UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM CONSTRUÇÃO CIVIL
“SISTEMAS DE IMPERMEABILIZAÇÃO E PROTEÇÃO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO DE RESERVATÓRIOS DE ÁGUA TRATADA ATACADOS
POR CLORETOS”
Autor: Rodrigo César Rissari Bissa Orientador: Prof. José Eduardo de Aguiar, Msc.
Autor: Rodrigo César Rissari Bissa
“SISTEMAS DE IMPERMEABILIZAÇÃO E PROTEÇÃO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO DE RESERVATÓRIOS DE ÁGUA TRATADA ATACADOS
POR CLORETOS”
Monografia apresentada a Escola de Engenharia da UFMG como requisito final para a obtenção do título de Especialista no Curso de Especialização em Construção Civil. Orientador: Prof. José Eduardo de Aguiar, Msc.
“Podemos escolher o que semear, mas somos obrigados a colher aquilo que plantamos."
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos mestres pelo conhecimento compartilhado, em especial ao Professor e orientador José Eduardo de Aguiar, pela disponibilidade e orientação durante o desenvolvimento desta monografia. Obrigado UFMG.
Aos meus amigos e colegas pelo incentivo e torcida constantes. Aos novos amigos do curso de especialização, pela companhia no decorrer dessa jornada, espero que a amizade possa continuar mesmo longe das salas de aula.
Aos meus pais e demais familiares pelo apoio e oportunidade. Estiveram sempre torcendo para que eu pudesse alcançar essa vitória.
À CESAN pela oportunidade de concluir esta especialização e por contribuir com dados relevantes para o desenvolvimento do tema proposto.
À ARCELOR MITTAL pelo patrocínio, contribuindo para uma formação acadêmica especializada e de qualidade.
Ao meu amor, Bel, pela paciência e companheirismo durante toda a essa caminhada.
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ...13 2 FUNDAMENTAÇÃO E JUSTIFICATIVA ...16 3 OBJETIVO ...20 4 CORROSÃO DE ARMADURA...21 4.1 MECANISMO DA CORROSÃO ...25
4.2 CONSEQÜÊNCIAS DA CORROSÃO DO AÇO...29
5 AÇÃO E INGRESSO DE CLORETOS ...31
5.1 MECANISMOS DE CORROSÃO INDUZIDA POR CLORETOS...34
5.2 TEORES LIMITES DE ÍONS CLORETOS ...35
5.3 FATORES INFLUENTES NA VELOCIDADE E PROFUNDIDADE DOS ÍONS CLORETOS ...39
5.3.1 COMPOSIÇÃO, TIPO E QUANTIDADE DE CIMENTO ...40
5.3.2 RELAÇÃO ÁGUA/CIMENTO, ADENSAMENTO E CURA...41
5.3.3 GRAU DE SATURAÇÃO DOS POROS, CONCENTRAÇÃO DE ÍONS CLORETOS E TEMPERATURA...43
5.3.4 FISSURAS ...43
5.3.5 CARBONATAÇÃO ...44
5.4 AMBIENTE EXTERNO DOS RESERVATÓRIOS DE ÁGUA TRATADA ....47
5.5 AMBIENTE INTERNO DOS RESERVATÓRIOS DE ÁGUA TRATADA ...50
5.6 CUIDADOS VISANDO À MELHORIA DA DURABILIDADE DO CONCRETO ARMADO ...54
6 CAUSA EXTRÍNSECAS DE DETERIORAÇÃO ...56
6.1 CONSIDERAÇÕES ESTRUTURAIS ...58
6.2 PROCEDIMENTO DE VERIFICAÇÃO DE ABERTURA DE FISSURAS ....61
7 SISTEMAS DE IMPERMEABILIZAÇÃO E PROTEÇÃO...71
7.1 SISTEMAS DE CRISTALIZAÇÃO...71
7.3 REVESTIMENTO DE ALTA RESISTÊNCIA QUÍMICA À BASE DE CIMENTO ...73 8 CONCLUSÕES, RECOMENDAÇÕES E TRABALHOS FUTUROS ...76 9 REFERÊNCIAS...79
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Interrelacionamento entre conceitos de durabilidade e desempenho –
C.E.B – Boletim 183 (1989) apud (SOUZA, 1998). ...14
Figura 2 – Esquema do processo de tratamento de água (SABESP). ...16
Figura 3 - POURBAIX (1987) apud FORTES & ANDRADE (2000)...22
Figura 4 – Escala de energia...25
Figura 5 – Processo de corrosão eletroquímica do aço (Catálogos SIKA, 2006)...27
Figura 6 - Representação da deterioração resultante da corrosão (NEVILLE,1997).29 Figura 7 – Aumento de volume devido à oxidação e expansão da armadura – Interior de reservatório em operação no município da Serra - (CESAN)...30
Figura 8 – Esquematização da corrosão eletroquímica (Catálogos SIKA, 2006)...35
Figura 9 – Efeito da relação água/cimento na penetração de cloretos...42
Figura 10 – Pilar em indústria com corrosão das armaduras devido à carbonatação (AGUIAR, 2006). ...45
Figura 11 – Pilar sobre o mar após 10 anos de construção – efeito sinérgico da ação de carbonatação e íons cloretos (AGUIAR, 2006). ...46
Figura 12 – Localização litorânea – Guarapari – ES. ...48
Figura 13 – Reservatório elevado de água tratada (CESAN)...49
Figura 14 - Teor total de íons cloretos em relação à massa de cimento com molhagem e secagem alternadas (Neville, 1997). ...50
Figura 15 – Escamamento e delaminação do concreto. Reservatório em operação.51 Figura 16 – Escamamento e delaminação do concreto. Reservatório desativado....52
Figura 17 – Manifestação de fissuras conforme cada tipo de esforço atuando...57
Figura 18 – Representação sistema estrutural de cálculo...59
Figura 19 – Forma da laje de tampa ...60
Figura 20 – Corte A-A reservatório 300 m3. ...60
Figura 21 – Diagrama de momentos fletores – cobertura ...65
Figura 22 – Seção fissurada no estádio 2 puro...65
Figura 23 – Área de envolvimento Acr. ...67
Figura 24 – Exame microscópico do concreto aos 28 dias. ...74
Figura 25 – Estrutura de concreto típica com umidade. ...75
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – NBR 6118 – 2003...23
Quadro 2 - Classes de agressividade ambiental (HELENE, 1997). ...24
Quadro 3 – Teor limite de cloreto para diversas normas:...37
Quadro 4 – Quantidade de cloretos livres em relação a diversos teores de C3A. ...40
Quadro 5 – Concentração de Cloretos nos Reservatórios do Município da Serra ....53
Quadro 6 - Fatores intervenientes no processo de corrosão e contaminação (HELENE, 1993)...55
Quadro 7 - Coeficiente de conformação superficial do aço (NBR 6118/2003). ...67
LISTA DE EQUAÇÕES
Fe → Fe++ + 2 e- (Equação 1)...27
4 e- + O2 + 2 H2O → 4 (OH-) (Equação 2) ...27
Fe++ + 2 (OH-) → Fe (OH)2 (Equação 3) ...28
Fe(OH)2 + 2 H2O + O2 → 4 Fe(OH)3 (Equação 4)...28
Fe++ + 2 Cl- → FeCl2 (Equação 5) ...34
FeCl2 + 2 H2O → Fe(OH)2 + 2 HCl (Equação 6) ...34
LISTAS DE COMPOSTOS E ELEMENTOS QUÍMICOS
4Fe(OH)3 Hidróxido férrico - ferrugem C3A Aluminato tricálcico
Cl- Cloro
Fe(OH)2 Hidróxido ferroso Fe++ Ferro
Fe2O3 Óxido férrico
Fe3O4 Óxido ferroso - Magnetita FeCl2 Cloreto ferroso
H2O Água
HCl Ácido clorídrico O2 Oxigênio
RESUMO
Atualmente, o concreto armado é um dos materiais mais difundidos na construção de obras de saneamento em se tratando de instalações de produção de água. Isso se deve à facilidade de compor formas e dimensões, que são de grande importância para produzir detalhes arquitetônicos e estruturais. Nesse grupo se enquadram à construção de grandes reservatórios de água tratada, que são partes integrantes dos sistemas de abastecimentos das grandes cidades.
