Durabilidade de Estruturas de Betão

Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil

Durabilidade de Estruturas de Betão

António Costa

REABILITAÇÃO E REFORÇO

DE ESTRUTURAS


Sumário

– Introdução

– Sintomas da deterioração

– Causas da deterioração

deficiências projecto e execução

deformações impostas: retracção temperatura

acções agressivas para as armaduras e betão

– Mecanismos de deterioração

corrosão de armaduras

ataque químico do betão

– Durabilidade

medidas de protecção

carbonatação

cloretos

corrosão

sulfatos

álcalis

– Normas

metodologia prescritiva

metodologia de desempenho

BIBLIOGRAFIA

Costa, A. – “Mecanismos de Deterioração em Estruturas de

Betão Armado”, IST, 1999.

CEB – Bulletin 183 – Durable Concrete Structures, 1992

fib : “Structural Concrete – Textbook on Behaviour Design and

Performance” 2009, Volume 3: Design of durable concrete

structures (fib bulletin 53)

fib : “Structural Concrete – Textbook on Behaviour Design and

Performance” 2012 ,Volume 5: Through-life care and

management of concrete structures - Assessment, protection,

repair and strengthening (fib bulletin 62)

fib bulletin 59 - Condition control and assessment of reinforced

concrete structures exposed to corrosive environments

(carbonation/chlorides)., 2011.

fib bulletin 49 - Corrosion protection of reinforcing steels.

Technical report, 2009.

fib bulletin 44 - Concrete structure management: Guide to

ownership and good practice Guide to good practice, 2008.


Deterioração: idade 7 anos

Exemplos de obras com deterioração precoce

Docas


Substituição da plataforma: idade 40 anos

Reparação extensiva: idade 26 anos

Pontes Cais


Reparação extensiva: idade 27 anos

Pórticos de pontes rolantes


Substituição do tabuleiro: idade 11 anos

Viaduto


“Nenhum material é por si próprio durável;

é a interacção entre o material e o ambiente a que está

exposto que determina a sua durabilidade”

As estruturas de betão são duráveis ! ?


Durabilidade

As estruturas devem ser projectadas e construídas com o objectivo

de satisfazer um conjunto de requisitos funcionais durante um certo

período de tempo sem causar custos inesperados de manutenção e

reparação.

Objectivo

Controlar a deterioração a nível reduzido no período de vida útil das

estruturas


Necessário conhecer

comportamento dos materiais,

mecanismos de deterioração,

medidas de protecção,

técnicas de reabilitação

Actuar a 4 níveis

Projecto

Execução

Exploração

Manutenção


Dono de Obra Especificar o uso, o período de vida útil e os requisitos para o projecto e obra

Controlo de qualidade

Inspecção e ensaios durante e após a execução da obra

Projectista Identificar as condições de exposição ambientais

Conceber a estrutura (sistema estrutural, geometria dos elementos)

Especificar os materiais e recobrimentos

Definir os critérios de projecto (controlo da fendilhação, ...)

Definir eventuais medidas de protecção adicional

Manual de manutenção

Empreiteiro Executar a estrutura de acordo com os requisitos especificados no projecto

Controlar a composição do betão (razão A/C, tipo de cimento, agregados, ...)

Controlar a betonagem e cura do betão

Controlar os recobrimentos

Utilizador

Inspecção/avaliação do comportamento

Manutenção

Evitar alterações na utilização da estrutura que agravem a agressividade das condições de exposição

Enquadramento geral dos intervenientes no processo de

Garantia da Durabilidade


PRINCIPAIS CAUSAS DA DETERIORAÇÃO

ERROS / DEFICIÊNCIAS

Projecto

Execução

Exploração

Manutenção

DEFORMAÇÕES IMPOSTAS

Retracção

Temperatura

ACÇÕES AGRESSIVAS

Físicas

Químicas

Biológicas


Deficiências de Projecto

o Deficiente avaliação da agressividade das condições de exposição

o Especificação inadequada dos materiais (betão)

o Especificação deficiente dos recobrimentos das armaduras

o Deficiente avaliação das deformações impostas – retracção e temperatura

o Deficiente controlo da fendilhação

o Deficiente controlo da deformação

o Deficiente pormenorização de armaduras

o Concepção estrutural inadequada – forma ; drenagem ; juntas …


Deficiente drenagem e impermeabilização


Deficiente drenagem / concepção


Deficiente pormenorização de armaduras


Deficiente controlo da fendilhação


Formas estruturais sensíveis à deterioração

Grande área de superfície exposta

elevada sensibilidade

à deterioração

Estrutura com maior robustez


Formas estruturais sensíveis à deterioração

Grande área de superfície exposta

Edifício sensível à deterioração

Edifício com reduzida área de betão exposto


Efeito de canto

Deterioração concentrada nos cantos salientes


Colapso súbito da estrutura

Elementos esbeltos em ambientes muito agressivos


Deficiências de execução

o Selecção inadequada dos materiais composição do betão

o Cofragens deficientes

o Posicionamento das armaduras

o Recobrimentos – espaçadores

o Colocação e compactação do betão

o Cura do betão


Utilização de agregados reactivos

Reacções expansivas

fendilhação do betão

deterioração


Cofragens deficientes

Saída de finos acumulação de agregados Deterioração por corrosão


Deficiente posicionamento das armaduras

Armaduras sem recobrimento


Deficiente posicionamento das armaduras

Deficiente posicionamento da armadura

dificuldades de betonagem

vazios

corrosão


Colocação e compactação do betão

Segregação do betão

Concentração da deterioração nas zonas segregadas


Colocação e compactação do betão

Assentamento do betão

Malha de armaduras marcada na superfície

Vazios sob o varão


Cura do betão

Falta de humedecimento da superfície

Retracção plástica

Fendilhação do betão


ANOMALIAS DEVIDAS A DEFORMAÇÕES IMPOSTAS

Fendilhação Deterioração precoce das estruturas

Retracção

o Retracção plástica

o Retracção de secagem

o Retracção térmica

Temperatura



Evaporação

Secagem do betão

Contracção Causa tensões

Mecanismo:



Influência dos principais factores:

Prevenção:

– Proteger do vento e do sol

– Molhar a superfície após a colocação do betão

– Iniciar a cura o mais cedo possível


Retracção de secagem

Elementos mais afectados: muros; paredes; lajes



Pavimentos

Deterioração progressiva após a fendilhação


Prevenção:

– Composição do betão

Baixa razão A/C

Maior quantidade de agregados (menos cimento)

– Reduzir as restrições às deformações na base e nas extremidades

– Armadura para controlo da abertura e fendas

– Juntas convenientemente espaçadas



Retracção térmica

Elementos de grandes dimensões:

Aumento significativo de temperatura associado

ao desenvolvimento do calor de hidratação

Mecanismo:

contracção

Temp

fenda

Prevenção:

