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Reforço e Reabilitação de Estruturas

Mestrado em Engenharia Civil

2011 / 2012

1/532011/2012

António Costa

Reabilitação e Reforço de EstruturasAula 7.1: Corrosão do aço e deterioração do betão.


ACÇÕES AGRESSIVAS

TEMPERATURAGELO / DEGELO

FÍSICAS FOGOCRISTALIZAÇÃO DE SAISACÇÕES DIRECTAS (desgaste)

CO2 - corrosão das armadurasCLORETOS - corrosão das armadurasO2 – corrosão das armaduras

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O2 – corrosão das armaduras

QUÍMICAS ÁCIDOS – dissolução do cimentoSULFATOS – reacções expansivas com o cimentoÁLCALIS - reacções expansivas com os agregadosÁGUAS PURAS – dissolução do cimentoSAIS (Mg, NH4,...) - dissolução do cimento

BACTÉRIAS (produção de ácidos, p.e. em esgotos)

BIOLÓGICASALGAS, FUNGOS, ...


TIPOS DE DETERIORAÇÃO

CORROSÃO DAS

ARMADURAS

Carbonatação

Cloretos

ATAQUE QUÍMICO

Ataque dos sulfatos

Reacções álcalis – agregados

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DO BETÃO

OUTROS

Ataque dos ácidos, águas puras e sais de amónio e magnésio

Acção da água do mar

Ataque biológico

Desgaste por erosão, abrasão e cavitação

Ciclos de gelo – desgelo

Acção do fogo

Cristalização de sais


CORROSÃO DAS ARMADURASNo betão não contaminado as armaduras encontram-se protegidas contra a corrosão devido à elevada alcalinidade do meio.

Hidróxido de cálciopH ≈≈≈≈ 12.5 a 13.5

Hidróxidos de sódio e potássio

Nestas condições forma-se à superfície da armadura uma barreira de protecção (película passiva) que impede a sua corrosão

Armadura Película passiva

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pH ≥≥≥≥ 12,5

A corrosão não é possível

Película passiva(γγγγ Fe2O3)

PROTECÇÃO DAS ARMADURAS NO BETÃO


DESPASSIVAÇÃO DAS ARMADURASQuando o pH desce para valores inferiores a 10 - 11, ou o teor de cloretos ultrapassa o valor crítico, ocorre a destruição da película passiva.

A despassivação das armaduras origina o início do m ecanismo da corrosão

CarbonataçãopH <<<< 9

CloretosCl- >>>> valor crítico

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Dissolução da película passiva

A corrosão é possível


O mecanismo da corrosão é um processo electroquímic o, i. e. envolve reacções químicas e correntes eléctricas

Para que a corrosão se possa desenvolver é necessário a presença dos seguintes elementos:

Ânodo zona da armadura despassivada

Cátodo zona da armadura com acesso ao oxigénio

Condutor eléctrico armadura

Electrólito betão

MECANISMO DA CORROSÃO

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CÁTODOÂNODO

ELECTRÓLITO

CONDUCTOR ELÉCTRICO


MODELO DE UMA CÉLULA DE CORROSÃO


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Na zona anódica ocorrem reacções secundárias que ori ginam produtos de corrosão com elevado aumento de volume

Fe + 3H2O →→→→ Fe (OH)3 + 3 H+ + 3 e-

3 Fe + 4H2O →→→→ Fe3O4 + 8 H+ + 8 e-

Fe + 2H2O →→→→ FeO (OH-) + 3 H+ + 3 e-

Fe O(OH-) + O2 →→→→ Fe3O4 ou Fe (OH)2

Reacções anódicas secundárias


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Volume relativo dos produtos de corrosão


A expansão dos produtos da corrosão causam a FENDILHAÇÃO e DELAMINAÇÃO do betão de recobrimento

FENDILHAÇÃO DELAMINAÇÃO


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Aspecto da superfície do betão afectada pela corros ão das armaduras


No caso de o betão estar saturado podem não ocorrer reacções expansivas significativas e o betão não fendilha

CORROSÃO NEGRA


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Para que o mecanismo da corrosão se desenvolva é necessário ocorrerem simultaneamente

um conjunto de condições para o processo anódico, catódico e electrolítico:

♦ A protecção das armaduras deve estar destruída

♦♦♦♦ É necessário ocorrerem diferenças de potencial na superfície da armadura

♦♦♦♦ Na zona catódica deve existir disponibilidade de oxigénio

♦♦♦♦ As zonas catódicas devem estar ligadas electricamente e electrolicamente


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Se alguma destas condições não ocorrer o mecanismo da corros ão não se desenvolve

