DETERMINAÇÃO DA RESISTIVIDADE ... -...

DETERMINAÇÃO DA RESISTIVIDADE ELÉTRICA E DA POROSIDADE

ABERTA DE COMPÓSITOS CIMENTÍCIOS DE ENGENHARIA.

A.S. Lamounier; C.Z.F. Pinto; M. T. P. Aguilar; J.O.S. Paulino.\

Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)

Av. Antônio Carlos,6627 Pampulha – Belo Horizonte – MG, Brasil

CEP 31270-901

[email protected]

RESUMO

Concretos ecoeficientes são primordialmente duráveis. Para concretos armados,

durabilidade está relacionada com corrosão da armadura. Um ensaio que permite

avaliar tendência da armadura corroer devido à presença de íons cloreto dentro

deles é o de resistividade elétrica. Este parâmetro permite avaliar a permeabilidade

a gases e líquidos dos compostos cimentícios. Um dos fatores que afetam os

ensaios de resistividade elétrica é a composição da água utilizada. Este parâmetro,

em geral, não é especificado na literatura que relata o assunto. Neste trabalho,

avalia-se a influência da composição química da água nos ensaios de resistividade

elétrica de compostos cimentícios. Para tal, foi desenvolvido um equipamento de

medida no qual foram avaliadas as resistividades de compostos cimentícios após

saturação em água de diferentes naturezas. Os resultados indicam que a

composição química da água é uma das variáveis a serem controladas no ensaio de

resistividade elétrica dos compostos abordados, uma vez que os valores obtidos

com a água deionizada, com a destilada, com a fornecida pela COPASA em Belo

Horizonte – MG, e com água rica em cal, diferem significativamente.

Palavras-chave: Resistividade elétrica; Concreto; Água; Durabilidade .

21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

2194

INTRODUÇÃO

A durabilidade do concreto é uma questão presente no desenvolvimento sustentável

das construções, que privilegia uma maior via útil das obras de engenharia. Há

fatores que interferem na vida útil desse material, tais como: lixiviação, expansão

(devido à presença de álcalis, sulfatos, magnésio), ações mecânicas (impactos,

fadiga, fluência), movimentações térmicas e corrosão da armadura devido à

carbonatação ou devido ao elevado teor do íon cloro (cloreto). Um dos parâmetros

para avaliar a durabilidade do concreto, no que se refere á ação dos íons cloretos, é

a resistividade elétrica. Este parâmetro é influenciado pela microestrutura do

concreto, pois é relacionado à permeabilidade do material a gases e líquidos. Os

resultados dos ensaios de resistividade elétrica são afetados por fatores como: a

intensidade e o tipo de corrente aplicada, a frequência do sinal, o contato entre os

eletrodos, natureza do material, a distribuição da corrente, o formato do corpo de

prova e a presença de armadura. Na literatura não foram encontrados relatos a

respeito da influência da água nos resultados do ensaio de resistividade elétrica do

concreto. De modo geral, a condição da água utilizada não é especificada com

clareza nos artigos e teses acadêmicos.

MATERIAIS E MÉTODOS

PRIMEIRA PARTE

Inicialmente, estudou-se e confeccionou-se um método para medir a resistividade

elétrica de corpos de prova de concreto. Optou-se pelo método de “Duas pontas”, no

qual se utilizam corpos de prova cilíndricos. Para o ensaio, foi construído um

equipamento constituído por dois eletrodos, um multímetro digital e um gerador de

tensão (Figura 1).


2195

Figura 1 - Sistema montado.

Os eletrodos, cuja função é conduzir a corrente elétrica pelo corpo de prova, foram

confeccionados em chapas de cobre de formato quadrangular (figura 2). Esses

eletrodos foram fixados na amostra utilizando um grampo sargento (figura 3). Na

região de contato concreto-eletrodo foi utilizado lã de aço de forma a aderirem às

porosidades das extremidades dos concretos cilíndricos (figura 3). Dois multímetros

digitais permitiram controlar simultaneamente a corrente e a voltagem utilizadas. Um

gerador de tensão estabelecia a diferença de potencial desejada entre os eletrodos.

