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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