AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO CONSUMO DE CIMENTO NA CORROSÃO DE ARMADURAS EM ESTRUTURAS DE CONCRETO
CARBONATADAS
PATRÍCIA OLIVEIRA AMÉRICO PESSÔA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM ESTRUTURAS E CONSTRUÇÃO CIVIL
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
FACULDADE DE TECNOLOGIA
UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA
UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO CONSUMO DE CIMENTO NA CORROSÃO DE ARMADURAS EM ESTRUTURAS DE CONCRETO
CARBONATADAS
Eng. PATRÍCIA OLIVEIRA AMÉRICO PESSÔA
ORIENTADOR – ANTÔNIO ALBERTO NEPOMUCENO
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM ESTRUTURAS E CONSTRUÇÃO CIVIL
Publicação – E.DM-04A/2002
BRASÍLIA - DF - Fevereiro de 2002.
UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO CONSUMO DE CIMENTO NA CORROSÃO DE ARMADURAS EM ESTRUTURAS DE CONCRETO
CARBONATADAS
Engª. PATRÍCIA OLIVEIRA AMÉRICO PESSÔA
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO SUBMETIDA AO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL DA FACULDADE DE TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA, COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE.
APROVADA POR:
________________________________________________
ANTÔNIO ALBERTO NEPOMUCENO, Doutor (UnB) (ORIENTADOR)
________________________________________________
ELTON BAUER, Doutor (UnB) (EXAMINADOR INTERNO)
________________________________________________
BERENICE M. TORALLES-CARBONARI, Doutora (UEL) (EXAMINADOR EXTERNO)
DATA - BRASÍLIA/DF, 22 de Fevereiro de 2002
FICHA CATALOGRÁFICA
PESSÔA, PATRÍCIA OLIVEIRA AMÉRICO
Avaliação da Influência do Consumo de Cimento na Corrosão de Armaduras em Estruturas de Concreto Carbonatadas [Distrito Federal] 2002.
xxiii, 153 p., 297mm (ENC/FT/UnB, Mestre, Estruturas, 2002).
Dissertação de Mestrado – Universidade de Brasília. Faculdade de Tecnologia.
Departamento de Engenharia Civil.
1. Durabilidade 2. Consumo de Cimento 3. Carbonatação 4. Corrosão de Armaduras I. ENC/FT/UnB II. Título (série)
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA.
PESSÔA, P. O. A. (2002). Avaliação da Influência do Consumo de Cimento na Corrosão de Armaduras em Estruturas de Concreto Carbonatadas, Publicação E.DM-04A/2002, Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 153 p.
CESSÃO DE DIREITOS
NOME DO AUTOR – Patrícia Oliveira Américo Pessôa
TÍTULO DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO - Avaliação da Influência do Consumo de Cimento na Corrosão de Armaduras em Estruturas de Concreto Carbonatadas
GRAU - Mestre em Ciências ANO - 2002
É concedida à Universidade de Brasília permissão para reproduzir cópias desta dissertação de mestrado e para emprestar ou vender tais cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte desta dissertação de mestrado pode se reproduzida sem a autorização por escrito do autor.
__________________________________
Patrícia Oliveira Américo Pessôa
Rua Urquiza Leal, 840, Grageru, Ed. Orion, Ap. 201 CEP: 49.025-000 – Aracaju - SE – Brasil
E-mail: [email protected]
DEDICATÓRIA
Aos meus pais, Luís Américo e Salete, pela compreensão, carinho, apoio e por serem os meus melhores professores, pois me transmitiram conhecimentos sobre a vida.
Aos meus irmãos, Tânia, Susi e Fredy, que meu esforço sirva de incentivo aos estudos.
Em especial, ao meu companheiro e cúmplice, Ludimar, pelo apoio e incentivo, pela paciência, pelo carinho e compreensão.
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador, Professor Antônio Alberto Nepomuceno, pelos ensinamentos transmitidos, pela atenção e paciência, pela amizade.
Ao professor Elton Bauer, pelas sugestões dadas para a realização deste trabalho, pelas dúvidas tiradas e pelo apoio quanto ao uso do Laboratório de Ensaios de Materiais.
A todos os professores do Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil, pelos ensinamentos e conhecimentos que foram passados de forma competente durante as disciplinas.
Ao Laboratório de Ensaio de Materiais da UnB, onde foram executados os ensaios com a colaboração dos técnicos Severino e Xavier.
Ao laboratório de Estruturas do departamento de Engenharia Civil da UnB, pela disponibilidade de materiais para realização dos ensaios.
Ao laboratório de Recursos Hídricos da UnB, em especial ao Professor André, pelo auxílio na elaboração de algumas soluções que foram utilizadas nos ensaios.
Ao CNPq, pelo suporte financeiro.
Aos colegas do GEMAT, pelas discussões e troca de conhecimentos.
À empresa Cimento Tocantins S. A. pela disponibilidade de dados sobre o cimento utilizado.
Aos colegas de mestrado, pela amizade. Em especial a Cleyton, pelo apoio e companheirismo.
Aos amigos Oto e Eliane, pelo apoio, pelo carinho e por nos acolher em seu lar ao chegarmos em Brasília.
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO CONSUMO DE CIMENTO NA CORROSÃO DE ARMADURAS EM ESTRUTURAS DE CONCRETO CARBONATADAS
RESUMO
A corrosão de armaduras do concreto é uma manifestação patológica que causa a perda da seção transversal e a perda da resistência mecânica da estrutura. Os produtos da corrosão causam fissuras e destacamento do concreto.
Os produtos de hidratação do cimento protegem as armaduras do concreto armado devido à produção de uma grande quantidade de Ca(OH)2, NaOH e KOH, que ao se dissolverem na fase aquosa do concreto proporcionam um ambiente altamente alcalino. No entanto, estruturas de concreto armado podem estar expostas a ambientes urbanos e conseqüentemente à atmosfera poluída de gases como o CO2 e a ambientes contaminados com cloretos, o que pode provocar a corrosão de armaduras. No caso do CO2, que está dissolvido na atmosfera, ao penetrar no concreto, o mesmo reage com o Ca(OH)2, NaOH e KOH reduzindo o pH da fase aquosa provocando a despassivação da armadura e conseqüentemente a sua corrosão.
O objetivo do presente trabalho é a análise da influência do consumo de cimento na corrosão de armaduras empregando a técnica de resistência de polarização (Rp). São apresentados os resultados obtidos em corpos-de-prova prismáticos de argamassa, com a/c = 0,45 e 0,60, usando três consumos de cimento para cada relação, períodos de cura de 7 e 28 dias e cobrimentos das armaduras de 10 e 20 mm. Também foram analisados um consumo de cimento constante para as duas relações a/c. Foram utilizados corpos-de-prova prismáticos com barras de aço embutidas para as medidas de intensidade de corrosão e corpos-de-prova de forma cilíndrica para verificação da profundidade de carbonatação e realização de ensaios complementares. Os corpos-de-prova utilizados para o estudo da corrosão foram submetidos à carbonatação acelerada e posteriormente colocados em diferentes condições de umidade.
Os resultados mostram que o consumo de cimento é um fator controlador do início da corrosão e da sua intensidade, provavelmente, devido à reserva alcalina e a zona de transição.
Também se pôde observar que o aumento do consumo de cimento diminui a profundidade de carbonatação com o tempo, aumenta a absorção capilar e aumenta a resistência à compressão.
ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF THE CEMENT CONTENT IN THE CORROSION OF STEEL IN CARBONATED CONCRETE STRUCTURES
ABSTRACT
The corrosion of steel in concrete is a damage that it causes the loss of the cross section and loss of mechanical resistance of the structure. The corrosion products cause cracking of the concrete cover.
The hydration products of the cement protect the steel of reinforced concrete because of the production of a great amount of Ca(OH)2, NaOH and KOH, which dissolves in the pore solution of concrete providing an atmosphere highly alkaline. However, structures of reinforced concrete can be exposed to urban environment and consequently to the polluted atmosphere of gases as CO2 and to environment polluted with chlorides, what can cause the reinforces corrosion. In the case of CO2, that is dissolved in the atmosphere, when penetrating in the concrete, reacts with Ca(OH)2, NaOH and KOH reducing the pH of the pore solution causing the reinforces despassivation and consequently its corrosion.
