Departamento de Engenharia de Construção Civil
ISSN 0103-9830
BT/PCC/265
André T. C. Guimarães Paulo Helene
São Paulo – 2000
DIFUSÃO DE CLORETOS E A INFLUÊNCIA DO GRAU DE SATURAÇÃO DO CONCRETO:
Ensaio em Laboratório
e Medição de Obra em Uso
Diretor: Prof. Dr. Antônio Marcos de Aguirra Massola Vice-Diretor: Prof. Dr. Vahan Agopyan
Chefe do Departamento: Prof. Dr. Alex Kenya Abiko
Suplente do Chefe do Departamento: Prof. Dr. João da Rocha Lima Junior
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Coordenador Técnico Prof. Dr. Alex Abiko
O Boletim Técnico é uma publicação da Escola Politécnica da USP/Departamento de Engenharia de Construção Civil, fruto de pesquisas realizadas por docentes e pesquisadores desta Universidade.
FICHA CATALOGRÁFICA
Guimarães, André Tavares da Cunha
Difusão de cloretos e a influência do grau de saturação do concreto :
ensaio em laboratório e medição de obra em uso / A.T.C. Guimarães, P. Helene. -- São Paulo : EPUSP, 2000.
19 p. – (Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP, Departa- mento de Engenharia de Construção Civil, BT/PCC/265)
1. Estruturas de concreto armado 2. Estruturas marítimas I. Hele- ne, Paulo Roberto do Lago II. Universidade de São Paulo. Escola Poli- técnica. Departamento de Engenharia de Construção Civil III. Título IV.
Série
ISSN 0103-9830 CDU 624.012.45 624.034
André T. C. Guimarães, Paulo Helene
Sumário Resumo 1. Introdução
2. Obra selecionada e suas características 2.1. Meio Ambiente
2.2. Características do concreto
3. Ensaio de variação da difusividade em relação ao grau de saturação (GS) - ensaios em laboratório
3.1. Material 3.2. Ensaio
3.3. Avaliação dos resultados 3.4. Interpretação dos resultados
4. Ensaio de variação sazonal do grau de saturação em zona de névoa 4.1. Ensaio
4.2. Avaliação dos resultados 4.3. Interpretação dos resultados 5. Aplicação dos resultados 5.1. Zona de névoa
Conclusões Agradecimento
Referências Bibliográficas
(*) Este texto é parte do material básico que dará origem à tese de doutoramento intitulada
“Vida Útil de Estruturas de Concreto Armado em Ambientes Marítimos”.
DIFUSÃO DE CLORETOS E A INFLUÊNCIA DO GRAU DE SATURAÇÃO DO CONCRETO: ENSAIO EM LABORATÓRIO E MEDIÇÃO DE OBRA EM USO Resumo
Algumas pesquisas tem mostrado que a aplicação de modelos deterministas baseados somente nas leis de Fick, apresentam diferenças consideráveis em relação aos perfis de cloretos efetivos em estruturas marítimas existentes (GUIMARÃES, 1997).
Um fator importante a ser verificado é a influência do grau de saturação (GS) do concreto.
Nessa pesquisa foi desenvolvida metodologia de ensaio em laboratório da influência do GS na difusão de cloretos em pasta de cimento endurecida. Os resultados desse ensaio são aplicados em uma estrutura existente com 22 anos de uso, em zona de névoa marítima.
Os resultados mostram uma grande influência do GS do concreto sobre a difusão de cloretos. Portanto sua influência deve ser mais pesquisada e levada em conta na previsão de vida útil das estruturas.
1. Introdução
Ao relacionar-se perfis de penetração de íons cloretos em obras com idade avançada de utilização (superior a 20 anos) com os modelos deterministas baseados exclusivamente na lei de Fick nota-se uma grande diferença entre a profundidade que seria prevista para a frente de ataque e a existente na estrutura analisada em zona de maré, zona de respingo ou zona de névoa, todas em ambiente marítimo (GUIMARÃES, 1997).
Em estudos recentes, notou-se que em superfícies com alto teor de íons cloretos (2% em relação a massa de cimento) e considerando fatores como a variação da resistência a compressão, variação sazonal da temperatura, tipo de cimento, relação a/c obteve-se uma grande diferença entre a profundidade de ataque prevista por métodos deterministas e a profundidade efetiva obtida por perfis de penetração de cloretos em cais marítimo no extremo sul do Brasil (Fig. 1). Deve-se salientar que esse teor de íons cloretos foi obtido tanto em época de chuva intensa (inverno) como em época de estiagem (verão), segundo estudos de GUIMARÃES (1997).
Supõem-se por esses fatos que a dificuldade dos cloretos penetrarem é devido ao teor de água de equilíbrio no concreto estar abaixo da saturação. Esse fato pode gerar diferenças entre resultados de laboratório e obras em serviço, pois os ensaios de laboratório que visam obter um coeficiente de difusão são realizados na condição de corpos de prova saturados (PAGE et al., 1981; PRUDÊNCIO, 1993; ANDRADE, 1993;
GJ∅RV et al., 1994).
Para investigar esse fator desenvolveu-se duas metodologias de ensaio. A primeira para determinar a influência da variação do grau de saturação (GS) na difusão dos cloretos. A segunda para medir a variação do GS em camadas mais externas do concreto em um ambiente marítimo. As metodologias foram então aplicadas em um cais marítimo com 22 anos de uso.
