Evolução da resistência à compressão para os betões em ambiente de imersão a 20 ºC... 95Pág.
Figura 60 – Evolução da resistência à compressão para os betões em ambiente natural.... 95 Figura 61 – Evolução do módulo de elasticidade para os vários provetes de betão de referência em câmara saturada a 20 ºC... 96 Figura 62 – Evolução do módulo de elasticidade para os provetes de betão revestidos em câmara saturada a 20 ºC... 97 Figura 63 – Evolução do módulo de elasticidade para os betões de referência em imersão a 20 ºC... 97 Figura 64 – Evolução do módulo de elasticidade para os betões com revestimento em imersão a 20 ºC... 98 Figura 65 – Evolução do módulo de elasticidade para os provetes de betão de referência em exposição natural. ... 99 Figura 66 – Evolução do módulo de elasticidade para os provetes de betão revestidos em exposição natural. ... 99 Figura 67 – Perfil do teor de Na2Oeq (obtidos por EAA) para o betão imerso a 20 ºC. 100 Figura 68 – Perfil do teor de lítio (obtido por EAA) no betão imerso a 20 ºC... 101 Figura 69 – Perfil do teor de Na2Oeq (obtido por EAA) no betão imerso a 38 ºC... 102 Figura 70 – Perfil de penetração do ião lítio (obtido por EAA) para o betão imerso a 38 ºC. ... 102 Figura 71 – Perfil do teor de Na2Oeq obtido por EAA para o betão com ciclos de imersão/secagem a 20º C. ... 103 Figura 72 – Perfil do teor de lítio obtido por EAA para o betão com ciclos de imersão/secagem a 20º C. ... 103 Figura 73 – Perfil do teor de Na2Oeq (obtido por EAA) para os ensaios de migração água/água no betão de controlo para diferentes voltagens. ... 104 Figura 74 – Perfil do teor de Na2Oeq (obtido por EAA) para os ensaios de migração lítio/água no betão ensaiado para as diferentes voltagens. ... 105 Figura 75 – Perfil do teor de lítio (obtido por EAA) para os ensaios de migração lítio/água. ... 106 Figura 76 – Relação conceptual entre a deterioração do betão devida à RAS e a resistência do betão à penetração do lítio [adaptado de Johnston et al., 2000]. ... 107
Pág.
Figura 77 – Observação ao MEV/EDS em modo de electrões retrodifundidos da microestrutura da pasta de cimento para o betão de referência sujeito aos ensaios de migração água/água: a) 20 V; b) 40 V; c) 60 V... 109 Figura 78 – Observação ao MEV/EDS em modo de electrões retrodifundidos da microstrutura da pasta de cimento para os betões sujeitos aos ensaios de migração lítio/água; a) 20 V; b)40 V; c) 60 V. ... 110 Figura 79 – Observação ao MEV/EDS em modo de electrões secundários de aspectos do gel da RAS dos betões dos ensaios de migração lítio/água a 20 V sendo evidente a passagem do gel de um aspecto compacto (a) a alveolar (c)... 111 Figura 80 – Observação ao MEV/EDS em modo de electrões secundários de aspectos do gel da RAS e de etringite em interfaces agregado/pasta dos betões dos ensaios de migração lítio/água a 40 V a) produtos RAS amorfos; b) produtos semi-cristalizados da RAS; c) espectro EDS da RAS; d) etringite. ... 112 Figura 81 – a) Observação ao MEV em modo de electrões secundários de produtos semi-cristalizados da RAS; b) Observação ao MEV em modo de electrões retrodifundidos do gel da RAS num poro de grandes dimensões em betões dos ensaios de migração lítio/água a 60 V... 112 Figura 82 – Razão atómica Ca/Si e teor de Na2Oeq do gel CSH (obtidos por EDS) para os betões de referência sujeitos aos ensaios de migração água/água. ... 113 Figura 83 – Razão atómica Ca/Si e teor de Na2Oeq do gel CSH (obtidos por EDS) para os betões sujeitos aos ensaios de migração lítio/água. ... 114 Figura 84 – Representações esquemáticas da quebra da estrutura de materiais siliciosos reactivos hidratados com formação de um gel álcalis-sílica como resultado do ataque de hidróxidos de Na+ e K+ em solução [Poole, A.B., 1992]... A-3 Figura 85 – Esquema da estrutura superficial da Opala [Wang e Gillot, 1991]... A-5 Figura 86 – Trocas protónicas entre os grupos silanol e os catiões K+, Na+ e Ca2+[ Wang e Gillot, 1991]... A-5 Figura 87 – Ataque dos iões hidroxilo nas pontes siloxano internas Si-O-Si [Wang e Gillot, 1991]. ... A-6 Figura 88 – Trocas protónicas entre os grupos silanol internos e os iões Na+ e K+ (formação de um gel expansivo) [Wang e Gillot, 1991]. ... A-6 Figura 89 – Trocas catiónicas entre os iões Na+ e K+ e os iões Ca2+ [Wang e Gillot, 1991]... A-7Pág.