Figura 2 - Eletrodos em chapas de cobre de formato quadrangular.


2196

Figura 3 - Sistema com grampo sargento e lã de aço.

Usou-se multímetros digitais (figuras 4 e 5) e testou-se geradores de tensão até que

se estabeleceu aquele adequado para as medições em concreto: o gerador usado

foi o de função digital FG – 8102, da Politerm. Nesta etapa, foram utilizados os

equipamentos do Laboratório de Compatibilidade Eletromagnética da UFMG, cujo

coordenador Prof. José Osvaldo Saldanha Paulino co-orientou os trabalhos

realizados. Para o ensaio foram testados, a princípio, concretos no estado seco. Em

função dos resultados, os experimentos passaram a ser realizados com amostras

saturadas com água. Com o sistema montado, calculava-se o valor da resistividade

elétrica para diversos corpos de prova pelas fórmulas:

R = V/I

(a)

onde R é a resistência elétrica em ohm (Ω), V a tensão em Volts (V) e I a corrente

elétrica em Ampères (A);

R = ρL/A

(b)

onde ρ é a resistividade elétrica em Ωm, L o comprimento do corpo de prova em

metros (m) e A a área de seção transversal do mesmo material em m2.

Lã de aço


2197

Antes das medições, os corpos de prova ficaram alguns dias submersos em água

comum (da COPASA), com o objetivo de os materiais absorverem a água. Usou-se

dois tipos de concreto: o convencional e o auto adensável (este concreto é obtido

pela ação de aditivos superplastificantes, que proporcionam maior facilidade de

bombeamento, excelente homogeneidade, resistência e durabilidade).

SEGUNDA PARTE

Em função dos resultados, verificou-se a necessidade de se avaliar a influência da

água nas medições. Dessa forma, usando os mesmos multímetros e gerador de

tensão da etapa anterior, mediu-se os valores da resistividade elétrica de diferentes

tipos de água usando uma cuba de vidro cheia de água (figura 4). Com a corrente

elétrica e tensão, calculava-se a resistência elétrica e com ela, a resistividade

elétrica, pelas fórmulas já apresentadas. Foram usadas 3 tipos distintos de água:

A) normal (da COPASA de Belo Horizonte);

B) destilada;

C) normal com cal (figura 5).

Figura 4 - O multímetro da esquerda media tensão e o da direita, corrente elétrica.


2198

Figura 5 - Procedimento para a água com cal.

TERCEIRA PARTE

Para obter maior confiabilidade nas medições, desenvolveu-se uma aparelhagem

alternativa (figura 6), a fim de tornar a medição mais precisa e os resultados mais

próximos daqueles observados nos artigos acadêmicos usados como referência.

Primeiramente, montou-se o esquema ilustrado na figura 6.


2199

Figura 6 - Sistema constituído pelo osciloscópio, cuba de vidro, resistores Shunt e

gerador.

O circuito de medição mostrado acima forneceu o valor da resistência da cuba cheia

d’água. O valor da resistividade da água é dado pela expressão:

L

AR

ÁGUAÁGUA

(c)

onde ÁGUA é a resistividade d’água em (m), RÁGUA é a resistência da cuba d’água

em (), L é comprimento da cuba em metros (m) e A é a área da placa de cobre em

m2;

O valor da resistência da cuba d’água foi dado pela expressão:

(d)

onde VCUBA é a tensão medida na cuba em (V), I é a corrente no circuito em

Ampéres (A).

I

VR CUBA

ÁGUA


2200

A corrente no circuito foi dada pela expressão:

CUBASHUNT

GERADOR

RR

VI

(e)

onde VGERADOR é a tensão de saída do gerador em (V); RSHUNT é o valor da

resistência do resistor “shunt” em () e RCUBA é a resistência da cuba de vidro em

(Ω).

O valor da corrente também pôde ser dado pela expressão:

SHUNT

SHUNTR

R

VI

(f)

onde VSHUNT é a tensão medida no resistor “shunt” em (V).