2. Obra selecionada e suas características 2.1. Meio Ambiente
O elemento estrutural utilizado nesta pesquisa é a viga de um trecho do paramento do cais do Terminal de Conteiners-TECON, que situa-se em zona de névoa.
O cais está localizado em porto marítimo da cidade do Rio Grande – Brasil (Fig. 2.1).
FIGURA 2.1 - Localização do cais do Terminal de Conteiners - TECON, RGS, Brazil.
2.2. Características do concreto
Foram extraídos testemunhos, conforme ASTM C 42 (1994), e realizados ensaios de caracterização, além dos dados obtidos em relatórios de execução da obra.
Obteve-se o perfil do teor de cloretos com material extraído com furadeira a cada 5 mm de profundidade (20 furos em cada um dos seis pontos dos 50 m de um trecho do cais que tem um total de 300 m).
O concreto da estrutura foi executado com agregado graúdo de origem granítica britada com diâmetro máximo (Dmáx) de 38 mm e a areia é quartzosa. O aglomerante utilizado é pozolânico com 34% de cinza volante com um consumo de 403 kg/m3. A relação a/c é de 0,44 obtendo-se um fck de 23,4 MPa. Com 22 anos de uso apresentou massa específica de 2275 kg/m3 e absorção por imersão e após fervura de 5,28 % conforme ASTM C 642 (1990). O perfil de penetração de cloretos apresentou um coeficiente de penetração (k) desses íons de 5,437 mm.ano-1/2 no modelo cCl- = k.t1/2, considerando a concentração de 0,4 % de cloretos em relação a massa de cimento como limite da frente de ataque.
3. Ensaio de variação da difusividade em relação ao grau de saturação (GS) - ensaios em laboratório
3.1. Material
O material utilizado para o desenvolvimento e realização do ensaio foram corpos de prova executados com pasta de cimento.
O cimento utilizado foi o CPV-ARI. A utilização desse tipo de cimento se deve ao fato da sua mais rápida hidratação em relação aos demais tipos de cimento. Dessa forma obtém-se uma influência menor das possíveis diferenças de hidratação do cimento quando sujeitos a diferentes teores de umidade durante o ensaio.
Oceano Atlântico Argentina
Uruguay Assunção
Buenos Aires
Montevideo
Porto Alegre Rio Grande BRASIL
TECON Rio Grande
Oceano Atlântico
Com esse cimento foi executado uma pasta com relação a/c de 0,5 e posteriormente moldados 50 corpos de prova de 30 mm de diâmetro e 45 mm de comprimento em moldes plásticos, e 5 corpos de prova de 50 mm de diâmetro e 100 mm de comprimento para ensaio de caracterização em moldes metálicos.
Após 24 horas de sua execução foram desmoldados e lixados no topo, desgastando alguns milímetros para extrair a camada externa que, por exsudação, fica com sua qualidade comprometida (Fig. 3.1a). A seguir foram colocados em cura submersa por 14 dias, ficando a partir dessa idade em ambiente de laboratório até completar 28 dias. Obteve-se absorção média de 29,7 % e massa específica média de 1468 kg/m3 e resistência a compressão média aos 28 dias de 29 MPa.
Para estimar a massa seca dos CP's de 30 mm x 45 mm, foram selecionados aleatoriamente 6 unidades, dentre as 50 disponíveis. Essas unidades foram secas em estufa a 105±50C por 72 horas. Obteve-se massa média de 48,3 g com um desvio padrão de 0,58 g.
3.2. Ensaio
Depositou-se sobre o topo dos CP's de 30 mm x 45 mm uma camada de calda de cimento com cloretos (5% de NaCl) e após a obtenção da estabilidade das umidades desejadas, obteve-se por fatiamento da metade dos corpos de prova e ensaios de teores de cloretos na pasta, os perfis iniciais de penetração dos cloretos. Esse perfil inicial refere-se a penetração dos cloretos com influência da sua absorção capilar. Após 3 meses, com os CP's com GS estáveis obteve-se um segundo perfil para cada grupo de GS. Neste segundo caso a análise dos perfis foram realizadas com o objetivo de obter o coeficiente de difusão para cada GS.
Para permitir a colocação da camada de calda de mesmas características contaminada com cloretos sobre os CP's, foi colocado um filete de silicone formando um anel no topo dos CP's, de forma a não permitir que a calda com cloretos se derramasse contaminando a superfície lateral dos CP's (Fig. 3.1b).
FIGURA 3.1 - Preparo dos corpos de prova: a) corpo de prova com topo lixado; b) corpo de prova com anel de silicone; c) corpo de prova com capa de contaminação
GS ao redor de 55% , 75% e 90% foram obtidos secando naturalmente ou molhando os CP's com água destilada, após 28 dias de idade. O GS de quase 100% foi obtido colocando-se os CP's parcialmente submersos até a altura de 30 mm em solução saturada de Ca(OH)2 (Fig. 3.1d).
a b c d
Cinco unidades de cada grupo foram fatiadas de 2 em 2 mm até a profundidade de 8 mm (4 fatias de aproximadamente 1,5 mm cada). Esses primeiros CP's foram fatiados com a idade de 76 dias e 30 dias após contaminação com a calda com cloretos.
As fatias de mesma profundidade do mesmo grupo foram misturadas e moídas para realização de ensaio de teor de íons cloreto totais em relação a massa de pasta conforme ASTM C 1152 (1990).
