EFEITOS ESTRUTURAIS DAS REACÇÕES QUÍMICAS EXPANSIVAS NO BETÃO

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EFEITOS ESTRUTURAIS DAS REACÇÕES QUÍMICAS EXPANSIVAS

NO BETÃO

Eva Patrícia Dias Antunes

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Civil

Júri:

Presidente: Prof. Dr. José Manuel Matos Noronha da Câmara

Orientador: Prof. Dr. Júlio António da Silva Appleton

Vogal:

Prof. Dr. Jorge Manuel Caliço Lopes de Brito

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RESUMO

Geralmente pensa-se no betão como sendo um material moderno, mas na realidade ele é um dos mais antigos e duráveis materiais de construção. Apesar de, no início da sua utilização, o betão ser considerado como um material indestrutível que não necessitava de manutenção, o passar dos anos provou o contrário. Efectivamente, hoje em dia sabe-se que, se o betão não for elaborado de acordo com as normas existentes, e se não forem tomadas precauções relativamente ao ambiente envolvente da estrutura, este pode sofrer deterioração. Prova disso são as inúmeras estruturas com mais de 100 anos que, correctamente executadas, se mostram bastante duráveis.

As reacções químicas, intrínsecas ou extrínsecas, são uma das principais causas de deterioração do betão. Nesta dissertação, pretende-se analisar as reacções químicas de origem interna, com carácter expansivo, nomeadamente as reacções álcalis-agregado e reacções sulfáticas internas.

Estudos recentes demonstraram que estas reacções podem ser determinantes na redução da vida útil das estruturas. Os seus efeitos podem interferir irreversivelmente no desempenho estrutural das mesmas, levando por vezes à demolição destas, pela falta de segurança registada.

Assim, procedeu-se à execução de modelos planos das secções mais comuns de pilares de obras de arte, nomeadamente secção circular, rectangular e em losango oco, através do método de elementos finitos. Verificou-se que a expansão associada a estas reacções leva à ocorrência de tensões de tracção no betão, que provocam a fendilhação do mesmo. Após a fendilhação, as tensões são suportadas pela armadura, conduzindo facilmente à rotura da armadura transversal dos pilares. Esta rotura leva inevitavelmente a problemas na segurança estrutural dos pilares, que podem levar a um colapso precoce dos mesmos.

Palavras-chave:

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ABSTRACT

Often considered a modern material, concrete is, indeed, one of the oldest and most reliable (lasting) construction materials. Despite the fact that, in the early days of its application, reinforced concrete has been considered as an indestructible material that did not require any maintenance, over the years the opposite has been proved. Actually, nowadays it is widely accepted that reinforced concrete should be executed according to existent guidelines, and well protected when exposed to severe environment, otherwise it may experience deterioration. It must be said, however, that many structures more than 100 years old prove that, when properly executed, concrete structures are quite durable.

Chemical reactions, either intrinsic or extrinsic, are one of the primary causes of reinforced concrete’s deterioration. This dissertation focuses on the analysis of the chemical reactions of internal origin, of an expansive nature, particularly the alkali-aggregate reaction and internal sulfatic reaction.

Recent studies have shown that these reactions can be a major cause for the reduction of the service life of the structures. Its effects can interfere irreversibly in the structural performance, leading sometimes to the demolition of the structure itself, in order to avoid major disasters.

The finite element method was used to evaluate the performance of some of the most common sections, namely circular, rectangular and diamond hollow sections. The expansion related to these reactions is responsible for the development of tensile stresses, and consequently its cracking. After cracking, the tensile forces are supported by reinforcement, leading to yielding of the transversal bars. This phenomenon inevitably causes problems on the structural behavior of the columns, which may lead to the premature collapse of themselves.

Key-words:

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AGRADECIMENTOS

Um trabalho não é obra de uma só pessoa, mas sim o resultado de um esforço desenvolvido com o apoio e incentivo de muitas pessoas. Foram vários os intervenientes do processo que culminou neste trabalho. A todos desejo expressar o meu sincero agradecimento.

Ao professor Doutor Júlio Appleton, por quem tive o privilégio de ser orientada com sabedoria e rigor. Expresso o meu agradecimento pelas críticas e sugestões que contribuíram para este trabalho. Não posso também deixar de agradecer a disponibilidade permanente, incentivo e apoio manifestados.

Agradeço ainda ao Doutor Santo Silva, pela disponibilidade e ajuda demonstrada ao longo da dissertação. À minha família, por todo o apoio manifestado, inalcançáveis. Não posso deixar de salientar o meu profundo agradecimento à minha mãe que esteve sempre disponível quando precisei dela, sempre com uma palavra de incentivo e de confiança. Obrigada pela ajuda, não só nesta dissertação mas também ao longo de todo o curso, sem dúvida uma mulher incrível, um modelo a seguir.

Agradecer ainda à minha irmã, por todo o entusiasmo demonstrado por cada meta atingida ao longo desta jornada. Obrigada por confiares em mim, mais do que eu própria.

Ao Vítor, o meu namorado, por toda a paciência demonstrada ao longo deste percurso, sempre com uma palavra de incentivo e motivação, que nunca me deixou desistir. Obrigado por me fazeres sorrir, mesmo nos períodos de maior cansaço.

A todos os meus amigos, aqueles que me apoiaram, e nunca duvidaram de mim. Um agradecimento especial, à Márcia, Susana, Mónica, Isabel, ao Carlos e ao "James", que me ajudaram, sempre acreditaram em mim de olhos fechados e sempre me motivaram para dar o melhor de mim.

Por último, agradeço à professora Sandra Barbosa, a minha professora do 9º ano de Português, que depois de 8 anos sem contacto, e após reencontro, se ofereceu para ajudar na última etapa de revisão da dissertação. A todos eles dedico o resultado deste trabalho.

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ÍNDICE GERAL

RESUMO ... I ABSTRACT ... II AGRADECIMENTOS ... III ÍNDICE GERAL ... V ÍNDICE DE FIGURAS ... IX ÍNDICE DE TABELAS ... XVII ABREVIATURAS ... XXI

