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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL

UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL. “Avaliação da Influência do Consumo de Cimento na Corrosão de Armaduras em Estruturas de Concreto Carbonatadas”. Eng.ª Patrícia Oliveira Américo Pessôa. Prof. Dr. Antonio Alberto Nepomuceno

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Presentation Transcript


  1. UNIVERSIDADE DE BRASÍLIAFACULDADE DE TECNOLOGIADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL “Avaliação da Influência do Consumo de Cimento na Corrosão de Armaduras em Estruturas de Concreto Carbonatadas” Eng.ª Patrícia Oliveira Américo Pessôa Prof. Dr. Antonio Alberto Nepomuceno (Orientador) Brasília, 22 de fevereiro de 2002

  2. ESTRUTURA DO TRABALHO • Importância do tema e os objetivos; • Revisão bibliográfica; • Procedimento experimental; • Resultados e Discussão; • Conclusões e sugestões para trabalhos futuros.

  3. 1. INTRODUÇÃO 1.1. Importância do tema As pesquisas feitas para uma melhor compreensão das propriedades do concreto são de importância significativa para o avanço tecnológico, melhoria do desempenho e maior durabilidade das estruturas. Existem vários trabalhos sobre a durabilidade do concreto envolvendo fenômenos de sua deterioração, como a carbonatação. • Poucos sobre a influência do consumo de cimento na carbonatação. • Nenhum trabalho específico sobre a influência do consumo na corrosão de armaduras. Sendo assim, este estudo será uma contribuição para o entendimento da durabilidade de estruturas de concreto armado.

  4. 1. INTRODUÇÃO 1.2. Objetivo Objetivo Principal: avaliação da influência do consumo de cimento na corrosão de armaduras empregando cps submetidos a carbonatação acelerada, tendo como variáveis o consumo de cimento, a relação a/c e o período de cura. Objetivos secundários: avaliação da influência do consumo de cimento na profund. de carbonatação, na penetração de água (absorção capilar e total) e na resistência à compressão.

  5. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Vida útil das estruturas de concreto armado 2.1.1.Durabilidade das estruturas de concreto armado Durabilidade é a capacidade do concreto resistir a ações de desgaste, ataques químicos, abrasão e outras condições de deterioração (ACI 116R, 1978). Durabilidade é a capacidade da estrutura oferecer um desempenho requerido, durante um período desejado de vida útil, de acordo com a influência dos fatores de degradação (CEB, 1997). É um dos principais objetivos ao se projetar e construir uma edificação.

  6. Figura 2.1: Modelo conceitual de vida útil com relação à corrosão de armaduras (Tuutti, 1982). 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. Vida útil das estruturas de concreto armado 2.1.2.Conceito de vida útil É o tempo em que a estrutura mantém um limite mínimo de comportamento em serviço para qual foi projetada, sem elevados custos de manutenção e reparação CEB (1989). Um conceito de vida útil, do ponto de vista da corrosão de armaduras, foi dado por Tuutti (1982).

  7. 2.2.1. Produtos de hidratação do cimento O cimento Portland só adquire a propriedade aglomerante quando misturado à água. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.2. Microestrutura do concreto A durabilidade do concreto está ligada à sua microestrutura, o que envolve as propriedades de cada material constituinte e as relações entre eles. A nível macroscópico, o concreto pode ser considerado um material bifásico. A nível microscópico começam a aparecer as complexidades da microestrutura. A região interfacial entre as partículas de agregado e a pasta: a zona de transição. Pasta de cimento hidratado tem 4 fases sólidas principais (Mehta & Monteiro, 1994): • Os silicatos de cálcio hidratado(C-S-H): 50 a 60 % do volume de sólidos; • Os cristais de hidróxido de cálcio, ou portlandita: 20 a 25 % do volume de sólidos; • Os sulfoaluminatos de cálcio ocupam de 15 a 20 %; • Os grãos de clínquer não hidratado podem ser encontrados na microestrutura mesmo após um longo período de hidratação.

  8. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.2. Microestrutura do concreto 2.2.2. Zona de transição Sua formação é devido a espaços preenchidos por água em volta do agregado na mistura fresca (Diamond apud Maso, 1996), com efetivo aumento da a/c na superfície do agregado (Hoshimo apud Maso, 1996). Os agregados têm dois efeitos contrários nas propriedades de transportes: • Agem como inclusões sólidas aumentando a tortuosidade da matriz; • A presença de várias zonas de transição tende a facilitar o movimento de agentes agressivos.