The objective of the present work is the analysis of the influence of the cement content in the corrosion of steel using the polarization resistance technique. The results obtained in prismatic specimens of mortar, with 0,45 and 0,60 water/cement rates (w/c), using three cement content for each rate, curing periods of 7 and 28 days and concrete cover thickness of 10 and 20 mm are presented. It was also analyzed a constant cement content for both w/c rates. Prismatic specimens with built-in steel bars for the measures of corrosion intensity and cylindrical specimens for verification of carbonation depth ware used. The specimens used to the study of corrosion were submitted to the accelerated carbonation and later put in different humidity conditions.
The results show that the cement content is a controlling factor of the beginning of corrosion and of its intensity, probably, due to the alkaline reservation and the interfacial zone. It was also observed that the increase of the cement content reduces the carbonation depth, it increases the capillary absorption and it increases the compression strength.
Índice
Capítulo Página
1. INTRODUÇÃO... 1
1.1. IMPORTÂNCIA DO TEMA... 1
1.2. OBJETIVO... 2
1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO... 3
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 4
2.1. VIDA ÚTIL DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO ... 4
2.1.1. Durabilidade de estruturas de concreto armado ... 4
2.1.2. Conceito de vida útil... 5
2.2. MICROESTRUTURA DO CONCRETO ... 6
2.2.1. Zona de transição ... 7
2.2.2. Produtos de hidratação do cimento ... 8
2.2.3. Fase aquosa presente nos poros do concreto... 9
2.2.4. Porosidade do concreto ... 11
2.2.4.1. Microscopia eletrônica de varredura... 13
2.2.4.2. Adsorção de vapor de água... 13
2.2.4.3. Porosimetria por intrusão de mercúrio... 14
2.2.4.4. Diâmetro crítico de poro... 15
2.3. MECANISMOS DE TRANSPORTE NO CONCRETO ... 15
2.3.1. Permeabilidade ... 16
2.3.2. Absorção capilar... 18
2.3.3. Difusão... 18
2.4. CARBONATAÇÃO... 20
2.4.1. Efeito da relação água/cimento ... 24
2.4.2. Efeitos da cura ... 25
2.4.3. Efeito das condições de umidade... 26
2.4.4. Efeito da concentração de CO2... 27
2.4.5. Efeito do consumo de cimento ... 29
2.4.6. Importância do cobrimento ... 31
2.4.7. Influência das adições... 31
2.4.8. Cálculo da profundidade de carbonatação ou período de iniciação ... 32
2.4.8.1. Modelo de Kishitani ... 32
2.4.8.2. Modelo de Hamada... 33
2.4.8.3. Modelo de Parrott... 34
2.4.8.4. Modelo de Papadakis et al. ... 35
2.5. CONCEITOS SOBRE CORROSÃO... 36
2.5.1. Fatores controladores da propagação da corrosão... 42
2.5.2. Resistência de polarização como técnica eletroquímica para medidas de corrosão ... 43
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ... 46
3.1. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS ... 46
3.1.1. Cimento ... 46
3.1.1.1. Análise química... 46
3.1.1.2. Propriedades físicas... 47
3.1.2. Areia... 48
3.1.2.1. Granulometria da areia ... 48
3.2. DEFINIÇÃO DOS TRAÇOS E GRUPOS DE ENSAIOS ... 49
3.3. CORPOS-DE-PROVA ... 52
3.3.1. Corpos-de-prova para ensaios de corrosão ... 52
3.3.2. Preparação das barras ... 53
3.3.3. Moldagem e cura dos corpos-de-prova para ensaios de corrosão... 55
3.3.4. Moldagem e cura dos corpos-de-prova para ensaios complementares... 57
3.4. ENSAIO DE CARBONATAÇÃO... 57
3.4.1. Câmara de carbonatação ... 59
3.4.2. Metodologia... 60
3.5. CICLOS DE IMERSÃO PARCIAL E CÂMARA ÚMIDA ... 61
3.6. MEDIDAS ELETROQUÍMICAS DE CORROSÃO ... 62
3.7. ENSAIOS COMPLEMENTARES... 64
3.7.1. Medidas de profundidade de carbonatação ... 65
3.7.2. Absorção capilar... 67
3.7.3. Absorção por imersão ... 69
3.7.4. Resistência à compressão ... 70
3.7.5. Perda gravimétrica das barras... 71
4. APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS... 72
4.1. MEDIDAS ELETROQUÍMICAS... 72
4.1.1. Ensaios de corrosão dos grupos G1, G2 e G3 com 7 dias de cura e relação a/c = 0,45... 73
4.1.1.1. Evolução da intensidade de corrosão (icorr) ... 73
4.1.1.2. Evolução do potencial de corrosão (Ecorr)... 74
4.1.1.3. Evolução da resistência ôhmica (RC) ... 76
4.1.2. Ensaios de corrosão dos grupos G1, G2 e G3 com 28 dias de cura e relação a/c = 0,45... 77
4.1.2.1. Evolução da intensidade de corrosão (icorr) ... 77
4.1.2.2. Evolução do potencial de corrosão (Ecorr)... 80
4.1.2.3. Evolução da resistência ôhmica (RC) ... 83
4.1.3. Ensaios de corrosão dos grupos G4, G5 e G6 com 7 dias de cura e relação a/c = 0,60... 86
4.1.3.1. Evolução da intensidade de corrosão (icorr) ... 86
4.1.3.2. Evolução do potencial de corrosão (Ecorr)... 87
4.1.3.3. Evolução da resistência ôhmica (RC) ... 89
4.1.4. Ensaios de corrosão dos grupos G4, G5 e G6 com 28 dias de cura e relação a/c
= 0,60... 90
4.1.4.1. Evolução da intensidade de corrosão (icorr) ... 90
4.1.4.2. Evolução do potencial de corrosão (Ecorr)... 93
4.1.4.3. Evolução da resistência ôhmica (RC) ... 95
4.1.5. Ensaios de corrosão dos grupos G7 e G8 com 7 dias de cura e relações a/c = 0,45 e 0,60 ... 97
4.1.5.1. Evolução da intensidade de corrosão (icorr) ... 98
4.1.5.2. Evolução do potencial de corrosão (Ecorr)... 99
4.1.5.3. Evolução da resistência ôhmica (RC) ... 100
4.2. VARIAÇÃO DE MASSA DOS CORPOS-DE-PROVA PRISMÁTICOS DURANTE AS MEDIDAS ELETROQUÍMICAS... 101
4.2.1. Variação de massa dos corpos-de-prova prismáticos submetidos aos ensaios de corrosão com relação a/c = 0,45 ... 102
4.2.2. Variação de massa dos corpos-de-prova prismáticos submetidos aos ensaios de corrosão com relação a/c = 0,60 ... 105
4.2.3. Variação de massa dos corpos-de-prova prismáticos submetidos aos ensaios de corrosão com consumo de cimento igual a 540 kg/m3 ... 109
4.3. ENSAIOS COMPLEMENTARES... 110
4.3.1. Profundidade de carbonatação... 110
4.3.1.1. Profundidade de carbonatação para os grupos G1, G2 e G3 com 7 dias de cura ... 110
4.3.1.2. Profundidade de carbonatação para os grupos G1, G2 e G3 com 28 dias de cura ... 112
4.3.1.3. Profundidade de carbonatação para os grupos G4, G5 e G6 com 7 dias de cura ... 114
4.3.1.4. Profundidade de carbonatação para os grupos G4, G5 e G6 com 28 dias de cura ... 116
4.3.1.5. Profundidade de carbonatação para os grupos G7 e G8 com 7 dias de cura... 118
4.3.2. Absorção capilar... 119
4.3.2.1. Absorção capilar dos grupos G1, G2 e G3 com 7 e 28 dias de cura... 119
4.3.2.2. Absorção capilar dos grupos G4, G5 e G6 com 7 e 28 dias de cura... 121
4.3.3. Absorção por imersão ... 123