1. INTRODUÇÃO... 1

1.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS ... 1

1.2 OBJECTIVOS DA DISSERTAÇÃO ... 2

1.3 METODOLOGIA E ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO ... 2

2. DETERIORAÇÃO NO BETÃO ... 4

2.1.CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES ... 4

Componentes da pasta de cimento: ... 6

Características do betão:... 9

1. Estrutura porosa... 9

2. Razão água / cimento: ... 11

3. Propriedades dos agregados: ... 13

4. Zona de transição entre pasta de cimento e agregado: ... 15

5. Mecanismos de transporte no betão: ... 16

2.1.MECANISMOS DE DETERIORAÇÃO DO BETÃO ... 17

2.1.1. Mecanismos extrínsecos de deterioração... 20

2.1.1.1. Acções mecânicas... 20

Impactos (ondas de choque)... 20

Cargas excessivas ... 20

Erosão ... 20

Cavitação ... 21

2.1.1.2. Acções físicas ... 23

Ciclos de gelo - degelo ... 23

Variações térmicas ... 24

2.1.1.3. Acções biológicas ... 25

2.1.1.4. Acções químicas ... 26

Acções dos ácidos ... 27

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Ataque dos cloretos ... 31

Ataque por dióxido de carbono ... 33

Ataque pela água do mar ... 34

2.2.2. Mecanismos intrínsecos de deterioração ... 35

3. REACÇÕES ÁLCALIS – AGREGADO ... 36

3.1. REACÇÕES ÁLCALIS-SÍLICA E ÁLCALIS-SILICATO –RAS ... 39

3.1.1. Ataque dos agregados reactivos ... 41

3.1.1.1. Modelo topoquímico ... 41

3.1.1.2. Modelo de dissolução-precipitação ... 42

3.1.2. Desenvolvimento dos geles expansivos ... 42

3.1.2.1. Modelo topoquímico ... 42

3.1.2.2. Modelo de dissolução-precipitação ... 44

3.2. FACTORES CONDICIONANTES DA RAS ... 44

3.2.1. Álcalis no betão... 45

3.2.2. Agregados reactivos ... 46

3.2.3. Humidade elevada ... 47

3.2.4. Factores climáticos, litológicos, e cimentos ... 48

4. REACÇÕES SULFÁTICAS INTERNAS ... 50

4.1.A ETRINGITE COMO PRODUTO DA REACÇÃO SULFÁTICA ... 51

4.2.FONTES INTERNAS DE SULFATOS ... 53

4.3.DIFERENTES CAUSAS QUE PODEM ESTAR NA ORIGEM DA REACÇÃO SULFÁTICA INTERNA ... 54

4.3.1 Formação de etringite resultante da hidratação normal dos cimentos ... 54

4.3.2. Libertação tardia dos sulfatos do clinquer... 55

4.3.3. Dissolução e reprecipitação da etringite resultante de hidratação precoce ... 55

4.3.4. Oxidação das pirites provenientes dos agregados do betão ... 55

4.3.5.Formação de taumasite ou de etringite por acção dos iões carbonato ... 55

4.3.6. Formação de etringite secundária associada à reacção álcalis-agregado ... 56

4.3.7. Formação de etringite retardada (DEF) ... 56

4.3.7.1. Mecanismos reaccionais da DEF... 56

4.3.7.2. Instabilidade térmica e química de etringite resultante da hidratação dos cimentos portland ... 57

4.4.FACTORES CONDICIONANTES DA DEF ... 57

4.4.1. Temperatura máxima do betão ... 58

4.4.2. Teor de álcalis do betão e de aluminatos e sulfatos do ligante ... 58

4.4.3. Humidade do betão... 58

4.4.4. Teor de hidróxido de cálcio no betão ... 59

5. ANOMALIAS ASSOCIADAS ÀS REACÇÕES EXPANSIVAS INTERNAS ... 60

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5.1.1. Fissuração tipo "craquelet" ... 60

5.1.2. Fissuração com orientação definida... 62

5.1.2.1. Consequências da fissuração ... 63

5.1.3. Movimentações e deformações ... 64

5.1.4. Fecho das juntas de dilatação... 65

5.1.5. Delaminação do betão ... 65

5.1.5. Coloração dos elementos ... 66

5.1.6. Crateras no betão ... 66

5.1.7. Eflorescências e exsudação do gel formado (RAS) ... 67

5.2.ANOMALIAS ASSOCIADAS ÀS ARMADURAS ... 67

5.2.1. Rotura das armaduras... 67

5.2.2. Corrosão das armaduras ... 68

6. PROGNÓSTICO E DIAGNÓSTICO DE REACÇÕES EXPANSIVAS INTERNAS ... 69

6.1. REACÇÕES ÁLCALIS-SÍLICA ... 69

6.2. REACÇÕES SULFÁTICAS INTERNAS (DEF)... 72

7. PREVENÇÃO, MITIGAÇÃO E REPARAÇÃO ... 74

7.1. METODOLOGIAS DE PREVENÇÃO ... 74

7.1.1. Reacções álcalis - agregado (RAS)... 74

7.1.1.1. Níveis de prevenção ... 74

7.1.1.2. Medidas preventivas ... 76

7.1.1.2.1. Controlo da alcalinidade da solução dos poros de betão ... 76

7.1.1.2.2. Controlo do teor de sílica reactiva ... 78

7.1.1.2.3. Controlo da humidade ... 80

7.1.1.2.4. Modificação das propriedades expansivas do gel formado na reacção álcalis-sílica ... 81

7.1.1.3. Avaliação da susceptibilidade de misturas de agregados ou de composições de betão à reacção álcalis-sílica ... 81

7.1.2. Reacções sulfáticas internas ... 81

7.1.2.1. Níveis de prevenção ... 82

7.1.2.2. Medidas preventivas ... 82

7.1.2.2.1. Controlo da temperatura máxima do betão ... 82

7.1.2.2.2. Controlo dos teores de álcalis no betão e de aluminatos e sulfatos do ligante ... 83

7.1.2.2.3. Controlo da humidade ... 83

7.1.2.2.4. Controlo do teor de hidróxido de cálcio ... 83

7.1.2.3. Avaliação da susceptibilidade de composições do betão à reacção sulfática interna. ... 83

7.2. MEDIDAS DE MITIGAÇÃO E REPARAÇÃO ... 84

7.2.1. Controlo do teor de humidade e da quantidade da solução alcalina ... 84

7.2.2. A utilização de revestimentos impermeabilizantes ... 85

7.2.3. Secagem do betão... 87

(10)

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7.2.5. A injecção de fendas... 89

7.2.6. Demolição parcial ou parcial com reconstrução ... 90

8. INFLUÊNCIA DAS REACÇÕES EXPANSIVAS INTERNAS DO BETÃO NO SEU DESEMPENHO ESTRUTURAL .. 91

8.1.ANOMALIAS ESTRUTURAIS RESULTANTES DAS REACÇÕES EXPANSIVAS INTERNAS ... 93

9. MODELAÇÃO ESTRUTURAL DAS REACÇÕES EXPANSIVAS INTERNAS ... 97

9.1.ANÁLISE DOS EFEITOS DAS REACÇÕES EXPANSIVAS INTERNAS POR ELEMENTOS FINITOS ... 98

9.1.1. Avaliação de uma secção circular ... 99

9.1.1.1. Definição do modelo ... 99

9.1.1.2. Apresentação dos resultados ... 105

9.1.1.3. Síntese dos resultados ... 118

9.1.2. Avaliação de uma secção rectangular ... 120

9.1.3. Avaliação de uma secção em losango ... 133

9.2.DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 145

10. CONCLUSÕES ... 149

BIBLIOGRAFIA ... 1

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 - Ponte de Vila Formosa (á esquerda), e Ponte de Trajano sobre o Rio Tâmega em Chaves (à direita)

(picasa) ... 4

Figura 2.2 - Percentagens médias dos constituintes do "clínquer" ... 7

Figura 2.3 - Imagem ao microscópico óptico de varrimento do clínquer de cimento portland (Lança, 2007/2008) ... 7

Figura 2.4 - Influência da estrutura porosa na permeabilidade (Costa, 1997) ... 10

Figura 2.5 - Estrutura porosa, com elevada compacidade (Costa, et al., 1999) ... 10

Figura 2.6 - Efeito da razão A/C e do grau de hidratação (m) no volume das diferentes fracções da pasta de cimento (Costa, et al., 1999)... 12

Figura 2.7 - Representação esquemática da relação água-cimento e cura na rede porosa capilar (Costa, 1997) 13 Figura 2.8 - Zona de separação entre a pasta de cimento e o agregado (Lança, 2007/2008)... 15

Figura 2.9 - Microfendas, na pasta de cimento (Costa, 1997) ... 16

Figura 2.10 - Desenvolvimento da deterioração ... 18

Figura 2.11 - Superfícies degradadas por abrasão (Appleton, et al., 2009/2010) ... 21

Figura 2.12 - Deterioração progressiva das camadas superficiais, provocada por cavitação (Appleton, et al., 2009/2010) ... 22

Figura 2.13 - Superfícies deterioradas pela acção de ciclos de gelo/degelo (Appleton, et al., 2009/2010)... 23

Figura 2.14 - Processos biológicos de deterioração do betão ... 25

Figura 2.15 - Ataque biológico em esgotos (Ferreira, 2000)... 25

Figura 2.16 - Ataques biológicos em sistemas de águas residuais (CEB, 1992) ... 26

Figura 2.18 - Ataque de ácidos no betão (CEB, 1992) ... 28

Figura 2.19 - As bactérias no sistema de esgoto produzem ácido sulfúrico que ataca o betão (Ferreira, 2000) .. 28

Figura 2.20 - Pilar de uma ponte afectado pelo ataque das águas puras (Appleton, et al., 2010) ... 29

Figura 2.21 - Superfícies degradadas por acção de reacções sulfáticas de origem externa (Costa, et al., 1999) . 30 Figura 2.22 - Representação da formação da etringite relacionada com a RSE (Adaptado de (Soares, et al., 2008)) ... 31

Figura 2.23 - Evolução do perfil de cloretos no tempo (Costa, et al., 1999) ... 32

Figura 2.24 - Mecanismos de penetração de cloretos na zona atmosférica e de rebentação (Costa, 1997) ... 32

