Ataque por sulfatos em estações de tratamento de efluentes
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ BIANCA RHEINHEIMER SARAH SHIMA KHOE ATAQUE POR SULFATOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE EFLUENTES CURITIBA 2013
Transcript of Ataque por sulfatos em estações de tratamento de efluentes
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
BIANCA RHEINHEIMER
SARAH SHIMA KHOE
ATAQUE POR SULFATOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE
EFLUENTES
CURITIBA
2013
BIANCA RHEINHEIMER
SARAH SHIMA KHOE
ATAQUE POR SULFATOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE
EFLUENTES
Trabalho Final de Curso apresentado como requisito parcial à obtenção do grau de Engenheiro Civil no curso de graduação em Engenharia Civil, Setor de Tecnologia da Universidade Federal do Paraná.
Orientadora: Prof.ª Dr.ª Laila Valduga Artigas
CURITIBA
2013
TERMO DE APROVAÇÃO
BIANCA RHEINHEIMER
SARAH SHIMA KHOE
ATAQUE POR SULFATOS EM ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE
EFLUENTES
Trabalho Final de Curso aprovado como requisito parcial à obtenção do grau
de Engenheiro Civil no curso de graduação em Engenharia Civil, Setor de
Tecnologia, pela seguinte banca examinadora:
Prof.ª Dr.ª Laila Valduga Artigas Orientadora – Setor de Tecnologia Universidade Federal do Paraná, UFPR.
Membro da banca: Prof. Dr. Marcelo Henrique Farias de Medeiros
Membro da banca: Eng. Ms. Anderson Finamore Sabbag
Curitiba, 09 de Dezembro de 2013
DEDICATÓRIA
Gostaríamos de dedicar este Trabalho Final de Curso a todas as
pessoas que nos ajudaram ao longo de nossa trajetória, pois cada uma delas
contribuiu de alguma forma para que atingíssemos nossas metas e conquistas.
Aos nossos pais, orientadora, professores, amigos e familiares. Todos
foram muito importantes para nosso crescimento pessoal e profissional.
Também dedicamos àqueles que farão bom proveito dos conhecimentos
expostos neste trabalho.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente a Deus por ter nos possibilitado chegar até
aqui, passando por obstáculos que nos permitiram crescer com profissionais.
A Professora Doutora Laila Valduga Artigas pela orientação, paciência e
confiança, sempre dedicando atenção e incentivos.
Aos nossos pais, que por tantos anos nos deram suporte e força para
concluir o curso, com muito amor e paciência.
Aos nossos irmãos, que sempre puderam nos aconselhar ao caminho
mais correto, sempre nos apoiando.
Ao engenheiro Anderson Finamore Sabbag, da USPE - Unidade de
Serviços de Projetos Especiais da SANEPAR - Companhia de Saneamento do
Paraná, que disponibilizou seu tempo e atenção para nos acompanhar e nos
auxiliar em nossas pesquisas.
Ao Professor Doutor Marcelo Henrique Farias de Medeiros, por ter
aceitado nos ajudar em nossas pesquisas, dedicado seu tempo aos nossos
ensaios e dado suporte técnico.
Ao Senhor Avelino Petrykowski da empresa Engetintas Revestimentos
Anticorrosivos por ter se dedicado em nos expor seu produto e fornecê-lo às
nossas pesquisas.
A engenheira Jaqueline da SANEPAR por nos receber com paciência e
atenção nas ETE’s.
Aos nossos colegas e amigos que sempre estavam presentes para nos
auxiliar e nos ouvir.
Ao Vinicius Morandini Martins por ter dedicado seu tempo com a
execução de dispositivos para nossos ensaios.
Ao LAME – Laboratório de Materiais e Estruturas, unidade do LACTEC –
Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, em especial a Mariana d'Orey
Gaivão Portella, a Marcelle, a Rafaela e o Mateus por nos auxiliar nos
processos de utilização dos laboratórios.
A Itambé, por ter nos fornecido cimentos para nossos ensaios.
A todos que de alguma forma dedicaram seu tempo para nos auxiliar na
concretização de nosso sonho.
“Não tentes ser bem sucedido, tenta
antes ser um homem de valor.”
Albert Einstein
RESUMO
O concreto é um material que, em determinados ambientes, tais como estações de tratamento de esgoto, torna-se muito suscetível a vários tipos de ataque. Isso acontece por diversas razões, visto que o esgoto carrega materiais dos mais diversos, que podem reagir e levar à formação de compostos nocivos ao concreto. Um dos principais ataques que ocorrem ao concreto em uma estação é o ataque por sulfatos, que resulta em degradação acelerada do concreto, com grandes prejuízos à estrutura da estação. O presente trabalho tem como objetivo estudar a severidade desse ataque, avaliando a concentração de sulfatos presente em esgotos, realizando ensaio de microscopia eletrônica de varredura em amostras retiradas de uma estação de tratamento, colocar testemunhos em uma estação, analisar o comportamento de diferentes cimentos expostos ao sulfato de sódio no ensaio de variação dimensional e realizar ensaio de resistência à compressão em testemunho extraído da estrutura de uma estação. O resultado obtido na análise de concentração de sulfatos na amostra de esgoto se mostrou subjetivo, menor que 200 mg/L, que se mostra de acordo com a literatura, apesar de ser um valor relativamente baixo se considerado o grau de deterioração em que o concreto se encontrava. No ensaio de variação dimensional pôde-se concluir que o CP II Z e o CP IV não se mostraram resistentes a sulfatos. As imagens obtidas do ensaio de microscopia eletrônica de varredura revelaram considerável diferença na microestrutura do concreto exposto ao ataque por sufatos e o concreto não exposto. O testemunho ensaiado por resistência à compressão atingiu um valor de 42.2 Mpa, se mostrando com uma resistência acima do esperado.
Palavras-chave: Ataque. Concreto. Sulfato. Esgoto.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 1 – DETERIORAÇÃO DA ESTRUTURA PELA CRISTALIZAÇÃO DE
SAIS. ................................................................................................................ 29
FIGURA 2 – EXPANSÃO DA PASTA E FORMAÇÃO DE RACHADURAS. .... 35
FIGURA 3 - MODOS DE ATAQUE, (a) TIPO ÁCIDO, (b) TIPO EXPANSIVO, (c)
TIPO CAMADAS DE CEBOLA. FONTE: AL-AMOUDI (2002, p.2) ................... 44
FIGURA 4 – PARTÍCULA DE AGREGADO DA ESTRUTURA DE UMA PONTE
EXPOSTA À ÁGUA DO MAR. .......................................................................... 45
FIGURA 5 - ESQUEMA ILUSTRATIVO DE UM MICROSCÓPIO ELETRÔNICO
DE VARREDURA ............................................................................................. 47
Figura 6 – IMAGEM DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
DEMONSTRANDO RACHADURA NA PARTÍCULA DE AGREGADO
CAUSADA PELA FORMAÇÃO DE GEL ASR. ................................................. 49
FIGURA 7 – IMAGEM DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
INDICANDO (1) FORMAÇÃO DE ETRINGITA, (2) FORMAÇÃO DE
ETRINGITA E GIPSITA, (3) E (4) GIPSITA...................................................... 49
FIGURA 8 - REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DO FUNCIONAMENTO DE
UM REATOR UASB ......................................................................................... 56
FIGURA 9 – VISTA 3D ESQUEMÁTICA DE UM REATOR UASB ................... 56
FIGURA 10 - REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UM REATOR UASB .. 57
FIGURA 11 – REATORES UASB NA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE
ESGOTO ATUBA SUL ..................................................................................... 57
FIGURA 12 – CORROSÃO DE UM DUTO DE CONCRETO POR AÇÃO DOS
SULFATOS DO ESGOTO. FONTE: HELENE (1986). ..................................... 60
FIGURA 13 - MOLDES PREPARADOS PARA MOLDAGEM. ......................... 65
FIGURA 14 - FRAÇÕES DE AREIA USADAS PARA A DOSAGEM ................ 66
FIGURA 15 - MISTURADOR MECÂNICO E MISTURA PRONTA PARA SER
COLOCADA NOS MOLDES ............................................................................ 66
FIGURA 16 – MOLDES PREENCHIDOS E COBERTOS COM FILME
PLÁSTICO PARA PROTEÇÃO ........................................................................ 67
FIGURA 17 - PREPARAÇÃO DA SOLUÇÃO DE SULFATO DE SÓDIO ........ 68
FIGURA 18 - RECIPIENTES CONTENDO CORPOS DE PROVA NA ESTUFA
......................................................................................................................... 69
FIGURA 19 - MEDIÇÃO DE CORPO DE PROVA NO EXTENSÔMETRO ..... 70
FIGURA 20 – RETIRADA DO PRIMEIRO TESTEMUNHO, NO DIA 25/10/2013.
À DIREITA, O LOCAL ONDE FOI FEITA A COLETA ...................................... 71
FIGURA 21 - MÁQUINA EXTRATORA E TESTEMUNHO RETIRADO DA LAJE
......................................................................................................................... 72
FIGURA 22 - REPARO REALIZADO NA LAJE APÓS EXTRAÇÃO DO
TESTEMUNHO ................................................................................................ 72
FIGURA 23 - MICROSCÓPIO ELETRÔNICO USADO PARA ANÁLISE DO
TESTEMUNHO ................................................................................................ 73
FIGURA 24 – ESQUEMA MOSTRANDO A LOCALIZAÇÃO DAS AMOSTRAS
NO TESTEMUNHO .......................................................................................... 74
FIGURA 25 - AMOSTRAS PREPARADAS PARA ANÁLISE POR MEV .......... 74
FIGURA 26 - MEDIÇÃO DO CORPO DE PROVA COM CAPEAMENTO ........ 76
FIGURA 27 - CORPO DE PROVA POSICIONADO NA MÁQUINA ................. 76
FIGURA 28 – TESTEMUNHOS NO DISPOSITIVO PARA SEREM
COLOCADOS NO REATOR ............................................................................ 79
FIGURA 29 – VISTA DOS REATORES UASB, COM O REATOR ONDE FOI
COLOCADO O PISPOSITIVO EM DESTAQUE .............................................. 79
FIGURA 30 – DISPOSITIVO COLOCADO NO REATOR ................................ 80
FIGURA 31 – DETALHE DA EXTREMIDADE DAS BARRAS. ......................... 83
FIGURA 32 – EXPANSÃO RESULTANTE DAS LEITURAS DAS BARRAS. ... 87
FIGURA 33 – IMAGEM DE MEV DA AMOSTRA 1 – PAREDE DO UASB.
AMPLIAÇÃO 50X. ............................................................................................ 88
FIGURA 34 – IMAGEM DE MEV DA AMOSTRA 2 – PARTE INTERNA DO
CONCRETO. AMPLIAÇÃO 50X. ...................................................................... 89
FIGURA 35 - IMAGEM DE MEV DA AMOSTRA 3 – TETO DO UASB.
AMPLIAÇÃO 50X. ............................................................................................ 89
FIGURA 36 - IMAGEM DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
DA AMOSTRA 1 – PAREDE DO UASB. AMPLIAÇÃO 1000X. ........................ 90
FIGURA 37 - IMAGEM DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
DA AMOSTRA 2 – PARTE INTERNA DO CONCRETO. AMPLIAÇÃO 1000X. 90
FIGURA 38 – IMAGEM DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
DA AMOSTRA 3 – TETO DO UASB. AMPLIAÇÃO 1000X. ............................. 91
FIGURA 39 – PONTOS DE REALIZAÇÃO DE EDS AMOSTRA 1 – PAREDE
DO UASB. ........................................................................................................ 92
FIGURA 40 – AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 1 DA
AMOSTRA 1. .................................................................................................... 92
FIGURA 41 – AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 2 DA
AMOSTRA 1. .................................................................................................... 92
FIGURA 42 – AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 3 DA
AMOSTRA 1. .................................................................................................... 93
FIGURA 43 - IMAGEM EDS AMOSTRA 2 – PARTE INTERNA DO
CONCRETO. .................................................................................................... 93
FIGURA 44 - AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 1 DA
AMOSTRA 2. .................................................................................................... 94
FIGURA 45 - AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 2 DA
AMOSTRA 2. .................................................................................................... 94
FIGURA 46 - IMAGEM EDS AMOSTRA 3 – TETO DO UASB. ........................ 95
FIGURA 47 - AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 1 DA
AMOSTRA 3. .................................................................................................... 95
FIGURA 48 - AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 2 DA
AMOSTRA 3. .................................................................................................... 95
FIGURA 49 - AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 3 DA
AMOSTRA 3. .................................................................................................... 96
FIGURA 50 - AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 4 DA
AMOSTRA 3. .................................................................................................... 96
FIGURA 51 – RESULTADO DO ENSAIO DE QUANTIFICAÇÃO DA
CONCENTRAÇÃO DE SULFATO EM AMOSTRA DE ÁGUA RESIDUAL....... 97
FIGURA 52 – RUPTURA TIPO E – CISALHAMENTO. .................................... 98
FIGURA 53 – IMAGEM DO TESTEMUNHO APÓS ENSAIO DE RESISTÊNCIA
À COMPRESSÃO. ........................................................................................... 99
LISTA DE TABELAS
TABELA 1– COMPOSTOS DO CIMENTO PORTLAND .................................. 18
TABELA 2 – PRODUTOS DE HIDRATAÇÃO .................................................. 20
TABELA 3 – REQUERIMENTOS DO ACI 318-89 PARA CONCRETO
EXPOSTO A ATAQUE POR SULFATOS. ....................................................... 23
TABELA 4 – REQUISITOS PARA CONCRETO EXPOSTO A SOLUÇÕES
CONTENDO SULFATO, CONFORME NBR 12655. ........................................ 33
TABELA 5 – NÍVEL DE EXPOSIÇÃO AOS SULFATOS EM FUNÇÃO DA
CONCENTRAÇÃO DE SO42- CONFORME ALGUMAS NORMAS TÉCNICAS
EXTRANGEIRAS ............................................................................................. 34
TABELA 6 - REAÇÕES OCORRENDO ENTRE O CIMENTO E O SULFATO
DE SÓDIO. ....................................................................................................... 39
TABELA 7 - REAÇÕES OCORRENDO ENTRE CIMENTO E SOLUÇÃO
SULFATO DE MAGNÉSIO. .............................................................................. 41
TABELA 8 – TABELA DE LEITURAS NO EXTENSÔMETRO ......................... 82
TABELA 9 – VALORES DE EXPANSÃO INDIVIDUAL .................................... 84
TABELA 10 – VALORES DISCREPANTES ..................................................... 85
TABELA 11 – EXPANSÃO MÉDIA RECALCULADA ....................................... 86
TABELA 12 – EXPANSÕES RESULTANTES.................................................. 87
TABELA 13 – LEITURAS DAS BARRAS COLOCADAS NA ETE. ................... 98
LISTA DE SÍMBOLOS
a/c Água/cimento
CH Ca(OH)2 - Hidróxido de cálcio
C-S-H 3CaO.2SiO2.3H2O – Silicato de cálcio hidratado
C3A 3CaO.Al2O3 - Aluminato tricálcico
C2S 2CaO.SiO2 - Silicato dicálcico
C3S 3CaO.SiO2 - Silicato tricálcico
C4AF 4CaO.Al2O3.Fe2O3 – Ferro aluminato tetracálcico
A Al2O3 - Alumina
C CaO - Cal livre
F Fe2O3 - Óxido férrico
H H2O - Água
S SiO2 - Sílica
SO3 Trióxido de enxofre
M MgO – Magnésia
CaSO4 . 2H2O Gipsita
6CaO.Al2O3.3SO4.32H2O Etringita
4CaO.Al2O3.SO4.18H2O Monossulfoaluminato de cálcio hidratado
SO2 Dióxido de enxofre
SO42- Sulfato
S2- Sulfeto
(NH4)2SO4 Sulfato de amônio
CaSO4 Sulfato de cálcio
Na2SO4 Sulfato de sódio
MgSO4 Sulfato de magnésio
SO Enxofre absoluto
H2S Gás sulfídrico
HSO4- Bissulfato
H2SO4 Ácido sulfúrico
H2SO3 Ácido sulfuroso
FeSO4 Sulfato ferroso
TiO2 Dioxido de titanium
MnO2 Dioxido de manganes
K2O Oxido de potássio
Na2O Oxido de sódio
MH Mg(OH)2 - Hidróxido de magnésio, brucite
Fe2(SO4)3 Sulfato férrico
K2SO4 Arcanite
(K,Na)3Na(SO4)2 Aftitelite
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................. 15
1.1 OBJETIVO ............................................................................................. 17
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................... 18
2.1 ESTRUTURA INTERNA DO CONCRETO ............................................. 18
2.1.1 Estrutura interna no cimento Portland .............................................. 18
2.1.2 Hidratação do Cimento .................................................................... 19
2.1.3 Durabilidade e deterioração do concreto ......................................... 22
2.3 ATAQUE POR SULFATOS .................................................................... 24
2.3.1 Origem do Sulfato ............................................................................ 24
2.3.2 Manifestação de ataque ................................................................... 26
2.3.3 Reações expansivas ........................................................................ 27
2.3.4 Limites para sulfatos ........................................................................ 33
2.3.5 Mecanismos de ataque .................................................................... 35
2.3.6 Microscopia Eletrônica de Varredura – MEV ................................... 46
2.4 ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES .................................. 50
2.4.1 Tratamento preliminar ...................................................................... 51
2.4.2 Tratamento primário ......................................................................... 51
2.4.3 Tratamento Secundário ................................................................... 52
2.4.4 Tratamento terciário ......................................................................... 57
2.4.2 Ocorrência do ataque ...................................................................... 58
2.5 FORMAS DE PREVENÇÃO DO ATAQUE POR SULFATOS ................ 60
3 METODOLOGIA ........................................................................................... 63
3.1 DETERMINAÇÃO DA VARIAÇÃO DIMENSIONAL DE BARRAS DE
ARGAMASSA DE CIMENTO PORTLAND EXPOSTAS À SOLUÇÃO DE
SULFATO DE SÓDIO ................................................................................... 63
3.1.1. Séries de corpos de prova ............................................................... 64
3.1.2 Aparelhagem e materiais utilizados ................................................. 65
3.1.3 Dosagem de argamassa .................................................................. 66
3.1.4 Período de cura ............................................................................... 67
3.1.5 Resultados ....................................................................................... 69
3.2 COLETA DE AMOSTRAS ...................................................................... 71
3.3 ANÁLISE POR MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA E EDS
(ESPECTROSCOPIA DE DISPERSÃO DE ELÉTRONS) ............................ 73
3.4 ENSAIO DE COMPRESSÃO ................................................................. 75
3.4.1 Preparo do testemunho ................................................................... 75
3.4.2 Execução do ensaio ......................................................................... 75
3.5 QUANTIFICAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE SULFATOS EM
AMOSTRA DE ESGOTO .............................................................................. 77
3.6 COLOCAÇÃO DE TESTEMUNHOS EM CAMPO ................................. 78
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS .................................................................... 81
4.1 RESULTADOS OBTIDOS NO ENSAIO DE VARIAÇÃO DIMENSIONAL
...................................................................................................................... 81
4.1.1 Expansão Individual ......................................................................... 83
4.1.2 Expansão Média .............................................................................. 84
4.1.3 Expressão dos resultados ................................................................ 86
4.2 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) ..................... 88
4.3 QUANTIFICAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE SULFATOS EM
AMOSTRA DE ESGOTO .............................................................................. 96
4.4 COLOCAÇÃO DE TESTEMUNHOS NA ETE ........................................ 97
4.5 ENSAIO DE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO ..................................... 98
5 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ............................................................ 100
6 CONCLUSÃO ............................................................................................. 104
7 REFERÊNCIAS .......................................................................................... 105
8 ANEXO ....................................................................................................... 109
15
1 INTRODUÇÃO
O concreto é o material construtivo mais utilizado pelo homem em
épocas atuais, mesmo não sendo tão resistente quanto o aço. A sua
resistência à água é muito elevada e o torna preferível em relação à madeira e
ao aço para determinadas estruturas civis. Isto pode ser observado em
barragens, canais e estações de tratamento de água e efluentes. A facilidade
para se executar elementos estruturais de concreto, o custo mais baixo e a
larga disponibilidade no canteiro são alguns fatores que tornam o concreto o
material construtivo preferido pelos engenheiros (MEHTA E MONTEIRO,
1994).
