TEMA 4 - Procedimientos
Principais fatores intervenientes nas medidas de resistividade
elétrica superficial do concreto – Estado-da-Arte
Julia Wippich Lencioni1,a, Maryangela Geimba de Lima2,b
1,2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 – Vila das Acácias – São José dos Campos – São Paulo – Brasil – CEP: 12.228-900
a
lencioni@ita.br , b magdlima@ita.br
Palavras-chave: concreto, resistividade elétrica superficial, fatores intervenientes, estado-da-arte
Resumo
A resistividade elétrica é uma característica dos materiais em geral. O concreto, quando saturado em água, comporta-se como um semicondutor, com resistividade elétrica da ordem de 10.m, enquanto que seco pode ser considerado um isolante elétrico com resistividade da ordem de 106 .m. A importância da resistividade elétrica do concreto reside no fato de que esta propriedade, juntamente com o acesso de oxigênio, controla o processo eletroquímico que gera o fenômeno da corrosão das armaduras imersas no concreto. A resistividade elétrica está relacionada aos principais estágios da vida útil de uma estrutura (períodos de iniciação e propagação da corrosão das armaduras) e considera-se existir uma relação entre a resistividade do concreto e a velocidade de corrosão do aço após a sua despassivação. Alguns fatores, intrínsecos ou extrínsecos ao concreto, afetam as medidas de resistividade elétrica, principalmente quando se trata da resistividade elétrica superficial do material, podendo resultar em falsos valores baixos ou altos, que levam a interpretações errôneas quanto ao estado de uma estrutura, se em corrosão ativa ou não do aço. Este trabalho apresenta um estado-da-arte sobre os principais fatores intervenientes nas medidas de resistividade elétrica superficial do concreto realizadas com o método dos 4 pontos (Wenner), tais como: relação a/c, agregados, carbonatação, temperatura, parâmetros geométricos, e outros.
Introdução
A resistividade elétrica, uma propriedade dos materiais em geral e que pode ser definida como o inverso da condutividade da corrente elétrica, é uma propriedade que tem significativa importância na durabilidade das estruturas de concreto armado. Sua importância encontra-se no fato de que, juntamente com o acesso de oxigênio, controla o processo eletroquímico que gera o fenômeno da corrosão das armaduras imersas no concreto. Sendo a corrosão das armaduras uma das manifestações patológicas mais freqüentemente observadas nas estruturas de concreto, vem daí a importância em se estudar
parâmetros relacionados a esse fenômeno. Por conta disso, a resistividade elétrica do concreto é objeto de estudo de pesquisas no Brasil e no mundo.
Apesar de sua reconhecida importância, inexiste no Brasil uma norma regulamentadora dos ensaios de resistividade elétrica superficial do concreto. Atualmente, apenas os ensaios referentes à resistividade elétrica volumétrica são normalizados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), através da norma NBR9204/1985: Concreto endurecido – Determinação da
resistividade elétrica-volumétrica [1]. Ensaios referentes à resistividade elétrica
superficial do concreto são realizados com base em normas/recomendações estrangeiras, fazendo com que cada profissional/pesquisador tenha que adotar métodos de ensaio e critérios de avaliação estrangeiros e justificar suas escolhas ou desenvolver seus próprios métodos de análise. Por consequencia, inexiste uma uniformidade nos procedimentos adotados. Buscar pontos em comum entre diversas metodologias de ensaio e avaliação contribui com a definição de parâmetros que podem vir a estabelecer um padrão nacional.
Com base no exposto, este trabalho tem por objetivo principal apresentar o estado da arte dos parâmetros que mais comumente influenciam as medidas de resistividade elétrica superficial do concreto. Inicialmente, são apresentados alguns conceitos relacionados à resistividade elétrica superficial do concreto, sendo posteriormente relacionados parâmetros que de alguma forma exercem influência nas medidas dessa propriedade. Em seguida, esse parâmetros são brevemente discutidos, consideram-se que a influência de alguns deles pode ser evitada ou até mesmo reduzida.
