178 Microestrutura e Propr iedades d o Concre to Endurecido

g a r a n t e m que o teor de CaO livre ou não combinado no clínquer r a r a m e n t e exceda 1%.

O MgO cristalino, denominado periclásio, em uni clínquer de cimento Portland que é exposto de 1.400 a 1.500°C é essencialmente inerte à umidade em tempera-tu ra ambiente, uma vez que a sua reatividade cai abruptamente quando é aque-cido acima de 900°C. Não há casos relatados de problema est rutural devido à presença de periclásio em cimentos Port land modernos em países como o Brasil, onde as limitações da matéria-prima obrigam alguns produtores de cimento a fa-bricar cimentos Portland contendo mais de 6% de MgO. Diversos casos de expan-são e f issuração de es t ru turas de concreto foram relatados em Oaklancl (Califórnia), onde se descobriu que o agregado usado na fabricação do concreto t inha sido contaminado acidentalmente com tijolos de dolomita britados contendo grandes quantidades de MgO e CaO, calcinados a temperaturas muito mais bai-xas do que 1.400°C.

5.16 Corrosão do Aço de Armadura no Concreto

A deterioração do concreto contendo metais embutidos, tais como eletrodutos. tu-bulações e a rmaduras (armado e protendido), é atribuída, geralmente, ao efeito combinado de mais do que uma única causa; entretanto, a corrosão do metal em-butido, invariavelmente, é uma das principais. Um levantamento44 em edifícios que ent raram em processo de ruína na Inglaterra mostrou que, de 1974 a 1978, a causa imediata do colapso em pelo menos oito es t ruturas de concreto foi a corro-são do aço da es t ru tura a rmada ou pretendida. As es t ru turas t inham de 12 a 40 anos de idade na época do desmoronamento, com exceção de uma que tinha ape-nas dois anos.

Quando a a rmadura está protegida do ar por uma adequada espessura de co-brimento, com concreto de baixa permeabilidade, a expectativa é de que a corro-são do aço e outros problemas associados a ela não ocorram. Isso não é completamente verdadeiro na prática e fica evidente pela alta freqüência com que es t ru turas de concreto armado e protendido começam a apresentar deterioração p rematura devida à corrosão do aço, mesmo quando adequadamente executadas. A incidência de danos é especialmente grande nas estruturas expostas a produtos químicos usados para degelo ou a ambientes marinhos. Por exemplo, em 1991, um relatório da Federal Highway Administration enviado ao Congresso dos EUA des-tacava que 134.000 pontes de concreto armado nos Estados Unidos (23% do total) requeriam reparo imediato e 226.000 (39% do total) também apresentavam pro-blemas. A corrosão das a rmaduras foi considerada como uma das causas do dano es t ru tura l na maioria dos casos, e o custo total de recuperação foi estimado em 90 bilhões de dólares.45

Os danos ao concreto resultantes da corrosão da armadura se manifestam na forma de expansão, fissuração e eventual lascamento do concreto de cobrimento (Figura 5-23a). Além da perda do cobrimento, um elemento de concreto armado pode sofrer dano estrutural devido à perda não só de aderência entre o aço e o con-

Durabiüdade 179

creto, como também de área de seção transversal da barra - às vezes a ponto de tornar o colapso estrutural inevitável.45 A seguir, apresenta-se uma revisão dos mecanismos envolvidos na deterioração do concreto decorrente da corrosão da ar-madura, um histórico de casos selecionados e medidas para o controle do fenô-meno.

5.16.1 Mecan ismos envolvidos na deter ioração do conc re to por co r ro são da a rmadura A corrosão do aço no concreto é um processo eletroquímico. Os potenciais eletro-químicos que formam células de corrosão podem ser gerados de duas formas:

1. células de composição podem ser formadas quando dois metais diferentes são embutidos no concreto, como barras de aço e tubulações de alumínio, ou quando há variações significativas nas características superficiais do aço;

2. células de concentração podem se formar na vizinhança da armadura devido às diferenças na concentração de íons dissolvidos, como álcalis e cloretos.

