Corros. Prot. Mater., Vol. 26 N. 3 (2007)

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PROTECO CATDICA DE ESTRUTURAS DE BETO ARMADO

Zita Loureno(1)

Artigo submetido em Maro de 2007 e aceite em Abril de 2007

RESUMO

A corroso das armaduras, devido contaminao do beto por cloretos, o factor que mais contribu para a deterioraode estruturas de beto armado expostas a ambientes martimos. A proteco catdica uma das tcnicas electroqumicas maisutilizadas para controlo do processo de corroso neste tipo de estruturas. Recentementemente, a proteco catdica tambmutilizada em estruturas novas, e instalada durante a fase de construo, como tcnica de preveno da corroso prevenocatdica. Este artigo descreve o tipo de sistemas de proteco catdica mais utilizados, tipos de nodos, mtodos de instalao,critrio de proteco, etc. A instalao do sistema de proteco catdica, durante a fase de construo do Cais de Carga Geral doPorto de Aveiro, apresentado como exemplo de aplicao desta tcnica a uma nova estrutura.

Palavras Chave: Contolo da Corroso, Proteco Catdica, Preveno Catdica, nodos, Beto Armado

CATHODIC PROTECTION OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES

ABSTRACT

The major cause of deterioration of reinforced concrete structures, exposed to marine environments, is the corrosion ofthe reinforcing steel caused by chloride contamination of the concrete surrounding the steel. Cathodic protection is one of themost used electrochemical techniques to control the corrosion process on this type of structures. Recently, cathodic protectionhas also been used to prevent the onset of corrosion in new structures, in order to avoid their premature deterioration cathodicprevention. This paper describes the types of cathodic protection systems used, the different anode systems, installation methods,protection criteria, etc. The installation of a cathodic protection system, during construction of the Cais de Carga Geral- Port ofAveiro is presented, as an example of application to new structures.

Keywords: Corrosion Control, Cathodic Protection, Cathodic Prevention, Anodes, Reinforced Concrete Structures

(1) Zetacorr Servios e Tecnologia de Preveno Corroso, Lda., Rua Joaquim Maria Simes, 8, 2560-281 Torres Vedras, Portugal, e-mail: zetacorr@sapo.pt

1. INTRODUO

1.1 Corroso do beto armado

A corroso das armaduras um dos factores com maiorimpacto na durabilidade das estruturas de beto armado, poispode provocar no s a sua deteriorao mas tambm afectara sua integridade estrutural. Devido elevada alcalinidade dasoluo existente nos poros do beto, com valores de pHrondando 12,6, as armaduras de ao em contacto com betode boa qualidade encontram-se no estado passivo e portanto,no so susceptveis de sofrer corroso. A passivao portanto o mecanismo natural de proteco das armaduras nobeto armado. No entanto, vrios factores podem contribuirpara que as condies de passivao se alterem e se inicie acorroso, tais como a carbonatao e a contaminao porcloretos do beto. Este ltimo, uma das principais causas decorroso das armaduras no beto armado e por conseguinte um dos factores que mais contribui para a deterioraoprematura das estruturas de beto armado. Em Portugal, esteproblema afecta essencialmente as estruturas expostas aambiente martimo.

As tcnicas mais utilizadas para a reabilitao de estru-turas deterioradas em que a corroso causada pelo elevadoteor de cloretos junto s armaduras, so a reparao conven-cional e a proteco catdica. A reparao convencional omtodo mais utilizado em todo o mundo e envolve a remoomecnica do beto seguido da sua substituio por materialnovo. A reparao normalmente localizada e envolvesomente as zonas visivelmente deterioradas. Contudo acorroso propaga-se s zonas adjacentes, no reparadas mastambm contaminadas por cloretos, dando assim continuidadeao processo de deteriorao. Estas novas reas de corroso,formadas nas regies adjacentes s zonas reparadas, sodesignadas por nodos incipientes [1,2]. Para que a reparaoconvencional tenha uma longa durabilidade necessrioremover todo o beto contaminado, de modo a evitar aformao dos novos nodos, e substituir por betes ou arga-massas de qualidade adequada ao ambiente da estrutura.