4.3.3.1. Absorção por imersão dos grupos G1, G2 e G3 com 7 e 28 dias de cura ... 124
4.3.3.2. Absorção por imersão dos grupos G4, G5 e G6 com 7 e 28 dias de cura ... 124
4.3.4. Resistência à compressão ... 125
4.4. PERDA DE MASSA ELETROQUÍMICA X GRAVIMÉTRICA ... 126
5. DISCUSSÃO ... 128
5.1. EFEITO DO CONSUMO DE CIMENTO NA MICROESTRUTURA... 128
5.2. EFEITO DO CONSUMO DE CIMENTO NA CARBONATAÇÃO ... 129
5.3. EFEITO DO CONSUMO DE CIMENTO NA CORROSÃO DAS ARMADURAS ... 131
5.3.1. Influência do consumo de cimento no período de iniciação da corrosão... 131
5.3.2. Influência do consumo de cimento na corrosão das armaduras, nas diversas condições de umidade... 134
5.4. INFLUÊNCIA DO PERÍODO DE CURA ... 137
5.5. CONSIDERAÇÕES GERAIS ... 138
6. CONCLUSÕES... 140
6.1. CONSIDERAÇÕES FINAIS... 140
6.2. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 141
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 142
ANEXOS... 148
ANEXO A... 149
A.1. CÁLCULO DO CONSUMO DE CIMENTO ... 149
ANEXO B ... 152 B.1. VARIAÇÃO DE MASSA DOS CPS CILÍNDRICOS DOS GRUPOS G1, G2 E G3
DURANTE A CARBONATAÇÃO... 152 B.2. VARIAÇÃO DE MASSA DOS CPS CILÍNDRICOS DOS GRUPOS G4, G5 E G6
DURANTE A CARBONATAÇÃO... 153
Índice de Tabelas
Tabela Página
2.1 - Principais compostos do cimento (Neville, 1997)... 8
2.2 - Valores para rc, ra e rs usados no cálculo do período de tempo de carbonatação... 34
2.3 - Reações prováveis em um processo de corrosão de armadura do concreto (Gentil, 1982; Andrade, 1992; Cascudo, 1997)... 39
3.1 - Resultados da análise química do cimento... 47
3.2 - Propriedades físicas do cimento. ... 47
3.3 - Caracterização da areia utilizada... 48
3.4 - Denominação e definição dos grupos utilizados nos ensaios. ... 50
3.5 - Números de corpos-de-prova utilizado em cada ensaio. ... 52
3.6 - Divisão das séries ensaiadas... 60
3.7 - Fases do processo de absorção capilar. ... 68
3.8 - Fases do processo de absorção por imersão. ... 69
Índice de Figuras
Figura Página
2.1 - Modelo conceitual de vida útil com relação à corrosão de armaduras (Tuutti, 1982)... 6
2.2 - Valores de pH versus a taxa de intensidade (%) do CaCO3 e do Ca(OH)2 obtidas a partir da difração de raio-X (Ohgishi apud Parrott, 1987)... 22
2.3 - Profundidade de carbonatação x tempo de carbonatação para várias relações a/c (Tuutti, 1982). ... 24
2.4 - Profundidade de carbonatação em função do período de exposição ao CO2 (Fattuhi, 1988)... 25
2.5 - Grau de carbonatação em função da umidade relativa do ar (Venaut apud González & Andrade, 1980). ... 26
2.6 - Profundidade de carbonatação ao longo do tempo para concretos protegidos e não protegidos da chuva (Tuutti, 1982)... 27
2.7 - Efeito de concentração de dióxido de carbono (Verbeck, 1958)... 28
2.8 - Coeficiente de carbonatação em função do consumo de cimento (Loo et al., 1994). ... 29
2.9 - (a) Coeficiente de difusão de oxigênio, (b) coeficiente de permeabilidade ao oxigênio e (c) profundidade de carbonatação, todos em função do consumo de cimento (Buenfeld & Okundi, 1998). ... 30
2.10 - Ilustração esquemática da corrosão da armadura no concreto (Rosenberg et al. , 1989). ... 37
2.11 - Formação da pilha de corrosão (Andrade, 1992). ... 38
2.12 - Volume relativo de vários produtos de corrosão de acordo com Nielsen apud Tuutti (1982)... 39
2.13 - Tipo de corrosão de armaduras e fatores que os provocam... 40
2.14 - Diagrama de Pourbaix: equilíbrio potencial-pH para o ferro a 25ºC (Andrade, 1992)... 41
3.1 - Curva granulométrica da areia utilizada... 49
3.2 - Vista em três dimensões do cp prismático. ... 53
3.3 - Cortes transversal (a) e longitudinal (b) do cp prismático... 53
3.4 - Esquema da delimitação da área exposta ao ataque na barra, unidades em cm. ... 54
3.5 - Esquema da câmara de carbonatação utilizada nos ensaios. ... 59
4.1 - Evolução das intensidades de corrosão para as barras com e = 20 mm dos grupos G1, G2 e G3 com 7 dias de cura e a/c = 0,45... 73
4.2 - Evolução das intensidades de corrosão para as barras com e = 10 mm dos grupos G1, G2 e G3 com 7 dias de cura e a/c = 0,45... 74 4.3 - Evolução dos potenciais de corrosão para as barras com e = 20 mm dos grupos G1, G2 e
G3 com 7 dias de cura e a/c = 0,45... 75 4.4 - Evolução dos potenciais de corrosão para as barras com e = 10 mm dos grupos G1, G2 e
G3 com 7 dias de cura e a/c = 0,45... 75 4.5 - Evolução das resistências ôhmica para as barras com e = 20 mm dos grupos G1, G2 e G3
com 7 dias de cura e a/c = 0,45... 76 4.6 - Evolução das resistências ôhmica para as barras com e = 10 mm dos grupos G1, G2 e G3
com 7 dias de cura e a/c = 0,45... 76 4.7 - Evolução das intensidades de corrosão para as barras com e = 20 mm dos grupos G1, G2 e
G3 com 28 dias de cura e a/c = 0,45... 78 4.8 - Evolução das intensidades de corrosão para as barras com e = 10 mm dos grupos G1, G2 e
G3 com 28 dias de cura e a/c = 0,45... 78 4.9 - Evolução das intensidades de corrosão em diferentes condições de umidade para as barras
com e = 20 mm dos grupos G1, G2 e G3 com 28 dias de cura e a/c = 0,45. ... 79 4.10 - Evolução das intensidades de corrosão em diferentes condições de umidade para as
barras com e = 10 mm dos grupos G1, G2 e G3 com 28 dias de cura e a/c = 0,45. ... 80 4.11 - Evolução dos potenciais de corrosão para as barras com e = 20 mm dos grupos G1, G2 e
G3 com 28 dias de cura e a/c = 0,45... 81 4.12 - Evolução dos potenciais de corrosão para as barras com e = 10 mm dos grupos G1, G2 e
G3 com 28 dias de cura e a/c = 0,45... 81 4.13 - Evolução dos potenciais de corrosão em diferentes condições de umidade para as barras
com e = 20 mm dos grupos G1, G2 e G3 com 28 dias de cura e a/c = 0,45. ... 82 4.14 - Evolução dos potenciais de corrosão em diferentes condições de umidade para as barras
com e = 10 mm dos grupos G1, G2 e G3 com 28 dias de cura e a/c = 0,45. ... 83 4.15 - Evolução das resistências ôhmica para as barras com e = 20 mm dos grupos G1, G2 e G3
com 28 dias de cura e a/c = 0,45... 84 4.16 - Evolução das resistências ôhmica para as barras com e = 10 mm dos grupos G1, G2 e G3
com 28 dias de cura e a/c = 0,45... 84 4.17 - Evolução das resistências ôhmica em diferentes condições de umidade para as barras
com e = 20 mm dos grupos G1, G2 e G3 com 28 dias de cura e a/c = 0,45. ... 85
4.18 - Evolução das resistências ôhmica em diferentes condições de umidade para as barras com e = 10 mm dos grupos G1, G2 e G3 com 28 dias de cura e a/c = 0,45. ... 86 4.19 - Evolução das intensidades de corrosão para as barras com e = 20 mm dos grupos G4, G5