Este trabalho é parte integrante da tese do Doutorado da Engenheira Civil MSc Julia Wippich Lencioni, intitulada “Estudos da resistividade elétrica superficial do concreto”, em desenvolvimento no Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA – Brasil), sob a orientação da Profª Drª Maryangela Geimba de Lima. Estudos como o aqui apresentado, visam elencar e definir parâmetros que venham a contribuir com uma possível elaboração de um texto de norma nacional para ensaios de resistividade elétrica superficial do concreto.
A resistividade elétrica do concreto e sua relação com a corrosão das armaduras
A resistividade elétrica superficial do concreto pode ser medida de várias formas, sendo mais conhecido o método dos “quatro pontos”, similar ao método de Wenner originalmente empregado na determinação da resistividade elétrica dos solos e descrito na norma ASTM G57 - Standard Method for Field
Measurement of Soil Resistivity Using the Wenner Four-Electrode Method [2].
Conforme Cascudo [3], atualmente esse método apresenta adaptações para aplicação em concreto por meio de equipamentos comerciais, que apresentam como vantagem a possibilidade do uso in situ e o fato de serem totalmente não destrutivos, já que tais equipamentos apenas encostam-se à superfície do concreto, obtendo-se rapidamente as medidas desejadas.
Conforme descrito por Gowers e Millard [4], quatro contatos espaçados a igual distância são colocados sobre a superfície de concreto e uma pequena corrente alternada (I) é aplicada entre os contatos externos. A diferença de potencial (V) resultante entre os dois contatos internos é medida pelos
equipamentos. A Figura 1 a seguir traz um esquema apresentado pelos Autores para o funcionamento da técnica de Wenner, empregada atualmente nos equipamentos comerciais para medida de resistividade elétrica superficial, mostrando, inclusive, as linhas de corrente que são geradas e que devem ser consideradas quando verificadas as dimensões mínimas de um elemento de concreto a ser avaliado, de forma a se evitar a fuga de corrente.
Figura 1: Técnica de Wenner para as medidas de resistividade elétrica superficial do concreto. (Traduzido de: [4]).
Esta técnica é considerada totalmente não destrutiva pelo fato de que os eletrodos do equipamento são apenas encostados na superfície do concreto, realizando-se rapidamente as leituras da resistividade elétrica superficial do material.
A resistividade elétrica do concreto, de acordo com Helene [8] é uma propriedade de interesse no estudo da cinética do processo de corrosão eletroquímica das armaduras. Devido à natureza eletroquímica do processo de corrosão, espera-se uma relação entre a resistividade do concreto e a velocidade de corrosão do aço após a despassivação, já que a mobilidade iônica entre as regiões anódica e catódica é um fator de controle da velocidade com que as reações irão se processar [9]. Em uma dada estrutura, áreas com baixa resistividade elétrica terão uma taxa de corrosão relativamente alta após a despassivação [5].
Fatores intervenientes nas medidas de resistividade elétrica superficial do concreto
A seguir, são relacionados alguns dos fatores intervenientes nas medidas de resistividade elétrica superficial do concreto.
• Relação água/cimento
A relação água/cimento é um dos parâmetros mais importantes para o desempenho do concreto. Este parâmetro influencia consideravelmente a estrutura porosa da pasta de cimento, especificamente no volume total de poros e na quantidade de poros de maiores diâmetros. Assim, quanto maior a relação água/cimento, maior o volume de poros e maior é a probabilidade de existirem poros com maiores diâmetros e interconectados e, portanto, menor será a resistividade elétrica [9].
Quanto maior a relação a/c, maior será a porosidade e permeabilidade de um concreto e, a princípio, menor será sua resistividade elétrica [10].