Figura 2.25 - Mecanismo do ataque químico pela água do mar (Appleton, et al., 2010) ... 34

Figura 2.26 - Deterioração de estacas pelo ataque químico da água do mar (Appleton, et al., 2009/2010) ... 35

Figura 3.1 - Barragem de Pacrana (panoramico) ... 36

Figura 3.2 - Representação esquemática do ataque dos álcalis à (a) sílica bem cristalizada e (b) mal cristalizada (Silva, 2005) ... 37

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x Figura 3.3 - Observação ao microscópio petrográfico de lâminas delgadas de betão evidenciando o processo de desdolomitização através da ocorrência de orlas de alteração e de fissuras num agregado dolomítico (Silva,

2005) ... 39

Figura 3.4 - Tempo de desenvolvimento da RAS (Castro, et al.) ... 41

Figura 3.5 - Representações esquemáticas da quebra a 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 (Silva, 2005) ... 43

Figura 3.6 - Relação entre o teor de álcalis activos do cimento e a dosagem de cimento no betão e o resultante potencial para a RAS (Silva, 2005) ... 46

Figura 3.7 - 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 (Cristino, 2008) ... 47

Figura 4.1 - Aspecto ao MEV duma pasta de cimento portland com silicatos hidratados (CSH) e etringite primária (E) (Silva, 2010) ... 51

Figura 4.2 - Aspecto ao MEV duma pasta de cimento portland com poros preenchidos (seta) por etringite secundária (Silva, 2010) ... 52

Figura 4.3 - Microfissura à superfície de uma viga pré-esforçada provavelmente causada por formação retardade de etringite (Coutinho, 2001) ... 52

Figura 4.4 - Representação da formação de etringite relacionada com a RSI (Soares, et al., 2008)... 54

Figura 4.5 - Os mecanismos de formação reaccionais da DEF (Soares, et al., 2008) ... 57

Figura 5.1 - Fenda onde se verifica uma abertura de vários milímetros (Appleton, et al., 2010) ... 61

Figura 5.2- Degradação de um elemento em que é visível uma fissuração típica da RAS (Godart, et al., 1999) .. 61

Figura 5.3 - Degradação de um elemento por reacções sulfáticas internas (Appleton, et al., 2009/2010) ... 61

Figura 5.4 - Exemplos de pilar de uma ponte onde é visível a orientação preferencial das fendas na direcção das armaduras principais, segundo uma direcção (Appleton, et al., 2010) ... 62

Figura 5.5 - À esquerda, exemplo de um pilar em que é visível a fissuração em duas direcções (Appleton, et al., 2010) e à direita, fissuração em duas direcções numa laje (Godart, et al., 1999) ... 62

Figura 5.6 - Esquema simplificado do comportamento de uma viga pré-esforçada, apresentando ... 63

Figura 5.7 - Elemento de betão onde se observa a degradação do betão, e são visíveis os blocos separados do betão e a ferrugem proveniente da corrosão das armaduras (Godart, et al., 1999) ... 63

Figura 5.8 - Esmagamentos resultantes das expansões nas vigas, que levam a um aumento excessivo de volume destas (Appleton, et al., 2009/2010), (Silva, 2007). ... 64

Figura 5.9 - Flecha muito importante (superior a 10 cm) para um tabuleiro duma ponte de betão armado (Godart, et al., 1999) ... 64

Figura 5.10 - Deslocamento para fora do plano de 2 mm, de uma fenda situada num elemento de um pórtico (Godart, et al., 1999) ... 65

Figura 5.11 - Exemplo da sobreposição de grades de protecção de uma ponte, em resultado do fecho das juntas de dilatação (Silva, 2007) ... 65

Figura 5.12 - Exemplo da delaminação do betão resultante das reacções expansivas internas (Appleton, et al., 2009/2010) ... 66

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xi

Figura 5.13 - Exemplo de um elemento onde se nota a descoloração do betão (Appleton, et al., 2009/2010).... 66

Figura 5.14 - Crateras num elemento de betão (Godart, et al., 1999) ... 67

Figura 5.15 - Eflorescências e exsudações de gel em elemento de betão (Godart, et al., 1999) ... 67

Figura 5.16 - Rotura de um varão de armadura (Godart, et al., 1999) ... 68

Figura 5.17 - Exemplo de corrosão nas armaduras de um elemento de betão resultante das reacções expansivas de origem interna (Godart, et al., 1999) ... 68

Figura 6.1 - Carotes de betão em que são visíveis fissuras e poros preenchidos por produtos brancos (Silva, 2010) ... 69

Figura 6.2 - Observação à lupa binocular e um poro recoberto de gel com uma morfologia botrioidal típica de alguns dos geles da RAS (Silva, 2010) ... 70

Figura 6.3 - Morfologias ao MEV de geles amorfos e produtos cristalinos do tipo roseta decorrentes da RAS no betão (Silva, 2010) ... 71

Figura 6.4 - Aspecto ao MEV de etringite bem cristalizada (à esquerda), de morfologia acicular, não expansiva, e de etringite mal cristalizada (à direita), de aspecto comprido, e expansiva (Silva, 2010) ... 72

Figura 6.5 - À esquerda, sistema de medida da expansão residual; à direita, resultados de expansão residual de uma mesma carote mas correspondente a diferentes profundidades do betão (Silva, 2010) ... 73

Figura 7.1 - Efeito do tipo de adição na expansão devida à RAS: sílica de fumo (CSF); cinzas volantes (FA); e escória granulada de alto-forno (GBFS) (Gonçalves, et al., 2010) ... 78

Figura 7.2 - Expansão verificada em prismas de betão (75 x 75 x 300 mm3) imersos em água, contendo diferentes quantidades de sílica (SiO2) sintética amorfa (Gonçalves, et al., 2010) ... 78

Figura 7.3 - Metodologia para determinar a reactividade dos agregados; adaptado de (E 461, 2007) ... 79

Figura 7.4 - Metodologia para determinar a reactividade dos agregados de classe II ou III; adaptado de (E 461, 2007) ... 79

Figura 7.5 - Efeito da dimensão das partículas dos agregados na expansão de argamassas que contêm um teor de 6% de agregados reactivos (Gonçalves, et al., 2010) ... 80

Figura 7.6 - Esquema da migração do lítio durante o tratamento electroquímico (Cristino, 2008) ... 88

Figura 8.1 - Evolução das resistências médias à compressão do betão aos 28 dias fabricado com cimento portland (Coutinho, 1998) ... 91

Figura 8.2 - Conceitos de durabilidade e desempenho de uma estrutura de betão e as suas inter-relações (Adaptado de (CEB, 1992)) ... 92

Figura 8.3 - Fissuração orientada segundo as armaduras principais num arco (à esquerda), e fissuração tipo "craquelet" no pavimento do coroamento de uma barragem (Silva, 2010) ... 93

Figura 8.5 - Esquema da influência das reacções expansivas internas no comportamento estrutural do betão (Appleton, 2010) ... 96

Figura 9.1- Secções transversais dos pilares analisados... 98

Figura 9.2 - Definição do material C30/37 ... 99

Figura 9.3 - Definição do elemento de shell... 100

Figura 9.4 - Elemento de shell, com 2,6 m de diâmetro e 1 metro de espessura ... 100

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xii Figura 9.6 - Exemplo da interligação entre os elementos que simulam o betão e a armadura, e entre os

elementos de betão entre si ... 102

Figura 9.7 - Modelo plano da secção transversal do pilar circular em estudo ... 102

Figura 9.8 - Modelo de secção sujeita a variação de temperatura unitária nos elementos de betão. Tensões no betão em cima, e forças/tensões na armadura em baixo; ... 103

Figura 9.9 - Acção imposta (ΔT=1ºC) em diversos elementos escolhidos aleatoriamente, salientados na figura a azul; ... 104

Figura 9.10 - Tensões no betão (em cima) e na armadura (em baixo), resultantes de uma variação de temperatura de 1 ºC, em diversos elementos escolhidos aleatoriamente; ... 104

Figura 9.11 - Ilustração de como se obteve o valor médio das tensões da zona interior e exterior do betão .... 105

Figura 9.12 - Distribuição dos elementos com variação de temperatura unitária a azul para o modelo plano pilar circular 1... 106