Porém, devido a ruídos constantes nas medições feitas, algumas alterações foram

realizadas e um novo método foi confeccionado (figuras 7 e 8).


2201

Figura 7 - Novo sistema montado, agora com duas pontas de prova separadas.

Figura 8 - Visão geral da nova montagem.

Os valores de resistores shunt utilizados foram 216,95Ω; 2173,00Ω; 21790,00Ω,

221540,00Ω e 2166000,00Ω, que são valores aproximados aos utilizados pela

referência bibliográfica em questão.


2202

RESULTADOS

PRIMEIRA PARTE

Na tabela 1 são apresentados os resultados do ensaio com concretos cilíndricos (20cmx10cm), sob frequência entre 74 e 75Hz e corrente alternada. Os corpos de prova ficaram 4 dias e 3 horas sob água antes da medição. Efetuando os cálculos, o fator de conversão foi: ρ = R x 0,03925.

Tabela 1 - Resistividades elétricas de compostos cimentícios convencionais e autoadensável saturados com água comum.

Tipo de Concreto Tensão (V) Corrente (mA)

Resistência (Ω)

Resistividade (Ωm)

Convencional 2,500 0,78 3205,13 125,80

5,004 1,63 3069,94 120,49

7,500 2,54 2952,76 115,89

Auto adensável 2,497 0,87 2870,12 112,65

5,008 1,81 2766,85 108,99

7,500 2,77 2707,58 106,27

Na tabela 2 são apresentados os resultados do ensaio com concretos cilíndricos (10cmx5cm), sob frequência entre 74 e 75Hz e corrente alternada. Também ficaram 4 dias e 3 horas sob água antes da medição. Pelos cálculos, o fator de conversão foi: ρ = R x 0,019625.

Tabela 2 - Resistividades elétricas para diferentes amostras de concreto saturadas com água comum.

Tipo de Concreto

Amostra Tensão (V) Corrente (mA)

Resistência (Ω)

Resistividade (Ωm)

Referencial 1 2,500 0,73 3424,66 67,21

5,004 1,51 3313,91 65,04

7,500 2,29 3275,11 64,27

2 2,502 0,72 3472,50 68,15

5,001 1,48 3379,05 66,32

7,500 2,24 3348,21 65,71

3 2,500 0,63 3968,25 77,87

5,007 1,30 3851,54 75,59

7,500 1,97 3807,11 74,71

Âmbar 20 1 2,500 0,45 5555,55 109,03

5,004 0,95 5267,37 103,37

7,500 1,43 5244,75 102,93

2 2,504 0,40 6260,00 122,85

5,000 0,84 5952,38 116,81

7,500 1,28 5859,37 114,99

3 2,500 0,49 5102,04 100,13


2203

4,999 1,03 4853,40 95,25

7,500 1,57 4777,07 93,75

Branco 10 1 2,502 0,82 3053,66 59,92

5,004 1,69 2960,94 58,11

7,500 2,57 2918,28 57,27

2 2,496 0,44 5672,73 111,32

5,009 0,93 5386,02 105,70

7,500 1,41 5319,15 104,39

3 2,508 0,54 4644,44 91,15

5,007 1,11 4510,81 88,52

7,500 1,69 4437,87 87,09

Branco 20 1 2,502 0,32 7818,75 153,44

5,002 0,67 7465,67 146,51

7,500 1,02 7352,94 144,30

2 2,501 0,38 6581,58 129,16

5,004 0,80 6255,00 122,75

7,500 1,21 6198,35 121,64

3 2,506 0,36 6961,11 136,61

5,008 0,76 6589,47 129,32

7,500 1,15 6521,74 127,99

Âmbar 10 1 2,501 0,64 3907,81 76,69

4,999 1,33 3758,65 73,76

7,500 2,02 3712,87 72,86

2 2,497 0,65 3841,54 75,39

5,004 1,35 3706,67 72,74

7,500 2,03 3694,58 72,50

3 2,499 0,56 4462,50 87,57

5,007 1,16 4316,38 84,71

7,500 1,75 4285,71 84,10

SEGUNDA PARTE

O volume de água na cuba tinha as seguintes medidas: 14,5cm de altura, 9,0cm de largura e 18,5cm de comprimento. A relação obtida foi: ρ = R x 0,07, sob frequência de 100 Hz.