1.2 Proteco catdica

As primeiras aplicaes de proteco catdica (PC) aestruturas de beto armado foram realizadas pelo Departamento

de Transporte da Califrnia (EUA), nos anos 70, para controlara corroso das armaduras nos tabuleiros de pontes [3]. Desdeento, a PC tornou-se uma das tcnicas mais valiosas para areabilitao de estruturas de beto armado sofrendo decorroso induzida por cloretos. Em 1982, o Federal HighwayAdministrator nos EUA, reconheceu a proteco catdica comoa nica tcnica de reabilitao capaz de eliminar a corroso deestruturas deterioradas independentemente do teor de cloretos[4]. O nmero de aplicaes tem vindo a aumentar em todo omundo e tem sido aplicada a todo o tipo de estruturas de betoarmado em que a corroso causada pela contaminao dobeto por cloretos. De acordo com Broomfield [5], j em 1994havia mais de 1 milho de metros quadrados de PC aplicadaem estruturas nos Estados Unidos e Canad, e provavelmenteoutro milho ou mais aplicado no resto do mundo. Na Austrliae na Nova Zelndia esta tcnica tem sido bastante utilizadapara proteger pontes, edifcios, portos, chamins e condutas degua de refrigerao em fbricas, etc. [6, 7]. Em Portugal exis-tem tambm alguns casos de aplicao desta tcnica na reabi-litao de pontes [8].

A proteco catdica tambm aplicada a novas estru-turas, durante a sua construo, para preveno da corroso.Neste caso designa-se por preveno catdica, e tem tidoalguma aplicao em estruturas expostas a ambientes bastanteagressivos, expostas a ambientes martimos, para evitar adeteriorao prematura do beto. Os materiais e equipamentosutilizados em preveno catdica so similares aos utilizadosem proteco catdica, como nodos, elctrodos de refern-cia/sensores, fontes de alimentao/sistema de controlo emonitorizao. Os mtodos de instalao so contudo dife-rentes. A instalao de preveno catdica durante aconstruo das estruturas significativamente mais simples doque a instalao de proteco catdica como tcnica de reabili-tao numa estrutura j deteriorada.

Neste artigo so descritos alguns dos aspectos maisrelevantes dos sistemas de proteco catdica, como tipo denodos e sensores mais utilizados, critrios de eficcia, etc.Como exemplo de aplicao descrito o sistema deproteco catdica do Cais de Carga Geral do Porto deAveiro, que foi instalado durante a construo do cais comomedida preventiva.

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2. PROTECO CATDICA

2.1 Princpio

O principal objectivo da proteco catdica de reduzirou eliminar a corroso das armaduras, tornando o potencialelctrico do ao mais negativo, i.e. catdico. O abaixamento dopotencial elctrico do ao obtido atravs da passagem dumacorrente contnua de baixa intensidade, de um nodo exterioratravs do beto para o ao. A corrente contnua pode serobtida ligando o ao a um nodo de sacrifcio, que se dissipagradualmente proteco catdica por nodos de sacrifcio,ou usando um nodo inerte e uma fonte externa de alimen-tao de corrente contnua corrente imposta ou impressa.Devido elevada resistividade do beto, os sistemas decorrente imposta so os mais utilizados em estruturas de betoarmado. Por conseguinte, este artigo foca principalmente estetipo de sistema.