Nas camadas mais profundas também foram realizados ensaios de teores de íons cloreto livres em relação a massa de pasta conforme ASTM C 1218 (1992).
Para manter o máximo possível a umidade de cada grupo os CP's restantes de cada grupo foram colocados em sacos plásticos com vácuo. Esse foi o método mais prático encontrado para manter e controlar a umidade de cada grupo, pois assim pode-se pesar cada grupo como um todo com mais freqüência, conhecendo o peso do saco plástico, e antes de fatiar os CP's para obtenção do segundo perfil, pesar cada um separadamente. Os CP's colocados dentro dos sacos plásticos ficaram com o eixo dos CP's na posição horizontal. Aproximadamente de 7 em 7 dias os CP's eram girados com o saco plástico de forma a alternar as posições dos CP's. Esses cuidados foram realizados com a intenção de manter o teor de umidade o mais uniforme possível dentro dos CP's. Somente o grupo de GS igual a 100 % ficou em recipiente de vidro conforme explicado anteriormente (Fig. 2d).
As caldas com cloretos, após secas em estufa a 105±50C por 72 horas, apresentaram massa média de 1,6 g e desvio padrão de 0,18 g e os anéis de silicone, secos ao ar, obtiveram massa média de 0,35g e desvio padrão de 0,13 g.
Os CP's restantes foram fatiados a 150 dias de idade.
Os valores médios do GS entre os tempos T1 e T2 obtidos nos ensaios para os Grupos I, II, III e IV foram de 57,2%, 74,8%, 90,2% e 97,7% respectivamente.
Considerando os intervalos de confiança na média para massa dos CP's de 30 mm x 45 mm de 48,3±0,61 g, massa dos anéis de silicone de 0,35±0,06 g, a massa das capas contaminadas de 1,6±0,17 g e a absorção após imersão e fervura de 29,7±1,21%, calculou-se o intervalo de confiança do GS dos CP's dos Grupos I, II, III e IV. Para calcular GS máximo foram consideradas as menores massas dos CP's, dos anéis de silicone e das capas de contaminação e menor absorção por imersão. Para calcular o GS mínimo foram consideradas as maiores massas e absorção por imersão. Assim obteve-se 95% de confiança que o GS varia dentro de uma faixa de ± 9,8 %.
A Fig. 3.2 mostra os perfis do teores médios de cloretos totais nos tempos T1 e T2 dos nos CP's dos Grupos I, II, III e IV.
Os ensaios nas caldas com cloreto dos Grupos I, II, III e IV apresentaram teores de cloretos livres de 0,93 %, 0,79 %, 0,49 % e 0,36 % respectivamente para o tempo T1, e 0,68 %, 0,53 %, 0,28 % e 0,19 % para o tempo T2. Os teores de cloretos livres na quarta camada dos CP's são 0,02 %, 0,05 %, 0,02 % e 0,07 % no tempo T1, respectivamente para o Grupo I, II, III e IV, e 0,05 %, 0,11 %, 0,09 % e 0,06 % para o tempo T2. As medições dos teores de cloretos foram realizadas no Laboratório de Química dos Materiais do Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo S.A..
* SD- Saturation Degree
FIGURA 3.2 - Perfis de cloretos totais: T1- CP's com 76 dias de idade e 30 dias de contaminação; T2 - CP's com 150 dias de idade e 104 dias de contaminação.
3.3. Avaliação dos resultados
Cada grupo apresentou uma variação do teor de cloretos livres da capa de contaminação durante o ensaio, sendo que em cada grupo obteve-se um valor médio diferente. Isso deve-se principalmente aos diferentes teores de umidade de cada grupo.
Analisando os perfis dos tempos T1 na Fig. 3.2 e os teores das capas contaminadas de cada grupo de CP's correspondente ao tempo T1, observa-se que a difusão de íons foi mais intensa que a penetração de íons por absorção capilar, pois os cloretos penetraram mais nos CP's com maior GS.
Em uma avaliação qualitativa nota-se que entre o Grupo I e o Grupo IV há uma grande diferença na difusão de íons cloretos, pois os perfis T1 e T2 do Grupo I praticamente se sobrepõe a partir da profundidade de 7,5 mm. Observa-se também que as inclinações das curvas diminuem do Grupo I para o Grupo IV, evidenciando uma maior penetração de íons cloretos com o aumento do GS.
Para avaliar os coeficientes de difusão dos quatro grupos utiliza-se a seguinte equação obtida da primeira lei de Fick:
J= l Def
.(C1-C2) sendo (3.1) GROUP I - SD=55%
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0 5 10 15
Depth (mm)
% Cl-
T1 T2
GROUP II - SD=75%
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0 5 10 15
Depth (mm)
% Cl-
T1 T2
GROUP III - SD=90%
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0 5 10 15
Depth (mm)
% Cl-
T1 T2
GROUP IV - SD=100%
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0 5 10 15
Depth (mm)
% Cl-
T1 T2
J = fluxo de íons cloreto em g.cm-2.s-1;
Def = coeficiente de difusão efetivo de íons cloreto em cm2.s-1; l = espessura da camada em que é medido o fluxo, em cm
C1 e C2 = concentrações de cloretos na solução de poro da superfície de topo e última camada em g/cm3 (serão considerados os valores médios de cloretos livres durante o ensaio).