  9. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.2. Microestrutura do concreto 2.2.3. Fase aquosa A composição da fase aquosa dos poros é o fator decisivo para determinar se o aço estará passivado ou se estará em corrosão ativa (Rosenberg et al., 1989). O concreto contém substâncias como o CaO, Na2O e o K2O, tendo a fase aquosa uma alta concentração de hidróxidos(Tuutti, 1982). 2.2.4. Porosidade do concreto É a relação expressa como a porcentagem do volume de vazios com relação ao seu volume total(ACI 116R, 1978). A forma, o volume e a distribuição de tamanho de poros são importantes porque influenciam na resistência, permeabilidade e durabilidade do concreto (Diamond, 1971).

  10. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.3. Mecanismos de transportes no concreto A durabilidade das estruturas de concreto está relacionada com os mecanismos de transportes de líquidos e gases no mesmo. 2.3.1. Permeabilidade É a facilidade com que um fluido passa através de um corpo poroso devido a um gradiente de pressão. 2.3.2. Absorção capilar • É o processo pelo qual um líquido ascende para o interior de um corpo sólido poroso e tende a preencher seus poros permeáveis (ACI 116R, 1978). • Em princípio, quanto menor for o diâmetro dos capilares, maior as pressões capilares, logo maior e mais rápida a absorção de água (Helene, 1986). 2.3.3. Difusão Processo espontâneo de transporte de massa por efeito de gradientes de concentração entre dois meios (Helene, 1986). 2.3.4. Migração iônica É a movimentação de íons quando da ocorrência de um campo elétrico.

  11. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.4. Carbonatação Uma das qualidades químicas mais importantes da pasta de cimento endurecida é seu caráter básico, com pH entre 12 e 13. Entretanto, o meio ambiente que a circunda tende a diminuir seu pH, mediante reações de neutralização como a carbonatação (Fernandez Paris, 1973). Os principais responsáveis pela neutralização são (Barbudo, 1992): • os óxidos de enxofre, 6-10 mg de SO3/litro em chuva; • o dióxido de carbono 600-1000 mg de CO2/m3 no ar  a carbonatação; • águas ácidas contendo H2CO3 provenientes de fermentações anaeróbicas em águas paradas.

  12. Figura 2.2:pH x a taxa de intensidade (%) do CaCO3 e do Ca(OH)2 a partir da difração de raio-X (Ohgishi apud Parrott, 1987). 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.4. Carbonatação As reações fundamentais do CO2 com os constituintes do concreto são (Banfill, 1997):

  13. A carbonatação por si só não supõe risco para a armadura, mas sim quando há umidade suficiente nos poros do concreto (Alonso & Andrade, 1987). A carbonatação na presença de umidade provoca uma corrosão generalizada originando uma diminuição da seção da armadura. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.4. Carbonatação Os cristais de CaCO3 se depositam a uma distância determinada da situação inicial do Ca(OH)2, preenchendo os vazios, explicando, em parte, o aumento de compacidade das pastas carbonatadas (Fernandez Paris, 1973).

  14. 2.4.2. Efeito da cura Figura 2.4:Profund. de carbonat. x período de exposição ao CO2 (Fattuhi, 1988). Figura 2.3:Profundidade de carbonatação x tempo de carbonatação para várias a/c (Tuutti, 1982). 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.4. Carbonatação 2.4.1. Efeito da relação água/cimento O uso de uma baixa a/c reduz a porosidade do concreto e restringe a difusão do CO2 para dentro do mesmo (Parrott, 1990).

  15. A velocidade de carbonatação é: • Maior para UR do ar entre 45 e 75 %; • Menor para UR do ar maior 80 %; • UR menor 25 % praticamente nula. Figura 2.5: Grau de carbonatação x UR do ar (Venaut apud González & Andrade, 1980). 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.4. Carbonatação 2.4.3. Efeito das condições de umidade

  16. Figura 2.6:Profundidade de carbonatação x consumo de cimento (Buenfeld & Okundi, 1998). 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.4. Carbonatação 2.4.4. Efeito do consumo de cimento Loo et al. (1994), utilizaram concretos envolvendo consumos de cimento para uma mesma a/c e concluíram que o consumo não afeta muito a taxa de carbonatação. Buenfeld & Okundi (1998), utilizaram cps feitos em concreto com cimento Portland comum variando o consumo de cimento para duas a/c. Se o agregado é menos penetrável do que a pasta, ele age como obstáculo para o transporte, reduzindo a área de seção transversal efetiva e aumentando a tortuosidade do caminho.