– Composição do betão

Maior teor em adições

Maior quantidade de agregados (menos cimento)

– Protecção da superfície do betão

– Arrefecimento do betão


Temperatura

Deformações associadas a variações de temperatura

Base rígida impede a deformação

Prevenção:

– Reduzir as restrições às deformações

impostas

– Armadura para controlo da abertura de fendas

Aquecimento não uniforme

deformações não uniformes


ACÇÕES AGRESSIVAS

TEMPERATURA

GELO / DEGELO

FÍSICAS FOGO

CRISTALIZAÇÃO DE SAIS

ACÇÕES DIRECTAS (desgaste)

CO2 - corrosão das armaduras

CLORETOS - corrosão das armaduras

O2 – corrosão das armaduras

QUÍMICAS ÁCIDOS – dissolução do cimento

SULFATOS – reacções expansivas com o cimento

ÁLCALIS - reacções expansivas com os agregados

ÁGUAS PURAS – dissolução do cimento

SAIS (Mg, NH4,...) - dissolução do cimento

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

BIOLÓGICAS

ALGAS, FUNGOS, ...


TIPOS DE DETERIORAÇÃO

CORROSÃO DAS

ARMADURAS

Carbonatação

Cloretos

ATAQUE QUÍMICO

DO BETÃO

OUTROS

Ataque dos sulfatos

Reacções álcalis – agregados

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

Acção da água do mar

Ciclos de gelo – degelo

Acção do fogo

Desgaste por erosão, abrasão e cavitação

Cristalização de sais

Ataque biológico


CORROSÃO DAS ARMADURAS

No betão não contaminado as armaduras encontram-se protegidas contra a corrosão devido à elevada

alcalinidade do meio.

Hidróxido de cálcio pH 12.5 a 13.5

Hidróxidos de sódio e potássio

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

sua corrosão

pH 12,5

A corrosão não é possível

Armadura Película passiva

( Fe2O3)

PROTECÇÃO DAS ARMADURAS NO BETÃO


DESPASSIVAÇÃO DAS ARMADURAS

Quando o pH desce para valores inferiores a 10 - 11, ou o teor de cloretos ultrapassa o valor

crítico, ocorre a destruição da película passiva.

A despassivação das armaduras origina o início do mecanismo da corrosão

Dissolução da película passiva

Carbonatação pH 9

Cloretos Cl- valor crítico

A corrosão é possível


MECANISMO DA CORROSÃO

O mecanismo da corrosão é um processo electroquímico, i. e. envolve reacções químicas e

correntes eléctricas

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

elementos:

Ânodo zona da armadura despassivada

Cátodo zona da armadura com acesso ao oxigénio

Condutor eléctrico armadura

Electrólito betão

CÁTODO ÂNODO

ELECTRÓLITO

CONDUCTOR ELÉCTRICO



MODELO DE UMA CÉLULA DE CORROSÃO



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

Fe + 3H2O Fe (OH)3 + 3 H+ + 3 e-

3 Fe + 4H2O Fe3O4 + 8 H+ + 8 e-

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

Fe O(OH-) + O2 Fe3O4 ou Fe (OH)2

Reacções anódicas secundárias

Volume relativo dos produtos de corrosão



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

Aspecto da superfície do betão afectada pela corrosão das armaduras

FENDILHAÇÃO DELAMINAÇÃO



DELAMINAÇÃO



Evolução da deterioração

Zonas com defeitos Zonas das arestas salientes




Deterioração progressiva a partir das zonas com menor recobrimento




Perda de aderência



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

betão não fendilha

CORROSÃO NEGRA



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

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

A protecção das armaduras deve estar destruída Na zona catódica deve existir disponibilidade de oxigénio As zonas catódicas devem estar ligadas electricamente e electrolicamente

Se alguma destas condições não ocorrer o mecanismo da corrosão não se desenvolve



Situações em que não ocorre corrosão significativa :

A armadura não está despassivada não se forma o ânodo

Em elementos submersos existe reduzida disponibilidade de oxigénio reacção

catódica restringida

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

electrólito com elevada resistividade

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

PASSIVO Betão não contaminado por substâncias agressivas

CORROSÃO Devido à acção da carbonatação ou dos cloretos

ACTIVAS mas catodicamente protegidas Betão saturado

Betão seco



CORROSÃO POR ACÇÃO DA CARBONATAÇÃO

Formação de micro-células de corrosão

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

muito perto uns dos outros, originando a corrosão geral das armaduras

A velocidade de corrosão é geralmente baixa

A velocidade de corrosão é controlada pela resistividade do betão

O acesso de oxigénio às armaduras não constitui um parâmetro limitador da

corrosão no caso da carbonatação



Processo de degradação lento

-dezenas de anos-

CORROSÃO POR ACÇÃO DA CARBONATAÇÃO



CORROSÃO POR ACÇÃO DOS CLORETOS

Formação de macro-células de corrosão

As zonas anódicas são geralmente pequenas e as zonas catódicas são grandes, podendo estar

localizadas em zonas próximas ou afastadas dos ânodos

O tipo de corrosão originado nesta situação é a corrosão localizada das armaduras

A velocidade de corrosão é geralmente elevada

A velocidade de corrosão é controlada pelo acesso de oxigénio às armaduras (ambientes muito

húmidos) e pela resistividade do betão (ambientes secos)

Os cloretos aumentam a condutividade do betão

Os cloretos actuam como catalisador das reacções nas zonas anódicas :

2 Fe + 6 Cl- 2 Fe Cl3- + 4 e-

Seguida por:

Fe Cl3- + 2 OH- Fe (OH)2 + 3 Cl-

Como as áreas catódicas são muito superiores às áreas anódicas desenvolvem-se no ânodo

densidades de corrente muito elevadas, uma vez que as correntes anódicas e catódicas têm de ser

iguais. Isto origina uma dissolução muito acentuada do aço




Processo de degradação rápido

-alguns anos-




CORROSÃO LOCALIZADA


EFEITOS DA CORROSÃO NO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL

Redução da aderência aço-betão

Redução da resistência do elemento estrutural

Aço Redução da secção

Redução da ductilidade

Aumento de volume Betão

Fendilhação

Delaminação

Redução da secção


EFEITOS DA CORROSÃO EM VIGAS

Redução da resistência à flexão

Redução da resistência ao esforço transverso

redução de bw

Vrd

redução de Asw

redução de As

Mrd

redução de Ac

Mrd



Aumento da abertura de fendas e da deformação

A abertura de fendas aumenta por:

- aumento de σs devido à redução da secção da armadura

- redução da aderência aço-betão

A deformação aumenta por:

- aumento da fendilhação e correspondente aumento das curvaturas

- redução da comparticipação do betão entre fendas por redução da

aderência e delaminação

- redução da inércia da secção por redução da área de betão (delaminação)



