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Carbonatação do concreto

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  • Universidade Federal da Paraba Centro de Tecnologia

    Programa de Ps-Graduao em Engenharia Urbana e Ambiental -MESTRADO-

    REALCALINIZAO ELETROQUMICA DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO CARBONATADAS INSERIDAS NO MEIO URBANO - INFLUNCIA DE CARACTERSTICAS DA ESTRUTURA NO COMPORTAMENTO DO TRATAMENTO

    por

    Philippe Hyplito Lins Cabral Ribeiro

    Dissertao apresentada Universidade Federal da Paraba para obteno do grau

    de Mestre

    Joo Pessoa - Paraba Setembro 2009

  • Universidade Federal da Paraba Centro de Tecnologia

    Programa de Ps-Graduao em Engenharia Urbana e Ambiental -MESTRADO-

    REALCALINIZAO ELETROQUMICA DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO CARBONATADAS INSERIDAS NO MEIO URBANO - INFLUNCIA DE CARACTERSTICAS DA ESTRUTURA NO COMPORTAMENTO DO TRATAMENTO

    Dissertao submetida ao programa de Ps-

    Graduao em Engenharia Urbana e Ambiental

    da Universidade Federal da Paraba, como parte

    dos requisitos necessrios para obteno do ttulo

    de Mestre.

    Philippe Hyplito Lins Cabral Ribeiro

    ORIENTADOR: Prof. Dr. Gibson Rocha Meira

    CO-ORIENTADOR: Prof. Dr. Normando Perazzo Barbosa

    Joo Pessoa - Paraba Setembro 2009

  • R484r Ribeiro, Philippe Hyplito Lins Cabral.

    Realcalinizao eletroqumica de estruturas de concreto armado carbonatadas inseridas no meio urbano:influncia de caractersticas da estrutura no comportamento do tratamento / Philippe Hyplito Lins Cabral Ribeiro. - - Joo Pessoa: [s.n.], 2009. 143 f. : il. Orientador: Gibson Rocha Meira. Co-Orientador: Normando Perazzo Barbosa. Dissertao (Mestrado) UFPB/CT. 1.Concreto armado. 2.Carbonatao. 3.Realcalinizao eletroqumica. 4.Durabilidade. UFPB/BC CDU: 624.92(043)

  • A minha querida esposa Clcia, pelo grande amor, compreenso, apoio e incentivo.

    A minha famlia, em especial aos meus pais, Tarcsio e Cassandra, e s minhas avs, Zeneida e Maria das Dores, todos responsveis pela minha formao.

  • AGRADECIMENTOS Ao Deus criador do universo, razo da existncia, por ter nos amado a ponto de entregar o seu Filho unignito, para que todo o que nele cr no perea, mas tenha a vida eterna. Ao Professor Dr. Gibson Rocha Meira pelo incentivo, dedicao, contribuio, ensinamentos valiosos e orientao deste trabalho. Ao Professor Dr. Normando Perazzo Barbosa pela confiana e o apoio como co-orientador deste trabalho. Aos Professores Dr. Eridon Celso Pereira e Dr. Eudsio Oliveira Vilar por disponibilizarem o uso de alguns equipamentos necessrios a esta pesquisa. A todos os funcionrios e demais professores que fazem o Programa de Ps-Graduao em Engenharia Urbana e Ambiental. Aos profissionais do LABEME (Laboratrio de Ensaios de Materiais e Estruturas), onde foi realizada a maioria das etapas desta pesquisa, nas pessoas de Delby, Cludio Mathias, Sebastio, Ricardo, Zito e Francisco, os quais contriburam significativamente para a realizao prtica deste trabalho. Aos alunos do Laboratrio de Patologia das Construes (IFPB), nas pessoas de Rubens, Marquinhos, Jlio, e em especial Pablo, aluno de iniciao cientfica, sempre presente para a realizao deste trabalho (meu brao direito). colega qumica Katya, pelo auxlio na realizao de ensaios de alcalinidade na UFCG. Aos colegas do mestrado e doutorado, em especial a Antnio Sobrinho Junior, Kaline Cibele, Aline Nbrega, Marlia Oliveira, Kelly Gomes, Andressa Vieira e Elisngela pelo incentivo e auxlio durante o curso. Aos colegas de trabalho Franklin, Luciano, Eduardo, Paulo, Geraldo, Clvis e Herivaldo pelos conselhos, incentivo e apoio durante o curso. Ao meu sogro Olmpio, minha sogra Ftima e meu cunhado Cleverton pelo inestimvel suporte que sempre deram. Ao meu irmo Thiago Hyplito e a minha esposa Clcia, pela ajuda direta na preparao das barras e moldagem de alguns corpos de prova deste trabalho. concreteira Polimix, na pessoa de Andrey Lira, pelo fornecimento do cimento de alta resistncia inicial e dos agregados utilizados nesta pesquisa. Enfim, a todos aqueles que contriburam direta ou indiretamente para a realizao e concluso deste trabalho.

  • RESUMO

    Um dos maiores problemas que afeta as estruturas de concreto armado inseridas em ambientes urbanos a corroso das armaduras de ao, que ocorre, principalmente, pela ao dos cloretos ou pela carbonatao do concreto. Para este ltimo caso, a realcalinizao eletroqumica (RAE) tem sido proposta recentemente como um mtodo de tratamento visando o restabelecimento da alcalinidade dos concretos, criando as condies de repassivao das armaduras e aumentando a durabilidade das estruturas. Desse modo, este trabalho teve como objetivo estudar a influncia de caractersticas do concreto e da espessura de cobrimento da armadura na RAE de concretos carbonatados. Para isso foram moldados corpos de prova (CP) prismticos com espessuras de cobrimento de 1 e 2,5cm, utilizando-se os cimentos Portland CP V (Alta Resistncia Inicial - ARI) e CP IV (Pozolnico - POZ) e as relaes gua/cimento 0,55 e 0,65. Primeiramente, as amostras foram submetidas a um processo de carbonatao acelerada (100% de CO2). Aps a despassivao das armaduras, as amostras foram submetidas RAE, sendo o avano da frente de realcalinizao monitorada atravs soluo de timolftalena. Nas duas etapas foi realizado um monitoramento eletroqumico, atravs de medidas de potenciais de corroso (Ecorr), velocidade de corroso (icorr) e resistividade eltrica superficial (). No tratamento utilizou-se uma soluo alcalina de carbonato de sdio (1M), uma malha de titnio (nodo) e uma densidade de corrente mdia de 2 A/mconcreto. Medidas de alcalinidade foram realizadas para os concretos de referncia (REF), carbonatados (CARB) e realcalinizados (RAE). Os resultados mostram que as amostras submetidas ao tratamento apresentaram maior alcalinidade relativa do que as amostras carbonatadas, o que comprovou a eficincia do tratamento em restabelecer a alcalinidade de todo o cobrimento. A alcalinidade relativa dos concretos, proporcionada pelo tratamento, funo da densidade de carga passante. No entanto, h uma tendncia de atenuao dessa influncia com o crescimento da carga passante. Os concretos POZ necessitaram de maiores densidades de carga passante e tempo para realcalinizar todo o cobrimento, embora os concretos ARI tenham obtido maiores alcalinidades relativas aps o tratamento, mostrando que, na RAE, h uma maior dificuldade no restabelecimento da alcalinidade dos concretos compostos com adies minerais. Alm disso, aps o tratamento, foi verificado que os concretos POZ tendem demorar mais para conduzir as armaduras repassivao. As amostras de maior espessura de cobrimento necessitaram de maiores densidade de carga passante e tempo para completar o tratamento e, aps o tratamento, tendem a apresentar menor tempo para conduzir as armaduras repassivao. Com base no monitoramento eletroqumico realizado, observou-se que os valores de Ecorr indicam tendncia de repassivao das armaduras. Por outro lado, embora haja uma tendncia de diminuio dos valores de icorr, estes necessitam de maior intervalo de tempo para fornecerem respostas conclusivas acerca da repassivao das barras. Por fim, a densidade de carga passante, suficiente para restabelecer a alcalinidade do concreto de cobrimento, tem papel fundamental na eficincia do tratamento e no tempo de despolarizao estimado para a repassivao das armaduras. Por outro lado, a densidade de carga passante, excedente quela suficiente para a realcalinizao completa do concreto de cobrimento, no apresenta influencia expressiva na repassivao das armaduras. Palavras-chave: realcalinizao eletroqumica, carbonatao, concreto armado, durabilidade.

  • ABSTRACT

    A serious problem that can damage reinforced concrete structures in urban environments is the corrosion of steel reinforcement, which takes place mainly due to chloride marine regions penetration into concrete and its carbonation. For this last case, the electrochemical realkalisation (ERA) technique has been recently developed as a rehabilitation method aimed on re-establishing concrete alkalinity, which leads to the re-establishment of the steel passivity. This way, this research aimed to study the influence of concrete characteristic and thickness of concrete cover on the ERA. For this purpose, prismatic concrete specimens were cast with two different thickness of reinforcement concrete cover, two types of Portland cements (Brazilian cements type IV and V) and water to cement ratios of 0,55 e 0,65. The specimens were previously carbonated in a chamber with saturated atmosphere (100% of CO2). After loosing the passivity, the specimens were subjected to ERA treatment and the process was monitored by spraying thymolphthalein indicator and electrochemical measurements of half-cell corrosion potencial (Ecorr), corrosion rate (icorr) and superficial resistivity (). These electrochemical measurements were also done along the carbonation period. For the ERA treatment, a sodium carbonate solution (1M) was used as electrolyte, a titanium mesh as the anode and a current density of 2 A/mconcrete. Measurements of alkalinity were carried out for reference (REF), carbonated (CARB) and realkalysed (ERA) concretes. The results pointed out that the treated specimens presented higher relative alkalinity than the carbonated specimens and this confirms the efficiency of the ERA, concerning the re-establishment of the concrete cover alkalinity. The alkalinity provided by the treatment is a function of total electric charged passed, which weakens as total charge passed increases. Pozolanic concretes needed higher electric charged passed than OPC concretes to complete realkalisation of concrete cover, although the last one reached higher relative alkalinity levels. This indicates that the effectiveness of concrete realkalisation with pozolanic addition seems to be more difficult. In addition, after the ERA treatment, pozolanic concretes tend to present longer depolarization periods to repassivate reinforcements. The specimens with thicker concrete cover required higher electric charged passed and more time to complete the treatment and, afterwards, tend to present a shorter time to repassivate reinforcements. It was observed that Ecorr values indicate a reinforcement repassivation tendency. On the other hand, although there is a decrease tendency of icorr values, more time is needed to give definitive responses about reinforcement repassivation. Finally, the electric charged passed, only enough to complete realkalisation of whole concrete cover, has fundamental influence on the efficiency of the treatment and the depolarization period until repassivation. On the other hand, electric charged passed, exceeding that enough to complete realkalisation of whole concrete cover, doesnt present influence on repassivation of steel reinforced. Keywords: carbonation, concrete, corrosion, durability, electrochemical realkalisation.