A Fig. 3.3 mostra o esquema de corte dos CP's.
FIGURA 3.3 - Esquema do corte dos corpos de prova
O valor de J foi calculado pelo balanço de massa de íons cloretos nos primeiros 8 mm de profundidade dos CP's. A massa de íons que passam nessa espessura foi dividida pela seção transversal e pelo tempo entre a medição dos dados do primeiro perfil (T1) e a medição dos dados do último perfil (T2). As massa de íons cloretos nos tempos T1 e T2 foram calculadas em função das massas médias da calda com cloreto e das camadas dos CP's, consideradas de 2 mm de espessura e com massa específica conforme ensaio realizado, e dos teores de íons cloretos medidos em cada camada, considerando teores médios dessas camadas.
A concentração média da solução de íons cloreto livre da capa de contaminação (C1) foram calculadas em função do teor de umidade médio medido entre os tempos T1
e T2 e a massa de íons cloretos livres nos tempos T1 e T2, obtendo-se dois valores, dos quais calculou-se a média. Da mesma forma foi calculada a concentração média da solução na camada situada entre as profundidades de 6 mm e 8 mmm.
Com os valores de J, l, C1 e C2 obteve-se o valor de Def, mostrado na Tabela 3.1.
TABELA 3.1 - Valores do coeficiente de difusão efetivo em função dos GS's Grupo GS previsto - % GS obtido - % Def - cm2/s
Grupo I 55 57,2±9,8 18,37E-10
Grupo II 75 74,8±9,8 56,60E-10
Grupo III 90 90,2±9,8 65,09E-10
Grupo IV 100 97,7±9.8 203,81E-10
Calda com cloretos
Esses resultados são apresentados em gráfico (Fig. 3.4).
Neste gráfico os resultados são representados por uma equação exponencial e mostra o intervalo de confiança na média do GS (confiança de 95%). Nota-se que os valores do coeficiente de difusão obtidos pela curva média são ligeiramente maiores que os obtidos pela curva exponencial para GS menor que 80 %. A diferença do coeficiente de difusão obtido na curva média e a linha do limite inferior é pequena para valores de GS menores que 85 %, sendo menores os valores da curva média.
A relação entre o maior coeficiente de difusão (Grupo IV- GS=100 %) e os demais valores é de 0,09 para o Grupo I (GS=57,2±9,8%), 0,28 para o Grupo II (GS=74,8±9,8%) e 0,32 para o Grupo III (GS=90,2±9,8%). Essas relações indicam que as diferenças são bem acentuadas e que o GS do concreto é um fator que deve ser considerado na difusão de íons.
*SD – Saturation Degree
FIGURA 3.4 - Valores médios do coef. de difusão efetivo em função do GS e intervalo de confiança na média do GS (confiança de 95%)
3.4. Interpretação dos resultados
Os resultados do ensaio demonstram a importância de se considerar o GS do concreto na estimativa do coeficiente de difusão dos íons cloretos.
y = 9.10-11.e0,0525x R2 = 0,8869
1,00E-09 2,00E-09 3,00E-09 4,00E-09 5,00E-09 6,00E-09 7,00E-09 8,00E-09 9,00E-09 1,00E-08 1,10E-08 1,20E-08 1,30E-08 1,40E-08 1,50E-08 1,60E-08 1,70E-08 1,80E-08 1,90E-08 2,00E-08 2,10E-08
0 20 40 60 80 100
SD (% ) Def (cm2 /s)
Exponential equation
Average Upper limit Lower limit
I II
III IV
As considerações feitas a seguir tem o objetivo de mostrar um possível mecanismo que pode explicar a influência da variação do GS na difusão de íons cloretos na pasta de cimento endurecida.
§ Na pasta de cimento endurecida saturada, ou seja, GS de 100% (Fig. 3.5) todos os poros acima do diâmetro crítico estão cheios de água, facilitando a difusão de íons. A seção transversal desses poros é a seção transversal por onde os íons sofrem difusão;
§Conforme MEHTA e MANMOHAN (1980), o volume de poros maiores que o diâmetro crítico é da ordem de 15% do volume total de vazios para pasta de cimento com rel. a/c de 0,5, sendo esse o volume da rede interligada de poros que influi na difusão de íons. Assim, diminuindo o GS de 100% até 85% deve diminuir mais acentuadamente a água na rede de poros com diâmetros maiores que o diâmetro crítico (Fig. 3.5). Portanto, a seção transversal de difusão dos íons diminui rapidamente conforme pode ser observado na Fig. 3.4 entre os pontos IV e III. O diâmetro crítico para a pasta com rel. a/c de 0,5 é de aproximadamente 80 nm (MEHTA e MANMOHAN, 1980) e a condensação em poros desse tamanho ocorre com UR maior que 95% (QUÉNARD e SALLÉE, 1991). Portanto, diminuindo a UR de 95% esses poros tendem a ficarem cheios com vapor de água e uma camada de água adsorvida em suas paredes com uma espessura de aproximadamente 0,2 nm, 0,45 nm e 0,9 nm para UR de 10% 50%
e 95% respectivamente (QUÉNARD e SALLÉE, 1992). Sendo assim, os poros maiores que o diâmetro crítico tendem a diminuir a água condensada até atingir uma camada fina de água adsorvida. Quando diminui o GS até aproximadamente 85 % toda a rede de poros interligada (diâm. dos poros > diâm. crítico), terá apenas água adsorvida (Fig. 3.5). Logo a seção transversal de difusão dos íons pode diminuir muito. Nesse caso, os íons também tem que percorrer distâncias maiores, pois precisam circundar o poro para ultrapassa-lo. Para pequenas espessuras de água (≤0,9 nm) é de se esperar que os elementos precipitados, como os Ca(OH)2, tornem-se obstáculos que dificultam a passagem dos íons cloretos, os quais possuem diâmetro de 0,36 nm;
§Para GS menor que 85 % o coeficiente de difusão deve diminuir com menos intensidade, provavelmente devido ao início da perda de água nos poros menores que o diâmetro crítico, poros esses com menor influência no transporte de massa. Isso deve ocorrer até o momento em que a espessura de água adsorvida nas paredes dos poros com diâmetro maior que os do diâmetro crítico começa a diminuir, conforme Fig. 3.4 entre os pontos III e II;
§O coeficiente de difusão deve novamente diminuir rapidamente (Fig. 3.4, entre os pontos II e I), quando a espessura de água adsorvida nas paredes dos poros com diâmetro maior que os do diâmetro crítico começa a diminuir (Fig. 3.5).