Há registros, na história mundial, de estruturas de materiais cimentícios,
que se apresentam em boas condições de utilização e serviços até os dias de
hoje, com mais de 2.000 anos de existência (MEHTA E MONTEIRO, 1994). A
dúvida que surge é porque as estruturas de concreto atuais, em alguns casos,
se mostram mais vulneráveis que as estruturas antigas, visto o avanço
tecnológico que se teve até os dias de hoje.
O fato é que, com esses avanços tecnológicos, ocorreram modificações
na fabricação dos cimentos que são comercializados atualmente, havendo um
aumento no uso de aditivos minerais e mudanças na composição química dos
cimentos. Devido a esses fatos, surgiram preocupações referentes a essas
alterações e consequentes estudos para analisar as consequências geradas na
durabilidade do concreto exposto a ambientes agressivos (AL-AMOUDI, 2002).
Segundo Biczók (1960), a corrosão do concreto é conhecida pela sua
complexidade, e a deterioração é devida à ação simultanea de vários fatores.
Este processo envolve as características do meio onde a estrutura está e as
propriedades do concreto. Concretos expostos às águas correntes ou que
possuam alta porosidade são mais suscetíveis à deterioração em comparação
com aqueles com baixa porosidade. A vida útil da estrutura pode variar muito,
dependendo do tipo do concreto e dos fatores agressivos.
Segundo Skalny et al. (2002), alguns fatores são decisivos para o mau
desempenho de uma estrutura de concreto, tais como o uso equivocado de
quantidades de cimento ou a mistura inadequada, a escolha errada dos
16
materiais que irão compor o concreto exposto a ambientes agressivos, cura
inadequada e a falta de manutenção.
Entre as situações agressivas, a estrutura de concreto pode estar
submetida ao ataque por sulfatos, que constitui um conjunto complexo de
processos químicos e físicos causados por reações dos vários componentes do
cimento com o sulfato, que pode ter origem interna ou externa.
Sobre esse ataque por sulfatos, Skalny (2002) comenta que testes
simples não são capazes de fornecer resultados corretos, pois ainda há
grandes divergências na literatura no que tange à formação de etringita, e a
recristalização de sais. Também, devido ao fato de as reações relacionadas a
sulfatos ocorrerem, na maioria das vezes, em conjunto com processos
destrutivos como abrasão, reação álcali-agregado, carbonatação, entre outros.
Segundo Biczók (1960), a corrosão do concreto é uma exceção,
ocorrendo, na maioria das vezes, em estruturas maritimas, estruturas em
ambiente industrial e estruturas em contato com águas muito agressivas.
McCarty et al. (1994) comentam que a presença de sulfatos deve ser
avaliada, pois estes são indiretamente responsáveis por dois problemas
relacionados à manipulação e ao tratamento de águas residuais, a questão do
odor e a corrosão dos materiais cimentícios resultante do ataque por sulfato de
hidrogênio (gás sulfídrico) sob condições anaeróbias.
Segundo Biczók (1960), composição apropriada e práticas adequadas
na fabricação do concreto, em associação com a escolha correta do cimento
para o local, tem resultado em estruturas duráveis, dispensando manutenções
ou reparos por muitos anos.
Para escolher o tipo correto de proteção, deve-se ter disponível
resultados experimentais e observações de campo. Testes de laboratório não
são por sí só suficientes, é necessário observar o concreto exposto a
ambientes agressivos sob diferentes condições.
17
1.1 OBJETIVO
Tem-se como objetivo deste trabalho a análise do comportamento de
estruturas de concreto expostas a sulfatos em estações de tratamento de
esgoto. A análise se sustentará em: ensaios de microscopia eletrônica de
varredura (MEV) em amostras de concreto aparentemente atacado, ensaios
com amostras de esgoto para determinação de concentração de sulfatos,
ensaio de variação dimensional com barras de argamassa de diferentes
cimentos, sendo um deles com tratamento de superfície, para análise do
comportamento de cada cimento em solução de sulfato de sódio.
18
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 ESTRUTURA INTERNA DO CONCRETO
Os cimentos utilizados para o preparo de concreto são aqueles que têm
a propriedade de endurecer mesmo dentro d’água devido às suas reações
químicas internas. Estes são denominados cimentos hidráulicos e são
constituídos basicamente por silicatos e aluminatos de cálcio e são
amplamente classificados como cimentos naturais, cimentos Portland e
cimentos aluminosos (NEVILLE, 1997).
2.1.1 Estrutura interna no cimento Portland
As matérias primas utilizadas para a fabricação do cimento Portland são,
principalmente, calcário, sílica, alumina e óxido de ferro. Estes componentes
reagirão entre si no forno para formar compostos mais complexos que se
mantêm em certo estado de equilíbrio químico após o resfriamento (fase
vítrea).
Alguns compostos formados da hidratação podem ser considerados
como os principais compostos da estrutura interna do cimento devido à sua
porcentagem. Eles estão apresentados na TABELA 1.
TABELA 1– COMPOSTOS DO CIMENTO PORTLAND
Nome do composto Composição em óxidos Abreviação
Silicato tricálcico
Silicato dicálcico
Aluminato tricálcico
Ferroaluminato tetracálcico
3CaO.SiO2
2CaO.SiO2
3CaO.Al2O3
4CaO.Al2O3.Fe2O3
C3S
C2S
C3A
C4AF
FONTE: NEVILLE (1997).
19
Os silicatos de cálcio contêm compostos secundários, em pequenas
porcentagens, que possuem efeitos significativos para a estrutura. Alguns
desses compostos são MgO, TiO2, MnO2, K2O e Na2O e são denominados
secundários devido à sua baixa porcentagem no cimento, e não por ser menos
importante que os compostos principais. Dois desses compostos devem ser
observados com mais atenção, os óxidos de potássio e de sódio (Na2O e K2O,
conhecidos por álcalis), pois estes podem agir com alguns agregados, e os
produtos desta reação provocam a desintegração da estrutura de concreto.
O composto C3S aparece como pequenos grãos incolores
equidimensionais. O C2S é conhecido como tendo quatro formas, o α-C2S que
à 1450ºC se transforma em β-C2S (NEVILLE, 1997).
O composto C3A possui a forma de cristais retangulares, mas na fase
vítrea, por exemplo, se apresenta de maneira intersticial amorfa. O C4AF é
constituído por uma solução sólida de C2F e C6A2F, porém a expressão C4AF é
uma simplificação para o composto.
As reações que ocorrem após a mistura do cimento com água produzem
uma massa firme e resistente, que constitui a fase endurecida (NEVILLE,
1997).
2.1.2 Hidratação do Cimento
A hidratação das partículas do cimento pode ocorrer de duas maneiras,
pela incorporação direta de partículas de água. Os produtos desta hidratação
são pouco solúveis na água, vista a estabilidade da pasta de cimento
hidratada. A velocidade desta hidratação decresce continuamente de forma a
permanecer quantidades significantes de cimento não hidratado (NEVILLE,
1997).
Exames microscópicos revelam que a água não penetra nos grãos de
cimento para hidratar os compostos mais reativos, ao invés disso, a hidratação
se mostra na forma de redução do tamanho das partículas. Desta forma, é
provável que as partículas menores de C2S se hidratem antes que termine a
hidratação das partículas graúdas de C3S.
20
Podem-se classificar os principais produtos da hidratação em silicatos de
cálcio hidratados e aluminato tricálcico. O composto C4AF se hidrata formando
aluminato tricálcico e CaO.Fe2O. Também é possível que haja Fe2O3 presente
na solução sólida de aliminato tricálcico hidratado (NEVILLE, 1997).
A TABELA 2 expõe os produtos de hidratação do cimento com seus
respectivos nomes, fórmulas químicas e abreviações (SKALNY et al., 2002).
TABELA 2 – PRODUTOS DE HIDRATAÇÃO Composto Fórmula Abreviação
Hidróxido de cálcio, portlandita
Silicato de cálcio hidratado
Sulfato de cálcio dihidratado, gipsita
Singenite
Monossulfato
Etringita
Taumasita
Hidróxido de magnésio, brucite
Silicato de magnésio hidratado
Ca(OH)2
xCaO.SiO2.yH2O
CaSO4.2H2O
K2Ca(SO4)2.H2O
Ca4Al2(OH)12.SO4.6H2O
Ca6Al2(OH)12.(SO4)3.26H2O
Ca3[Si(OH)6]CO3.SO4.12H2O
Mg(OH)2
xMgO.SiO2.yH2O
CH
C-S-H
MH
M-S-H
FONTE: SKALNY et al. (2002).
2.1.2.1 Silicatos de Cálcio hidratados (C-S-H)
Segundo Neville (1997), acredita-se que o C3S sofra hidrólise em casos
de pouca água misturada com a pasta de cimento, produzindo silicato de cálcio
pouco básico e, em seguida C3S2H3, liberando cal na forma de Ca(OH)2. Não
se pode provar que os compostos C3S e C2S resultem em um mesmo produto
ao final da hidratação, visto que em estudos observou-se a possibilidade da
existência de vários silicatos de cálcio diferentes. Isto se deve ao fato de a
hidratação do C2S ser controlada pela baixa velocidade intrínseca da reação,
enquanto que, no caso do C3S, a hidratação é controlada pela velocidade da
difusão dos íons do produto hidratado.
As reações de hidratação supostas por Neville (1997) que resultam no
C3S2H3 como produto da hidratação do C2S e do C3S são ilustradas nas 2C3S
+ 6 H --> C3S2H3 + 3Ca(OH)2 EQUAÇÃO 1 e 2 C2S + 4 H -->
C3S2H3 + Ca(OH)2 EQUAÇÃO 2:
21
C3S:
2C3S + 6 H --> C3S2H3 + 3Ca(OH)2 EQUAÇÃO 1
C2S:
2 C2S + 4 H --> C3S2H3 + Ca(OH)2 EQUAÇÃO 2
Observando as reações destes silicatos nota-se que na formação de
C3S2H3 o C3S produz mais do que o dobro de hidróxido de cálcio em
comparação com o C2S. As características dos dois compostos devem ser
consideradas nas questões de pega e endurecimento do cimento.
A hidratação do C3S é muito significativa, pois esta caracteriza o
comportamento do cimento. Passa por um período lento devido à liberação
inicial de hidróxido de cálcio que deixa livre uma camada externa de silicato de
cálcio hidratado (NEVILLE, 1997).
2.1.2.2 Aluminato Tricálcico
O aluminato de cálcio gera um composto prismático intersticial que
apesar de se apresentar em pequenas quantidades, tem comportamento muito
significante dentro da estrutura. Os aluminatos tricálcicos são formados a partir
da reação entre C3A e C4AF ou a partir de algum componente do cimento que
possua sulfato e alumina. Durante a hidratação do cimento o sulfato é suprido
pelo sulfato de cálcio (CaSO4). Os quatro compostos do sulfato de cálcio
hidratado de primeiro interesse na ocorrência do ataque por sulfatos são gipsita
(formada durante o ataque por sulfatos), etringita, monossulfato e taumasita
(SKALNY et al., 2002).
Para evitar a pega instantânea gerada pelo C3A, adiciona-se gesso
(CaSO4.2H2O) ao clínquer do cimento. A ação destes componentes resulta em
sulfoaluminato insolúvel (3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O). A presença do C3A na
composição do cimento é indesejável, pois quando ocorre ataque por sulfatos à
estrutura, ocorre a formação de sulfoaluminatos a partir do C3A. Esta situação
gera a expansão da estrutura e possível desagregação.
22
Durante a hidratação do cimento Portland, a partir dos aluminatos
tricálcicos, formam-se etringita ([Ca3Al(OH)6.12H2O]2.(SO4)3.2H2O) e
monossulfato ([Ca2Al(OH)6].SO3), como ilustra a C3A + CaSO4 . 2H2O + 26H
→6CaO.Al2O3.3SO4.32H2O EQUAÇÃO 3 (SKALNY et al., 2002):
C3A + CaSO4 . 2H2O + 26H →6CaO.Al2O3.3SO4.32H2O EQUAÇÃO 3
Etringita
2.1.3 Durabilidade e deterioração do concreto
Algumas formas básicas de prevenir qualquer ataque é o uso de práticas
corretas na execução da estrutura de concreto. Fatores como cura e mistura
adequadas, relação água/cimento condizente com o ambiente ao qual a
estrutura estará exposta, baixa permeabilidade da estrutura, qualidade dos
componentes da mistura, manutenção da estrutura madura, são exemplos
desta afirmação (SKALNY et al., 2002).
Segundo Skalny et al. (2002), para a produção de concreto de alta
qualidade, com vida útil e desempenho em serviço melhores do que o
esperado, é necessário considerar, além das inadequações que podem ser
cometidas pelo homem, os desafios da natureza e do ambiente onde a
estrutura será inserida. Isso pode ser feito a partir de:
Melhor utilização dos princípios químicos e físicos que regem a
formação e destruição dos materiais à base de cimento;
Desenvolvimento adequado de misturas e estruturas para o meio
ambiente onde o concreto será inserido;
Produção, localização e manutenção apropriadas.
Como apresenta Neville (1997), para exposição severa a situações
agressivas o ACI 201.2R (Guide to Durable Concrete, reported by American
Concrete Intitute committe, 2008) estabelece a utilização de cimento resistente
a sulfatos. Para exposição muito severa se torna necessário o uso de um
cimento resistente a sulfatos com a adição de pozolana com baixo teor de
óxido de cálcio (25-40% do total, em massa) ou escória (acima de 70% do
23
total). A TABELA 3 esclarece as concentrações classificadas como moderada,
severa e muito severa do ACI 318-89 exposta por Neville (1987).
TABELA 3 – REQUERIMENTOS DO ACI 318-89 PARA CONCRETO EXPOSTO A ATAQUE POR SULFATOS.
Exposição à
sulfato
SO4 em água
(ppm)
Tipo de cimento Máxima relação
água/cimento
Mínima
resistência
Desprezível
Moderado
Severo
Muito severo
0-150
150-1500
1500-10000
Acima de
10000
-
CP II Z
CP V RS
CP V RS com adição
de pozolana ou cinza
volante
-
0,50
0,45
0,45
-
26 MPa
29 MPa
29 MPa
FONTE: ADAPTADO DE NEVILLE, 1987.
São muitas as causas da deterioração do concreto. Pode ser por
processos físicos ou químicos, lixiviação dos componentes da pasta,
carbonatação, exposição a produtos químicos, corrosão do aço, reações álcali-
agregado, ciclos de gelo-degelo, abrasão, entre outros. O ataque por sulfatos é
uma forma de ataque químico.
Sem a presença de água, com exceção da abrasão, nenhum mecanismo
de deterioração ocorre. O ingresso de fontes externas de sulfato, em meio
aquoso, depende totalmente da porosidade e da permeabilidade da estrutura,
que, se forem valores baixos minimizam a probabilidade de deterioração. Na
ocorrência do ataque por sulfatos, compostos agressivos em meio aquoso
migram para dentro da pasta endurecida, através dos poros, e passam a reagir
com os produtos de hidratação do cimento, formando produtos como a etringita
e a gipsita caracterizando reações expansivas. A principal manifestação dessas
reações é o lascamento da superfície (SOUZA, 2006).
A resistência do cimento comum ao ataque por sulfatos é limitada.
Durante a hidratação do cimento há a formação de etringita primária, a qual,
após todo o sulfato de cálcio for consumido, se converte em monossulfato. Na
ocorrência de exposição do concreto endurecido à sulfatos de fontes externas,
este monossulfato se transforma de volta em etringita e este processo está
associado à expansão da estrutura.
24
Segundo Biczók (1960), a resistência do cimento Portland à acidos e
sulfatos é baixa, e é menos suscetível a bases pelo fato de ocorrer o
desenvolvimento de hidróxido de cálcio na sua estrutura, o que o torna
altamente alcalino. A resistencia do cimento Portland a sulfatos depende, além
do composto Ca(OH)2, da quantidade calculada de aluminato tricalcico (C3A).
Quanto maior a quantidade de C3A mais suscetível é o concreto a sulfatos.
Em testes realizados com diferentes cimentos Portland, Biczók (1960)
observou que todos os cimentos são resistentes a sulfatos quando possuem
baixa quantidade calculada de C3A.
Entre as consequências do ataque por sulfatos ao concreto estão a
fissuração da estrutura, lascamento de camadas, perda de resistência,
aumento da porosidade e perda de massa (SKALNY et al., 2002).
2.3 ATAQUE POR SULFATOS
O ataque por sulfatos é uma reação extremamente danosa às estruturas
de concreto e deve ser analisado desde sua origem.
2.3.1 Origem do Sulfato
Na natureza, além da água do mar, os sulfatos estão presentes em
lençóis freáticos, em rios, chuvas ácidas e decomposição da matéria orgânica.
A dissolução de solos e rochas e a oxidação de sulfeto se tornam as principais
fontes de sulfato, sendo este íon o mais abundante nas águas naturais
(CETESB, 2002). Nos cimentos as maiores contribuições são provenientes de
depósitos de sulfato como anidrita (CaSO4) e gipsita (CaSO4.2H2O) que
associados às chuvas ácidas se tornam muito agressivos às estruturas de base
cimentícias pois contêm elevados teores de sulfato de magnésio (MgSO4) e
sulfato de sódio (Na2SO4).
25
Além disso, o sulfato tem origem antrópica nas águas superficiais. As
principais fontes são descargas de esgotos domésticos e efluentes das
indústrias despejados diretamente nos rios sem haver um prévio tratamento.
Conjuntamente, pode ser originado, nas águas tratadas, da utilização de
coagulantes (MCCARTY; SAWYER, 2003)
Segundo McCarty e Sawyer (2003), é essencial o controle do sulfato nas
águas disponibilizadas para uso humano, pois o sulfato em concentrações a
partir de 250mg/L não é recomendado para consumo e a ingestão de sulfato de
magnésio em concentrações maiores que 150mg/L provoca efeito laxativo. Nas
tubulações de esgoto que possuem trechos com pouca declividade, haverá
depósito de matéria orgânica permitindo que as bactérias existentes na
tubulação, com a presença de oxigênio, transformem o sulfato em sulfeto,
ocorrendo liberação de gás sulfídrico, que, além de ser tóxico e gerar
problemas relacionados ao se odor, tem efeito corrosivo nas tubulações de
concreto.
O sulfato pode ter origem interna. A fonte de sulfato pode ser as várias
formas de sulfato de cálcio adicionadas ao clínquer durante a moagem, e
também na forma natural de gipsita ou anidrida. As fases mais comuns de
sulfatos presentes no clínquer são K2SO4 e (K,Na)3Na(SO4)2. Adições como
cinza volante, escória de alto forno podem ser fontes de sulfato.
Ocasionalmente, as fontes de sulfato no concreto podem ser o sulfato em
forma de gipsita ou os sulfetos presentes nos agregados (SKALNY et al.,
2002).
Para as estruturas de concreto, o sulfato é um elemento muito nocivo.
Por este fato, há enormes preocupações e estudos, nos últimos anos, quanto à
proteção de estruturas expostas à ação destrutiva de sulfatos em meio aquoso
como ambientes marítimos ou em contato com os efluentes de esgotos
domésticos, que submete a estrutura ao gás sulfídrico que gera uma
agressividade muito maior em comparação à submersão. O ataque por sulfatos
pode se dar de varias formas, pode ser tanto externo quanto interno, pode vir
de dentro da estrutura no caso de agregados contendo pirita, contaminados
com sulfato, caracterizando o ataque de dentro para fora ou o ataque externo
em que a estrutura está exposta à ambientes como a água do mar que possui
concentração de sulfato próxima a 2650mg/l (SOUZA, 2006).