Os componentes bsicos de um sistema de protecocatdica por corrente imposta so: nodo, ctodo (armaduras),beto (electrlito) e a fonte de corrente contnua. Para alm deinverter o processo da corroso, a passagem da corrente elc-trica tambm induz modificaes qumicas no beto, que ocor-rem principalmente perto do nodo e das armaduras. A Fig. 1ilustra o diagrama das reaces que ocorrem nas interfacenodo/beto e armaduras/beto. A reaco principal que ocorrena interface ao/beto a reduo de oxignio e a produo deies hidrxido. Se o potencial do ao se tornar muito negativotambm pode ocorrer a libertao de hidrognio. Em qualquerdos casos, o resultado a produo de ies hidrxido que fazaumentar a alcalinidade do beto. Na interface nodo/beto aprincipal reaco que ocorre a oxidao da gua para formaroxignio. Outras reaces podem tambm ocorrer dependendodo tipo de nodo e das tenses aplicadas. Tambm comoresultado da tenso aplicada, os ies negativos (cloretos,hidrxidos, sulfatos) so repelidos pelo ctodo (armaduras) eos ies positivos so repelidos pelo nodo. Assim, o efeito daaplicao de proteco catdica no s o da eliminao oureduo da corroso, mas tambm o da restaurao do filmepassivo e da remoo dos cloretos, eliminando assim oagente agressor.

Fig. 1 Representao esquemtica do mecanismo de proteco catdica.

2.2 Tipos de nodos

A proteco catdica pode ser aplicada a estruturascompletas ou parcialmente submersas ou enterradas, estru-turas contendo electrlitos ou completamente expostas atmosfera. O tipo de nodos a utilizar varia conforme o tipode estrutura ou elemento a proteger, com as condiesambientais a que os elementos esto expostos e com otempo de vida til esperado.

Para a proteco de estruturas, ou partes de estru-turas, enterradas ou submersas os nodos utilizados so osmesmos que os utilizados na proteco convencional deestruturas metlicas como tubagens, estacas metlicas,tanques, etc. Podero ser utilizados nodos galvnicos ou decorrente imposta instalados no solo ou na gua. Os nodosde corrente imposta mais utilizados so os de Ferro silcioou de titnio activado revestido com xidos de metais nobres,normalmente em forma tubular, varo ou fio.

Para a proteco da parte atmosfrica das estruturas ossistemas de nodos de corrente imposta mais utilizados so:

malha de Titnio activado revestida com xidos demetais nobre ( Ti/MMO) e embebida em argamassade baixa resistividade elctrica. A malha de Ti/MMO fixa superfcie do elemento a proteger e encap-sulada com argamassa que usualmente aplicadapor projeco (Fig. 2);

revestimentos ou tintas orgnicas condutoras aplica-dos directamente na superfcie de beto a proteger;

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nodos em forma de sonda com comprimento edimetro varivel dependendo do elemento. O mate-rial pode ser Titnio platinado, Ti/MMO ou cermicascondutoras. O formato da sonda/nodo pode sertubular, em fita de malha, varo, etc. Os nodos soinseridos em furos realizados no beto do elementoa proteger e embebidos num meio condutor, comopasta ou gel de grafite ou argamassas de baixaresistividade. Os furos realizados na estrutura sode dimetro e comprimento varivel dependendo dotipo de nodo;

fitas de malha de Titnio/MMO de espessura varivel.As fitas so instaladas em roos, pouco profundos,realizados na superfcie do beto e embebidas emargamassas de baixa resistividade (Fig. 3);

revestimentos condutores aplicados por projeco nasuperfcie do elemento a proteger. So essencial-mente constitudas por argamassas que incluemfibras de carbono revestidas a nquel.

Os factores mais importantes a considerar quando daseleco do nodo mais apropriado para um determinado tipode estrutura ou elemento so: a facilidade de instalao, otempo de vida, os efeitos da instalao do nodo na estru-tura, o custo e a esttica. Combinaes de diferentes nodospodem tambm ser utilizadas na mesma estrutura ouelemento de modo a obter-se a soluo mais econmica eeficaz.

Fig. 2 Aplicao da malha de Titnio activado: a) fixao da malha superfcie com fixadores de plstico;b) projeco da argamassa de recobrimento.