e G6 com 7 dias de cura e a/c = 0,60. ... 87 4.20 - Evolução das intensidades de corrosão para as barras com e = 10 mm dos grupos G4, G5
e G6 com 7 dias de cura e a/c = 0,60. ... 87 4.21 - Evolução dos potenciais de corrosão para as barras com e = 20 mm dos grupos G4, G5 e
G6 com 7 dias de cura e a/c = 0,60... 88 4.22 - Evolução dos potenciais de corrosão para as barras com e = 10 mm dos grupos G4, G5 e
G6 com 7 dias de cura e a/c = 0,60... 88 4.23 - Evolução das resistências ôhmica para as barras com e = 20 mm dos grupos G4, G5 e G6
com 7 dias de cura e a/c = 0,60... 89 4.24 - Evolução das resistências ôhmica para as barras com e = 10 mm dos grupos G4, G5 e
G6 com 7 dias de cura e a/c = 0,60... 89 4.25 - Evolução das intensidades de corrosão para as barras com e = 20 mm dos grupos G4, G5
e G6 com 28 dias de cura e a/c = 0,60. ... 90 4.26 - Evolução das intensidades de corrosão para as barras com e = 10 mm dos grupos G4, G5
e G6 com 28 dias de cura e a/c = 0,60. ... 91 4.27 - Evolução das intensidades de corrosão em diferentes condições de umidade para as
barras com e = 20 mm dos grupos G4, G5 e G6 com 28 dias de cura e a/c = 0,60. ... 92 4.28 - Evolução das intensidades de corrosão em diferentes condições de umidade para as
barras com e = 10 mm dos grupos G4, G5 e G6 com 28 dias de cura e a/c = 0,60. ... 92 4.29 - Evolução dos potenciais de corrosão para as barras com e = 20 mm dos grupos G4, G5 e
G6 com 28 dias de cura e a/c = 0,60... 93 4.30 - Evolução dos potenciais de corrosão para as barras com e = 10 mm dos grupos G4, G5 e
G6 com 28 dias de cura e a/c = 0,60... 93 4.31 - Evolução dos potenciais de corrosão em diferentes condições de umidade para as barras
com e = 20 mm dos grupos G4, G5 e G6 com 28 dias de cura e a/c = 0,60. ... 94 4.32 - Evolução dos potenciais de corrosão em diferentes condições de umidade para as barras
com e = 10 mm dos grupos G4, G5 e G6 com 28 dias de cura e a/c = 0,60. ... 95 4.33 - Evolução das resistências ôhmica para as barras com e = 20 mm dos grupos G4, G5 e G6
com 28 dias de cura e a/c = 0,60... 95
4.34 - Evolução das resistências ôhmica para as barras com e = 10 mm dos grupos G4, G5 e G6 com 28 dias de cura e a/c = 0,60... 96 4.35 - Evolução das resistências ôhmica em diferentes condições de umidade para as barras
com e = 20 mm dos grupos G4, G5 e G6 com 28 dias de cura e a/c = 0,60. ... 97 4.36 - Evolução das resistências ôhmica em diferentes condições de umidade para as barras
com e = 10 mm dos grupos G4, G5 e G6 com 28 dias de cura e a/c = 0,60. ... 97 4.37 - Evolução das intensidades de corrosão para as barras com e = 20 mm dos grupos G7 e
G8 com 7 dias de cura e consumo de cimento igual a 540 kg/m3... 98 4.38 - Evolução das intensidades de corrosão para as barras com e = 10 mm dos grupos G7 e
G8 com 7 dias de cura e consumo de cimento igual a 540 kg/m3... 98 4.39 - Evolução dos potenciais de corrosão para as barras com e = 20 mm dos grupos G7 e G8
com 7 dias de cura e consumo de cimento igual a 540 kg/m3... 99 4.40 - Evolução dos potenciais de corrosão para as barras com e = 10 mm dos grupos G7 e G8
com 7 dias de cura e consumo de cimento igual a 540 kg/m3... 100 4.41 - Evolução das resistências ôhmica para as barras com e = 20 mm dos grupos G7 e G8
com 7 dias de cura e consumo de cimento igual a 540 kg/m3... 101 4.42 - Evolução das resistências ôhmica para as barras com e = 10 mm dos grupos G7 e G8
com 7 dias de cura e consumo de cimento igual a 540 kg/m3... 101 4.43 - Variação de massa dos grupos G1, G2 e G3 relativos aos cps com 7 dias de cura... 102 4.44 - Variação de massa dos grupos G1, G2 e G3 com 28 dias de cura durante a carbonatação
acelerada. ... 103 4.45 - Variação de massa dos grupos G1, G2 e G3 com 28 dias de cura durante a imersão
parcial imediatamente após a carbonatação... 104 4.46 - Variação de massa dos grupos G1, G2 e G3 com 28 dias de cura durante a imersão
parcial após a secagem em estufa a 60 ºC... 105 4.47 - Variação de massa dos grupos G1, G2 e G3 com 28 dias de cura durante a permanência
em câmara úmida após a secagem em estufa a 60 ºC. ... 105 4.48 - Variação de massa dos grupos G4, G5 e G6 relativos aos cps com 7 dias de cura... 106 4.49 - Variação de massa dos grupos G4, G5 e G6 com 28 dias de cura durante a carbonatação
acelerada. ... 106 4.50 - Variação de massa dos grupos G4, G5 e G6 com 28 dias de cura durante a imersão
parcial imediatamente após a carbonatação... 107
4.51 - Variação de massa dos grupos G4, G5 e G6 com 28 dias de cura durante a imersão parcial após a secagem em estufa a 60 ºC... 108 4.52 - Variação de massa dos grupos G1, G2 e G3 com 28 dias de cura durante a permanência
em câmara úmida após a secagem em estufa a 60 ºC. ... 108 4.53 - Variação de massa dos grupos G7 e G8 com 7 dias de cura. ... 109 4.54 - Medidas das profundidades em função do tempo de carbonatação acelerada, para os
grupos G1, G2 e G3 com 7 dias de cura. ... 112 4.55 - Medidas das profundidades em função do tempo de carbonatação acelerada, para os
grupos G1, G2 e G3 com 28 dias de cura. ... 113 4.56 - Medidas das profundidades em função do tempo de carbonatação acelerada, para os
grupos G4, G5 e G6 com 7 dias de cura. ... 115 4.57 - Medidas das profundidades em função do tempo de carbonatação acelerada, para os
grupos G4, G5 e G6 com 28 dias de cura. ... 117 4.58 - Medidas das profundidades em função do tempo de carbonatação acelerada, para os
grupos G7 e G8 com 7 dias de cura. ... 119 4.59 - Absorção capilar em g/cm2 em função da raiz quadrada do tempo para os grupos G1, G2
e G3 com 7 dias de cura... 120 4.60 - Absorção capilar em g/cm2 em função da raiz quadrada do tempo para os grupos G1, G2
e G3 com 28 dias de cura... 120 4.61 - Absorção capilar total em g/cm2 para os grupos G1, G2 e G3 com 7 (7d) e 28 (28d) dias
de cura... 121 4.62 - Absorção capilar em g/cm2 em função da raiz quadrada do tempo para os grupos G4, G5
e G6 com 7 dias de cura... 122 4.63 - Absorção capilar em g/cm2 em função da raiz quadrada do tempo para os grupos G4, G5
e G6 com 28 dias de cura... 122 4.64 - Absorção capilar total em g/cm2 para os grupos G4, G5 e G6 com 7 (7d) e 28 (28d) dias
de cura... 123 4.65 - Absorção ao final da imersão total e fervura relativos aos grupos G1, G2 e G3 com 7 e 28
dias de cura. ... 124 4.66 - Absorção ao final da imersão total e fervura relativos aos grupos G4, G5 e G6 com 7 e 28
dias de cura. ... 125
4.67 - Resistência à compressão aos 7 e 28 dias para os grupos G1, G2 e G3 (a/c = 0,45) e G4, G5 e G6 (a/c = 0,60). ... 125 4.68 - Perda de massa eletroquímica x gravimétrica dos grupos G1, G2 e G3 com 7 dias de