A indústria de produção de água faz uso de produtos químicos durante seu processo de tratamento visando o atendimento dos padrões de potabilidade e consumo humano. No entanto, muitos desses produtos são nocivos à estrutura de concreto armado. Essa monografia dará ênfase aos mecanismos deletérios que envolvem íons cloretos presentes no processo de cloração da água, como fator importante para o início de um processo corrosivo da armadura.
A limitação desta obra está em analisar os efeitos deletérios dos íons cloretos de forma isolada, o que na prática não é observado, pois agentes externos atuam de forma sinérgica na estrutura de concreto armado: carbonatação e íons cloretos, por exemplo.
Em seguida, trataremos da importância de se verificar os limites de fissuração para estruturas de concreto aramado, apresentando o procedimento de cálculo de uma laje de tampa do reservatório construído no município de Viana-ES. Esse procedimento de cálculo, mesmo que não muito preciso, deve servir de parâmetro
para a elaboração de projetos comprometidos com durabilidade e vida útil. Estruturas fissuradas são pontos preferenciais para a entrada de águas contaminadas por cloretos e instalação de um processo corrosivo na armadura.
Por fim, faremos menção a sistemas de impermeabilização e proteção de estruturas que se proponham a criar barreiras de entrada dos íons cloreto, dissolvidos na água, pelas fissuras do concreto.
1 INTRODUÇÃO
Os tempos modernos ditaram a certeza de que o concreto e o aço, como materiais de construção, são instáveis ao longo do tempo, alterando suas propriedades físicas e químicas em função das características de seus componentes e das respostas destes às condicionantes do meio ambiente. Às conseqüências destes processos de alteração que venham a comprometer o desempenho de uma estrutura, ou material, costuma-se chamar deterioração. Os agentes agressores, em si, são designados agentes de deterioração (SOUZA, 1998).
Na realidade a deterioração do concreto ocorre muitas vezes como resultado de uma combinação de diferentes fatores externos e internos. São processos complexos, determinados pelas propriedades físico-químicas do concreto e da forma como está exposto. Os processos de degradação alteram a capacidade de o material desempenhar as suas funções, e nem sempre se manifestam visualmente. Os três principais sintomas que podem surgir isoladamente ou simultaneamente são a fissuração, o destacamento e a desagregação (AGUIAR, 2006).
Cada material ou componente reage de uma forma particular aos agentes de deterioração a que é submetido, sendo a forma de deterioração e a sua velocidade função da natureza do material ou componente e das condições de exposição aos agentes de deterioração (SOUZA, 1998).
A concepção de uma construção durável implica a adoção de um conjunto de decisões e procedimentos que garantam a estrutura e os materiais que a compõem
um desempenho satisfatório ao longo da vida útil da construção. Assim, serão a quantidade de água no concreto e a sua relação com a quantidade de ligante o elemento básico que irá reger características como densidade, compacidade, porosidade, permeabilidade, capilaridade e fissuração, além de sua resistência mecânica, que, em resumo, são os indicadores de qualidade do material, passo primeiro para classificação de uma estrutura durável ou não. O outro lado da equação é justamente o que aborda a agressividade ambiental, ou seja, a capacidade de transporte dos líquidos e gases contidos no meio ambiente para o interior do concreto (SOUZA, 1998).
Figura 1 – Interrelacionamento entre conceitos de durabilidade e desempenho – C.E.B – Boletim 183 (1989) apud (SOUZA, 1998).
Da figura 1 infere-se que a combinação dos agentes ambientais (temperatura, umidade, chuva, vento, salinidade e agressividade química ou biológica) transportados para a massa de concreto, assim como a resposta dessa massa a tal ação, constituem os principais elementos do processo de caracterização da durabilidade, sendo a água o elemento principal de toda a questão, considerando adequados os mecanismos de resistência. A essência destes conceitos estará, pois, na execução de uma obra que apresente desempenho satisfatório, por um período suficientemente longo e com custos de manutenção razoáveis (SOUZA, 1998).
A manutenção de uma estrutura se resume ao conjunto de atividades necessárias à garantia do seu desempenho satisfatório ao longo do tempo, ou seja, o conjunto de rotinas que tenham por finalidade o prolongamento da vida útil da estrutura. Dentre essas rotinas estão enquadrados os sistemas de proteção e impermeabilização de estruturas.
2 FUNDAMENTAÇÃO E JUSTIFICATIVA
A história do abastecimento de água para consumo humano surge inicialmente para satisfazer demandas relacionadas à captação, transporte e armazenamento, como conseqüência do aumento do consumo a partir do crescimento das cidades. O tratamento nasce primeiramente para satisfazer uma demanda estética em relação aos aspectos organolépticos (cor, turbidez, ferro, manganês, alcalinidade, dureza, pH, cloretos, sulfatos, cloro residual e flúor) presentes nas águas impuras, e posteriormente aspectos de natureza sanitária (microorganismos e metais pesados).
Até a disposição nas residências, a água bruta captada no corpo hídrico passa por uma série de processos que visam adequá-la aos padrões de consumo humano. A água é levada por adutoras à estação de tratamento onde se inicia as adições de produtos químicos tornando-a própria para o consumo e finalmente distribuída para o consumidor final. A figura 2 mostra a esquematização do processo de tratamento que torna a água própria para o consumo.
1. Represamento
2. Captação e Bombeamento: Após a captação, a água é bombeada para as Estações de Tratamento de água onde passará por diversas etapas explicadas a seguir.
3. Tratamento Químico:
Pré-cloração: Adição de cloro assim que a água chega à estação para facilitar a retirada de matéria orgânica e metais;
Pré-alcalinização: Adição de cal ou soda à água para ajustar o pH aos valores exigidos para as fases seguintes do tratamento;
Coagulação: Adição de sulfato de alumínio, cloreto férrico ou outro coagulante, seguido de uma agitação violenta da água para provocar a desestabilização elétrica das partículas de sujeira, facilitando sua agregação.
4. Floculação: É o processo onde a água recebe uma substância química chamada de sulfato de alumínio. Este produto faz com que as impurezas se aglutinem formando flocos para serem facilmente Removidos.
5. Decantação: Na decantação, como os flocos de sujeira são mais pesados do que a água, eles se depositam no fundo do decantador.
6. Filtração: Nesta fase, a água passa por várias camadas filtrantes onde ocorre a retenção dos flocos menores que não ficaram na decantação. A água então fica livre das impurezas. Estas três etapas: floculação, decantação e filtração recebem o nome de clarificação. Nesta fase, todas as partículas de impurezas são removidas deixando a água límpida.
7. Cloração: Consiste na adição de cloro. Este produto é usado para destruição de microorganismos presentes na água.
8. Fluoretação: O produto aplicado tem a função de colaborar para redução da incidência da cárie dentária.
9. Reservatório: Após o tratamento, a água tratada é armazenada inicialmente em reservatórios de distribuição e depois em reservatórios de bairros, espalhados em regiões estratégicas das cidades.
10. Distribuição: Desses reservatórios a água vai para as tubulações maiores (denominadas adutoras) e depois para as redes de distribuição até chegar aos domicílios.
11. Redes de distribuição: Depois das redes de distribuição, a água geralmente é armazenada em caixas d'água. A responsabilidade da concessionária é entregar água até a entrada da residência onde estão o cavalete e o hidrômetro.
As adições de produtos químicos têm como objetivo adequar a água aos padrões exigidos pela portaria do Ministério da Saúde número 518/2004 que estabelece os procedimentos e responsabilidades relativas ao controle e vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade.