Esse processo apresenta forte indício de ocorrer quando se compara a curva de distribuição dos poros na pasta de cimento (MEHTA e MANMOHAN, 1980) com os resultados do ensaio de influência do teor de umidade da pasta de cimento na difusão de íons cloretos: a inflexão na curva de distribuição dos poros na pasta com rel. a/c de 0,6 ocorre quando são preenchidos com mercúrio aproximadamente 15% do volume de vazios (volume de poros maiores que o poro crítico), o que eqüivale a um GS é de 85 % (Fig. 3.4, entre os pontos II e III).
FIGURA 3.5 - Rede de poros da pasta de cimento endurecida com diferentes teores de umidade
Portanto, parece mais prudente utilizar a curva média da Fig. 3.4, sendo melhor que adotar uma correlação exponencial, principalmente para GS menores que 80 %, onde se obtém coeficientes de difusão maiores na curva média.
No caso dessa pesquisa, na determinação dos coeficientes de difusão foi considerado fluxo de íons cloreto em regime permanente, considerando os teores médios entre os perfis nos tempos T1 e T2 na superfície dos CP's e na quarta camada.
Para facilitar a determinação do coeficiente de difusão utilizando a segunda lei de Fick, ou seja, em regime não permanente, pode-se manter constante o teor de íons cloretos na superfícies dos CP's durante o ensaio. Para tanto deve-se aumentar o teor de NaCl adicionado a calda acima da saturação da solução dos poros. Assim pode-se calcular o teor de cloretos solúveis para cada GS, sendo que a medida que os cloretos dissolvidos sofrem difusão, outros cloretos, até então precipitados sob a forma de NaCl, são solubilizados.
Portanto, devido as considerações feitas durante a análise desse ensaio, os coeficientes de difusão assim calculados devem apresentar alguma diferença.
Ensaios que correlacionam o sentido do vapor com o coeficiente de difusão de cloretos (MEHTA et al., 1992) parecem estar de acordo com os resultados obtidos nesse ensaio. Esses ensaios correlacionam o sentido do vapor da água com o coeficiente de
Solução de poro
Vapor
Rede de poros maiores que o diâmetro crítico GS=100%
GS>85%
GS=85%
GS<75%
difusão, mostrando que quando o vapor se desloca no mesmo sentido dos íons cloretos o coeficiente de difusão é bem maior que no caso contrário. Nota-se na Fig. 3.6 que quando o vapor se desloca no mesmo sentido dos cloretos as primeiras camadas por onde esses íons penetram possuem um teor de umidade maior que quando o vapor é em sentido contrário.
FIGURA 3.6 - Ensaio correlacionando o sentido do vapor da água com o coeficiente de difusão (MEHTA et al., 1992)
HEDENBLAND (1995) demonstrou teoricamente a influência do teor de umidade na difusão de cloretos, mostrando uma maior influência do grau de hidratação do cimento do que do GS. Provavelmente o grau de saturação foi um pouco maior nos grupos com maior GS e mesmo assim esses apresentaram coeficientes de difusão bem maiores, mostrando uma grande influência do GS. HEDENBLAND (1995) já alertava que além do GS a precipitação de alguns elementos nos poros da pasta de cimento poderiam diminuir o coeficiente de difusão dos cloretos.
MARTYS (1999) simulou com programa computacional a difusão de íons em poros médios (rede interligada) cheios com dois fluídos, sendo um predominantemente molhável, como por exemplo a água e o ar. Correlacionando os GS's da rede de poros interligada simulada, com os GS's da pasta de cimento endurecida, considerando o volume total de poros, os resultados obtidos por MARTYS (1999) apresentam uma maior influência do GS que os resultados dessa pesquisa. No entanto, na pasta de cimento, temos a influência dos poros menores que o diâmetro crítico na difusão de íons. Essa influência é relativamente pequena quando a pasta de cimento está saturada.
No entanto, quando há pouca umidade na rede interligada, a influência dos poros pequenos deve ser considerável. Como exemplo pode-se considerar o GS de 90 % que eqüivale a de poros interligada estar com aproximadamente 33% de água do volume total de vazios (5% de água em 15 % de volume de vazios). Para este valor MARTYS (1999) obteve uma relação entre o coeficiente de difusão da pasta não saturada e a pasta saturada (Def/Dmáx) de 0,15, enquanto que no ensaio de influência do GS desta tese obteve-se 0,32 (Fig. 3.7).