Como resultado, um dos dois metais (ou algumas partes do metal, quando ape-nas um tipo de metal está presente) torna-se anódico e o outro catódico. As alte-rações químicas fundamentais que ocorrem nas áreas anódicas e catódicas47 são como se vê a seguir (ver também Figura 5-23b).

Ânodo: Fe 2e" + Fe-+

(ferro metálico)

Fe0. (H 2 0) , (produto de corrosão) (5-9)

Cátodo: 1/2 0 2 + H2O + 2e- -»2(OH)-

A transformação do ferro metálico em produto de corrosão (ferrugem) é acom-panhada por um aumento de volume que, dependendo do estado de oxidação, pode ser da ordem de 600% em relação ao metal original (Figura 5-23c). Acredita-se que esse aumento de volume seja a principal causa da expansão e fissuração do concreto. De modo similar à expansão da etringita pouco cristalina, os hidróxidos de ferro pouco cristalinos também podem ter uma tendência a absorver água e expandir. Outro ponto a ser destacado é que a reação anódica envolvendo a ionização do ferro metálico não progride sem que haja um fluxo de elétrons no sentido do cátodo, que é mantido por meio do consumo de elétrons na região catódica. Dessa maneira, para o processo catódico, a presença tanto do ar como da água na superfície do cátodo é absolutamente necessária. Os produtos de ferro comum e de aço normalmente são cobertos por uma fina película de óxido de ferro, que se torna impermeável e forte-mente aderente à superfície do aço em um meio alcalino, o que faz do aço um ma-terial passivo no tocante à corrosão. Isso significa que o ferro metálico não estará disponível para a reação anódica até que a passividade do aço tenha sido destruída.

180 Microestrutura e Propr iedades do C o n c r e t o Endurec ido

Fe (OH), ^ Fe10Hh 3H,0

0 1 2 3 4 5 6 T

Volume, cm*

(c)

Figura 5 - 2 3 E x p a n s ã o e fissuração do concreto devidas à corrosão da a r m a d u r a [(b), (c). Beton-Bogen . A a l b o r g D e n m a r k . 1981].

A Figura (a) mostra que o deterioração do concreto devida à corrosão da armadura se manifesta na forma de expansão, fissuração e perda (destacamento) de cobrimento. A perda de aderência entre o aço e o concreto e a redução da seção transuersal da armadura podem, levar a uma falha estru-tural. A Figura (b) ilustra o processo eletroquímico de corrosão do aço em um concreto úmido e per-meável. A célula galvânica é caracterizada por um processo anódico e um processo catódico. O processo anódico não ocorre sem que o filme de óxido de ferro protetor ou passivo seja removido em um ambiente ácido (por exemplo, carbonatação do concreto) ou se torne permeável pela ação de íons Cl. O processo catódico não pode ocorrer sem que haja quantidades suficientes de oxigênio e de água na superfície do aço. A resistividade elétrica do concreto é também reduzida na presença de umidade e de sais. A Figura (c) indica que, dependendo do estado de oxidação, a corrosão do ferro metálico pode resultar no aumento do volume sólido em até seis vezes.

Na ausência de íons cloreto na solução, o filme protetor no aço é considerado es-tável desde que o pH da solução permaneça acima de 11,5. Como o cimento Port-land hidratado contém álcalis na solução dos poros e cerca de 20%, em massa, de hidróxido de cálcio sólido, normalmente há alcalinidade suficiente no sistema para man te r o pH acima de 12. Sob certas condições (por exemplo, quando o concreto tem alta permeabilidade e quando os álcalis e a maior parte do hidróxido de cál-cio ou é carbonatada ou lixiviada), o pH do concreto junto ao aço pode ser reduzido a menos de 11.5. Isso destrói a passividade do aço e propicia condições para o pro-cesso de corrosão.