Muitos reservatórios de água de concreto armado apresentam patologias de concreto decorrentes principalmente da gestão (projeto), execução ou, posteriormente, durante a vida útil da estrutura (conservação e manutenção). Esses últimos são fatores primordiais para a integridade da estrutura de concreto armado, uma vez que as contribuições de íons cloretos totais envolvidos no processo de tratamento da água nas etapas de pré-cloração e cloração, elevam a oferta de agentes deletérios juntamente com condições ambientais internas favoráveis (umidade e calor) a degradação do aço.
Portanto, é necessário o uso de materiais de recuperação adequados para criar barreiras na estrutura e impedir a percolação de águas contaminadas pela rede de poros da estrutura de concreto armado.
3 OBJETIVO
Este projeto dará ênfase às contribuições deletérias de íons cloretos envolvidos nas etapas de cloração da água, às estruturas de concreto armado destinadas a reservação de água tratada, tais como tampas de reservatórios, onde existe uma atmosfera favorável a degradação.
Será abordada importância da verificação dos Estados limites Últimos de Fissuração ELS-W (Abertura e formação de fissuras) nas lajes de fechamento dos reservatórios, como fatores facilitadores de penetração de íons cloretos na estrutura.
Será apresentado o procedimento de cálculo e verificação de abertura de fissuras como parâmetro para elaboração de projetos estruturais que visem durabilidade e vida útil da estrutura de concreto armado.
Posteriormente será feito um estudo sobre sistemas de impermeabilização e proteção, visando garantir maior estanqueidade, durabilidade e resistência à atuação dos íons cloretos na estrutura de concreto.
4 CORROSÃO DE ARMADURA
O concreto é um material que possui como principal característica a sua elevada resistência à compressão, porém sua resistência à tração é baixa (em torno de 10% da resistência à compressão). O uso do aço fornece essa resistência ao concreto, criando assim, o concreto armado. Este material é largamente empregado, pois fornece condições para execução de estruturas de várias formas e tamanhos (MATTOS, 2002).
Por muito tempo, o concreto foi especificado para as obras simplesmente pela sua resistência característica à compressão aos 28 dias (Fck), contudo a agressividade do meio não era avaliada, ou não se tinha como avaliá-la, e a durabilidade da estrutura ficava então em segundo plano, ocasionando assim vários problemas patológicos (MATTOS, 2002).
Um dos principais reflexos da preocupação com a durabilidade foi a atenção dada pela comunidade técnica internacional, nos últimos 25 anos, aos problemas de corrosão de armaduras, buscando melhores caminhos para a especificação de projetos de novas obras, execução de reparos, reforços e reconstruções (HELENE, 1993).
O aço ficará bem protegido quando o concreto for bem executado, levando-se em conta dois aspectos: físico e químico. A proteção física é devida à qualidade e à espessura do cobrimento. E a proteção química é resultante do pH elevado proporcionado pelo concreto, permitindo assim a formação de uma fina película
protetora, conhecida como camada de passivação (FORTES & ANDRADE, 2000 apud MATTOS, 2002).
POURBAIX (1987) apud FORTES & ANDRADE (2000) apud MATTOS (2002), mostra, em seu diagrama potencial x pH, Figura 3, que o aço encontra-se em um estado passivo para um pH entre 10,5 a 12,5, considerando-se potenciais de corrosão entre +0,1 e -0,5V (relativo ao potencial normal de hidrogênio). Nesta condição de alcalinidade, que o concreto proporciona, o filme de óxido formado sobre o aço é aderente e estável, impedindo o prosseguimento da corrosão.
Figura 3 - POURBAIX (1987) apud FORTES & ANDRADE (2000).
Contudo, para a execução de uma estrutura durável de concreto armado, existe a necessidade de um estudo do local e do ambiente da edificação, para se fazer a análise de quanto a corrosão será significativa durante a vida útil da estrutura.
Dentre os itens que devem ser analisados destacam-se (SERRA, 1992) apud (MATTOS, 2002):
Solo (natural ou aterro; ácido ou alcalino; resistividade elétrica);
Água (doce, salobra, variações do nível do lençol freático, zonas de respingo ou névoa, grau de poluição);
Clima (temperatura, umidade, vento predominante); Atmosfera (industrial, urbana, marinha);
Outros (correntes de fuga, exposição a agentes químicos);
Já em 1997, HELENE realizou uma síntese sobre a agressividade ambiental, definindo classes de agressividade, visando a sua utilização na elaboração de projetos (Quadro 1). Propôs, também, a utilização do Quadro 2 para avaliação da agressividade do meio ambiente em relação à estrutura ou de suas partes, conforme seu grau de exposição.
Quadro 1 – NBR 6118 – 2003.
Classe de Agressividade Agressividade Risco de Deterioração da Estrutura
l Fraca Insignificante
ll Média Pequeno
lll Forte Grande
Quadro 2 - Classes de agressividade ambiental (HELENE, 1997).
Micro-clima Macro-clima
Interior das edificações Exterior das edificações
Seco (1) UR≤ 65% Úmido ou ciclos (2) de molhagem e secagem Seco (3) UR≤ 65% Úmido ou ciclos (4) de molhagem e secagem Rural I I I II Urbano I II I II
Marinho II III - III
Industrial II III II III
Específico II III ou IV III III ou IV
Respingo de maré - - - IV
Submerso ≥ 3 m - - - I
Solo - - Não agressivo, I
Úmido e
agressivo, II, III ou IV
1Salas, dormitórios ou ambientes com concreto revestido com argamassa e pintura; 2 Vestiários, banheiros, garagens, lavanderias;
3 Obras no interior do Nordeste do País, partes protegidas em ambientes predominantemente secos; 4 Incluindo ambientes quimicamente agressivos, tanques industriais, branqueamento em indústrias de
Tendo em vista que a corrosão gera conseqüências desastrosas, o estudo do processo de corrosão é importante para os projetistas saberem a maneira como ela atua e terem condições de evitá-la.
4.1 MECANISMO DA CORROSÃO
O aço sofre corrosão visto que não é um material encontrado em seu estado natural. O minério de ferro da natureza sofre processo de fundição e melhora na sua composição química, transformando-se em aço. Sob determinadas condições, o aço perde esta energia e volta ao seu estado natural. O nome dado a essa perda de energia é corrosão, como é mostrado na figura 4 (MATTOS, 2002).
E sc al a de E ne rg ia Metal Composto (Minério) M et al ur gi a C or ro sã o ENERGIA E 2 E 1
Figura 4 – Escala de energia.
A corrosão pode ser dividida em dois tipos de processos: o denominado de corrosão eletroquímica, o qual será evidenciado neste trabalho, e o de oxidação direta (HELENE, 1993).
No processo de corrosão eletroquímica, o fenômeno ocorre como resultado da formação de pilhas ou células de corrosão devido à presença de umidade. Neste estágio existe a necessidade de quatro condições básicas: existência de um eletrólito, diferença de potencial de eletrodo entre áreas anódicas e catódicas, umidade e a presença de oxigênio. Ao iniciar o processo de corrosão, vai existir: um ânodo, um cátodo, um eletrólito e a presença de um condutor elétrico. Nas regiões catódicas, o ataque à armadura pode ser considerado desprezível, porém, nas regiões anódicas, ocorre a dissolução do aço (HELENE, 1993; CASCUDO, 1997 apud MATTOS, 2002).
Com relação à oxidação direta, esta ocorre quando o ar atmosférico reage diretamente com o aço. Este tipo de corrosão é lento à temperatura ambiente, podendo ser significativo somente em altas temperaturas. Normalmente provoca uma corrosão uniforme em toda a superfície da armadura (HELENE, 1993).