Figura 90 – Solubilidade do hidróxido de cálcio em solução alcalina [Greenberg, S.A., 1956]... A-8 Figura 91 – Representação esquemática da estrutura da sílica não hidratada [Powers, T.C. e Steinour, H., 1955a]... A-10 Figura 92 – Representação esquemática da estrutura da sílica hidratada [Powers, T.C. e Steinour, H., 1955a]... A-10 Figura 93 – Esquema das etapas envolvidas na transição de gel a colóide [Prezzi, M. et al., 1997]. ... A-13 Figura 94 – Provete de tijolo utilizado nos ensaios de permeabilidade à água, onde é evidente o revestimento em avaliação no topo. ... A-15 Figura 95 – Provetes de tijolo em ensaios de permeabilidade à água líquida. ... A-16 Figura 96 – Equipamento de ensaio de crack-bridging do Núcleo de Materiais Plásticos e Compósitos do LNEC, I.P., em que é visível a aplicação da tensão até à fractura do provete. ... A-17 Figura 97 – Procedimento de aplicação de tensão nas duas extremidades do provete de betão para avaliação da capacidade de crack-bridging do revestimento. ... A-18 Figura 98 – Equipamento de ensaio de crack-bridging do Núcleo de Materiais Plásticos e Compósitos do LNEC, I.P., em que é visível a aplicação de uma força de extensão até à rotura do revestimento. ... A-18 Figura 99 – Equipamento utilizado para a britagem das amostras de betão do LNEC, I.P... A-19 Figura 100 – Moagem das amostras para s ensaios químicos: à esquerda o moinho de bolas; no centro o pote de porcelana para uso na moagem da amostra; e à direita o peneiro de malha < 160 µm. ... A-20 Figura 101 – Secagem das amostras de betão com granulometria < 160 µm numa estufa a 105 ºC. ... A-20 Figura 102 – Espectrofotómetro de absorção atómica “Shimadzu AA-6300” do Núcleo de Materiais Metálicos do LNEC, I.P... A-21 Figura 103 – Representação gráfica dos valores de absorção capilar em função da raiz quadrada do tempo para o sistema P1, e respectiva curva de ajuste linear. ... A-26 Figura 104 – Representação gráfica dos valores de absorção capilar em função da raiz quadrada do tempo para o sistema P2, e respectiva curva de ajuste linear. ... A-26Pág.
Figura 105 – Representação gráfica dos valores de absorção capilar em função da raiz quadrada do tempo para o sistema P4, e respectiva curva de ajuste linear. ... A-27 Figura 106 – Representação gráfica dos valores de absorção capilar em função da raiz quadrada do tempo para o sistema P5, e respectiva curva de ajuste linear. ... A-27 Figura 107 – Representação gráfica dos valores de absorção capilar em função da raiz quadrada do tempo para o sistema P6, e respectiva curva de ajuste linear. ... A-28 Figura 108 – Representação gráfica dos valores de absorção capilar em função da raiz quadrada do tempo para o sistema P7, e respectiva curva de ajuste linear. ... A-28 Figura 109 – Variação da extensão com a força aplicada para os provetes revestidos com o sistema P2. ... A-29 Figura 110 Variação da extensão com a força aplicada para os provetes revestidos com o sistema P4. ... A-30 Figura 111 Variação da extensão com a força aplicada para os provetes revestidos com o sistema P7. ... A-30 Figura 112 – Teor de Na2O (obtido por EAA) para os vários betões de referência conservados em câmara saturada aos 0, 90 e 180 dias. ... A-34 Figura 113 – Teor de K2O (obtido por EAA) para os vários betões de referência conservados em câmara saturada aos 0, 90 e 180 dias. ... A-35 Figura 114 – Teor de Na2O (obtido por EAA) para os vários betões revestidos conservados em câmara saturada aos 0, 90 e 180 dias. ... A-35 Figura 115 – Teor de K2O (obtido por EAA) para os vários betões revestidos conservados em câmara saturada aos 0, 90 e 180 dias. ... A-36 Figura 116 – Teor de Na2O (obtido por EAA) para os vários betões de referência conservados em imersão aos 0, 90 e 180 dias. ... A-36 Figura 117 – Teor de K2O (obtido por EAA) para os vários betões de referência conservados em imersão aos 0, 90 e 180 dias. ... A-37 Figura 118 – Teor de Na2O (obtido por EAA) para os vários betões revestidos conservados em imersão aos 0, 90 e 180 dias. ... A-37 Figura 119 – Teor de K2O (obtido por EAA) para os vários betões revestidos conservados em imersão aos 0, 90 e 180 dias. ... A-38 Figura 120 – Teor de Na2O (obtido por EAA) para os vários betões de referência conservados em exposição natural aos 0, 90 e 180 dias. ... A-38Pág.
Figura 121 – Teor de K2O (obtido por EAA) para os vários betões de referência conservados em exposição natural aos 0, 90 e 180 dias. ... A-39 Figura 122 – Teor de Na2O (obtido por EAA) para os vários betões revestidos conservados em exposição natural aos 0, 90 e 180 dias. ... A-39 Figura 123 – Teor de K2O (obtido por EAA) para os vários betões revestidos conservados em exposição natural aos 0, 90 e 180 dias. ... A-40 Figura 124 – Imagens ao MEV de aspectos da microestrutura aos 180 dias de ensaio do betão inicial da travessa 2 antes de ser ensaiado, a) e b) aspectos geral da amostra onde é visível a disseminação da etringite e da RAS na amostra de betão; c) pormenor de produtos semi-cristalizados da RAS em zona de interface agregado/pasta; d) gel da RAS em zona de interface agregado/pasta; e)gel da RAS e respectivo espectro EDS. ... A-42 Figura 125 – Imagens ao MEV de aspectos da microestrutura aos 180 dias de ensaio do betão Ref-P2 conservado em câmara saturada, a) poro preenchido com etringite; b) a d) pormenores em maiores ampliações de etringite na forma acicular; e) forma massiva de etringite em cima de um agregado; f) produtos da RAS semi-cristalizados. ... A-43 Figura 126 – Imagens ao MEV de aspectos da microestrutura aos 180 dias de ensaio do betão Ref-P2 conservado em imersão, a) aspecto geral da amostra onde é visível a disseminação da etringite na amostra de betão; b) pormenores de etringite na forma acicular; c) poro de grandes dimensões onde é visível em maior ampliação o preenchimento com produtos da RAS (d). ... A-44 Figura 127 – Imagens ao MEV de aspectos da microestrutura aos 180 dias de ensaio do betão P2 conservado em câmara saturada, a) aspectos geral da amostra; b) interface agregado/pasta afectado por produtos da RAS c) coexistência da forma de gel amorfo e de produtos semicristalizados; d) produtos da RAS semi-cristalizados em pormenor. ...... A-45 Figura 128 – Imagens ao MEV de aspectos da microestrutura aos 180 dias de ensaio do betão P2 conservado em imersão, a) aspectos geral da amostra onde é evidente poros preenchidos com gel da RAS e interfaces com produtos semi-cristalizados (b); c) agregado afectado por RAS; d) interface agregado/pasta com produtos da RAS. ... A-46 Figura 129 – Aspectos da observação da microestrutura ao MEV do betão sujeito aos ensaios de imersão em água a 20 ºC, a) imagem geral da amostra onde é visível a disseminação da etringite na forma massiva; b) etringite acicular numa interface; c) e d) gel da RAS em interfaces agregado/pasta. ... A-54
Pág.