A tabela 3 mostra os resultados referentes à água destilada, a tabela 4 referentes à da COPASA de Belo Horizonte e a tabela 5 referentes à água com cal.

Tabela 3 - Resistividade elétrica da água destilada variando-se a tensão.

Tensão (V) Corrente (mA) Resistência (Ω) Resistividade (Ωm)

0,999 0,19 5257,89 368,05


2204

2,006 0,43 4665,12 326,56

3,006 0,67 4486,57 314,06

3,995 0,91 4390,11 307,31

4,994 1,15 4342,61 303,98

5,997 1,39 4314,39 302,01

Tabela 4 - Resistividade elétrica da água comum (COPASA, BH), variando a tensão.

Tensão (V) Corrente (mA) Resistência (Ω) Resistividade (Ωm)

1,011 0,88 1148,86 80,42

2,000 1,79 1117,32 78,21

3,006 2,71 1109,23 77,65

3,999 3,64 1098,63 76,90

4,999 4,56 1096,27 76,74

6,000 5,50 1090,91 76,36

Tabela 5 - Resistividade elétrica para água com cal variando frequência e tensão.

Frequência (Hz)

Tensão (V) Corrente (mA)

Resistência (Ω)

Resistividade (Ωm)

100 0,998 42,60 23,43 1,64

1,996 89,10 22,41 1,57

2,246 101,50 22,13 1,55

200 0,993 45,30 21,921 1,534

2,000 93,30 21,436 1,501

2,188 102,20 21,409 1,499

300 1,002 47,10 21,274 1,489

1,995 95,10 20,978 1,468

2,150 102,70 20,935 1,465

400 1,007 48,10 20,936 1,466

2,003 97,10 20,628 1,444

2,124 103,10 20,601 1,442

TERCEIRA PARTE

Novas medições foram feitas com a nova montagem, ilustrada na figura 7. Usou-se o gerador, sob frequência de 62Hz, com amplitude máxima e corrente alternada.

Para a água da COPASA de Belo Horizonte, as medidas de volume de água na cuba foram: 12,50cm de altura, 9,00cm de largura, 18,50cm de comprimento, com fator de conversão: ρ = 0,0608xRcuba, sob frequência de 60Hz. A tabela 6 mostra os resultados para a água da COPASA utilizando a nova aparelhagem.


2205

Tabela 6 - Resistividade elétrica para água da COPASA de Belo Horizonte, variando resistências shunt.

VP1 (V) VP2 (V) Rshunt(Ω) Rcuba(Ω) ρ (Ωm)

1,05 7,80 216,95 1537,63 93,49

4,82 7,92 2173,00 1397,57 84,97

7,52 8,01 21790,00 1419,83 86,33

7,96 8,03 221540,00 1948,22 118,45

8,00 8,03 2166000,00 8122,50 493,85

Para a água destilada, as medidas de volume de água na cuba foram: 11,50cm de altura, 9,50cm de largura, 18,50cm de comprimento, com fator de conversão de ρ = 0,056 x Rcuba, sob frequência de 60Hz. A tabela 7 mostra os resultados para a água destilada utilizando a nova aparelhagem.

Tabela 7 - Resistividade elétrica para água da destilada, variando resistências shunt.

VP1 (mV) VP2 (V) Rshunt (Ω) Rcuba (Ω) ρ (Ωm)

4,63 8,15 216,95 381671,28 21373,59

46,50 8,16 2173,00 379153,45 21232,59

443,00 8,16 21790,00 379578,85 21256,42

2650,00 8,17 221540,00 461472,00 25842,43

Para a água com adição de cal, usou-se o mesmo volume de água na cuba da água destilada. Foram utilizados uma balança e 5 béqueres de 50ml para o experimento. Mediu-se 0,5g de Ca(OH)2 (em pó) em cada béquer com o auxílio da balança, devidamente tarada antes da medição. Fez-se uma adição cumulativa do composto (em cada parte do procedimento acrescentou-se 0,5g). O gerador usado estava sob frequência de 62Hz, com amplitude máxima e corrente alternada.