A velocidade de corrosão depende da :

♦♦♦♦ acessibilidade de oxigénio às armaduras, para alimentar a reacção catódica

♦♦♦♦ condutividade eléctrica do betão, que permite o movimento de iões entre o cátodo e o ânodo


Situações em que não ocorre corrosão significativa :

♦♦♦♦ A armadura não está despassivada =>não existe ânodo

♦♦♦♦ Em elementos submersos não há disponibilidade de oxigénio => não existe cátodo

♦♦♦♦ Em elementos situados em ambientes secos o betão tem uma condutividade baixa =>

não existe electrólito


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Em resumo, as armaduras no betão podem encontrar-se nos seguintes estados:

♦♦♦♦ PASSIVO � Betão não contaminado por substâncias agressivas

♦♦♦♦ CORROSÃO � Devido à acção da carbonatação ou dos cloretos

♦♦♦♦ ACTIVAS mas catodicamente protegidas � Betão saturado

Betão seco


CORROSÃO POR ACÇÃO DA CARBONATAÇÃO

♦♦♦♦ Formação de micro células de corrosão

Os ânodos e os cátodos são normalmente muito pequenos e localizam-se muito perto uns

dos outros, originando acorrosão geraldas armaduras


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♦♦♦♦ A velocidade de corrosão é geralmente baixa

A velocidade de corrosão é controlada pela resistividade do betão

O acesso de oxigénio às armaduras não constitui um parâmetro limitador da corrosão no caso da carbonatação


Processo de degradação lento -dezenas de anos-

CORROSÃO POR ACÇÃO DA CARBONATAÇÃO


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CORROSÃO POR ACÇÃO DOS CLORETOS

♦♦♦♦ Formação de macro células de corrosão

As zonas anódicas são geralmente pequenas e as zonas catódicas são grandes, podendo estar localizadas em zonas próximas ou afastadas dos ânodos

O tipo de corrosão originado nesta situação é a corrosão localizadadas armaduras

♦♦♦♦ A velocidade de corrosão é geralmente elevada


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♦♦♦♦ A velocidade de corrosão é geralmente elevada

A velocidade de corrosão é controlada pelo acesso de oxigénio às armaduras (ambientes muito húmidos) e pela resistividade do betão (ambientes menos húmidos)

Os cloretos aumentam a condutividade do betão

Os cloretos actuam como catalizador das reacções nas zonas anódicas :

2 Fe + 6 Cl- → 2 Fe Cl3- + 4 e-

Seguida por:

Fe Cl3- + 2 OH- → Fe (OH)2 + 3 Cl-

Como as áreas catódicas são muito superiores às áreas anódicas desenvolvem-se no ânodo densidades de corrente muito elevadas, uma vez que as correntes anódicas e catódicas têm de ser iguais. Isto origina uma dissolução muito acentuada do aço



Processo de degradação rápido

-alguns anos-


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CORROSÃO LOCALIZADA


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Colapso de uma parede devido à corrosão de armadura sMECANISMO DA CORROSÃO

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VELOCIDADE DE CORROSÃO

Corrosão por acção da carbonatação: I ≈≈≈≈ 20 a 50 µµµµm/ano

Corrosão por acção dos cloretos:


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Betões de boa qualidade com baixo teor de cloretos

I ≈≈≈≈ 50 - 100 µµµµm/ano

Betões de baixa qualidade

I ≈≈≈≈ 100 a 500 µµµµm/ano

Localmente as velocidades podem ser significativamente maiores


pH ≈≈≈≈ 12.5 a 13.5PASSIVAS

K2O K OH

CIMENTO Na2O Na OH BETÃOHIDRATAÇÃO

ARMADURAS

Ca O Ca(OH)2

�


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REACÇÃO COM O CO2

Ca(OH) 2 + CO2 � CaCO3 + H2O

pH < 9DESPASSIVAÇÃODAS

ARMADURAS �


MECANISMO DA CARBONATAÇÃO

CO2

CO2

Processo de difusão em meio gasoso

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C


Zonas envolvidas no mecanismo da carbonatação

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O pH varia ao longo da profundidade em função da co ncentração de Ca (OH) 2

A despassivação das armaduras ocorre numa profundid ade intermédia no interior da espessura da frente de carbonatação


PENETRAÇÃO DE CLORETOS

Cl-

Cl-

Transporte em meio líquido

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Mecanismos de transportede

cloretos

C

PERMEAÇÃO (rápido)

ABSORÇÃO (rápido)

DIFUSÃO (lento)


Em condições reais a penetração ocorre através da a ssociação dos vários mecanismos de transporte