1 2 3 4 5 6 Cl-
(% / cem)
x: distance from the concrete surface (cm)
A B 3
2 Cl- content 1 in the mix R.H. ~ 100%
R.H. ~ 65%
x
concrete specimen (ø 10, d=3 cm)
A
B
R.H. ~ 65%
x
sealed containment R.H. ~ 100%
pulverised NaCl
FIGURA 3.7 - Relação entre coeficiente de difusão da pasta não saturada e da pasta saturada - Def/Dmáx (MARTYS, 1999)
4. Ensaio de variação sazonal do grau de saturação em zona de névoa 4.1. Ensaio
Foram extraídos do paramento do cais do TECON , testemunhos cilíndricos, tendo o cuidado de retirar a camada mais externa. Os testemunhos assim preparados possuem 9,4 cm de diâmetro e as seguintes espessuras: 3 testemunhos com aproximadamente 4 cm de espessura e 3 testemunhos com 8 cm de espessura.
Alguns testemunhos foram revestidos nas faces externas com silicone, com exceção de uma face de topo (Fig. 4.1b).
FIGURA 4.1 - Testemunhos - a) não revestidos; b) revestidos com silicone; c) com face vertical exposta em posição similar a face vertical do paramento do cais
Como o objetivo era comparar a variação do teor de umidade em zona de névoa, os testemunhos foram colocados em uma estrutura que fica aproximadamente a 10 m de altura da laje do cais e a 120 m do paramento do cais. Os testemunhos revestidos com silicone foram colocados de forma que a face não revestida ficou na posição vertical e na mesma posição do paramento do cais. Os testemunhos ficaram a frente de uma viga de concreto, de forma que a incidência solar fosse a mesma que a face vertical do paramento do cais (Fig. 4.1c). Para evitar que os testemunhos ficassem parcialmente
a
b c
1,00 Def/Dmáx
0,75
0,50
0,25
0,00
0 25 50 75 100 GS (%)
submersos em água de chuva, os testemunhos foram colocados sobre calços e em local de boa drenagem.
Esses cuidados foram tomados para simular as condições ambientais das faces verticais da viga do paramento do cais na zona de névoa e o acesso aos testemunhos que em certos períodos foram pesados diariamente, foi facilitado.
Para se ter uma certeza de quando os testemunhos estariam totalmente em equilíbrio com o ambiente, alguns testemunhos foram colocados no local de exposição com um alto teor de umidade e outros com um baixo teor de umidade. Dessa forma, quando dois testemunhos de mesma dimensão e colocados com diferentes teores de umidade começassem a se comportar de forma similar, ou seja, apresentar teor de umidade e variação do teor de umidade aproximados, foi considerado que esses testemunhos estavam em equilíbrio com o meio ambiente.
A massa diária dos testemunhos foi sempre obtida na mesma hora, ou seja, as 9:00 h.
Após as medições realizadas em março de 1998 (medições de verão), foi realizado ensaio de absorção por imersão após fervura ASTM C 642 (1990) nos testemunhos. Após esse ensaio os testemunhos de 4 cm de espessura foram revestidos com silicone conforme descrição anterior e novamente colocados em exposição, sendo que um dos testemunhos tinha um teor de umidade elevado, o segundo um teor de umidade médio e o terceiro um teor de umidade baixo. Assim obteve-se as medições de inverno.
4.2. Avaliação dos resultados
Analisando os valores diários dos testemunhos pode-se fazer algumas observações.
Os testemunhos não revestidos com silicone tiveram um comportamento diferentes dos revestidos com silicone: o ganho ou a perda de massa foi mais rápido tanto nos testemunhos com 4 cm de espessura como nos de 8 cm de espessura.
Os CP's com 4 cm de espessura e revestidos com silicone apresentaram comportamento similar após aproximadamente dois meses de exposição (entre a primavera e o verão de 1999). Após o ensaio de absorção por imersão e nova exposição ao ambiente, comportamento similar entre os CP's foi obtido após aproximadamente um mês de exposição (julho/1999). Portanto em época de chuva o comportamento similar é obtido em tempo bem menor.
Os testemunhos de 8 cm de espessura e revestidos com silicone não chegaram ao equilíbrio de umidade com o ambiente. Por esse motivo esses testemunhos não foram utilizados para analisar os resultados.
4.3. Interpretação dos resultados
Através das medições obtidas durante o verão, verificou-se que o GS se manteve com uma média dos valores medidos de aproximadamente 70 % , sendo que o desvio padrão é de 1,49%, que corresponde a um coeficiente de variação é de 2,2%. Portanto nota-se uma baixa variação do GS nesta estação do ano.
As medições de inverno mostram um GS médio de 85%, sendo que o desvio padrão é de 4,5% e coeficiente de variação de 5,3%. O desvio padrão é mais elevado no inverno, quando comparado com as medições de verão, mas ainda baixo. Isso deve-se as chuvas mais freqüentes no inverno, intercaladas por períodos sem chuva, quando ocorre uma secagem mais rápida no concreto com elevado GS.