Durabilidade 181

Na presença de íons cloreto, dependendo da relação CF/OH", tem-se que o filme protetor é destruído mesmo com valores de pH consideravelmente superiores a 11,5. Sabe-se que, quando a relação molar C170H" é mais alta do que 0,6, o aço não está mais protegido contra a corrosão, provavelmente porque o filme do óxido de ferro se torna permeável ou instável sob essas condições. Para dosagens de concreto normalmente usadas na prática, o teor limite de cloreto para se iniciar a corrosão está entre 0,6 e 0,9 kg de Cl" por m3 de concreto. Além disso, quando quantidades grandes de cloreto estão presentes, o concreto tende a reter mais umidade, o que também aumenta o risco de corrosão do aço pela diminuição da resistividade elé-trica do concreto. A partir do momento que a passividade da armadura é destruída, a resistividade elétrica e a disponibilidade de oxigênio passam a controlar a taxa de corrosão. De fato, não se observa corrosão significativa quando a resistividade elétrica do concreto permanece acima de 50 a 70xl03 íl.cm. Aditivos, agregado con-taminado com sal e a penetração de soluções de sais de degelo ou de água do mar estão entre as fontes comuns de contaminação de cloreto no concreto.

5.16.2 Histórico de c a s o s s e l ec ionados Um levantamento realizado pelo British Building Research Establishment*13, sobre as causas diretas de desmoronamento de edifícios, em 1974, apontou que o colapso repentino da viga principal de uma cobertura de 12 anos executada com vigas de concreto protendido pós-tensionadas foi provocado por corrosão das cordoalhas. Um grauteamento deficiente das bainhas e o uso de aditivo acelerador para o con-creto à base de cloreto de cálcio, em teores de 2 a 4% em relação à massa do ci-mento, foram os fatores diagnosticados como responsáveis pela corrosão do aço. Uma série de acidentes semelhantes na Grã-Bretanha justificou a emenda feita ao British Code of Practice 110, em 1979, que determinou total restrição ao uso do clo-reto de cálcio nos concretos protendido, armado ou que eventualmente contenha algum metal embutido.

Uma pesquisa do Kansas State Transportation Depar tment mostrou que, em tabuleiros de pontes expostos à ação de sais de degelo, havia uma forte relação entre a profundidade do cobrimento e a deterioração do concreto na forma de de-laminações ou de fissuração horizontal. Em geral, havia adequada proteção do aço quando a espessura do cobrimento era igual a 50 mm ou superior (pelo menos três vezes o diâmetro nominal das barras, que era de 15 mm). Porém, a distribuição normal da variação na profundidade do cobrimento era tal que cerca de 8% do aço tinha cobrimento igual ou inferior a 37,5 mm. Com um cobrimento menos pro-fundo, atribuiu-se à corrosão do aço a responsabilidade pelas fissuras horizontais ou delaminações verificadas no concreto. Em um tabuleiro de ponte em particular, a combinação da fissuração por ação de gelo-degelo com a corrosão do aço ampliou a área de delaminação do concreto cerca de 8 vezes em 5 anos, de forma que 45% da superfície do tabuleiro apresentou lascamento do concreto até a ponte comple-tar apenas 16 anos de idade. Relatos têm sido divulgados contemplando históricos de casos semelhantes referentes a danos em tabuleiro de ponte de diversas rodo-vias, inclusive os da Pensilvânia (Figuras 5-24a).

Microestrutura e Propr iedades d o Concre to Endurec ido

A pesquisa no Kansas, por fim, relatou que a corrosão da armadura produziu fis-suras verticais no tabuleiro de concreto, que contribuíram para a corrosão das lon-gar inas de aço que sustentavam o tabuleiro. Um comentário bem-humorado de

Figura 5-24 Danos em e s t r u t u r a s de concreto a r m a d o em v i r tude da corrosão do aço [(a) Fotografia cedida por P.D. Cady. T h e P e n n s y l v a n i a S t a t e Univers i ty , Univers í ty Pa rk , Pennsy lvan ia : (b) foto-gra f ia de Meh ta . P.K.: Gerwick. J r . , B.C.. Concr. Int., v. 4. pp . 45-51,1982] ,