  17. 2.4.5.1.. Modelo de Kishitani 2.4.5.2.. Modelo de Parrott • para a/c  0,6: • para a/c < 0,6: 2.4.5.3.. Modelo de Papadakis et al. K = permeabilidade ao ar (10-16 m2); R = umidade relativa (%); C = consumo de cimento kg/m3. [CO2]0 = conc. de CO2 no ambiente (mol/vol); De, CO2 = coefic. de difusão do CO2 no concreto; [CH] = conc. molar da Ca(OH) (hidratado); [CSH] = conc. molar de CSH (hidratado); 2.4. Carbonatação 2.4.5. Cálculo da profundidade de carbonatação

  18. redução oxidação circulação de íons no eletrólito e elétrons no metal 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.5. Conceitos sobre corrosão Corrosão é a deterioração de um material metálico por ação química ou eletroquímica do meio ambiente aliada ou não a esforços mecânicos (Gentil, 1982). A corrosão metálica em um meio aquoso é de caráter eletroquímico(Andrade, 1992), isto é, supõe-se uma reação de:

  19. O2 O2 H2O H2O H2O O2 Para o concreto, a reação anódica mais provável para a corrosão de armaduras é: No concreto em presença O2, pode ocorrer a seguinte reação catódica: CONCRETO Fe++ Fe++ 4OH- O2 2e- 2e- AÇO Figura 2.7:Ilustração esquemática da corrosão da armadura no concreto (Rosenberg et al. , 1989). Figura 2.8:Tipo de corrosão de armaduras e fatores que os provocam. CONCRETO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.5. Conceitos sobre corrosão

  20. 2.5.1. Fatores controladores da propagação da corrosão Os principais fatores que afetam a velocidade de corrosão são: > temperaturamaior a mobilidade das moléculas, favorecendo o transporte; < temperatura condensações ocasionando um aumento da umidade (Andrade, 1992). • temperatura: • conteúdo de umidade • disponibilidade de O2 > umidade no concretomenoro acesso do O2 necessário para corrosão; <umidade a resistividade é elevada e a corrosão fica dificultada; 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.5. Conceitos sobre corrosão A maior velocidade de corrosão ocorrerá quando os poros contiverem umidade suficiente para reduzir a resistividade mas que não impeça a penetração do O2(Andrade, 1992).

  21. Fazendo: Tem-se que a intensidade de corrosão é: 26 mV  ativo 52 mV  passivo *B = 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.5. Conceitos sobre corrosão 2.5.2. Medidas da intensidade de corrosão A Rp é uma técnica bastante utilizada para avaliação da corrosão e é descrita por vários autores como González & Andrade (1980), Nepomuceno (1992), Bauer (1995), entre outros. A técnica de Rp foi introduzida por Stern & Geary (1957) através da equação: Este cálculo é feito com corrente contínua e medindo a ΔE com a ΔI ao se aplicar ao sistema em equilíbrio uma polarização.

  22. Tabela 3.1:Análise química do cimento. 3.1.1. Cimento • CP II – F32 ou Cimento Portland Composto com Filler. • Comum na região do Distrito Federal. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1. Caracterização dos materiais • Areia do rio Corumbá; • Situada da Zona 3 (NBR 7211-83): areia tipo média; • máx = 4,8 mm; 3.1.2. Agregado

  23. Tabela 3.2:Denominação e definição dos grupos utilizados nos ensaios. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.2. Definição dos traços e grupos de ensaios * Consistência: Anexo B da NBR 7215-96

  24. 3.3.2. Ensaios complementares • Cilíndricos: 50 diâmetro x 100 mm de altura; • Moldados segundo a NBR 7215-96, sem desmoldante; • Total de 150 cps. 3.3.1. Ensaios de corrosão • Prismáticos: 45 x 70 x 90 mm; • 4 barras de aço:  = 5 mm e 100 mm de comprimento; • Cobrimentos de 10 e 20 mm; • Total de 32 cps. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.3. Corpos-de-prova

  25. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.3. Corpos-de-prova

  26. 3.3.3. Preparação das barras • Tratamento de limpeza (ASTM C-1152/92) retirada do filme de óxidos; • Identificação e determinação das massas; • Delimitação da área com fita de PVC: 6,28 cm2. Figura 3.1: Esquema da delimitação da área exposta ao ataque na barra, unidades em cm. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.3. Corpos-de-prova

  27. Foto 3.1: Momento de desmoldagem 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.3. Corpos-de-prova 3.3.4. Moldagem e cura dos cps para ensaios de corrosão • Fôrmas de madeira impermeabilizada; • Garantia o posicionamento correto das barras; • Não foi utilizado desmoldante; • Após a cura: laboratório UR = 50% e T = 20ºC; • Monitoramento da perda de massa dos cps até a sua constância.