No caso da preveno catdica, essencial que o nodo

apresente um tempo de vida elevado e que seja fcil de instalar

durante a construo da estrutura. So normalmente utilizados os

nodos base de Ti/MMO, em forma de malha ou fita, fixos s

armaduras atravs de espaadores apropriados, e antes da

betonagem. O tipo de malha ou fita de nodo a utilizar e o seu

espaamento est relacionado com a densidade de corrente

requerida e com a uniformidade de distribuio de corrente.

a) b)

2.3 Sensores de monitorizao

A verificao da eficcia dos sistemas de protecocatdica feita atravs da medio dos potenciais do ao nainterface com o beto. Para tal necessrio a instalao de umsistema de monitorizao, constitudo por sensores e instru-mentos de medida. Os sensores de monitorizao para estru-turas de beto atmosfricas devero ser embebidos no betoem pontos que sejam representativos das diferentes condiesde corroso e de modo a que representem toda a estrutura aproteger. Os sensores mais utilizados so:

Elctrodos de referncia de Prata/Cloreto de Prata (Ag/AgCl /0,5 M KCl-gel) ou de Mangans/Dixido de Mangans (Mn/MnO2/0,5 M NaOH).

Sondas de despolarizao de Titnio activado.

Os sensores devem ser robustos e prprios para betoarmado.

Para a monitorizao de partes enterradas ou submersaspode ainda utilizar-se elctrodos de Zinco ou de Cobre/Sulfato deCobre (Cu/CUSO4) instalados na gua ou solo.

2.4 Densidade de corrente

A proteco catdica requer a aplicao contnua deuma densidade de corrente da ordem de 5-20 mA/m2 da super-fcie de metal a proteger enquanto que para a prevenocatdica a densidade de corrente da ordem de 0,2-2 mA/m2

[9,10]. Em alguns dos casos publicados na literatura [11] foinecessrio aplicar densidade de corrente mais elevados, daordem dos 3,5-4 mA/m2, para se obter suficiente pola-rizao/despolarizao, de modo a satisfizer os critrios deproteco.

Densidades de corrente de proteco mais elevadas

implicam maiores densidades de corrente andicas, e conse-

quentemente uma maior quantidade de nodo a utilizar para se

obter o mesmo tempo de vida do nodo.

2.5 Critrios de proteco

Para avaliar o desempenho dos sistemas de proteco

catdica utilizam-se vrios critrios de proteco conforme

descritos na norma EN 12696:2000. Os mais utilizados so:

Critrio do potencial absoluto 720 mV Ag/AgCl

o valor do potencial Instante OFF dever ser mais negativo

que 720 mV Ag/AgCl. Este potencial dever ser medido entre

0,1 e 1 s aps o corte da corrente contnua. Este critrio utiliza-se

geralmente para estruturas, ou partes das estruturas, submer-

sas ou enterradas.

Critrio de 100 mV de decrescimento do potencial

Este valor determinado pela diferena entre o valor Instante

OFF e o potencial medido aps um perodo de tempo de corte

da corrente contnua, perodo de despolarizao. O perodo de

despolarizao varia com as condies de exposio de cada

estrutura, teor de humidade e com a qualidade do beto [12].

A norma Australiana [13] permite um perodo de despolarizao

at 72 h.

Em caso algum os valores de potencial Instante OFF

devero ser mais negativos que 900 mV Ag/AgCl para ao sob

teno ou 1100 mV Ag/AgCl para ao normal.

O critrio mais utilizado, em proteco e preveno

catdica, para as partes atmosfricas, o da obteno de no

mnimo 100 mV de despolarizao/ decrescimento.

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a) b) c)

Fig. 3 Instalao das fitas de malha de Ti/MMO: a) fita; b) fitas inseridas em roos; c) aspecto final.

3. APLICAO DE PREVENO CATDICA Cais de CargaGeral

3.1 Projecto e instalao

O sistema de proteco catdica foi instalado nas zonasde mar e de salpicos da viga frontal do Cais de Carga Geraldo Porto de Aveiro. Esta zona considerada a zona de maiorrisco de corroso devido proximidade com a gua. O cais temum comprimento de 250 m. A rea total de beto armado a serprotegida foi de 1046 m2.