Figura 130 – Aspectos da observação da microestrutura ao MEV do betão sujeito aos ensaios de imersão em lítio a 20 ºC, a) imagem geral da amostra onde é visível a disseminação da etringite na forma massiva; b) ampliação da imagem anterior; c) aspecto de uma interface agregado/pasta afectado por um gel da RAS com uma morfologia ligeiramente diferente da forma compacta habitual; d) zonas com gel de aspecto compacto... A-55 Figura 131 – Aspectos da observação da microestrutura ao MEV do betão sujeito aos ensaios de migração a 20 V, a) imagem geral da amostra onde é visível formação de gel; b) ampliação da imagem anterior; c) aspecto de uma agregado silícioso afectado pela RAS; d) a f) zonas com gel sendo visível o aspecto ligeiramente alveolar... A-56 Figura 132 – Aspectos da observação da microestrutura ao MEV do betão sujeito aos ensaios de migração a 40 V, a) de um agregado onde é visível em ampliação b) a coexistência de RAS e etringite; c) gel da RAS; d) etringite na sua forma massiva.. A-57 Figura 133 – Aspectos da observação da microestrutura ao MEV do betão sujeito aos ensaios de migração a 60 V de uma zona de interface onde é visível em maior ampliação um agregado afectado por RAS. ... A-57Índice das Tabelas
Pág.
Tabela 1 – Factores de degradação e o efeito sobre o desempenho. Adaptado a partir de [Ferreira, 2000]... 10 Tabela 2 – Dosagens mínimas duma solução a 30 % de nitrato de lítio [LNEC E 461, 2004]... 30 Tabela 3 – Tipo de revestimentos e sua eficácia no controlo da expansão por RAS no betão [Cristino, 2005]. ... 33 Tabela 4 – Revestimentos utilizados para o estudo do controlo do ingresso de água no betão. ... 47 Tabela 5 – Distribuição dos diferentes provetes de betão consoante os ensaios a que se destinam... 47 Tabela 6 – Metodologia utilizada e calendarização para o estudo da eficácia do emprego de revestimentos impermeabilizantes no controlo da RAS e DEF... 52 Tabela 7 – Plano da aplicação da metodologia de avaliação da eficácia do nitrato de lítio na modificação das propriedades expansivas dos produtos da RAS e DEF... 63 Tabela 8 – A velocidade de transmissão de água líquida, w, para os vários sistemas de protecção... 68 Tabela 9 – Resultados dos ensaios de tracção nos ensaios de crack-bridging. ... 69 Tabela 10 – Resultados dos ensaios de expansão e respectivos valores de eficácia aos 180 dias para os betões conservados em câmara saturada... 73 Tabela 11 – Resultados dos ensaios de expansão e respectivos valores de eficácia aos 180 dias para os betões conservados em imersão... 78 Tabela 12 – Teores de Na2Oeq (obtidos por EAA) dos produtos de revestimento P2 e P5.... 84 Tabela 13 – Teor em lítio (obtido por EAA) antes e após tratamento electroquímico de um tabuleiro duma ponte [Whitmore e Abbot, 2000]. ... 106 Tabela 14 – Valores obtidos de ião lítio e de Na2Oeq no primeiro centímetro por EAA para os betões tratados com nitrato de lítio pelos ensaios de difusão e migração. ... 107 Tabela 15 – Eficácia dos tratamentos com nitrato de lítio versus sistema P2 na redução da expansão para provetes de betão em câmara saturada a 20º C. ... 108 Tabela 16 – Solubilidade dos hidróxidos alcalinos e de cálcio em água [Greenberg, S.A., 1956]... A-7
Pág.
Tabela 17 – Raio hidráulico dos iões K+, Na+ e Ca2+ e energia electrostática [Greenberg, S.A., 1956]... A-8 Tabela 18 – Classificação quanto à velocidade de transmissão da água líquida de acordo com a norma NP EN 1062-3 [NP EN 1062-3, 2001]. ... A-17 Tabela 19 – Valores de absorção capilar ao longo da raiz quadrada do tempo para os vários sistemas de revestimento. ... A-25 Tabela 20 – Condições de ensaio seguidas nos ensaios de crack-bridging. ... A-29 Tabela 21 – Valores de carga máxima e da extensão à carga máxima para os provetes revestidos com o sistema P2... A-29 Tabela 22 – Valores de carga máxima e da extensão à carga máxima para os provetes revestidos com o sistema P4... A-30 Tabela 23 – Valores de carga máxima e da extensão à carga máxima para os provetes revestidos com o sistema P7... A-31 Tabela 24 – Percentagem de Na2O (obtida por EAA) nos betões de referência e nos betões revestidos com os diferentes sistemas de protecção conservados em câmara saturada. ... A-31 Tabela 25 – Percentagem de K2O (obtida por EAA) nos betões de referência e nos betões revestidos com os diferentes sistemas de protecção conservados em câmara saturada. ... A-32 Tabela 26 – Percentagem de Na2O (obtida por EAA) nos betões de referência e nos betões revestidos com os diferentes sistemas de protecção conservados em imersão. ...... A-32 Tabela 27 – Percentagem de K2O (obtida por EAA) nos betões de referência e nos betões revestidos com os diferentes sistemas de protecção conservados em imersão. ...