cura... 126 5.1 - Duração da fase de iniciação em horas para os grupos G1, G2 e G3, (a) com 7 dias de cura
e (b) com 28 dias de cura. ... 132 5.2 - Duração da fase de iniciação em horas para os grupos G4, G5 e G6, (a) com 7 dias de cura
e (b) com 28 dias de cura. ... 132 5.3 - Duração da fase de iniciação em horas para os grupos G7 e G8 com 7 dias de cura... 133 5.4 - Variação de massa nas diferentes condições de umidade, sendo (a) para os grupos com a/c
= 0,45 e (b) para a/c = 0,60. ... 136 5.5 - Intensidade de corrosão máxima nas diferentes condições de umidade, sendo (a) para os
grupos com a/c = 0,45 e (b) para a/c = 0,60... 136 B.1 - Variação de massa dos cps cilíndricos para os grupos G1, G2 e G3, com 7 dias de cura,
durante o período de carbonatação. ... 152 B.2 - Variação de massa dos cps cilíndricos para os grupos G1, G2 e G3, com 28 dias de cura,
durante o período de carbonatação. ... 152 B.3 - Variação de massa dos cps cilíndricos para os grupos G4, G5 e G6, com 7 dias de cura,
durante o período de carbonatação. ... 153 B.4 - Variação de massa dos cps cilíndricos para os grupos G4, G5 e G6, com 28 dias de cura,
durante o período de carbonatação. ... 153
Índice de Fotos
Foto Página
3.1 - Da esquerda para a direita, barra de aço antes da limpeza, depois da limpeza e com a delimitação da área. ... 55 3.2 - Cps prismáticos ainda na fôrma, momento de desmoldagem. ... 56 3.3 - (a) cp após a desmoldagem, (b) cp após a conexão e (c) após a impermeabilização. ... 56 3.4 - Câmara de carbonatação utilizada nos ensaios... 60 3.5 - Cps prismáticos parcialmente imersos em água após a carbonatação... 62 3.6 - Aparato utilizado nos ensaios de corrosão. ... 63 3.7 - Célula eletroquímica constituída pelo cp prismático e os eletrodos de referência e o contra-
eletrodo. ... 64 3.8 - Cps prismáticos com e sem barras... 65 3.9 - Corpo-de-prova fraturado para medição da profundidade de carbonatação... 66 3.10 - Aspersão da fenolftaleína. ... 66 3.11 - Medida da profundidade de carbonatação... 67 3.12 - (a) Vista superior mostrando a disposição dos cps no ensaio de absorção capilar, (b)
recipiente utilizada no ensaio... 68 3.13 - (a) Imersão de 1/3 dos cps, (b) Imersão de 2/3 dos cps e (c) Imersão total dos cps... 70 3.14 - Fervura dos cps após 72 horas de imersão. ... 70 3.15 - Cp prismático sendo fraturado para a retirada das barras... 71 4.1 - Profundidade de carbonatação do grupo G1, C = 530 kg/m3, com 7 dias de cura. ... 111 4.2 - Profundidade de carbonatação do grupo G2, C = 630 kg/m3, com 7 dias de cura. ... 111 4.3 - Profundidade de carbonatação do grupo G3, C = 730 kg/m3, com 7 dias de cura. ... 111 4.4 - Profundidade de carbonatação do grupo G1, C = 530 kg/m3, com 28 dias de cura. ... 113 4.5 - Profundidade de carbonatação do grupo G2, C = 630 kg/m3, com 28 dias de cura. ... 113 4.6 - Profundidade de carbonatação do grupo G3, C = 730 kg/m3, com 28 dias de cura. ... 113 4.7 - Profundidade de carbonatação do grupo G4, C = 445 kg/m3, com 7 dias de cura. ... 115 4.8 - Profundidade de carbonatação do grupo G5, C = 545 kg/m3, com 7 dias de cura. ... 115
4.9 - Profundidade de carbonatação do grupo G6, C = 645 kg/m3, com 7 dias de cura. ... 115 4.10 - Profundidade de carbonatação do grupo G4, C = 445 kg/m3, com 28 dias de cura. ... 116 4.11 - Profundidade de carbonatação do grupo G5, C = 545 kg/m3, com 28 dias de cura. ... 116 4.12 - Profundidade de carbonatação do grupo G6, C = 645 kg/m3, com 28 dias de cura. ... 116 4.13 - Profundidade de carbonatação do grupo G7, C = 540 kg/m3, a/c =0,45 e 7 dias de cura... 118 4.14 - Profundidade de carbonatação do grupo G8, C = 540 kg/m3, a/c =0,60 e 7 dias de cura... 118
Lista de Símbolos
Å...Angstron
! ...Ohm µm ...Micrometro
A % ...Relação água/materiais secos a/c...Relação água/cimento
C...Consumo de cimento CaCO3...Carbonato de cálcio Ca(OH)2...Hidróxido de cálcio Cl-...Íon cloreto
CO2...Dióxido de carbono Cp...Corpo-de-prova Cps ...Corpos-de-prova E ...Potencial de corrosão e...Espessura de cobrimento H2CO3...Ácido carbônico
H2SO4...Ácido sulfúrico HR...Umidade relativa icorr...Intensidade de corrosão KOH...Hidróxido de potássio l/min...Litros por minuto NaOH ...Hidróxido de sódio OH-...Íon hidroxila
Rp...Resistência de polarização
1. INTRODUÇÃO
1.1. IMPORTÂNCIA DO TEMA
Os produtos de hidratação do cimento protegem as armaduras do concreto armado devido à produção de uma grande quantidade de hidróxido de cálcio, de sódio e de potássio que, ao se dissolverem na fase aquosa do concreto, proporcionam um ambiente altamente alcalino. No entanto, estruturas de concreto armado podem estar expostas a ambientes urbanos e conseqüentemente à atmosfera poluída de gases como o CO2 e a ambientes contaminados com cloretos, o que pode provocar a corrosão de armaduras. No caso do CO2, que está dissolvido na atmosfera, ao penetrar no concreto o mesmo reage com o Ca(OH)2, e conseqüentemente reduz o pH da fase aquosa provocando a despassivação da armadura, com possibilidade de corrosão na presença de umidade.
O fenômeno da corrosão das armaduras causa a deterioração do aço imerso no concreto pela transformação do metal em óxido, acompanhada da expansão volumétrica, gerando tensões significativas. A manifestação da corrosão das armaduras ocorre sob a forma de fissuras, destacamento do cobrimento, manchas, redução da seção da armadura e perda de aderência.
Ao se construir uma estrutura em concreto armado deve-se considerar a questão da durabilidade da mesma, ou seja, deve-se analisar a capacidade de resistência do concreto às condições de deterioração proporcionadas por ataques químicos, ações de desgaste, entre outros.
A compreensão das propriedades do concreto é de importância significativa para o avanço tecnológico, melhoria do desempenho e maior durabilidade das estruturas.
Na literatura existem vários trabalhos sobre questões relativas a durabilidade do concreto envolvendo fenômenos de sua deterioração. Fernandez Paris (1973) fez um estudo detalhado sobre a carbonatação, sendo o seu trabalho mais voltado para o ponto de vista da química do processo. Autores como Tuutti (1982) e Parrott (1987) contribuíram de forma enriquecedora para o entendimento de fenômenos que afetam a durabilidade com relação à
penetração de agentes agressivos. O fenômeno da corrosão é muito bem explorado, sob o ponto de vista eletroquímico, por Gentil (1982).
No Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil da Universidade de Brasília foram desenvolvidos alguns trabalhos envolvendo questões sobre a durabilidade do concreto e fenômenos que causam a sua deterioração podendo-se citar algumas dissertações, como exemplo: Monteiro (1996) fez um estudo da capacidade de proteção de cimentos nacionais em relação à corrosão de armaduras; Castanheira (1997) fez uma avaliação da eficiência de reparos para estruturas contaminadas por cloretos; Teixeira (1998) fez um estudo de metodologias auxiliares para diagnóstico de patologias de corrosão; Silva (1999) estudou a infiltração de água no concreto; Feijão (2000) fez um estudo de sensores de corrosão para estruturas de concreto.
Em meio a inúmeros trabalhos envolvendo o fenômeno da carbonatação, poucos foram encontrados envolvendo a influência do consumo de cimento neste mecanismo. Loo et al.
(1994) apresentaram que o consumo de cimento não afeta de maneira significativa a taxa de carbonatação, enquanto Buenfeld & Okundi (1998) concluíram que o aumento do consumo de cimento aumenta de forma significativa a taxa de carbonatação. Além dos resultados contraditórios encontrados na literatura, não foi encontrado estudo sobre a influência do consumo de cimento na corrosão de armaduras em estruturas de concreto carbonatadas. Sendo assim, o estudo sobre a influência da reserva alcalina, proporcionada pelo consumo de cimento, na corrosão de armaduras será uma contribuição para o entendimento da durabilidade de estruturas de concreto armado.
1.2. OBJETIVO
O objetivo principal do presente trabalho é a avaliação da influência do consumo de cimento na corrosão de armaduras empregando corpos-de-prova submetidos a carbonatação acelerada, tendo como variáveis independentes o consumo de cimento, a relação a/c e o período de cura. Para avaliação da corrosão das armaduras será utilizada a técnica eletroquímica de resistência de polarização (Rp).
Como objetivos secundários tem-se a avaliação da influência do consumo de cimento:
!"Na profundidade de carbonatação;
!"Na penetração de água, avaliadas pela absorção capilar e absorção por imersão total;
!"Na resistência à compressão.
1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO
A presente dissertação de mestrado está estruturada em seis capítulos.
No presente Capítulo são apresentados a importância do tema, os objetivos e a estruturação do trabalho.
No Capítulo 2 é apresentada a revisão bibliográfica enfocando principalmente o mecanismo de carbonatação, as suas causas e os efeitos de algumas características do concreto, assim como, os conceitos sobre a durabilidade e vida útil de uma estrutura, a microestrutura do concreto, os mecanismos de transportes e os conceitos básicos sobre corrosão e a técnica de resistência de polarização.
Todo o procedimento experimental adotado neste trabalho, como a caracterização dos materiais utilizados, definição dos traços, preparação das barras de aço para os ensaios de corrosão, moldagem e métodos de ensaios, estão apresentados no Capítulo 3.
Os resultados obtidos nos ensaios de corrosão e nos ensaios complementares, como os de profundidade de carbonatação, absorção capilar e por imersão, estão dispostos no Capítulo 4.
No Capítulo 5 é feita a discussão dos resultados obtidos que foram apresentados no Capítulo 4.
O Capítulo 6 expõe as conclusões obtidas a partir dos resultados que foram analisados e as sugestões para trabalhos futuros.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. VIDA ÚTIL DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO
2.1.1. Durabilidade de estruturas de concreto armado
A durabilidade de uma estrutura de concreto deve ser um dos principais objetivos ao se projetar e construir uma edificação. A obtenção de um concreto durável envolve várias etapas do processo construtivo, que incluem o planejamento, a elaboração de projetos, a execução, até a manutenção da edificação propriamente construída. Entretanto, é crescente o número de estruturas de concreto que apresentam problemas de degradação.
Segundo o ACI 116R (1978), a durabilidade é a capacidade do concreto resistir a ações de desgaste, ataques químicos, abrasão e outras condições de deterioração.
Segundo o CEB (1989) a combinação do calor, da umidade interna e das substâncias químicas do concreto em interação com o ambiente que rodeia a estrutura e os parâmetros que controlam os mecanismos de transporte constituem os principais elementos que influem na durabilidade do concreto.
O CEB (1997) considera que durabilidade é a capacidade da estrutura oferecer um desempenho requerido durante um período desejado de vida útil de acordo com a influência dos fatores de degradação.
A NBR 6118 (1978) não contemplava aspectos de durabilidade, mas o projeto de revisão NBR 6118 (2001)1 define durabilidade como a capacidade da estrutura resistir às influências ambientais previstas. As estruturas de concreto devem ser projetadas e construídas de modo que, sob as condições ambientais previstas e quando utilizadas conforme preconizado em projeto, conservem sua segurança, estabilidade e aptidão em serviço durante o período correspondente à sua vida útil.
1 Item 5.1.2 do projeto de revisão da norma NBR 6118 (2001).
2.1.2. Conceito de vida útil
O concreto armado, como visto anteriormente, não é um material eternamente durável, devido às interações com o meio ambiente onde está inserido, o que resulta em mudanças nas características dos materiais que o compõe. Mehta & Monteiro (1994), admitem que um material atingiu o fim da sua vida útil quando as suas propriedades, sob dadas condições de uso, deterioram a um tal ponto que a continuação do uso deste material é considerada como insegura ou antieconômica.
O CEB (1989) define a vida útil como o tempo em que a estrutura mantém um limite mínimo de comportamento em serviço para qual foi projetada, sem elevados custos de manutenção e reparação.
Segundo o projeto de revisão da NBR 6118 (2001), entende-se por vida útil de projeto, o período de tempo durante o qual se mantêm as características das estruturas de concreto sem exigir medidas extras de manutenção e reparo, isto é, é após esse período que começa a efetiva deterioração da estrutura, com o aparecimento de sinais visíveis como: produtos de corrosão da armadura, desagregação do concreto, fissuras, etc. Esta Norma pressupõe uma vida útil de no mínimo 50 anos.
Um outro conceito sobre vida útil, que é citado por vários autores (Andrade, 1992;
Nepomuceno, 1992; Bauer, 1995; Monteiro, 1996; Cascudo, 1997; entre outros), foi dado por Tuutti (1982), no qual o autor considera que, do ponto de vista da corrosão de armaduras a vida útil de estruturas de concreto é constituída de um período de iniciação e outro de propagação, como pode ser visto na Figura 2.1.
A duração do estágio de iniciação é determinada pelo período de tempo no qual o cobrimento de concreto sofre mudanças como resultado de sua neutralização pela carbonatação ou da penetração de substâncias agressivas que chegam até à armadura, atingindo concentrações que proporcionam o início do processo de corrosão (Tuutti, 1982).
Ou seja, é o período de tempo que os agentes agressivos, tais como os íons cloreto e o gás carbônico, levam até atingirem a armadura. Esse transporte de massa depende de diversos fatores, dentre eles: a porosidade do concreto, a qualidade do cobrimento e a diferença de concentração entre o meio e o concreto. A espessura do cobrimento é também um fator importante para estabelecimento do período de iniciação.
Iniciação Propagação Vida útil
Penetração até a armadura
Grau aceitável
CO2, Cl-
O2, Temp, HR
Grau de corrosão
Tempo
Figura 2.1: Modelo conceitual de vida útil com relação à corrosão de armaduras (Tuutti, 1982).
A partir do momento em que os agentes agressivos atingem a armadura e a despassiva, começa o processo de corrosão, que depende do conteúdo de umidade e oxigênio, e tem início o estágio de propagação, no qual a armadura perde seção transversal e, conseqüentemente, a sua capacidade portante. Segundo Tuutti (1982), depois de iniciado o processo de corrosão no período de propagação, os fatores que determinam a intensidade de corrosão determinarão a duração deste período. Alguns fatores que influenciam a taxa de corrosão são: o conteúdo de umidade do concreto influenciado por meio de umidade relativa, a temperatura, a composição química da solução aquosa dos poros em volta da armadura e a porosidade do concreto.
2.2. MICROESTRUTURA DO CONCRETO
A durabilidade do concreto está intimamente ligada à sua microestrutura, o que envolve as propriedades de cada material constituinte e as relações entre eles. A estrutura interna do concreto é bastante heterogênea e altamente complexa.