Quando o relação Cl'/(OH)~ do ambiente úmido em contato com a armadura no concreto excede a um certo valor limite, a passividade do aço é quebrada. Esse é o primeiro passo necessário para desenca-dear reações anódicas e catódicas em uma célula de corrosão. Em climas frios, tabuleiros de ponte* de concreto armado freqüentemente são expostos ã aplicação de produtos químicos para degelo contendo cloretos. A penetração progressiva de cloretos em concretos permeáveis leva ao desgaste em camadas, o formação de depressões e irregularidades e a delaminações na superfície do concreto, o que o torna ina-dequado para o uso. A foto (a) mostra danos típicos do concreto (desgaste em camadas e formação de depressões e crateras na superfície de um pavimento de concreto na Pensilvânia) decorrentes da com-binação da ação de congelamento, corrosão da armadura e outras causas. A foto (b) mostra uma dete-rioração do concreto decorrente da corrosão das armaduras das vigas de amarração da ponte San Mateo-Hayward. após 17 anos de vida útil de serviço. Nesse caso, a água marinha foi a fonte dou íons cloreto.

Carl Crumpton a respeito dos problemas de corrosão em tabuleiro de ponte, decorrentes de aplicações de sais de degelo, é destacado a seguir:

O c a s a m e n t o do concre to e do aço e ra u m a u n i ã o ideal , e u s a m o s m u i t o concre to a r m a d a em t abu l e i ro s de pon tes . I n f e l i z m e n t e , começamos a Jogar sal p a r a d e r r e t e r a neve e o gelo. em vez de ar roz p a r a u m a boa f e r t i l i dade . Isso causou i r r i t ação , t en sões e e rosão n a s boas rela-ções con juga i s do início. Os dois n ã o pod iam m a i s v iver u m a u n i ã o feliz: as s e m e n t e s da des-t ru i ção h a v i a m sido p l a n t a d a s , e as condições h a v i a m sido e s t abe lec idas p a r a os p r o b l e m a s a t u a i s de corrosão e de f i s s u r a ç ã o no t a b u l e i r o d a s pontes-15.

Mehta e Gerwick2 r e la ta ram que muitas vigas de amarração da ponte San Mateo-Hayward, na Baía de San Francisco, Califórnia, tiveram de passar por caros reparos por causa da séria fissuração do concreto associada à corrosão da arma-dura (Figura 5-24b). As vigas, densamente armadas, de dimensões iguais a 8 m por

Durabilidade 183

3,7 m por 1,8 m, foram executadas em 1963 com um concreto de alta qualidade (370 kg/m3 de cimento e relação água/cimento 0,45). Os danos ficaram limitados à parte inferior e às faces de barlavento expostas à névoa salina do ambiente mari-nho, tendo ocorrido apenas nas vigas pré-moldadas, curadas a vapor. Nenhuma fis-suração ou corrosão ficou evidenciada nas vigas moldadas in loco, curadas naturalmente, executadas ao mesmo tempo e com u m concreto de dosagem simi-lar ao dos elementos pré-moldados. Sugeriu-se, então, que a combinação de uma armadura pesada e de taxas diferenciais de resfriamento (obtidas imediatamente após a operação de cura a vapor nas vigas massivas) pode ter resultado na forma-ção de microfissuras no concreto, as quais se ampliaram a posteriori em vista das condições climáticas severas no lado barlavento das vigas. Na seqüência, a pene-tração da água salina no concreto promoveu u m tipo de reação em cadeia corrosão-fissuração-corrosão, que produziu sérios danos. Uma discussão mais aprofundada da interação fissuração-corrosão e históricos de casos de ataque por água do mar serão apresentados adiante.

5.16.3 Controle da cor rosão Como a água, o oxigênio e os cloretos desempenham um importante papel na cor-rosão das armaduras e na fissuração do concreto, fica claro que a permeabilidade do concreto é a chave para controlar os vários processos envolvidos nesses fenô-menos. Os parâmetros da dosagem do concreto para garantir baixa permeabili-dade, a saber, uma baixa relação água/cimento, um consumo adequado de cimento, o controle da dimensão do agregado e sua graduação, e o uso de adições minerais, são assuntos já discutidos anteriormente. Ressalta-se, porém, nessa linha, a posi-ção do ACI Building Code 318, que especifica uma relação água/cimento máxima de 0.4 para o concreto armado de peso normal exposto a agentes químicos de de-gelo e à água do mar. Igualmente essenciais, têm-se os procedimentos de adensa-mento e cura do concreto, que devem ser adequadamente executados. Os métodos de dosagem devem, também, levar em conta a possibilidade de aumento da per-meabilidade do concreto sob condições de serviço, em função de ações físico-quí-micas diversas, tais como: gradientes térmicos, ação de congelamento, ataque por sulfato e expansão por reação álcali-agregado.