  • LISTA DE FIGURAS

    Figura 2.1 Diagrama de Pourbaix de equilbrio termodinmico (Fe H2O; 25C). (Pourbaix,

    1972 apud CASCUDO, 1997). .................................................................................... 23 Figura 2.2 Modelo de vida til (Tuutti, 1982). ................................................................... 24 Figura 2.3 Representao esquemtica do processo de carbonatao (BAKKER, 1988). ... 26 Figura 2.4 Avano da frente de carbonatao ao longo do tempo, sob condies aceleradas

    (6% de CO2 em volume) (adaptado de ROY et al., 1999). ........................................... 28 Figura 2.5 Influncia do tempo de cura no avano da frente de carbonatao de concretos

    com e sem adies minerais (SISOMPHON e FRANKE, 2007). ................................. 29 Figura 2.6 Influncia do teor de cimento por m de concreto sobre a profundidade de

    carbonatao (HO e LEWIS, 1987 apud FIGUEIREDO, 2005). .................................. 30 Figura 2.7 Influncia das adies minerais na resistncia carbonatao das argamassas

    (adaptado de PAPADAKIS, 2000). ............................................................................. 32 Figura 2.8 Influncia da interao entre a relao gua/aglomerante e o teor de slica ativa

    na profundidade de carbonatao do concreto (POSSAN, 2004). ................................. 33 Figura 2.9 Influncia da concentrao de CO2 sobre o coeficiente de carbonatao

    (SANJUN et al., 2003). ............................................................................................ 34 Figura 2.10 Influncia da concentrao de CO2 sobre a alcalinidade das solues dos poros

    das pastas de cimento durante a carbonatao (adaptado de ANSTICE et al., 2005). ... 35 Figura 2.11 Representao esquemtica da difuso de CO2 nas situaes de poro seco (a),

    poro saturado (b) e poro parcialmente preenchido por gua (c) (BAKKER, 1988). ...... 36 Figura 2.12 Variao do grau de carbonatao com a umidade do ambiente (ANDRADE,

    1992). .......................................................................................................................... 36 Figura 2.13 Expanso dos diversos produtos de corroso do ao em relao ao metal

    original (AALBORG CEMENT COMPANY, 1981 apud MEHTA e MONTEIRO, 2008). .......................................................................................................................... 38

    Figura 2.14 Esforos produzidos que levam fissurao e destacamento do concreto, devidos corroso de armaduras (CASCUDO, 1997). ................................................. 39

    Figura 2.15 Arranjo empregado na realcalinizao eletroqumica (MIETZ, 1998). ............ 40 Figura 2.16 Exemplo de aplicao da realcalinizao eletroqumica em estrutura real: (a)

    malha de titnio ativado sobre uma primeira camada de fibra de celulose encharcada de soluo de Na2CO3 e (b) coberto com uma segunda camada de fibra de celulose e finalmente selada com pelcula de plstico (BERTOLINI, 2008). ................................ 42

    Figura 2.17 Representao esquemtica da eletrlise da gua no entorno da armadura durante a RAE. ............................................................................................................ 43

    Figura 2.18 Avano da alcalinidade no entorno da armadura devido realcalinizao eletroqumica (POLDER e Van den HONDEL, 1992). ................................................ 44

    Figura 2.19 Representao esquemtica da eletromigrao durante a RAE. ....................... 46 Figura 2.20 Representao esquemtica da difuso durante a RAE. ................................... 47 Figura 2.21 Ilustrao representativa dos mecanismos que ocorrem durante a realcalinizao

    eletroqumica (YEIH e CHANG, 2005). ...................................................................... 51

  • Figura 2.22 Frao da rea originalmente carbonatada que foi realcalinizada aps o tratamento - indicado pela cor vermelho carmim da fenolftalena (Van den HONDEL e POLDER, 1998). ......................................................................................................... 54

    Figura 2.23 Influncia da densidade de carga passante sobre a velocidade de corroso durante a RAE (YEIH e CHANG, 2005). .................................................................... 56

    Figura 2.24 Influncia da densidade de carga passante sobre o potencial de corroso durante a RAE (YEIH e CHANG, 2005).................................................................................. 57

    Figura 2.25 Condies de potencial e pH na superfcie das armaduras durante o tratamento da realcalinizao eletroqumica (Pourbaix, 1972 apud CASCUDO, 1997; BERTOLINI et al., 1996, adaptado). ................................................................................................ 58

    Figura 2.26 Evoluo das velocidades e dos potenciais de corroso, antes e depois da RAE (ANDRADE et al., 1999). ........................................................................................... 59

    Figura 2.27 Variao temporal da velocidade de corroso de armaduras previamente limpas e sem limpeza: (a) imersas em soluo alcalina saturada de Ca(OH)2 e (b) envolvidas em argamassa no carbonatada (GONZLEZ, 2000). ................................................. 60

    Figura 2.28 Medidas de potenciais de corroso nas barras dos corpos de prova de concretos previamente carbonatados e realcalinizados eletroquimicamente, aps 6, 9, 12 meses da finalizao do tratamento (ARAJO, 2009). ............................................................... 61

    Figura 2.29 Valores de pH ao longo do tempo, para 10 solues de carbonato de sdio (ODDEN, 1994). ......................................................................................................... 62

    Figura 3.1 Preparao das barras de ao para moldagem dos corpos de prova de concreto: (a) limpeza superficial; e (b) isolamento das extremidades das barras. ......................... 71

    Figura 3.2 Disposio das barras nos corpos de prova de concreto. .................................... 72 Figura 3.3 (a) Forma metlica de um CP 8x8x8 cm; (b) Cura submersa durante sete dias; (c)

    perodo de espera em ambiente de laboratrio por 180 dias; (d) CP irmos para verificao da frente de carbonatao e realcalinizao. .............................................. 73

    Figura 3.4 (a) Cmaras de carbonatao; (b) disposio dos CP dentro da cmara de carbonatao e (c) esquema das trs cmaras de carbonatao. .................................... 74

    Figura 3.5 Esquema cronolgico da produo e exposio dos corpos de prova aos ensaios de carbonatao acelerada. .......................................................................................... 75

    Figura 3.6 (a) Desbaste de 1 cm dos CP, no sentido perpendicular s faces expostas; (b) avaliao da profundidade (frente) de carbonatao atravs do emprego de soluo indicadora de fenolftalena a 1% . ................................................................................ 76

    Figura 3.7 (a) CP submersos na soluo de Na2CO3, antes da aplicao do campo eltrico e (b) Arranjo eltrico com as fontes durante a realcalinizao eletroqumica. ................. 77

    Figura 3.8 Esquema de montagem das instalaes da realcalinizao eletroqumica. ......... 77 Figura 3.9 Esquema eltrico utilizado durante RAE. .......................................................... 78 Figura 3.10 Avaliao do avano da frente de realcalinizao no concreto atravs do

    emprego de soluo indicadora de timolftalena a 1%. ................................................. 80 Figura 3.11 Medidas de potencial de corroso e resistncia de polarizao: (a) eletrodo de

    Cu-CuSO4 (ESC) (b) potenciostato de bancada (ParStat 2263). ................................... 81 Figura 3.12 Esquema para medida dos potenciais de corroso (CASCUDO, 2005). ........... 81 Figura 3.13 Configurao de quatro eletrodos para a medida da resistividade eltrica do

    concreto (CASCUDO, 1997). ...................................................................................... 84

  • Figura 3.14 Esquema cronolgico das etapas envolvidas no tratamento da RAE. ............... 85 Figura 3.15 Fluxograma geral da pesquisa. ........................................................................ 88 Figura 4.1 Avano da frente de carbonatao em funo do tempo de carbonatao. ......... 90 Figura 4.2 Verificao do avano da frente de carbonatao atravs da asperso de soluo

    alcolica de fenolftalena (a 1%) nos concretos com relao a/c 0,65 moldados com cimento Portland do tipo V ARI: (a) 19 dias - 0,8mm; (b) 36 dias - 2,7mm; (c) 47 dias - 10,4mm; (d) 60 dias - 16,2mm e (e) 73 dias - 27,7mm. ............................................. 92

    Figura 4.3 Monitoramento do ganho de massa dos CP de concreto submetidos carbonatao acelerada. ............................................................................................... 93

    Figura 4.4 Monitoramento eletroqumico das armaduras durante a carbonatao acelerada dos concretos CP V (ARI 0,55 10): (a) potencial de corroso; (b) densidade de corrente de corroso. ................................................................................................................. 95

    Figura 4.5 Evoluo dos valores de resistncia hmica do sistema empregado durante a RAE. ........................................................................................................................... 97

    Figura 4.6 Avano da realcalinizao em relao densidade de carga passante. ............... 98 Figura 4.7 Avano da realcalinizao em relao durao do tratamento. ...................... 101 Figura 4.8 Verificao do avano da realcalinizao durante a RAE atravs da asperso de

    soluo alcolica de timolftalena (a 1%) dos concretos POZ 0,65 25: avano da realcalinizao em aproximadamente (a) 38%; (b) 75%; (c) 77%; (d) 90% e (e) 100%. ................................................................................................................................. 102

    Figura 4.9 Alcalinidade relativa de amostras de concreto extradas do entorno das armaduras (0-8mm a partir da superfcie da armadura) dos CP (REF, CARB e RAE). ................ 105

    Figura 4.10 Alcalinidade relativa de amostras de concreto extradas a trs diferentes profundidades em relao superfcie dos concretos: (a) CP V - ARI 0,65 25 (REF, CARB e RAE) e (b) CP IV - POZ 0,65 25 (REF, CARB e RAE). ............................. 107

    Figura 4.11 Relao entre a densidade de carga passante durante a RAE e a alcalinidade relativa de amostras extradas de camadas prximas superfcie da armadura (0 - 8mm), para os concretos CP V - ARI e CP IV - POZ. ........................................................... 109

    Figura 4.12 Monitoramento eletroqumico do potencial de corroso (ESC) das armaduras durante a carbonatao acelerada e a RAE: (a) CP V ARI 0,65 10; (b) CP V ARI 0,65 25; (c) CP IV POZ 0,55 10; (d) CP IV POZ 0,65 10 e (e) CP IV POZ 0,65 25). ........................................................................................................................... 112

    Figura 4.13 Monitoramento eletroqumico da velocidade de corroso das armaduras durante a carbonatao acelerada e a RAE: (a) CP V ARI 0,65 10; (b) CP V ARI 0,65 25; (c) CP IV POZ 0,55 10; (d) CP IV POZ 0,65 10 e (e) CP IV POZ 0,65 25). ...... 114

