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Corrosão de armaduras Corrosão de armaduras Corrosão de armaduras Corrosão de armaduras

São Paulo, 11 de abril de 2007.São Paulo, 11 de abril de 2007.

PCC 2526

Patologia e Recuperação de Estruturas de Concreto

Fernanda Giannotti da SilvaFernanda Giannotti da SilvaPaulo HelenePaulo Helene

Fernanda Giannotti da SilvaFernanda Giannotti da SilvaPaulo HelenePaulo Helene

Tópicos que serão abordadosTópicos que serão abordadosTópicos que serão abordadosTópicos que serão abordados• Definição de corrosão;• Tipos de corrosão;

• Fenômeno da passivação;

• Custo;• Carbonatação;

• Fatores que influenciam na carbonatação;

•Medida da profundidade de carbonatação;• Ação dos íons cloreto;

• Principais fatores que influenciam na penetração dos íons;

•Medida da profundidade de penetração• Considerações finais

• Bibliografia

o Estudo de concretos frente a ação de íons cloreto e

o Estudo experimental de carbonatação

O que é corrosão?O que é corrosão?O que é corrosão?O que é corrosão?

• Processo inverso pelo qual o metal volta à condição da sua origem (óxidos/hidróxidos)

• Transformação de um metal em íon metálico devido à interação com o meio

• Interação destrutiva do material com o meio ambiente

Tipos de corrosãoTipos de corrosãoTipos de corrosãoTipos de corrosão

• Corrosão química (seca ou oxidação direta)

• Corrosão eletroquímicaCorrosão eletroquímica – corrosão de armaduras

- Ausência de água líquida;

- Temperaturas elevadas e

- Interação direta entre o metal e o meio corrosivo

- Ocorre na presença de água;

- Temperaturas ambientes e

- Formação de um pilha ou célula de corrosão, onde há a circulação de elétrons na superfície metálica.

4 elementos:

� Regiões anódicas: onde verifica-se a corrosão;

�Regiões catódicas: superfície protegida;

� Eletrólito: solução condutora e

� Ligação elétrica.

Diferenças de potencial entre os materiais

Zonas anódicas � dissolucão do metal por oxidacão

Fe → Fe2+ + 2e-

Zonas catódicas� consumo dos e- gerados nas zonas anódicas com redução do oxigênio.

2H2O + O2 + 4e-→4OH-

Fe2++2OH-→→→→ 2Fe(OH)2

Pilha de ação local

Diferenças de potencial –

heterogeneidades do material

2

2Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3

2Fe(OH)3 → Fe2O3.3H2O

Produtos que chegam a ocupar 7 x o volume inicial do metal

Consequências:

• Fissuração;

• Destacamento do concreto de cobrimento;

• Redução da ligação armadura-concreto;

• Redução da seção transversal do aço.

Passivação Passivação Passivação Passivação

Película fina de um filme de óxido estável e aderente formado Película fina de um filme de óxido estável e aderente formado na superfície do aço.na superfície do aço.

Barreira para a transferência de cargas na interface aço/meio

Estado em que o aço se encontra no interior do concreto por ser um Estado em que o aço se encontra no interior do concreto por ser um meio bastante alcalino (pH=12,6).meio bastante alcalino (pH=12,6).

Ca(OH)Ca(OH)22 Hidratação dos silicatosHidratação dos silicatos

Diagrama de PourbaixDiagrama de PourbaixDiagrama de PourbaixDiagrama de Pourbaix

Temperatura 25Temperatura 25ooC e pressão de 1 atmC e pressão de 1 atm

Agentes agressivosAgentes agressivosAgentes agressivosAgentes agressivos

-- COCO22

-- SulfatosSulfatos-- Íons cloretoÍons cloreto

Despassivação do açoDespassivação do aço

CorrosãoCorrosão

Corrosão de armaduras em concreto armado

Corrosão de armaduras em concreto armado

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Corrosão de armaduras em concreto armadoFotosFotosFotosFotos

Tubulação enterrada para condução de gás

Freqüente exposição da base do poste à urina

dos cães

Parafuso exposto durante 5 anos a óleos

com ácidos naftalênicos

Poste – Barra da Tijuca - RJ

CustoCustoCustoCusto

5 dólares – manutenção

25 dólares – reparação

125 dólares – renovação1 dólar – execução

- Sitter (1986) → Regra dos cinco

� Perdas causadas pela corrosão - 1,25% a 3,5% do PIB

� No Brasil – 10 bilhões de dólares – 1994.