26
Dentre os danos que sofre a estrutura de concreto devido à esse ataque
por sulfatos, estão incluídos lascamento das camadas superficiais da estrutura,
expansão do volume, perda de resistência e desintegração (SOUZA, 2006).
2.3.2 Manifestação de ataque
Os mecanismos apresentados a seguir podem estar envolvidos no
ataque por sulfatos, e geralmente ocorrem simultaneamente (SKALNY et al.,
2002):
Desagregação ou remoção de hidróxido de cálcio da pasta de cimento,
com consequente lixiviação de cálcio e íons hidróxido, ocorrendo um
decaimento da alcalinidade da pasta ou sulfonação dos íons Ca2+
formando compostos potencialmente expansivos como etringita e
gipsita;
Mudanças complexas e contínuas na composição iônica da fase líquida
dos poros, que também ocorrem durante o processo de hidratação.
Porém, durante o ataque químico, essas mudanças podem provocar a
formação de condições favoráveis à ocorrência de deterioração da pasta
matriz;
Absorção dos componentes iônicos presentes na fase líquida dos poros
na superfície dos sólidos presentes no material cimentício. Os íons
sulfatos e aluminatos tendem a ser absorvidos pelo C-S-H sob certas
condições, e liberados na mudança dessas condições. Este processo é
o principal responsável pela formação de etringita tardia (aquela que não
é formada como produto da hidratação dos componentes do cimento);
Decomposição dos componentes não hidratados do clínquer. Há
evidências de que a entrada de sulfato na estrutura com pouca idade
pode provocar a descalcificação dos silicatos de cálcio presentes no
clínquer. Como consequência há um aumento na porosidade da
estrutura e formação de sílica hidratada e/ou silicatos de magnésio
hidratados que não possuem propriedades cimentícias;
27
Decomposição dos produtos de hidratação previamente formados. As
consequências são a descalcificação do hidróxido de cálcio e a
decomposição da estrutura C-S-H, o principal ligante do cimento;
Formação de gipsita, que se mostra associada a um aumento no volume
da estrutura, que se torna preocupante na ocorrência de altas
concentrações de sulfato. Também está associada a outros fenômenos
relacionados a sulfatos;
Formação de etringita, facilmente ocorrendo a baixas concentrações de
sulfato devido a sua baixa solubilidade. Por este fato, a expansão pela
formação de etringita prevalece à expansão pela formação de gipsita;
Formação de taumasita, causando deteriorações mais severas em
relação à etringita pelo fato de ser formada a partir da estrutura C-S-H;
Formação de brucita e silicato de magnésio hidratado, que caracterizam
um ataque severo pela presença de íons Mg2+, ocorrendo a formação de
compostos que não possuem propriedades cimentícias.
Penetração de sulfato no concreto, havendo a formação de sais de
sulfato e repetidas cristalizações destes. Portanto, a presença de sais de
sulfato (CaCO3, Na3H(CO3)2.2H2O, NaHCO3, NaCl, etc.), sob certas
condições, pode estar relacionado ao ataque por sulfatos;
Segundo Skalny et al. (2002), alta permeabilidade do concreto ou danos
gerados por outros mecanismos aumenta significativamente a carbonatação e
a facilidade de penetração de agentes químicos externos na estrutura. Nessas
condições, alguns dos mecanismos apresentados acima podem ser
acelerados, aumentando a complexidade do ataque. Desta forma, se torna
possível a ocorrência de deterioração severa do concreto devido ao ataque por
sulfatos sem a existência de variações volumétricas significativas.
2.3.3 Reações expansivas
A interação do sulfato com os componentes do cimento é muito
complexa e depende de uma série de fatores. Várias reações químicas podem
28
estar ocorrendo simultaneamente ou subsequentemente. Os fatores que
podem afetar o processo são a composição do cimento, o tipo de interação
(ataque interno ou externo), a temperatura no momento das reações e a forma
de sulfato participando do processo.
As reações que ocorrem podem resultar na expansão da pasta, na
degradação química da fase hidratada associada a danos na resistência da
pasta endurecida, formação de fissuras no interior da estrutura e lascamento e
fragmentação do material endurecido (SKALNY et al. 2002).
Segundo Skalny et al., (2002) a expansão da pasta de cimento ocorre,
sem dúvidas, quando a reação química que está em processo no interior da
pasta está associada a um aumento global de volume. Porém, praticamente
todas as reações onde há íons sulfato envolvidos estão associadas a um
encolhimento químico em vez de uma expansão.
Muitas teorias têm sido encaminhadas para explicar o motivo de uma
reação que está associada a encolhimento químico causar expansão da pasta
de cimento. Uma delas é o aumento do volume sólido, que assume que a
expansão da pasta de cimento ocorre se há um aumento no volume dos
sólidos presentes, mesmo se o volume global teve uma redução.
Outra teoria exposta por Skalny et al., (2002) é a da reação topoquímica
que é definida pela transição entre fases sólidas, onde uma fase sólida é
formada no mesmo espaço anteriormente ocupado por produto da hidratação
do cimento. Em situações onde o produto formado ocupa um volume maior em
relação ao que lhe deu origem, este excederá os limites de espaço provocando
uma expansão local. Esta expansão causa um aumento do volume externo da
estrutura, e também formação de fissuras. Uma reação procederá
topoquimicamente dependendo da reatividade do composto inicial e é
favorecida se a capacidade de cristalização do produto da reação for maior que
a taxa de dissolução do material inicial não hidratado.
2.3.3.1 Pressão por cristalização
A cristalização de sais no interior da estrutura gera aumento de pressão
interna dos poros, e pode ser provocado por CaCO3, Na3H(CO3)2.2H2O,
29
NaHCO3 e/ou NaCl. Estes sais de sulfato penetram na estrutura por meio de
capilaridade, por difusão ou por permeabilidade, porém, com a evaporação da
água onde se encontram dissolvidos, as concentrações destes sais podem
chegar a altos patamares. Nesta situação ocorre o fenômeno da cristalização,
onde os sais passam a ocupar um volume maior em comparação com a
situação em que estavam dissolvidos na água, causando expansão da
estrutura. Este ataque é considerado por Neville (1997) um ataque físico, pois o
sulfato não reage com os componentes internos da pasta, como ilustra a 2Na+
+ SO42- → Na2SO4.10H2O EQUAÇÃO 4. Porém,
Skalny et al. (2002) cita essa consideração como equivocada pois ataque
envolvendo sulfato é também um ataque por sulfatos e deve ser classificado
desta forma, sendo então um ataque físico-químico.
2Na+ + SO42- → Na2SO4.10H2O EQUAÇÃO 4
(solução) (evaporação) (sólido)
A FIGURA 1 exemplifica danos causados por cristalização de sais no
interior dos poros da estrutura.
FIGURA 1 – DETERIORAÇÃO DA ESTRUTURA PELA CRISTALIZAÇÃO DE SAIS.
FONTE: SKALNY et al. (2002, p.111)
30
Segundo Souza (2006, apud. Beaudoin, 1992) a pressão de
cristalização, que resulta da interação dos produtos do ataque, como a
etringita, com os componentes do cimento hidratado, é responsável pela
expansão. Para que ocorra esta expansão é necessário haver um crescimento
dos cristais em regiões confinadas e grande concentração dos reagentes.
Estudos recentes mostram que maiores concentrações de sulfato conduzem a
uma deterioração mais rápida.
2.3.3.2 Formação de etringita
A etringita em suspensão somente é estável sob pH variando entre 10 e
11. Quando há presença de KOH, o material apresenta alta alcalinidade
evitando a precipitação da etringita. Também pode aparecer em suspensão de
água ou pastas formadas de compostos variados de alumínio, combinados com
sulfato de cálcio na presença de hidróxido de cálcio. Essas reações estão
associadas com encolhimento químico de diferentes magnitudes (SKALNY et
al., 2002).
No caso de agregado contendo íons sulfato, haverá formação de
etringita tardia pela reação dos componentes da pasta hidratada com o sulfato
de origem interna. Este processo danifica a estrutura endurecida (SOUZA,
2006).
A reação expansiva mais importante do ataque externo por sulfato é a
formação de etringita a partir do monossulfato, onde ocorre um encolhimento
químico.
Nos processos expansivos de hidratação, as reações químicas
relevantes estão associadas ao encolhimento químico, causado pelo fato de a
diminuição do volume da fase líquida ser maior do que o aumento de volume
da fase sólida. Por este motivo, a expansão não pode ser explicada pelo
aumento de volume global que não ocorre. Também, a expansão não pode ser
interpretada apenas pelo aumento de volume que acompanha o processo
(SKALNY et al., 2002).
31
Segundo Skalny et al. (2002), alguns estudos consideram a formação
topoquímica de etringita como a fase antecessora e o crescimento orientado do
produto desta reação como sendo a principal, ou ainda a única razão para uma
expansão relacionada à sulfatos em materiais cimentícios. Para que esta
reação topoquímica de etringita e a expansão ocorram é necessário que haja
concentração suficientemente elevada de Ca(OH)2 na fase líquida. À elevadas
concentrações de hidróxido de cálcio os íons aluminatos não podem migrar
para longe, servindo de fonte de alumínio. Desta forma, a etringita se formará
na superfície dos compostos aluminatos numa reação topoquímica. Caso não
haja elevada concentração de Ca(OH)2 na fase líquida, os íons Al(OH)4- podem
migrar livremente e a etringita precipitará aleatoriamente sem gerar tensões
expansivas.
Há teses que sustentam a ideia de que pode ocorrer expansão
relacionada a sulfatos devido ao inchaço de micro cristais de etringita já
existente na pasta de cimento. A expansão por inchaço da etringita envolve
captação de água por este composto e esta expansão pode seguir aumentando
quando a estrutura é submetida à elevada umidade do ar e na presença de
água (SKALNY et al., 2002).
Segundo Skalny et al. (2000) a expansão pela formação de etringita é a
manifestação mais divulgada de ataque por sulfatos, porém, pode ser
frequentemente ofuscada por outras reações envolvendo sulfatos que ocorrem
simultaneamente. Um exemplo é a descalcificação da estrutura C-S-H na
presença de sulfato de magnésio.
A formação de etringita em pastas de cimento pode ou não estar
associada a uma expansão externa da estrutura. Segundo Skalny et al. (2002),
algumas condições devem ser cumpridas para que ocorra a expansão, tais
como:
A quantidade de etringita formada deve exceder um limite para que
apareçam tensões internas;
A etringita deve ser formada por um processo topoquímico, resultando
em um crescimento orientado dos cristais em direção aos sólidos
próximos;
Somente a etringita formada após o endurecimento da pasta de cimento
tem a capacidade de gerar expansão.
32
2.3.3.3 Outras formas de expansão
A formação de gipsita, a partir de fontes externas de sulfato solúvel em
água que ingressam na estrutura e reagem com o hidróxido de cálcio da pasta
de cimento, não é um processo comprovadamente expansivo. Segundo Skalny
et al. (2002), experimentos realizados com pasta de silicato tricálcico revelam
que a formação de gipsita gera uma expansão significante mesmo quando a
formação de etringita pode ser desprezada. A partir destes experimentos,
sugere-se que em condições onde há alto grau de supersaturação de gipsita na
fase líquida, a pressão da cristalização generalizada pode ser alta a ponto de
causar expansão da pasta. Também é considerado que a expansão é causada
pela reação topoquímica entre íons sulfato nos poros e hidróxido de cálcio
cristalino da pasta.
O sulfato pode reagir com o hidróxido de cálcio livre e o aluminato de
cálcio hidratado presentes no cimento, aumentando o volume dos sólidos,
causando expansão (ARAUJO; RODRIGUES; FREITAS, 2000). Essa reação
depende do tipo de cátion presente na solução de sulfato (Na+, Mg+2), tanto o
hidróxido de cálcio como o silicato de cálcio hidratado da pasta de cimento
podem ser convertidos em gipsita pelo ataque do sulfato.
Em algumas estruturas de concreto expostas a sulfatos, foi encontrado
taumasita como principal produto formado a partir do ataque. A ocorrência de
taumasita não tem sido considerada na literatura, segundo Skalny et al. (2002),
porém, houve um aumento de sua incidência recentemente no Reino Unido, e
se tornou motivo de pesquisa de instituições do governo. Em casos severos
desta ocorrência, a pasta de cimento endurecida é completamente substituída
por taumasita e a fase ligante do concreto é transformada em uma massa
branca e sem coesão.
A formação de taumasita ocorre quando há presença simultânea de
sulfatos, carbonatos e baixas temperaturas. Os cimentos Portland que são
resistentes a sulfatos não impedem a formação de taumasita. Estes possuem
menores teores de aluminatos que reagem com os sulfatos para a formação de
elementos como a etringita, porém, a formação de taumasita está ligada à
reação com o silicato de cálcio (C-S-H) presente no concreto (SOUZA, 2006).
33
2.3.4 Limites para sulfatos
O potencial destrutivo do ataque por sulfatos varia conforme sua
concentração no ambiente agressivo. Segundo Souza (2006, appud. Biczók
1972), em concentrações inferiores a 1000 ppm de SO42- o primeiro produto a
se formar é a etringita, enquanto acima de 8000 ppm de SO42- o principal
produto formado é a gipsita. Numa situação intermediária entre esses valores
há o aparecimento de ambos os compostos.
No Brasil, a norma que trata de limites de sulfatos para concretos é a
NBR 12655 (Concreto - preparo, controle e recebimento, 2006) exposta na
TABELA 4.
TABELA 4 – REQUISITOS PARA CONCRETO EXPOSTO A SOLUÇÕES CONTENDO SULFATO, CONFORME NBR 12655.
Condição de
exposição em
função da
agressividade
Sulfato solúvel
(SO42-) presente na
água, ppm
Máxima relação a/c em
massa, para concreto
com agregado normal
Resistência mínima à
compressão (para
concreto com agregado
normal ou leve), MPa
Fraca
Moderada
Severa
0-150
150-1500
Acima de 1500
-
0,50
0,45
-
35
40
FONTE: SOUZA, 2006.
Existem também normas internacionais que especificam o grau de
agressividade por exposição aos sulfatos, como exposto na TABELA 5.
34
TABELA 5 – NÍVEL DE EXPOSIÇÃO AOS SULFATOS EM FUNÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE SO4
2- CONFORME ALGUMAS NORMAS TÉCNICAS EXTRANGEIRAS
Norma técnica Nível de exposição aos sulfatos Sulfato (SO42-
) na água, ppm
ACI 318M-02 Building code
Desprezível 0 - 150
Moderado 150 - 1500
Forte 1500 - 10000
Muito forte > 10000
Manual do Concreto do
U.S. Bureau of Reclamation Concrete
Manual, 1966
Desprezível 0 - 150
Fraco 150 - 1500
Regular 1500 - 10000
Forte > 10000
Norma canadense
A23.1.94
S-3 moderado 150 - 1500
S-2 forte 1500 - 10000
S-1 muito forte > 10000
Norma européia EN206-1:2000
Ligeiramente agressivo 200 - 600
Moderadamente agressivo 600 - 3000
Altamente agressivo 3000 - 6000
Código Britânico de Prática CP 110:1972
1 <300
2 300 – 1200
3 1200 – 2500
4 2500 – 5000
5 >5000
FONTE: NEVILLE 2004.
Segundo Neville (2004), a taxa do ataque por sulfatos é afetada pela
força da solução de sulfato, e esta taxa se torna pequena quando a
concentração de sulfato de sódio aparece abaixo de 1% e sulfato de magnésio
abaixo de 0,5%.
35
2.3.5 Mecanismos de ataque
Em artigo publicado em abril de 2004, Neville define o ataque por sulfato
como ‘totalmente confuso’. Afirma que há muitos resultados obtidos através de
estudos sobre o assunto, que separadamente não são necessariamente
errados, porém, em conjunto resultam em uma situação completamente
confusa, pois apesar de o ataque por sulfatos ser um campo extensivamente
pesquisado, ainda não foi completamente entendido.
De acordo com Skalny et al. (2002), no guia de durabilidade do concreto
do Instituto Americano de Concreto (ACI 201, 1992) são apresentados apenas
dois mecanismos que podem ser considerados ataque por sulfatos: a formação
de gipsita e a formação de etringita, e ambos resultam em um aumento do
volume inicial (expansão). Segundo Mehta et al. (1994), são duas as
manifestações do ataque por sulfato, a expansão pela formação da etringita e
progressiva perda de resistência e massa. Um exemplo de expansão interna da
estrutura está exemplificado na FIGURA 2.
FIGURA 2 – EXPANSÃO DA PASTA E FORMAÇÃO DE RACHADURAS. FONTE: SKALNY et al. (2002, p. 85)
36
A química do ataque por sulfato independe da fonte do sulfato, os
processos são conduzidos pelos mesmos fatores físico-químicos. A diferença
entre os ataques se dá de acordo com as condições ambientais e físicas sob
as quais as reações procedem.
O ataque por sulfatos, em várias literaturas, é dividido em físico e
químico, interno e externo. O ataque químico é aquele resultante de reações
envolvendo o ânion sulfato (SO42-). Um exemplo é a reação que forma a
etringita a partir de monossulfato e gipsita ilustrada na C4ASH12 +
2CSH2 + 16H → C6AS3H32 EQUAÇÃO 5 (SKALNY et al., 2002):
C4ASH12 + 2CSH2 + 16H → C6AS3H32 EQUAÇÃO 5
Monossulfato Gipsita Água Etringita
Segundo Souza (2006), dentre todas as formas de ataque por sulfatos, a
mais comum é a que resulta de ataques por fontes externas onde há a
infiltração de íons sulfato, pelas aberturas dos poros da pasta de cimento, para
o interior da estrutura. A agressão ocorre pelo fato de o sulfato agir com o
cálcio e o alumínio, componentes da pasta de cimento, para formar estruturas
como a gipsita e a etringita que possuem ação destrutiva à estrutura cimentícia.
As reações originadas do ataque externo ocorrem, na maioria das vezes,
devido à infiltração de água na estrutura, contento compostos agressivos que
irão reagir com os produtos do concreto endurecido. O ataque se inicia nas
partes mais próximas da superfície, podendo migrar para as partes mais
internas. A evolução desses ataques para o interior da estrutura, depende de
sua porosidade e permeabilidade, podendo haver o aumento dessa porosidade
e surgimento de fissuras no decorrer do ataque, acelerando os processos. Na
maioria das vezes, o cimento endurecido é a única estrutura atacada, porém,
algumas vezes o ataque pode se direcionar aos agregados (SKALNY et al.,
2002).
Segundo Biczók (1960), concreto exposto a ambientes agressivos úmido
ou molhado sofre danos, pode-se observar na superfície o aparecimento de
maior porosidade e fragmentação. Dependendo da intensidade e da duração
da ação agressiva, o concreto pode ser completamente deteriorado. A estrutura
somente sofrerá danos se o composto agressivo presente se encontra em uma
37
situação ativa, em estado de ionização ou solução, como em águas
subterrâneas, águas maritimas, ou quando esta tem acesso à estrutura por
meio de gás molhado.
Sob certas circunstâncias, segundo Biczók (1960), águas agressivas não
atacam o concreto, em vez disso causam efeito contrário, tornam a estrutura
ainda mais resistente. Na ocorrência de ácido carbônico agindo na superfície
da estrutura tende a carbonizar as camadas externas do concreto e criar uma
capa protetora. Porém, na presença de dióxido de carbono em elevada
concentração haverá a deterioração.
Os sais consideravelmente ativos, segundo Neville (1997), são o sulfato
de magnésio e o sulfato de sódio. Porém, o sulfato pode aparecer combinado
de diversas formas como sulfato de cálcio, sulfato de potássio, sulfato de
amônio, ácido sulfídrico, gás sulfúrico, etc.