    Figura 4.14 Monitoramento eletroqumico da resistividade eltrica superficial dos concretos durante a carbonatao acelerada e a RAE: (a) CP V ARI 0,65 10; (b) CP V ARI 0,65 25; (c) CP IV POZ 0,55 10; (d) CP IV POZ 0,65 10 e (e) CP IV POZ 0,65 25). ........................................................................................................................... 117

    Figura 4.15 Curvas de tendncias das medidas de potencial de corroso aps a RAE. ...... 120 Figura 4.16 Tendncias das medidas de velocidade de corroso aps a RAE. .................. 122 Figura 4.17 - Influncia da densidade de carga passante sobre a repassivao das armaduras

    atravs de monitoramento eletroqumico aps a RAE: potencial de corroso (ESC) das armaduras: (a) CP IV POZ 0,55 10 e (b) CP IV POZ 0,65 10. ............................. 124

  • Figura 4.18 Influncia da densidade de carga passante sobre a repassivao das armaduras atravs de monitoramento eletroqumico aps a RAE: velocidade de corroso das armaduras: (a) CP IV POZ 0,55 10 e (b) CP IV POZ 0,65 10. ............................. 125

    Figura AP1 - Verificao da completa realcalinizao aps a RAE atravs da asperso de soluo alcolica de timolftalena (a 1%) dos concretos: (a) ARI 65 10; (b) ARI 65 25; (c) POZ 55 10 e (d) POZ 65 10. ................................................................................ 141

    Figura AN1 Caracterizao do ao empregado na pesquisa. ............................................ 143

  • LISTA DE TABELAS

    Tabela 2.1 Expanso da reao lcali-agregado depois de um ano de estocagem das amostras a 38C e 100% de umidade relativa (mm/m) (BANFILL e AL-KADHIMI, 1998). .......................................................................................................................... 65

    Tabela 3.1 Caractersticas dos materiais e condies de ensaio adotadas. ........................... 67 Tabela 3.2 Resistncia compresso aos 90 dias, abatimento do tronco de cone e teor de

    aditivo (% da massa de cimento) para concretos utilizados na pesquisa. ...................... 70 Tabela 3.3 Critrios de avaliao do potencial de corroso de acordo com a ASTM C-876

    (1999). ........................................................................................................................ 82 Tabela 3.4 Classificao dos nveis de velocidade de corroso (ANDRADE e ALONSO,

    2001). .......................................................................................................................... 83 Tabela 3.5 Critrios de avaliao da resistividade superficial RILEM. ............................ 84 Tabela 4.1 Relao entre tempo de despolarizao estimado, densidade de carga passante e

    alcalinidade relativa. ................................................................................................. 121 Tabela AP1 Distribuio granulomtrica e massa especfica do agregado mido (areia)

    utilizado na pesquisa. ................................................................................................ 139 Tabela AP2 Distribuio granulomtrica e massa especfica do agregado grado (pedra

    grantica britada) utilizado na pesquisa. ..................................................................... 139 Tabela AP3 Resumo dos ensaios realizados na pesquisa, incluindo a quantidade e as

    dimenses dos corpos de prova (CP) utilizados para cada ensaio. .............................. 140 Tabela AN1 Caracterizao fsico-qumica do cimento Portland do tipo V - ARI. ........... 142 Tabela AN2 Caracterizao fsico-qumica do cimento Portland do tipo IV - Pozolnico. 143

  • SUMRIO

    1 INTRODUO ................................................................................................................ 15 1.1 JUSTIFICATIVA E IMPORTNCIA DO TEMA ..................................................................... 15

    1.2 OBJETIVOS ................................................................................................................................ 18

    1.3 LIMITES DA PESQUISA ........................................................................................................... 19

    1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAO .......................................................................................... 20

    2 FUNDAMENTAO TERICA ..................................................................................... 21 2.1 CORROSO DAS ARMADURAS ............................................................................................ 21

    2.1.1 Passivao da armadura ........................................................................................................ 21

    2.1.2 Iniciao e propagao da corroso ...................................................................................... 24

    2.1.3 Despassivao por Carbonatao ......................................................................................... 25

    2.1.4 Mecanismo e efeitos da corroso .......................................................................................... 37

    2.2 REALCALINIZAO ELETROQUMICA (RAE) .................................................................. 40

    2.2.1 Caractersticas gerais da tcnica ........................................................................................... 40

    2.2.2 Princpios e mecanismos envolvidos na realcalinizao eletroqumica ............................... 42

    2.2.3 Alguns fatores que influenciam a realcalinizao eletroqumica ......................................... 51

    2.2.4 Relao do tratamento com a repassivao das armaduras .................................................. 55

    2.2.5 Durabilidade do tratamento .................................................................................................. 61

    2.2.6 Monitoramento e aceitao do tratamento ............................................................................ 63

    2.2.7 Efeitos do tratamento sobre o concreto ................................................................................ 64

    3 PROGRAMA EXPERIMENTAL ..................................................................................... 67 3.1 VARIVEIS DE ESTUDO......................................................................................................... 67

    3.1.1 Relao gua/cimento ........................................................................................................... 68

    3.1.2 Tipo de cimento .................................................................................................................... 68

    3.1.3 Espessura do concreto de cobrimento ................................................................................... 68

    3.1.4 Densidade de carga passante ................................................................................................ 69

    3.2 CARACTERIZAO DOS MATERIAIS EMPREGADOS ..................................................... 69

    3.3 PREPARAO DOS CORPOS-DE-PROVA PARA OS ENSAIOS DE RAE ......................... 71

    3.4 CARBONATAO DOS CONCRETOS .................................................................................. 73

    3.5 REALCALINIZAO ELETROQUMICA .............................................................................. 76

    3.6 MONITORAMENTO ELETROQUMICO ................................................................................ 80

    3.6.1 Potencial de corroso ............................................................................................................ 81

    3.6.2 Resistncia de polarizao .................................................................................................... 82

    3.6.3 Resistividade eltrica superficial .......................................................................................... 83

    3.6.4 Etapas do monitoramento eletroqumico .............................................................................. 85

    3.7 ENSAIOS COMPLEMENTARES .............................................................................................. 86

  • 4 RESULTADOS E DISCUSSO ....................................................................................... 89 4.1 CARBONATAO ACELERADA ........................................................................................... 89

    4.1.1 Avano da frente de carbonatao ........................................................................................ 89

    4.1.2 Monitoramento da massa dos concretos ............................................................................... 93

    4.1.3 Monitoramento eletroqumico .............................................................................................. 94

    4.2 REALCALINIZAO ELETROQUMICA (RAE) .................................................................. 96

    4.2.1 Monitoramento de parmetros eltricos dos sistemas estudados e do tempo do tratamento 96

    4.2.2 Monitoramento do avano da realcalinizao ...................................................................... 98

    4.2.3 Monitoramento da alcalinidade dos concretos.................................................................... 105

    4.2.4 Monitoramento dos parmetros eletroqumicos: antes, durante e aps o tratamento ......... 109

    4.2.5 Anlise de tendncias das medidas eletroqumicas aps o tratamento ............................... 119

    4.2.6 Influncia da densidade de carga passante sobre a repassivao das armaduras ................ 123

    5 CONCLUSES .............................................................................................................. 127 6 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................................ 130 7 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................................. 131 APNDICE A .................................................................................................................... 139 APNDICE B .................................................................................................................... 140 APNDICE C .................................................................................................................... 141 ANEXO A ......................................................................................................................... 142

  • 15

    1 INTRODUO

    1.1 JUSTIFICATIVA E IMPORTNCIA DO TEMA

    Um dos maiores problemas que afeta as estruturas de concreto armado inseridas em

    ambientes urbanos a corroso das armaduras de ao, que ocorre, principalmente, pela ao

    dos cloretos ou pela carbonatao do concreto. Em ambientes urbanos, distantes da zona

    martima, a carbonatao geralmente a principal responsvel pela corroso. Entretanto, em

    ambientes urbanos prximos zona martima, a carbonatao e a ao dos cloretos podem

    agir simultaneamente e causar a corroso. Em ambos os casos, muitos so os estudos que

    tentam avaliar o comportamento do fenmeno de corroso em funo de caractersticas dos

    materiais e do ambiente, com o objetivo de estabelecer parmetros de projeto ou fazer

    estimativas de vida til da estrutura (TUUTTI,1982; HO e LEWIS, 1987; BAKKER, 1988;

    MEIRA, 2004).

    Para corrigir e/ou prevenir problemas de corroso em estruturas de concreto, vrios

    mtodos de reparo e de proteo tm sido utilizados, tais como a execuo de reparos

    localizados, o uso de inibidores de corroso, a aplicao de pinturas superficiais sobre o ao e

    o concreto, a proteo catdica etc. Nos ltimos anos, alm da proteo catdica, estudos

    sobre outros mtodos eletroqumicos para proteo e reabilitao de estruturas de concreto

    armado atacadas pela corroso de armaduras tm sido realizados pelo meio cientfico. Dentre

    eles, a extrao eletroqumica de cloretos (EEC) e a realcalinizao eletroqumica (RAE)

    ocupam espao importante no conjunto de pesquisas realizadas sobre o tema (BANFILL,

    1996; BERTOLINI et al., 1996; ANDRADE et al., 1999; MONTEIRO, 2002). No pas,

    alguns trabalhos na rea de realcanilizao de concretos carbonatados j foram desenvolvidos,

    porm, utilizando-se principalmente uma tcnica alternativa RAE conhecida como RAQ

    (realcalinizao qumica), cujo mecanismo de realcalinizao ocorre por absoro/difuso de

    solues alcalinas a partir da superfcie dos concretos carbonatados (ARAJO, 2004; S,

    2006; MOREIRA, 2006; ARAJO, 2009).

    A realcalinizao eletroqumica consiste na aplicao de um campo eltrico entre a

    armadura da estrutura e um nodo externo, na presena de uma soluo alcalina, com o

    objetivo de restabelecer a alcalinidade do concreto perdida com o processo de carbonatao

  • 16

    (BANFILL, 1994; ODDEN, 1994). De modo diferente da proteo catdica, um tratamento

    de aplicao temporria, que cessa aps a realcalinizao do concreto de cobrimento. Alm

    disso, no produz uma interveno destrutiva na estrutura, como ocorre na execuo dos

    reparos localizados.

    Sendo um tratamento temporrio tem o objetivo de reinstalar a proteo contra a

    corroso sem quebrar estruturalmente o concreto velho e sem a aplicao permanente de

    corrente eltrica (POLDER e Van den HONDEL, 1992) como requerido na proteo

    catdica.

    Embora a RAE tenha apresentado eficincia em relao realcalinizao do concreto,

    a possibilidade de repassivao das armaduras aps a aplicao do tratamento ainda um

    aspecto em discusso no meio cientfico. Trabalhos como os de Odden (1994), Andrade et al.