Em um trabalho publicado em 1979, Woelfl e Lauer [11] relataram resultados de um estudo no qual verificaram, dentre outras questões, a influência da relação a/c na resistividade elétrica do concreto. Nesse estudo, foram empregadas 3 relações a/c - 0,4, 0,5 e 0,6 – mantendo-se constante uma relação agregado/aglomerante (a/a) igual a 2. A mistura empregando a relação a/c = 0,5 foi tomada como sendo a mistura de referência. Os pesquisadores concluíram que os resultados de seus experimentos mostraram que a resistividade elétrica do concreto diminui com o aumento da relação a/c. Isso ocorre porque a concentração de íons na água livre, que é o principal condutor de eletricidade no interior do concreto, está diretamente relacionada à quantidade de água empregada na mistura [11].
• Agregados
O concreto pode ser considerado como um compósito de partículas de agregado de vários tamanhos imersos em uma pasta de cimento Portland [12]. Segundo Gowers e Millard [4], quando empregada a técnica de Wenner para monitoração da resistividade elétrica, assume-se que o material monitorado seja homogêneo. Entretanto, as partículas de agregado do concreto apresentam, geralmente, uma resistividade elétrica muito mais elevada que a da pasta de cimento, o que faz com que grande parte da corrente seja conduzida através da pasta. Assim, a resistividade elétrica do concreto, segundo Santos [9], é muito mais sensível às alterações das características da pasta de cimento do que às mudanças no tipo de agregado.
Entretanto, a resistividade elétrica do concreto tende a aumentar com o aumento da quantidade de agregado utilizado. Segundo Monfore [13 apud 9], a presença de agregados, partículas praticamente não-condutoras, entre a matriz de concreto, causa a obstrução da passagem de corrente elétrica, fazendo com que o comprimento efetivo da trajetória a ser percorrida pela corrente seja maior do que a dimensão do material na direção da corrente. Assim, quanto maior for o teor de agregados, maior será o seu efeito de obstrução e maior será a resistividade.
A resistividade aumenta com a idade do concreto, o que significa progresso na hidratação do cimento.
Com base no exposto por Whitington et al [12], uma vez que a quantidade de água evaporável em uma pasta de cimento comum varia de 60%, no momento da mistura, a 20% após hidratação completa do cimento, a condutividade elétrica do concreto, ou ao inverso, sua resistividade, é função do tempo (ou idade) do concreto. Estudos apresentados por Woelf e Lauer [11] apresentaram um aumento significativo da resistividade elétrica aos 23 dias para corpos de prova curados ao ar quando comparados com corpos de prova submetidos a cura úmida. Esse aumento é devido à evaporação da água livre, que é condutora de corrente pelo concreto.
• Temperatura
Polder at al [14] afirmam que mudanças de temperatura exercem alterações importantes na resistividade do concreto. A umidade relativa constante, uma temperatura elevada provoca a queda da resistividade e vice-versa. De acordo com os referidos autores, isso é causado por mudanças na mobilidade iônica na solução dos poros e por mudanças na interação íon-sólido com a pasta de cimento.
Em seus estudos, Al-Abdul-Hadi [15] verificou a influência da variação da temperatura em um concreto de relação a/c = 0,5, avaliando o comportamento da resistividade desse concreto a 20ºC, 40ºC, 60ºC e 80ºC. Foi verificado que para uma variação de temperatura entre 20ºC e 80ºC a resistividade do concreto a 80ºC correspondia a cerca de apenas 46% da resistividade a 20ºC. Para a temperatura de 40ºC, houve uma queda de cerca de 34% no valor da resistividade em relação ao valor a 20ºC.