2.3.5.1 Sulfato de sódio
Ataque por sulfato de sódio ao Ca(OH)2, formando sulfato de cálcio que
reage com o aluminato. Esse ataque é do tipo ácido, mostrado nas Ca(OH)2 +
Na.SO4.12H2O → CaSO4.12H2O + 2NaOH + 8H2O EQUAÇÃO 6 e
2SO42-+Ca4Al2(OH)12.SO2.6H2O+2Ca2+ →Ca6Al2(OH)12(SO4)3.26H2O
EQUAÇÃO 7:
Ca(OH)2 + Na.SO4.12H2O → CaSO4.12H2O + 2NaOH + 8H2O EQUAÇÃO 6
Outra forma de reação seria:
2SO42-
+Ca4Al2(OH)12.SO2.6H2O+2Ca2+
→Ca6Al2(OH)12(SO4)3.26H2O EQUAÇÃO 7
Monossulfato Etringita
Esta última ocorre quando águas contaminadas com sulfato de sódio ou
potássio infiltram na estrutura de co*ncreto endurecido e reagem com o
monossulfato que foi formado na hidratação da pasta (SKALNY et al., 2002).
38
Os íons Ca2+, se não forem originados na dissolução do Ca(OH)2, então
serão da decomposição da estrutura C-S-H. Nesse processo, a proporção
CaO/SiO2 passa a decair resultando na perda progressiva das propriedades
ligantes.
Na situação em que os íons Al3+ forem consumidos por completo, ainda
haverá SO42- livre, então ocorrerá a formação de gipsita e não mais de etringita,
como mostra a SO42- + Ca2+ + 2H2O → CaSO2.2H2O
EQUAÇÃO 8:
SO42- + Ca2+ + 2H2O → CaSO2.2H2O EQUAÇÃO 8
Gipsita
O produto desta reação é encontrado mais próximo da superfície em
comparação com a etringita. Esta reação pode não proceder em caso de
ocorrência de descalcificação, pois haverá indisponibilidade de íons Ca2+
(SKALNY et al., 2002).
Após as reações ocorridas, Skalny et al. (2002) divide o concreto em
quatro zonas:
A pasta original que não sofreu ataque;
A região onde ocorreu a formação de etringita a partir da reação com
monossulfato;
A região onde ocorreu a formação de gipsita;
A região da estrutura C-S-H onde houve redução da porcentagem
CaO/SiO2.
Os processos que ocorrem no ataque do concreto pelo sulfato de sódio
estão apresentados na TABELA 6:
39
TABELA 6 - REAÇÕES OCORRENDO ENTRE O CIMENTO E O SULFATO DE SÓDIO. Líquido Zona de reação Solução nos poros Pasta de cimento
Na+
OH-
SO42-
CaSO4.2H2O
6CaO.Al2O3.3SO3.32H2O
(Etringita)
Na+
OH-
Ca2+
SO42-
Al(OH)4-
Ca(OH)2
4CaO.Al2O3.SO3.12H2O
(monossulfato)
FONTE: SKALNY et al., 2002.
2.3.5.2 Sulfato de Magnésio
A primeira ocorrência quando uma solução de sulfato de magnésio entra
em contato com o cimento endurecido é a reação do sulfato com o hidróxido de
cálcio da pasta, dando origem ao hidróxido de magnésio (brucita, praticamente
insolúvel) e sulfato de cálcio em forma de gipsita, como ilustra a MgSO4 +
Ca(OH)2 + 2H2O → CaSO4.H2O + Mg(OH)2 EQUAÇÃO 9 (SKALNY et al,
2002):
MgSO4 + Ca(OH)2 + 2H2O → CaSO4.H2O + Mg(OH)2 EQUAÇÃO 9
Gipsita Brucita
Segundo Neville (1997), o sulfato de magnésio ataca os silicatos de
cálcio hidratados e o produto é sulfoaluminato de cálcio, gerando uma gradual
decomposição da fase C-S-H. Esta decomposição dá origem à sílica hidratada
ou ao silicato de magnésio e pode ocorrer em paralelo com a reação anterior,
produzindo gipsita, brucita e silicato de magnésio ao mesmo tempo, conforme
3Ca.SO4.2SiO2.aq+MgSO4.7H2O → CaSO4.2H2O+Mg(OH)2+SiO2.aq
EQUAÇÃO 10:
3Ca.SO4.2SiO2.aq+MgSO4.7H2O → CaSO4.2H2O+Mg(OH)2+SiO2.aq EQUAÇÃO 10
Gipsita Brucite Sílica hidratada
O ataque por sulfato de magnésio é considerado mais severo do que por
outros sulfatos (em mesma concentração de SO42-) pois, devido à baixa
40
solubilidade do Mg(OH)2, essa reação terá sequência até se completar
totalmente. O ataque por sulfato de magnésio tem como consequência a
destruição da fase C-S-H. A fração CaO/SiO2 da fase C-S-H se torna muito
variável, apresentando valores mais altos no centro da estrutura, mais baixos
mais próximo da superfície e tendendo a zero nas partes onde a corrosão se
completou.
O pH de uma solução saturada de hidróxido de magnésio fica em torno
de 10,4, o que torna a fase C-S-H instável. Depois de todo o hidróxido de cálcio
ter sido consumido e da mudança de pH da fase C-S-H, esta última libera
hidróxido de cálcio para voltar ao seu pH de equilíbrio. Enquanto houver sulfato
de magnésio este hidróxido de cálcio será convertido em hidróxido de
magnésio e sulfato de cálcio, acarretando a completa degradação da fase C-S-
H (SKALNY et al., 2002).
Nas regiões de ataque por sulfato de magnésio, devido à brusca
mudança de pH, o hidróxido de cálcio é decomposto e os íons Ca2+ e SO42-
precipitam em forma de gipsita. Somente nas regiões mais distantes desse
ataque, onde não houve mudança de pH é que ocorre a formação de etringita a
partir dos íons SO42- que migraram para o interior da estrutura e reagiram com
o monossulfato. Esta quantidade de etringita formada é pequena, pois antes
que haja maior produção, a pasta de cimento tende a desintegrar, causando a
degradação da fase C-S-H.
Desta forma, os processos que ocorrem na presença de sulfato de
magnésio são a migração de íons hidróxido para a superfície para produzir
brucita com baixa solubilidade, a migração de íons sulfato para o interior da
pasta para formar gipsita e, mais para o interior da pasta e em menor
quantidade, a formação de etringita. Os íons Ca2+ necessários neste caso são
supridos primeiramente pela decomposição do hidróxido de cálcio, e mais ao
longo da reação, pela descalcificação da fase C-S-H.
O ataque por sulfato de magnésio é caracterizado principalmente pela
perda de resistência e desintegração do concreto devido ao ataque, e não pela
expansão. A TABELA 7 exemplifica as reações que ocorrem neste caso.
41
TABELA 7 - REAÇÕES OCORRENDO ENTRE CIMENTO E SOLUÇÃO SULFATO DE MAGNÉSIO.
Líquido Zona de reações Solução no poro Pasta original
Mg2+
SO42-
Mg(OH)2
CaSO4.2H2O
3MgO.2SiO2.2H2O
SiO2.aq
OH-
Mg2+
Ca2+
SO42-
Ca(OH)2
C-S-H
AFm
AFt
FONTE: SKALNY et al., 2002.
2.3.5.3 Sulfato de cálcio
O sulfato de cálcio reage apenas com o aluminato de cálcio hidratado
para formar sulfoaluminato de cálcio, conhecido como etringita, como é
mostrado na 4CaO.Al2O3.SO3.12H2O+2Ca2++SO42-+24H2O →
6CaO.Al2O3.SO3.32H2O EQUAÇÃO 11 (SKALNY et al., 2002):
4CaO.Al2O3.SO3.12H2O+2Ca2+
+SO42-
+24H2O → 6CaO.Al2O3.SO3.32H2O EQUAÇÃO 11
Monossulfato Etringita
Neste caso de reação do sulfato de cálcio com o Ca(OH)2 não há
aumento do volume ao fim da reação, porém, o produto formado é a etringita
que possui orientação acicular na superfície do C3A, surgindo um aumento do
volume interno no local da reação e consequentemente um aumento de
porosidade em algum outro ponto (NEVILLE, 1997). Entretanto, Mehta (1994)
não atribui o aumento de volume à formação de etringita propriamente dito,
mas comenta que com a formação de etringita, esta adsorve a água precipitada
na solução devido à presença de cal. Há também a possibilidade de formação
de uma etringita da reação entre sulfatos e o C4AF, que é praticamente amorfa
e não tem associação com expansão.
Todo o Ca2+ que necessita para a reação com o monossulfato para
formação de etringita é provido pelo sulfato de cálcio, visto isso, não se faz
necessário o Ca2+ vindo do hidróxido de cálcio da estrutura ou da fase C-S-H.
42
Desta forma, não ocorre descalcificação da estrutura C-S-H na ocorrência de
ataque por sulfato de cálcio, sendo mantida a integridade da fase.
A primeira manifestação dessa reação é um aumento na resistência da
estrutura. Isso se deve ao fato de os poros passarem a ser preenchidos pela
etringita formada na reação, sem haver nenhum dano inicial. Em caso de
continuidade na formação da etringita, os poros passam a não ter capacidade
para acomodar todo o volume do produto formado, então inicia-se o aumento
das tensões internas que irão resultar em expansão e possível trincamento do
material. Em paralelo com esta situação, pode ocorrer a evaporação da água
presente na superfície da pasta, causando a cristalização da gipsita que está
nos poros, que por sua vez gera instabilidade no volume e na coesão do
material pela pressão da cristalização (SKALNY et al., 2002).
2.3.5.4 Ataque por ácido sulfúrico
Há várias fontes possíveis de ácido sulfúrico que podem atacar as
estruturas de concreto. Uma delas é a oxidação de sulfetos, efluentes de
indústrias, que pode ser formado no esgoto pela reação das bactérias e chuva
ácida (SKALNY et al., 2002).
Diferente de outros ataques, o ataque por ácido sulfúrico não é um
simples ataque por sulfatos, mas sim uma combinação de ataque ácido-sulfato,
onde os compostos ácidos são muito degradantes (SKALNY et al., 2002).
Uma primeira reação (Ca(OH)2 + H2SO4 → CaSO4.2H2O
EQUAÇÃO 12) que ocorre na presença de ácido sulfúrico é o ataque do ácido
ao hidróxido de cálcio para formar sulfato de cálcio (gipsita) e posteriormente
(CaO.SiO2.aq + H2SO4 + H2O→CaSO4.2H2O + SiO2.aq EQUAÇÃO 13),
à fase C-S-H para formar sílica hidratada amorfa (SKALNY et al., 2002):
Em primeira instância:
Ca(OH)2 + H2SO4 → CaSO4.2H2O EQUAÇÃO 12 Ácido sulfúrico Gipsita
Posteriormente:
43
CaO.SiO2.aq + H2SO4 + H2O→CaSO4.2H2O + SiO2.aq EQUAÇÃO 13 Sílica hidratada
Devido ao baixo pH provocado pelo ácido, o sulfoaluminato de cálcio
hidratado presente na estrutura perde sua estabilidade e se transforma em
gipsita e sulfato de alumínio. Ao mesmo tempo, em caso de o sulfato de cálcio
ter migrado para o interior da estrutura onde o pH está alto o suficiente, há a
formação limitada de etringita. Estes processos estão associados à degradação
do cimento hidratado e à perda de resistência (SKALNY et al., 2002).
2.3.5.5 Resultados do Ataque
Segundo Biczók (1960), pode-se investigar a situação da estrutura
atacada por sulfatos por:
Inspeção visual da superfície da estrutura de concreto, eflorescências ou
depósitos de substâncias, suas espessuras e aparência, cor, odor
ocasional também devem constar na investigação.
A resistência do concreto e suas características físicas, que podem ser
determinados por instrumento de teste de ultrasom.
Durante a investigação da superficie do concreto, deve-se tomar registro
da fragmentação, da frouxidão, do desgaste, deterioração das bordas,
pontos de ferrugem sobre as barras de aço, manchas de umidade,
fraturas e outros defeitos, assim como da condição do selante
impermeabilizante se houver.
São consideradas manifestações do ataque, segundo Skalny et al.
(2002), a desagregação do sulfato de cálcio da pasta de cimento,
desagregação de produtos da hidratação previamente formados, formação de
gipsita, formação de etringita, formação de taumasita, formação de silicato de
magnésio hidratado, formação de gel de sílica, entre outros.
Todos os mecanismos de ataque são considerados por Skalny et al.
(2002) como físico-químicos, que são responsáveis por mudanças na
permeabilidade e porosidade do concreto, instabilidade volumétrica, mudanças
44
no módulo de elasticidade, resistência e dureza, consequências que encurtam
o tempo de serviço da estrutura.
Segundo Neville (1997), os resultados do ataque por sulfatos são, além
de desagregação do concreto por expansão e por fissuração, perda de
resistência devido à perda de aderência entre a pasta de cimento e as
partículas dos agregados e a perda de coesão na pasta de cimento. Após o
ataque, o concreto apresenta uma aparência esbranquiçada e característica. A
deterioração se inicia nos cantos e arestas da estrutura, com posterior
fissuração e lascamentos progressivos culminando em uma estrutura friável e
até mesmo mole. Estes danos visíveis são causados por processos invisíveis à
olho nú. A FIGURA 3 e a FIGURA 4 exemplificam a situação do ataque.
FIGURA 3 - MODOS DE ATAQUE, (a) TIPO ÁCIDO, (b) TIPO EXPANSIVO, (c) TIPO CAMADAS DE CEBOLA. FONTE: AL-AMOUDI (2002, p.2)
45
FIGURA 4 – PARTÍCULA DE AGREGADO DA ESTRUTURA DE UMA PONTE EXPOSTA À
ÁGUA DO MAR. FONTE: SKALNY et al. (2002, p.34)
Em artigo publicado em 2004, Neville expressa que formas de ataque
por sulfatos, sendo interna ou externa, não são causas principais da
degradação de estruturas de concreto. Comenta também que a deterioração
relacionada a sulfatos é globalmente pequena em comparação com danos de
corrosão de aço ou por congelamento e descongelamento.
Segundo Neville (2004 apud. Mehta et al. 1993), o ataque por sulfatos
raramente é o único fenômeno responsável pela deterioração do concreto.
Também expõe que a ameaça de falhas estruturais devido ao ataque por
sulfatos se mostra inferior àquela causada por reações álcali-sílica. Porém,
enfatiza que estruturas de concreto atacadas por sulfato requerem
preocupação.
Neville (2004) conclui que o ataque por sulfatos em estruturas de
concreto não é generalizado, exceto em algumas áreas. Comenta que a
quantidade de pesquisas em laboratório sobre o assunto parece ser
desproporcionalmente grande em comparação com o entendimento dos
pesquisadores sobre ataque por sulfatos, que continua inadequado.
46
2.3.6 Microscopia Eletrônica de Varredura – MEV
O concreto, por ser um material com ampla utilização em diversas áreas,
deve ser muito bem estudado, para que seja possível obter suas propriedades
físicas e químicas, e estabelecer um padrão de comportamento. Dentro desse
estudo, um fator que possui grande influência é a microestrutura do concreto,
visto que é o que vai assegurar o comportamento adequado do concreto em
cada situação.
O Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) é o equipamento ideal
para o estudo dessa microestrutura, devido a sua alta resolução (2 a 5 nm),
grande poder de aumento (em torno de 10.000 vezes para análise de
materiais), e a possibilidade de combinar a análise microestrutural com a
análise química (MALISKA).
O MEV utiliza um feixe de elétrons para a análise, esse feixe é irradiado
sobre a amostra e então ocorre uma interação entre o material e os elétrons;
como resultado são emitidas várias radiações que, quando captadas
corretamente, fornecem informações características sobre a amostra, como
topografia da superfície, cristalografia, composição, entre outras. (MALISKA)
De acordo com Dedavid et al; (2007), o equipamento é composto
essencialmente por uma coluna óptico-eletrônica adaptada a uma câmara com
porta-amostra aterrado, sistema eletrônico, detectores e sistema de vácuo. Na
FIGURA 5, um esquema ilustrativo do equipamento:
47
FIGURA 5 - ESQUEMA ILUSTRATIVO DE UM MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE
VARREDURA FONTE: DEDAVID ET AL., (2007, P. 14)
Segundo Maliska, é na coluna óptico-eletrônica que se localizam o
canhão de elétrons, as lentes condensadoras e as bobinas. Nessa coluna
ocorre a produção do feixe de elétrons pelo canhão, esse feixe tem seu
percurso ajustado pelas lentes condensadoras e seu foco corrigido pelas lentes
objetivas. Durante a emissão do feixe, toda a coluna deve estar sob vácuo.
A câmara de amostras é o local onde as amostras são inseridas para
análise, a pressão nessa câmara é de 10-6 Torr, e ela pode possuir botões para
ajustes manuais de posionamento nas três direções (x, y e z) e da rotação da
amostra na parte externa, os quais também podem ser feitos pelo software.
(DEDAVID et al., 2007)
Os detectores coletam o sinal emitido pelos diferentes tipos de
interações entre o feixe e a amostra. Ficam ligados a uma tela de visualização
e um sistema de gravação de imagens. São eles que fazem com que a energia
emitida pela interação entre os elétrons e a amostra se codifiquem em
imagens. (DEDAVID et al., 2007)
De acordo com Goodhew et al. (2001), para que as imagens geradas no
MEV sejam claras, é necessário que a amostra seja eletricamente condutora,
por causa da produção de elétrons. Para se atingir esse estado, as amostras
48
são revestidas de uma fina camada condutora de ouro ou carbono, processo
denominado pulverização catódica.
Segundo Neville (2004), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) não
deve ser o principal método de se determinar se ocorreu ataque por sulfato em
determinada estrutura.
Em alguns casos, a MEV tem sido usada para determinar a ocorrência
do ataque por sulfatos por detectar a presença de etringita. Este mecanismo
não mostra a presença de compostos, mas sim de elementos químicos, e a
partir da análise da quantidade de elementos define-se os compostos
presentes, sendo assim, pode-se estar comprovando equivocadamente a
presença de etringita.
A presença de etringita não necessariamente causa danos à estrutura,
pois depende se a etringita se formou nos trincos e vazios já existentes da
estrutura ou se os trincos foram causados pela expansão na formação da
etringita. Além disso, a existência de etringita não é um sinal de ataque por
sulfato, a menos que sua concentração seja maior do que a experada da
hidratação do cimento. Não é simples a determinação da quantidade de
etringita formada na hidratação do cimento, pois a composição do cimento nem
sempre é conhecida no momento da análise.
Segundo Skalny et al. (2002), análises a partir de microscopia eletrônica
de varredura de materiais cimentícios expansivos geralmente mostram a
presença de cristais de etringita acicular crescendo perpendicularmente à
superfície dos compostos de alumínio anidro, do qual a etringita foi formada.
Neville (2004) comenta que pelo fato de, em alguns casos, a formação
de etringita ocorrer abaixo da superfície da estrutura, se torna difícil a análise
por MEV pois este mecanismo foca em um ponto extremamente pequeno da
superfície. Com uma aproximação de 1000 vezes, chega-se a uma área de 10-6
x 10-6 m. Então, para a investigação do ataque por sulfatos, devido ao tamanho
muito pequeno das imagens de MEV, recomenda-se utilização de processos
desde grandes escalas (dezenas de metros) à escalas microscópicas (dezenas
de nanômetros), para escolher amostras que adequadamente representam o
concreto deteriorado e para correta interpretação dos resultados.
Outra situação relacionada à MEV seria a influência da humidade
relativa à qual a amostra fica exposta no ensaio (dado exceção aos
49
instrumentos mais novos). Devido à isto, resultados de analises em MEV tem
mostrado informações enganosas e limitadas sobre reações de expansão em
concreto, sendo assim, são recomendados outros métodos para estas análises.