  28. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.4. Carbonatação • A carbonatação acelerada é um ensaio que já foi utilizado por vários autores (Alonso & Andrade, 1987; Nepomuceno,1992; Bauer,1995; Monteiro, 1996). 3.4.1. Câmara de carbonatação • Volume de 25 litros; • Concentração de 100%; • Controle da UR (ASTM E 104-85);

  29. Tabela 3.2: Divisão das séries ensaiadas 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.4. Carbonatação 3.4.2. Metodologia • Os ensaios de carbonatação começaram após a constância de massa dos cps; • Cinco séries: mesma a/c e período de cura.

  30. Foto 3.2: Cps prismáticos parcialmente imersos em água após a carbonatação. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.5. Ciclos de imersão parcial e câmara úmida • Imediatamente após a carbonatação: imersão parcial dos cps (favorecer a corrosão). • Após a imersão pós-carbonatação: estufa a 60ºC até constância de massa; • Os cps relativos aos G1 ao G6 com 28d: imersão parcial em água; • Após a imersão parcial: estufa a 60ºC; • Retirados da estufa: câmara úmida*. * Recipiente plástico de 23 x 23 x 23 cm com UR entre 95 e 100 % e temperatura entre 22 e 27 ºC.

  31. Foto 3.3: Aparato utilizado nos ensaios de corrosão 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.6. Medidas eletroquímicas de corrosão Durante a carbonatação, imersão parcial e câmara úmida foram feitas medidas das variáveis eletroquímicas nos cps prismáticos: • Potencial de corrosão; • Intensidade de corrosão; • Resistência ôhmica. A Rp foi obtida através da tangente da curva de E x I ao aplicar uma polarização de –10 mV e uma varredura de –10 a +10 mV.

  32. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.7. Medidas de profundidade de carbonatação Recomendações da RILEM CPC-18 (1988), usando como indicador uma solução de 1% de fenolftaleína e 70 % de álcool etílico. • Os cps foram carbonatados com os cps dos ensaios de corrosão; • Forma cilíndrica para G1 ao G6 e prismática (sem barras) para G7 e G8; • Para as leituras os cps foram fraturados em fatias no sentido transversal; • Oito medidas em cada fatia para se obter uma média da profundidade a cada passo.

  33. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.8. Absorção capilar • Segundo a NBR 9779-95; • Cps cilíndricos (50x100 mm) carbonatados e não carbonatados; 3.9. Absorção por imersão • Segundo a NBR 9778-87; • Cps cilíndricos (50x100 mm) não carbonatados; • Após as 72 horas de imersão fez-se a fervura por 5 horas; 3.10. Resistência à compressão • Segundo a NBR 7215-96; • 3 cps dos grupos G1 ao G6 (50x100 mm) não carbonatados; • Idades de 7 e 28 dias de cura ;

  34. Foto 3.4: Cp prismático sendo fraturado para a retirada das barras. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.12. Perda gravimétrica das barras • Após os ensaios de corrosão as barras de aço são retiradas para análise da perda gravimétrica das mesmas; • Os cps foram rompidos; • As barras passaram pelo processo de limpeza; • Foram pesadas; • Suas massas ao final dos ensaios comparadas com as massas iniciais.

  35. 4.1 Efeito do consumo de cimento na microestrutura 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO No presente trabalho, pôde-se observar a influência da microestrutura das argamassas em alguns mecanismos de transportes por ensaios de absorção capilar e absorção total.

  36. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1. Efeito do consumo de cimento na microestrutura • O aumento do consumo de cimento implica em um aumento de pasta e considerando que esta é mais porosa que o agregado, pode-se explicar a maior porosidade total para um maior consumo de cimento. • Os resultados estão de acordo com: • A teoria de ascensão capilar: quanto menor dos capilares, maior as pressões capilares e maior e mais rápida a absorção de água; • Buenfeld & Okundi (1998) que avaliaram a absorção capilar para diversos consumos de cimento em concreto; • Bauer (1995), trabalhando com cimentos com e sem adição de escória, encontrou também maior da absorção total para os dois tipos de cimento.