Segundo NEVILLE apud MATTOS (2002), o processo da corrosão eletroquímica pode ser resumido como segue: existindo uma diferença de potencial entre 2 pontos da armadura (aço) no concreto, gera-se uma célula eletroquímica. Neste momento existe, então, uma região anódica e uma região catódica ligadas pelo eletrólito na forma de água (H2O) nos poros da pasta de cimento endurecida. Os íons de ferro, Fe++, com cargas elétricas positivas no ânodo, passam para a solução (concreto), enquanto os elétrons livres, e-, com carga elétrica negativa, passam pelo aço para o cátodo. No cátodo, os elétrons são combinados com a água e o oxigênio e formam íons de hidroxila (OH-). Estes íons migram para o ânodo, através do eletrólito, onde vão combinar com os íons ferrosos, formando hidróxido ferroso, que por outra
oxidação vai se transformar em hidróxido férrico (ferrugem). A figura 5 mostra esquematicamente o processo de corrosão eletroquímica do aço.
Figura 5 – Processo de corrosão eletroquímica do aço (Catálogos SIKA, 2006).
Algumas reações do processo de corrosão podem ser descritas como se segue (CASCUDO, 1997 apud MATTOS, 2002):
Zonas anódicas (reações de dissolução do ferro – oxidação): Fe → Fe++ + 2 e- (Equação 1)
Zonas catódicas (reações de redução do oxigênio): 4 e- + O2 + 2 H2O → 4 (OH-) (Equação 2)
Zonas intermediárias entre o ânodo e o cátodo, inclusive podendo ocorrer em regiões próximas do cátodo. Isto devido ao OH- possuir menor mobilidade iônica que o Fe++, resultado de seu maior tamanho e massa comparado ao íon de ferro:
Fe++ + 2 (OH-) → Fe (OH)2 (Equação 3)
Zonas iguais a anterior, porém em locais mais aerados:
Fe(OH)2 + 2 H2O + O2 → 4 Fe(OH)3 (Equação 4)
Analisando as reações, verifica-se a necessidade da água para a continuidade do processo de corrosão, portanto não há corrosão no concreto seco, provavelmente com umidade relativa abaixo de 60%. E também não existe corrosão em concretos completamente imersos, exceto quando a água pode reter ar (oxigênio), como por exemplo, pela ação de ondas. Umidades relativas entre 70% e 80% são ótimas para a corrosão. Em umidades relativas mais altas, a difusão do oxigênio através do concreto é consideravelmente mais reduzida (NEVILLE, 1997 apud MATTOS, 2002).
As diferenças de potencial eletroquímico podem ser geradas por diferenças de ambiente a que o concreto armado está exposto. Cita-se, por exemplo, para o caso de macrocélulas ou macropilhas, quando o concreto possui uma parte permanentemente imersa em água do mar e outra exposta a molhagem e secagem alternadas. Outra situação semelhante a essa é quando a armadura, conectada eletricamente, estiver com diferenças de espessura de cobrimento ao longo da peça estrutural. As células eletroquímicas também podem ser formadas por causa de diferenças de concentração salina na água dos poros ou por causa do acesso não uniforme do oxigênio na estrutura (NEVILLE, 1997 apud MATTOS, 2202).
4.2 CONSEQÜÊNCIAS DA CORROSÃO DO AÇO
A transformação do aço metálico para ferrugem é acompanhada por um aumento no volume, o qual, dependendo do estado de oxidação, pode chegar a ser de até 600% do metal original, causando assim, fissuras nas peças de concreto armado (MEHTA & MONTEIRO, 1994 apud MATTOS, 2002). Esse processo pode ser demonstrado esquematicamente pela figura 6 abaixo:
Figura 7 – Aumento de volume devido à oxidação e expansão da armadura – Interior de reservatório em operação no município da Serra - (CESAN).
Tal fato torna a entrada de agentes agressivos em direção ao aço, como um conseqüente aumento da velocidade de corrosão. O processo da corrosão no anodo reduz a área da seção transversal do aço, reduzindo a sua capacidade de suporte de solicitações. No caso particular da corrosão induzida por cloretos, ela é muito localizada em um pequeno anodo, causando uma escarificação do aço (NEVILLE, 1997).
Os produtos de corrosão, menos volumosos do que as circunstâncias normais, podem se deslocar para os vazios do concreto sem fissuração ou escamamento progressivos (NEVILLE, 1997).
5 AÇÃO E INGRESSO DE CLORETOS
O ataque por cloreto é diferente em que a ação principal é a corrosão do aço e, somente como conseqüência dessa corrosão é que se danifica o concreto em torno da armadura (NEVILLE, 1997).
A corrosão da armadura devido à ação dos íons cloretos é apontada como um dos mais sérios problemas à durabilidade das estruturas de concreto armado (HELENE, 1986; TREADWAY et al.; FUGIWARA; MINOSAKU, 1990 apud FIGUEIREDO, 2005).
Quanto à ação dos cloretos, quando estes são adicionados à mistura, tendem a se distribuir uniformemente, possuindo assim menor tendência à formação de pilhas de concentração. Por outro lado, no caso da penetração de íons cloretos a partir da superfície dos concretos endurecidos, a concentração junto ao aço não é uniforme devido às diferenças de permeabilidade do concreto. Esse fato propicia a formação de macrocélulas de concentração, com o agravante de existir uma relação desfavorável entre as áreas anódicas e catódicas (SERRA, 1992 apud MATTOS, 2002).
As vias que podem seguir os íons cloretos até o concreto podem ser assim resumidas nas seguintes formas (FIGUEIREDO, 2005):
Na forma de impurezas indesejadas dos agregados e da água de amassamento;
Atmosfera marinha;
Água do mar (estruturas “off shore”); Uso de sais de degelo;
Processos industriais (etapa de branqueamento de indústria de celulose e papel e produção de água).
O mecanismo de penetração dos íons cloretos através do concreto, para que uma certa quantidade chegue até a armadura, na forma de cloretos livres, e consiga desencadear o processo de corrosão, depende de uma série de fatores relacionados, por exemplo, com o tipo de cátion associado aos cloretos, tipo de acesso ao concreto (antes ou depois de endurecido), tipo de cimento empregado na produção do concreto, condições de produção e cura do concreto, umidade ambiental (condições de saturação dos poros) e quantidade de cimento por metro cúbico de concreto (FIGUEIREDO, 2005).
Os cloretos agressivos podem ser encontrados na natureza, dissolvidos em água. Quando sólidos, podem depositar-se na superfície do concreto. Em dissolução aquosa, por intermédio de chuvas ou umidade e através da rede de poros, os agentes agressivos, tanto para o concreto como para a armadura, atingem as regiões mais internas do concreto armado.
Os cloretos transportados pelo ar podem percorrer grandes distâncias, sendo já observado casos de transporte de até 2 quilômetros, dependendo do vento a da topografia (NEVILLE, 1997).
Qualquer que seja a origem, os cloretos penetram no concreto pela movimentação da água contendo os cloretos, bem como por difusão dos íons na água e por absorção. O ingresso prolongado e repetido pode, com o tempo, resultar altas concentrações de íons cloretos junto à superfície do aço da armadura (NEVILLE, 1997).
Segundo CASCUDO (1997) apud MATTOS (2002), os cloretos podem ser transportados para dentro do concreto através dos mecanismos de absorção capilar, difusão, permeabilidade e migração.
Quando o concreto permanece constantemente submerso, os cloretos penetram até profundidades consideráveis, mas não haverá corrosão, a menos que haja oxigênio presente no catodo.
Sabendo que os processos de produção de água tratada envolvem etapas de adição de produtos químicos à água (cloração), contribuindo para a oferta de íons cloretos à estrutura de concreto armado, fica evidente a importância de se especificar métodos de impermeabilização e proteção das estruturas de concreto criando barreiras que bloqueiem parcial/total a entrada de íons cloretos para o interior da estrutura de concreto armado e impedido que se inicie um processo corrosivo da armadura.
5.1 MECANISMOS DE CORROSÃO INDUZIDA POR CLORETOS
O filme que se forma logo após o início da hidratação do cimento, consiste de γ-Fe2O3, firmemente aderente ao aço. Enquanto esta película de óxido estiver presente, o aço permanece intacto. No entanto, os íons cloretos destroem a película e, com a presença de água e oxigênio, ocorre corrosão (NEVILLE, 1997).