Figura 9.13 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar circular 1 com respectiva escala de cores, para ΔT = 1 ºC ... 106

Figura 9.18 - Distribuição do esforço axial na armadura para o modelo pilar circular 1, para ΔT = 1 ºC ... 109

Figura 9.21 - Exemplo da abertura de fendas na secção ... 111

Figura 9.22 - Distribuição dos elementos com variação de temperatura unitária a azul para modelo plano pilar circular 1, fendilhado ... 111

Figura 9.23 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar circular 1, fendilhado, para ΔT = 1 ºC ... 112

Figura 9.24 - Distribuição do esforço axial na armadura da secção de betão do modelo pilar circular 1, fendilhado, para ΔT = 1 ºC ... 112

Figura 9.25 - Distribuição de tensões ao longo da armadura de cintagem do pilar circular 1, fendilhado, para um ΔT=1ºC ... 113

Figura 9.26 - Distribuição dos elementos com variação de temperatura unitária a azul para o modelo plano pilar circular 2, fendilhado ... 113

Figura 9.27 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar circular 2, fendilhado, para um ΔT = 1ºC ... 114

(15)

xiii Figura 9.28 - Distribuição do esforço axial na armadura da secção de betão do modelo pilar circular 2,

fendilhado, para um ΔT=1ºC ... 114 Figura 9.29 - Distribuição de tensões ao longo da armadura de cintagem do pilar circular 2, fendilhado, para um ΔT=1ºC ... 115 Figura 9.30 - Distribuição dos elementos com variação de temperatura unitária a azul para modelo plano pilar circular 2, fendilhado ... 115 Figura 9.31 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar circular 3 fendilhado, para um ΔT = 1ºC ... 116 Figura 9.32 - Distribuição do esforço axial na armadura da secção de betão do modelo pilar circular 3,

fendilhado; ... 116 Figura 9.33 - Distribuição de tensões ao longo da armadura de cintagem do pilar circular 3, fendilhado, para um ΔT=1ºC ... 117 Figura 9.34 - Comparação das tensões de tracção máximas no betão, para a secção circular na situação antes e após fendilhação ... 118 Figura 9.35 - Comparação das tensões nas armaduras das cintas, para a secção circular após fendilhação, para um ΔT=1ºC... 119 Figura 9.36 - Modelo plano da secção transversal de um pilar rectangular... 120 Figura 9.37 - Distribuição dos elementos com variação de temperatura unitária, marcados a azul, para o modelo plano rectangular 1 ... 120 Figura 9.38 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar rectangular 1, para um ΔT=1ºC... 121 Figura 9.39 - Distribuição do esforço axial na armadura para o modelo pilar rectangular 1, para um ΔT=1ºC . 121 Figura 9.40 - Distribuição dos elementos com variação de temperatura unitária, marcados a azul, para o modelo plano rectangular 2 ... 122 Figura 9.41 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar rectangular 2, para um ΔT=1ºC... 122 Figura 9.42 - Distribuição do esforço axial na armadura para o modelo pilar rectangular 2, para um ΔT=1ºC . 123 Figura 9.43 - Distribuição dos elementos com variação de temperatura unitária, marcados a azul, para o modelo plano rectangular 3 ... 123 Figura 9.44 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar rectangular 3, para um ΔT=1ºC... 124 Figura 9.45 - Distribuição do esforço axial na armadura para o modelo pilar rectangular 3, para um ΔT=1ºC . 124 Figura 9.46 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar rectangular 1, fendilhado, para um ΔT=1ºC ... 125 Figura 9.47 - Distribuição do esforço axial na armadura para o modelo pilar rectangular 1, fendilhado, para um ΔT=1ºC ... 126 Figura 9.48 - Distribuição de tensões ao longo da armadura de cintagem do pilar recatngular 1, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 126

(16)

xiv Figura 9.49 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar rectangular 2, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 127 Figura 9.50 - Distribuição do esforço axial na armadura para o modelo pilar rectangular 2, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 127 Figura 9.51 - Distribuição de tensões ao longo da armadura de cintagem do pilar circular 2, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 128 Figura 9.52 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar rectangular 3, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 128 Figura 9.53 - Distribuição do esforço axial na armadura para o modelo pilar rectangular 3, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 129 Figura 9.54 - Comparação das tensões máximas no betão, para a secção rectangular na situação antes e após fendilhação, para ΔT=1ºC ... 130 Figura 9.55 - Influência da geometria da secção no confinamento do betão ... 131 Figura 9.56 - Comparação das tensões máximas na armadura, para a secção rectangular na situação antes e após fendilhação, para ΔT=1ºC ... 131 Figura 9.57 - Modelo plano da secção transversal de um pilar em losango ... 133 Figura 9.58 - Distribuição dos elementos com variação de temperatura unitária, marcados a azul, para o modelo plano pilar em losango 1... 134 Figura 9.59 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar em losango 1, para ΔT=1ºC ... 134 Figura 9.60 - Distribuição do esforço axial na armadura para o modelo pilar em losango 1, para ΔT=1ºC ... 135 Figura 9.61 - Distribuição dos elementos com variação de temperatura unitária, marcados a azul, para o modelo plano pilar em losango 2... 135 Figura 9.62 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar em losango 2, para ΔT=1ºC ... 136 Figura 9.63 - Distribuição do esforço axial na armadura para o modelo pilar em losango 2, para ΔT=1ºC ... 136 Figura 9.64 - Distribuição dos elementos com variação de temperatura unitária, marcados a azul, para o modelo plano pilar em losango 3... 137 Figura 9.65 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar em losango 3, para ΔT=1ºC ... 137 Figura 9.66 - Distribuição do esforço axial na armadura para o modelo pilar em losango 3, para ΔT=1ºC ... 137 Figura 9.67 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar em losango 1, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 138 Figura 9.68 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar em losango 1, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 139 Figura 9.69 - Tensões nas fendas exteriores do modelo pilar em losango 1, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 139 Figura 9.70 - Tensões nas fendas interiores do modelo pilar em losango 1, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 140 Figura 9.71 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar em losango 2, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 140

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xv Figura 9.72 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar em losango 2, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 141 Figura 9.73 - Tensões nas fendas exteriores do modelo pilar em losango 2, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 141 Figura 9.74 - Tensões nas fendas interiores do modelo pilar em losango 2, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 141 Figura 9.75 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar em losango 3, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 142 Figura 9.76 - Modelo da distribuição de tensões máximas no betão, para o modelo plano pilar em losango 3, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 142 Figura 9.77 - Tensões nas fendas exteriores do modelo pilar em losango 3, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 143 Figura 9.78 - Tensões nas fendas interiores do modelo pilar em losango 3, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 143 Figura 9.79 - Comparação das tensões máximas no betão, para a secção em losango na situação antes e após fendilhação; ... 144 Figura 9.80 - Comparação das tensões máximas nas armaduras, para a secção em losango na situação antes e após fendilhação ... 145 Figura 9.81 - Comparação das tensões de tracção máximas no betão nas secções circular, rectangular e em losango, antes e após a fendilhação ... 146 Figura 9.82 - Comparação das tensões médias na armadura das secções circular, rectangular e em losango, antes e após a fendilhação ... 146 Figura 9.83 - Comparação das tensões médias na armadura das secções circular, rectangular e em losango, antes e após a fendilhação ... 147 Figura 9.84 - Ilustração da zona de rotura da cinta (Appleton, et al., 2008) ... 148

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ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 2.1 - Propriedades principais dos componentes do cimento (Adaptado de (Coutinho, 1973)) ... 8

Tabela 2.2 - Factores de degradação e o efeito sobre o desempenho (Ferreira, 2000)... 19

Tabela 2.3 - Ácidos que causam ataque químico no betão (Gomes, 2008) ... 27

Tabela 3.1 - Estimativas das áreas dos distritos de Portugal Continental onde afloram rochas com formas de sílica reactiva, ou com materiais potencialmente fornecedores de álcalis (Silva, 2005) ... 49