... A-33 Tabela 28 – Percentagem de Na2O (obtida por EAA) nos betões de referência e nos betões revestidos com os diferentes sistemas de protecção conservados em ambiente natural. ... A-33 Tabela 29 – Percentagem de K2O (obtida por EAA) nos betões de referência e nos betões revestidos com os diferentes sistemas de protecção conservados em ambiente natural. ... A-34
Pág.
Tabela 30 – Percentagem de Na2Oeq (obtida por EAA) para os betões de referência e revestidos ao longo do tempo, conservados em câmara saturada... A-40 Tabela 31 – Percentagem de Na2Oeq (obtida por EAA) para os betões de referência e revestidos ao longo do tempo, conservados em imersão... A-41 Tabela 32 – Percentagem de Na2Oeq (obtida por EAA) para os betões de referência e revestidos ao longo do tempo, conservados em exposição natural. ... A-41 Tabela 33 – Razão atómica Ca/Si e percentagem atómica de Na2Oeq (obtidas por EDS) da pasta de cimento aos 180 dias dos diferentes betões revestidos e respectivas referências conservados em câmara saturada a 20 ºC. ... A-47 Tabela 34 – Razão atómica Ca/Si e percentagem atómica de Na2Oeq (obtidas por EDS) da pasta de cimento aos 180 dias dos diferentes betões revestidos e respectivas referências conservados em imersão a 20 ºC... A-47 Tabela 35 – Resultados dos ensaios de resistência à compressão dos provetes de referência e revestidos com os vários sistemas de revestimento para os três ambientes de exposição aos 0 (inicial) e 180 dias de ensaio. ... A-48 Tabela 36 – Resultados dos ensaios de módulo de elasticidade em compressão dos provetes de referência e revestidos com os vários sistemas de revestimento conservados em câmara saturada aos 0, 28, 90 e 180 dias de ensaio. ... A-48 Tabela 37 – Resultados dos ensaios de módulo de elasticidade em compressão dos provetes de referência e revestidos com os vários sistemas de revestimento conservados em ambiente de imersão aos 0, 28, 90 e 180 dias de ensaio... A-48 Tabela 38 – Resultados dos ensaios de módulo de elasticidade em compressão dos provetes de referência e revestidos com os vários sistemas de revestimento conservados em ambiente de exposição natural aos 0, 28, 90 e 180 dias de ensaio. ... A-49 Tabela 39 – Percentagem de Na2Oeq e lítio (obtidas por EAA) existente nos vários centímetros dos betões referentes aos ensaios de imersão a 20 ºC... A-51 Tabela 40 – Percentagem de Na2Oeq e lítio (obtidas por EAA) existente nos vários centímetros dos betões referentes aos ensaios de imersão a 38 ºC... A-52 Tabela 41 – Percentagem de lítio e Na2Oeq (obtidas por EAA) existente nos vários centímetros dos betões referentes aos ciclos de imersão/secagem. ... A-52 Tabela 42 – Percentagem de lítio e Na2Oeq (obtidas por EAA) existente nos vários centímetros dos betões referentes aos ensaios de migração água/água a 20, 40 e 60 V...Pág.
Tabela 43 – Percentagem de lítio e Na2Oeq (obtidas por EAA) existente nos vários centímetros dos betões referentes aos ensaios de migração lítio/água a 20, 40 e 60 V...... A-53 Tabela 44 – Análise semi-quantitativa EDS dos elementos da pasta de cimento do primeiro centímetro dos betões sujeitos aos ensaios de migração em comparação com os valores para o betão inicial. ... A-58
Capítulo Um
Introdução
Pág. 1.1.CONSIDERAÇÕES GERAIS... 3
1.2.ENQUADRAMENTO DO TRABALHO PROPOSTO... 4
1.3.OBJECTIVOS... 5 1.4.ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO... 5
1.1.CONSIDERAÇÕES GERAIS
“O betão é um material constituído pela mistura, devidamente proporcional, de pedras e areia, com um ligante hidráulico1, água e, eventualmente, adjuvantes. A propriedade que os produtos da reacção do ligante com a água têm de endurecer, confere à mistura uma coesão e resistência que lhe permite servir como material de construção.”
A. de Sousa Coutinho em (Coutinho, 2006)
Nos países industrializados o betão tornou-se o material de construção mais utilizado. Esta posição privilegiada provém das aplicações diversas que o betão conheceu nas últimas décadas. A razão para este desenvolvimento advém de vários factores, entre os quais, da facilidade do seu fabrico, da sua existência ilimitada, da sua presença constante, e da sua grande durabilidade.
Um betão durável pode ser definido como sendo aquele que mantém a sua integridade estrutural, capacidade protectora e qualidade estética ao longo de determinado período de tempo, quando exposto ao meio ambiente. A durabilidade não é uma propriedade intrínseca dos materiais, mas sim uma função relacionada com o desempenho do material durante a sua vida de serviço sob determinadas condições ambientais [Ferreira, 2000]
No passado o betão era considerado como um material isento de manutenção. Isto porque a sua aptidão para responder estruturalmente às funções para as quais havia sido projectado parecia ser isenta de preocupações. Esta presunção levou a que houvesse alguma falta de rigor e controlo na sua aplicação tendo surgido nos últimos anos cada vez mais casos de deterioração precoce do betão.
1 Os ligantes hidráulicos são constituídos por pós muito finos que, amassados com água, formam uma
pasta cujo endurecimento se dá apenas pela reacção química entre o pó e a água. A designação de ligantes deve-se à propriedade que têm de poder aglomerar uma proporção elevada de agregados, como areias, godos, pedra britada, etc., conferindo ao conjunto grande coesão e resistência. Consideram-se hidráulicos porque, além de endurecerem ao ar, são capazes de adquirir elevadas resistências debaixo de água, suportando perfeitamente a sua acção [Coutinho, 2006].