Efeito da delaminação



Alteração do modelo de comportamento estrutural

1860

-250 -1650

delaminação


EFEITOS DA CORROSÃO EM PILARES

Redução da resistência devido:

- redução da secção da armadura longitudinal

- delaminação do betão redução da secção

- redução da secção das cintas redução da resistência das armaduras comprimidas

redução da resistência ao esforço transverso

- aumento das excentricidades devido à assimetria da delaminação

Redução da ductilidade devido:

- redução da secção das cintas redução do confinamento do betão


EFEITOS DA CORROSÃO EM LAJES

Efeitos estruturais

– Flexão

Redução da secção das armaduras (tracção)

Redução da altura útil (compressão)

– Esforço transverso

Redução da aderência e amarração (com efeito nos mecanismos resistentes relativos

ao efeito de arco e efeito de consola)

Redução da altura útil



Avaliação do comportamento

Efeito da pormenorização de armadura

Asc2 – totalidade das armaduras amarradas no apoio

Asc1 – 50% das armaduras amarradas no apoio

Asc0 – emenda total das armaduras junto ao apoio



Avaliação do comportamento Asc2 – totalidade das armaduras amarradas no apoio

Asc1 – 50% das armaduras amarradas no apoio

Asc0 – emenda total das armaduras junto ao apoio

Dano: delaminação do betão de recobrimento








Colapso de uma parede devido à corrosão de armaduras

EFEITOS DA CORROSÃO


Colapso de uma parede devido à corrosão de armaduras

EFEITOS DA CORROSÃO


ATAQUE QUÍMICO DO BETÃO

SUBSTÂNCIAS COMPONENTES

AGRESSIVAS DO BETÃO

REACÇÃO

QUÍMICA

DECOMPOSIÇÃO DO BETÃO

Necessário :

Água : Apenas os betões situados em ambientes com HR elevadas podem sofrer

ataque químico

Transporte de substâncias agressivas, geralmente provenientes do exterior, para as

substâncias reactivas do betão


ATAQUE QUÍMICO DO BETÃO

Reacções químicas mais significativas :

Reacção dos sulfatos com os aluminatos da pasta de cimento

Reacção expansiva

Reacção dos álcalis com os agregados reactivos do betão Reacção expansiva

Reacção dos ácidos, sais de magnésio, sais de amónio e águas

puras com a pasta de cimento

Perda das propriedades ligantes

Reacção dos iões agressivos da água do mar com a pasta de cimento Perda das propriedades ligantes


Componentes da pasta de cimento Aluminatos de cálcio hidratados

susceptíveis de serem atacados Hidróxido de cálcio

Sulfato de sódio

Sulfato de potássio

Sulfatos mais frequentes Sulfato de cálcio

Sulfato de magnésio

Sulfato de amónio

Ataque dos Sulfatos

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

Podem também ter como origem fertilizantes e efluentes industriais

duas formas distintas Perda de resistência e desagregação do betão

A deterioração pode tomar Expansão e fendilhação do betão


Ataque dos Sulfatos

Expansão e fendilhação devida ao ataque de sulfatos com origem externa

Mecanismo do ataque


Ataque dos Sulfatos

Reacção sulfática de origem externa


Ataque dos Sulfatos

Reacção sulfática de origem interna

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

Origem

Remobilização dos sulfatos inicialmente contidos na pasta de cimento

após o endurecimento do betão

Causa

Aumento da temperatura durante o endurecimento do betão

(Temperaturas elevadas inibem a reacção dos sulfatos)

Tipos de betão afectados

- betões sujeitos a tratamentos térmicos

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

- betões com cimentos de alta resistência e endurecimento rápido


Ataque dos Sulfatos



Ataque dos Sulfatos



Ataque dos Sulfatos


Ensaio de reacção potencial aos sulfatos - DEF

Amostra B

Amostra A


Ataque dos Álcalis

A deterioração resulta da reacção entre os metais alcalinos (K2O e Na2O) e os agregados

reactivos (geralmente silicatos)

K2O ; Na2O agregados reactivos

gel + H2O EXPANSÃO

Reacção química

Necessário:

Quantidade suficiente de álcalis no betão

Agregados reactivos numa certa quantidade

Quantidade de água suficiente para hidratar o gel


Ataque dos Álcalis

Expansão e fendilhação devida à reacção álcalis-sílica

Mecanismo do ataque


Ataque dos Álcalis

Gel de sílica reactiva

Fendilhação associada às reacções expansivas


Ataque dos Álcalis

Deformações originadas pelas reacções expansivas


Ataque dos Álcalis

Fendilhação do tabuleiro

Esmagamento das vigas


Ataque dos Álcalis

Fendilhação nos pilares


Ataque dos Álcalis

Fendilhação

Esquema simplificado do comportamento de uma viga pré-esforçada, apresentando

fendilhação horizontal e exemplo ilustrativo



Mecanismo do ataque



Deterioração de estacas por ataque químico da água do mar

Consequências:

Decomposição da pasta de cimento desagregação do betão

erosão das camadas superficiais exposição das armaduras corrosão

redução da secção da estaca redução capacidade resistente

e

introdução de excentricidade na carga aplicada aumento dos esforços actuantes


DURABILIDADE

Assegurar que a estrutura satisfaça, durante o seu tempo

de vida, os requisitos de utilização, resistência e estabilidade,

sem perda significativa de utilidade nem excesso de

manutenção não prevista

Objectivo


METODOLOGIA

caracterizar

CONDIÇÕES

DE

EXPOSIÇÃO

especificar

REQUISITOS

DE

DURABILIDADE

Identificar as substâncias agressivas, como é que se

movimentam e acumulam relativamente à estrutura

Determinar quais os mecanismos de transporte e quais

os parâmetros que controlam esses mecanismos

Determinar quais as reacções envolvidas na deterioração

e quais os parâmetros que controlam essas reacções

Seleccionar as medidas de protecção que controlem

ou evitem os mecanismos de deterioração


Enquadramento

Nív

el

de

de

teri

ora

çã

o

tempo iniciação propagação

ti tp

1

3

4

2

1 despassivação

2 fendilhação

3 delaminação

4 rotura

Desenvolvimento da deterioração no tempo

Vida útil tL = ti + tp


CARBONATAÇÃO

Qualidade da camada de betão de recobrimento

Este parâmetro determina a resistência do betão à penetração do CO2

A qualidade do recobrimento é função da composição, compactação e cura do betão

Ambiente de exposição

Este parâmetro determina o teor de humidade do betão e o teor de CO2 do ar em contacto com o betão.