Para a proteção contra a corrosão, o teor máximo de cloreto permitido na dosa-gem do concreto também está especificado no ACI Building Code 318. Por exem-plo. a concentração máxima de íon Cl" (solúvel em água) no concreto endurecido, aos 28 dias, levando-se em conta todos os constituintes do concreto (incluindo agre-gados, materiais cimentícios e aditivos), não deve exceder a 0,06%, 0,15% e 0.30%, em relação à massa do cimento. Esses teores se referem, respectivamente, ao con-creto protendido, ao concreto armado em serviço exposto a um ambiente contendo cloretos e a outros tipos de concreto armado. E permitido aos elementos de concreto armado que, em serviço, permaneçam secos ou protegidos da umidade, conter até 1% de Cl" em relação à massa de material cimentício do concreto.

Certos parâmetros de projeto também influenciam a permeabilidade. A Seção 7.7 do ACI Building Code 318 especifica as exigências de cobrimento mínimo para

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es t ru tu ras de concreto expostas a ambiente corrosivo. Recomenda-se um cobri-mento de concreto mínimo de 50 mm para paredes e lajes e de 63 mm para os ou-tros elementos estruturais. A prática corrente em estruturas costeiras no Mar do Norte requer um mínimo de 50 mm de cobrimento para a a rmadura convencional (destinada ao concreto armado) e de 70 mm para o aço de protensão. O ACI 224R especifica 0,15 mm como a máxima abertura de fissura permitida na face trácio-nada de es t ru turas de concreto armado sujeitas a ciclos de molhagem e secagem ou que estejam sob a ação da névoa salina da água do mar. O CEB Model Code, por sua vez, recomenda limitar a abertura de fissura a 0,1 mm na superfície do aço para elementos de concreto expostos a freqüentes carregamentos de flexão, e a 0,2 m m para as demais situações. Muitos pesquisadores concluíram que não há re-lação direta entre a aber tura de fissura no concreto e a corrosão da armadura; no entanto, é óbvio que, pelo aumento da permeabilidade do concreto à água, bem como aos gases e íons deletérios, a presença de uma rede de macrofissuras inter-conectadas e de microfissuras internas exporão a estrutura a numerosos proces-sos físico-químicos de deterioração.

Os custos de reparo e de substituição referentes aos tabuleiros de ponte de con-creto deteriorados pela corrosão da armadura vêm se tornando um investimento relevante em termos de manutenção. Muitas concessionárias de rodovias prefe-rem, atualmente, assumir o custo inicial extra do uso de uma membrana imper-meável à água, ou da aplicação de uma fina camada de concreto impermeável nas superfícies recém-construídas ou, por fim, da execução de reparos em superfícies inteiras de elementos de concreto armado e protendido, desde que estes possuam grandes dimensões e configuração plana. Membranas impermeáveis à água, nor-malmente pré-fabricadas e do tipo folha, são usadas quando protegidas de danos físicos por meio do revestimento de sua superfície com concreto asfáltico; portanto, sua integridade superficial fica limitada à vida útil do concreto asfáltico, que é cerca de 15 anos. A cobertura (revestimento superficial) com concreto estanque ou impermeável, com espessura de 37,5 a 63 mm, oferece uma proteção mais durável contra a penetração de fluídos agressivos para o interior de elementos de concreto armado ou protendido. Os concretos especificados para essa camada superficial possuem, tipicamente, um pequeno abatimento do tronco de cone (baixo slump), uma relação água/cimento muito baixa (possibilitada pelo emprego de um aditivo superplastificante) e um alto consumo de cimento. Argamassas de cimento Port-land contendo uma emulsão polimérica (látex) também apresentam excelente im-permeabilidade e têm sido usadas para esses objetivos de revestimento superficial do concreto; no entanto, suspeita-se que emulsões de látex do tipo cloreto vinilideno sejam a causa de problemas de corrosão em alguns casos, o que faz com que, atual-mente, se tenha preferência pelo uso de produtos à base de estireno-butadieno.