- Cidade de SP – 58% das principais patologias (145 pontes e viadutos);

- Cidade do RJ – 49%;

- Estado RS – 40%;

- Região Centro-Oeste – 30%;

- Região Amazônica – 46%

É um dos piores e mais freqüentes problemas em estruturas de concreto armado

• Nacional – representa 20% das principais manifestações patológicas

Corrosão de armadurasCorrosão de armadurasCorrosão de armadurasCorrosão de armaduras

Ação do CO2 e dos íons cloreto

Índices de corrosão de armaduras em estruturas de concreto armado

CarbonataçãoCarbonataçãoCarbonataçãoCarbonatação

Ca(OH)Ca(OH)22 ++COCO22 HH22OOCaCO3 + H2O

���� Despassivação do aço, forma generalizada

���� Redução do pH da solução contida nos poros do concreto

de 12, 5 para 8

�������� No concreto: Aumenta resistência mecânica do materialNo concreto: Aumenta resistência mecânica do material

Volume do cristal de CaCO3 é 12% maior que o do Ca(OH)2

CO2

CO2

DIFUSÃO

R EAÇ ÃO QUÍMICA

CARBO NATAÇÃO(NEUTRAL IZAÇÃO )

PROFUND IDADE

MO DELO :PORO S

DIFUSÃO D O C O2 N O A R

AT R A V É S D OS P OROS D O

CONCR E T O

P ROC E S S O D E C A R B ON A T A Ç Ã O D O

CONCR E T O

(S IM P LI F I C A DO)

C a(O H )2 + C O2 C a C 0 3 + H 2O

⇓D IMI N U I Ç Ã O D O p H D E

≅ 12 , 5 A 8

Mecanismo de difusão do CO2 (CEB, 1984)Mecanismo de difusão do CO2 (CEB, 1984)

4

Principais fatores que influenciam na carbonatação

Concreto:Concreto:

� relação água/cimento

� cura

� tipo de cimento (presença de adições)

Meio ambiente:Meio ambiente:

� Concentração de CO2 na atmosfera

� Umidade relativa do ambiente

� Temperatura

Concentração de CO2

Campo abertoCampo aberto 0,015%0,015%

Centro urbanoCentro urbano 0,036%0,036%

Zona industrialZona industrial 0,045%0,045%

Exaustão veículo motorizadoExaustão veículo motorizado 16,69%16,69%

Respiração humanaRespiração humana 3,62%3,62%

Sat = 100% de CO2

6 = 6% de CO2

Umidade relativ a do ambiente

Condição ideal Condição ideal → → → → → → → → 50 a 70%50 a 70%

Temperatura

Temperatura Reações químicasTemperaturas muito elevadas diminuem a solubilidade do CO2

Relação água/cimento

Relação água/cimento

Porosidade

Maior a velocidade de Maior a velocidade de penetração do COpenetração do CO22

Cura

• Quanto maior o grau de hidratação do cimento, menor a penetração de substâncias agressivas no concreto, um vez que o gel hidratado preenche os espaços originalmente ocupados pela água, reduzindo a comunicação entre os capilares.