De acordo com Polder at al [14], através de uma recomendação técnica da International Union of Labroratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures – RILEM, a correção dos dados de resistividade em função da variação da temperatura é algo complexo. Os próprios autores apresentam um modelo matemático, baseado na equação de Arrhenius, que emprega um fator empírico com uma faixa de variação muito elevada (de 1500 a 4500). Tanto a composição do concreto quanto a umidade podem influenciar a resistividade e sua dependência com a temperatura. De forma simplificada, os Autores colocam que pode ser assumido que dentro de uma variação de 0ºC a 40ºC, a resistividade dobra quando há uma queda de 20ºC, podendo-se assumir também que uma variação de 3% a 5% ocorre para cada grau de temperatura.
• Carbonatação
Segundo Millard [16], a carbonatação gera a precipitação de carbonato de cálcio pelos poros, o que provoca o endurecimento da superfície do concreto, havendo um aumento significativo da resistividade elétrica na superfície.
Quando exposto a condições de molhagem suficientes, a taxa de corrosão do aço no concreto carbonatado pode ser elevada, seguindo a correlação existente entre o inverso da resistividade e a taxa de corrosão [14].
Além disso, segundo Polder at al [14], a carbonatação reduz a concentração dos íons no líquido dos poros, responsáveis pela condução da corrente. Isso pode ocasionar o aumento da resistividade elétrica do concreto.
• Íons Cloreto
O efeito dos íons Cloreto na resistividade elétrica do concreto é algo contraditório. Alguns autores afirmam ser insignificante a ação dos Cloretos sobre a resistividade elétrica; outros afirmam ocorrer uma redução significativa da resistividade elétrica com o aumento do teor desses íons no interior do concreto.
Segundo Polder et al [14], em uma determinada estrutura existente, áreas mais permeáveis apresentam uma baixa resistividade e uma elevada penetração aos íons Cloreto. Para um concreto não carbonatado, o efeito da penetração dos íons Cloreto na resistividade é relativamente pequeno.
Hunkeler [17] expõe que o pH da solução de Ca(OH)2 diminui com o
aumento do conteúdo de NaCl, havendo a redução também dos conteúdos dos íons Ca2+ e OH- do concreto. Para uma solução de 2,5 molar de NaCl, ocorre a redução do pH para cerca de 12. Tendências similares são observadas para soluções de KOH + NaOH. Desta forma, o aumento da condutividade (ou a redução da resistividade) com o aumento do conteúdo de íons Cloreto ocorre simultaneamente à redução da concentração de íons OH- na água contida nos poros do concreto.
• Teor de umidade
O grau de saturação na rede de poros capilares do concreto varia em função das condições atmosféricas do ambiente no qual está exposto. As alterações na umidade relativa e a ocorrência de chuvas podem alterar o conteúdo de umidade do concreto [18 apud 9]. Considerando que a passagem de corrente pelo concreto depende do teor de eletrólito contido em seus poros, alterações no teor de umidade da matriz acarretarão em alterações na resistividade elétrica do concreto.
A umidade relativa é um parâmetro decisivo para o grau de saturação dos poros, que por sua vez controla a resistividade elétrica do concreto de cobertura e desta forma limita a transferência de carga elétrica entre áreas anódicas e catódicas do aço. Assim, quanto mais saturados estiverem os poros do concreto, menor será a resistividade elétrica e mais elevada, a princípio, a velocidade de corrosão [10].
As adições minerais, tais como cinza volante, sílica ativa e escória de alto-forno, e os filers, materiais inertes de pequenas dimensões, exercem influência na resistividade elétrica do concreto, pois, segundo informações apresentadas por Santos [9], provocam o refinamento dos poros da matriz, por ação química e/ou física, e diminuem a concentração iônica da solução. Sendo assim, o concreto com adições minerais apresenta uma maior resistividade elétrica quando em comparação com um concreto convencional. A densificação da matriz e o aumento da quantidade de poros de menores diâmetros [...] dificultam a condução da corrente através do concreto e, portanto, aumentam a resistividade elétrica [9].