Como sistema de nodo foram utilizadas fitas de malhade Ti/MMO, com 20 mm de largura e 0,5 mm de espessura.O sistema andico foi dividido em trs zonas elctricas indepen-dentemente controladas: Zona 1 zona de salpicos; Zona 2 parte superior da zona da mar e Zona 3 parte inferior da zonada mar (Fig. 4). Estas foram subdivididas em subzonas, demodo a permitir um maior controlo da corrente, se necessrio, acada subzona. As fitas foram instaladas com espaamento de250 mm e ligadas, atravs de soldadura por pontos, a umaoutra fita de Titnio, distribuidor da corrente. Estas foram fixass armaduras, antes da betonagem, utilizando espaadoresapropriados, de modo a evitar a ocorrncia de curto circuitos.Como elctrodos de referncia foram utilizados os elctrodosde Mn/MnO2. Estes foram fixos s armaduras, atravs debraadeiras de plstico, antes da betonagem.

O controlo e monitorizao so efectuados manual-mente atravs de uma Unidade Central. Esta unidade essen-cialmente constituda por trs fontes de alimentao, uma por

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Fig. 4 Corte da viga frontal, com a ilustrao das diferenteszonas andicas do sistema de proteco catdica.

zona, voltmetros e ampermetros, para medio da intensidadeda corrente e da voltagem fornecida, e voltmetro de altaimpedncia, para medio dos potenciais de elctrodo (Fig. 5).

Os seguintes testes foram executados antes da betona-gem: verificao da continuidade elctrica das armaduras emcada seco, continuidade elctrica das ligaes catdicas econtinuidade elctrica entre as ligaes andicas na mesmazona. Antes, durante e depois da betonagem foram realizadostestes para verificao da ausncia de curto-circuito entre fitas denodo e a armadura. Estes testes foram realizados atravs damedio da resistncia e do potencial entre as ligaes andicase catdicas em cada zona/seco.

Fig. 5 Cais de Carga Geral, aspectos da instalao: a) instalao das fitas; b) betonagem;c) Unidade de alimentao; d) Vista do cais.

b)

c)

d)

a)

3.2 Resultados e discusso

Antes do incio da aplicao de corrente, foram reali-zados testes para verificao da funcionalidade de todos oscomponentes do sistema e assegurar a correcta conexo detodos os circuitos. O valor do potencial elctrico das arma-duras, antes da aplicao da corrente, foi medido em cadaponto de monitorizao potencial natural. Os valores obti-dos em cada zona so apresentados na Tabela 1. De acordocom o esperado, os valores mais negativos foram obtidos naZona 3 parte inferior da zona da mar, onde a concen-trao de oxignio limitada devido ao alto teor de humi-dade do beto. Os valores menos negativos foram obtidosna zona de salpicos, zona de menor humidade e com maiorconcentrao de oxignio.

O sistema foi energizado em modo de corrente cons-tante. Deste modo, a intensidade de corrente fornecida a cadazona mantm-se constante e a tenso de sada, de cada fontede alimentao, varia automaticamente para compensar anatural variao da resistividade do beto. O incio da polariza-o foi efectuado com valores da intensidade da corrente infe-riores ao projectado, de modo a permitir uma polarizao lentae gradual do sistema. Tambm a cada subzona foram forneci-dos valores diferentes de intensidade de corrente, de modo apossibilitar avaliar a influncia da densidade de corrente nascaractersticas de polarizao e despolarizao de cada parte

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da estrutura. Foram efectuados 2 ciclos de polarizao/ despo-larizao. A durao de cada ciclo de polarizao foi de 2meses, seguido de despolarizao, interrupo da corrente, por72 h. Ao fim do primeiro ciclo, e como os valores do decresci-mento de potencial obtidos foram, em alguns casos, inferioresa 100 mV, a corrente fornecida a cada sub zona foi aumentadano segundo ciclo de polarizao.