Segundo Mehta & Monteiro (1994), a nível macroscópico, o concreto pode ser considerado um material bifásico, constituído de partículas de agregados dispersas em uma
matriz de cimento2 hidratado. A nível microscópico começam a aparecer as complexidades da microestrutura do concreto. A região interfacial entre as partículas de agregado e a pasta representa uma terceira fase, a zona de transição.
2.2.1. Zona de transição
A zona de transição formada em volta das partículas de agregado no concreto é uma camada muito fina, tipicamente 20 a 30 µm de espessura, da pasta de cimento hidratada (Delagrave et al., 1997).
Segundo Mehta & Monteiro (1994), a zona de transição apresenta uma espessura de 10 a 50 µm ao redor do agregado graúdo, sendo geralmente mais fraca que o agregado e a pasta, e exerce uma influência muito maior sobre o comportamento mecânico do concreto.
A formação da zona de transição é devido a espaços preenchidos por água em volta do agregado na mistura fresca (Diamond apud Bentur & Odler, 1996), ou seja, a distribuição de água na pasta em volta do agregado não é uniforme, com efetivo aumento da relação a/c na vizinhança da superfície do agregado (Hoshino apud Bentur & Odler, 1996).
A resistência da zona de transição em qualquer ponto depende do volume e do tamanho dos vazios presentes. Um outro fator responsável pela baixa resistência da zona de transição é a presença de microfissuras. Para Mehta & Monteiro (1994), a zona de transição é considerada a fase de resistência limite do concreto. A níveis de tensão maiores que 70% da resistência última, as concentrações de tensão nos poros grandes da matriz de argamassa tornam-se suficientemente grandes para iniciar novas fissuras, as quais se propagam até se unirem às fissuras originadas na zona de transição. Então as fissuras tornam-se um sistema contínuo e o material rompe.
Dados do efeito da zona de transição na durabilidade dos materiais cimentíceos são limitados. Do ponto de vista teórico, a alta porosidade da zona de transição deveria facilitar o ingresso de agentes agressivos externos e favorecer o desenvolvimento de reações químicas deletérias (Delagrave et al., 1997). Segundo o autor, a presença de agregados na pasta de
2 Massa contínua da pasta de cimento endurecida.
cimento tende a modificar a microestrutura e as propriedades de transporte dos sistemas cimentíceos. Os agregados têm dois efeitos contrários nas propriedades de transportes: agem como inclusões sólidas aumentando a tortuosidade da matriz, enquanto a presença de várias zonas tende a facilitar o movimento de agentes agressivos. Resultados de pesquisa encontrados por Delagrave et al. (1997), ressaltam que não é a conectividade da zona de transição que influencia nas propriedades de transporte, mas a relação zona de transição\pasta de cimento.
2.2.2. Produtos de hidratação do cimento
As matérias primas utilizadas na fabricação do cimento Portland consistem principalmente de calcário, sílica, alumina e óxido de ferro. Estes compostos interagem entre si no forno formando uma série de produtos mais complexos (Neville, 1997). Quatro compostos são considerados os principais constituintes do cimento os quais estão relacionados na Tabela 2.1.
Tabela 2.1: Principais compostos do cimento (Neville, 1997).
NOME DO COMPOSTO COMPOSIÇÃO EM ÓXIDOS ABREVIAÇÃO
Silicato tricálcico 3CaO . SiO2 C3S
Silicato dicálcico 2CaO . SiO2 C2S
Aluminato tricálcico 3CaO . Al2O3 C3A Ferroaluminato tetracálcico 4CaO . Al2O3 . Fe2O3 C4AF
Segundo Mehta & Monteiro (1994), o cimento Portland comum é constituído de 45 a 60 % de C3S, 15 a 30 % de C2S, 6 a 12 % de C3A e 6 a 8 % de C4AF.
O cimento Portland só adquire a propriedade aglomerante quando misturado à água.
Segundo Mehta & Monteiro (1994) são dois os mecanismos de hidratação do cimento Portland: a hidratação por dissolução-precipitação envolve a dissolução de compostos anidros em seus constituintes iônicos, formação de hidratos na solução e, devido à sua baixa solubilidade, uma eventual precipitação de hidratos provenientes da solução supersaturadas e no outro mecanismo denominado topoquímico ou hidratação no estado sólido do cimento, as reações ocorrem diretamente na superfície dos componentes do cimento anidro sem entrarem em solução.
Segundo Mehta & Monteiro (1994), quando o cimento Portland é disperso em água, após alguns minutos de hidratação, há uma combinação entre o cálcio, sulfato, aluminato e íons hidroxila e aparecem os primeiros cristais de sulfoaluminato de cálcio hidratados chamados etringita. Algumas horas depois, cristais de hidróxido de cálcio e silicatos de cálcio hidratado começam a preencher o espaço vazio ocupado inicialmente pela água e as partículas de cimento em dissolução.
A pasta de cimento hidratado apresenta quatro fases sólidas principais, as quais são:
silicato de cálcio hidratado, hidróxido de cálcio, sulfoaluminatos de cálcio e os grãos de clínquer não hidratado. Tais fases foram descritas por Mehta & Monteiro (1994) e estão dispostas a seguir:
!"Os silicatos de cálcio hidratado, ou simplesmente C-S-H, constituem de 50 a 60 % do volume de sólidos de uma pasta de cimento Portland completamente hidratado, sendo assim o constituinte mais importante na determinação das propriedades da pasta.
A morfologia do C-S-H varia de fibras pouco cristalinas a um reticulado cristalino.
!"Os cristais de hidróxido de cálcio, ou portlandita, constituem de 20 a 25 % do volume de sólidos na pasta hidratada. O hidróxido de cálcio tende a formar cristais grandes na forma de prismas hexagonais. A morfologia dos cristais apresenta desde formas não definidas até pilhas de placas geometricamente bem definidas.
!"Os sulfoaluminatos de cálcio ocupam de 15 a 20 % do volume de sólidos na pasta de cimento endurecida e desempenham um papel menor nas relações estrutura- propriedade.
!"Os grãos de clínquer não hidratado podem ser encontrados na microestrutura de pastas de cimento hidratado mesmo após um longo período de hidratação.
2.2.3. Fase aquosa presente nos poros do concreto
A hidratação do cimento Portland normalmente ocorre na presença de uma quantidade de água limitada. Segundo Mehta & Monteiro (1994), a água pode estar presente na pasta de várias formas. A classificação da água em diversos tipos feita pelos autores é baseada no grau
de dificuldade ou facilidade que a mesma pode ser removida. Para os autores a água pode estar presente nos seguintes estados descritos a seguir:
!"Água capilar: água que está presente nos poros maiores que 50 Å. Pode ser descrita como o volume de água que está livre da influência das forças de atração exercidas pela superfície sólida. A água capilar pode ser dividida em duas categorias:
água presente em vazios maiores que 50 nm a qual pode ser considerada água livre uma vez que a sua remoção não causa variação de volume e a água retida por tensão capilar em capilares pequenos, entre 5 e 50 nm, cuja remoção pode causar retração do sistema;
!"Água adsorvida: as moléculas de água próximas a superfície do sólido sob a influência de forças de atração, estão fisicamente adsorvidas à superfície dos sólidos da pasta. A perda de água adsorvida é principalmente responsável pela retração da pasta na secagem.
!"Água interlamelar: água associada à estrutura do C-S-H. Esta água é perdida somente por secagem forte, com umidade relativa abaixo de 11%, e quando o mesmo acontece a estrutura do C-S-H retrai consideravelmente.
!"Água quimicamente combinada: água que é parte integrante da estrutura de vários produtos hidratados do cimento. Esta água não é perdida na secagem e é liberada quando os produtos hidratados são decompostos por aquecimento.