    (1999) e Yieh et al. (2005) se apresentam favorveis repassivao das armaduras, embora os

    resultados apresentados no possam ser vistos como conclusivos. Por outro lado, trabalhos

    como os de Gonzlez et al. (2000) e Miranda et al. (2003 e 2006) questionam os resultados do

    tratamento em relao repassivao da armadura. Outro aspecto importante a observar

    que, em alguns estudos realizados sobre a eficincia da repassivao do tratamento, tem-se

    utilizado apenas a tcnica eletroqumica do potencial de corroso, que por si s, pode no

    garantir a efetiva repassivao das armaduras. Sendo assim, o mais prudente seria utilizar-se

    dessa tcnica em conjunto com outras tcnicas eletroqumicas tais como resistncia de

    polarizao e resistividade eltrica, para garantir um monitoramento mais efetivo quanto

    repassivao das armaduras.

    Boa parte dos estudos sobre realcalinizao eletroqumica foi realizada com o objetivo

    de entender as caractersticas dos fenmenos envolvidos (ANDRADE et al., 1999;

    CASTELLOTE et al., 2006). Aspectos relacionados aos efeitos secundrios do mtodo, como

    alterao das caractersticas micro-estruturais do concreto, bem como o comportamento do

    mtodo em funo de caractersticas das estruturas reais, como tipo de concreto e arranjo

    estrutural da armadura, ainda carecem de mais estudos (BERTOLINI et al., 1996; YEIH e

    CHANG, 2005).

    Diante do cenrio aqui exposto e considerando as vantagens do mtodo, no que se

    refere sua rpida aplicao e caractersticas no destrutivas, verifica-se a necessidade de

    conhecer melhor o mtodo de realcalinizao eletroqumica em relao ao seu comportamento

  • 17

    diante de propriedades das estruturas reais, tais como espessura da capa de cobrimento da

    armadura e caractersticas da matriz de concreto, bem como estudar a eficincia do mtodo

    em relao repassivao das armaduras. Nesse sentido, foi proposto o presente estudo, com

    o objetivo de conhecer melhor o mtodo aqui apresentado e avaliar a influncia de

    caractersticas da estrutura de concreto na aplicao e eficincia deste tratamento.

  • 18

    1.2 OBJETIVOS

    Este trabalho tem como objetivo geral estudar a influncia de caractersticas do

    concreto e da espessura de cobrimento da armadura na eficincia da tcnica de realcalinizao

    eletroqumica de concretos carbonatados. Como desdobramento do objetivo geral, os

    objetivos especficos envolvem os seguintes pontos:

    Estudar a influncia da relao gua/cimento e de dois tipos de cimento Portland no

    comportamento do processo de realcalinizao eletroqumica.

    Avaliar a influncia da espessura de cobrimento da armadura no comportamento do

    processo de realcalinizao eletroqumica.

    Avaliar o tempo de operao do mtodo de tratamento empregado necessrio para

    realcalinizar concretos com diferentes caractersticas.

    Estudar a influncia do tratamento de realcalinizao empregado sobre a alcalinidade

    dos concretos.

    Analisar a eficincia do tratamento de realcalinizao empregado no que diz respeito

    repassivao das armaduras.

  • 19

    1.3 LIMITES DA PESQUISA

    Como primeira limitao desta pesquisa destacam-se os materiais regionais utilizados,

    os quais apresentam caractersticas prprias e, portanto, os resultados aqui obtidos esto

    circunscritos aos materiais analisados.

    O curto perodo de avaliao das medidas eletroqumicas (at aproximadamente 75

    dias aps o tratamento) dificultou a anlise conclusiva acerca da eficincia do tratamento no

    que se refere capacidade de repassivao das armaduras. De fato, mesmo aps este perodo,

    as velocidades de corroso (icorr) no haviam se estabilizado completamente, indicando que

    seria necessrio mais tempo para avaliar a tendncia de repassivao das armaduras. Desse

    modo, o monitoramento eletroqumico continuar sendo realizado, ficando a apresentao e

    discusso dos resultados adicionais para uma etapa posterior, por meio de artigos cientficos.

    Outra limitao da pesquisa est relacionada s condies aceleradas assumidas nos

    ensaios de carbonatao, por representarem condies de um ambiente especfico de estudo

    diferente da carbonatao natural. Do mesmo modo, na execuo da realcalinizao

    eletroqumica, o ambiente de laboratrio impe limites a esta pesquisa. Dessa forma, os

    resultados obtidos, apesar de mostrarem o comportamento do tratamento frente s diferentes

    caractersticas estruturais estudadas em laboratrio, podem ser um pouco diferentes da

    aplicao em campo. Por isso, para a aplicao em estruturas reais, aconselha-se a realizao

    de testes prvios em pequenas reas do concreto a ser tratado.

  • 20

    1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAO

    A presente dissertao encontra-se estruturada em sete captulos.

    O Captulo I consta da presente introduo, englobando a justificativa e importncia

    do tema, os objetivos, os limites da pesquisa e a estrutura da dissertao.

    O Captulo II traz a fundamentao terica (reviso bibliogrfica). O mesmo destaca o

    fenmeno da corroso das armaduras, os mtodos eletroqumicos utilizados para tratamento

    de estruturas que sofrem corroso das armaduras e, especificamente, o mtodo de

    realcalinizao eletroqumica para o tratamento de concretos carbonatados.

    No Captulo III apresentado o programa experimental, incluindo todos os materiais

    utilizados na realizao deste trabalho.

    No Captulo IV so apresentados os resultados e discusses relativos aos ensaios

    realizados no programa experimental.

    As concluses originadas deste estudo encontram-se no Captulo V. No Captulo VI

    so feitas sugestes para trabalhos futuros.

    Por fim, no Captulo VII, foram catalogadas todas as referncias bibliogrficas

    utilizadas na pesquisa. Ao final da dissertao, seguem os apndices e os anexos.

  • 21

    2 FUNDAMENTAO TERICA

    Este captulo trata da reviso bibliogrfica que foi realizada com intuito de

    fundamentar a presente pesquisa. Para facilitar o entendimento sobre o tratamento de RAE, o

    captulo foi dividido em duas sees. Na primeira seo (2.1), discute-se o fenmeno da

    corroso das armaduras no interior do concreto. Na segunda seo (2.2), discute-se o

    tratamento de realcalinizao eletroqumica de concretos carbonatados.

    2.1 CORROSO DAS ARMADURAS

    A elevada alcalinidade do concreto responsvel pela condio de passivao das

    armaduras, o que garante a sua proteo. Todavia, essa proteo no estabelecida para

    sempre, podendo ser perdida com a queda da alcalinidade do concreto. Neste item, so

    discutidas as condies que garantem a passivao das armaduras de ao no concreto; os

    perodos de iniciao e propagao da corroso; o fenmeno de carbonatao, que leva

    destruio desta condio de passivao e o mecanismo e efeitos da corroso. No caso da

    carbonatao, discutem-se, tambm, os principais fatores influentes no avano da frente de

    carbonatao.

    2.1.1 Passivao da armadura

    O concreto um material cuja microestrutura normalmente vista como sendo

    constituda por trs fases principais: agregado, zona de transio e pasta de cimento hidratada.

    A pasta de cimento hidratada contm quatro principais espcies de slidos: silicato de clcio

    hidratado (C-S-H) que compe de 50 a 60% do volume de slidos e o maior responsvel

    pelas propriedades da pasta; hidrxido de clcio Ca(OH)2 - tambm chamado portlandita

    que constitui 20 a 25% do volume de slidos; sulfoaluminatos de clcio e gros de clinquer

    no hidratados (METHA e MONTEIRO, 2008). Das trs fases mencionadas, a pasta de

    cimento hidratada a responsvel pela alcalinidade dos concretos. Segundo Longuet et al.

    (1973, apud BAKKER, 1988), essa alcalinidade resultante do Ca(OH)2 e demais

    componentes alcalinos, como os hidrxidos de sdio (NaOH) e potssio (KOH) presentes na

  • 22

    soluo dos poros dos concretos e, de acordo com Saetta et al. (1995), apresenta valores

    tpicos de pH entre 12,5 e 13,5 (em concretos jovens).

    As condies alcalinas do concreto proporcionam a formao de uma pelcula

    passivadora sobre a superfcie do ao. Essa pelcula gerada por uma rpida e extensa reao

    eletroqumica onde, em presena de oxignio, h a formao de um filme de xidos fino e

    aderente ao ao, formando, na superfcie do metal, uma camada protetora (POURBAIX, 1987

    apud MEIRA, 2004). Desde que essa pelcula se mantenha estabilizada e inalterada, por ser

    densa e impenetrvel, ela suficientemente capaz de evitar a posterior corroso do ao

    (BROOMFIELD, 1997).

    As pelculas passivadoras do ferro so compostas essencialmente de Fe2O3. Contudo,

    elas contm certa proporo de Fe2+ perto da interface metal/xidos. Certos autores atribuem

    pelcula passivadora do ferro uma estrutura dplex: uma camada externa de Fe2O3 e uma

    camada interna de Fe3O4 (GEMELLI, 2001). De acordo com Broomfield (1997), alm dos

    xidos e hidrxidos metlicos, as pelculas passivadoras so tambm, provavelmente,

    constitudas por minerais provenientes do cimento. Nesse sentido, esse um tema ainda

    cercado de incertezas.

    A formao e estabilidade da pelcula passivadora sobre a superfcie do ao depende

    do pH do eletrlito no entorno da armadura. Na ausncia de cloretos ou outros ons

    despassivadores, tem-se observado a formao e manuteno de uma pelcula passivadora

    capaz de evitar a corroso, desde que o pH seja maior do que 11,5 (BENTUR et al., 1997).

    As condies de pH e potencial da armadura definem distintas condies de equilbrio

    para os metais, usualmente representada atravs dos diagramas de Pourbaix (Figura 2.1),

    atravs de zonas de passivao, corroso e imunidade.

  • 23

    Figura 2.1 Diagrama de Pourbaix de equilbrio termodinmico (Fe H2O; 25C). (Pourbaix, 1972 apud

    CASCUDO, 1997).

    O estado definido como de passivao supe que o metal se recobre de uma capa de

    xidos (pelcula passivadora), que atua como barreira impedindo a oxidao posterior. O

    estado de imunidade supe que o material no se corri a no ser que se alterem as

    condies termodinmicas para isso; o estado em que se situam os metais submetidos

    proteo catdica (ANDRADE, 1992).

    Entretanto, a pelcula passivadora no permanece inalterada para sempre e, aps sua

    quebra, inicia-se o processo da corroso. O desenvolvimento de um processo de corroso

    supe a quebra da pelcula passivadora (despassivao) que protege a armadura e o

    conseqente desenvolvimento de interaes destrutivas entre o ao e o ambiente (CASCUDO,

    1997). De acordo com Bakker (1988), a quebra da pelcula passivadora ocorre em funo da

    penetrao de substncias agressivas que atuam, principalmente, atravs dos seguintes

    mecanismos:

    A reduo do pH do concreto para valores menores que 9,0 atravs da ao do

    gs carbnico presente na atmosfera (carbonatao).