Os valores de potencial Instante OFF e do decresci-mento do potencial obtidos em cada sub zona so apresen-tadas na Tabela 1. O valor do potencial polarizado (InstanteOFF) apresenta a mesma tendncia dos valores do potencialantes do incio da polarizao, com os valores mais negativosregistados na Zona 3. A mdia dos valores de decrescimentode potencial obtido em cada zona e em cada ciclo de polariza-o apresentada na Tabela 2. A relao entre os valores dodecrescimento do potencial obtidos e a densidade de correnteaplicada apresentada na Fig. 6. Estes resultados indicam quea densidade de corrente que necessrio aplicar, nesta estru-tura, para a obteno de 100 mV de decrescimento de potencial,ao fim de 72 h de despolarizao, da ordem de 3,5 mA /m2,comparada com o mximo de 2 mA/m2 recomendado na NormaEuropeia. Como o sistema foi dimensionado de modo a poderfornecer densidades de corrente muito superiores ao mximorecomendado, a necessidade de aumento da corrente noapresenta problemas de durabilidade do nodo ou dos outroscomponentes do sistema.

Tabela 1 Resultados obtidos durante dois ciclos de polarizao/ despolarizao

Zona

Zona 1Salpicos

Zona 2Mar - Superior

Zona 3Mar - Inferior

Elctrodos

CJ1-R1

CJ2-R1

CJ3-R1

CJ3-ER1

CJ4-R1

CJ4-ER1

CJ5-R1

CJ6-R1

CJ1-R2A

CJ1-R2B

CJ2-R2A

CJ2-R2B

CJ3-R2A

CJ3-R2B

CJ4-R2A

CJ4-R2B

CJ5-R2

CJ6-R2

CJ3-RE2

CJ4-RE2

1 Ciclo pol./despol. 2 Ciclo pol./despol.Nat. Pot (mV)

-379

-366

-393

-383

-323

-388

-341

-349

-399

-494

-610

-431

-502

-465

-403

-458

-488

-559

-687

-707

Instante OFF(mV)

-414

-411

-514

-493

-385

-563

-467

-495

-394

-448

-534

-380

-468

-445

-394

-436

-485

-486

-674

-733

69

21

117

150

53

177

125

128

17

50

56

36

79

66

42

46

110

103

66

215

-442

-441

-594

-624

-430

-577

-579

-668

-416

-450

-623

-438

-528

-507

-431

-517

-665

-484

-740

-852

88

57

206

245

100

285

246

220

42

16

78

53

92

101

57

56

220

145

45

208

72 h Decres.(mV)

Instante OFF (mV)

72 h Decres.(mV)

Nota: Potencial vs Mn/MnO2

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Tabela 2Resultados da mdia dos valores obtidos

Zona

Zona 1.1Zona 1.2

Zona 2.1Zona 2.2

Zona 3.1Zona 3.2

rea

Salpicos

Mar - Superior

Mar - Inferior

1 Ciclo pol./despol. 2 Ciclo pol./despol.Pot. Nat. (mV)

-380-350

-483-477

-687-707

Densidade Corrente(mA/m2)

23,8

1,13,3

2,66

89120

5175

66215

3,96,8

1,23,8

4,89,8

149212

64120

45208

72 h Decres.(mV)

Densidade Corrente(mA/m2)

72 h Decres.(mV)

Nota: Potencial vs Mn/MnO2

4. CONCLUSES

A proteco catdica apresenta vantagens significativasrelativamente reparao tradicional. Dependendo de cadaprojecto estas incluem:

Maior eficincia na preveno corroso;

Maior tempo de vida til a esperar da estrutura;

Custos mais baixos, principalmente a longo prazo;

Menor tempo de execuo;

Menor interferncia com o uso da estrutura, menos

barulho, etc.;

Menor enfraquecimento estrutural.

A preveno catdica uma soluo tecnicamenteeficaz para evitar o incio da corroso das armaduras em estru-turas sujeitas ao ambiente martimo, e assim evitar a sua dete-riorao prematura e prolongar o tempo de vida til de estru-turas em que se antevem problemas de durabilidade querdevido agressividade do meio ambiente quer devido a prob-lemas de qualidade na construo.

REFERNCIAS

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