As tabelas seguintes indicam os resultados obtidos para a resistividade elétrica de água com cal com diferente quantidades de soluto (Ca(OH)2 – Hidróxido de Cálcio).

Tabela 8: Resistividades elétricas de água com cal (0,5g de Ca(OH)2).

VP1(V) VP2(V) Rshunt (Ω) Rcuba (Ω) ρ (Ωm)

3,53 7,21 216,95 226,20 13,75

7,12 7,86 2173,00 225,85 13,73

7,92 8,01 21790,00 247,61 15,05


2206

8,00 8,03 221540,00 830,78 50,51

8,02 8,03 2166000,00 2700,75 164,21

Tabela 9 - Resistividades elétricas de água com cal (1,0g de Ca(OH)2).

VP1 (V) VP2 (V) Rshunt (Ω) Rcuba (Ω) ρ (Ωm)

4,55 6,96 216,95 114,91 6,99

7,44 7,85 2173,00 119,75 7,28

7,95 8,01 21790,00 164,45 10,00

8,01 8,03 221540,00 553,16 33,63

8,02 8,03 2166000,00 2700,75 164,21


VP1(V) VP2 (V) Rshunt (Ω) Rcuba (Ω) ρ (Ωm)

5,01 6,84 216,95 79,25 4,82

7,75 7,85 2173,00 86,34 5,25

7,95 8,01 21790,00 164,45 10,00

8,00 8,02 221540,00 553,85 33,67

8,01 8,02 2166000,00 2704,12 164,41


VP1 (V) VP2 (V) Rshunt (Ω) Rcuba (Ω) ρ (Ωm)

5,32 6,77 216,95 59,13 3,60

7,61 7,83 2173,00 62,82 3,82

7,96 8,00 21790,00 109,50 6,66

8,00 8,02 221540,00 553,85 33,67

8,01 8,02 2166000,00 2704,12 164,41


2207


VP1 (V) VP2 (V) Rshunt (Ω) Rcuba (Ω) ρ(Ωm)

5,47 6,72 216,95 49,58 3,01

7,64 7,84 2173,00 56,88 3,46

7,96 8,00 21790,00 109,50 6,66

8,00 8,03 221540,00 830,78 50,51

8,01 8,02 2166000,00 2704,12 164,41

DISCUSSÃO

PRIMEIRA PARTE

Ao observar valores discrepantes de resistividade elétrica para amostras iguais e em

condições semelhantes foi necessário estudar as variáveis que influenciam na

obtenção de resultados deste tipo de ensaio. A frequência, os contatos e a

composição química da água foram estudados, o que levou ao desenvolvimento de

aparelhagem para medir a resistividade elétrica deágua de diferentes composições

químicas com a variação da frequência para controle e avaliação das variáveis.

SEGUNDA PARTE

Ao variar a frequência para a amostra de água destilada, notou-se que não havia mudanças significativas no valor da corrente, logo não foram feitas medições variando frequência para a água da COPASA. Aplicando diferentes valores de tensão para as amostras, pôde-se notar que a resistividade elétrica da água da COPASA é aproximadamente 24,26%do valor da mesma grandeza para a água destilada. Nas amostras contendo cal, a corrente aumentou proporcionalmente a concentração, o que indica maior condutividade. Nesse caso, obteve-se resultados distintos com o aumento da frequência adotada e foram adicionados 9,5g de cal (até observar-se saturação). Diversos ruídos no osciloscópio foram originadosdurante o uso da aparelhagem, portanto, notou-se a necessidade de desenvolver novo método para obtenção de resultados mais confiáveis.

TERCEIRA PARTE


2208

Com os dados obtidos, acredita-se que as medidas com menor valor de resistência do shunt são mais confiáveis, uma vez que os valores de VP1 e VP2 estão mais distantes. À medida que se aumenta o valor do Rshunt, os valores das tensões se aproximam,consequentemente,os resultados de resistividade elétrica de águas diferentesse tornaram muito similares.