  37. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1. Efeito do consumo de cimento na microestrutura Os poros da zona de transição, são geralmente maiores do que aqueles encontrados na matriz de cimento (Winslow et al.(1994) e Buenfeld & Okundi (1998)). Ao adicionar mais agregado à argamassa, a zona de transição isolada é aumentada e começa a conectar-se uma a outra fazendo crescer o volume de zona de transição que é acessível do exterior do sistema (Winslow et al., 1994).

  38. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1. Efeito do consumo de cimento na microestrutura Winslow et al. (1994), empregando a porosimetria por intrusão de mercúrio, verificaram um aumento do volume de poros de maior diâmetro, com o aumento do conteúdo de agregado.

  39. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1. Efeito do consumo de cimento na microestrutura A influência da zona de transição pôde ser comprovada com a redução da resistência à compressão com o aumento do consumo de agregado.

  40. relação a/c constante Foto 4.7: grupo G4 - 7d. Foto 4.8: grupo G5 - 7d. Foto 4.9: grupo G6 - 7d. 4.2. Efeito do consumo de cimento na carbonatação consumo de cimento resistência à carbonatação • O aumento do consumo de cimento aumenta a porosidade total. • Com a diminuição do consumo de cimento o CO2 penetra com maior velocidade.

  41. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.2. Efeito do consumo de cimento na carbonatação • Pode-se considerar 3 hipóteses: • O CO2 pode ter penetrado pela zona de transição; • A influência da reserva alcalinaque, ao aumentar o consumo aumenta quantidade de Ca(OH)2 para ser carbonatado: barreira para a penetração do CO2; • Caso haja maior “quantidade” de reações, haverá uma maior geração de água. A dificuldade de difusão desta água para o exterior será maior quanto menores forem os poros interconectados. O aumento da água dificultará o processo de difusão do CO2 reduzindo a frente de carbonatação.

  42. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.2. Efeito do consumo de cimento na carbonatação Os resultados da prof. de carbonatação estão de acordo com 2 modelos matemáticos, nos quais a prof. de carbonatação é inversamente proporcional ao consumo de cimento. Entretanto, os resultados não reproduzem aqueles encontrados por Buenfeld & Okundi (1998): maior carbonatação para maiores consumos de cimento.

  43. 4.2. Efeito do consumo de cimento na carbonatação 4.2.1. Quanto à variação de massa O maior consumo de cimento proporcionou uma maior variação de massa durante o período de carbonatação, apesar da prof. de carbonatação ter sido menor. Provavelmente, ao diminuiro volume de agregados, há o aumento da superfície específica dos poros, constatado pela maior porosidade capilar e total. Com uma maior superfície específica há penetração de uma maior quantidade de CO2 e, como o aumento do consumo de cimento implica na elevação da reserva alcalina, haverá uma quantidade maior de reações de carbonatação.

  44. 4.3. Influência do consumo de cimento na corrosão 4.3.1. Despassivação

  45. 4.3. Influência do consumo de cimento na corrosão 4.3.1. Despassivação A redução do pH, comprovada pelo aumento da intensidade de corrosão, ocorreu primeiro nas argamassas com menor consumo de cimento, ou seja, a frente de carbonatação chega primeiro às armaduras que estão embutidas em argamassas com menor consumo de cimento.

  46. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.3. Influência do consumo de cimento na corrosão Através dos resultados obtidos pôde-se observar a duração da fase de iniciação. • A duração do período de iniciação é menor: • menor consumo de cimento; • menor o período de cura.

  47. 4. APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS 4.3.2. Influência do consumo nas difer. condições de umidade A análise da corrosão nas etapas posteriores a despassivação será feita considerando o ganho de água nas diversas condições de umidade. Os resultados do potencial corresponderam aos de icorr e a resistência ôhmica não mostrou influência do consumo de cimento.

  48. 4.3.2. Influência do consumo nas difer. condições de umidade

  49. 4.3.2. Influência do consumo nas difer. condições de umidade

  50. 4. APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS 4.3.2. Influência do consumo nas difer. condições de umidade Mesmo com um maior ganho de massa dos cps com maior consumo de cimento, a umidade não foi suficiente para chegar até a armadura. Possivelmente os cps com menor consumo de cimento apresentam maior interconexão entre as zonas de transição e por isto suas barras apresentaram maiores intensidades de corrosão.

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