Estes factores influenciam significativamente a velocidade de carbonatação do betão

PARÂMETROS PRINCIPAIS

CO2

CO2

C


Composição do betão

Razão água-cimento

Este parâmetro controla a dimensão e continuidade da estrutura porosa do betão

A velocidade de carbonatação é fortemente influenciada pela razão A/C



Quantidade de cimento

Este parâmetro determina a quantidade de substâncias carbonatáveis do betão

Maior quantidade Maior quantidade Menor velocidade

de cimento de Ca(OH)2 de carbonatação



Adições

Efeitos

Redução da estrutura porosa positivo

Redução da quantidade de Ca(OH)2 negativo

Limitar a quantidade de adições

Efectuar uma cura adequada do betão

As adições devem ser encaradas como um produto a adicionar ao betão e não

como um substituto do cimento


Condições de exposição

Determinam o teor de humidade do betão de recobrimento

• A difusão do CO2 na água é cerca de 104 vezes menor que no ar

• É necessário uma certa quantidade de água para que se desenvolva a reacção de carbonatação

A velocidade de carbonatação é máxima em ambientes com humidades relativas de 50-70%


Ambientes rurais 0.03%

Ambientes urbanos 0.1%

Ambientes industriais

Zonas densamente povoadas 0.1 - 0.3%

Zonas com tráfego intenso até 1%


Elementos sujeitos a ambientes interiores a velocidade de carbonatação é máxima

Elementos enterrados ou submersos a carbonatação tem pouco significado

Elementos em ambientes exteriores com chuva a velocidade de carbonatação é baixa

Elementos em ambientes exteriores protegidos a velocidade de carbonatação é mais elevada

Determinam o teor de CO2 no ar em contacto com o betão

> Teor de CO2 > Velocidade de carbonatação


CLORETOS

Qualidade da camada de betão de recobrimento

Este parâmetro determina a resistência do betão à penetração de cloretos

A qualidade do recobrimento é função da composição, compactação e cura do betão


Este parâmetro determina os tipos de mecanismos de transporte que vão actuar no betão

Estes mecanismos influenciam significativamente a velocidade de penetração de cloretos


Cl-

Cl-

C



Razão água-cimento

Este parâmetro controla a dimensão e continuidade da estrutura porosa do betão

Acção importante na limitação da penetração por absorção e permeação

A velocidade de penetração é fortemente influenciada pela razão A/C



Quantidade e composição do cimento

A quantidade de cimento influencia a fixação dos cloretos no betão. Grosso modo a

resistência à penetração é função da raiz quadrada da quantidade de cimento

A composição do cimento determina a capacidade de fixação dos cloretos pela pasta de

cimento

Parâmetro mais importante: Teor em C3A

> teor em C3A < velocidade de penetração

Existe a vantagem em utilizar cimentos com elevadas quantidades de C3A em

ambientes contaminados por cloretos

Precauções a tomar: - calor de hidratação

- ataque dos sulfatos



Adições

Conduzem a um refinamento e bloqueamento da estrutura porosa do betão, aumentando a

resistência à penetração de cloretos

Os ensaios experimentais mostram que a utilização de sílica de fumo, pozolanas, cinzas

volantes e escórias de alto forno reduz substancialmente a velocidade de penetração de

cloretos.

Recomendação: em ambientes contaminados por cloretos utilizar cimentos

com adições (cimentos CEM II, III, IV e V) ou misturas de

cimentos e adições



Determinam os mecanismos de transporte de cloretos no betão

Zona atmosférica absorção + difusão

A deposição de cloretos à superfície do betão depende:

- distância à orla costeira

- rumo do vento

- exposição à chuva

Zona de rebentação absorção + difusão

A carbonatação faz acelerar a penetração de cloretos

A penetração depende do ritmo de secagem e molhagem do betão

Zona de maré (absorção) + difusão

Zona submersa permeação + difusão


CORROSÃO

Resistividade do betão

Quantidade de oxigénio ao nível das armaduras



Resistividade do betão

Outros factores importantes:

- qualidade do betão (razão água-cimento)

- contaminação por cloretos

É influenciada fundamentalmente pelo teor de humidade do betão


Acesso de oxigénio às armaduras

Outros factores importantes:

- qualidade do betão (razão água-cimento)

- espessura de recobrimento das armaduras

É influenciado fundamentalmente pelo teor de humidade do betão


Efeito da humidade na velocidade de corrosão

Os maiores níveis de deterioração por corrosão de armaduras ocorrem em

elementos sujeitos a períodos alternados de molhagem e secagem

Existe um teor de humidade intermédio para o qual a velocidade de corrosão é máxima


Efeito da temperatura na velocidade de corrosão

Os climas quentes são mais agressivos relativamente à deterioração

por corrosão de armaduras

A temperatura influencia a velocidade das reacções químicas e a mobilidade dos iões no

mecanismo da corrosão

Os ensaios confirmam a regra de que a um aumento da temperatura de 10 ºC corresponde

uma duplicação da velocidade de corrosão


Interacção ambiente-estrutura

O teor de humidade no interior do betão depende de dois factores:

condições ambientais à superfície do betão

espessura e qualidade do betão de recobrimento

A velocidade de corrosão é influenciada essencialmente pelo teor de humidade do betão ao

nível das armaduras


Influência da espessura e da qualidade do betão de recobrimento

na humidade relativa ao nível das armaduras

a) Velocidade de corrosão baixa

b) Velocidade de corrosão elevada

c) Velocidade de corrosão elevada


Fendilhação

fendas paralelas às armaduras têm grande influência no mecanismo da corrosão

despassivação

velocidade de corrosão

fendas transversais às armaduras têm uma influência importante na despassivação

e pouca influência na velocidade de corrosão (W < 0.5 mm)

Permite o acesso rápido das substâncias agressivas ao nível das armaduras

O mecanismo da corrosão é fundamentalmente influenciado pelo processo catódico nas zonas adjacentes

às fendas Qualidade do betão


SULFATOS

Qualidade do betão

Este parâmetro determina a resistência do betão à penetração de sulfatos

A qualidade do betão é função da composição, compactação e cura


Este parâmetro determina a quantidade de sulfatos em contacto com o betão e os tipos de

mecanismos de transporte que vão actuar


Composição do cimento

Este parâmetro determina a quantidade de substâncias reactivas no betão (C3A)

Reacção sulfática de

origem externa


Medidas de protecção

Controlar a permeabilidade do betão Controlar a quantidade de substâncias reactivas Impermeabilizar o betão

Três tipos

Permeabilidade

- Utilizar razões água-cimento baixas e dosagens de cimento adequadas

- Utilizar adições activas – pozolanas, cinzas volantes, sílica de fumo e escórias de alto forno

Substâncias reactivas

- Utilizar cimentos com baixo teor em C3A

- Utilizar adições activas para reduzir a quantidade de hidróxido de cálcio

as adições têm um duplo efeito na protecção do betão

Revestimentos superficiais

- Em ambientes muito contaminados é conveniente impermeabilizar o betão para evitar

o contacto com os sulfatos



Reacção sulfática de

origem interna

Controlar a temperatura máxima no betão nas primeiras idades:

T ≤ 65ºC

Controlar o teor de álcalis do betão e de aluminatos e sulfatos do ligante:

Na2O equiv < 3 kg/m3;

SO3 ≤ 3.5% se C3A ≤ 3%

SO3 ≤ 2.5% se C3A ≤ 5%

Controlar a humidade e manter o betão num estado relativamente seco:

revestimentos de impermeabilização

Controlar o teor de hidróxido de cálcio:

utilização de adições do tipo II


ÁLCALIS


Este parâmetro determina a resistência à difusão do álcalis no interior do

betão e a quantidade de agregados reactivos


Este parâmetro determina a humidade do betão


Composição do cimento

Este parâmetro determina o teor em álcalis do betão



Evitar a utilização de agregados reactivos

- avaliação da reactividade aos álcalis – Especificação LNEC E 415

Betões com baixa permeabilidade

- controlo da penetração de água e do movimento de álcalis no interior do betão

- utilizar adições activas para reduzir a permeabilidade do betão e o teor em hidróxido

de cálcio da pasta de cimento

Revestimentos superficiais para o betão

- para humidades relativas inferiores a 80% não ocorre expansão significativa

Limitar o teor em álcalis no cimento

- cimentos com baixo teor em álcalis: Na2O equiv < 0.6%

Limitar o teor em álcalis no betão

- Na2O equiv < 3 kg/m3


Prevenção das

Reacções

Expansivas

Internas


Medidas de protecção adicional

Revestimentos superficiais para betão

Prevenção catódica



Aço inox

Progresso Pier (Golfo do México, 1940)

Exemplo de uma ponte de betão armado em meio muito agressivo, que mantém uma grande

durabilidade e em que foi adoptado aço inox



Aço inox

Ponte executada com aço carbono

32 anos

Ponte executada com aço inox (AISI 304)

60 anos (sem manutenção)

Teor de cloretos ao nível das armaduras chega a atingir 20 vezes o teor crítico relativo a armaduras correntes

Ponte localizada no Golfo do México



Aço inox


Enquadramento Normativo

ESTRUTURAS DE BETÃO

Execução de Estruturas de

Betão

NP 13670-1

Projecto de Estruturas de

Betão

NP EN 1992

BETÃO

NP EN 206-1

NP EN 197

cimento

NP EN 13263

sílica de fumo

NP EN 450

cinzas volantes

NP EN 1008

água de amassadura

NP EN 934-2

adjuvantes

NP EN 13055-1

agregados leves

NP EN 12620

agregados

NP EN 12878

pigmentos

NP EN 12350

ensaios de betão

fresco

NP EN 12390

ensaios de betão

endurecido

Durabilidade

Esp LNEC E 461

Esp LNEC E 464

Esp LNEC E 465

.

.

.


ESPECIFICAÇÃO DA DURABILIDADE

2 métodos:

Metodologia prescritiva

com base em requisitos de composição e recobrimento de armaduras

Metodologia baseada em propriedades de

desempenho do betão

modelação dos mecanismos de deterioração considerando a variabilidade dos parâmetros em causa (análise probabilística)


Classes de exposição ambiental

(LNEC E464)

Classe Descrição do ambiente

Exemplos informativos

X0 Para betão sem armaduras: Todas as exposições, excepto ao gelo/degelo, abrasão ou ao ataque químico

Betão enterrado em solo não agressivo.

Betão permanentemente submerso em água não agressiva.

Betão com ciclos de molhagem/secagem não sujeito a abrasão, gelo/degelo ou ataque

químico.

Para betão armado: muito seco

Betão armado em ambiente muito seco.

Betão no interior de edifícios com muito baixa humidade do ar.

Quadro 1 – Sem risco de corrosão ou ataque

Classe Descrição do ambiente Exemplos informativos

XC1 Seco ou permanentemente húmido

Betão armado no interior de edifícios ou estruturas, com excepção das áreas com humidade elevada.

Betão armado permanentemente submerso em água não agressiva.

XC2 Húmido, raramente seco Betão armado enterrado em solo não agressivo.

Betão armado sujeito a longos períodos de contacto com água não agressiva.

XC3 Moderadamente húmido Superfícies exteriores de betão armado protegidas da chuva transportada pelo vento.

Betão armado no interior de estruturas com moderada ou elevada humidade do ar (v.g.,

cozinhas, casas de banho).

XC4 Ciclicamente húmido e seco Betão armado exposto a ciclos de molhagem/secagem.

Superfícies exteriores de betão armado expostas à chuva ou fora do âmbito da XC2

Quadro 2 – Corrosão induzida por carbonatação




XD1 Moderadamente húmido Betão armado em partes de pontes afastadas da acção directa dos sais descongelantes, mas expostas a cloretos transportados pelo ar.

XD2 Húmido, raramente seco Betão armado completamente imerso em água contendo cloretos; piscinas.

XD3 Ciclicamente húmido e seco Betão armado directamente afectado pelos sais descongelantes ou pelos salpicos de água contendo cloretos(1).

Betão armado em que uma das superfícies está imersa em água contendo cloretos e a

outra exposta ao ar (v.g., algumas piscinas ou partes delas). Lajes de parques de

estacionamento de automóveis(2) e outros pavimentos expostos a sais contendo

cloretos.

Quadro 3 – Corrosão induzida por cloretos não provenientes da água do mar

(1) No nosso país estas situações deverão ser consideradas na classe XD1; (2) Idem, se relevante


XS1 Ar transportando sais marinhos mas sem contacto directo com água do mar

Betão armado em ambiente marítimo saturado de sais.

Betão armado em áreas costeiras perto do mar, directamente exposto e a menos de

200 m do mar; esta distância pode ser aumentada até 1 km nas costas planas e foz

de rios.

XS2 Submersão permanente Betão armado permanentemente submerso.

XS3 Zona de marés, de rebentação e de salpicos

Betão armado sujeito às marés ou aos salpicos, desde 10 m acima do nível superior das marés (5 m na costa Sul de Portugal Continental) até 1 m abaixo do nível inferior das marés.

Betão armado em que uma das superfícies está imersa em água do mar e a outra

exposta ao ar (v.g., túneis submersos ou abertos em rocha ou solos permeáveis no

mar ou em estuário de rios). Esta exposição exigirá muito provavelmente medidas de

protecção suplementares.

Quadro 4 – Corrosão induzida por cloretos da água do mar




XF1 Moderado número de ciclos de gelo/degelo, sem produtos descongelantes

Betão em superfícies verticais expostas à chuva e ao gelo.

Betão em superfícies não verticais mas expostas à chuva ou gelo.

XF2 Moderado número de ciclos de gelo/degelo, com produtos descongelantes

Betão, tal como nas pontes, classificável como XF1, mas exposto aos sais descongelantes directa ou indirectamente.