A deterioração do betão pode ocorrer essencialmente pelos seguintes processos [Sousa Coutinho, 1998]:
Mecânicos e físicos: por exemplo por impactos, sobrecargas, assentamentos, deformações, gradientes térmicos, por ciclos gelo/degelo, erosão, abrasão, etc. Químicos: por reacções químicas expansivas de origem interna e externa, etc. Biológicos: por ataque de líquenes, bacilos, etc..
As reacções químicas expansivas de origem interna mais comuns, e tema de estudo deste trabalho, são a reacção álcalis-silica (RAS) e a reacção sulfática de origem interna (RSI). A descoberta destas reacções e das suas consequências é relativamente recente: 1940 para a RAS nos Estados Unidos e 1986 para a RSI na Alemanha [Godart, B. et al., 2004].
O diagnóstico e o prognóstico destas reacções são questões essenciais que necessitam de uma resposta rigorosa, para se poder programar uma intervenção de mitigação ou reparação destas patologias [Godart, B. et al, 2004]. No entanto, a determinação da causa principal da degradação de uma estrutura de betão na presença simultânea da RSI e da RAS continua a ser muito controversa. Alguns autores acreditam que a DEF tem sido a causa de graves danos (fissuração) em elementos de betão curados a elevadas temperaturas enquanto outros atribuem esses danos à RAS [Shayan et al., 1996].
1.2.ENQUADRAMENTO DO TRABALHO PROPOSTO
Este trabalho foi realizado no Núcleo de Materiais Metálicos do Departamento de Materiais do Laboratório Nacional de Engenharia Civil, I. P. (LNEC, I.P.) e inseriu-se no estudo “Reacções expansivas internas no betão. Prevenção e mitigação dos seus efeitos”, Procº 0204/11/16170 do projecto de investigação programada do LNEC, I. P., para o quadriénio 2005-2008, “Qualidade na construção, risco e segurança”. Este trabalho teve como finalidade dotar o país do conhecimento necessário nesta área de forma a se poderem elaborar recomendações que possam minimizar a progressão desta forma de degradação do betão.
1.3.OBJECTIVOS
Os principais objectivos a atingir com este trabalho foram:
- Desenvolvimento duma metodologia de ensaio que permitisse avaliar duma forma acelerada a eficácia duma determinada solução de tratamento, em termos da inibição da progressão de humidade, numa estrutura de betão afectada por RAS ou RSI; - Estudo do efeito dos sais de lítio na inibição da RAS e da RSI em estruturas afectadas por estas reacções;
- Elaborar conclusões a partir dos resultados acima referidos que sirvam de suporte ao estabelecimento de recomendações para a prevenção e tratamento das reacções expansivas internas no betão.
1.4.ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
Para além deste capítulo introdutório, esta tese está organizada em mais quatro capítulos. No segundo capítulo são apresentadas as reacções químicas expansivas de origem interna em estudo, bem como os principais métodos para a inibição/mitigação destas reacções no betão.
No capítulo três é apresentada a metodologia de ensaio utilizada no presente trabalho para a avaliação da eficácia dos tratamentos aplicados, sendo descritas as várias etapas que a compõem. O capítulo quatro é dedicado à apresentação e discussão dos resultados obtidos.
Capítulo Dois
Degradação do betão por reacções químicas expansivas de
origem interna
Pág. 2.1.INTRODUÇÃO... 9 2.2.A REACÇÃO ÁLCALIS-SÍLICA... 12
2.2.1. Factores condicionantes da RAS no betão ... 15
2.3.AREACÇÃO SULFÁTICA INTERNA... 16
2.3.1. A etringite primária e secundária... 18 2.3.2. Os factores condicionantes da DEF no betão ... 20
2.4.INDÍCIOS DA RAS E DA DEF EM ESTRUTURAS DE BETÃO... 22
2.5.MEDIDAS PREVENTIVAS... 25
2.5.1. A não utilização de agregados reactivos... 26 2.5.2. Controlo do teor de álcalis no betão ... 28 2.5.3. Utilização de adições minerais em substituição do cimento ... 29 2.5.4. Controlo da temperatura ... 30 2.5.5. Utilização de compostos de lítio... 30
2.6.MEDIDAS DE MITIGAÇÃO E/OU CONTROLO... 31
2.6.1. Controlo do teor de humidade ... 31 2.6.2. A utilização de revestimentos impermeabilizantes ... 31 2.6.2.1. Definição das diferentes famílias de revestimentos ... 34 2.6.2.2. Selecção do método de protecção... 36 2.6.3. Modificação das propriedades expansivas dos produtos de reacção com recurso a sais de lítio ... 37 2.6.3.1. Mecanismos reaccionais de actuação do lítio... 38 2.6.3.2. Métodos utilizados na aplicação de sais de lítio... 40
2.1.INTRODUÇÃO
A degradação do betão resulta de uma alteração das propriedades mecânicas, físicas e químicas, tanto na superfície do betão como no seu interior, geralmente devido à alteração dos seus componentes. Os efeitos da degradação nem sempre se manifestam visualmente, mas quando isso acontece existem três sintomas básicos de degradação do betão numa estrutura: a fendilhação, o destacamento e a desagregação. Cada um destes sintomas é facilmente identificável, podendo todavia manifestar-se de várias formas [Ferreira, 2000].
A degradação das propriedades do betão resulta quase sempre de uma acção conjunta de factores externos e internos. É um processo complexo, largamente determinado pelas propriedades físico-químicas do betão (interno) e da forma como está exposto (externo). Os factores internos do material estão relacionados com a sua qualidade, i.e., a forma como é misturado, colocado e curado, enquanto que os externos, tais como a retracção, a fluência, o efeito térmico, dependem de elementos exteriores. Na tabela 1 apresenta-se uma lista dos factores de degradação e o seu efeito sobre o desempenho do material, componente ou sistema. De entre estes factores de degradação, os químicos revelam uma importância especial.