Tipo de cimento

Presença e quantidade de adições →→→→ diminui a reserva alcalina

Adições – Sílica ativ a

Partículas menores que as partículas de cimento, ocasionam um melhor empacotamento

ReaçãoReação pozolânicapozolânica:: Sílica + Ca(OH)Sílica + Ca(OH)22 CC--SS--HH

Desconexão dos poros

capilares

(a) (b) (c) (d)

Efeito fíllerEfeito fíller

Diminui a permebilidade

5

Adições

SCA

Sílica de casca de arroz (SCA)

AAsupsup = 93 m= 93 m22/g/g

Concretos com sílica da casca de arroz apresentaram um desempenho dos concretos quanto à carbonatação que o concretos com a sílica ativa

Fissuras

�Contituem o caminho preferencial para entrada dos agentes agressivos

�A abertura de fissuras no concreto é inevitável, devido a sua baixa resitência à tração, devendo-se, então, controlar suas aberturas.

�De acordo com a NBR 6118:2003, a abertura máxima de fissura (wk) é 0,4 mm para concreto armado e exposto a uma classe de agressividade ambiental fraca; de 0,3 mm quando essa classe for de moderada a forte e de 0,2 mm quando for muito forte.

Devido a retração plástica, de origem térmica, reações álcali-agregado…

Fórmula simplificada da Fórmula simplificada da segunda Lei de Ficksegunda Lei de Fick

eeCOCO22 = k= kCOCO22 . t . t 1/1/2

Modelo de difusão do CO2Modelo de difusão do CO2Modelo de difusão do CO2Modelo de difusão do CO2

eco2== espessuraespessura dada profundidadeprofundidade carbontadacarbontada (mm)(mm);;

t1/2 == tempotempo dede exposiçãoexposição dodo COCO22 (anos)(anos) ee

kco2 == coefic ie ntecoefic ie nte dede carbonatação ,carbonatação ,cons tantecons tante queque dependedependedasdas característicascaracterísticas dodo materialmaterial ee dodo ambienteambiente (mm/ano(mm/ano½½))..

Métodos de ensaio de carbonataçãoMétodos de ensaio de carbonataçãoMétodos de ensaio de carbonataçãoMétodos de ensaio de carbonatação

�� Métodos de exposição naturalMétodos de exposição natural

�� Métodos aceleradosMétodos acelerados

Ainda não há, no Brasil, métodos padronizados

Condições do meio ambienteCondições do meio ambiente

O que fazer para acelerar?O que fazer para acelerar?

isto leva à impossibilidade de comparação entre resultados de

estudos desenvolvidos em várias partes do mundo.

Dificuldade atual

Condições de ensaio não têm sido aplicadas de

forma uniforme no meio científico

Aspecto importante

Correlação entre os métodos de exposição

natural e acelerada

Métodos de ensaio acelerados Métodos de ensaio acelerados Métodos de ensaio acelerados Métodos de ensaio acelerados

Programa interlaboratorial

Medida da profundidade de carbonataçãoMedida da profundidade de carbonataçãoMedida da profundidade de carbonataçãoMedida da profundidade de carbonatação

�� AspersãoAspersão dodo indicadorindicador ácido/baseácido/base

Indicador de pH Intervalo de mudança de cor

FenolftaleínaIncolor-vermelho carmim

pH 8,0 - 9,8

TimolftaleínaIncolor-azul pH 9,3-10,5

Amarelo de alizarina GGAmarelo c laro-amarelo escuro

pH 10,0-12,0

Amarelo de alizarina RAmarelo-vermelho alaranjado

pH 10,1-12,0

Solução 1% de fenolftaleína+70% de álcool etílico+29% de água destilada

�� AnálisesAnálises microscópicasmicroscópicas

6

Íons cloretoÍons cloretoÍons cloretoÍons cloretoPromovem a corrosão do aço mesmo em meios altamente

alcalinos

Íons cloretoÍons cloretoÍons cloretoÍons cloretoMeio externo

• Atmosfera marinha;

• Água do mar;

• Uso de aceleradores de pega que contém CaCl2;

• Limpeza de fachadas com ácido muriático.

Internamente

• Quimicamente combinado (cloroluminatos);

• Fisicamente adsorvido nos poros;

• Quimicamente adsorvido ao C-S-H;

• Livre na solução dos poros do concreto.