PENETRAÇÃO DE CLORETOS

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Para haver transporte por difusão é necessário que os poros contenham água

> teor em água � > transporte por difusão


Os cloretos no interior do betão estão em dois esta dos:

- combinados (quimicamente e fisicamente) não agressivos

- livres (na solução dos poros) agressivos

Parâmetros importantes

Composição do cimento

Adições

Qualidade do betão

Carbonatação, sulfatos

Temperatura

Teor Crítico de Cloretos

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Humidade

Composição do cimento: teor em C3A => combinação química dos cloretos

Adições: gel de CSH => combinação física dos cloretos

Carbonatação, sulfatos => libertação dos cloretos combinados

Temperatura => libertação dos cloretos combinados

Humidade => influencia o processo catódico e electrolítico

- humidade baixa: o betão apresenta maior resistividade

- humidade elevada: o acesso de oxigénio às armaduras é restringido Maior teor crítico


Efeito das condições de exposição e da qualidade do betão

Teor Crítico de Cloretos

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SUBSTÂNCIAS COMPONENTESAGRESSIVAS DO BETÃO

REACÇÃOQUÍMICA

ATAQUE QUÍMICO DO BETÃO

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QUÍMICA

DECOMPOSIÇÃO DO BETÃO

Necessário :

� Água : Apenas os betões situados em ambientes com H R elevadas podem sofrer

ataque químico

� Transporte de substâncias agressivas, geralmente pr ovenientes do exterior, para as

substâncias reactivas do betão


Reacções químicas mais significativas :

� Reacção dos sulfatos com os aluminatos da pasta de cimento

� Reacção expansiva

� Reacção dos álcalis com os agregados reactivos do betão

ATAQUE QUÍMICO DO BETÃO

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� Reacção expansiva

� Reacção dos ácidos , sais de magnésio , sais de amónio e águas puras com a pasta de cimento

� Perda das propriedades ligantes

� Reacção dos iões agressivos da água do mar com a pasta de cimento

� Perda das propriedades ligantes


Sulfato de sódioSulfato de potássio

Sulfatos mais frequentes Sulfato de cálcioSulfato de magnésioSulfato de amónio

Ataque dos Sulfatos

Os sulfatos ocorrem normalmente no solo na forma sólida ou em solução nas águas freáticas.

Podem também ter como origem fertilizantes e efluentes indu striais

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duas formas distintas Perda de resistência e desagregação do betão

Componentes da pasta de cimento Aluminatos de cálcio hidratados

susceptíveis de serem atacados Hidróxido de cálcio

A deterioração pode tomar Expansão e fendilhação do betão


Expansão e fendilhação devida ao ataque de sulfatos

Mecanismo do ataque

Ataque dos Sulfatos

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� Reacção sulfática de origem externa

Ataque dos Sulfatos

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� Reacção sulfática de origem interna

A deterioração é originada pela Formação de Etringite Retardada (DEF)

A origem

Uma remobilização dos sulfatos inicialmente contido s na pasta de cimento

após o endurecimento do betão

Ataque dos Sulfatos

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após o endurecimento do betão

A principal causa

Um aumento da temperatura durante o endurecimento d o betão

(Temperaturas elevadas inibem a reacção dos sulfato s)

Os tipos de betão afectados

- betões sujeitos a tratamentos térmicos

- partes da estrutura de betão em massa (pilares, ma ciços)

- betões com cimentos de alta resistência e endureci mento rápido


� Reacção sulfática de origem interna

Ataque dos Sulfatos

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A deterioração resulta da reacção entre os metais a lcalinos existentes no betão (K 2O e Na2O)

e os agregados reactivos (geralmente silicatos)

K2O ; Na2O agregados reactivos

Reacção química

Ataque dos Álcalis

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gel + H2O EXPANSÃO

Necessário:

� Quantidade suficiente de álcalis no betão

� Agregados reactivos numa certa quantidade

� Quantidade de água suficiente para hidratar o gel


Expansão e fendilhação devida à reacção álcalis-síl ica

Mecanismo do ataque

Ataque dos Álcalis

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Fendilhação associada às reacções expansivas

Ataque dos Álcalis

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Gel de sílica reactiva


Deformações originadas pelas reacções expansivas

Ataque dos Álcalis

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Fendilhação do tabuleiro

Ataque dos Álcalis

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Esmagamento das vigas


� Ácidos e sais de magnésio e amónio

A reacção destas substâncias com a pasta de cimento traduz-se na conversão dos compostos de cálcio (hidróxido de cálcio, silicatos e alumina tos de cálcio) em sais de cálcio solúveis