A degradação do betão por acções químicas é um fenómeno extremamente complexo, pondo em jogo muitos parâmetros, nem sempre fáceis de separar, e que actuam em diferentes graus de acordo com a composição do betão (natureza e proporção dos diferentes constituintes) e com as condições a que está exposto [Braga Reis e Santos Silva, 1997]. As formas mais comuns deste tipo de degradação são as reacções expansivas internas. Sob a designação de reacções expansivas internas, englobam-se as reacções álcalis-agregado (RAA) e as reacções sulfáticas internas (RSI). Estas reacções caracterizam-se pela formação de compostos expansivos no betão endurecido, com consequente fissuração da estrutura e, em casos mais severos, de desagregação de material.
Tabela 1 – Factores de degradação e o efeito sobre o desempenho. Adaptado a partir de [Ferreira, 2000]
Factor de degradação Processo Efeito Mecânicos
Carregamentos Deformação, Fadiga Deflexão, fendilhação, rotura,
vibração Biológicos
Microorganismos, Bactérias Produção de ácidos Lixiviação
Químicos
Água pura Lixiviação Desagregação do betão
Ácido Lixiviação Desagregação do betão
Ácido e gases ácidos Neutralização Despassivação do aço
Dióxido de carbono Carbonatação Despassivação do aço
Cloretos Penetração, destruição de
camada de passivação
Despassivação do aço
Despassivação do aço + H2O
+ O2
Corrosão Expansão do aço, perda do
diâmetro e de aderência
Tensão+cloretos Corrosão do aço Rotura dos tendões de
pré-esforço
Sulfatos Pressão dos cristais, reacção
sulfática
Expansão, desagregação
Agregado (sílica)+álcalis Reacção álcalis-sílica Expansão, desagregação
Agregado (carbonato)+álcalis Reacção álcalis-carbonato Expansão, desagregação Físicos
Variação da temperatura Expansão/contracção Deformação restringida
Variação de humidade Retracção e expansão Deformação restringida
Baixa temperatura+água Formação de gelo Desagregação
Sal descongelante+geada Transferência de calor Destacamento
Gelo Abrasão Destacamento, fendilhação
Trânsito Abrasão Desgaste, rotura
Água corrente Erosão Danos superficiais
Água turbulenta Cavitação Cavidades
Electromagnéticos
Electricidade, magnetismo Corrosão Expansão do aço, perda do
As reacções álcalis-agregado, identificadas desde 1940, são reacções químicas que se desenvolvem entre os constituintes reactivos dos agregados e os iões alcalinos e hidroxilos presentes na solução intersticial do betão. Em particular, as reacções álcalis-sílica (RAS), que envolvem rochas e minerais contendo formas reactivas de álcalis-sílica, são consideradas actualmente como a causa de deterioração precoce dum número cada vez maior de estruturas de betão. Em Portugal, os casos de estruturas afectadas por RAS são já suficientemente importantes e afectam, essencialmente, barragens e pontes, tendo havido alguns casos (ex.: Barragem de Pracana e Viaduto Duarte Pacheco em Lisboa) que exigiram vultuosas intervenções de reabilitação [Santos Silva, 2005b].
A RSI, identificada pela 1º vez na Alemanha em 1987, e em que a origem da expansão é atribuída à formação de etringite expansiva, tem afectado betões que estiveram sujeitos a temperaturas relativamente elevadas (> 65 ºC), quer por via de tratamentos térmicos, quer pelo desenvolvimento de elevadas temperaturas em betões em massa ou pelo uso de elevadas dosagens em cimento. No nosso País, a degradação por RSI foi recentemente diagnosticada em travessas de betão para caminhos-de-ferro. Esta reacção crê-se que possa vir a ser descoberta em várias estruturas de betão dada a evolução verificada nos últimos anos nos materiais e nas técnicas de construção, que tem originado um aumento das temperaturas do betão nas primeiras idades.
A nível internacional têm vindo a ser realizados esforços consideráveis no desenvolvimento de metodologias que previnam o aparecimento futuro destas reacções no betão. Porém, os trabalhos realizados a nível da reparação de estruturas degradadas por reacções expansivas internas são escassos e baseiam-se, essencialmente, no estudo da eficácia de barreiras contra o ingresso de água no betão. Também, aqui, há uma grande diversidade de resultados, por vezes contraditórios, que dificultam uma opção., Nos últimos anos têm vindo a ser referidos os métodos baseados na modificação das propriedades expansivas dos produtos de reacção formados, essencialmente para a RAS, e mais recentemente também para a RSI, com recurso a sais de lítio.
2.2.A REACÇÃO ÁLCALIS-SÍLICA
Entre 1920 e 1930 registou-se no estado da Califórnia nos Estados Unidos da América (EUA) o aparecimento dum grande número de estruturas com fissuras. Dado que a qualidade da construção, projecto e materiais empregues foi considerada satisfatória, não foi encontrada uma explicação plausível para os fenómenos observados. Só em 1940 é que a expansão e fissuração detectada no betão é atribuída por Thomas Stanton, um engenheiro de materiais, à reactividade química dos agregados utilizados [Stanton, 1940]. Após vários anos de intensa investigação, Stanton e colaboradores apresentaram as bases para o conhecimento da RAS, que, muito embora tenham avançado nos últimos anos, muitas delas são ainda consideradas válidas [ACI Committee 221, 1998; Santos Silva, 2005a].
Após as descobertas nos EUA muitos outros países se seguiram. Em Portugal, tudo aponta para que tenham sido os estudos realizados para a Barragem de Pracana que tenham identificado, pela primeira vez, o fenómeno no País. No entanto, não existe consenso quanto ao autor e ao ano em que este fenómeno tenha sido descoberto.