Tabela 7.1 - Categorias de risco das estruturas (E 461, 2007) ... 75

Tabela 7.2 - Categorias ambientais dos betões (E 461, 2007) ... 75

Tabela 7.3 - Fixação do nível de prevenção (E 461, 2007) ... 75

Tabela 7.4 - Teor limite de álcalis solúveis no betão (E 461, 2007) ... 77

Tabela 7.5 - Dosagens mínimas duma solução a 30% de nitrato de lítio ... 81

Tabela 7.6 - Valores do teor de álcalis e de SO3 eC3A (Adaptado de (E 461, 2007)) ... 83

Tabela 7.7 - Tipo de revestimento e sua influência no controlo da expansão da RAS (Cristino, 2008) ... 86

Tabela 8.1 - Valores apresentados pelo ISE, relativos aos testes feitos com intuito de relacionar o efeito nas diferentes propriedades do betão (determinadas aos 28 dias), de diferentes magnitudes de expansão (Castro, et al.) ... 94

Tabela 9.1 - Valores médios das tensões máximas no interior e exterior da secção de betão do modelo pilar circular 1, para ΔT=1 ºC... 106

Tabela 9.2 - Valores médios das tensões máximas no interior e exterior da secção de betão do modelo pilar circular 2, para ΔT=1 ºC... 107

Tabela 9.3 - Valores médios das tensões máximas no interior e exterior da secção de betão do modelo pilar circular 3... 108

Tabela 9.4 - Média dos valores das tensões máximas obtidas nos três modelos de pilar circular ... 109

Tabela 9.5 - Máximo valor de esforço axial para o modelo de pilar circular 1, e respectiva tensão, para ΔT = 1 ºC ... 109

Tabela 9.6 - Máximo valor de esforço axial para o modelo de pilar circular 2, e respectiva tensão, para ΔT = 1 ºC ... 110

Tabela 9.7 - Máximo valor de esforço axial para o modelo de pilar circular 3, e respectiva tensão ... 110

Tabela 9.8 - Valores médios das tensões máximas no interior e exterior da secção de betão do modelo pilar circular 1, fendilhado, para um ΔT=1ºC ... 112

Tabela 9.11 - Valor médio das tensões médias nas armaduras, e respectivos valores de variação de temperatura e extensão necessários para a cedência das mesmas para a secção circular fendilhada; ... 117

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xviii Tabela 9.12 - Valor de pico das tensões nas armaduras, e respectivos valores de variação de temperatura e extensão necessários para a cedência das mesmas para a secção circular fendilhada; ... 117 Tabela 9.13 - Valores médios das tensões máximas no interior e exterior da secção de betão do modelo pilar rectangular 1, para um ΔT=1ºC ... 121 Tabela 9.14 - Valor do máximo esforço axial na armadura transversal, no modelo pilar rectangular 1, e

respectiva tensão, para um ΔT=1ºC ... 122 Tabela 9.15 - Valores médios das tensões máximas no interior e exterior da secção de betão do modelo pilar rectangular 2, para um ΔT=1ºC ... 122 Tabela 9.16 - Valor do máximo esforço axial na armadura transversal, no modelo pilar rectangular 2, e

respectiva tensão, para um ΔT=1ºC ... 123 Tabela 9.17 - Valores médios das tensões máximas no interior e exterior da secção de betão do modelo pilar rectangular 3, para um ΔT=1ºC ... 124 Tabela 9.18- Valor do máximo esforço axial na armadura transversal, no modelo pilar rectangular 3, e

respectiva tensão ... 124 Tabela 9.19 - Valor médio da tensão no betão, e respectivo valor de temperatura e extensão necessários para a fendilhação do betão na secção rectangular ... 125 Tabela 9.20 - Valor médio da tensão nas armaduras para a secção rectangular, para ΔT = 1 ºC ... 125 Tabela 9.21 - Valores das tensões no interior e exterior da secção de betão do modelo pilar rectangular 1, fendilhado, para um ΔT=1ºC ... 126 Tabela 9.22 - Valores das tensões no interior e exterior da secção de betão do modelo pilar rectangular 2, fendilhado, para um ΔT=1ºC ... 127 Tabela 9.23 - Valores das tensões no interior e exterior da secção de betão do modelo pilar rectangular 3, fendilhada, para ΔT=1ºC ... 128 Tabela 9.24 - Valor médio das tensões médias nas armaduras, e respectivo valor de variação de temperatura necessária para a cedência das mesmas para a secção rectangular fendilhada, para ΔT=1ºC... 129 Tabela 9.25 - Valor de pico das tensões nas armaduras, e respectivos valores de variação de temperatura e extensão necessários para a cedência das mesmas para a secção rectangular fendilhada, para ΔT=1ºC ... 130 Tabela 9.26 - Valor médio das tensões na secção de betão do modelo pilar em losango 1, para ΔT=1ºC ... 134 Tabela 9.27 - Valor máximo do esforço axial na armadura transversal, no modelo pilar em losango 1, e

respectiva tensão, para ΔT=1ºC ... 135 Tabela 9.28 - Valor médio das tensões na secção de betão do modelo pilar em losango 2 ... 136 Tabela 9.29 - Valor máximo do esforço axial na armadura transversal, no modelo pilar em losango 2, e

respectiva tensão, para ΔT=1ºC ... 136 Tabela 9.30 - Valores das tensões no interior e exterior da secção de betão do modelo pilar em losango 3, para ΔT=1ºC ... 137 Tabela 9.31 - Valor máximo do esforço axial na armadura transversal, no modelo pilar em losango 3, e

respectiva tensão, para ΔT=1ºC ... 138 Tabela 9.32 - Valor médio da tensão no betão, e respectivo valor de temperatura e extensão necessários para a fendilhação do betão na secção em losango, para ΔT=1ºC... 138

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xix Tabela 9.33 - Valor médio da tensão nas armaduras, para ΔT=1ºC ... 138 Tabela 9.34 - Valores das tensões na secção de betão do modelo pilar em losango 1, fendilhado, para ΔT=1ºC ... 139 Tabela 9.35 - Valor da tensões na secção de betão do modelo pilar em losango 2, fendilhado, para ΔT=1ºC .. 140 Tabela 9.36 - Valores da tensão na secção de betão do modelo pilar em losango 3, fendilhado, para ΔT=1ºC. 142 Tabela 9.37 - Valor médio das tensões médias nas armaduras, e respectivo valor de variação de temperatura necessária para a cedência das mesmas para a secção em losango fendilhada; ... 143 Tabela 9.38 - Valor de pico das tensões nas armaduras, e respectivos valores de variação de temperatura e extensão necessários para a cedência das mesmas para a secção em losango fendilhada; ... 144 Tabela 9.39 - Extensões necessárias à cedência de cada uma das secções analisadas ... 147

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(23)

xxi

ABREVIATURAS

RSE Reacções sulfáticas externas RSI Reacções sulfáticas internas RAA Reacções álcalis - agregados

RAS Reacções álcalis - sílica e álcalis - silicato RAC Reacções álcalis - carbonato

DEF Etringite retardada

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1

1. INTRODUÇÃO

1.1 Considerações gerais

"Nenhum material é por si próprio durável; é a interacção entre o material e o ambiente a que está exposto que determina a sua durabilidade", Larry Masters.

Durante muito tempo, o betão foi considerado como um material durável, praticamente indestrutível e ao qual não seria necessário efectuar qualquer tipo de manutenção, ideia esta baseada em inúmeras obras antigas ainda em bom estado de conservação.

Efectivamente, o betão é um dos materiais mais versáteis e mais utilizados na construção, tendo uma enorme durabilidade quando correctamente produzido, e desde que esteja sujeito a condições normais de exposição, entendendo-se durabilidade como a capacidade das estruturas ou materiais, cumprirem as funções para as quais foram projectados durante o seu tempo de serviço.

No entanto, esta imagem foi-se alterando ao longo dos anos, e sabe-se hoje que o betão não é imune, sofrendo degradações por inúmeros factores, podendo estes afectar mais ou menos a capacidade e a durabilidade das estruturas.

Um desses factores de deterioração diz respeito às substâncias químicas, quer estas sejam introduzidas no betão por meio dos seus constituintes (internas), ou penetrem no betão através da sua superfície ou fendas (externas).

A presente dissertação visa então o estudo das reacções químicas de origem interna, cujos produtos formados provocam a expansão do betão, ou seja, as reacções expansivas de origem interna no betão.