Decomposição da pasta de cimento

Perda das propriedades ligantes

A agressividade dos ácidos depende da solubilidade dos sais de cálcio que originam

Ataque dos Ácidos, Sais e Águas Puras

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> solubilidade > ritmo de deterioração

Ritmo de ataque à temperatura ambiente

Ácidos inorgânicos Ácidos orgânicos

Rápido

Clorídrico Fluorídrico

Nítrico Sulfúrico

Acético Fórmico Láctico

Moderado Fosfórico Tânico

Baixo Carbónico -

Desprezável

- Oxálico Tartárico


Mecanismo do ataque


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pH < 6.5 ataque moderado

Agressividade das soluções pH < 5.5 ataque severo

pH < 4.5 ataque muito severo


Deterioração por acção dos ácidos


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Decomposição da pasta de cimento

� Águas puras

Têm elevado poder dissolvente. Dissolvem o hidróxid o de cálcio originando a sua lixiviação

Perda das propriedades ligantes

A agressividade das águas depende da sua renovação :

água corrente => maior agressividade

água parada => menor agressividade


A lixiviação do hidróxido de cálcio origina eflores cências


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A agressividade decresce com o aumento da dureza da água (teor em iões de cálcio)

A presença de dióxido de carbono e álcalis dissolvi dos conduzem a um aumento da agressividade


Deterioração da camada superficial do betão por acç ão de águas puras


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O ataque químico do betão provocado pela água do ma r é devido à grande quantidade

de iões agressivos presentes nesta água

Iões agressivos Pasta de cimento

Reacção química


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Deterioração

Iões [g/l] Cl- SO4-- Ca++ Mg++ Na+ K+

Atlântico Norte

Atlântico Sul

Média Mundial

17.8

20.5

19.8

2.5

2.9

2.7

0.4

0.4

0.4

1.5

1.3

1.3

11.0

11.4

10.9

0.3

0.5

0.4

Iões agressivos


Mecanismo do ataque


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Deterioração de estacas por ataque químico da água do mar


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Consequências:

Decomposição da pasta de cimento � desagregação do betão

� erosão das camadas superficiais � exposição das armaduras � corrosão

� redução da secção da estaca � redução capacidade resistente

e

� introdução de excentricidade na carga aplicada � aumento dos esforços actuantes


Ataque Biológico

O crescimento de vegetação (líquenes, musgos, algas , raízes de plantas, etc.) em zonas porosas

do betão e fendas origina forças expansivas

� deterioração mecânica do betão

Micro organismos que produzem ácido húmico

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� ataque químico da pasta de cimento

Esgotos: bactérias anaeróbias � transformação dos compostos de enxofre em gás sulfí drico

bactérias aeróbias � transformação do ácido sulfídrico em ácido sulfúric o

� ataque químico da pasta de cimento


Deterioração por ataque químico em esgotos

Ataque Biológico

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Tráfego de veículos e peões, deslizamento e impacto de objectos

� Abrasão

Acção da água com partículas sólidas em suspensão

� Erosão

Escoamento de água com elevada velocidade

� Cavitação

Deterioração � perda progressiva de massa na zona superficial do b etão

Erosão, Abrasão e Cavitação

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Deterioração � perda progressiva de massa na zona superficial do b etão

Abrasão


Erosão

Perda progressiva do ligante e posterior desintegração do betão

Erosão, Abrasão e Cavitação

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Cavitação

desintegração do betão

Deterioração progressiva das camadas superficiais


A congelação da água origina um aumento de volume d e cerca de 9%

A expansão do gelo origina tensões de tracção que c onduzem à fendilhação e delaminação da zona superficial do betão

Para ocorrer deterioração significativa é necessári o a ocorrência das seguintes condições :- Os poros do betão devem estar saturados- As temperaturas devem atingir valores significativ amente abaixo de 0ºC- Ocorrência de ciclos repetidos de gelo/desgelo

Acção do Gelo-desgelo

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Acção do Fogo

Temperaturas elevadas � alterações da pasta de cimento � diminuição da resistência à

compressão

A pasta de cimento é constituída por produtos hidra tados

O fogo origina a desidratação dos componentes da pa sta � alteração da estrutura dos silicatos

com perda significativa da resistência

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com perda significativa da resistência

300ºC � os silicatos e aluminatos perdem parte da água quim icamente combinada

500ºC � o hidróxido de cálcio começa a decompor-se

900ºC � decomposição total dos silicatos de cálcio

A pressão causada pelo vapor de água pode conduzir à delaminação do betão da zona superficial


Deterioração do betão pela acção do fogo

Acção do Fogo

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