Não existindo ainda um consenso e conhecimento completo do mecanismo da RAS (ANEXOS I.1. e I.2.), é contudo conhecido que a RAS corresponde, essencialmente, a um ataque dos iões alcalinos2 e hidroxilos (OH-), presentes na solução intersticial do betão, a certas formas de sílica reactiva, com uma estrutura mais ou menos desordenada, e por isso instável num meio de elevado pH3. A reacção origina um gel higroscópico alcalino (figura 1) que absorve água e expande, originando tensões internas no betão que provocam a sua fissuração.
2
No contexto da reacção álcalis-sílica, por iões alcalinos entendem-se os iões sódio e potássio.
3 Dois tipos de reacções podem contribuir para o aumento de pH: a hidrólise de aniões de ácidos fracos
(p.e. silicatos): Xn- + H2O → HX(n-1)- + OH-; a formação de sais insolúveis de hidróxido de cálcio: 2/n X
n-+ Ca(OH)2→ CaX2/n + 2 OH
-a) b)
Figura 1 – a) Imagem ao microscópio electrónico de varrimento (MEV) do gel da RAS e b) análise química por espectroscopia de dispersão de energia (EDS) do gel em a) [Cristino, 2004].
Esquematicamente a RAS pode representar-se pela reacção de neutralização dos grupos silanol ácidos (≡Si–OH) pelos iões hidroxilos e álcalis, seguida da ruptura das pontes siloxano (≡Si–O–Si≡) – figura 2:
≡Si–OH + OH- + X+→≡Si–O–X + H2O [Equação 1] em que X representa os iões Na+ ou K+.
≡Si–O–Si≡ + 2OH-→≡Si–O- + -O– Si≡ + H2O [Equação 2]
(a) (b)
Figura 2 – Esquema reaccional apresentado por Dent-Glasser e Kataoka (a): ionização dos grupos silanol e neutralização pelos iões Na+ e K+; (b): ruptura das pontes siloxano pelos iões hidroxilo [Dent-Glasser e Kataoka, 1981].
A velocidade do ataque dependerá da concentração dos hidróxidos alcalinos na solução intersticial e da estrutura da sílica. O quartzo “bem cristalizado” é geralmente
considerado como não reactivo em solução alcalina. De facto, quando grãos de quartzo são colocados na solução intersticial do betão, o ataque pelos hidróxidos alcalinos ocorre essencialmente à sua superfície (figura 3) de acordo com as equações 1 e 2. A velocidade de penetração dos hidróxidos alcalinos na estrutura bem cristalizada do quartzo é baixa devido à sua pequena área superficial interna, enquanto que no quartzo criptocristalino já é maior devido ao aumento da área superficial. O mesmo comportamento é observado em grãos de grandes dimensões de quartzo que tenham defeitos ou estejam deformados. Esta situação sugere que nenhum agregado silicioso possa ser considerado à partida “inerte” no que se refere à RAS [Fournier e Bérubé, 1993; Broekmans, 2004; Santos Silva, 2005a].
a) b)
Figura 3 – Ataque dos álcalis à sílica a) bem cristalizada e b) mal cristalizada. As estruturas apresentadas são meramente ilustrativas [Dent-Glasser e Kataoka, 1981].
Os iões cálcio (Ca2+), cuja principal fonte é a portlandite (hidróxido de cálcio) formada pelas reacções de hidratação do cimento, penetram rapidamente no gel, originando-se assim no betão, em torno dos agregados, geles de silicatos de cálcio, sódio e potássio de composição variável. Estes geles são capazes de absorver moléculas de água e expandir, gerando forças expansivas. São estas forças que originam tensões de tracção dentro do betão ou da argamassa e vão causar fissuração. A intensidade da força expansiva varia com a composição do gel, dum modo ainda não bem compreendido, e com a quantidade total de gel formado. É hoje geralmente aceite que o hidróxido de cálcio tem um papel
importante no desenvolvimento da RAS e consequente expansão, como fonte de iões hidroxilos, permitindo a reacção dos sais alcalinos com a sílica reactiva, e intervindo no desenvolvimento das forças expansivas [Santos Silva, 2005a].
2.2.1. Factores condicionantes da RAS no betão
Tal como já foi anteriormente referido, a RAS ocorre entre os iões hidroxilo, os álcalis da solução intersticial do betão e certas formas de sílica, ocasionalmente presentes no agregado. Esta reacção necessita da presença em simultâneo das seguintes condições para se desenrolar:
teor de álcalis em quantidade suficiente;
agregados reactivos aos álcalis;
humidade elevada.
Normalmente para que a expansão e a fissuração resultem da RAS, é necessário haver uma fonte externa de humidade [Bensted, J. e Barnes, P., 2002].
Se a reacção for de intensidade suficiente para induzir expansão, e o betão estiver húmido, a velocidade de expansão é controlada pela velocidade de formação do gel da RAS. A expansão cessa quando a reacção se encontra completa ou quando é estabelecido um equilíbrio físico. Se o betão não for mantido húmido, a velocidade de expansão e o tempo necessário para que a expansão termine são controlados pela velocidade à qual o vapor de água se difunde pelo betão e/ou pela velocidade de transporte de água por acção capilar.
Outro factor determinante para o desenvolvimento da RAS é a presença de agregados reactivos aos álcalis. Estes são assim denominados por conterem quantidade suficiente de sílica reactiva para induzir a fissuração do betão [Bensted, J. e Barnes, P., 2002].
Um grande número de formas de sílica reactiva tem sido implicado em casos de RAS em todo o mundo. Normalmente, estas formas são fases microcristalinas e criptocristalinas da sílica, presentes nos agregados [CMCD, 1991]. No entanto, a
presença de constituintes reactivos num agregado não permite que sejam feitas previsões sobre o possível comportamento desse agregado no betão. Para fazer esta previsão, é necessário um julgamento baseado no desempenho em campo e/ou baseado em testes petrográficos ou de expansão em laboratório.