De acordo com Fortes e Andrade (2001), os íons cloreto (Cl-), em contato com a armadura, produzem uma redução do elevado pH do concreto, que é formado por valores entre 12,5 a 13,5, para valores de até 5. Tais íons atingem a armadura de forma localizada, destruindo a camada passivadora, resultando na corrosão que, depois de formado, permanece ativo sempre reduzindo o diâmetro da barra.
Para que se inicie a corrosão, a camada de passivação deve ser atravessada. Os íons cloretos ativam a superfície do aço formando o anodo, sendo catodo a superfície passivada. As reações são as seguintes:
Fe++ + 2 Cl- → FeCl2 (Equação 5)
FeCl2 + 2 H2O → Fe(OH)2 + 2 HCl (Equação 6)
Assim o Cl- é regenerado de modo que a ferrugem não contém cloreto, embora se forme cloreto ferroso no estágio intermediário. A figura 8 mostra a corrosão eletroquímica na presença de cloretos.
Figura 8 – Esquematização da corrosão eletroquímica (Catálogos SIKA, 2006).
.
Como a célula eletroquímica necessita uma conexão entre anodo e o catodo pela água dos poros, bem como pela própria armadura, o sistema de poros na pasta de cimento endurecida é um fator importante influenciando a corrosão. Em termos elétricos, é a resistência da conexão pelo concreto que controla a passagem da corrente. A resistividade elétrica do concreto é fortemente influenciada pelo seu teor de umidade, pela composição iônica da água dos poros e pela continuidade do sistema de poros da pasta de cimento endurecida (NEVILLE, 1997).
5.2 TEORES LIMITES DE ÍONS CLORETOS
Normalmente os cloretos penetram no concreto por duas maneiras: são levados com seus componentes (aditivos, água, brita ou areia) ou provenientes do exterior, por penetração, através da rede de poros, como no caso de ambientes marinhos (maresia ou névoa salina) (ANDRADE, 1992; CASCUDO, 1997 apud. MATTOS, 2002).
HELENE (1993) resumiu a presença dos cloretos no concreto de três formas: como cloretos livres (na forma de íons na água dos poros), combinados quimicamente formando o cloroaluminato de cálcio, conhecido por sal de Friedel: (C3A.CaCl2.10H2O) ou retidos por adsorção física às paredes dos poros capilares. A soma dos “livres” e “retidos” é denominada cloretos totais.
A medição de cloretos é feita em amostras de pó retiradas do concreto, em diferentes profundidades da estrutura, e a análise quantitativa é feita por via química (ASTM C 1152- 1992) ou por análise de fluorescência de Raio-X (FIGUEIREDO, 2005 apud AGUIAR, 2006).
Uma certa quantidade de íons cloreto pode ser tolerada sem risco de corrosão, uma vez que, após reagirem com aluminatos, provenientes do clinquer, esses íons não estarão livres para atacar o filme passivante. No entanto existe um valor limite de concentração no qual os íons cloreto podem romper a camada de óxidos passivante e iniciar o processo de corrosão da armadura (FIGUEIREDO, 2005).
FIGUEIREDO (2005) apresentou alguns valores (Quadro 3) normalizados por diferentes países, que podem ser tomados como referência na quantidade máxima de cloretos totais, pois praticamente todas as normas estabelecem o limite de cloretos em termos de cloretos totais.
A NBR 6118 (2003) não se reporta ao teor de cloretos, chamando somente a atenção quanto ao uso de aditivos contendo cloretos. As Normas Européias CEB
(1991), ENV 206 (1991) e a BS 8110:1 (1985) recomendam um limite de 0,40% em relação à massa de cimento, enquanto a ACI 318-21 (2003) limitam em 0,15% em ambientes com cloretos, 0,3% em ambientes normais, 1% em ambientes secos e 0,06% em concreto protendidos (FIGUEIREDO, 2005 , apud AGUIAR, 2006).
Quadro 3 – Teor limite de cloreto para diversas normas:
Norma País Ano Teor de cloretos recomendado
NBR (6118) ABNT
Brasil 2003 Não se reporta ao teor de cloretos 5
ACI
3118-21 USA 2001
≤0,15% em relação à massa de cimento, em ambiente com cloretos.
≤0,30% em relação à massa de cimento, em ambiente normal. ≤1% em relação à massa de cimento, em ambiente seco. ≤0,06% em relação à massa de cimento (concreto protendido). CEB ENV 206 BS 8110:1 Europa Portugal Inglaterra 1991 1991 1985
0,4% em relação a massa de cimento
JCSE-SP2 Japão 1986 ≤ 0,60 Kg/m3 de concreto
A necessidade de se saber a quantidade de cloretos (totais ou livres) os quais podem causar corrosão na armadura é muito importante, porém estabelecer um limite único é extremamente difícil. A quantidade de cloretos depende de vários
5
A ABNT-NBR 6118:2003 não se reporta ao teor de cloretos, mas enfatiza que não é permitido utilizar aditivos contendo cloretos em sua composição, tanto em estruturas de concreto armado, quanto em protendidos.
fatores como, por exemplo, tipo de cimento, alcalinidade, teor de C3A - aluminato tricálcico, finura, teor de gesso, traço do concreto e relação água/cimento (a/c).
Segundo ANDRADE (1992) apud MATTOS (2002), um valor médio aceito, geralmente, para o teor de cloretos é de 0,4% em relação à massa de cimento ou 0,05% a 0,1% em relação à massa de concreto.
Vale lembrar que uma quantidade excessiva de cloretos na mistura inicial do concreto, resulta uma ação mais agressiva e, portanto, uma corrosão mais rápida, do que a mesma quantidade de cloretos tiver ingressado no concreto já em serviço (NEVILLE, 1993).
Já os cloretos que tenham ingressado no concreto, ainda é mais difícil estabelecer um limite de concentração de íons cloretos abaixo do qual não haja corrosão. Esse limite depende de muitos fatores, dos quais ainda não são bem conhecidos. Para efeitos práticos, a prevenção da corrosão é feita pelo controle do ingresso de cloretos, pela espessura do cobrimento da armadura e pela penetrabilidade do concreto do cobrimento (NEVILLE, 1997).
Enquanto, em quaisquer circunstancias, possa haver um limite para que se inicie a corrosão, o seu prosseguimento depende da resistividade da pasta de cimento, que varia com a umidade, e a disponibilidade de oxigênio, influenciada pela imersão do concreto (NEVILLE, 1997).
Em qualquer caso, não é o teor total de cloretos que é importante para a corrosão. Uma parte dos cloretos está quimicamente retida, sendo incorporada aos produtos da hidratação do cimento. Outra parte dos cloretos está fisicamente retida por absorção à superfície dos poros de gel. É somente uma terceira parte dos cloretos, isto é, os cloretos livres, que está disponível para a reação agressiva com o aço. No entanto, a distribuição dos íons cloreto entre as três formas não é fixa, pois existe uma situação de equilíbrio tal que sempre alguns íons cloretos livres estão presentes na água dos poros (NEVILLE, 1997).
5.3 FATORES INFLUENTES NA VELOCIDADE E PROFUNDIDADE DOS
ÍONS CLORETOS
Basicamente os fatores que mais influenciam a penetração de íons cloretos são:
Composição do cimento; Tipo do cimento;
Quantidade de cimento; Relação água cimento; Adensamento;
Cura;
Grau de Saturação dos poros; Concentração de íons cloretos; Fissuras;
Carbonatação; Temperatura.
5.3.1 COMPOSIÇÃO, TIPO E QUANTIDADE DE CIMENTO
A quantidade de C3A do cimento determina a capacidade de combinação com os íons cloreto. Cimentos com baixos teores de aluminato tricálcico possuem pouca capacidade de imobilizar os íons cloreto, através da formação de uma sal complexo insolúvel, o cloro aluminato de cálcio hidratado (Sal de Friedel), que reduz a concentração de íons cloretos livres na solução aquosa dos poros do concreto (PAGE et al., 1986) citado por FIGUEIREDO (2005).