Íons cloretoÍons cloretoÍons cloretoÍons cloreto

Fe2+ + 2Cl- → FeCl2

FeCl2 + 2H2O → Fe(OH)2 + 2Cl

6FeCl2 + O2 + 6H2O → 2Fe3O4 + 12H+ +12Cl-

região catódica

região catódica

Íons cloretoÍons cloretoÍons cloretoÍons cloretoTeor crítico

Autor/NormasAutor/Normas Teor máximo de cloretos (%)*Teor máximo de cloretos (%)*

BREBRE 11

ACI Committee 222 ACI Committee 222 0,150,15

BS 8110: Part 1 BS 8110: Part 1 –– BSI BSI 0,4 para concreto armado0,4 para concreto armado

0,1 para concreto protendido0,1 para concreto protendido

Andrade (1992)Andrade (1992) 0,40,4

Thomas (1996)Thomas (1996) 0,2 0,2 –– para concretos com 50% cinza volantepara concretos com 50% cinza volante

0,7 0,7 –– para concretos sem cinza volantepara concretos sem cinza volante

NBR 6118NBR 6118 Não há especificaçãoNão há especificação

0,4 % - massa de cimentoTeor total de cloretos adotadoTeor total de cloretos adotado0,1 % - massa de concreto

* Em relação à massa de cimento

Íons cloretoÍons cloretoÍons cloretoÍons cloreto Principais fatores que influenciam na v elocidade e profundidade de penetração dos íons cloreto

� Teor de cloretos

�Tipo de cimento

� pH da solução contida nos poros

� Quantidade de C-S-H

� Teor de umidade

� Temperatura

� Cobrimento da armadura

7

Tipo de cimento

00

50

100

150

200

250

5 10 15Tem

po de iniciação da corrosão (dias)

Q uantidade de C A do c imento (%)3 Quantidade de C A do c imento (%)

2 4 6 8 10 12 14 160Concentração de cloretos livres (%

)

20

40

60

80

100

120

0

3

Quantidades de C3A e C4AF presentes no cimento

Cl + C3A, C4AF → cloroaluminatos de cálcio hidratado (sal de Friedel)

Cimentos com escória → maior capacidade de fixação de cloretos

pH da solução contida nos poros

Capacidade de fixação de cloretosCapacidade de fixação de cloretos

� Maior alcalinidade, menor a capacidade de fixação de cloretos

� Para valores de pH menores, como no caso em que ocorre a carbonatação, há a desestabilização dos compostos formados, sendo a combinação dos íons cloreto desfeita.

Maior a quantidade de íons cloreto livres → penetração mais rápida dos íons → despassivação da armadura

Quantidade de C-S-H

Íon pode combinar-se com o C-S-H- quimicamente adsorvido ao C-S-H- na superfície do C-S-H- compondo o C-S-H

Maior a quantidade de C-S-H → menor é a penetração dos íons → maior é o tempo de iniciação da corrosão

Teor de umidade

Resistividade (ohm.cm)10 10 10 10 10 10

3 4 5 6 7 820

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Grau de saturação dos poros (%

)

0% Cl2% Cl

Transporte dos íons cloretos só ocorrem em presença de água: difusão, absorção capilar ou migração.

• é o principal fator que controla a propagação da corrosão, pois fixa a disponibidade de oxigênio a altas umidades relativas e resistividade elétrica do material a baixas umidades.

Temperatura

Coeficiente de difusção de Cl

0 10 20 30 40 50

0

3

6

9

12

15

18

(x 10 cm

/s)

-92

0,28 0,35 0,45 0 ,60 0,7 5a/ agl

T empera tura de exposição dura nte a cur a ( C)o

1. Durante o período de cura: o aumento da tempertura acelera as reações de hidratação, melhorando as condições microestruturas do material.

2. Em ensaios acelerados de penetração de íons cloreto, o aumento da temperatura provoca maior agitação das moléculas, ocasionando maior mobilidade dos íons e, consequente o transporte para o interior do concreto.