Em Portugal, a descoberta de estruturas afectadas por reacções expansivas internas é recente, mas o tipo e número já afectado é suficientemente importante para ter originado grande interesse em compreender a sua evolução a curto e médio prazo e, consequentemente, os seus efeitos na segurança das estruturas de betão. Esta forma de degradação, que engloba as denominadas reacções álcalis-sílica (RAS) e o ataque por sulfatos de origem interna (RSI), tem vindo a afectar essencialmente estruturas estratégicas, como barragens e pontes.

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2

1.2 Objectivos da dissertação

A presente dissertação tem como principal objectivo analisar os efeitos estruturais das reacções químicas expansivas no betão, de origem interna. Pretende-se analisar os efeitos estruturais destas reacções, as possíveis causas e consequências estruturais, bem como a gravidade dos efeitos das mesmas.

Efectivamente, a gravidade dos efeitos destas reacções já levou a que nalguns casos as estruturas tivessem que ser substituídas por não ser possível garantir as condições de segurança. Surge, assim, uma necessidade de tentar compreender melhor estas reacções, até há pouco tempo desconhecidas, bem como a forma como podem ser mitigadas ou reparadas.

Assim, na presente dissertação abordar-se-ão os princípios associados às reacções químicas expansivas internas do betão, analisando os componentes necessários à sua ocorrência e as reacções químicas implícitas às mesmas, com o objectivo final de encontrar os pressupostos necessários à modelação destas reacções, através do software SAP 2000.

Serão assim modeladas diversas secções planas de pilares mais frequentes, de modo a perceber qual a influência das expansões provocadas pelas reacções expansivas no comportamento estrutural do betão ao nível da secção.

1.3 Metodologia e organização da dissertação

A primeira etapa da presente dissertação centrou-se com uma pesquisa bibliográfica extensa, com o principal objectivo de dispor do máximo de informação sobre o tema abordado. Assim, procurou-se adquirir uma ideia global sobre o tema, de modo a ganhar sensibilidade para a análise dos resultados subsequentes, obtidos nas modelações a posteriori.

Assim, analisou-se não só as reacções em si, mas também as anomalias associadas, formas de diagnóstico e prognóstico, bem como os efeitos estruturais associados à deterioração provocada pelas mesmas.

Após a recolha de toda a informação necessária, transpôs-se os pressupostos encontrados em modelações planas, através de elementos finitos, das expansões associadas às reacções expansivas internas, chegando assim aos efeitos subsequentes às mesmas, não só ao nível da secção mas também no comportamento do pilar enquanto elemento estrutural.

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3 Numa última etapa, pretende-se transmitir de forma clara e concisa todas as informações, análises e conclusões que este estudo permitiu. Assim e com o intuito de tornar mais perceptível a organização da presente dissertação pelo conteúdo existente em cada capítulo, procede-se à sua descrição:

 Capítulo 1: limita-se a uma introdução ao tema abordado e a considerações iniciais acompanhadas das razões que motivam este trabalho; apresenta também os objectivos traçados e a metodologia utilizada para a sua elaboração;

 Capítulo 2: faz uma caracterização do betão enquanto material, analisando os seus componentes, e a sua influência na durabilidade das estruturas. Aborda-se ainda os mecanismos de deterioração do betão, extrínsecos e intrínsecos;

 Capítulo 3: visa a caracterização de uma das reacções de deterioração identificadas como tendo um carácter expansivo, nomeadamente as reacções álcalis-agregado. São abordados os mecanismos inerentes à mesma, bem como os factores determinantes no seu aparecimento;

 Capítulo 4: à semelhança do que acontece no capítulo 3, neste capítulo pretende-se caracterizar a outra reacção com carácter expansivo, a reacção sulfática interna;

 Capítulo 5: permite expor as anomalias associadas às reacções expansivas internas no betão, quer ao nível do betão, quer ao nível da armadura, analisando a razão de cada uma delas;

 Capítulo 6: analisa-se de uma maneira sintética não só as metodologias de diagnóstico das reacções expansivas internas, como também as suas metodologias de prognóstico;

 Capítulo 7: pretende evidenciar não só medidas de prevenção como também de mitigação e reparação das estruturas afectadas pelas reacções expansivas internas; Aborda-se neste capítulo a especificação do LNEC E 461, "Metodologia para prevenir reacções expansivas internas";

 Capítulo 8: aborda-se a influência das reacções expansivas internas do betão no seu desempenho estrutural;

 Capítulo 9: pretende expor os resultados consequentes às modelações efectuadas, bem como as conclusões e comparações que se acharam pertinentes. Descreve-se ainda a metodologia utilizada na construção das modelações, bem como os pressupostos assumidos;

 Capítulo 10: faz uma conclusão geral da dissertação com realce no conhecimento obtido em resultado da sua realização;

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4

2. Deterioração no betão

2.1. Considerações preliminares

Nas antigas civilizações, o betão era utilizado essencialmente em pavimentos, paredes e suas fundações. Foram os Romanos que, posteriormente, exploraram as propriedades deste material com mestria em diversas obras - casas, templos, pontes e aquedutos, contribuindo assim significativamente para um desenvolvimento ao nível da utilização deste material. Esses níveis de utilização, muito elevados para a época, levaram a que inúmeras obras chegassem até aos nossos dias, como por exemplo, em Portugal, a ponte de Vila Formosa na N369, e a Ponte de Trajano sobre o Rio Tâmega em Chaves (Figura 2.1).

Figura 2.1 - Ponte de Vila Formosa (á esquerda), e Ponte de Trajano sobre o Rio Tâmega em Chaves (à direita) (picasa)

Existem ainda registos de tentativas por parte dos Romanos, para fazerem o que hoje correntemente se designa por betão armado, utilizando como armaduras cabos de bronze. Porém, devido aos diferentes coeficientes de dilatação térmica dos materiais, tais experiências não foram bem sucedidas (Appleton, 2005). Posteriormente e durante muitas décadas, as estruturas de betão eram consideradas como indestrutíveis e o betão considerado como um material no qual não era necessário efectuar qualquer tipo de manutenção. Hoje em dia, verifica-se que o betão é um dos materiais mais versáteis e mais utilizado na construção, apresentando-se como um material durável quando correctamente produzido, e desde que sujeito a condições normais de exposição. Prova desta premissa é a existência de inúmeras obras realizadas nos últimos 100 anos, que ainda se encontram em bom estado de funcionamento e conservação (Gomes, 2008).

Ante tal eficácia e durabilidade deste material, torna-se pertinente perguntar: Qual a razão de tantos problemas relativos à durabilidade das estruturas?

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5 De facto, um dos problemas que leva a dar mais atenção à durabilidade hoje em dia, comparativamente às épocas primordiais, prende-se com a progressiva esbelteza das estruturas, considerando ainda a evolução das resistências dos betões: em obras mais antigas, onde o betão era pouco resistente, as secções transversais dos elementos estruturais eram mais robustos, à semelhança dos recobrimentos aplicados.

A evolução da tecnologia dos materiais, observada durante anos, permitiu um aumento das resistências do betão, sendo inúmeros os estudos com o objectivo de desenvolver técnicas para a obtenção de betões cada vez com um melhor desempenho, seja em termos de baixa permeabilidade e porosidade, seja em termos de maior ductilidade e resistência.

Como consequência directa do aumento da esbelteza dos elementos estruturais, as estruturas tornam-se inevitavelmente mais vulneráveis às influências ambientais, justificando-se, assim, que construções antigas apresentem ainda hoje um bom desempenho e aparência aceitável, enquanto outras mais recentes mostram sinais visíveis de deterioração prematura (Brandão, 1998).

Verifica-se então que, apesar de o betão ter provado ao longo dos tempos ser um material durável, na ausência de cuidado na selecção dos materiais na fase de projecto que tenham em conta o tipo de ambiente exterior, ou por ausência de manutenção, poderá ocorrer uma deterioração precoce das estruturas, levando a investimentos significativos na sua reparação ou mesmo substituição. Efectivamente, todas as estruturas estão sujeitas a acções de natureza física e química, considerando-se que o betão é durável quando a deterioração provocada por estas acções progride a um ritmo que não afecta significativamente o seu desempenho no período de vida considerado (Costa, et al., 1999).