    A presena do agente despassivador on cloreto (Cl-) em quantidade suficiente

    para romper localmente a barreira da camada passivadora.

  • 24

    2.1.2 Iniciao e propagao da corroso

    O fenmeno de corroso pode ser estudado segundo o modelo de vida til de Tuutti

    (Figura 2.2). Nesse modelo, a primeira fase a fase de iniciao da corroso, na qual a

    armadura est passiva, porm ocorre o fenmeno da carbonatao ou penetrao de cloretos

    na capa de cobrimento do concreto, o que pode provocar a despassivao da armadura. A

    segunda fase a fase de propagao da corroso que se inicia quando o ao despassivado e

    acaba quando um estado limite atingido, a partir do qual as conseqncias da corroso no

    podem mais ser toleradas (TUUTTI, 1982).

    Figura 2.2 Modelo de vida til (Tuutti, 1982).

    A fase de iniciao depende essencialmente do transporte dos agentes agressivos, tais

    como CO2 e ons cloretos, para o interior do concreto de cobrimento (SAETTA et al., 1995).

    Essa fase pode ser estimada como uma funo da natureza do ambiente agressivo e da

    espessura e qualidade do concreto de cobrimento (TUUTTI, 1980 apud GONZLEZ et al.

    1996).

    A fase de propagao se caracteriza pelo desenvolvimento das reaes de corroso, as

    quais podem ser mais ou menos rpidas, em funo das variveis que controlam a cintica das

    reaes, ou seja, disponibilidade de oxignio, resistividade do meio, etc (MEIRA, 2004).

    Desta forma, o concreto de cobrimento passa a ter um papel de extrema importncia

    na proteo da armadura frente corroso. Helene (1986) destaca a dupla funo do concreto

    de cobrimento bem executado, a saber: a proteo qumica e a proteo fsica. A proteo

  • 25

    qumica garante a estabilidade da pelcula passivadora da armadura e a proteo fsica

    dificulta a entrada de agentes agressivos externos e a sua chegada ao nvel da armadura.

    2.1.3 Despassivao por Carbonatao

    Em ambientes urbanos, comum haver concentraes mais elevadas de gs carbnico

    no ar atmosfrico. Segundo Neville (1997), em grandes cidades, o teor de CO2 pode variar de

    0,3 a 1%. Um exemplo de concreto exposto a concentraes muito altas de CO2 o de

    revestimentos de tneis para veculos. Nessas condies, as molculas de dixido de carbono

    presentes no ar atmosfrico geralmente penetram no concreto e provocam a carbonatao.

    A carbonatao o resultado da interao entre o dixido de carbono presente na

    atmosfera e os hidrxidos alcalinos presentes no concreto, resultando na formao,

    principalmente, do carbonato de clcio (CaCO3) (BROOMFIELD, 1997). Essa interao

    ocorre da superfcie para o interior do concreto.

    A reao do CO2 com os hidrxidos ocorre, na presena de gua, conforme as reaes

    simplificadas mostradas nas equaes (2.1) e (2.2):

    CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O (2.1)

    CO2 + 2KOH (ou NaOH) K2CO3 (ou Na2CO3) + H2O (2.2)

    Na realidade, outras reaes intermedirias so necessrias para que ocorra a reao

    principal da carbonatao. Em se tratando da carbonatao do hidrxido de clcio, que a

    mais preponderante, Taylor (1997) descreve que o CO2 se dissolve na soluo dos poros da

    pasta de cimento, produzindo o CO32- (Eq. 2.3). Enquanto isso, os ons OH- e Ca2+ so

    produzidos principalmente pela dissoluo do Ca(OH)2 (Eq. 2.4). Por fim, o CO32- reage com

    o Ca2+ para produzir o CaCO3 (Eq. 2.5).

    CO2 + 2OH- CO3

    2- + H2O (2.3)

    Ca(OH)2 Ca2+ + 2 OH- (pH ) (2.4)

    Ca2+ + CO32- CaCO3 (2.5)

  • 26

    O hidrxido de clcio menos solvel que os outros lcalis do cimento, o hidrxido de

    sdio e o hidrxido de potssio. Como a solubilidade do Ca(OH)2 depende da concentrao de

    OH- na soluo intersticial, a reao de carbonatao comea atravs dos lcalis NaOH e

    KOH passando a seguir ao Ca(OH)2. A longo prazo, o C-S-H tambm pode ser atacado,

    deteriorando ainda mais a pasta de cimento Portland. O avano da carbonatao comporta

    ento uma srie de reaes complexas e intermedirias sendo o carbonato de clcio, CaCO3, o

    produto preponderante no final do processo (TUUTTI, 1982 apud HELENE, 1993).

    Neville (1997) destaca que, em concretos contendo somente cimento Portland,

    apenas a carbonatao do Ca(OH)2 que interessa. Por outro lado, Papadakis (2000) ressalta

    que nos concretos contendo cimentos Portland compostos com adies pozolnicas (menor

    reserva alcalina) no apenas o hidrxido de clcio carbonatado, mas tambm o silicato de

    clcio hidratado (C-S-H), que o principal produto das reaes pozolnicas.

    O resultado dessas interaes que o pH do concreto passa de aproximadamente 13

    para abaixo de 9 (BAKKER, 1988) (Figura 2.3). Por conta disso, no processo de carbonatao

    tem-se a formao de uma frente, chamada de frente de carbonatao, que separa duas

    zonas com pH diferentes, sendo uma com pH menor do que 9 (carbonatada) e outra com pH

    mais elevado (no carbonatada) (FERNANDEZ, 1984 apud CASCUDO, 1998).

    Figura 2.3 Representao esquemtica do processo de carbonatao (BAKKER, 1988).

    O avano da frente de carbonatao tem conseqncia direta no estado de passivao

    ou despassivao da armadura, o que pode ser representado sobre o diagrama de Pourbaix

  • 27

    (Figura 2.1). Enquanto a frente de carbonatao no atinge o nvel das armaduras, a

    alcalinidade do concreto ainda elevada e a armadura permanece em estado de passivao,

    que representado pelo ponto (1). Quando a frente de carbonatao atinge o nvel das

    armaduras, a pelcula passivadora, que usualmente reveste e protege a superfcie da armadura

    de ao contra a corroso, torna-se instvel e quebrada, o que pode ser representado pelo

    ponto (2). Aps a perda da estabilidade da pelcula passivadora, segue-se o perodo de

    propagao da corroso, onde ocorre o desenvolvimento das interaes destrutivas entre o ao

    e o ambiente, o que representado pelo ponto (3) (Ver Figura 2.1).

    O tempo necessrio para que a frente de carbonatao avance no concreto, desde a

    superfcie at atingir a armadura, funo da espessura do concreto de cobrimento e do

    coeficiente de difuso do CO2 nesse concreto (BENTUR et al., 1997), alm das caractersticas

    da microestrutura do concreto e das condies de umidade do mesmo.

    Segundo Houst e Wittmann (2002), vrios fatores influenciam o avano da frente de

    carbonatao, tais como: relao gua/cimento (a/c); condies de cura; consumo de cimento;

    tipo de cimento/reserva alcalina; concentrao de CO2 no ar atmosfrico; teor de umidade;

    temperatura, presena de fissuras e zonas danificadas.

    A seguir sero comentados os seis primeiros fatores, por serem estes os que esto

    relacionados com as variveis envolvidas nessa pesquisa.

    2.1.3.1 Influncia da relao gua/cimento

    Sabe-se que a porosidade diretamente proporcional relao gua/cimento do

    concreto. Alm disso, vrios pesquisadores comprovaram a estreita relao entre a porosidade

    e a resistncia carbonatao dos concretos e argamassas (HO e LEWIS, 1987; RUSSELL et

    al., 2001; MEIRA et al., 2006; KULAKOWSKI et al., 2006; SEIDLER et al., 2006). Os

    concretos com baixa porosidade carbonatam a uma velocidade menor quando comparados

    queles com alta porosidade. Como regra, considerando o uso dos mesmos materiais na

    dosagem, quanto menor a porosidade de um concreto maior sua resistncia carbonatao.

    Dessa forma, a relao gua/cimento diretamente proporcional ao avano da frente de

    carbonatao.

    A Figura 2.4 mostra a profundidade de carbonatao ao longo do tempo, para diversas

    relaes gua/cimento de concretos carbonatados sob condies aceleradas (6% de CO2 em

  • 28

    volume), e observa-se que quanto maior a relao gua/cimento, maior o avano da frente

    de carbonatao (ROY et al., 1999).

    14 21 28 35 42

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    Pro

    fun

    did

    ad

    e d

    e c

    arb

    on

    ata

    o

    (m

    m)

    Tempo de exposio (Dias)

    a/c = 0,55 a/c = 0,60 a/c = 0,65 a/c = 0,70 a/c = 0,75

    Figura 2.4 Avano da frente de carbonatao ao longo do tempo, sob condies aceleradas (6% de CO2 em volume) (adaptado de ROY et al., 1999).

    2.1.3.2 Condies de cura

    A cura do concreto envolve as condies que promovem a hidratao do cimento,

    como tempo, temperatura e umidade, consideradas imediatamente depois do lanamento de

    uma mistura de concreto na frma (METHA e MONTEIRO, 2008). Os mtodos de cura

    empregados e o tempo de cura utilizado para cada um desses mtodos tm influncia na

    resistncia carbonatao dos concretos (NEVILLE, 1997).

    Se o concreto for curado de forma ineficiente a hidratao da pasta de cimento ser

    prejudicada, resultando em uma matriz cimentcia mais porosa (BERTOLINI et al., 2004).

    Neville (1997) alerta que a microestrutura dessa matriz resultante, por ser mais porosa, facilita

    a difuso do CO2. Por conseqncia, o concreto mais afetado o de cobrimento, que tem a

    funo de proteger armaduras, visto que a parte mais suscetvel evaporao de gua

    De acordo com Bakker (1988), com o aumento do grau de hidratao do cimento, a

    porosidade decresce e isso ocorre rapidamente quando no h perda de gua durante a cura,

    ou seja, quando uma cura eficiente aplicada.

  • 29

    Portanto, quanto maior o tempo e mais eficiente for o mtodo de cura empregado,

    maior ser o grau de hidratao do cimento, menor ser a porosidade e, por conseqncia,

    menor ser a carbonatao (FIGUEIREDO, 2005). Alm disso, deve se levar em conta que os

    materiais com adies pozolnicas requerem maior tempo de cura para o desenvolvimento das

    reaes (cerca de 28 dias para seu incio) e que eles seriam desfavorecidos com perodos

    curtos de cura (PAULETTI et al., 2007). A Figura 2.5 mostra a influncia do tempo de cura

    num estudo de carbonatao acelerada (3% CO2 em volume), para concretos de cimentos

    Portland comuns (CP I) e de alto forno (CP III), ambos, com e sem adies de cinza volante

    (CV) (SISOMPHON e FRANKE, 2007). Nota-se que quanto menor o tempo de cura, maior

    o avano da frente de carbonatao, sendo esse comportamento mais acentuado para os

    concretos contendo adies minerais.