São exemplos de imagens obtidas através da microscopia eletrônica de
varredura em amostras de concreto a FIGURA 6 e a FIGURA 7:
FIGURA 6 – IMAGEM DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
DEMONSTRANDO RACHADURA NA PARTÍCULA DE AGREGADO CAUSADA PELA FORMAÇÃO DE GEL ASR.
FONTE: SKALNY et al. (2002, p.90)
FIGURA 7 – IMAGEM DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA INDICANDO (1)
FORMAÇÃO DE ETRINGITA, (2) FORMAÇÃO DE ETRINGITA E GIPSITA, (3) E (4) GIPSITA. FONTE: HACHEM; ROZIÈRE; GRODIN E LOUKILI (2012, P.6)
Segundo Baba-kishi et al. (1995), a microscopia eletrônica de varredura
tem sido desenvolvida ao longo dos últimos anos para envolver grande número
de técnicas para caracterização de materiais. Além de sua ótima capacidade
Matriz da pasta
de cimentos
C-S-H na
trinca do
agregado
C-S-H na trinca
da pasta de
cimento
Etringita na
trinca da pasta
de cimento
Partícula de
agregado fissurada
1
2
3
2
4
2
50
de formação de imagens, outros modos incluem análises fluorescentes de raio
x, catodoluminescencia, contraste magnético de imagem, feixe de elétrons
induzido e difração de elétron. Todas essas técnicas podem ser empregadas a
amostras com pouca ou nenhuma preparação requerida.
O MEV também permite a detecção de etringita no concreto, porém,
como é possível identificar apenas elementos químicos, e não compostos, essa
detecção pode estar errada (Neville, 2004).
2.4 ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
Esgoto é o termo usado para caracterizar os despejos provenientes das
diversas modalidades do uso e da origem das águas, tais como as de uso
doméstico, industrial, comercial, as de utilidades públicas, de áreas agrícolas,
de superfície, de infiltração, pluviais, e outros efluentes sanitários. (JORDÃO;
PESSÔA, 2005).
Segundo Aisse (2000), o esgoto pode ser classificado em:
Sanitário, comum ou doméstico, proveniente da atividade doméstica
(aparelhos sanitários, cozinhas, lavagem de roupas, etc.);
Industrial, provenientes de processos industriais;
Pluvial, decorrente da coleta da precipitação atmosférica e da lavagem
das ruas;
Esses despejos não podem ser lançados nos corpos d’água sem
tratamento, pois podem provocar muitos problemas, entre eles: poluição,
contaminação bacteriana e o aparecimento de doenças. Para evitar isso, os
despejos são direcionados à estação de tratamento de efluentes (ETE), onde
passam por processos de tratamento, que podem ser físicos, químicos,
biológicos, ou uma combinação destes.
51
2.4.1 Tratamento preliminar
De acordo com Crespo (2005), o tratamento preliminar tem a função de
remover os sólidos maiores e as areias que são transportadas pelos esgotos.
O método mais comumente usado para a remoção dos sólidos
grosseiros é o gradeamento, que funciona impedindo a passagem de materiais
com dimensão maior do que o espaço entre as grades. Mas há alternativas:
peneiras rotativas ou estáticas, e trituradores. A remoção dos sólidos
grosseiros tem como principais objetivos: proteção dos dispositivos de
transporte dos esgotos (bombas e tubulações), proteção das unidades de
tratamento subsequentes, e proteção dos corpos receptores (VON SPERLING,
2005).
A remoção da areia é feita através dos desarenadores, que usam o
mecanismo de sedimentação para que os grãos de areia, que são mais densos
e possuem maiores dimensões, vão para o fundo do tanque, enquanto a
matéria orgânica continua em suspensão e segue para as outras unidades de
tratamento. A remoção de areia protege os equipamentos contra a abrasão,
entupimento e obstrução de canalização e depósito de material inerte nos
decantadores, digestores, etc (AISSE, 2000)
2.4.2 Tratamento primário
O tratamento primário destina-se a remoção de sólidos sedimentáveis e
flutuantes.
Depois de passar pelo tratamento primário, o esgoto ainda possui uma
considerável quantidade de sólidos em suspensão não grosseiros, que é
composto em grande parte de matéria orgânica (VON SPERLING, 2005).
Os decantadores removem esses sólidos em suspensão, através do
simples processo de sedimentação; essa remoção permite que o esgoto seja
lançado nos corpos receptores ou prosseguir para o tratamento secundário. Há
uma remoção da ordem de 40 a 60% desses sólidos e em torno de 25 a 35%
52
da DBO; quando essa eficiência não é atingida, é uma indicação de que há
problemas, que podem ser: má operação, sobrecarga da instalação ou
septicidade do esgoto afluente (JORDÃO E PESSÔA, 2005).
Os sólidos flutuantes, também chamados de “gorduras”, são os óleos,
graxas, ceras e outros materiais com densidade inferior à da água que estão
presentes no esgoto. Esses sólidos precisam ser removidos para evitar:
obstruções dos coletores, aderência nas peças especiais da rede de esgotos,
acúmulo nas unidades de tratamento provocando odores desagradáveis e
perturbações no funcionamento dos dispositivos de tratamento, e aspectos
desagradáveis nos corpos receptores (JORDÃO E PESSÔA, 2005). Esses
sólidos são removidos nos decantadores também, pois com a circulação do
esgoto, têm a tendência de subir para a superfície, pois têm uma densidade
menor, e assim são coletados e removidos do tanque para posterior tratamento
(VON SPERLING, 2005)
2.4.3 Tratamento Secundário
O tratamento secundário tem como principal finalidade a remoção da
matéria orgânica, por meio de reações bioquímicas.
Os métodos para tratamento secundário são: lagoas de estabilização,
processos de lodos ativados, reatores anaeróbios, reatores aeróbios com
filmes, processos de disposição sobre o solo (VON SPERLING, 2005).
No presente trabalho, trataremos apenas dos reatores anaeróbios, pois
os outros métodos não fazem parte do escopo.
2.4.3.1 Reatores anaeróbios
Os reatores anaeróbios mais utilizados são: lagoas anaeróbias, decanto-
digestores, filtros anaeróbios, reatores anaeróbios de manta de lodo e, mais
recentemente, os reatores anaeróbios de leito expandido ou fluidificado. Dentre
esses, os reatores anaeróbios de manta de lodo tem se destacado como os de
53
maior sucesso até hoje, e são esses reatores que serão estudados mais a
fundo para o presente trabalho.
Os reatores UASB se caracterizam pelo fato da biomassa crescer
dispersa no meio, sem nenhum tipo de material de enchimento para suporte. A
imobilização dos microrganismos ocorre por auto-adesão, com a formação de
flocos ou grânulos densos suspensos, que se dispõem em camadas de lodo no
fundo do reator (CAMPOS, 1999).
Os reatores anaeróbios de manta de lodo também podem ser chamados
de Reatores Anaeróbios de Fluxo Ascendente e de Manta de Lodo (RAFA),
mas a nomenclatura mais usada é a inglesa: reatores UASB (Upflow Anaerobic
Sludge Blanket) (VON SPERLING, 2005).
De acordo com Jordão e Pessôa (2005), a alimentação do reator é feita
da seguinte forma: o esgoto desarenado aflui a uma estrutura de distribuição,
geralmente constituída por uma ou mais caixas distribuidoras de fluxo, que fica
na laje superior do reator; dessa estrutura descem tubos verticais de
distribuição, conduzindo o esgoto até o fundo do tanque, ao final dessas
tubulações, o esgoto é liberado para iniciar seu trajeto ascensional.
Quando esse esgoto entra em contato com a manta, ocorre a adsorção
de grande parte da matéria orgânica pela biomassa, que é o começo da
digestão anaeróbia (VON SPERLING, 2005).
Nessa entrada, é necessário tomar cuidado para evitar que ocorra o
chamado “channeling”, que é a formação de canais preferenciais no leito de
lodo. Esse cuidado deve ser maior no tratamento de esgotos de baixa
concentração e/ou a baixas temperaturas. Pode-se evitar esse tipo de situação
com uma distribuição uniforme do esgoto afluente (AISSE, 2000).
Uma boa distribuição também evitará outros problemas, como: mau
contato entre a biomassa e o esgoto (devido ao surgimento de zonas mortas),
e curtos-circuitos hidráulicos. Quanto aos curtos-circuitos hidráulicos, há outros
riscos que devem ser considerados para a sua ocorrência: pequena altura do
leito de lodo, pequeno número de distribuidores do afluente e ocorrência de
lodos com velocidades de sedimentação muito elevadas e/ou muito
concentradas (CAMPOS, 1999).
Devido às atividades anaeróbias, são formados gases, as bolhas dos
quais também tendem a ascender. Esses gases serão coletados na parte
54
superior, no compartimento de gases, para posteriormente serem
reaproveitados ou queimados.
Segundo Von Sperling (2005), para evitar que a biomassa saia com o
efluente, o reator possui uma estrutura capaz de fazer a separação e
acumulação dos gases, e também a retenção e retorno dos sólidos (biomassa)
para o sistema. Essa estrutura é chamada de separador trifásico, pois separa
sólidos, líquidos e gases.
O principal objetivo desse dispositivo é a manutenção do lodo anaeróbio
dentro do reator, possibilitando que o sistema seja operado com elevados
tempos de retenção de sólidos (idade do lodo elevada) (CAMPOS, 1999).
O projeto do separador trifásico depende de alguns fatores:
características da água residuária, tipo de lodo presente no reator, carga
orgânica aplicada, produção esperada de biogás e dimensões do reator. De
forma a evitar a flotação do lodo e a decorrente perda de biomassa do reator,
as dimensões do reator devem permitir a formação de uma interface líquido-
gás no coletor de gases, suficiente para permitir a fácil liberação do gás “retido”
no lodo (CAMPOS, 1999).
Depois da separação dos gases, as outras fases partem da manta de
lodo e ingressam no compartimento de decantação. Nesse compartimento, há
condições ideais de sedimentação das partículas sólidas, em consequência
das baixas velocidades ascensionais e da ausência de bolhas de gás. O
retorno do lodo ao compartimento de digestão não necessita de nenhuma
medida especial, contanto que os seguintes critérios sejam atendidos:
Instalação de defletores, localizados imediatamente abaixo das
aberturas para o decantador, de forma a permitir a separação do
biogás e propiciar que apenas o líquido e os sólidos adentrem ao
compartimento de sedimentação;
Execução das paredes do compartimento de decantação com
inclinações sempre superiores a 45 graus. Idealmente, devem ser
adotadas inclinações iguais ou superiores a 50 graus;
Adoção de profundidades do compartimento de decantação na
faixa de 1,5 a 2,0 metros;
As aberturas que permitem a passagem dos esgotos para o
compartimento de decantação devem ser planejadas de forma a possibilitar: a
55
separação dos gases antes que os esgotos tenham acesso à zona de
decantação, o que colabora para a sedimentação dos sólidos no decantador, e
o retorno dos sólidos, sedimentados no decantador, para o compartimento de
digestão (CAMPOS, 1999).
A coleta do efluente é realizada na parte superior, junto ao
compartimento de decantação. Os dispositivos que geralmente são utilizados
para essa etapa são as placas com vertedores triangulares e os tubos
perfurados submersos (CAMPOS, 1999).
Quando se opta por usar uma canaleta com vertedores triangulares,
alguns cuidados são necessários: nivelamento adequado da canaleta, pois
pequenos desníveis na calha vertedora podem levar à uma variação
significativa da vazão coletada nos diferentes pontos, instalação, como
dispositivo complementar, de um retentor de escuma ao longo da calha, preferir
saídas afogadas, em que não há turbulência do efluente, pois isso pode causar
a libaração de gases junto aos vertedores (CAMPOS, 1999).
A FIGURA 8, FIGURA 9 e FIGURA 10 mostram a representação
esquemática do funcionamento de um reator UASB, e a FIGURA 11 mostra o
reator da ETE Atuba Sul, na cidade de Curitiba.
56
FIGURA 8 - REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DO FUNCIONAMENTO DE UM REATOR
UASB FONTE: VON SPERLING, MARCOS, 2005
FIGURA 9 – VISTA 3D ESQUEMÁTICA DE UM REATOR UASB
FONTE: VON SPERLING, MARCOS, 2005
LEITO DE
LODO
57
FIGURA 10 - REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UM REATOR UASB
FONTE: VON SPERLING, MARCOS, 2005
FIGURA 11 – REATORES UASB NA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO ATUBA SUL
FONTE: SANEPAR (2010)
2.4.4 Tratamento terciário
Esse tratamento avançado objetiva a remoção de nitrogênio e fósforo,
que são responsáveis pela eutrofização dos corpos de água receptores
(CRESPO, 2005). Segundo Von Sperling (2005), o tratamento terciário também
pode ser usado para a remoção de poluentes específicos (geralmente tóxicos
ou compostos não biodegradáveis), ou seja, organismos patogênicos, que
podem ser danosos à saúde humana.
58
A remoção do nitrogênio e do fósforo pode ser realizada através dos
seguintes processos: remoção em lagoas, sistemas de disposição controlado
no solo, remoção biológica em sistemas de lodos ativados e reatores aeróbios
com biofilmes, e remoção físico-química (VON SPERLING, 2005).
O processo de desinfecção não objetiva eliminar totalmente os
microrganismo, é uma etapa apenas para inativar seletivamente espécies de
organismos presentes no esgoto, especialmente aqueles que são uma ameaça
à saúde do ser humano (GONÇALVES, 2003).
2.4.2 Ocorrência do ataque
A estrutura interna de dutos de esgoto está frequentemente submetida à
rápida deterioração, que em casos extremos pode conduzir à completa
deterioração do concreto. Esta situação ocorre quando a atmosfera do esgoto
contém quantidade razoável de sulfeto de hidrogênio (gás). Esta deterioração é
observada apenas na parte da estrutura que está acima do nível da
água/esgoto. O processo consiste em uma gradual desagregação da pasta de
cimento devido à ação da bactéria thiobacillus concretivorus presente no
sistema de esgoto. Esta ação química é realçada pela água corrente que se
torna mecanismo de escoamento dos compostos desagregados. O resultado
desses processos é a redução do material da seção transversal dos tubos de
concreto e de outras estruturas danificadas (SKALNY et al., 2002).
A corrosão da superfície do concreto é decorrência da exposição ao
ácido sulfúrico, composto que é produto final de uma cadeia de reações que
ocorrem devido à atuação da bactéria thiobacillus concretivorus presente no
esgoto. Este processo é classificado por Skalny et al. (2002) como ataque
ácido-sulfato e em redes de esgoto se torna mais severo, pois está associado
ao fluxo de líquidos que se movem ao longo dos processos de tratamento que
transportam os produtos desagregados em decorrência do ataque pelo ácido.
O progresso da corrosão depende da taxa de produção de ácido pelas
bactérias do sistema, das características ligantes do cimento empregado, da
59
vulnerabilidade dos agregados ao ácido e da quantidade e fluxo do esgoto nos
tubos de concreto.
A estabilidade do aglutinante perante ambientes com baixo pH é um
indicador de sua capacidade resistente à corrosão bacteriológica e de sua
capacidade de neutralização. Têm-se informações de que cimento à base de
aluminato de cálcio é mais adequado que o cimento Portland, visto que sua
estabilidade química se estende a baixos valores de pH e sua neutralização é
maior. Esta neutralização pode ainda aumentar executando-se um composto
deste cimento com agregado à base de aluminato de cálcio (SKALNY et al.,
2002).
Para que seja possível a redução da matéria orgânica do esgoto pelas
bactérias redutoras de sulfato, é necessária a presença de oxigênio. Não
havendo oxigênio disponível nos dutos de esgoto por não existir ventilação, as
bactérias utilizam o oxigênio que está combinado com os íons sulfato SO42-,
liberando os íons sulfeto S2-. Este último, por sua vez, reage com a água da
tubulação formando o gás sulfídrico (H2S), esse gás suspenso no duto fica
diretamente em contato com o concreto, desta forma, sofrerá oxidação por ser
absorvido pela estrutura e resultará em ácido sulfúrico (H2SO4). Este ácido
sulfúrico permanece anexado na parte superior da tubulação e então reage
com o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) presente na estrutura do concreto. O
produto resultante desta reação é o gesso (CaSO4.2H2O), como exemplificado
na FIGURA 12 a seguir (SOUZA, 2006).
60
FIGURA 12 – CORROSÃO DE UM DUTO DE CONCRETO POR AÇÃO DOS SULFATOS DO
ESGOTO. FONTE: HELENE (1986).
É possível construir um mecanismo de ventilação forçada nestes dutos
de esgoto para que não haja confinamento do gás sulfídrico formado, porém há
enormes preocupações quanto à inalação humana deste gás. Além de possuir
um odor desagradável, ele se torna tóxico e irritante ao organismo.
Dependendo da concentração do gás no ar, da frequência de exposição, da
duração e da vulnerabilidade individual a intoxicação pode chegar a ser
crônica. Pode também provocar o bloqueio da respiração celular. Algumas das
reações à exposição do gás em quantidades excessivas seriam náuseas,
tonturas, irritação ocular, dor de cabeça, tosse, perda do olfato, hipotensão e
podendo, inclusive, levar à morte quando a concentração ultrapassar 900 ppm
(SOUZA, 2006).
2.5 FORMAS DE PREVENÇÃO DO ATAQUE POR SULFATOS
Para a solução do problema de proteção contra a corrosão, segundo
Biczók (1960), não é necessário apenas determinar que a estrutura está
diretamente em contato com águas agressivas, também precisa-se determinar
o grau de agressividade.
61
Tendo o conhecimento dos vários processos de corrosão, o efeito do
meio agressivo no concreto pode ser determinado. Algumas caracteristicas
permitem uma avaliação preliminar do processo de corosão que ocorrerá no
concreto exposto a certa qualidade de água. Desta forma, as medidas de
proteção necessárias podem ser tomadas para cada caso particular.
Segundo Biczók (1960), estudos confirmam que uma mudança gradual
na composição do cimento seria a medida correta para melhorar sua
resistencia à sulfatos. O cimento Portland com baixo teor de aluminatos e alta
concentração de Fe2O3 revela um alto grau de resistência.
Segundo Mehta e Monteiro (1994), a qualidade do concreto,
especificamente uma baixa permeabilidade, é a melhor defesa contra o ataque
por sulfatos. Os fatores que contribuem para que haja uma baixa
permeabilidade são: cobrimento adequado, alto consumo de cimento, baixa
relação água/cimento, e adensamento e cura apropriados do concreto fresco.
Quanto à relação água/cimento, dependendo da concentração de
sulfato, um máximo de 0,5; se possível, 0,4 é recomendado (SKALNY et al.,
2002)
Uma forma muito utilizada para prevenir o ataque é o uso de cimentos
diferenciados: cimentos resistentes a sulfatos, que possuem baixo teor de C3A,
ou cimentos com escória de alto forno ou pozolanas.
As pozolanas têm um efeito duplo: reagem com o Ca(OH)2, assim esse
composto não pode mais reagir com os sulfatos, e em relação ao cimento
Portland comum, um mesmo teor de cimento composto resulta menor
quantidade de Ca(OH)2. Mas deve-se notar que nem todas as pozolanas são
benéficas, é desejável um baixo teor de óxido de cálcio; especificamente, as
cinzas volantes da classe C diminuem a resistência do concreto ao ataque por
sulfatos (NEVILLE, 1997).
Em ambientes com concentração de sulfatos menores do que 1500 ppm
na água, ou seja, com uma exposição ao sulfato moderada, o teor limite de C3A
recomendado para o cimento é de 5%. Nessas situações, é recomendado o
uso de cimento Portland tipo II, cimento composto com escória de alto forno, ou
cimento pozolânico (NEVILLE, 1997).
Para exposição severa, com uma concentração entre 1500 e 10000
ppm, é recomendado o uso de cimento resistente a sulfato, como o cimento
62
Portland tipo V ASTM, com uma relação água/cimento menor que 0,45
(MEHTA e MONTEIRO, 1994).