Por todas estas razões, começa-se hoje a dar maior importância à durabilidade das estruturas, em prejuízo da filosofia primitiva que considerava a segurança o único factor importante, deixando a durabilidade em segundo plano: hoje em dia, são obrigatórias "especificações de projecto", de modo a garantir a produção de estruturas duráveis.

Estas acções às quais as estruturas estão sujeitas podem resultar de diversos factores, nomeadamente erros ou deficiências, quer sejam de projecto, execução, exploração ou manutenção, quer seja de deformações impostas como a retracção e a temperatura, ou devido a acções agressivas: físicas, químicas e biológicas. (Appleton, et al., 2009/2010) Na maioria dos casos, as causas físicas e químicas da deterioração estão inteiramente relacionadas, devendo-se tomar cuidado para não negligenciar as interacções possíveis quando vários fenómenos estão simultaneamente presentes (Moreira, 2006).

Pode considerar-se então, que existem mecanismos de deterioração intrínsecos e extrínsecos ao betão. Relativamente ao primeiro caso, consideram-se os fenómenos de reacções álcalis - agregados, as reacções sulfáticas internas, e a fendilhação devido à retracção e ao assentamento plástico do betão, enquanto no segundo caso se pode englobar a deterioração provocada por acções mecânicas, físicas, químicas e biológicas (Costa, et al., 1999).

(30)

6 Assim, antes de proceder a uma análise destes mecanismos de deterioração, e uma vez que tanto os componentes da pasta de cimento, como as características do betão (como, por exemplo, a sua estrutura porosa) desempenham um papel importante em quase todos estes mecanismos, com excepção dos de natureza mecânica, abordam-se a seguir de forma sumária os principais aspectos relativos a estes temas. Não se pretende aprofundar o campo da ciência e tecnologia dos materiais, mas sim apresentar noções gerais, com o objectivo de fornecer informações básicas à compreensão dos capítulos posteriores.

Componentes da pasta de cimento:

Pode-se definir cimento como um material com propriedades de aderência e coesão para ligar fragmentos de materiais minerais, advindo daqui a designação de ligante, definindo-se ainda como ligante hidráulico, uma vez que apesar de endurecer ao ar tem a capacidade de adquirir elevadas resistências debaixo de água.

Correntemente, em Portugal, o ligante mais utilizado no fabrico do betão é o Portland normal (CPN). Este cimento é uma combinação química predeterminada e bem proporcionada, de cálcio, sílica, ferro e alumínio, sujeita a um processo de fabrico complexo, rigorosamente controlado e abarcando uma grande variedade de operações (Martins, et al., 2006) .

Estas matérias-primas, após serem submetidas a elevadas temperaturas (obtidas geralmente em fornos rotativos), reagem entre si, originando novos compostos e, em virtude destes fenómenos químicos e físicos, os produtos da reacção aglomeram-se em pedaços com diferentes dimensões, chamados "clínquer" (Coutinho, 1973).

O cimento apresenta-se então como um pó fino proveniente da moagem do clínquer, ao qual se adicionou uma pequena quantidade de sulfato de cálcio hidratado (gesso) que actua como regulador de presa, pelo que interessa então conhecer melhor a constituição química do clínquer, para compreender a origem das substâncias que, posteriormente, podem interferir numa deterioração precoce da estrutura. Assim, o "clínquer" apresenta a seguinte constituição, e proporções médias (Costa, et al., 1999):

 Silicato tricálcico (C3S) 3 CaO. SiO2

 Silicato bicálcico (C2S) 2 CaO. SiO2

 Aluminato tricálcico (C3A) 3 CaO. Al2O3

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7

Figura 2.2 - Percentagens médias dos constituintes do "clínquer"

Não pretendendo alongar muito o presente assunto, importa realçar a importância da natureza da estrutura do "clínquer", e a influência da mesma nas propriedades do cimento. Assim, dentro da mesma linha de fabrico, devido a inúmeros factores, nomeadamente variações acidentais da composição química da matéria-prima, condições de mistura, temperatura, arrefecimento do clínquer, fazem com que a estrutura do clínquer se altere, derivando daí uma enorme variabilidade nas propriedades do cimento (Coutinho, 1973).

Figura 2.3 - Imagem ao microscópico óptico de varrimento do clínquer de cimento portland (Lança, 2007/2008)

Na presente dissertação, importa assim perceber qual a influência de cada um destes componentes na resistência química do cimento. No quadro seguinte, designa-se então qual a contribuição de cada componente para a tensão de rotura e para as resistências químicas (Coutinho, 1973).

C

₃

S

_{• 60%}

C

₂

S

• 20%

C

₃

A

_{• 8%}

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8

Tabela 2.1 - Propriedades principais dos componentes do cimento (Adaptado de (Coutinho, 1973))

Componentes

Tensão de rotura após

hidratação, kgf/cm2 Resistência química 7 dias 28 dias 1 ano

Silicato tricálcico 425 500 725 Pequena, por necessitar do contacto com soluções sobressaturadas de Ca(OH)2

Silicato Bicálcico 20 67 700 Média, por necessitar do contacto com soluções de pH inferior a 12

Aluminato tricálcico 20 34 67 Fraca, por dar origem à formação do sulfoaluminato tricálcico

Aluminoferrato

tetra-cálcico 20 36 38 Boa

Da leitura do presente quadro e de acordo com o que se vai abordar nos capítulos seguintes, interessa referir os seguintes pontos.

A presença do aluminato tricálcico no cimento é indesejável, considerando que propicia o ataque químico do betão, uma vez que, quando é atacado pelo ião sulfato, a expansão devida à formação do sulfatoaluminato de cálcio a partir do aluminato poderá levar à deterioração completa do betão (Coutinho, 1973), concluindo-se assim que os cimentos com pequenas percentagens de C3A (menor do que 5%) são os mais resistentes.

Já sob o ponto de vista da corrosão das armaduras, a presença do C3A apresenta-se como benéfica uma vez

que fixa os iões agressivos, contribuindo assim, quer para o abrandamento da penetração dos cloretos, quer para o aumento do teor crítico de cloretos no betão a partir do qual o mecanismo de corrosão é iniciado (Costa, et al., 1999).

Por outro lado, considerando as quantidades de C3S, verifica-se que, quanto maior for a quantidade deste

componente, maior será a produção de Ca(OH)2. Sendo este composto, por seu lado, muito vulnerável ao

ataque das substâncias agressivas, potencia reacções destrutivas devido ao ataque dos sulfatos e reacções expansivas entre os álcalis e a sílica reactiva dos inertes. Quanto aos mecanismos de corrosão, uma vez que se trata de um composto com uma acentuada contribuição para um ambiente com elevada alcalinidade protege as armaduras (Costa, et al., 1999).

Finalizando importa ainda referir o facto de que, como na matéria-prima do cimento entra o carbonato de cálcio, é possível a existência de algum óxido de cálcio não combinado com os silicatos e aluminatos, chamado correntemente, "cal livre" cuja presença pode ficar a dever-se, por exemplo, a uma mistura excessiva de óxido de cálcio ou a uma cozedura mal conduzida. No entanto, a presença de "cal livre" no cimento pode não ser perigosa, considerando que a reactividade química do óxido de cálcio com a água depende da temperatura a que este se forma: Se a sua hidratação ocorre aquando da junção da água ao cimento, sob a forma normal de

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9 expansão com libertação de calor, a sua estrutura, porosa e amorfa, não causa perturbações; no entanto, não se pode dizer o mesmo da sua forma mais ou menos cristalizada, que apenas se hidrata após a presa do cimento, podendo assim fragmentar e provocar a expansão do betão (Coutinho, 1973).

Os cimentos que podem ser utilizados no betão simples, armado ou pré-esforçado são definidos na norma NP EN 197-1.

Características do betão:

Existe hoje consenso em que são as propriedades do betão associadas aos diversos mecanismos de penetração das substâncias agressivas que fundamentalmente influenciam a durabilidade das estruturas (Costa, 1997), pelo que decorre daqui a necessidade de perceber quais são estas propriedades e de que formas contribuem para os mecanismos de deterioração do betão. Os principais parâmetros que controlam a penetração destas substâncias são a dimensão e a continuidade da estrutura porosa do betão, pelo efeito que exercem nos diversos mecanismos de transporte: permeação, absorção e difusão.