    Figura 2.5 Influncia do tempo de cura no avano da frente de carbonatao de concretos com e sem

    adies minerais (SISOMPHON e FRANKE, 2007).

    2.1.3.3 Consumo de cimento

    O consumo de cimento por metro cbico do concreto exerce certa influncia na sua

    resistncia carbonatao. Amrico e Nepomuceno (2003) realizaram estudo com argamassas

    de uma mesma relao gua/cimento, contendo trs diferentes teores de cimento (445, 545 e

    645 kg/m), com intuito de avaliar a influncia desta varivel sobre o perodo de iniciao e

    propagao da corroso. Os resultados mostraram que o perodo de iniciao da corroso

    menor para as barras protegidas pelas argamassas contendo menor teor de cimento,

    confirmando que a diminuio do teor de cimento no concreto facilita o avano da frente de

    carbonatao, pois a variao no teor de cimento, para uma mesma relao gua/cimento,

    altera a microestrutura das argamassas.

  • 30

    Ho e Lewis (1987, apud FIGUEIREDO, 2005) verificaram que ao aumentar a

    quantidade de cimento, ou cimento mais cinza volante, por metro cbico de concreto, ocorreu

    uma diminuio na carbonatao (Figura 2.6).

    Figura 2.6 Influncia do teor de cimento por m de concreto sobre a profundidade de carbonatao (HO e LEWIS, 1987 apud FIGUEIREDO, 2005).

    Isto se justifica pois, um concreto com maior teor de cimento ter uma maior reserva

    alcalina, ou seja, maior quantidade de Ca(OH)2 para ser consumido, sendo necessrio mais

    CO2 para carbonatar uma mesma espessura de concreto. Alm disso, notoriamente, esse

    concreto ter uma menor porosidade e, por conseqncia, uma maior resistncia

    carbonatao.

    2.1.3.4 Tipo de cimento

    Tanto o efeito fsico de barreira quanto o efeito qumico da reserva alcalina (para

    fixao do CO2) dos cimentos devem ser levados em considerao na avaliao da resistncia

    carbonatao.

    O efeito qumico para fixar o CO2 proporcionado pela quantidade de componentes

    alcalinos (reserva alcalina) presentes no cimento (BAKKER, 1988), o que depende do tipo de

    cimento empregado na produo do concreto. Assim, o cimento Portland comum, que tem

    aproximadamente de 20 a 25% de Ca(OH)2 na pasta de cimento hidratada, apresenta maior

    reserva alcalina que o cimento Portland composto ou com adies pozolnicas, visto que a

    reao pozolnica consome o hidrxido de clcio.

  • 31

    Uma vez que os cimentos Portland compostos conduzem a um teor menor de Ca(OH)2

    na pasta de cimento hidratada, necessria uma quantidade menor de CO2 para consumir todo

    o Ca(OH)2 na produo do CaCO3 (NEVILLE, 1997). Desse modo, quanto menor a reserva

    alcalina de um cimento, maior ser a velocidade de carbonatao. Vrios pesquisadores

    confirmaram que o concreto feito com cimento Portland composto est sujeito a carbonatao

    mais rpida do que o concreto com cimento Portland comum (BERRY e MALHOTRA, 1987

    e PAPADAKIS et al., 1991, apud PAPADAKIS, 2000).

    Estudando concretos elaborados com adies ternrias de cinza volante, escria de alto

    forno e slica ativa, todos submetidos cura submersa por 28 dias, Jones et al. (1997)

    observaram maiores velocidades de carbonatao para os concretos contendo adies,

    comparados aos de referncia (sem adies), com a resistncia carbonatao diminuindo

    medida que se aumentava o percentual de substituio do cimento Portland comum. Em

    estudo realizado por Papadakis (2000), constatou-se que a profundidade de carbonatao

    aumentava medida que os teores de adio mineral tambm aumentavam, em qualquer caso

    de substituio parcial do cimento Portland comum por slica ativa e cinzas volantes, em

    argamassas submetidas a um ano de cura submersa. Do mesmo modo, Sanjun et al. (2003)

    verificaram que concretos contendo adies minerais de slica ativa e cinza volante

    apresentaram menor resistncia carbonatao natural, comparados aos concretos de cimento

    Portland sem adies. Recentemente, Sisomphon e Franke (2007), estudando o efeito da

    substituio parcial do cimento Portland comum por adies de escria de alto forno e cinza

    volante sobre a carbonatao, em condies aceleradas, constataram que as misturas contendo

    adies, submetidas a diferentes tempos de cura submersa (3, 7 e 28 dias), tiveram uma

    resistncia carbonatao menor.

    Quando ocorre substituio parcial de cimento Portland comum, as adies minerais

    reduzem a quantidade de hidrxido de clcio no concreto e, por isso, podem aumentar a

    velocidade de carbonatao. Considerando que no apenas o hidrxido de clcio

    carbonatado, mas tambm o silicato de clcio hidratado (C-S-H), que o principal produto da

    reao pozolnica, a quantidade de constituintes carbonatveis decresce devido ao decrscimo

    na quantidade de CaO total, resultando em uma maior velocidade de carbonatao

    (PAPADAKIS, 2000). A influncia do tipo de cimento e das adies minerais pode ser

    observada nas Figuras 2.5, 2.6 e 2.7.

  • 32

    0 5 10 15 20 25 30 350

    2

    4

    6

    8

    10

    12

    14

    16Argamassa 1:3 (aglomerante, agregado mido)

    Relao gua/aglomerante = 0,50

    Pro

    fund

    ida

    de d

    e c

    arb

    onat

    a

    o (

    mm

    )

    Teor de substituio do cimento (%)

    Slica Ativa Cinza Volante com baixo teor de Clcio Cinza Volante com alto teor de Clcio

    Figura 2.7 Influncia das adies minerais na resistncia carbonatao das argamassas (adaptado de

    PAPADAKIS, 2000).

    Entretanto, a menor capacidade de fixar CO2 dos cimentos compostos pode ser

    contrabalanada pela baixa porosidade de um concreto bem curado elaborado com esse tipo

    de cimento (BAKKER, 1988) devido ao processo de refinamento dos poros causado pelas

    reaes pozolnicas.

    De fato, pode haver casos em que o efeito fsico de barreira consegue contrabalanar o

    efeito qumico da reserva alcalina. Aps realizar estudos de carbonatao acelerada, Possan

    (2004) refora que a influencia das adies minerais na carbonatao do concreto depende da

    relao gua/aglomerante (a/agl), havendo uma relao a/agl limite, em torno de 0,45 (Figura

    2.8). Abaixo desse patamar, pode-se considerar a profundidade de carbonatao desprezvel,

    enquanto que, acima desse patamar, a profundidade de carbonatao tende a se elevar com o

    aumento do teor de adies de slica ativa. Segundo a autora, abaixo deste valor de

    gua/aglomerante limite, a carbonatao regida principalmente pela porosidade da matriz

    cimentante, conferida pelo teor de gua, sendo que o teor de Ca(OH)2 e o pH da fase aquosa,

    nestes nveis de relao a/agl, apresentam menor influncia na carbonatao.

  • 33

    Figura 2.8 Influncia da interao entre a relao gua/aglomerante e o teor de slica ativa na

    profundidade de carbonatao do concreto (POSSAN, 2004).

    2.1.3.5 Concentrao de CO2 no ar atmosfrico

    A concentrao de CO2 um fator bastante relevante na velocidade de carbonatao.

    Segundo Bertolini et al. (2004), ao passo que o teor de CO2 no ar aumenta, a velocidade de

    carbonatao tambm aumenta.

    Sanjun et al. (2003) realizaram estudo sobre a carbonatao de concretos em

    condies naturais, com concentraes de 0,03% de CO2, e aceleradas, com concentraes de

    5 e 100% de CO2. Os resultados mostraram que 100% de CO2 aceleraram o coeficiente de

    carbonatao aproximadamente 40 vezes, enquanto 5% de CO2 aceleraram aproximadamente

    5 vezes, ambos em relao ao coeficiente de carbonatao sob condies naturais (Figura

    2.9). Com base nos resultados, os autores concluram que um perodo de 7 a 15 dias de

    carbonatao acelerada com 4 ou 5% de CO2 equivalente a 1 ano de exposio natural em

    condies secas (50 a 60% UR).

  • 34

    Figura 2.9 Influncia da concentrao de CO2 sobre o coeficiente de carbonatao (SANJUN et al.,

    2003).

    Ao estudar a durabilidade de concretos quanto carbonatao, Roy et al. (1999)

    observaram que os coeficientes de carbonatao medidos em condies aceleradas, com

    concentrao de 6% de CO2, foram consideravelmente maiores do que os medidos em

    condies normais de atmosfera, com concentrao entre 0,03 a 0,06% de CO2. Mais adiante,

    Anstice et al. (2005) investigaram a soluo dos poros de pastas de cimento carbonatadas em

    atmosfera com trs diferentes concentraes de CO2 e vrias umidades relativas (UR a 25C)

    controladas por diferentes solues saturadas de sal. Os resultados mostraram que os valores

    de pH das solues dos poros variaram significativamente com a concentrao de CO2 da

    atmosfera (Figura 2.10). Nota-se que, quanto maior a concentrao de CO2 na atmosfera,

    maior a queda da alcalinidade presente na soluo dos poros para as pastas de cimento, ou

    seja, maior o avano da frente de carbonatao.

  • 35

    0,03% 5% 100%6

    7

    8

    9

    10

    11

    pH

    Concentrao de CO2

    NaCl - UR 75% NaNO

    2 - UR 65%

    NH4NO

    3 - UR 62%

    Mg(NO3)

    2.6H

    2O - UR 53%

    Na2Cr

    2O

    7.2H

    2O - UR 54%

    Figura 2.10 Influncia da concentrao de CO2 sobre a alcalinidade das solues dos poros das pastas de

    cimento durante a carbonatao (adaptado de ANSTICE et al., 2005).

    2.1.3.6 Teor de umidade

    Com respeito influncia da umidade dos poros, Bakker (1988) considera que, pelo

    fato do concreto ser um material poroso, a penetrao do CO2 ser influenciada pelo teor de

    umidade dos poros. Se os poros esto secos, o CO2 difundido internamente, mas a

    carbonatao no ocorre por causa da falta de gua (Figura 2.11a). Se os poros esto

    preenchidos com gua, dificilmente h alguma carbonatao por causa da baixa velocidade de

    difuso do CO2 na gua (Figura 2.11b). Se os poros esto apenas parcialmente preenchidos

    com gua, que normalmente o caso prximo superfcie do concreto, a carbonatao pode

    prosseguir at a profundidade em que os poros do concreto no favoream essa reao (Figura

    2.11c).