Quando há uma concentração maior que 1500 mg/l, o cimento Portland
tipo V não é eficaz, pois nesses casos, geralmente há a presença de cátions de
magnésio e álcalis, o que gera reações por troca de cátions envolvendo a
formação de gipsita, principalmente se o conteúdo de C3S do cimento for alto.
Sob essas condições, recomenda-se o uso de cimentos com alto conteúdo de
alumina, cimentos Portland de alto forno contendo mais de 70% de escória e
cimentos Portland pozolânicos com no mínimo 25% de pozolana (MEHTA e
MONTEIRO, 1994).
Um baixo teor de álcalis é desejável em um cimento resistente a
sulfatos, pois reduz a disponibilidade imediata dos íons sulfato para reação
com o C3A, mas não se sabe se esse efeito é duradouro (NEVILLE, 1997).
A cura com vapor a alta pressão melhora a resistência do concreto aos
sulfatos, tanto para concretos produzidos com cimento resistente a sulfatos
quanto com cimento Portland comum, porque essa melhora é causada pela
transformação do C3AH6 em uma fase menos reativa, e também pela remoção
do Ca(OH)2, devido a sua reação com a sílica (NEVILLE, 1997).
Deve-se ressaltar aqui que apenas o uso de cimentos resistentes a
sulfatos não é suficiente para proteger o concreto em condições severas, isso
porque existem vários tipos de sulfatos nesses casos, não apenas o sulfato de
cálcio. Assim, apesar do cimento resistente a sulfato não conter C3A suficiente
para a formação de etringita expansiva, o Ca(OH)2 e possivelmente também o
C-S-H sejam vulneráveis ao ataque do tipo ácido pelos sulfatos (NEVILLE,
1997).
Segundo Biczók (1960), sob circunstâncias severas a aplicação de um
método de proteção da superfície é necessária para previnir o contato entre o
concreto e o fluido agressivo. Para este fim, várias tintas betuminosas e
camadas selantes são usadas.
63
3 METODOLOGIA
Foram realizados ensaios, que estão descritos nos tópicos que seguem,
para atingir os objetivos do presente trabalho.
Para análise do comportamento do concreto sob diferentes
concentrações de sulfato foi realizado o ensaio de determinação da variação
dimensional (NBR 13583:1996); o ensaio foi realizado no LAME – Laboratório
de Materiais e Estruturas, unidade do LACTEC – Instituto de Tecnologia para o
Desenvolvimento.
Foi coletada uma amostra de esgoto na ETE Santa Quitéria Curitiba
para análise da quantidade de sulfatos, que foi realizada no Laboratório
Limnobras, de acordo com o Standard Methods for the Examination of Water
and Wastewater (2012).
Também foram coletados testemunhos da estrutura da mesma ETE para
análise por microscopia eletrônica de varredura e ensaio de compressão. O
ensaio de compressão foi realizado no LACTEC e a análise por microscopia
eletrônica de varredura foi feita no laboratório de Microscopia Eletrônica da
Universidade Federal do Paraná.
Alguns corpos de prova foram moldados para serem colocados em uma
Estação de Tratamento de Efluentes, para análise de seus comportamentos ao
longo dos anos.
3.1 DETERMINAÇÃO DA VARIAÇÃO DIMENSIONAL DE BARRAS DE
ARGAMASSA DE CIMENTO PORTLAND EXPOSTAS À SOLUÇÃO DE
SULFATO DE SÓDIO
Esse ensaio é normatizado pela NBR 13583:1996, e tem como objetivo
determinar a resistência do cimento quando exposto à soluções agressivas.
64
3.1.1. Séries de corpos de prova
Para este ensaio foram elaborados corpos de prova com diferentes tipos
.de cimento:
Série 1: Corpos de prova com cimento CP IV;
Série 2: Corpos de prova com cimento CP III;
Série 3: Corpos de prova com cimento CP V ARI RS;
Série 4: Corpos de prova com cimento CP II Z;
Série 5: Corpos de prova com cimento CP II Z com tratamento de
superfície;
Estas diferentes séries foram escolhidas para ensaiar e analisar o
comportamento de cada cimento perante a presença do sulfato.
A Série 5, em especial, foi executada para representar o comportamento
de uma estação de tratamento de esgoto com aplicação do poliuretano
elastomérico Zebron, que é um material que é utilizado e recomendado por
empresas de saneamento do Paraná e de Minas Gerais, com 100% de sólidos
(sem solvente), aplicado com equipamento airless spray de alta pressão. Este
poliuretano é recomendado para diferentes ramos de atividades, estações de
tratamento de esgoto, estações de tratamento de água, reservatórios, pontes,
oleodutos, silos para grãos, impermeabilizações, usinas nucleares, entre
outros. Utiliza-se tanto em instalações novas quanto em manutenção e
recuperação de instalações em uso.
O poliuretano foi aplicado pela empresa especializada e certificada pela
Zebron Corporation, Engetintas Revestimentos Anticorrosivos Ltda; uma tabela
com as características do produto encontra-se no anexo deste trabalho.
65
3.1.2 Aparelhagem e materiais utilizados
A aparelhagem utilizada para a realização do ensaio foi a mesma
descrita na norma NBR 13583:1996, a FIGURA 13 mostra as fôrmas utilizadas
para moldagem.
FIGURA 13 - MOLDES PREPARADOS PARA MOLDAGEM.
Os materiais empregados para a realização do ensaio são:
Cimento;
Sulfato de sódio;
Areia, 4 frações, que deve seguir as prescrições da NBR 7214;
Óleo mineral, para lubrificação das formas;
Poliuretano;
A FIGURA 14 mostra as quatro frações de areia usadas.
66
FIGURA 14 - FRAÇÕES DE AREIA USADAS PARA A DOSAGEM
3.1.3 Dosagem de argamassa
A norma NBR 13583 também estabelece a dosagem da argamassa e o
preparo e enchimento dos moldes. O traço para materiais secos deve ser de
1:3,2 (cimento:areia), as quantidades em massa para misturar são: 500g de
cimento, e 1600g de areia, sendo 400g de cada fração; e sendo a relação
água/cimento de 0,60 a quantidade de água de mistura, em massa, é de 300g.
A FIGURA 15 e a FIGURA 16 ilustram o misturador mecânico e a
argamassa depois de misturada, e os moldes preenchidos, respectivamente.
FIGURA 15 - MISTURADOR MECÂNICO E MISTURA PRONTA PARA SER COLOCADA NOS
MOLDES
#0,15 mm
#0,30 mm #0,60 mm
#1,20 mm
67
FIGURA 16 – MOLDES PREENCHIDOS E COBERTOS COM FILME PLÁSTICO PARA
PROTEÇÃO
Para alguns corpos de prova houve a aplicação do poliuretano, para
colocação na Estação de Tratamento.
A aplicação do produto na superfície do concreto exige um controle de
qualidade. A superfície deve estar limpa, seca, íntegra e oferecer perfil de
rugosidade suficiente para aderência adequada. Deve ser removido todo
material solto, agentes de cura, sais, nata e outros materiais estranhos por
meio de jateamento abrasivo ou escarificação mecânica. A espessura
recomendada para o concreto é 1,8 a 3,5 mm para um melhor rendimento do
produto.
3.1.4 Período de cura
A cura dos corpos de prova passa por três períodos: cura inicial ao ar,
com duração de dois dias, cura intermediária em água saturada com cal, com
duração de doze dias, e cura final em água saturada com cal (4 corpos) e em
solução agressiva de sulfato de sódio (4 corpos), com duração de quarenta e
dois dias. Após o término do período intermediário, são feitas as leituras iniciais
68
do comprimento de cada barra, no extensômetro. Para o período final, as duas
séries são separadas, destinando-se uma delas ao recipiente contendo a água
saturada com cal e a outra ao recipiente hermético contendo a solução
agressiva. As medições são feitas a cada catorze dias.
A solução de sulfato de sódio, exemplificada na FIGURA 16, foi
preparada adicionando 200 g de sulfato de sódio anidro à 1600 ml de água
destilada, aquecidos em fogão elétrico até a completa dissolução do composto.
Então, a mistura foi transferida para um balão volumétrico para a adição de
água destilada até a mistura atingir 2 litros, como mostra a FIGURA 17:
FIGURA 17 - PREPARAÇÃO DA SOLUÇÃO DE SULFATO DE SÓDIO
As idades para medição são contadas a partir do momento em que os
corpos de prova são expostos às condições de cura final; são realizadas
medições aos 14, 28 e 42 dias. Durante os períodos entre as medições, os
corpos de prova são armazenados em uma estufa sob regime de temperatura
constante de (40 ± 2)°C, como mostrado na FIGURA 18 abaixo. Deve-se
registrar toda e qualquer anomalia, como: fissuração das barras, tamanho e
intensidade das fissuras, desagregação parcial, total ou empenamento das
barras, entre outras.
69
FIGURA 18 - RECIPIENTES CONTENDO CORPOS DE PROVA NA ESTUFA
3.1.5 Resultados
O método de medida dos corpos de prova utilizado é descrito na NBR
13583 (Determinação da variação dimensional de barras de argamassa de
cimento Portland expostas à solução de sulfato de sódio - ABNT, 1996), que
segue:
I. Para uma primeira medida das séries colocou-se cada corpo de prova
com uma das extremidades para cima, girou-se 360° e tomou-se medida, em
seguida colocou-se a outra extremidade para cima, girou-se 360° e tomou-se
medida. Tomou-se como base a posição que resultou a menor medida. A
primeira medida foi tirada aos 14 dias, quando chegou ao fim a cura
intermediária. Tiraram-se duas medidas de cada, nesta posição.
II. Para as medições seguintes dos corpos de prova, durante a cura final,
14, 28 e 42 dias, estes foram colocados na mesma posição definida na primeira
medida, girados 360º e tomadas duas medidas de cada.
Os cálculos que devem ser feitos são de expansão individual e
expansão média, e estão descritos no item 5.1 da norma NBR 13583:1996.
70
O cálculo da expansão média é realizado pela média aritmética das
expansões individuais dos quatro corpos de prova ensaiados em uma série,
com resultado expresso em porcentagem.
Entretanto, a norma apresenta parâmetros para a utilização das
expansões obtidas para o cálculo das expansões médias, sendo:
I. Para expansões de até 0,020%, considerar como a difereça máxima
entre as leituras tomadas individualmente e a média da série o valor absoluto
de 0,003%.
II. Para expansões superiores a 0,020%, calcular o desvio relativo máximo
(DRM)
( Equação 14)
da série de quatro resultados, que deve ser inferior a 15%. Se DRM for superior
a 15%, desconsidera-se o valor discrepante e calcula-se uma nova média.
Equação 14
O resultado é expresso pelo aumento ou diminuição da expansão da
argamassa. As leituras são realizadas no extensômetro, como ilustra a
FIGURA 19.
FIGURA 19 - MEDIÇÃO DE CORPO DE PROVA NO EXTENSÔMETRO
71
3.2 COLETA DE AMOSTRAS
Em visita à Estação de Tratamento de Esgoto Santa Quitéria, foram
coletados testemunhos de partes deterioradas da estrutura para serem
analisados pelo Microscópio Eletrônico de Varredura.
A primeira amostra foi retirada pela orientadora manualmente, sem a
necessidade de equipamento, como mostra a FIGURA 20, de um reator UASB
que estava desativado na data da visita (25/10/2013). Os elementos estruturais
que compõe o reator estavam visivelmente danificados, e pelo fato de estar
descamando foi possível a retirada da amostra.
FIGURA 20 – RETIRADA DO PRIMEIRO TESTEMUNHO, NO DIA 25/10/2013. À DIREITA, O
LOCAL ONDE FOI FEITA A COLETA
A retirada do segundo testemunho ocorreu com equipamento extrator,
com o auxilio do professor doutor Marcelo Medeiros, na visita do dia
08/11/2013. Este foi retirado da laje do reator sobre o mesmo reator, que
estava desligado. Foi retirado um testemunho mais profundo para a análise nas
diversas camadas da estrutura, com diâmetro de 73,5 mm e comprimento de
104,3 mm. Após a extração, a estrutura foi reparada com graute. A FIGURA 21
e a FIGURA 22 mostram o equipamento usado, o testemunho retirado e o
reparo feito na laje do reator.
72
FIGURA 21 - MÁQUINA EXTRATORA E TESTEMUNHO RETIRADO DA LAJE
FIGURA 22 - REPARO REALIZADO NA LAJE APÓS EXTRAÇÃO DO TESTEMUNHO
As amostras foram levadas ao laboratório de Microscopia Eletrônica da
Universidade Federal do Paraná para serem preparadas para a relização dos
ensaios.
73
3.3 ANÁLISE POR MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA E EDS
(ESPECTROSCOPIA DE DISPERSÃO DE ELÉTRONS)
O ensaio para o presente trabalho, como citado anteriormente, foi
realizado no laboratório de Microscopia Eletrônica da Universidade Federal do
Paraná, no dia 18/11/2013. O microscópio usado foi um microscópio eletrônico
da JEOL modelo JSM-6370 LV, mostrado na FIGURA 23.
FIGURA 23 - MICROSCÓPIO ELETRÔNICO USADO PARA ANÁLISE DO TESTEMUNHO
As amostras foram levadas no período da manhã para preparação, para
que o ensaio pudesse ser realizado no período da tarde. Foram levadas 3
amostras: uma da coleta do dia 25/10/2013, retirada da parede do reator, e
duas do testemunho coletado com máquina extratora no dia 08/11/2013, uma
retirada da parte externa do testemunho (inferior) e outra do lado interno. A
FIGURA 24 mostra um esquema com a localização das amostras no
testemunho.
74
FIGURA 24 – ESQUEMA MOSTRANDO A LOCALIZAÇÃO DAS AMOSTRAS NO TESTEMUNHO
A preparação consistiu em colar as amostras em uma base de metal e
numerá-las, como mostra a FIGURA 25.
FIGURA 25 - AMOSTRAS PREPARADAS PARA ANÁLISE POR MEV
Não foi necessário metalizar a amostra, pois as imagens geradas
estavam com uma resolução suficientemente boa, e, segundo o técnico, o pico
do ouro poderia atrapalhar a leitura do enxofre.
Amostra da
parte externa
do testemunho
Amostra da
parte interna
do testemunho
75
3.4 ENSAIO DE COMPRESSÃO
O testemunho, retirado com equipamento extrator, foi submetido ao
ensaio de compressão estabelcido pela norma NBR 5739/2007. O ensaio foi
realizado no LACTEC, no dia 20/11/2013.
A máquina utilizada foi uma máquina universal de ensaios DL-30000, de
classe 1; o paquímetro utilizado foi um paquímetro digital Coolant Proof.
3.4.1 Preparo do testemunho
Para a execução do ensaio, é necessário preparar o testemunho, de
modo que suas bases estejam planas e perpendiculares ao eixo longitudinal do
testemunho. Essa preparação é estabelecida pela norma ABNT NBR
5738/2003, que determina que os corpos de prova que serão submetidos a
ensaios a compressão axial devem ser rematados, retificados ou capeados.
Os procedimentos realizados foram: retificação e capeamento. A
retificação consiste na remoção mecânica de uma fina camada da base do
corpo de prova, com a finalidade de proporcionar uma superfície lisa. O
capeamento consiste no revestimento das bases do corpo de prova com uma
camada de pasta de enxofre.
3.4.2 Execução do ensaio
Inicialmente são feitas as medidas, com o paquímetro digital, do
diâmetro, da altura sem capeamento e com capeamento, como mostra a
FIGURA 26.
76
FIGURA 26 - MEDIÇÃO DO CORPO DE PROVA COM CAPEAMENTO
Em seguida, as faces dos pratos e do corpo de prova são limpas e secas
e o mesmo é posicionado na máquina. O carregamento de ensaio deve ser
aplicado continuamente e sem choques, com uma velocidade de (0,45 ± 0,15)
MPa/s, a qual tem que permanecer constante durante todo o ensaio. O
carregamento só deve cessar quando houver uma queda de força que indique
sua ruptura.
FIGURA 27 - CORPO DE PROVA POSICIONADO NA MÁQUINA
77
A NBR 5739 (Ensaio de compressão de corpos de prova cilíndricos,
2007) diz que se o corpo de prova apresentar relação h/d menor do que 1,94,
deve-se multiplicar a força F por um fator de correção correspondente ao h/d
encontrado. O diâmetro do testemunho era 73,5 mm e a sua altura 108,7 mm,
desta forma, o h/d é 1,48 que corresponde a um fator de correção igual a 0,96.
Então, a resistência à compressão foi caculada de acordo com a
EQUAÇÃO 15.
EQUAÇÃO 15
Onde:
Fc = resistência à compressão, em MPa.
F = força máxima alcançada, em Newtons.
r = raio do corpo de prova, em milimetros.
3.5 QUANTIFICAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE SULFATOS EM AMOSTRA
DE ESGOTO
De acordo com o Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater (2005), existem cinco métodos de análise de água e de esgoto
para determinação da concentração de sulfatos: método gravimétrico com
combustão de resíduo, método gravimétrico com secagem de resíduo, método
turbidimétrico, método automatizado de azul de metil timol, e método com
injeção de fluxo de azul de metil timol.
O Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater
(2005) estabelece que os métodos gravimétricos (com combustão de resíduo e
com secagem de resíduo), são adequados para concentrações acima de 10
mg/L. O método turbidimétrico é recomendável para faixas entre 1 e 40 mg/L.
O método automatizado de azul de metil timol é indicado para analisar um
maior número de amostras, podendo chegar a mais de 30 amostras por hora.
78
O método escolhido foi o turbidimétrico, devido a rapidez de execução,
disponibilidade dos equipamentos e ampla aceitação.
Foi coletada uma amostra de esgoto in natura para ensaio de
concentração de sulfatos no mesmo dia da retirada do testemunho para o
ensaio de compressão (08/11/2013), na entrada do reator UASB.
A leitura da concentração foi feita em um turbidímetro, conforme
procedimento descrito no Standard Methods for the Examination of Water and
Wastewater do ano de 2012 (literatura usada para os procedimentos realizados
no laboratório da Limnobras).
O laudo do ensaio de concentração de sulfato na amostra de esgoto
teve algumas restrições. O laboratório contratado para realização do ensaio
declarou que para amostras de água tratada o parâmetro de quantificação de
sulfato parte de 10,0mg/l, porém este limite sobe para 100mg/l quando se trata
de água residual. Tentou-se uma filtração com membrana com porosidade de
0,45um para clarificação da amostra porém não houve sucesso. Foi preciso
diluir a amostra para realização do ensaio. A FIGURA 51 mostra o resultado do
ensaio que encontrou concentração de sulfato menor que 200mg/l na amostra
de esgoto ensaiada. Foi preciso diluir a amostra em 20 vezes para realização
do ensaio, para diminuição da tturbidez da mesma.
3.6 COLOCAÇÃO DE TESTEMUNHOS EM CAMPO
Além dos corpos de prova do ensaio dimensional, foram moldados 2
corpos de prova adicionais de cada série, totalizando 10 testemunhos, com o
propósito de serem colocados em campo, expostos ao ambiente agressivo da
ETE. A ETE escolhida foi a ETE Santa Quitéria, visto que os testemunhos e
amostras de água foram coletados nessa estação.
Os testemunhos foram armazenados em um dispositivo cúbico, para ser
fixado à estrutura da ETE para análise do seu comportamento. O dispositivo foi
colocado no mesmo reator de onde foram retirados os testemunhos, como
mostram as FIGURA 28, 29 e 30.