• Presença da armadura
A armadura conduz corrente muito melhor do que o concreto e irá provocar alterações na homogeneidade do fluxo de corrente. Leituras realizadas sobre as barras resultam em falsas medidas de resistividade elétrica. Mesmo que apenas um dos quatro eletrodos esteja próximo à barra, o fluxo de corrente não será ideal, e resultados errôneos poderão ser produzidos. Neste caso, a leitura resultante poderá ser um falso valor baixo ou alto, dependendo de qual eletrodo estiver próximo à barra [14].
• Parâmetros geométricos
Gowers e Millard [4] apresentaram um estudo segundo o qual alguns parâmetros geométricos devem ser tomados como referência para que se tenha precisão nas leituras efetuadas com os equipamentos para leitura da resistividade elétrica superficial dos concretos. As dimensões mínimas que os elementos de concreto deveriam apresentar para que não ocorresse o fenômeno de fuga de corrente foram investigadas. Na Figura 2 é apresentado o esquema dos parâmetros geométricos cuja adoção é recomendada por esses autores.
Figura 2: Recomendações de parâmetros geométricos para ensaios de resistividade elétrica superficial (traduzido e adaptado de [4]). Discussão
Diversos são os parâmetros que influenciam nas medidas de resistividade elétrica superficial do concreto, sendo apenas alguns deles apresentados neste trabalho. Entretanto, o efeito de muitos desses parâmetros pode ser evitado com medidas simples, que podem ser tomadas tanto em campo quanto em ambiente de laboratório.
O efeito da hidratação do cimento pode ser evitado estabelecendo-se idades para ensaio no concreto. Estudos prévios permitem definir idades a partir da qual a hidratação do cimento possa ser considerada relativamente estável e não mais um fator determinante na evolução da resistividade elétrica. Concretos novos apresentam grande variação nos valores da resistividade elétrica superficial.
O efeito da presença da armadura pode ser evitado nos ensaios de resistividade elétrica superficial empregando-se um equipamento próprio para detecção de metais no concreto, facilmente encontrado no mercado. É necessário evitar medidas sobre a barra e também a certa proximidade dela. Estudos realizados pelas autoras deste trabalho sugerem 4 cm como uma distância segura para a tomada de medidas paralelas à armadura. No caso de medidas tomadas sobre a barra, Gowers e Millard [4] afirmam que erros significativos podem ser evitados se o espaçamento entre os contatos (eletrodos) do equipamento empregado na técnica de Wenner estiverem espaçados entre si o equivalente a 2/3 do cobrimento da armadura.
A carbonatação oferece ao concreto uma camada superficial de resistividade distinta do restante da massa, geralmente de resistividade superior. Gowers e Millard [4] expõem que, quando há a presença de uma fina camada de concreto carbonatado, a espessura dessa camada deve ser medida e deve ser empregado um espaçamento entre eletrodos equivalente a 8 vezes essa espessura, de forma a garantir que seja medida a resistividade do concreto abaixo dessa camada. Quando a camada carbonatada excede o cobrimento da armadura, a resistividade da camada carbonatada deve ser considerada como a resistividade que irá influenciar na corrosão da armadura.
O teor de umidade superficial de um concreto pode ser alterado pela incidência de chuvas ou pelo umedecimento excessivo da superfície durante a realização das medidas, alterando a resistividade elétrica superficial. É conveniente evitar realizar medidas de resistividade elétrica superficial logo após a ocorrência de chuvas e também evitar a molhagem excessiva da superfície do elemento monitorado – a molhagem da superfície deve ser realizada no momento do ensaio, e feita com a ajuda dos próprios eletrodos, que geralmente contam com esponjas ou plugues de madeira que devem ser umedecidos a cada medida.
As recomendações apresentadas por Gowers e Millard [4] quando a geometria doe elemento a ser monitorado (Figura 2) são extremamente válidas para se evitar a fuga de corrente do equipamento empregado na monitoração da resistividade elétrica superficial e evitar erros significativos nas leituras. Essas recomendações também sugerem medidas mínimas para a distância entre eletrodos de forma a se minimizar o efeito dos agregados, do aço e de camadas com resistividades distintas (como no caso da carbonatação, por exemplo).