5. Aplicação dos resultados
Os fatores que influenciam na penetração de íons cloretos são aplicados sobre as seguintes equações desenvolvidas a partir da Segunda Lei de Fick:
cCl = 2. (z) . ( Dconst.Cl- . t )1/2 onde: (5.1) cCl : espessura em cm;
Dconst.Cl- : coeficiente de difusão do concreto, considerado constante, em cm2/ano ; t : vida útil, em anos ;
z : valor da função de erro de Gauss,
erf(z) = 1 - ( CcCl - CO ) / ( CS - CO ); sendo: (5.2) CcCl : concentração de cloretos na profundidade cCl, no tempo t;
CO : concentração inicial de cloretos no interior do concreto do componente estrutural;
CS : concentração de cloretos na superfície do elemento estrutural, admitida constante;
erf(z) : função de erro de Gauss.
A dificuldade desse modelo é o conhecimento do valor de DconstCl para as condições em que o concreto do elemento estrutural pesquisado se encontra no seu ambiente natural.
5.1. Zona de névoa
A seguir é aplicado esse modelo para a viga do paramento do cais do TECON, que está posicionada em zona de névoa.
O coeficiente de difusão efetivo é obtido comparando-se o valor da resistência à compressão do concreto com valores obtidos na bibliografia pesquisada.
Devido ao grande aumento de resistência a compressão durante os dois primeiros anos de vida útil dos concretos executados com adição de cinza volante, foram selecionados dois valores de resistência a compressão: um valor médio dos dois primeiros anos e o valor praticamente constante dos 20 anos restantes, relativo a idade de 22 anos da estrutura pesquisada.
Para os primeiros dois anos foi considerado um fck de 23,4 MPa. Considerando um aumento de 67% em dois anos tem-se uma resistência média de 31,2 MPa. Para os 20 anos restantes a resistência a compressão é de 39,1 MPa.
Conforme ábaco proposto por HELENE (1994) o coeficiente de difusão considerado constante (Dconst.Cl-) para concretos com fck de 30 MPa e 40 MPa é de 600.10-10 cm2.s-1 e 316.10-10 cm2.s-1 respectivamente, sendo considerado CS de 1,2%, CO de 0,02%, CeCl de 0,3%. Obtém-se assim uma média ponderada de 342.10-10 cm2.s-1. Esse valor é próximo ao valor obtido por PAGE et al. (1981) para rel. a/c de 0,4 com cimento Portland comum (equivalente a fck de 30 MPa) e temperatura de 22,5oC, considerando Dconst.Cl-=Def/p, com porosidade p entre 0,3 e 0,4 [16] e Def= 227 .10-10 cm2.s-1. Os valores de HELENE (1994) são bem próximos aos valores citados em outro trabalho do mesmo autor (1993), sendo que os valores de coeficiente de difusão efetivo para concretos de alta resistência são bastante próximos aos determinados por GJ∅RV et al. (1994) em ensaios com corpos de prova submersos em água do mar em laboratório
com temperatura média de 20oC. Para a utilização das equações acima, são considerados os valores de HELENE (1994), temperatura de 22,5±2,5oC e concreto executado com cimento Portland comum.
Conforme ISAIA e HELENE (1993) e ábaco de HELENE (1994), deve-se diminuir a espessura de cobrimento em 20% para concretos executados com adição de pelo menos 8% de microssílica ou 50% de cinza volante, o que eqüivale a uma diminuição do coeficiente de difusão de 36%, ou um coeficiente de redução do coeficiente de difusão (RC) de 0,64.
A influência da temperatura é obtida pela equação de Arrhenius:
÷ø ç ö è
æ −
= −k T To
T Doe
D
1 1
. onde: (5.3)
DT= difusividade efetiva à temperatura T;
DTo= difusividade efetiva à temperatura To;
k = constante da reação;
T,To = temperaturas em OK
PAGE et al. (1981) realizou ensaios de difusão de cloretos com variação da temperatura. Com esses dados obtém-se valores de k de 5511 e 4766 para relação a/c de 0,5 e 0,4 respectivamente. É considerado o valor médio de k, obtendo-se kmédio de 5139.
Considerando a temperatura TO de 22,5oC e a temperatura média por estação do ano, obtém-se um coeficiente médio anual de diminuição do coeficiente de difusão (RT), conforme Tabela 5.1. Os valores médios de temperatura foram calculados com valores de temperatura diária dos anos de 1988 até o ano de 1998, conforme dados da Fundação Universidade do Rio Grande- Instituto Nacional de Meteorologia-8º Distrito, RS, Brazil.
TABELA 5.1 - Valores médios de RT
To = 22,5 oC = 295,5 K
k =5139 Média
Meses Ti (oC) Ti(K) RT *
Verão 23,4 296,4 1,05
Outono 16,46 289,46 0,70 Inverno 14,37 287,37 0,61 Primavera 20,33 293,33 0,88
0,81
* RT =
÷ø ç ö è
æ −
−k T To
e
1 1
O coeficiente de redução do coeficiente de difusão devido a variação do GS (RGS)é calculada pela linha média da Fig. 3.4 para GS's médios medidos durante as estações de inverno e verão. O GS na primavera e outono são considerados como o valor médio entre os GS's médios de inverno e verão. Os resultados são apresentados na Tabela 5.2.