79
FIGURA 28 – TESTEMUNHOS NO DISPOSITIVO PARA SEREM COLOCADOS NO REATOR
FIGURA 29 – VISTA DOS REATORES UASB, COM O REATOR ONDE FOI COLOCADO O
PISPOSITIVO EM DESTAQUE
80
FIGURA 30 – DISPOSITIVO COLOCADO NO REATOR
Texto do aviso: “Esta Estação de Tratamento de Efluentes está servindo
de campo para pesquisas para orientandas da Profa Dra Laila Valduga Artigas
da UFPR. Para tanto, foram implantados testemunhos que estão fixados neste
local. Pede-se cuidado no manuseio. OBS: em caso de dúvidas, contacte:
Prof.a Laila ([email protected] ou 041 3361-3364) ou Eng. Anderson Sabbag
([email protected] ou 041 3330-7956). Gratos.”
Devido ao curto período de exposição ao ambiente agressivo, desde a
colocação dos testemunhos na Estação de Tratamento de Esgoto Santa
Quitéria até a análise dos resultados, não foi possível observar mudanças
significativas na superfície das barras.
Estes testemunhos serão deixados na ETE para análise da sua
deterioração ao longo dos anos para simulação da deterioração da estrutura
exposta aos compostos constituidos do íon sulfato.
81
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS
4.1 RESULTADOS OBTIDOS NO ENSAIO DE VARIAÇÃO DIMENSIONAL
Somente foi possível fazer a leitura das séries 1, 2, 3 e 4, pois as barras
da série 5 foram levadas até a Engetintas no dia 29/10/2013 e ficaram aos
cuidados do Senhor Avelino para aplicação do poliuretano. Respeitada a rotina
da empresa, pois pretendeu-se aplicação do poduto nas barras condizente com
a das estruturas de concreto, com aplicação sob pressão e aderencia à
superficie, foi possível pegá-las de volta no dia 19/11/2013. Por este motivo, as
barras da série 5 não passaram pelo processo de imersão em solução
agressiva de sulfato de sódio e neste período não foi possível fazer as leituras
durante a cura final, somente obteve-se a leitura do final da cura intermediária,
como exemplificado na TABELA 8.
Tentou-se submeter as barras revestidas por poliuretano ao ensaio de
variação dimensional, mesmo não obtendo os resultados dentro do prazo deste
trabalho, porém encontrou-se problemas na adequação destes corpos de prova
com a norma do ensaio. O ensaio é baseado na leitura dos comprimentos
tendo como base o parafuso fixado na extremidade da barra, que encaixa no
relogio medidor. Nas barras com poliuretano, estes parafusos foram revestidos
por completo, havendo alteração de comprimento total da barra e, em alguns
casos perda do contorno do parafuso. Desta forma, não seria possível a leitura
destas barras respeitando a NBR 13583 (1996). A FIGURA 31 mostra esse
problema com os parafusos das barras com poliuretano.
Por problemas de ensaio, algumas leituras não foram realizadas nas
datas especificadas (leitura dos 14 dias das séries 1 e 4, e leitura dos 28 dias
da série 2). As leituras dos corpos de prova E, F, G e H dessas séries não
foram feitas nesses dias. Estes valores indicados na TABELA 8 (grifados) são
uma média calculada com os valores das leituras anteriores e posteriores de
cada série, para fins de delineamento gráfico.
82
TABELA 8 – TABELA DE LEITURAS NO EXTENSÔMETRO
CORPO DE
PROVA
CIMENTO CURA 12 DIAS
(mm) CURA FINAL- 14
DIAS (mm) CURA FINAL - 28
DIAS (mm) CURA FINAL - 42
DIAS (mm) CURA FINAL
1.A CP IV 2,18 2,181 2,247 2,197 2,285 2,263 2,209 2,297 cal
1.B CP IV 2,234 2,229 2,254 2,254 2,283 2,27 2,281 2,285 cal
1.C CP IV 0,699 0,729 0,812 0,755 0,817 0,782 0,802 0,771 cal
1.D CP IV 2,546 2,543 2,54 2,545 2,543 2,542 2,544 2,545 cal
1.E CP IV -0,993 -0,997 -0,9135 -0,9235 -0,834 -0,85 -0,886 -0,89 sulfato
1.F CP IV -1,755 -1,762 -1,6485 -1,654 -1,542 -1,546 -1,575 -1,578 sulfato
1.G CP IV -0,56 -0,564 -0,448 -0,4505 -0,336 -0,337 -0,364 -0,365 sulfato
1.H CP IV -0,38 -0,379 -0,2665 -0,267 -0,153 -0,155 -0,19 -0,193 sulfato
2.A CP III -1,346 -1,374 -1,302 -1,338 -1,29 -1,302 -1,907 -1,913 sulfato
2.B CP III -1,913 -1,955 -1,925 -1,878 -1,881 -1,924 -3,319 -3,32 sulfato
2.C CP III -1,746 -1,751 -1,746 -1,739 -1,728 -1,727 -1,739 -1,742 sulfato
2.D CP III -1,666 -1,679 -1,633 -1,676 -1,625 -1,651 -2,25 -2,257 sulfato
2.E CP III -1,72 -1,677 -1,688 -1,807 -1,991 -2,0535 -2,294 -2,3 cal
2.F CP III -1,955 -1,985 -1,929 -1,967 -2,0515 -2,074 -2,174 -2,181 cal
2.G CP III 1,534 1,466 1,882 1,796 1,5265 1,481 1,171 1,166 cal
2.H CP III 1,342 1,338 1,344 1,34 1,333 1,3305 1,322 1,321 cal
3.A CP V ARI RS -2,677 -2,708 -2,664 -2,667 -2,684 -2,689 -2,836 -2,838 sulfato
3.B CP V ARI RS -1,631 -1,664 -1,692 -1,645 -1,698 -1,611 -3,035 -3,03 sulfato
3.C CP V ARI RS -1,799 -1,764 -1,739 -1,777 -1,766 -1,787 -2,465 -2,47 sulfato
3.D CP V ARI RS -2,36 -2,344 -2,277 -2,315 -2,368 -2,347 -2,421 -2,417 sulfato
3.E CP V ARI RS -1,638 -1,602 -1,267 -1,216 -1,526 -1,513 -2,841 -2,828 cal
3.F CP V ARI RS -1,268 1,261 1,32 1,317 1,329 1,328 1,258 1,262 cal
3.G CP V ARI RS 3,028 3,025 3,168 3,107 3,157 3,135 3,143 3,129 cal
3.H CP V ARI RS 1,223 1,207 1,319 1,3 1,283 1,278 1,22 1,225 cal
4.A CP II Z -0,932 -0,936 -0,847 -0,854 -0,871 -0,87 -0,884 -0,883 sulfato
4.B CP II Z -2,056 -2,016 -1,909 -1,934 -1,927 -1,961 -3,246 -3,322 sulfato
4.C CP II Z -2,037 -2,026 -1,953 -1,97 -1,948 -1,973 -2,888 -2,892 sulfato
4.D CP II Z -2,274 -2,266 -2,119 -2,122 -2,172 -2,166 -2,363 -2,371 sulfato
4.E CP II Z -2,377 -2,397 -2,355 -2,3995 -2,333 -2,402 -3,7 -3,72 cal
4.F CP II Z -1,797 -1,732 -1,753 -1,7325 -1,709 -1,733 -2,215 -2,209 cal
4.G CP II Z 2,015 2,039 2,0225 2,015 2,03 1,991 1,447 1,432 cal
4.H CP II Z 2,379 2,344 2,364 2,3495 2,349 2,355 1,554 1,546 cal
5.A CP II Z -1,158 -1,171
5.B CP II Z -0,179 -0,178
5.C CP II Z -0,421 -0,42
5.D CP II Z 1,87 1,7738
5.E CP II Z -2,042 -1,949
5.F CP II Z 1,763 1,693
5.G CP II Z -1,719 -1,615
5.H CP II Z -2,35 -2,391
83
FIGURA 31 – DETALHE DA EXTREMIDADE DAS BARRAS.
4.1.1 Expansão Individual
O resultado da expansão individual de cada corpo de prova é dado em
porcentagem, como ilustra a TABELA 9. É obtido pela diferença entre o valor
medido na idade correspondente, em milímetros, e a leitura inicial do mesmo
corpo de prova, em milímetros, dividida pelo seu comprimento efetivo (295 mm)
e multiplicado por 100. Deve ser considerado o sinal pois, quando negativo,
indica uma retração.
Barra com
poliuretano
84
TABELA 9 – VALORES DE EXPANSÃO INDIVIDUAL
EXPANSÃO INDIVIDUAL (%)
SÉRIE CIMENTO 14 DIAS 28 DIAS 42 DIAS
1.A CP IV 0,014 0,032 0,025
1.B CP IV 0,008 0,015 0,017
1.C CP IV 0,024 0,029 0,025
1.D CP IV -0,001 -0,001 0,000
1.E CP IV 0,026 0,052 0,036
1.F CP IV 0,036 0,073 0,062
1.G CP IV 0,038 0,076 0,067
1.H CP IV 0,038 0,076 0064
2.A CP III 0,014 0,022 -0,186
2.B CP III 0,011 0,011 -0,470
2.C CP III 0,002 0,007 0,003
2.D CP III 0,006 0,012 -0,197
2.E CP III -0,017 -0,110 -0,203
2.F CP III 0,007 -0,031 -0,070
2.G CP III 0,115 0,001 -0,112
2.H CP III 0,001 -0,003 -0,006
3.A CP V ARI RS 0,009 0,002 -0,049
3.B CP V ARI RS -0,007 -0,002 -0,469
3.C CP V ARI RS 0,008 0,002 -0,233
3.D CP V ARI RS 0,019 -0,002 -0,023
3.E CP V ARI RS 0,128 0,034 -0,412
3.F CP V ARI RS 0,448 0,452 0,428
3.G CP V ARI RS 0,038 0,041 0,037
3.H CP V ARI RS 0,032 0,022 0,003
4.A CP II Z 0,028 0,022 0,017
4.B CP II Z 0,039 0,031 -0,423
4.C CP II Z 0,024 0,024 -0,291
4.D CP II Z 0,051 0,034 -0,033
4.E CP II Z 0,003 0,007 -0,448
4.F CP II Z 0,007 0,015 -0,152
4.G CP II Z -0,003 -0,006 -0,199
4.H CP II Z -0,002 -0,003 -0,275
4.1.2 Expansão Média
Na TABELA 10 foram assinalados em vermelho os valores discrepantes
e calculada uma nova expansão média (TABELA 11) para cada grupo de 4
barras que teve seu DRM > 15%.
85
TABELA 10 – VALORES DISCREPANTES
EXPANSÃO INDIVIDUAL (%)
SÉRIE CIMENTO 14 DIAS 28 DIAS 42 DIAS
1.A CP IV 0,014 0,032 0,025 1.B CP IV 0,008 0,015 0,017 1.C CP IV 0,024 0,029 0,025 1.D CP IV -0,001 -0,001 0,000 1.E CP IV 0,026 0,052 0,036 1.F CP IV 0,036 0,073 0,062 1.G CP IV 0,038 0,076 0,067 1.H CP IV 0,038 0,076 0,064
2.A CP III 0,014 0,022 -0,186 2.B CP III 0,011 0,011 -0,470
2.C CP III 0,002 0,007 0,003
2.D CP III 0,006 0,012 -0,197
2.E CP III -0,017 -0,110 -0,203
2.F CP III 0,007 -0,031 -0,070
2.G CP III 0,115 0,001 -0,112
2.H CP III 0,001 -0,003 -0,006
3.A CP V ARI RS 0,009 0,002 -0,049
3.B CP V ARI RS -0,007 -0,002 -0,469
3.C CP V ARI RS 0,008 0,002 -0,233 3.D CP V ARI RS 0,019 -0,002 -0,023 3.E CP V ARI RS 0,128 0,034 -0,412 3.F CP V ARI RS 0,448 0,452 0,428 3.G CP V ARI RS 0,038 0,041 0,037 3.H CP V ARI RS 0,032 0,022 0,003
4.A CP II Z 0,028 0,022 0,017
4.B CP II Z 0,039 0,031 -0,423
4.C CP II Z 0,024 0,024 -0,291
4.D CP II Z 0,051 0,034 -0,033 4.E CP II Z 0,003 0,007 -0,448 4.F CP II Z 0,007 0,015 -0,152 4.G CP II Z -0,003 -0,006 -0,199 4.H CP II Z -0,002 -0,003 -0,275
86
TABELA 11 – EXPANSÃO MÉDIA RECALCULADA
EXPANSÃO MÉDIA (%)
SÉRIE CIMENTO 14 DIAS 28 DIAS 42 DIAS
1.A CP IV
0,011 0,015 0,025 1.B CP IV
1.C CP IV
1.D CP IV
1.E CP IV
0,038 0,076 0,063 1.F CP IV
1.G CP IV
1.H CP IV
2.A CP III
0,009 0,011 -0,186 2.B CP III
2.C CP III
2.D CP III
2.E CP III
0,004 -0,017 -0,070 2.F CP III
2.G CP III
2.H CP III
3.A CP V ARI RS
0,009 0,000 -0,049 3.B CP V ARI RS
3.C CP V ARI RS
3.D CP V ARI RS
3.E CP V ARI RS
0,034 0,034 0,020 3.F CP V ARI RS
3.G CP V ARI RS
3.H CP V ARI RS
4.A CP II Z
0,028 0,031 -0,033 4.B CP II Z
4.C CP II Z
4.D CP II Z
4.E CP II Z
0,001 0,002 -0,199 4.F CP II Z
4.G CP II Z
4.H CP II Z
4.1.3 Expressão dos resultados
O resultado das leituras é expresso pela retração ou expansão da
argamassa exposta ao ataque da solução de sulfato de sódio em relação à
retração ou expansão da argamassa que passou pela cura em água saturada
com cal (TABELA 12), devendo ser calculado conforme
EQUAÇÃO 16.
87
EQUAÇÃO 16
Onde:
Es = expansão média das barras curadas em solução agressiva de
sulfato de sódio, em %.
Ea = expansão média das barras curadas em água saturada com cal,
em %.
Ae = expansão resultante, em %.
TABELA 12 – EXPANSÕES RESULTANTES
SÉRIE CIMENTO IDADE Ae
1 CP IV 14 DIAS 0,0271 CP IV 28 DIAS 0,0611 CP IV 42 DIAS 0,0382 CP III 14 DIAS 0,0042 CP III 28 DIAS 0,0282 CP III 42 DIAS -0,1163 CP V ARI RS 14 DIAS -0,0263 CP V ARI RS 28 DIAS -0,0343 CP V ARI RS 42 DIAS -0,0694 CP II Z 14 DIAS 0,0274 CP II Z 28 DIAS 0,0294 CP II Z 42 DIAS 0,166
A FIGURA 32 ilustra o comportamento das barras ao longo de todo o
processo de cura e o limite de expansão para cimento resistente a sulfatos,
estabelecido pela NBR 13583, que é 0,03%.
FIGURA 32 – EXPANSÃO RESULTANTE DAS LEITURAS DAS BARRAS.
88
4.2 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)
As imagens obtidas através da microscopia eletrônica de varredura
mostram grande diferença na microestrutura do concreto que está
superficialmente exposto e do concreto do interior da peça.
As FIGURA 33, 34 e 35 a seguir exemplificam esta afirmação.
Na FIGURA 33 tem-se uma ampliação de 50x da Amostra 1 (parede do
UASB). Pode-se notar grande formação de etringita secundária em toda a sua
superfície, em forma acicular, composto resultante do ataque sofrido pelo
concreto exposto ao ambiente agressivo. A FIGURA 34 mosta uma imagem,
também com ampliação de 50x da Amostra 2 (parte interna do concreto). A
imagem da Amostra 1 se assemelha com a imagem da Amostra 3 (teto do
UASB), ilustrada na FIGURA 35. A Amostra 3, bem como a Amostra 1, foram
retiradas da superfície do concreto exposto ao gás desprendido do esgoto, o
gás sulfídrico (H2S), causador da deterioração superficial da estrutura.
FIGURA 33 – IMAGEM DE MEV DA AMOSTRA 1 – PAREDE DO UASB. AMPLIAÇÃO 50X.
89
FIGURA 34 – IMAGEM DE MEV DA AMOSTRA 2 – PARTE INTERNA DO CONCRETO.
AMPLIAÇÃO 50X.
FIGURA 35 - IMAGEM DE MEV DA AMOSTRA 3 – TETO DO UASB. AMPLIAÇÃO 50X.
Nesta ampliação (50x) pode se observar nitidamente a matriz bastante
compacta do concreto na Amostra 2 (parte interna do concreto), enquanto que,
nas Amostras 1 (parede do UASB) e Amostra 3 (teto do UASB) o concreto se
apresenta deteriorado, com uma superfície onde, aparentemente, se veem
agulhas.
Na FIGURA 36, FIGURA 37 e FIGURA 38 usou-se de maior ampliação
(1000x) para avaliação da microestrutura interna que estas apresentavam no
momento da coleta.
90
FIGURA 36 - IMAGEM DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA DA AMOSTRA 1
– PAREDE DO UASB. AMPLIAÇÃO 1000X.
FIGURA 37 - IMAGEM DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA DA AMOSTRA 2
– PARTE INTERNA DO CONCRETO. AMPLIAÇÃO 1000X.
Ponto 1
Ponto 2
91
FIGURA 38 – IMAGEM DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA DA AMOSTRA 3
– TETO DO UASB. AMPLIAÇÃO 1000X.
Novamente, se observa a microestrutura distinta da Amostra 2 (parte
interna do concreto) e das Amostras 1 (parede do UASB) e 3 (teto do UASB).
Enquanto na Amostra 2 tem-se uma estrutura mais fechada, com poros mais
refinados (ponto 2 - FIGURA 37), nas Amostras 1 e 3 tem-se vazios de maior
dimensão e quantidade significativa de cristais na forma acicular (ponto 1 -
FIGURA 36 e ponto 3 - FIGURA 38).
Para análise mais detalhada de cada elemento da microestrutura das
amostras, foram realizados ensaios através de EDS, que revelam os elementos
químicos presentes em algumas das estruturas que aparecem nas imagens
anteriores.
A FIGURA 39 mostra os pontos escolhidos para análise química. Já as
FIGURA 40, FIGURA 41 e FIGURA 42 revelam os picos exibidos pela análise
dos pontos 1, 2 e 3, indicados na FIGURA 39, respectivamente.
Ponto 3
92
FIGURA 39 – PONTOS DE REALIZAÇÃO DE EDS AMOSTRA 1 – PAREDE DO UASB.
FIGURA 40 – AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 1 DA AMOSTRA 1.
FIGURA 41 – AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 2 DA AMOSTRA 1.
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FIGURA 42 – AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 3 DA AMOSTRA 1.
Os pontos 1 e 2 da Amostra 1 (parede do UASB) mostram grandes
concentrações de Cálcio e Enxofre, esperados para estes sólidos na forma
acicular. O terceiro ponto foi escolhido por possuir uma forma diferenciada, e
apresentou também composição diferenciada, predominando a Sílica e o
Aluminio.
A FIGURA 43 mostra a ampliação da Amostra 2 (parte interna do
concreto) exemplificando os pontos escolhidos para o EDS e em sequência os
respectivos picos de compostos químicos presentes nas estruturas internas
(FIGURA 44 e FIGURA 45). Estes pontos foram escolhidos por terem
aparências microscópicas diferentes e com o objetivo de se identificar a
estrutura C-S-H no ponto 1.
FIGURA 43 - IMAGEM EDS AMOSTRA 2 – PARTE INTERNA DO CONCRETO.
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FIGURA 44 - AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 1 DA AMOSTRA 2.
FIGURA 45 - AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 2 DA AMOSTRA 2.
Estes resultados mostram a predominância de Sílica, Cálcio e Alumínio
na superfície da Amostra 2, elementos formadores de compostos presentes na
matriz da pasta endurecida. Nota-se que não há pico predominante de enxofre.
A FIGURA 46 expõe, na ampliação da Amostra 3 (parte externa do
concreto), os pontos escolhidos para o EDS e em sequência (FIGURA 47,
FIGURA 48, FIGURA 49 e FIGURA 50) os resultados da composição química
em cada ponto. Estes quatro pontos foram escolhidos para identificação da
composição química das diferentes estruturas que estão presentes nessa
amostra.