Revestimentos superficiais aplicáveis às barras de aço e proteção catódica são ações que oferecem outras abordagens para prevenção da corrosão; elas são, no entanto, mais caras do que produzir um concreto de baixa permeabilidade por meio de efetivos controles de qualidade, do projeto e da execução. Revestimentos prote-tores para armaduras são de dois tipos: revestimentos anódicos (por exemplo, aço

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revestido com zinco) e revestimentos por barreira (por exemplo, aço revestido com epóxi). Devido à preocupação com a durabilidade a longo prazo de bar ras revesti-das com zinco no interior do concreto, a U.S. Federal Highway Administration, em 1976, estabeleceu uma moratória temporária em relação ao seu uso em tabuleiros de ponte. O desempenho de longo prazo das bar ras revestidas com epóxi ainda está sendo estudado em muitos países. As técnicas de proteção catódica envolvem a supressão do fluxo de corrente na célula de corrosão, que é obtida pelo supri-mento externo de um fluxo de corrente na direção oposta ou pelo uso de ânodos de sacrifício. Em função de sua complexidade e dos altos custos envolvidos, sistemas de proteção catódica têm tido aplicações limitadas.

5.17 Desenvolvimento de um Modelo Holístico da Deterioração do Concreto

A experiência prática mostra que, em ordem decrescente de importância, as princi-pais causas de deterioração das estruturas de concreto são corrosão da armadura, exposição aos ciclos de congelamento e degelo, reação álcali-sílica e ataque por sul-fato. Em cada uma dessas quatro causas de deterioração do concreto, a permeabi-lidade e a presença de água implicam em mecanismos de expansão e fissuração. O concreto adequadamente dosado, lançado, adensado e curado é essencialmente im-permeável e, assim, deveria ter uma longa vida útil na maioria das condições. Porém, como resultado da exposição ambiental, fissuras e microfissuras ocorrem e se propagam, e quando se interconectam, a estrutura de concreto perde sua estan-queidade e se torna vulnerável a um ou mais processos de deterioração.

Mehta e Gerwick2 fizeram uma representação diagramática do processo de fis-suração do concreto resultante da corrosão da armadura (Figura 5-25a). Uma ilus-tração semelhante do processo de fissuração devido aos ciclos congelamento e degelo foi apresentada por Moukuwa50 (Figura 5-25b). Geralmente, os vazios ca-pilares em uma estrutura de concreto bem curado exposto ao ar não são saturados. Assim, um concreto normal (sem ar incorporado) não deveria expandir e fissurar quando exposto a ciclos de congelamento e degelo. O concreto expande porque as condições de intempérie e outros efeitos ambientais produzem fissuras e microfis-suras. que aumentam a permeabilidade do concreto e o grau de saturação dos va-zios capilares.

Com base em um relatório de Swamy51, uma representação diagramática da ex-pansão e fissuração do concreto devidas às reações álcali-agregado é exibida na Figura 5-25c. De acordo com o autor, os cimentos Portland contêm alguns álcalis solúveis, e muitos agregados contêm minerais reativos aos álcalis; portanto, a rea-ção álcali-agregado podè ser encontrada na maioria dos concretos. Swamy relata:

A p e s a r de a r eação á lca l i - agregado ocorrer em u m concreto , a e x p a n s ã o e f i s s u r a ç ã o deleté-ria não ocorrem a m e n o s q u e o a m b i e n t e e s t e j a a l t a m e n t e s a t u r a d o . Se lec ionando-se ade-q u a d a m e n t e os m a t e r i a i s , a dosagem, o p r o c e s s a m e n t o e as condições de c u r a a d e q u a d a s , é possível p roduz i r e s t r u t u r a s de concre to q u e p e r m a n e ç a m s u f i c i e n t e m e n t e secas i n t e r n a -m e n t e d u r a n t e sua v ida ú t i l . A mic ro f i s su ração d u r a n t e i n t e m p é r i e s e sob efei tos do car re-g a m e n t o . às vezes, des t rói a s u a e s t a n q u e i d a d e e t o r n a o concre to pe rmeáve l .