Rasheeduzzafar et al. (1990) citado por FIGUEIREDO (2005) trabalhando com cimentos com diferentes teores de C3A verificaram que aqueles com teores mais elevados de C3A podem ter um desempenho muito superior àqueles cimentos com baixos teores conforme quadro 4. Page at al. (1986) apud Figueiredo (2005), encontraram que a adição de escoria e cinza volante levava a uma diminuição da difusibilidade dos cloretos em relação ao cimento portland puro.
Quadro 4 – Quantidade de cloretos livres em relação a diversos teores de C3A.
Teor de C3A % de cloretos Livres Acréscimo de tempo para iniciar a corrosão
2% 86% Referência
9% 58% 1,75 vezes
11% 51% 1,93 vezes
14% 33% 2,45 vezes
Estes ensaios revelam que os cimentos com adições, quando submetidos aos cloretos, agem de forma a frear a penetração desses íons.
Nos experimentos realizados por ZANG&GJORV (1991), citado por Figueiredo (2005), a introdução de sílica ativa em pastas de cimento reduziu a difusividade dos íons cloretos. Os autores associaram este desempenho à diminuição da porosidade total e a distribuição dos poros da argamassa com sílica ativa.
Mangat&Molloy (1992), citado por Figueiredo (2005), estudando os fatores que influenciam a corrosão da armadura devido à ação dos cloretos, concluíram que a quantidade de cimento possui uma insignificante influencia sobre a despassivação.
5.3.2 RELAÇÃO ÁGUA/CIMENTO, ADENSAMENTO E CURA
Gjorv&Vennesland (1979), citado por Figueiredo (2005), estudando a difusão de íons cloreto em concretos de diferentes relação água/cimento e diferentes tipos de cimento, verificaram que para curtos períodos de exposição o efeito da relação água/ cimento foi limitado a camada superficial do concreto. Em longos períodos de exposição, o tipo de cimento apresentou uma maior influência sobre a profundidade de penetração dos cloretos que a relação água/cimento. A figura 9 apresenta os resultados da profundidade de penetração de cloretos a diferentes relações a/c.
Efeito da relação a/c na penetração de cloretos 0 0,5 1 1,5 2 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Profundidade (cm) C ( % C ob rim en to ) a/c=0,75 a/c=0,60 a/c=0,5 a/c=0,4
Figura 9 – Efeito da relação água/cimento na penetração de cloretos.
Segundo Page et al. (1981), citado por Figueiredo (2005), as condições de cura possuem um marcado efeito sobre as propriedades de transporte de pastas de cimento endurecidas e, por conseguinte, sobre a difusibilidade efetiva dos íons cloreto. Segundo esses pesquisadores, as condições de cura modificam a estrutura dos poros da pasta e, por conseguinte, alteram a porosidade final.
Devido a isso, um concreto com um período de cura mais curto apresenta mais cloretos que um concreto com cura mais prolongada. No entanto, essa diferença é menos expressiva à medida que se passa para camadas mais internas, já que a difusidade interna é menos afetada pelas propriedades da pele (JAERGERMAM, 1990, apud FIGUEIREDO, 2005).
5.3.3 GRAU DE SATURAÇÃO DOS POROS, CONCENTRAÇÃO DE ÍONS CLORETOS E TEMPERATURA
O transporte de íons cloretos somente ocorre em presença de água. Nas situações onde a água que contém os cloretos encontra-se estagnada, a penetração ao interior do concreto ocorre através de difusão. Os íons cloretos também podem penetrar por sucção capilar da água que os contém. Essa última situação ocorre quando a estrutura de concreto está submetida a ciclos de umedecimento, com água que contém os íons cloreto, e posterior secagem. Com o aumento da quantidade de cloretos, nos poros do concreto, a possibilidade de secagem do concreto é diminuída devido ao efeito higroscópico característico dos sais (FIGUEIREDO, 2005).
O aumento da temperatura aumenta a mobilidade molecular e favorece o seu transporte pela microestrutura. Quando a temperatura cai, pode ocorrer condensação e aumento da umidade do material (FIGUEIREDO, 2005).
5.3.4 FISSURAS
Quando uma fissura de concreto está exposta à água, vapor ou solo, que contém íons cloreto, a quantidade necessária de cloretos para que se inicie o processo o processo de corrosão será primeiramente atingido nas regiões fissuras (FIGUEIREDO, 2005). Quadro 8 mostra os limites máximos de abertura de fissuras de acordo com o grau de agressividade e natureza de utilização da estrutura.
As fissuras no concreto favorecem a penetração dos cloretos, sendo que velocidade depende da abertura das fissuras e da qualidade do concreto.
5.3.5 CARBONATAÇÃO
A ação do CO2 sobre os constituintes do cimento hidratado é complexa, pois não se limita ao hidróxido de cálcio, mas ataca e degrada todos os produtos da hidratação do cimento. O concreto é um material poroso e o CO2 do ar penetra pelos seus poros. A reação mais simples e importante é a combinação com o hidróxido de cálcio liberado pela hidratação do cimento (AGUIAR, 2006).
Ca(OH)2 + CO2→CaCO3+H2O (Equação 7)
O concreto possui um pH da ordem de 12,5, principalmente por causa do Ca(OH)2. O desaparecimento do hidróxido de cálcio do interior dos poros da pasta de cimento hidratado e sua transformação em carbonato de cálcio faz baixar o pH da solução em equilíbrio de 12,5 para 9,4, fator importante para o início da corrosão das armaduras (AGUIAR, 2006). A figura 10 mostra pilar de concreto de uma indústria que sofreu corrosão devido à carbonatação.
Figura 10 – Pilar em indústria com corrosão das armaduras devido à carbonatação (AGUIAR, 2006).
A concentração de cloretos necessária para promover a corrosão é fortemente afetada pelo pH do concreto. Foi demonstrado que é necessário um nível de 8.000 ppm de íons cloretos para iniciar o processo quando o pH é de 13,2, mas quando o pH cai para um patamar de 11,6, a corrosão se inicia com somente 71 ppm de íons cloretos (EMMONS, 1993 apud AGUIAR, 2006).
A figura 11 mostra o resultado da ação conjunta da carbonatação e ataque de íons cloretos sobre a estrutura de um pilar de concreto sobre o mar após 10 anos de
construção, mostrando claramente que a ação de agentes deletérios dificilmente ocorre de maneira única e isolada.
Figura 11 – Pilar sobre o mar após 10 anos de construção – efeito sinérgico da ação de carbonatação e íons cloretos (AGUIAR, 2006).
Considerando um concreto que possua uma certa quantidade de cloretos combinados e outra livre, embora inferior à necessária para despassivar a armadura. Quando esse concreto começa a carbonatar, parte dos cloretos combinados passam a condição de livres. Desta forma a quantidade de íons livres pode atingir o limite crítico de rompimento da camada passivada da armadura com uma quantidade de
cloretos totais mais baixa (TUUTTI, 1982 apud FIGUEIREDO, 2005). Esse efeito sinérgico dos dois ataques são responsáveis por severos problemas de corrosão, pois causam a aceleração do processo quando comparado de forma independente.
5.4 AMBIENTE EXTERNO DOS RESERVATÓRIOS DE ÁGUA TRATADA
O micro clima e a atmosfera em que a estrutura está inserida influenciam a profundidade de penetração e o teor de cloretos. Normalmente as regiões de variação e respingos de maré são as mais afetadas, pois têm cloretos, água e oxigênio suficientes para manter o processo de corrosão (HELENE, 1993).
De acordo com HELENE (1993), ciclos de molhagem e secagem, característicos de zonas de respingos de maré, concentram os cloretos dentro da estrutura, ao mesmo tempo em que essas zonas mostram-se mais atacadas por corrosão. Isso é avaliado tanto por observação visual quanto por mapeamento a partir dos potenciais de corrosão.