Quadro 5 – Ataque pelo gelo/degelo

6. Ataque químico

XA1 Ambiente químico ligeiramente agressivo, de acordo com a EN 206-1, Quadro 2

Terrenos naturais e água no terreno

XA2 Ambiente químico moderadamente agressivo, de acordo com a EN 206-1, Quadro 2


XA3 Ambiente químico altamente agressivo, de acordo com a EN 206-1, Quadro 2




Caracterização química

Classes de exposição

Água no solo XA1 – pouco agressivas XA2 – moderadamente agressivas

XA3 – muito agressivas

mg/l 200 e 600 > 600 e 3000 > 3000 e 6000

pH 6.5 e 5.5 < 5.5 e 4.5 < 4.5 e 4.0

CO2 agressivo mg/l 15 e 40 > 40 e 100 > 100

até à saturação

mg/l 15 e 30 > 30 e 60 > 60 e 100

Mg2+ mg/l 300 e 1000 > 1000 e 3000 > 3000

até à saturação

Solos

mg/kgª) total 2000 e 3000(b) > 3000b) e 12000 > 12000 e 24000

Acidez ml/kg > 200

Baumann Gully Não encontrado na prática

a) Os solos argilosos com uma permeabilidade abaixo de 10-5 m/s podem ser colocados numa classe mais baixa

b) O limite de 3000 mg/kg deve ser reduzido para 2000 mg/kg, caso exista risco de acumulação de iões sulfato no betão devido a ciclos de secagem e

molhagem ou à absorção capilar.

SO2-4

NH+4

SO2-4



CORTE TIPO

Exemplo: Ponte localizada num estuário

XC3/XS1 XC4/XS1

XC4/XS3

XC4/XS3/XA1

XC2/XS2/XA1


Prescrições relativas ao recobrimento, composição e classe de resistência do betão

Tipo de cimento CEM I (Referência); CEM II/A (1) CEM II/B(1); CEM III/A(2); CEM IV(2); CEM V/A(2)

Classe de exposição XC1 XC2 XC3 XC4 XC1 XC2 XC3 XC4

Mínimo recobrimento nominal (mm)* 25 35 35 40 25 35 35 40

Máxima razão água/cimento

0,65 0,65 0,60 0,60 0,65 0,65 0,55 0,55

Mínima dosagem de cimento, C (kg/m3)

240 240 280 280 260 260 300 300

Mínima classe de resistência

C25/30

LC25/28

C25/30

LC25/28 C30/37 LC30/33

C30/37

LC30/33

C25/30

LC25/28

C25/30

LC25/28

C30/37

LC30/33

C30/37

LC30/33

(1) Não aplicável aos cimentos II/A-T e II/A-W e aos cimentos II/B-T e II/B-W, respectivamente. (2) Não aplicável aos cimentos com percentagem inferior a 50% de clínquer portland, em massa.

Quadro 6 – Limites da composição e da classe de resistência do betão sob acção do dióxido de carbono, para uma vida útil de 50 anos

- Vida útil de 50 anos-



Tipo de cimento CEM IV/A (Referência); CEM IV/B; CEM III/A; CEM III/B; CEM V; CEM II/B (1);

CEM II/A-D CEM I; CEM II/A (1)

Classe de exposição XS1/ XD1 XS2/ XD2 XS3/ XD3 XS1/ XD1 XS2/ XD2 XS3/ XD3

Mínimo recobrimento nominal (mm)* 45 50 55 45 50 55

Máxima razão água/cimento 0,55 0,55 0,45 0,45 0,45 0,40


320 320 340 360 360 380


C30/37 LC30/33

C30/37 LC30/33

C35/45 LC35/38

C40/50 LC40/44

C40/50 LC40/44

C50/60 LC50/55

(1) Não aplicável aos cimentos II-T, II-W, II/B-L e II/B-LL.

Quadro 7 – Limites da composição e da classe de resistência do betão sob acção dos cloretos, para uma vida útil de 50 anos

O tipo de cimento apresenta uma influência significativa nos

requisitos de composição e resistência



Tipo de cimento CEM IV/A (Referência); CEM IV/B; CEM III/A; CEM III/B; CEM V; CEM II/B (1);

CEM II/A-D CEM I; CEM II/A (1)

Classe de exposição XA1 XA2 (2) XA3 (2) XA1 XA2 (2) XA3 (2)

Máxima razão água/cimento 0,55 0,50 0,45 0,50 0,45 0,45


320 340 360 340 360 380


C30/37 LC30/33

C35/45 LC35/38

C35/45 LC35/38

C35/45 LC35/38

C40/50 LC40/44

C40/50 LC40/44

(1) Não aplicável aos cimentos II-T, II-W, II/B-L e II/B-LL. (2) Quando a agressividade resultar da presença de sulfatos, os cimentos devem satisfazer os requisitos mencionados na secção 5,

nomeadamente no Quadro 10, aplicando-se ao betão as exigências estabelecidas neste quadro para o CEM IV.

Quadro 9 – Limites da composição e da classe de resistência à compressão do betão sob ataque químico, para uma vida útil de 50 anos

Se na composição do betão forem utilizadas adições os termos dosagem de cimento e

razão água-cimento devem ser substituídos por dosagem de ligante e razão água-

ligante

A dosagem de cimento indicada nos quadros referem-se a betões com com Dmáx 32 mm

Para outros valores de Dmáx tem-se:

12.5 ≤ Dmáx < 20mm: C20/12.5 = 1.10 C

4 < Dmáx <12.5 mm: C12.5/4 = 1.23 C



Alterações dos requisitos dos quadros 6 e 7:

Classes XC; XD e XS

o recobrimento nominal é aumentado de 10 mm

- Vida útil de 100 anos -


Classes XF e XA

razão A/C é diminuída de 0.05

C é aumentada de 20 kg/m3

classe de resistência é aumentada de 2 classes


Nos casos de não satisfação dos requisitos definidos nos quadros 6 e 7 da

E 464 há que recorrer às seguintes metodologias:

Conceito de desempenho equivalente

- composição não respeitando os limites indicados

- utilização de outros cimentos que não os indicados

Métodos baseados no desempenho

- recobrimentos menores que os mínimos indicados

- recobrimentos maiores que os indicados e composições com menores exigências

- períodos de vida útil diferentes de 50 e 100 anos


Especificação LNEC E465

Metodologia para estimar as propriedades de

desempenho que permitem satisfazer a vida útil de

projecto de estruturas de betão armado ou pré-

esforçado sob as exposições ambientais XC e XS

DURABILIDADE

Metodologias de desempenho


Enquadramento

Nív

el

de

de

teri

ora

çã

o

tempo iniciação propagação

ti tp

1

3

4

2

1 despassivação

2 fendilhação

3 delaminação

4 rotura

Desenvolvimento da deterioração no tempo

Vida útil tL = ti + tp


Vida útil

Categorias de vida útil na EN 1990

Vida útil pretendida Exemplos

Categoria tg (anos)

1 10 Estruturas temporárias

2 10 a 25 Partes estruturais substituíveis

3 15 a 30 Estruturas para a agricultura e semelhantes

4 50 Edifícios e outras estruturas comuns (v.g., hospitais, escolas)

5 100 Edifícios monumentais, pontes e outras estruturas de engenharia civil

As diferentes partes de uma estrutura podem ter diferentes vidas úteis


Dada a aleatoriedade dos processos de deterioração a avaliação da vida útil deve ser realizada

com base numa análise probabilística, tal como acontece no projecto de estruturas para as

acções mecânicas.