Considerações finais
Os ensaios de resistividade elétrica superficial do concreto são uma ferramenta bastante útil no controle e monitoração da corrosão das armaduras,
além de serem de fácil execução, tanto em campo quanto em laboratório. Além disso, permitem correlacionar seus resultados com outras características do concreto, como por exemplo, permeabilidade a íons.
Os parâmetros apresentados neste trabalho como sendo de interferência nas medidas de resistividade elétrica superficial - relação água/ cimento, agregados, hidratação do cimento, temperatura, carbonatação, íons Cloreto, teor de umidade, adições minerais, presença da armadura, parâmetros geométricos – não são os únicos parâmetros que influenciam os resultados dos ensaios, mas são os mais comuns, tanto em ensaios de laboratório quanto de campo. Conhecê-los e evitá-los permite a obtenção de resultados mais confiáveis, com um mínimo de interferências. As interferências podem fornecer falsos resultados e influenciar na análise das reais condições de uma estrutura quanto à probabilidade de corrosão das armaduras imersas no concreto.
Acima da importância de evitar os parâmetros que influenciam negativamente nas leituras de resistividade elétrica superficial, considera-se que está a necessidade de saber trabalhar com a existência dessas influências, as quais nem sempre podem ser totalmente evitadas na prática, em função da geometria das peças, sua localização, condições de trabalho, etc. Considera-se necessário que sejam desenvolvidos mecanismos de correção dos valores obtidos nos ensaios, a serem utilizados quando for inevitável a realização das medidas de resistividade elétrica superficial sob condições adversas, que não permitam a eliminação das influências.
Agradecimentos
As autoras agradecem ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) e à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal do Ensino Superior (CAPES), pela bolsa de estudos concedida à doutoranda Julia Wippich Lencioni, à Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), a Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP) e ao Programa Iberoamericano de Ciência e Tecnologia para o Desenvolvimento (CYTED). Referências
[1] Associação Brasileira de Normas Técnicas: NBR9204:1985 - Concreto
endurecido – Determinação da resistividade elétrica-volumétrica. ABNT, Rio de
Janeiro, (1985).
[2] ASTM International: G57-06 - Standard Test Method for Field Measurement
of Soil Resistivity Using the Wenner Four-Electrode Method. ASTM, West
Conshohocken.
[3] O. Cascudo, in: Concreto – Ensino, Pesquisa e Realizações, editado por G. C. Isaia. IBRACON, São Paulo, Vol. 1, (2005), p. 713-751
[4] K. R. Gowers; S. G. Millard: Measurement of concrete resistivity for
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Materials Journal, n. 96-M66, (1999), p. 536-541.
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[8] P. R. L. Helene: Contribuição ao estudo da corrosão em armaduras de
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[10] A. G. Abreu: Efeito das adições minerais na resistividade elétrica de
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[12] H. W. Whittington et al. The conduction of electricity through concrete. Magazine of Concrete Research, Vol 33, n. 114, (1981), p. 48-60.
[13] G. E. Monfore: The electrical resistivity of concrete. Journal of the PCA Research and Development Laboratories. Vol. 10, n. 2 (1968), p. 35-48.
[14] R. Polder et al: Rilem TC 154-EMC: Electrochemical techniques for
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[15] S. S. Al-Abdul-Hadi: Electrical resistivity of concrete in relation to corrosion
[16] S. G. Millard: Reinforced concrete resistivity measurement techniques. Proceedings of Institute if Civil Engineers. Vol. 91, parte 2, (1991), p. 71-88. [17] F. Hunkeler: The resistivity of pore water solution – a decisive parameter of
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[18] M. Castellote et al. Standardization, to reference of 25°C of Electrical
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