Nas regiões litorâneas, as direções preferenciais do vento caracterizam, de forma diferenciada, as fachadas as quais são abrangidas pelo mesmo. O vento carreia partículas de água do mar, contendo sais dissolvidos (inclusive cloretos), e as depositam por impacto nas superfícies das estruturas de concreto. Esta ação causa maior grau de ataque nessas fachadas. A evaporação da água do mar não carreia cloretos, porém águas agitadas e ventos favorecem a suspensão na atmosfera de partículas de água e névoa salina, colaborando com o seu transporte (HELENE, 1993).
As ilustrações abaixo caracterizam claramente o ambiente marinho que está inserido a estrutura de concreto armado da figura 12. Trata-se de um reservatório elevado de água tratada na forma de “guarda-chuva”, integrante do sistema de abastecimento de água da Companhia Espírito Santense de Saneamento – CESAN.
Figura 12 – Localização litorânea – Guarapari – ES.
A figura 13 é uma vista sob a estrutura do reservatório. Nota-se claramente a ação dos mecanismos de corrosão nas bordas da estrutura, onde já dá sinais de lascamento ou delaminação da estrutura de concreto, tornando mais fácil a entrada de agentes agressivos em direção ao aço aumentando a velocidade de corrosão.
Figura 13 – Reservatório elevado de água tratada (CESAN).
De acordo com NEVILLE (1997), Uma descrição frequentemente encontrada no litoral em climas quentes, o concreto seco vai sendo embebido por água do mar por absorção e, em certas condições até saturação. Se as condições externas passarem a mais secas, inverte-se o movimento da água e ela evapora pelas extremidades dos poros capilares abertas ao ar. No entanto, é a água pura que se evapora pelas extremidades da superfície do concreto. O gradiente de concentração que se origina faz com que o sal da região superficial se desloque para dentro por difusão.
Portanto, fica evidente o ingresso progressivo de sais em direção da armadura com a molhagem e secagem alternadas. A figura 14 mostra o aumento na concentração de cloretos em relação a massa de cimento com ciclos de molhagem e secagem.
TEOR TOTAL DE ÍONS CLORETOS EM RELAÇÃO À MASSA DE CIMENTO 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 0 20 40 60 80 100 DISTÃNCIA DA SUPERFÍCIE (mm) T E O R D E C L O R E T O %
Figura 14 - Teor total de íons cloretos em relação à massa de cimento com molhagem e secagem alternadas (Neville, 1997).
LIAM et al (1992) apud HELENE (1993) verificaram que a temperatura também tem papel muito importante no processo de penetração de cloretos. Sendo constatado que um aumento de temperatura de 15°C para 30°C praticamente dobra o coeficiente efetivo de difusão de cloretos.
5.5 AMBIENTE INTERNO DOS RESERVATÓRIOS DE ÁGUA TRATADA
Os íons cloretos podem chegar até o concreto através de diversas formas, como uso de aceleradores de pega que contêm CaCl2, impureza na água de amassamento e nos agregados, água do mar e maresia, sais de degelo e processos industriais (AGUIAR, 2006).
Em ambientes industriais de produção de água, a concentração de cloretos ao longo dos anos de utilização da estrutura, associada como outros mecanismos de degradação já citados, é considerada como a principal causa de deterioração de armaduras. Em estruturas de reservação de água tratada tais como lajes de tampa, associado às condições internas de temperatura e umidade, os cloretos encontram condições favoráveis para o sucesso do processo de deterioração. As figuras 14 e 15 mostram detalhes de processos expansivos de armadura na laje de cobertura no interior de um reservatório de água tratada.
Figura 16 – Escamamento e delaminação do concreto. Reservatório desativado.
A seguir, o quadro 5 mostra os teores de cloretos aferidos ao longo de dez meses pelo setor de qualidade da água da Companhia Espírito Santense de Saneamento – CESAN. Esses valores são referentes à análise da água de um reservatório situado no município da Serra – ES.
Conhecendo os mecanismos de penetração de cloretos nas estruturas de concreto e corrosão de armadura, fica claro que a maior preocupação é para as estruturas de cobertura dos reservatórios. Essas estruturas sofrem com as concentrações de vapores contaminados sob a laje de tampa e ciclos de molhagem e secagem de acordo com o consumo de água processado durante as 24 horas de abastecimento.
Caso a estrutura esteja totalmente submersa, apesar de ocorrer a contaminação por cloretos a grandes profundidades, a corrosão não ocorrerá a menos que haja um suprimento de oxigênio nos poros. Por outro lado, não ocorrerá corrosão em concretos secos.
Quadro 5 – Concentração de Cloretos nos Reservatórios do Município da Serra
Data Componente Elemento Cl mg/l
07/01/08 Reservatório Água Tratada 6,8 04/02/08 Reservatório Água Tratada 5,9 07/04/08 Reservatório Água Tratada 4,9 22/04/08 Reservatório Água Tratada 5,9 05/05/08 Reservatório Água Tratada 5,0 02/06/08 Reservatório Água Tratada 4,7 07/07/08 Reservatório Água Tratada 6,0 04/08/08 Reservatório Água Tratada 6,3 01/09/08 Reservatório Água Tratada 5,1 06/10/08 Reservatório Água Tratada 5,9
5.6 CUIDADOS VISANDO À MELHORIA DA DURABILIDADE DO CONCRETO ARMADO
A durabilidade das estruturas de concreto armado está vinculada a diversos fatores, sendo estes em função das etapas de construção da edificação e, por fim, dos critérios de manutenção. Durante a execução da obra, é necessário um controle mínimo dos seguintes itens:
Escolha do tipo de cimento adequado ao meio ambiente ao qual a obra será inserida, dentre os tipos existentes no mercado da região;
Relação água/cimento (a/c) adequada à agressividade do ambiente; Água de amassamento e agregados isentos de agentes agressivos;
Trabalhabilidade do concreto adequada para o tipo de concretagem a ser efetuada, resultando assim em um concreto bem compactado e menos heterogêneo;
Cura bem feita, evitando a secagem superficial do concreto por ventos;
Cobrimento adequado às condições do ambiente em que a peça ficará exposta.
No quadro 6 é apresentado um resumo dos fatores determinantes da corrosão, bem como maneiras de evitá-los (HELENE, 1993).
Quadro 6 - Fatores intervenientes no processo de corrosão e contaminação (HELENE, 1993).
O tempo necessário à despassivação pode ser aumentado com:
A taxa de corrosão pode ser reduzida com:
A penetração de cloretos no concreto pode ser reduzida com: Aumento da espessura de cobrimento Aumento da espessura de cobrimento Aumento da espessura de cobrimento
Redução da relação a/c Redução da relação a/c Redução da relação a/c Secagem do concreto Secagem do concreto Secagem do concreto Redução da umidade relativa
do ambiente
Redução da umidade relativa do ambiente
Redução da umidade relativa do ambiente
Redução da temperatura Redução da temperatura Redução da temperatura Aumento do tempo de cura Aumento do tempo de cura Aumento do tempo de cura
- - Aumento do teor de escória de
alto forno
- - Aumento do teor de pozolana
- - Aumento do teor de sílica ativa
Aumento do teor de C3A Aumento do teor de C3A Aumento do teor de C3A
6 CAUSA EXTRÍNSECAS DE DETERIORAÇÃO
A fissuração em elementos estruturais de concreto armado é inevitável, devido a grande variabilidade e a baixa resistência do concreto a tração; mesmo sob as ações de serviço, valores críticos de tensões de tração são atingidos. Visando obter um bom desempenho relacionado à proteção das armaduras quanto à corrosão e aceitabilidade sensorial dos usuários, busca-se controlar a abertura dessas fissuras (NBR 6118-2003).
Estruturas bem projetadas que respeitem métodos construtivos e cargas previstas em projeto, a abertura de fissura não representa perda de durabilidade. No entanto, é importante salientar que a abertura de fissuras pode ter outras origens como a retração térmica ou química que ocorre nas primeiras idades do concreto, devendo ser limitadas com outros procedimentos tecnológicos como cura e traço adequado do concreto.