Cobrimento da armadura

Qualidade do concreto: porosidade e permeabilidade

Execução de um bom cobrimento

Realização de uma espessura prevista em projeto

Proteção física e química das armaduras

Tipo de estruturaComponente ou elemento

Classe de agressividade ambiental

I II III IV

Cobrimento nominal (mm)

Concreto armadoLaje (2) 20 25 35 45

Viga / Pilar 25 30 40 50Concreto protendido

Todos 30 35 45 55

NBR 6118:2003

Medida da profundidade de penetração dos Medida da profundidade de penetração dos íons cloretoíons cloretoMedida da profundidade de penetração dos Medida da profundidade de penetração dos íons cloretoíons cloreto

�� AspersãoAspersão dada soluçãosolução dede nitratonitrato dede prataprata comcomconcentraçãoconcentraçãodede 00,,11 MM

AgNO3 + Cl- → AgCl + NO3

Presença de cloretos

Ausência de cloretos

Método qualitativo

8

Medida da profundidade de penetração dos Medida da profundidade de penetração dos íons cloretoíons cloretoMedida da profundidade de penetração dos Medida da profundidade de penetração dos íons cloretoíons cloreto

Relação Cl/OH Difícil obtenção

Amostras em póAmostras em pó

Dissolvidas em ácidoDissolvidas em ácido

TituladasTituladas

-- Extraídas com auxílio furadeiraExtraídas com auxílio furadeira

-- Fragmentos Fragmentos –– moagemmoagem DeterminaDetermina--se a concentraçãose a concentração

Gravimentria;Gravimentria;

Análise volumétrica;Análise volumétrica;

PotenciometriaPotenciometria

% massa de cimento ou % % massa de cimento ou % massa de concreto massa de concreto

O método de extração da solução dos poros do concreto, aplicandoO método de extração da solução dos poros do concreto, aplicando--se uma tensão se uma tensão triaxial elevada no concreto. O extrato aquoso é coletado com auxílio de uma triaxial elevada no concreto. O extrato aquoso é coletado com auxílio de uma

seringa e, então, avaliaseringa e, então, avalia--se o teor de cloretos através do pH da solução.se o teor de cloretos através do pH da solução.

Corrosão de armadurasCorrosão de armadurasCorrosão de armadurasCorrosão de armaduras

�� projetoprojeto adequadoadequado queque eviteevite aa circulaçãocirculação dede águaágua atravésatravésdodo concretoconcreto;;

�� espessuraespessura adequadaadequada ee uniformeuniforme dede cobrimentocobrimento (meio(meio ambiente)ambiente);;

�� qualidade adequada do concreto em termos de homogeneidade e qualidade adequada do concreto em termos de homogeneidade e relação a/c;relação a/c;

�� proporção adequada de cimento para assegurar uma adequada proporção adequada de cimento para assegurar uma adequada compacidade e impermeabilidade ao concreto;compacidade e impermeabilidade ao concreto;

�� tipo de cimento etipo de cimento e

�� cura adequada cura adequada -- uma cura insuficiente bloqueia ou perturba uma cura insuficiente bloqueia ou perturba determinadas reações de hidratação, o que determina a obtenção de determinadas reações de hidratação, o que determina a obtenção de concreto porosoconcreto poroso

Concreto de cobrimento Barreira química e física

BibliografiaBibliografiaBibliografiaBibliografia� ANDRADE, C. Manual para diagnóstico de obras deterioradas por corrosão

de armaduras. Pini. São Paulo, 1992.

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� GENTIL, V. Corrosão. 3a. ed. Rio de Janeiro, 1996.

� HELENE, P. R. L. Corrosão em armaduras para concreto armado. Editora Pini.

São Paulo, 1986.

� ISAIA, G. C. Efeitos de misturas binárias e ternárias de pozolanas em concreto

de elevado desempenho: um estudo de durabilidade com vistas à corrosão da

armadura. Tese (Doutorado) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1995.

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� FIGUEIREDO, E. P.; HELENE, P.; ANDRADE, C. Fatores determinantes da

iniciação e propagação da armadura do concreto. BT/PCC/121. EPUSP, São Paulo, 1993.