S(t) – efeito da acção

R(t) - resistência

pf = P{[R(t)- S(t)<0]}T < palvo

palvo – nível aceitável da probabilidade

de falha

TL – vida útil

Tg – vida útil pretendida

pf = P(TL<Tg) < palvo

2 tipos de abordagem:

Service period design

Lifetime design

Tempo

R

S

pf = 0,5

f (TL)

R;

S

R(t)

S(t)

pf

pf

Tg

TLmédio

TL


A análise probabilística pode ser realizada com base no Índice de Fiabilidade β

pf = P(TL<Tg) = P(Z<0)TL= Ф(-β) em que Z(t) = R(t) – S(t)

β.σ(z) = μR -μS

β.σ(z) = μZ

No caso das funções S(t) e R(t) terem distribuições normais

β = (μR -μS) / (σ2R + σ2

S)0.5 = (μR -μS) / σZ

fZ

pf


pr 10-1 10-2 10-3 10-4

β 1.28 2.32 3.09 3.72

Nível de deterioração – Índice de fiabilidade

despassivação

fendilhação

delaminação

rotura

Nív

el

de

de

teri

ora

çã

o

tempo

1

3

4

2

1

2

3

4

~ 1.5 ~ 3.8

o o o o

Relação entre a probabilidade de rotura e o índice de fiabilidade para um período de referência de 50 anos


Para definição da vida útil a Esp LNEC E465 estabelece apenas o estado limite de utilização

definido como início da fendilhação do betão de recobrimento por corrosão de armaduras

despassivação

fendilhação

delaminação

rotura

Nív

el

de

de

teri

ora

çã

o

tempo ti tp

1

3

4

2

1

2

3

4

tL

Estado limite de despassivação das armaduras

Estado limite de fendilhação

Estado limite de delaminação

Estado limite último

O cálculo da vida útil é realizado com base em estados limites:


Metodologia adoptada pela E 465

Análise semi-probabilística – considerar um factor de segurança da vida útil

Esta metodologia permite:

Calcular de forma determinística as propriedades de desempenho para vida útil de

cálculo:

de modo a satisfazer a condição tL – tg > 0 com uma abordagem probabilística.

td = tg

Garantir que:

tL – vida útil avaliada através de modelos de desempenho

tg – vida útil pretendida

tL – tg > 0


Factores de segurança / Índices de fiabilidade

Factores de segurança da vida útil

Classes de fiabilidade Factor para o Estado Limite de Utilização

RC3 2,8

RC2 2,3

RC1 2,0

Mínimos índices de fiabilidade

Classes de fiabilidade RC3 RC2 RC1

probabilidade

2,0

2,3*10 -2

1,5

6,7*10 -2

1,2

12*10 -2


Modelação da deterioração

Objectivo: Especificar propriedades de desempenho para o betão

de modo a que tL > td

tL = ti + tp

Necessário:

Modelar a fase de iniciação: Período de tempo até que a frente de

Carbonatação ou o teor crítico de

Cloretos atinja o nível das armaduras

Modelar a fase de propagação: Período de tempo até o nível de corrosão

causar a fendilhação do betão de recobrimento

tL – vida útil avaliada através de modelos de desempenho


Modelos de cálculo para o Período de Iniciação

CARBONATAÇÃO

onde:

X - profundidade de carbonatação (m)

D – coeficiente de difusão do CO2 no betão carbonatado (65% HR; 20 ºC)

c =0,0007kg/m3 (concentração do CO2 no ar)

a= consumo de CO2, função do tipo e dosagem de cimento (quantidade de CO2 necessário para

carbonatar uma unidade de volume de betão)

K0 – factor igual a 3 quando ensaio de carbonatação é realizado segundo a esp LNEC E 391

K1 – factor dependente da HR do betão

K2 – factor dependente da cura do betão

n – factor dependente da molhagem/secagem ao longo do tempo (<0,3)

t0 – período de referência (1 ano)

Modelo 1

Objectivo: Definir a resistência à carbonatação do betão de modo a que ao fim do período de

iniciação ti a profundidade de carbonatação seja no máximo igual ao recobrimento

n

t

tkkkt

a

cD

Kta

cDX

02*1*0****2

****2


Considerando que a resistência à carbonatação RC65 pode ser medida pela seguinte relação:

n

C t

tkkk

R

tX

0

65

21*00007,02

D

aRC 65

(kg.ano/m5)

n

i

iC

t

tkkk

R

tR

2

0

2

3

65 21*010*4,1

Valor da resistência à carbonatação a exigir ao betão

A medição de RC65 é feita no ensaio acelerado (LNEC E391)

2

1

165

2

X

tcR acel

C

Cacel – concentração de CO2 na câmara de carbonatação (90 x 10-3 kg/m3 ≈ 5% CO2)

Introduzindo esta relação na expressão anterior vem:


ACÇÃO DOS CLORETOS

tD

XerfCtxC S

21),(

D é o coeficiente de difusão dos cloretos no betão, em m2/s;

C (x, t) é a concentração dos cloretos, à profundidade x (m) após decorrido o tempo t (s)

CS é a concentração dos cloretos, em % da massa de ligante, na superfície do betão (X=0)

erf é a função erro: erf (z)=w

2

2

4

t

XD

S

S

C

txCCerf

),(1 com:

A despassivação das armaduras ocorre para uma concentração de cloretos ao nível das armaduras

C (x, t) = C(R,ti) = CR (teor critico de cloretos)

R – recobrimento das armaduras

Modelo base

Objectivo: Definir a resistência à penetração de cloretos do betão de

modo a que ao fim do período de iniciação ti a profundidade do teor

critico seja no máximo igual ao recobrimento


A concentração superficial Cs é dada por:

temphorvertcabs kkkkCC /

CR (% em massa do cimento)

Água/cimento XS1; XS2 XS3

a/c 0,30 0,6 0,5

0,30 < a/c 0,40 0,5 0,4

a/c >0,40 0,4 0,3

Cb=3,0% nas classes XS2 e XS3 e Cb=2,0% na XS1

Ka/c = 2,5 * (a/c), sendo a/c a razão água/ligante

Ktemp , referente ao betão, tem os seguintes valores:

0 ºC 10 ºC 15ºC 20 ºC 25ºC 30 ºC 35ºC

2,2 1,5 1,2 1,0 0,8 0,7 0,6

Classe de exposição kvert

XS1 0,7

XS2 1 a 1m de profundidade

1,4 a 24 m de profundidade*

XS3 1,0

Distância à linha de costa**

Khor

0 1

1 Km* 0,6

kvert e khor têm os valores indicados no quadro:

Teor crítico de cloretos


O coeficiente de difusão D0 a exigir ao betão é dado por:

kD,c é um factor que tem em conta a influência das condições de cura;

kD,RH é um factor que tem em conta a influência da humidade relativa do ambiente;

kD,T é um factor que tem em conta a influência da temperatura;

D0 é o coeficiente de difusão potencial (m2/s), determinado em laboratório de acordo com a Especificação LNEC E 463,

com o betão na idade de referência t0 =28 dias;

n é um factor que tem em conta o decréscimo de ingresso dos cloretos ao longo do tempo.