Por sua vez, a razão água/cimento (A/C) influencia estes parâmetros, na medida em que, quanto maior for o seu valor, mais porosa e permeável é a pasta de cimento. Tal facto reflecte-se numa diminuição da resistência do betão e numa maior sensibilidade à acção dos agentes agressivos (Costa, et al., 2002).

Por último, os agregados utilizados no betão também contribuem para um betão mais ou menos poroso dependendo da sua dimensão e da sua capacidade de ligação à pasta de cimento. Por outro lado, estes requerem também uma atenção especial no que diz respeito à sua contribuição para as reacções químicas no betão, podendo contribuir para a deterioração do mesmo se não forem tomados cuidados quanto às suas propriedades.

Sendo assim, abordar-se-á de seguida mais em pormenor estas propriedades, nomeadamente a estrutura porosa, a razão A/C e o tipo de agregados, considerando-se necessária a sua compreensão para uma melhor abordagem posterior aos diversos mecanismos de deterioração, destacando as propriedades que influenciam os mecanismos químicos de deterioração.

1. Estrutura porosa

Como referido, o principal parâmetro que controla a penetração destas substâncias é a estrutura porosa do betão. Efectivamente, nem todo o seu volume está preenchido pela fase sólida, estando a formação de poros principalmente ligada à granulometria dos agregados que ocorre aquando da compactação, presa e cura subsequente (Coutinho, 1973). Os poros têm origem no espaço deixado pela água de amassadura após a hidratação do cimento que, com volume maior do que o do cimento anidro que passa a ocupar parte do volume preenchido pela água, deixa uma quantidade de vazios (Nevile, 1994).

Saliente-se ainda o facto de não ser a porosidade mas sim a estrutura porosa que influi no controlo da penetração de substâncias agressivas, interessando neste caso observar a relação entre a porosidade e a

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10 permeabilidade do betão. Entenda-se que aqui permeabilidade toma o significado da capacidade de resistência do betão à penetração de agentes agressivos. De facto, a porosidade só por si não é uma medida da permeabilidade do betão (Costa, 1997).

A Figura 2.4 ilustra o facto já referido de que não é a porosidade total que influencia a permeabilidade mas sim a dimensão e continuidade da estrutura porosa.

Figura 2.4 - Influência da estrutura porosa na permeabilidade (Costa, 1997)

Da observação da figura, concluí-se que, apesar de o material do canto superior esquerdo ser poroso, não é permeável pelo facto de os poros não estarem interligados, enquanto o material do canto superior direito apresenta uma estrutura porosa e permeável, já que, para além de um nível de porosidade elevada, os vazios comunicam todos entre si.

Figura 2.5 - Estrutura porosa, com elevada compacidade (Costa, et al., 1999)

Pode-se então classificar a estrutura porosa do betão de diversas maneiras, considerando quer a origem quer a dimensão dos poros; esta compreensão torna-se ainda mais importante pelo facto de a porosidade do betão ser uma das suas partes constituintes que pode ser manipulada de forma a proporcionar um maior

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11 desempenho ao longo do tempo, obtendo-se assim uma maior durabilidade. De acordo com a classificação indicado por Haynes (Costa, et al., 1999), o betão é constituido por:

 Vazios ou macroporos - advêm inevitavelmente do processo de fabrico, colocação e compactação do betão, podendo a sua dimensão chegar aos vários milímetros e o ar aprisionado no seu interior pode ser da ordem de 1% a 5% do seu volume;

 Poros capilares - têm origem nos espaços inicialmente preenchidos com a água da amassadura, e que não foi consumida pelas reacções de hidratação das partículas de cimento e o seu diâmetro pode variar entre 8x10-9 e 13x10-6m;

 Poros de gel - são constituídos pelos espaços intersticiais entre partículas de gel de CSH - produto de hidratação do cimento e o diâmetro destes poros está compreendido entre 1x10-9 e 8x10-9m;

 Vazios nos agregados - como o próprio nome indica, refere-se aos poros existentes nos agregados do betão podendo atingir percentagens em volume de 0 a 20%, mais frequentemente entre 0,5 e 5%; Verifica-se assim que a porosidade do betão resulta quer dos poros da pasta de cimento, quer da porosidade presente nos agregados. No entanto, a porosidade destes parece não ter uma importância significativa na penetração das substâncias agressivas: estando os agregados envolvidos pela pasta de cimento, num betão com uma compactação adequada, é a permeabilidade da pasta de cimento que detém maior influência na permeabilidade à água do betão (Nevile, 1994).

Numa pasta de cimento acabada de preparar, todos os poros são capilares. No entanto, à medida que as partículas de cimento vão sendo hidratadas, regista-se um aumento dos poros de gel, uma vez que os poros vão sendo ocupados pelos produtos de hidratação do cimento (Costa, 1997). Estes volumes são fortemente influenciados pela quantidade de água utilizada no fabrico do betão, verificando-se que a porosidade capilar é resultado da razão água-cimento e do grau de hidratação do cimento, factor que se analisar-se-á a seguir.

2. Razão água / cimento:

A água não evaporável na pasta de cimento hidratada revela-se ser cerca de 23% do peso do cimento, ou seja, para hidratar o cimento, é necessária uma razão A/C mínima de 0,23. Porém, para que se registe uma hidratação total do cimento, é necessária uma razão água-cimento da ordem dos 0,38, uma vez que, como referido, os produtos de hidratação ocupam um volume superior às partículas de cimento anidras, necessitando assim de espaço para se desenvolverem. Conclui-se, assim, segundo Costa et al. (1999), que se a razão cimento for inferior a este valor, a hidratação completa do cimento não é possível. Se a razão água-cimento for baixa, parte significativa do água-cimento não é hidratada e, por outro lado, se a razão água-água-cimento for elevada, todo o cimento pode ser hidratado mas a porosidade capilar também é elevada, dado que o gel formado não é suficiente para preencher os vazios capilares, significando que a porosidade capilar é função da razão água-cimento e do grau de hidratação do cimento, conforme a Figura 2.6 seguinte demonstra (Costa, 1997).

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Figura 2.6 - Efeito da razão A/C e do grau de hidratação (m) no volume das diferentes fracções da pasta de cimento (Costa, et al., 1999)

Na figura está representado o volume das fracções dos principais constituintes da pasta de cimento hidratada em função da razão A/C, considerando graus de hidratação m=0, m=0,5 e m=1. Vnh representa então o volume

das partículas de cimento não hidratadas, Vg o volume do gel de cimento hidratado e Vpc é o volume dos poros

capilares.

Como se pode perceber através da observação da figura 2.6, a eliminação ou minimização da porosidade capilar só é possível para baixas razões de água-cimento, para as quais parte do cimento não será hidratada. No entanto, o cimento não hidratado não prejudica as propriedades da pasta, antes pelo contrário. Efectivamente, verifica-se que as pastas de cimento com maiores proporções de cimento não hidratado, têm maior resistência (Nevile, 1994).

Sob o ponto de vista da durabilidade, estas partículas não hidratadas mostram-se benéficas pois, tendo em conta o facto de que se o betão fendilhar, por qualquer razão estrutural ou ambiental, estas partículas de cimento hidratam logo que a água começar a penetrar nas fendas, contribuindo assim para a sua colmatação (Costa, 1997).

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Figura 2.7 - Representação esquemática da relação água-cimento e cura na rede porosa capilar (Costa, 1997)

3. Propriedades dos agregados:

A utilização dos agregados no betão provém do facto de que, apesar de ser possível a utilização apenas da pasta de cimento (cimento e água) endurecida como material de construção, pela sua resistência, tal utilização se traduzir em duas grandes desvantagens:

 Instabilidade dimensional (fluência elevada e retracção elevada);

 Custo elevado (o cimento apresenta-se como um material caro, devido aos elevados consumos de energia associados ao seu fabrico).

O objectivo então deve ser a utilização de maior quantidade de agregados mas que permita que as partículas sejam aglomeradas na pasta de cimento, com granulometria extensa, desde a areia fina ao agregado grosso, de