A composição da fase aquosa dos poros é o fator decisivo para determinar se o aço estará passivado ou se estará em corrosão ativa (Rosenberg et al., 1989). O concreto contém substâncias básicas tais como o CaO, Na2O e o K2O que ao se hidratarem produzem o Ca(OH)2, NaOH e KOH constituindo a reserva alcalina do concreto. A concentração de álcalis e hidroxilas da fase aquosa pode ser um dos fatores que alteram o comportamento frente a carbonatação. Quanto maior o consumo de cimento maior a quantidade de álcalis e, conseqüentemente, maior a dificuldade de carbonatar (Tuutti, 1982).
2.2.4. Porosidade do concreto
A porosidade é a relação expressa como a porcentagem do volume de vazios de um material com relação ao seu volume total.
A porosidade total do concreto está constituída tanto pelos poros fechados ou por uma rede de poros, cujos tamanhos variam entre poucos Å até em torno de 100 Å para os poros de gel, de aproximadamente 100 Å a 105 Å para os poros capilares e de 10 Å até a ordem de mm para os chamados poros de ar ou grandes poros (Andrade, 1984).
Segundo Mehta & Monteiro (1994), a pasta de cimento contém diferentes tipos de vazios que têm uma influência importante em suas propriedades. Estes autores descrevem três tipos de vazios:
!"Espaço interlamelar no C-S-H: Powers apud Mehta & Monteiro (1994), assume
que a largura do espaço interlamelar na estrutura C-S-H é de 18 Å e determinou que ele é responsável por 28 % da porosidade capilar no C-S-H sólido. Para os autores, este tamanho de vazio é muito pequeno para ter um efeito desfavorável sobre a resistência e a permeabilidade da pasta.
!"Vazios capilares: os vazios capilares representam o espaço não preenchido pelos componentes sólidos da pasta. A hidratação do cimento deve ser considerada como um processo durante o qual o espaço inicialmente ocupado pelo cimento e a água vai sendo gradativamente substituído pelo espaço preenchido pelos produtos de hidratação. O espaço não ocupado pelo cimento ou pelos produtos de hidratação consiste de vazios capilares. Vazios capilares de uma pasta maiores que 50 nm (macroporos) são admitidos como prejudiciais à resistência e à impermeabilidade, enquanto que os vazios menores que 50 nm (microporos) são considerados como mais importantes para a retração por secagem e a fluência. Segundo Sato (1998), a quantidade de vazios é proporcional à relação a/c.
!"Ar incorporado: aditivos podem ser colocados no concreto propositadamente para incorporar poros muito pequenos na pasta de cimento. O ar pode ser aprisionado na pasta fresca de cimento durante a operação de mistura, sendo que seus vazios podem chegar a 3 nm, enquanto que os vazios de ar incorporado variam de 50 a 200 µm.
Assim, tanto os vazios de ar aprisionado como os de ar incorporado na pasta são
muito maiores do que os vazios capilares afetando negativamente a resistência e impermeabilidade.
Haynes (1973) apresenta três propriedades que são fundamentais para a descrição de materiais porosos, as quais são:
!"Porosidade: é a fração de volume total ocupada pelos poros.
!"Superfície específica: é a área ou superfície acessível contida em uma unidade de massa do volume do sólido. Esta é derivada, a princípio, da porosidade e da distribuição do tamanho de poros;
!"Distribuição de tamanho de poros: em termos da geometria do sistema de poros real, a distribuição de tamanhos de poros observada pode ser um produto bastante complexo de formas de poros e dos caminhos nos quais eles estão interconectados.
A característica da distribuição de tamanho de poros em pastas de cimento hidratada é importante porque ela influencia na resistência, permeabilidade e durabilidade do concreto (Diamond, 1971). Segundo Mehta & Monteiro (1994), a distribuição de tamanhos de poros, e não a porosidade total, é o melhor critério para a avaliação das características de vazios capilares.
Haynes (1973) classifica os métodos para a medição das propriedades estruturais dos poros como métodos diretos e indiretos. Os métodos diretos são aqueles que produzem uma imagem da microestrutura, revelando o tamanho e formas das fases (Pratt, 1988). Os métodos indiretos dão informações sobre frações de volume médio das fases presentes no material e pode dizer algo sobre o tamanho médio e a distribuição de tamanhos de algumas ou de todas as fases (Pratt, 1988).
Pode-se citar como métodos diretos a microscopia ótica, a microscopia eletrônica e todos os que produzem uma imagem física direta da amostra que está sendo examinada.
Detalhes da morfologia e do relacionamento espacial entre componentes podem ser vistos por estes métodos (Pratt, 1988).
Como métodos indiretos podem ser citados a difração de raio-X, a resistividade elétrica, a termogravimetria, a porosimetria por adsorção e por intrusão de mercúrio. Em
todos estes métodos um estímulo externo é aplicado e a reação é medida com um detector adequado (Pratt, 1988).
Um dos métodos mais utilizados para a caracterização da estrutura porosa de pastas de cimento, argamassas e de concretos é a porosimetria por intrusão de mercúrio e a microscopia eletrônica.
2.2.4.1. Microscopia eletrônica de varredura
O método consiste na obtenção de imagens de amostras com microscópio eletrônico de varredura e na posterior digitalização e tratamento destas imagens. Baseia-se no fato de que, em imagens obtidas com microscópio eletrônico de varredura por elétrons retroespelhados, as fases de maior número atômico presentes na amostra apresentam-se com brilho, enquanto que os poros ficam negros (Sato, 1998).
Para a obtenção de micrografias é necessário realizar um polimento cuidadoso da superfície das amostras, pois alterações no relevo fazem com que os pontos altos tornem-se também brilhantes, independentemente da massa atômica do elemento presente.
2.2.4.2. Adsorção de vapor de água
A porosidade pode ser determinada por meio do levantamento experimental de isotermas de adsorção e dessorção de vapor de água através do qual, a partir de modelos de adsorção física e condensação capilar, é estimada a distribuição do volume de poros em função da massa de umidade adsorvida. Esta técnica está aplicada a poros de pequenos diâmetros e sua aplicação está limitada a amostras totalmente hidratadas (Sato, 1998).
O fenômeno da adsorção física de vapor de água pela superfície dos poros ocorre devido às interações físicas que ocorrem entre as moléculas de gás e a superfície sólida. A água adsorvida consiste em camadas de moléculas que aderem sobre a superfície dos poros. O processo de adsorção continua até que se estabeleça o equilíbrio termodinâmico entre o meio gasoso e a camada adsorvida (Sato, 1998).
2.2.4.3. Porosimetria por intrusão de mercúrio
A porosimetria é um método bastante utilizado para a caracterização da distribuição de tamanhos de poros em materiais a base de cimento Portland, mas apesar disso ainda não existe uma especificação nem descrição do método normalizados.
Alguns autores como, Diamond (2000), Cook & Hover (1999) e Sato (1998), fazem a descrição do método. Segundo Diamond (2000), uma pequena amostra é primeiramente seca, para esvaziar os poros de algum fluido existente, então a mesma é pesada e transferida para uma câmara na qual é efetuado vácuo. O objetivo de se submeter a amostra à vácuo é de remover a maior parte de gases e vapores presentes na amostra antes de se injetar o mercúrio (Sato, 1998). Nessa câmara será introduzido o mercúrio em volta da amostra e como o mercúrio não “molha” os sólidos cimentíceos espontaneamente, é necessário que sejam aplicadas pressões para que o mercúrio penetre nos poros vazios da amostra. Incrementos progressivos de pressão são aplicados ao mercúrio e a intrusão é monitorada a cada passo. A série de passos de pressão e os volumes “intrudidos” correspondentes provêem os dados básicos para o cálculo da distribuição de tamanho de poros.
Para a aplicação do método supõe-se um modelo de que todos os poros são cilíndricos e que cada poro é igualmente e inteiramente acessível da superfície externa da amostra. Assim o diâmetro do poro cilíndrico é calculado pela equação de Washburn, Equação 2.1, a cada passo de pressão aplicada.
4 cos g
d P
− θ
=
(Equação 2.1)Onde:
d = diâmetro do poro cilíndrico que está sendo intrudido;
g = tensão superficial do mercúrio;
θ = ângulo de contato entre o mercúrio e a parede do poro;
P = pressão que está sendo aplicada.