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FIGURA 46 - IMAGEM EDS AMOSTRA 3 – TETO DO UASB.
Aqui os pontos 1 e 3, por serem estruturas diferentes, esperava-se
composição química também diferente. Porém, o EDS possui um problema que
pode confundir o resultado, pois o feixe emitido no ensaio pode penetrar além
da estrutura do ponto e resultar uma mistura de elementos químicos desta
estrutura e da vizinhança.
FIGURA 47 - AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 1 DA AMOSTRA 3.
FIGURA 48 - AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 2 DA AMOSTRA 3.
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FIGURA 49 - AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 3 DA AMOSTRA 3.
FIGURA 50 - AVALIAÇÃO QUÍMICA DO ENSAIO EDS DO PONTO 4 DA AMOSTRA 3.
Os resultados da Amostra 3 são muito semelhantes aos da Amostra 1,
os dois revelam ataque pela presença abundante de agulhas de etringita, e em
grandes volumes. Revelam a predominancia de Enxofre e Cálcio, elementos
formadores da etringita e da gipsita, produtos do ataque por sulfatos.
4.3 QUANTIFICAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE SULFATOS EM AMOSTRA
DE ESGOTO
A FIGURA 51 mostra o laudo disponibilizado pelo laboratório contratado
como resultado do ensaio realizado.
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FIGURA 51 – RESULTADO DO ENSAIO DE QUANTIFICAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE SULFATO EM AMOSTRA DE ÁGUA RESIDUAL.
4.4 COLOCAÇÃO DE TESTEMUNHOS NA ETE
Foram tiradas leituras iniciais das barras colocadas na ETE para a
análise ao longo do tempo do comportamento destas. Essas leituras estão
ilustradas na TABELA 13. Uma das barras revestidas com poliuretano, por se
apresentar extensa demais, não pôde ser lida.
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IDENTIFICAÇÃO
CP II Z - 1 -0,345 -0,343
CP II Z - 2 -1,287 -1,291
CP III - 1 -0,153 -0,154
CP III - 2 -0,237 -0,244
CP IV - 1 -2,22 -2,218
CP IV - 2 -1,844 -1,854
CP V ARI RS - 1 1,633 1,631
CP V ARI RS - 2 -2,34 -2,339
CP II Z - Poliuretano - 1 6,86 6,862
CP II Z - Poliuretano - 2 - -
LEITURAS
TESTEMUNHOS LEVADOR A ETE
TABELA 13 – LEITURAS DAS BARRAS COLOCADAS NA ETE.
4.5 ENSAIO DE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
Quando submetido à carga máxima de 186.623 N o testemunho rompeu
apresentando ruptura do tipo cisalhamento, ou seja, ruptura do tipo E
apresentada na FIGURA 52.
FIGURA 52 – RUPTURA TIPO E – CISALHAMENTO. FONTE: NBR 5739 (ENSAIO DE COMPRESSÃO DE CORPOS DE PROVA CILÍNDRICOS,
2007)
O valor da resistência a compressão do corpo de prova resultou em
42,22 MPa. O testemunho retirado possuia armadura no seu interior, o que
pode ter influenciado no resultado.
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FIGURA 53 – IMAGEM DO TESTEMUNHO APÓS ENSAIO DE RESISTÊNCIA À
COMPRESSÃO.
100
5 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Estruturas de concreto expostas a agressividades fora do padrão, como
indústrias, áreas litorâneas, ETE’s, entre outros, necessitam de atenção
especial e correta avaliação do ambiente agressivo para especificação de
projeto para assegurar a durabilidade da estrutura. Construir uma estrutura
pouco durável envolve questões econômicas e, ainda, questões de
saneamento urbano, pois interrupções nos reatores para manutenções da
estrutura geram perda de rendimento no tratamento do afluente.
Embora o resultado do ensaio de quantificação da concentração de
sulfato na amostra de esgoto tenha se mostrado subjetivo, menor que 200mg/l
de SO42-, com diluição ajustada (valor total de sulfatos), esta concentração
indica uma exposição fraca ou moderada. Isto se fundamenta pela análise da
NBR 12655 (Concreto - preparo, controle e recebimento, 2006) que estabelece,
como requisito para concretos expostos a soluções contendo sulfatos, um
máximo de 150 mg/l de SO42- para exposição fraca, e a partir deste valor até
1500 mg/l exposição moderada. Como visto na TABELA 5, a norma canadense
A23.1.94 estabelece como desprezível a agressividade da exposição à
concentrações inferiores a 150 mg/l de SO42-, e a norma européia EN206-
1:2000 e o Código Britânico de Prática CP 110:1972 consideram desprezível
valores abaixo de 200 mg/l de SO42- e 300 mg/l de SO4
2-, respectivamente.
Kulisch (2011) ensaiou duas amostras de água utilizando o método
turbidimétrico, o mesmo utilizado pelo laboratório contratado para realização do
ensaio com a amostra deste trabalho. O valor encontrado pela autora, fazendo
a média aritmética entre os valores de sulfatos das duas amostras, foi de
45,35mg de SO42- por litro de esgoto. Surgem dificuldades na realização do
ensaio com amostra de esgoto, pois esta se apresenta turva, dificultando a
leitura de sulfato pelo método turbidimétrico. Para superar esta dificuldade,
Kulisch (2011) elaborou uma solução branco 2, sem a adição de reagentes,
para subtrair da concrentração encontrada na solução branco 1, com a adição
de reagentes, para encontrar a concentração final de sulfatos, pois a turbidez
da amostra falseia o resultado. No caso do laboratório contratado para o ensaio
deste trabalho, a medida adotada para contornar este problema foi a diluição
101
da amostra, o que deixou a amostra menos turva, e posterior reajuste da
concentração, permitindo desta forma a leitura da amostra. Devido esta
dificuldade, nota-se uma deficiência nos métodos de análise de concentração
de sulfatos em amostras de esgotos, pois estas sempre se apresentarão
turvas. Ainda assim, o resultado obtido está em uma faixa muito ampla, com
uma concentração de sulfatos menor que 200 mg/l, sem uma maior
especificação.
Com o ensaio de microscopia eletrônica de varredura, foram obtidos
fortes indícios do ataque por sulfatos. A Amostra 2 (parte interna do
testemunho) foi retirada de uma camada logo abaixo da camada superficial
atacada, e se mostrou íntegra e saudável, apresentando ainda grandes
quantidades da pasta em boas condições. Isto envidencia o caráter superficial
deste ataque.
As amostras 1 e 3 submetidas ao MEV, que estiveram em contato com o
ambiente agressivo, possuem aparência esbranquiçada e esfarelam com
facilidade, caracteristicas apresentadas por Skalny et al. (2002) para concretos
atacados por sulfatos. Nas imagens do MEV foi possível observar a presença
em grande quantidade das agulhas de etringita e a presença de gipsita,
produtos do ataque.
Esta Estação de Tratamento de Esgoto, de onde foram retirados estes
testemunhos, foi contruída a partir de projeto elaborado no ano de 1995,
quando a norma NBR 6118 ainda não havia passado por revisões. O fck do
concreto utilizado na execução é 22 MPa e o cobrimento das armaduras 2,5
cm, valores acima do recomendado na época pela norma, que seria de 15 MPa
para o concreto e 1,5cm de cobrimento das armaduras. Atualmente as ETE’s
da SANEPAR estão sendo executadas a partir de projetos que especificam fck
de 40 MPa e cobrimento de 4,5cm das armaduras.
Contudo, o resultado do ensaio de resistência à compressão realizado
do testemunho retirado da ETE Santa Quitéria novamente evidencia a
superficialidade do ataque, pois esse apresentou uma resistência à
compressão de 42,22 MPa, apesar de ter tido sua estrutura dimensionada para
um fck de 22 MPa. Este fato revela uma preocupação quanto à resistência
necessária dos concretos que ficarão expostos à ambientes agressivos. Esta
estrutura, que possui resistência à compressão de 42,22 MPa, teve sua
102
superfície bastante deteriorada pelo gás sulfídrico (H2S) desprendido do esgoto
bruto, a ponto de esfarelar-se quando tocada. Também mostra a importância
do uso de cobrimento adequado.
O ACI 318-89 referente a concretos expostos a ataque por sulfatos
estabelece que a mínima resistência para exposição moderada seria de 26
MPa utilizando CP II Z, e para exposição severa e muito severa estabelece a
utilização de CP V ARI RS com resistência mínima de 29MPa. Porém, Kulisch
(2011) provou, por ensaio de variação dimensional acelerado, que o cimento
CP II Z exposto à sulfatos apresenta expansão ao fim de 36 dias (expansão de
0,043%), assim como os ensaios realizados neste trabalho (expansão de
0,166% ao fim de 48 dias). A NBR 12655 (Concreto - preparo, controle e
recebimento, 2006) não estabelece resistência mínima para exposição fraca
(até 150mg/l de SO42-), já para exposição moderada (valores entre 150mg/l e
1500mg/l de SO42-) uma resistência mínima de 35 MPa.
O ensaio de variação dimensional forneceu uma base para avaliação da
resistência de diferentes cimentos à solução de sulfato de sódio, porém foram
encontradas algumas dificuldades nas leituras das barras em relação à
precisão do equipamento de leitura. Com leves toques na barra ou no
extensômetro já se notava alteração na medida mostrada no extensômetro. Por
este fato, obtiveram-se algumas expansões médias com valores que a norma
estabelece como inaceitáveis com a necessidade de se realizar novamente o
ensaio. Estas mesmas dificuldades foram encontradas por Kulisch (2011) na
realização deste ensaio. Uma possível causa deste fato pode ser o recipiente
de estocagem das amostras em cura, que deixa os corpos de prova na posição
vertical. Isto pode causar movimentações dos pinos de referencia para
medição. Estocar os corpos de prova na horizontal poderá minimizar estas
dificuldades de medição.
O comportamento das barras do ensaio de variação dimensional se
mostra tanto coerêntes como divergentes dos dados encontrados nas
bibliografias consultadas. Segundo Neville (1997), cimentos com baixo teor de
C3A são resistente a sulfatos, e também aqueles com adição de escória de alto
forno ou pozolana.
Tem-se a série 2 – CP III que possui baixo teor de C3A, o que o torna
resistente a sulfatos, porém, as barras imersas em solução agressiva
103
apresentaram pequena expansão aos 28 dias de cura final, porém a leitura aos
42 dias de cura final revelou uma considerável retração nestas barras,
enquanto as barras em cal se mantiveram em retração ao longo da cura.
A série 3, com CP V ARI RS, possui alta resistência inicial e é resistente
a sulfatos. A análise do gráfico (FIGURA 32) mostra que houve pequenos picos
de expansão nas primeiras datas, mas logo na sequência as barras seguiram
em retração até a última leitura. Evidenciou-se, desta forma, sua resistência à
solução agressiva de sulfato de sódio.
A série 4, CP II Z, que possui adição de pozolana, mostrou pequenas
expansões iniciais, tanto nas barras em cal como nas barras em sulfato de
sódio, que podem ter origem de equivocos nas medições, e ao final dos 42 dias
de cura apresentou significativa espansão.
Os mesmos cimentos utilizados para moldar os corpos de prova para o
ensaio de variação dimensional foram também utilizados para a execução de
barras para serem anexadas à estrutura da ETE Santa Quitéria para análises
futuras, a partir dos dados apresentados neste trabalho, e poderão resultar em
dados confiáveis. Estes testemunhos terão seus comportamentos
acompanhados e avaliados por leituras no extensômetro, possivelmente a cada
seis meses, para constatação da existência ou não de ataque, nos diferentes
tipos de cimento, devido a agressividade do ambiente. Desta forma, poderá se
avaliar o desempenho do poliuretano exposto ao ataque, para possível
comprovação de sua eficiência contra ataque por sulfatos.
Outro fator importante para esse ensaio que precisa ser analisado é o
fato de ser realizado apenas com sulfato de sódio, pois o sulfato contido no
efluente não necessariamente será esse, então seria necessário fazer ensaios
com outros tipos de sulfato para estudo do comportamento do concreto exposto
aos diversos tipos, visto que diferentes tipos de sulfatos têm fortes influências
na agressividade.
Com estas análises, pode-se notar que é de extrema importância o
desenvolvimento de pesquisas para melhor avaliação de dados das normas
vigentes, para adequá-las a real situação em campo.
104
6 CONCLUSÃO
Entende-se que esta área do conhecimento exige estudos precisos e
mais aprofundados, possivelmente um tema para se desenvolver em algum
programa de pós graduação, em que se empreguem recursos mais técnicos e
específicos para o desenvolvimento de uma pesquisa mais detalhada.
Sugere-se estudos mais aprofundados na questão de análise da
coexistência de ataques de diversas naturezas na mesma estrutura, alcali
agregado, carbonatação, corrosão da armadura por cloretos, lixiviação, entre
outros.
Pôde-se observar, em análise aos resultados, que os cimentos CP III e
CP IV ARI RS se apresentaram resistentes ao sulfato de sódio na
concentração de 100 mg de SO42-/L, já as barras de cimento CP II Z e CP IV
sofreram ataque.
Em relação ao ensaio de microscopia eletrônica de varredura, notou-se
que as estruturas expostas ao gás sulfídrico, além de aparentemente estarem
deterioradas, revelaram microestrutura com quantidade considerável de
etringita secundária, que reduz a resistência da estrutura. Também foi possível
constatar que o ataque ocorrido na estrutura estudada foi superficial, pois a 5
mm da superficie já foi possível obter amostra saudável. O que corrobora isto é
a alta resistência atingida pelo corpo de prova rompido, que revela que a parte
interna da estrutura ainda apresenta boas condições de serviço.
O cobrimento adequado das armaduras visto no testemunho, sendo 2,5
cm, protegeu as armaduras da corrosão, porém não foi suficiente para evitar o
ataque do concreto. Nem mesmo a elevada resistência à compressão atingida
pelo testemunho evitou que a estrutura fosse atacada pelos diversos fatores
agressivos presentes na ETE. Mostra-se necessária a utilização de outros
métodos de proteção, como o emprego de cimentos resistentes a sulfatos ou o
tratamento de superfície com o poliuretano.
Conclui-se, com os resultados obtidos neste trabalho, que ainda há
muito que se desenvolver nesta área do conhecimento. É uma área muito vasta
para novas pesquisas e descobertas. É necessário o desenvolvimento de
métodos e normas adequados às reais situações.
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7 REFERÊNCIAS
AISSE, M. M. Sistemas econômicos de tratamento de esgotos sanitários. Rio de Janeiro: ABES, 2000. APHA, AWWA, WEF. Standard methods for the examination of water and wastewater. 4500 – SULFATE. 21. ed. Washington: APHA, 2005 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7211: Agregados para concreto - Especificação – Procedimento. Rio de Janeiro, 2009. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7214: Areia normal para ensaio de cimento - Especificação. Rio de Janeiro, 1982. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7215: Determinação da resistência a compressão. Rio de Janeiro, 1996. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 9917: Agregados para concreto – Determinação de sais, cloretos e sulfatos solúveis. Rio de Janeiro, 2009. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12655: Concreto de cimento Portland – Preparo, controle e recebimento – Procedimento. Rio de Janeiro, 2006. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13583: Cimento Portland - Determinação da variação dimensional de barras de argamassa de cimento Portland expostas à solução de sulfato de sódio. Rio de Janeiro, 1996. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5739: Concreto – Ensaio de compressão de corpos de prova cilíndricos. Rio de Janeiro, 2007. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5738: Concreto – Procedimento para moldagem e cura de corpos de prova. Rio de Janeiro, 2003.
106
AL-AMOUDI, O. S. B. Attack on plain and blended cements exposed to aggressive sulfate environments. Artigo. Cement and Concrete Composites: Elsevier, 24, 2002. 12 f. King Fahd University of Petroleum and Minerals, Saudi Arabia, 2002. BIKZÓC, I. Concrete corrosion and concrete protection. 2 ed. Budapest: Akadémiai Kiadó, 1964. CAMPOS, J.R. Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição controlada no solo. Rio de Janeiro: ABES, 1999. CETESB - Companhia Ambiental do Estado de São Paulo. Disponível em: <http://www.cetesb.sp.gov.br>. Acesso em 27/04/2013. DEDAVID, BERENICE ANINA; GOMES, CARMEN ISSE; MACHADO, GIOVANNA. Microscopia eletrônica de varredura : aplicações e preparação de amostras: materiais poliméricos, metálicos e semicondutores [recurso eletrônico]. Porto Alegre: EDIPUCRS, 2007. DINGLEY, D. J.; BABA-KISHI, K. Z.; RANDLE, V. Atlas of backscattering kikuchi diffraction patterns. 1. ed. London: Institute of Physics Publishing, 1995. EL-HACHEM, R.; ROZIERE, E.; GRODIN, F.; LOUKILI, A. Multi-criteria analysis of the mechanism of degradation of Portland cement based mortars exposed to external sulphate attack. Artigo. Cement and Concrete Research: Elsevier, 2012. 9 f. Lunam Université, France, 2012. GONÇALVES, R.F. Desinfecção de efluentes sanitários. Rio de Janeiro: Programa PROSAB, ABES, 2003. GOODHEW, P.J.; HUMPHREYS, F.J.; BEANLAND, R. Electron microscopy and analysis. 3. Ed. New York: Taylor & Francis, 2001. HELENE, P. R. L. Corrosão em armaduras para concreto armado. 1. ed. São Paulo: PINI (IPT), 1986. HELENE, P. R. L. Manual para Reparo, Reforço e Proteção de Estruturas de Concreto. 2. ed. São Paulo: PINI, 1992.
107
JORDÃO, EDUARDO PACHECO; PESSOA, CONSTANTINO ARRUDA. Tratamento de esgotos domesticos. 4. ed. Rio de Janeiro: [s.n.], 2005.
KULISCH, D. Ataque por sulfatos em estruturas de concreto. Curitiba, 2011. Trabalho de conclusão de curso - Universidade Federal do Paraná.
MALISKA, ANA MARIA. Microscopia elêtronica de varredura. Apostila. Florianópolis: Universidade Federal de Santa Catarina. MEHTA, P. KUMAR; MONTEIRO, PAULO J. M. Concreto: estrutura, propriedades e materiais. São Paulo: Pini, 1994. NEVILLE, ADAM M. Propriedades do concreto. São Paulo: Pini, 1997. NEVILLE, ADAM M. BROOKS, J. J. Concrete Technology. Burnt Mill: Longman Sci. & Techn., 1987. NEVILLE, A. M. Propriedades do concreto. Tradução de: GIAMMUSSO, S. E. 2. ed. São Paulo: PINI, 1997. NEVILLE, A. The confused world of sulfate attack on concrete. Artigo. Cement and concrete research: Pergamon, 2004. London, UK, 2004. SAWYER, C. N.; MCCARTY, P.L.; PARKIN, G.F. Chemistry for environmental engeneering and science. 5. ed. New York: McGraw-Hill, 2003. cap. 29, p. 670-676. SOUZA, R. B. de. Suscetibilidade de pastas de cimento ao ataque por sulfatos – método de ensaio acelerado. São Paulo, 2006. 131 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. SKALNY, J.; MARCAND, J.; ODLER, I. Sulfate attack on concrete. 1. Ed. London: Son Press, 2002. SKALNY, J.; ODLER, I.; YOUNG, F. Discussion of the paper “Sulfate attack,” or is it? by W. G. Hime and B. Mather. Discusão. Cement and concrete research: Pergamon, 2000. Illinois, USA, 2000.
108
VON SPERLING, MARCOS. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. 3. ed. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Universidade Federal de Minas Gerais, 2005. <http://site.sanepar.com.br/imprensa/galeria/estacao-de-tratamento-de-esgoto-atuba-sul> Acessado em: 30/11/2013
109
8 ANEXO