A caracterização da fissuração como deficiência estrutural dependerá sempre da origem, intensidade e magnitude do quadro de fissuração existente, posto que o concreto por ser um material com baixa resistência à tração, fissurará por natureza, sempre que as tensões trativas, que podem ser instalados pelos mais diversos motivos, superem a sua resistência última à tração.
As falhas de projetos estruturais, com influência direta na formação de fissuras, podem ser as mais diversas, assumindo as correspondentes fissuras configuração
própria, função do tipo de esforço a que estão submetidas às várias peças estruturais como está exemplificado na figura 17.
PAREDE PAREDE
Figura 17 – Manifestação de fissuras conforme cada tipo de esforço atuando.
São conhecidas como causas extrínsecas de deterioração da estrutura, que independem do corpo estrutural em si, assim como da composição interna do concreto, ou de falhas inerentes ao processo de execução, podendo, de outra forma, ser vistas como os fatores que atacam a estrutura “de fora para dentro”, durante as fases de concepção ou ao longo da vida útil desta.
As falhas humanas na faze de projeto podem ter diversas origens descritas baixo:
Modelização inadequada da estrutura; Má avaliação das cargas;
Detalhamento errado ou insuficiente da estrutura; Inadequação ao ambiente;
Incorreção na interação solo-estrutura;
Nos procedimentos seguintes, será feita uma análise quanto à abertura de fissuras de uma laje de tampa de concreto armado do reservatório de água tratada semi-enterrado situado no município de Viana-ES. O objetivo dessa análise é enfatizar a importância da execução de projetos estruturais visando verificar a abertura de fissuras. Neste caso abordado, o tanque destinado a reservação de água, está sujeito à ação de cloretos livres provenientes do tratamento da água, além de possuir uma atmosfera interna (calor e umidade) que garante o sucesso de sua penetração na estrutura de concreto e início prematuro da corrosão do aço.
6.1 CONSIDERAÇÕES ESTRUTURAIS
O reservatório mostrado nas figuras 19 e 20 foi construído no município de Viana, zona rural da Grande Vitória do estado do Espírito Santo. Essa estrutura de concreto armado é destinada a reservação 300 m³ de água tratada sendo parte constituínte da ampliação do sistema de abastecimento de água deste mesmo município.
Apesar de estar situado na zona rural da Grande Vitória, ele é parte importante no processo industrial de produção de água. Portanto, segundo o quadro 1, ele está enquadrado na classe de agressividade IV com elevada possibilidade de deterioração da estrutura de concreto devido a características específicas inerentes do processo, ciclos de molhagem e secagem, alta umidade interna e calor.
O reservatório possui uma circunferência de cerca de 11,40 metros e pé-direito estrutural de 4,10 metros de altura conforme figuras 19 e 20. Suas paredes possuem uma espessura de 20 cm assim como sua laje de tampa. Apresenta uma laje circular
em estrutura convencional apoiada sobre pilar central com capitel de mesma espessura da laje. As cargas envolvidas para o cálculo da laje de tampa durante a concepção do projeto estrutural estão assim distribuídas: 100 Kgf/m² de revestimento, 200 Kgf/m² de carga variável e 500 Kgf/m² de peso próprio.
A laje de tampa encontra-se engastada nas paredes do reservatório e apoiada sobre pilar único central. Esquematicamente, o modelo de cálculo segue representado na figura 18.
PLANTA DE FORMA - TAMPA 1200 15 15 R55 0 50 1 A
A
Figura 19 – Forma da laje de tampa
48 0 30 40 20 20 39 0 20 40 60 15 20 20 CORTE - AA A 5
6.2 PROCEDIMENTO DE VERIFICAÇÃO DE ABERTURA DE FISSURAS
O valor da abertura de fissuras pode sofrer a influência de restrições às variações volumétricas da estrutura, difíceis de serem consideradas nessa avaliação de forma suficientemente precisa. Além disso, essa abertura sofre também a influência das condições de execução da estrutura (NBR 6118-2003).
Por essas razões, os critérios apresentados a seguir devem ser encarados como avaliações aceitáveis do comportamento geral do elemento, mas não garantem avaliação precisa da abertura de uma fissura especifica (NBR 6118-2003).
Cálculo do Momento de Fissuração (Mr) é definido como o momento fletor que teoricamente produz a primeira fissura numa seção de concreto simples, supondo que a resistência à tração do concreto seja fctm.
Dados a serem considerados no procedimento de verificação:
→ h altura da seção m h=0,20 → b largura da seção m b=1,0 → c Cobrimento da Amadura → ck
f Resistência Característica do Concreto
m c=0,04
2 40000000 m N fck = → cs
E Módulo de Elasticidade Secante do Concreto
→ c
γ
Coeficiente de Ponderação da Resistência do Concreto 4 , 1 = cγ
→ ctmf Resistência à Tração do Concreto
→ cr
A Área da Região de Envolvimento
→ s
γ
Coeficiente de Ponderação da Resistência do Aço 15 , 1 = sγ
→ yde Deformação Especifica de Escoamento do Aço
→ yd
f Tensão Limite do Aço
→ yk
f Resistência Característica do Aço ao Escoamento
² 500000000 m N fyk = → s
E Módulo de Elasticidade do Aço MPa
Es =210000 →
s
A Área de Aço da Armadura Longitudinal Tracionada
→
'
s
A Área de Aço da Armadura Longitudinal Comprimida
→
r
ρ
Taxa de Armadura na Região de Envolvimento Acr→ 1
x Profundidade da Linha Neutra
→ 2
→
r
M Momento de Fissuração →
s
M Momento Fletor de Cálculo
→ c
I Momento de Inércia da Seção Bruta
→ 2
I Momento de Inércia na Seção Fissurada →
t
y Ordenada das Fibras mais Tracionadas
→ k
w Abertura de Fissura
→ s
M Momento Fletor de Cálculo
→ k
w Abertura de Fissura
→
1
η Coeficiente de Conformação Superficial
² 29 , 3508821 40000000 3 , 0 3 , 0 2/3 2/3 m N f fctm = × ck = × = ) %% 5 , 3 ( %% 5 , 3 max yd E d x + = ² 70 , 434782608 15 , 1 500000000 m N f f s yk yd = = = γ CA-50 00207 , 0 00 2100000000 70 , 434782608 = = yd e
Na fronteira entre os domínios 3 e 4, a profundidade da linha neutra é x=xmax:
628 , 0 ) 07 , 2 5 , 3 ( 5 , 3 00 0 00 0 00 0 max = + = d x m xmax =0,10021
4 3 3 00067 , 0 12 20 , 0 1 12 m h b Ic = × = × = cm yt =(0,2−0,10021)=0,0997 m N Mr = × × = 23233 0997 , 0 00067 , 0 29 , 3508821
Para que não ocorra fissuração da estrutura de concreto devido somente aos esforços envolvidos na laje de tampa do reservatório, a seção fissurada deverá encontrar-se no Estádio 1 (wk =o). Para isso, o momento fletor de cálculo (Ms) deverá ser necessariamente menor que o momento de fissuração (Mr) calculado
anteriormente (Ms <Mr).
Para verificação dos momentos solicitantes (Ms), foi utilizada uma modelagem estrutural com o auxílio do software de cálculo estrutural (TQS V11.9.09) da TQS informática. Os resultados obtidos são mostrados no diagrama de momento fletor da figura 21 abaixo, onde se observa que o maior valor em módulo para o momento
fletor de cálculo foi de . ² 26200
Figura 21 – Diagrama de momentos fletores – cobertura
Portanto, o momento de fissuração (Mr) calculado anteriormente é menor que o
momento fletor de cálculo (Ms). A seção fissurada está enquadrada no Estádio 2 logo, será necessária a verificação dimensional da abertura de fissura (wk) e posteriormente comparada com o quadro 4 de acordo com a classe de agressividade, finalidade da estrutura e limite máximo de abertura (wlim).
Seja a figura 22 representando a seção Fissurada no Estádio 2 puro. A seqüência seguinte tem como objetivo de calcular a linha neutra na seção fissurada (x2) e seu
momento de inércia (I2).