  • 36

    Figura 2.11 Representao esquemtica da difuso de CO2 nas situaes de poro seco (a), poro saturado

    (b) e poro parcialmente preenchido por gua (c) (BAKKER, 1988).

    De acordo com Andrade (1992), a umidade tima de avano da frente de carbonatao

    se situa entre 50 a 80% de umidade relativa (Figura 2.12). Segundo Pauletti et al. (2007) a

    RILEM (Runion Internationale des Laboratoires et Experts des Matriaux, systmes de

    construction et ouvrages) considera o valor de 70% de umidade relativa como timo para o

    desenvolvimento das reaes de carbonatao.

    Figura 2.12 Variao do grau de carbonatao com a umidade do ambiente (ANDRADE, 1992).

  • 37

    2.1.4 Mecanismo e efeitos da corroso

    A corroso metlica, quando tem lugar em meio aquoso, um fenmeno de carter

    eletroqumico, isto , supe-se a existncia de uma reao de oxidao (andica) e uma de

    reduo (catdica), o fluxo de eltrons e a circulao de ons atravs do eletrlito

    (ANDRADE, 1992).

    Na corroso eletroqumica o fenmeno ocorre como resultado da formao de pilhas

    ou clulas de corroso devido presena de umidade, na forma de gua ou de uma soluo

    aquosa na superfcie das barras ou no concreto que a envolve, que possa atuar como eletrlito

    (HELENE, 1993).

    O mecanismo eletroqumico do processo corrosivo origina, nas reas andicas e

    catdicas, reaes cujas equaes, para o caso do ferro, so:

    - rea andica (corroso):

    Fe Fe2+ + 2e- (2.6)

    - rea catdica (sem corroso):

    No aerada: 2H2O + 2e- H2 + 2OH

    - (2.7)

    Aerada: H2O + O2 + 2e- 2OH- (2.8)

    A transformao do ferro metlico em produto de corroso (ferrugem) acompanhada

    por um aumento de volume que, dependendo do estado de oxidao, pode ser da ordem de

    600% em relao ao metal original (MEHTA e MONTEIRO, 2008). A Figura 2.13, mostra a

    expanso de alguns produtos de corroso, tais como: FeO (xido ferroso), Fe3O4 (magnetita),

    Fe2O3 (hematita), Fe(OH)2 (hidrxido ferroso), Fe(OH)3 (hidrxido frrico) e Fe(OH)3.3H2O

    (hidrxido frrico hidratado).

  • 38

    Figura 2.13 Expanso dos diversos produtos de corroso do ao em relao ao metal original

    (AALBORG CEMENT COMPANY, 1981 apud MEHTA e MONTEIRO, 2008).

    Segundo Gentil (2007), a colorao castanho-alaranjada que aparece no concreto

    indica que a armadura j est sofrendo corroso. Os efeitos da corroso se manifestam de trs

    formas: sobre o ao com uma diminuio de sua capacidade mecnica; sobre o concreto

    quando este se fissura; e sobre a aderncia ao/concreto (ANDRADE, 1992).

    medida que a corroso vai se processando, os produtos expansivos vo se

    acumulando cada vez mais ao redor das armaduras, criando verdadeiras crostas no seu

    entorno. Tal fato produz esforos no concreto na direo radial das barras, conforme a Figura

    2.14, os quais geram tenses de trao que culminam com a fissurao das peas de concreto.

    As fissuras obtidas se estabelecem na direo paralela barra corroda e so classificadas

    como fissuras ativas progressivas, isto porque tm aberturas que vo aumentando com o

    decorrer do processo corrosivo. Esta evoluo de fissuras implica posterior lascamento do

    concreto, com comprometimento do monolitismo estrutural (dado pela aderncia

    ao/concreto), e no destacamento da camada de cobrimento, em geral deixando expostas as

    armaduras (CASCUDO, 1997).

  • 39

    Figura 2.14 Esforos produzidos que levam fissurao e destacamento do concreto, devidos corroso

    de armaduras (CASCUDO, 1997).

    Alguns pesquisadores tm tentado estabelecer a quantidade de corroso que provoca a

    deteriorao do concreto de cobrimento. De acordo com Broomfield (1997), pelo menos

    0,1mm de perda de seo da barra de ao necessria para formar fissuras no concreto de

    cobrimento. Porm, h casos em que ocorrem fissuras com menos do que 0,1mm de perda de

    seo. Essa relao entre a quantidade de corroso e a deteriorao do concreto de cobrimento

    uma funo do modo como os xidos so distribudos, da habilidade do concreto em

    acomodar as tenses oriundas da expanso dos produtos de corroso e da geometria de

    distribuio das barras, que podem promover a propagao de fissuras pela concentrao de

    tenses, como no caso de barras com espaamento curto e prximas superfcie ou quinas,

    onde h menor confinamento de concreto para restringir as fissuras.

  • 40

    2.2 REALCALINIZAO ELETROQUMICA (RAE)

    Como j mencionado no item 2.1, a proteo do ao contra a corroso pode ser

    perdida como resultado da carbonatao do concreto ou da presena de cloretos. A

    realcalinizao eletroqumica (RAE) visa restabelecer a alcalinidade do concreto perdida com

    o processo de carbonatao. Sendo um tratamento temporrio e no destrutivo, a RAE tem o

    objetivo de restabelecer a alcalinidade do concreto de cobrimento sem romper estruturalmente

    o concreto velho e sem a aplicao permanente de corrente eltrica (POLDER e Van den

    HONDEL, 1992), como requerido na tcnica de proteo catdica. Neste item, so discutidas

    as caractersticas gerais da tcnica de realcalinizao eletroqumica, os princpios e

    mecanismos envolvidos, alguns fatores influentes, sua relao com a repassivao das

    armaduras, sua durabilidade, seu monitoramento e aceitao e seus efeitos sobre o concreto.

    2.2.1 Caractersticas gerais da tcnica

    A aplicao da RAE envolve a passagem de uma corrente eltrica atravs do concreto

    e da armadura por meio da aplicao de um sistema semelhante ao descrito na Figura 2.15.

    Nesse sistema, h um nodo externo que fixado sobre a superfcie do concreto, embebido

    em um eletrlito alcalino (normalmente a soluo de carbonato de sdio) e conectado ao plo

    positivo de uma fonte retificadora. A armadura compe a outra parte do sistema (ctodo),

    sendo conectada ao plo negativo da fonte.

    Figura 2.15 Arranjo empregado na realcalinizao eletroqumica (MIETZ, 1998).

    Um limite superior de densidade de corrente eltrica deve ser especificado a fim de

    evitar a deteriorao do concreto. Usualmente, aplica-se uma voltagem ajustada para que se

  • 41

    obtenha uma densidade de corrente tpica de 0,8 a 2 A/m, em relao superfcie do concreto

    (MIETZ, 1998). Densidades de corrente significativamente acima desse patamar podem

    conduzir a alteraes na microestrutura do concreto. Segundo as pesquisas j realizadas, o

    tratamento deve durar em torno de 3 a 21 dias (BERTOLINI et al., 1996), dependendo das

    caractersticas do concreto, da espessura do cobrimento e da densidade de corrente aplicada.

    O processo monitorado por medidas eltricas e pela anlise de amostras do eletrlito ou do

    concreto em intervalos regulares. Aps o tratamento, o resultado checado pela anlise da

    mudana do pH (efeito da realcalinizao) de amostras retiradas do concreto (POLDER e Van

    den HONDEL, 1992).

    O conjunto do nodo e do eletrlito em que este est inserido chamado de sistema

    andico. A soluo mais utilizada como eletrlito a de carbonato de sdio (1M), cujas

    reaes de equilbrio proporcionam um pH de aproximadamente 10,5 (MIETZ, 1998). De

    acordo com Andrade et al. (1999) e Odden (1994), este seria um valor suficiente para garantir

    a repassivao da armadura. H alguns anos, Banfill (1994) observou que apenas a soluo de

    carbonato de sdio foi capaz de penetrar no concreto, durante um teste de RAE, comparada a

    soluo de hidrxido de clcio, que foi ineficaz, talvez devido s interaes especficas entre

    este eletrlito e o concreto. Todavia, assim como o carbonato de sdio, outras solues

    alcalinas tambm tm sido investigadas. Recentemente, ao estudar a influncia de diferentes

    tipos de solues alcalinas tais como carbonato de sdio, hidrxido de potssio e hidrxido de

    clcio, na RAE, Arajo (2009) observou que as solues de Na2CO3 e KOH foram eficientes

    em realcalinizar e repassivar as armaduras e a soluo de Ca(OH)2, apesar de no conseguir

    realcalinizar completamente o concreto de cobrimento, foi a que apresentou maior capacidade

    em repassivar as armaduras. Para o caso de estruturas que apresentam elevado risco de reao

    lcali agregado (RAA), tem sido proposto o uso de uma soluo de hidrxido de ltio (LiOH),

    que segundo MILLER (1997), tem a capacidade de controlar as reaes de expanso

    resultantes desse fenmeno.

    Em situaes reais, para a aplicao da realcalinizao eletroqumica, a soluo

    alcalina usualmente misturada com fibras de celulose para formar uma pasta que, em

    seguida, projetada sobre as superfcies a serem tratadas (Figura 2.16). Outra forma de

    aplicao do tratamento em estruturas reais atravs da utilizao de tanques, onde inserida

    a malha externa e a soluo alcalina (MIETZ, 1998). Por fim, uma metodologia alternativa

    possvel para a aplicao da tcnica consiste no uso de mantas de feltro como sustento da

  • 42

    soluo eletroltica. De modo semelhante pasta de fibras de celulose, as mantas de feltro so

    impregnadas com a soluo alcalina e dispostas sobre a superfcie carbonatada a tratar, sendo

    necessria a sua contnua molhagem, pois o eletrlito vai sendo gradativamente absorvido

    pelo concreto. Ao contrrio das duas primeiras, a ltima metodologia restrita apenas ao

    tratamento de superfcies horizontais e dependendo da sua aplicao estas podem ser

    reutilizadas em aplicaes futuras (SILVA, 2007).

    (a) (b)

    Figura 2.16 Exemplo de aplicao da realcalinizao eletroqumica em estrutura real: (a) malha de titnio ativado sobre uma primeira camada de fibra de celulose encharcada de soluo de Na2CO3 e (b) coberto com uma segunda camada de fibra de celulose e finalmente selada com pelcula de plstico

    (BERTOLINI, 2008).

    A realcalinizao eletroqumica pode ser vista no s como um mtodo de reparo,

    mas, tambm, como um mtodo preventivo, atuando sobre estruturas em que a profundidade

    de carbonatao ainda no atingiu o nvel das armaduras. Assim, a realcalinizao do concreto

    pode ser realizada mesmo antes das armaduras serem ativadas, reduzindo-se o custo da

    interveno (MIETZ, 1998).