Com o composto hidróxido de cálcio, a condutividade da água aumenta ( maior presença de íons). Logo, a resistividade elétrica, inversamente proporcional a condutividade, deveria diminuir. Os resultados encontrados foram plausíveis em termos físicos (a resistividade diminuía à medida que se acrescentava o composto, como observado). A relação acima é verificada pela expressão:

(g)

onde σ é a condutividade elétrica em Ωm-1 e ρ a resistividade elétrica em Ωm.

CONCLUSÕES

O método de duas pontas, aplicado inicialmente para medir a resistividade elétrica dos corpos de prova cimentícios,gerou dados variáveis para o mesmo experimento. Surgiua necessidade de compreender os fatores que poderiam afetar os dados e pode-se concluir que a condição da água utilizada para saturação era um fator relevante. Após a revisão bibliográfica e a montagem de nova aparelhagem, pode-se constatar que as diferentes condições de água alteravam o resultado. O sistema de medição utilizado possibilitou atestar a confiabilidade dos dados obtidos através do uso de resistores com resistências previamente conhecidas. Devido a influência da água utilizada, deve-se explicitar as condições da água em cada ensaio e, dessa forma, padronizar o método de realização de ensaios de resistividade elétrica.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Universidade Federal de Minas Gerais, a CAPES, o

Laboratório de Ensaios Especiais e o Laboratório de Compatibilidade

Eletromagnética da Universidade Federal de Minas Gerais.


2209

REFERÊNCIAS

(1) SANTOS,Lourdimine. Avaliação da resistividade elétrica do concreto como parâmetro para a previsão da iniciação da corrosão induzida por cloretos em estruturas de concreto. Dissertação (Mestrado em Estruturas e Construção Civil) – Brasília – DF, Universidade de Brasília – UNB, 178p. 2006.

(2)MILLARD, S.G.,HARRISSON, J.A., Edwards A.J..Measurementsoftheelectricalresistivityofreinforcement concrete structures for theassessmentofcorrosionrisk. British Journalof NDTD, v.31, n 11, 1989, p 617-621.

(3) MILLARD, S.G..Reinforced concrete resistivitymeasurementtechniques. Institutionof Civil Engineers, Part 2: Researchandtheoryproceedings, v.91, n.2, MAR 1991, p. 71-88.

(4)SPRAGG, R.P.; CASTRO, J.; NANTUNG, T.E.; PAREDES, M.; WEISS, W.J..VariabilityAnalysisofthe Bulk ResistivityMeasuredeUsing Concrete Cylinders. Publication FHWA/IN/Joint TransportationResearch Program-2011/21. Indiana DepartmentofTransportationandPurdueUniversity, West Lafayette, Indiana,2011.

(5)GUIMARAES, G.E.; SALDANHA, J.O.; ALVES, L.A..Avaliação da resistividade da pedra de mão utilizada na construção de praças de seguranças em estruturas com aterramentos especiais.CEMIG, 2003.

EFFECT OF WATER CHEMICAL COMPOSITION IN ELECTRICAL RESISTIVITY

TRIALS ON CONCRETE

ABSTRACT

Eco-efficient concretes are primordially durable. Durability, in reinforced concrete, is

related to armor’s corrosion. The electrical resistivity trials enable the evaluation of

armor’s tendency to chloride ions corrosion. This parameter allows the assessment

of gases and fluids permeability on concrete samples. Water chemical composition is

a factor that might affect the results on electrical resistivity trials. However, the


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influence of the water composition in these trials is not specified on its respective

literature. In this article, the effects of water chemical composition on the trials are

evaluated. Appropriate equipment was developed to assess different water

compositions effects on electrical resistivity experiments. The results show that water

chemical composition must be controlled to obtain significant results on electrical

resistivity testing, since the results for deionized water, distillated water, Copasa’s

water and water with calcium hydroxide present discrepant values.

Key-words: Electrical Resistivity; Concrete; Water; Durability.


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DETERMINAÇÃO DA RESISTIVIDADE ... -...

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