TABELA 5.2 - Valores médios de RGS
Estação GS médio - % RGS RGS médio
Verão 70,0 0,226
Outono 77,5 0,286
Inverno 85,0 0,305
Primavera 77,5 0,286
0,276
O efeito da posição da superfície em relação a concretagem, na pesquisa de GUIMARÃES et al. (1999), relacionando resultados de testemunhos cuja superfície de ataque é a face lateral em relação a superfície de concretagem com testemunhos cuja face de ataque é obtida por corte do centro dos CP's, obtidos em ensaio de medição da corrente passante, conforme ASTM C 1202 (1994), para CP's executados com concreto que obtiveram abatimento de tronco cônico de 10 cm. O coeficiente de redução devido a diferença da posição da superfície exposta em relação a superfície de concretagem (RSC) é calculado com a média de 4 valores de carga passante, obtendo-se RSC=0,74.
Assim calcula-se o coeficiente de difusão efetivo considerando as condições do concreto do elemento estrutural pesquisado em seu micro ambiente e o tipo de cimento utilizado, em função do coeficiente de difusão obtido em laboratório para concreto executado com cimento Portland:
Dconst.Cl- (ef) = DconstCl (lab.). RC.RT.RGS.RSC (5.4)
Logo Dconst.Cl- (ef) = 342.10-10 cm2.s-1.0,64.0,81.0,276.0,74 = 36,2.10-10 cm2.s-1. Para se obter o valor da profundidade da frente de ataque de íons cloreto, deve- se obter o valor de z (valor da função de erro de Gauss), conforme eq. 5.2.
São considerados como teores de cloretos em relação a massa de cimento CeCl = 0,4 % e CO = 0,02 %.
O valor de CS é calculado conforme medição do teor de íons cloretos nos primeiros 5 mm de profundidade. Esse valor é de 0,53 % em relação a massa de concreto seco.
Na camada mais externa dos elementos de concreto deve-se levar em conta uma diminuição do teor de agregado graúdo em função do efeito parede junto a fôrma de concretagem (COUTINHO, 1973).
O aumento do teor de agregado graúdo é considerado de zero % da superfície do elemento de concreto até um teor máximo em um plano distante a metade do diâmetro do menor agregado graúdo com um percentual significante na composição granulométrica dos agregados graúdos. No concreto utilizado nos elementos pesquisados, o diâmetro do menor agregado graúdo com um percentual significante na composição granulométrica dos agregados graúdos é de 9,5 mm. Logo considera-se que o teor máximo de agregado graúdo é atingido a uma distância de aproximadamente 5 mm. Portanto, a partir dessa profundidade tem-se o menor consumo de cimento (403 kg/m3).
Considerando que junto a superfície externa tem-se apenas argamassa, essa tem massa específica quando fresca de 2177 kg/m3 e 2068 kg/m3 quando seca e consumo de cimento de 707 kg/m3. Considerando uma diminuição linear do consumo do cimento da superfície externa até a profundidade de 5 mm, o consumo médio de cimento da primeira camada de extração, que também é de 5 mm, é de 555 kg/m3. A massa específica seca média nessa camada é de 2171 kg/m3.
Logo o valor de CS na viga do paramento (zona de névoa) é de:
CS = 0,53.(2171/555) % = 2,17% (em relação a massa de cimento)
Obtém com esses valores um erf(z) = 0,8146 , que corresponde a um z = 0,94.
Chega-se assim ao modelo para zona de névoa no ambiente pesquisado:
cCl = 2. (0,94) . (36,2.10-10 cm2.s-1. t )1/2 cCl = (6,35 mm.ano-1/2).( t )1/2
Observa-se que o valor de 6,35 mm.ano-1/2 corresponde ao coeficiente de penetração de íons cloreto, e que para esse mesmo ponto o coeficiente de penetração de íons cloreto calculado a partir do perfil de íons cloreto é de 5,437 mm.ano-1/2. Os valores apresentam apenas uma diferença de 17% a mais do obtido com as considerações acima em relação ao obtido com o perfil de cloretos medido na estrutura. Caso não seja considerada a variação do GS (RGS) e a posição da superfície exposta em relação a superfície de concretagem (RSC), essa diferença seria de 158%, pois o coeficiente de penetração de íons cloreto seria de 14,05 mm.ano-1/2 (Fig. 10), sendo a variação do GS (RGS) o fator mais significativo. Caso não fosse considerado apenas a variação do GS a diferença aumentaria de 17% para 122%.
FIGURA 5.1 - Coeficiente de penetração de íons cloreto - K (mm.ano-1/2) - zona de névoa: a) através dos perfis medidos; b) previsto considerando superfície de ataque e GS; c) previsto não considerando superfície de ataque e GS
5,437 6,35
14,05
1 1,17 2,58
0 2 4 6 8 10 12 14 16
a b c
K (mm.ano-1/2) K / Kmedido Zona de névoa
Conclusões
Os ensaios aqui desenvolvidos assim como a aplicação dos resultados em uma estrutura marítima indicam uma grande influência do GS. O GS é um fator mais decisivo na intensidade de penetração de íons cloreto que o teor de umidade, assim como a interligação dos poros é mais importante que o teor total de vazios no concreto.
Portanto o grau de saturação do concreto deve ser considerado na previsão de vida útil de uma estrutura em ambiente marítimo.
Agradecimento
Ao Prof. Paulo Helene pela orientação deste trabalho e por valiosos ensinamentos transmitidos nestes anos de convívio.
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