    2.2.2 Princpios e mecanismos envolvidos na realcalinizao eletroqumica

    A realcalinizao eletroqumica tem como objetivo restaurar a alcalinidade do

    concreto carbonatado atravs de um duplo mecanismo: a produo de alcalinidade no entorno

    da armadura de ao (ctodo) e a penetrao de um eletrlito alcalino pelo qual o nodo

    saturado (BERTOLINI et al., 2008).

    A produo de alcalinidade diretamente no entorno da armadura de ao ocorre atravs

    da eletrlise da gua. Por outro lado, o incremento da alcalinidade da capa superficial de

  • 43

    concreto envolvendo o transporte de massa a partir da superfcie do concreto na direo da

    armadura pode, teoricamente, ocorrer atravs de quatro mecanismos: eletromigrao, difuso,

    absoro e eletro-osmose (BANFILL, 1994).

    2.2.2.1 Eletrlise

    Como resultado da diferena de potencial aplicada entre o nodo e o ctodo, a gua

    reduzida a ons hidroxilas no entorno da armadura. Depois que o oxignio disponvel

    consumido de acordo com a equao 2.9, a reao catdica produz hidroxila e gs hidrognio

    de acordo com a equao 2.10 (MIETZ, 1998):

    O2 + H2O + 2 e- 2 OH- (2.9)

    2 H2O + 2 e- H2 + 2 OH

    - (2.10)

    Estas reaes so referentes eletrlise, que resulta em um aumento de pH no entorno

    da armadura (Figura 2.17), e este o processo mais importante da realcalinizao

    eletroqumica (MIETZ, 1998; POLDER e Van den HONDEL, 1992).

    Figura 2.17 Representao esquemtica da eletrlise da gua no entorno da armadura durante a RAE.

  • 44

    Ao nodo externo, a eletrlise da gua provoca o desprendimento de oxignio,

    segundo uma das equaes a seguir (BERTOLINI et al., 1996):

    2 OH- O2 +2 H+ + 2 e- (2.11)

    2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e- (2.12)

    Em meios alcalinos (pH>10), prevalece a reao da equao 2.11, enquanto que

    predomina a reao da equao 2.12 para meios carbonatados (pH

  • 45

    importante destacar que o H+, produzido no nodo, apresenta uma mobilidade inica

    bastante alta e contribui para a ocorrncia de eletro-osmose (seo 2.2.2.5), dragando as

    molculas de gua da superfcie para o interior do concreto de cobrimento.

    2.2.2.2 Eletromigrao

    Tambm como resultado da diferena de potencial aplicada, ons de carga negativa

    (cloretos, hidroxila) migram na direo do nodo, saindo do concreto, e ons de carga positiva

    (sdio, potssio) migram na direo do ctodo, ou seja, a armadura (POLDER e Van den

    HONDEL, 1992), conforme a Figura 2.19.

    A corrente eltrica que flui atravs da soluo, a uma determinada voltagem e

    temperatura, proporcional ao nmero de ons presentes na soluo e, alm disso, depende da

    mobilidade destes ons, que a velocidade com que estes so capazes de se moverem na

    direo dos eletrodos. A condutividade total de um eletrlito o somatrio das

    condutividades parciais dos ons individuais. A contribuio de certo on para a corrente total

    chamada de nmero de transferncia (ou transporte). Para um dado on, este nmero ser

    maior quanto maior for sua quantidade e mobilidade (MIETZ, 1998).

    Para a RAE, teoricamente 80% das hidroxilas produzidas no entorno do ao movem-se

    em direo ao eletrlito externo. Apenas 20% da quantidade total das hidroxilas resultantes da

    eletrlise da gua permanecero no entorno do ao e aumentar a alcalinidade naquela regio

    (POLDER e Van den HONDEL, 1992). Isso decorre da diferena entre as mobilidades inicas

    da hidroxila e do sdio, uma vez que, de acordo com Bertolini et al. (1996), a mobilidade

    inica da hidroxila quatro vezes maior do que a mobilidade inica do on sdio. obvio que

    parte dos 80% eletromigrados para a superfcie do concreto pode permanecer no concreto de

    cobrimento aps o tratamento. Os ons sdios necessrios para a eletroneutralizao das

    hidroxilas so fornecidos pelo carbonato de sdio, que usado como eletrlito na maioria dos

    casos (POLDER e Van den HONDEL, 1992).

    Segundo Banfill (1994), a eletromigrao o mecanismo predominante no controle da

    extrao eletroqumica de cloretos, porm no pode ser responsvel pela penetrao de ons

    carbonatos durante a realcalinizao eletroqumica, visto que os ons carregados

    negativamente so conduzidos para fora do concreto, na direo do nodo.

  • 46

    Figura 2.19 Representao esquemtica da eletromigrao durante a RAE.

    2.2.2.3 Difuso

    O processo de difuso ocorre entre a soluo alcalina externa e o concreto devido a

    diferenas de concentraes dos seus componentes. O sentido deste transporte sempre da

    regio de maior para a de menor concentrao (Figura 2.20).

    De acordo com Banfill (1994), durante o perodo de aplicao da RAE, o efeito da

    difuso bastante insignificante, no que se refere ao transporte de ons entre o concreto e a

    soluo alcalina externa, visto que a velocidade de difuso bastante lenta.

  • 47

    Figura 2.20 Representao esquemtica da difuso durante a RAE.

    Entretanto, apesar de a difuso ser geralmente lenta quando comparada com a curta

    durao da aplicao da RAE, pode ser importante em relao ao tempo de vida til da

    estrutura. A difuso de lcalis aps o tratamento pode reduzir a alcalinidade prxima

    armadura e, conseqentemente, a proteo contra a corroso. Imediatamente aps a aplicao

    da RAE, a regio do entorno da armadura apresenta uma elevada alcalinidade, com pH

    prximo a 14, porm, alguns meses depois (entre 3 a 4 meses), tende a valores menores. Isso

    pode ser causado pela difuso de hidroxilas, mas tambm pela carbonatao do hidrxido de

    sdio resultando na formao de carbonato de sdio (POLDER e Van den HONDEL, 1992).

    Percebe-se, ento, que a difuso pode ter um papel importante na durabilidade da

    realcalinizao eletroqumica aps sua aplicao. Odden (1994) enfatiza que a durabilidade da

    RAE depende da estabilidade apresentada pela soluo de carbonato de sdio e sua habilidade

    de permanecer no concreto carbonatado e no difundir-se para o concreto no carbonatado

    adjacente.

  • 48

    2.2.2.4 Absoro capilar

    A absoro capilar um mecanismo de transporte responsvel pela penetrao de

    lquidos no interior do concreto, em que os pequenos poros presentes produzem grandes

    tenses capilares que controlam o ingresso deste no interior do concreto (NEPOMUCENO,

    2005).

    O efeito da absoro depende intensamente das condies de umidade do concreto,

    isto , se est seco ou mido, e da estrutura dos seus poros (MIETZ, 1998).

    Banfill (1994) afirma que a simples absoro da soluo de carbonato de sdio pode

    ser o mecanismo de transporte mais significativo do tratamento, considerando que a

    realcalinizao eletroqumica aplicada em concretos provavelmente de baixa qualidade e,

    desse modo, altamente absorventes. Entretanto, durante um teste de RAE, Polder e Van den

    Hondel (1992) observaram que a alcalinidade (pH >10), proveniente da soluo externa, havia

    penetrado apenas alguns milmetros (entre 2-5mm) no concreto. Do mesmo modo, tratando

    estruturas reais, Bertolini et al. (2008) constataram que a penetrao do eletrlito alcalino (1M

    de Na2CO3), proveniente da superfcie externa, ocorreu apenas nas camadas mais superficiais

    do concreto, com a espessura de poucos milmetros. Isso mostra que, em geral, na RAE, a

    absoro capilar eficiente em restabelecer a alcalinidade apenas das camadas mais

    superficiais do concreto, devido ao curto intervalo de tempo do tratamento.

    2.2.2.5 Eletro-osmose

    A partir do momento em que duas fases entram em contato, em geral, ocorre o

    desenvolvimento de uma diferena de potencial entre estas. o que acontece entre a

    superfcie de um slido em contato com um eletrlito. Como conseqncia, a regio entre a

    duas fases se caracteriza por uma separao de cargas eltricas, de forma que na superfcie de

    uma delas existe um excesso de cargas de um sinal contrabalanceadas com as cargas de sinal

    contrrio distribudas na superfcie da outra fase. Quando uma dessas fases move-se

    tangencialmente em relao outra, ocorre uma srie de fenmenos chamados efeitos eletro-

    cinticos. Se o slido permanece estacionrio e o lquido move-se em resposta aplicao de

    um campo eltrico, a esse fenmeno dado o nome de eletro-osmose (HUNTER, 1981 apud

    CASTELLOTE et al., 2003).

  • 49

    Durante a aplicao da RAE, atribui-se o fluxo do lquido eletroltico dentro do

    concreto passagem de corrente eltrica, devido eletro-osmose. Este transporte de lquido

    macroscpico dentro do concreto favorece a realcalinizao do concreto carbonatado

    (POLDER e Van den HONDEL, 1992).

    Desde as primeiras investigaes sobre a RAE, alguns autores relataram que os ons

    carbonatos tambm penetravam em direo armadura (POLDER e Van den HONDEL,

    1992; BANFILL, 1994; MILLER, 1994). Como a carga eltrica dos carbonatos negativa,

    esta penetrao em direo armadura no parece ser possvel, a no ser que outro

    mecanismo de transporte, diferente da eletromigrao, acontea (CASTELLOTE et al.,

    2006a). Esse mecanismo de transporte a eletro-osmose, uma vez que a absoro capilar e a

    difuso, como j visto anteriormente, no tm efeito significativo durante a aplicao da RAE.

    Alm disso, Banfill (1994) mostra que a velocidade de transporte na eletro-osmose

    significativamente maior do que na absoro e na difuso, e ainda, ao considerar o ganho de

    massa das amostras durante o tratamento, sugere que a eletro-osmose poderia ser o

    mecanismo de transporte predominante na penetrao da soluo alcalina externa. A equao

    terica para a velocidade do fluxo eletro-osmtico nos poros capilares do concreto mostrada

    a seguir (Eq. 2.13):

    ve = - DE/ (2.13)

    Onde: ve a velocidade do fluxo eletro-osmtico;

    D a constante dieltrica do lquido;

    E o campo eltrico aplicado;

    o coeficiente de viscosidade dinmica do lquido;

    o potencial zeta.

    O potencial zeta um parmetro chave para o estabelecimento dos efeitos da eletro-

    osmose e definido como a mdia potencial das cargas eltricas considerada em uma

    superfcie imaginria prximo superfcie do sli