Em adição às formas de sílica reactivas aos álcalis há ainda a considerar que existem agregados com álcalis na sua composição, que contribuem também para o aumento da alcalinidade da solução contida nos poros do betão, e consequente desenvolvimento da RAS [CMCD, 1991]. O próprio cimento, ou as adições do tipo pozolânicas, podem também contribuir com álcalis para o sistema. Por esta razão, as normas destes produtos especificam valores limite para o teor em álcalis.
Existe um grande número de fontes externas de álcalis que podem potencialmente aumentar a alcalinidade da solução contida nos poros na matriz do betão, são elas [CMCD, 1991]:
Água do mar, que contém, maioritariamente, sais de sódio mas também pequenas quantidades de sais de potássio.
Sais de degelo (cloreto de sódio), usado em estradas, passeios, e outras superfícies durante condições de congelamento. No entanto, o principal problema criado por estes sais é a corrosão das armaduras de aço pelo ingresso de iões cloreto.
Compostos de sódio e potássio de efluentes industriais e agrícolas, ou de contaminações, que podem atingir a solução contida nos poros do betão.
2.3.AREACÇÃO SULFÁTICA INTERNA
A degradação do betão pelos sulfatos é conhecida desde há cerca de um século. Poderia pensar-se que este tipo de patologia no betão estaria em regressão graças a uma adequada selecção dos materiais, nomeadamente pelo tipo de cimento a utilizar. No entanto, estruturas e peças de betão ainda são afectadas por uma actividade sulfática, cuja origem é, por vezes, atribuída aos constituintes usados no fabrico do betão. Esta patologia é, por isso, denominada por reacção sulfática de origem interna.
Ao contrário das reacções sulfáticas mais clássicas, onde os sulfatos atacam o betão a partir do exterior (reacção sulfática de origem externa – RSE), provocando uma degradação progressiva desde a superfície para o interior da peça, a reacção sulfática de origem interna (RSI) afecta o conjunto do betão sem ter necessidade de uma fonte externa de sulfatos. A RSI pode, assim, ser definida como uma reacção química que ocorre entre os compostos do cimento, contendo alumina, e outros constituintes do betão, contendo sulfatos, ou outros compostos que, por alteração, possam originar sulfatos ou aluminatos com formação de etringite4 numa fase endurecida do betão [LNEC E461, 2004]. Esta reacção provoca a expansão do material, originando a nível macroscópico a fissuração da estrutura. A origem da expansão é atribuída à formação de etringite secundária (figura 4) que apresenta, sob certas condições termodinâmicas, propriedades expansivas [Santos Silva, A., 2005b].
a) b)
Figura 4 – a) Imagem ao MEV de etringite sobre um agregado e b) respectivo espectro obtido por EDS [Santos Silva, 2005a].
As fontes de sulfatos são múltiplas, podendo ser de origem externa ou interna ao betão. No caso das reacções sulfáticas de origem interna as fontes de sulfatos são resultantes nomeadamente: da libertação tardia dos sulfatos do clínquer, da dissolução seguida de
4
A etringite é o composto trisulfoaluminato de cálcio hidratado de fórmula química:
3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O. Existem duas formas de etringite que se diferenciam pelo momento da sua
cristalização. A etringite primária que se forma nas primeiras idades de hidratação do cimento, e que não constitui nenhum "perigo" para a estrutura dado que ela se desenvolve durante a fase fluida do betão. A etringite dita secundária é aquela a que está associado um efeito nocivo, desenvolve-se nos betões depois de endurecidos. Uma das formas de etringite secundária é a denominada de etringite retardada a qual está associada a betões que estiveram sujeitos a temperaturas elevadas durante o período de cura do betão. Esta etringite neoformada pode provocar a expansão e consequente desagregação do material [Santos Silva e Gonçalves, 2006].
reprecipitação da etringite resultante da hidratação normal dos cimentos e da formação de etringite secundária e retardada devida ao efeito da temperatura.
2.3.1. A etringite primária e secundária
Durante a hidratação do cimento Portland5, os silicatos tricálcicos solubilizam-se originando iões H2SiO42-, OH- e Ca2+ [Santos Silva, A., 2005b].
2Ca3SiO5 + 6H2O → 6Ca2+ + 8OH- + 2H2SiO42- [Equação 3] Em paralelo, ocorre a solubilização do gesso6 (equação 4) e dos aluminatos tricálcicos (equação 5) que vão formar a etringite (equação 6).
CaSO4.2H2O → Ca2+ + SO42- + 2H2O [Equação 4] 3CaO.Al2O3 + 6H2O → 3Ca2+ + 2Al(OH)4- + 4OH- [Equação 5]
3SO42- + 6Ca2+ + 2Al(OH)4- + 4OH- + 26H2O → 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O
[Equação 6]
A formação de etringite não está associada à degradação do material nesta fase. De facto, o crescimento dos cristais neste período, quando o material ainda está num estado fresco, não encontra nenhum obstáculo, o crescimento ocorre livremente e sem produção de tensões [Brunetaud, 2005].
Uma das possíveis causas para a RSI com formação de etringite retardada (ou DEF da designação anglo-saxónica delayed ettringite formation) é com frequência atribuída aos sulfatos do cimento que não tiveram condições para reagirem completamente durante a fase de hidratação. Este fenómeno tem vindo a ser crescentemente referido em vários países (Estados Unidos da América, Canadá, Reino Unido, Bélgica, França, Itália, Alemanha, etc.) e tem sido relacionado essencialmente com betões que sofreram tratamentos térmicos, ou betões em que se desenvolvem temperaturas elevadas devido à
5 Os principais constituintes do cimento Portland que vão intervir nas reacções de hidratação com a água
são o clinquer (composto pelos silicatos tricálcicos C3S, bicálcicos C2S, os aluminatos tricálcicos C3A, os
ferroaluminatos de cálcio C4AF), e o sulfato de cálcio (na forma de gesso bihidratado: CaSO4.2H2O,
hemihidratado CaSO4.½H2O e anidro CaSO4).
6 O gesso (sulfato de cálcio) é intencionalmente misturado com o clinquer para dar lugar a esta reacção e