Número de dias de cura kD,c

normalizada 2,4

em contacto permanente com água

0,75

Cofragem de permeabilidade controlada e 3 dias de cura

húmida

1,0

Classes de exposição KD,RH

XS1 0,4

XS3 1,0

XS2 1,0

Temperatura do betão (ºC) KD,T

30 ºC 1,5

25 ºC 1,2

20 ºC 1,0

15 ºC 0,8

10 ºC 0,75

0 ºC 0,4

Classes de exposição n

CEM I / II*

CEM III / IV

XS1 0,55 0,65

XS2 0,45 0,55

XS3 0,55 0,65

* Excepto CEM II-W, II-T, II/B-L e II/B-LL

Da(t) = Da(t0)*(t0/t)n = kD,c * kD,RH * kD,T * D0 * (t0/t)

n


Modelo de cálculo para o Período de Propagação

- lei de Faraday

pt0,0115Ix cor

x (mm) é a redução de raio provocada pela intensidade da corrente de corrosão Icorr (A/cm2)

durante o tempo de propagação da corrosão tp (anos)

x = 10-3 * (74,5 + 7,3R/0 – 17,4 fcd)

O modelo recorre:

- à expressão experimental de estima da redução de raio, x , que provoca a iniciação da fissuração:

R é o recobrimento (mm);

fcd é a resistência à compressão diametral do betão, com o valor 2 e 2,5 MPa nos betões para a carbonatação

e 3 e 4 MPa nos betões para os cloretos.

0 diâmetro inicial das armaduras

- à consideração da diferente influência na corrosão da carbonatação e da acção dos cloretos

0 - = x

= 2 quando a corrosão é uniforme, caso da corrosão por carbonatação

10 quando a corrosão é por picadas, caso da corrosão por cloretos


com:

Período de propagação:

k = 0,1*(74,5 + 7,3 R/0 – 17,4 fcd) /(0/2)

- à consideração dos níveis de corrosão expectáveis nas classes de exposição XC e XS em função dos teores de humidade nos poros do betão

Classes de exposição e níveis de corrosão das armaduras

XC1 XC2 XC3 XC4 XS1 XS2 XS3

Despr Baixo Despr. Baixo/ Moder.

Moder. Despr Elevado

Níveis de corrosão

Intensidade da corrente de corrosão (A/cm2)

Nível de corrosão

< 0,1

0,1-0,5

0,5-1

>1

desprezável

baixo

moderado

elevado

tp = k 0 / (1,15 Icorr )


Exemplo: Fendilhação cálculo do tp

Perda de raio que provoca o início da fendilhação:

R = 30 mm

Ф0 = 20 mm

fcd = 2.5 MPa

x = 42 μm

Icorr = 0.1 μ A/cm2 tp = 37 anos

Icorr = 1 μ A/cm2 tp = 3.7 anos

Icorr = 10 μ A/cm2 tp = 0.37 anos

R – recobrimento [mm]

Ф0 – diâmetro do varão [mm]

fcd – resistência à compressão diametral do betão [MPa]

x = 10-3 * (74,5 + 7,3R/0 – 17,4 fcd)


Cálculo das propriedades de desempenho do betão

Definir previamente:

Período de vida útil pretendido tg

Classe de fiabilidade da estrutura ou do elemento estrutural: RC1//RC2/RC3

Classes de exposição a que cada elemento estrutural está sujeito: XC1 a XC4 ou XS1 a XS3

Recobrimento mínimo a adoptar em cada elemento estrutural

Seguidamente calcular:

O período de propagação tp

O período de iniciação de cálculo

As propriedades do betão relacionadas com a durabilidade – resistência à carbonatação RC65

e coeficiente de difusão aos cloretos D0 – com base nos modelos de deterioração.

tic = (tg – tp).

tp = k 0 / (1,15 Icorr )

Síntese:


EXEMPLO

Ponte localizada no estuário de um rio

Período de vida útil pretendido – 120 anos

CORTE TIPO

XC4/XS1

XC2/XS2/XA1

Cálculo das propriedades de desempenho do betão para os elementos estruturais sujeitos

à classe de exposição XS3

XC4/XS3

XC4/XS3/XA1


Cálculo do período de iniciação:

Classe de fiabilidade da estrutura – RC3

Classe de exposição – XS3

tic = (tg – tp).

Factores de segurança da vida útil

Classes de fiabilidade Factor para o Estado Limite de Utilização

RC3 2,8

RC2 2,3

RC1 2,0

Recobrimento mínimo – 50mm Recobrimento nominal – 60mm

Betão: cimento tipo IV; razão A/C : 0.35


Período de propagação:

tp = k 0 / (1,15 Icorr )

k = 0,1*(74,5 + 7,3 R/0 – 17,4 fcd) /(0/2)

tp = 0.38 anos

tic = tg tic = 2.8 x 120 = 336 anos

R = 50mm

0 = 12 mm

fcd = 4 MPa

= 8

Icorr = 5 μA/cm2


Modelo de cálculo

tD

XerfCtxC S

21),(

C (x, t) = C(R,ti) = CR (teor crítico de cloretos)

CR (% em massa do cimento)

Água/cimento XS1; XS2 XS3

a/c 0,30 0,6 0,5

0,30 < a/c 0,40 0,5 0,4

a/c >0,40 0,4 0,3

O período de iniciação ti é atingido quando o teor de cloretos ao nível das armaduras atingir o teor crítico:


Cs = 2.625%

Cb=3,0% nas classes XS2 e XS3

Ka/c = 2,5 * (a/c)

temphorvertcabs kkkkCC / 0 ºC 10 ºC 15ºC 20 ºC 25ºC 30 ºC 35ºC

2,2 1,5 1,2 1,0 0,8 0,7 0,6

Classe de exposição kvert

XS1 0,7

XS2 1 a 1m de profundidade

1,4 a 24 m de profundidade*

XS3 1,0

Distância à linha de costa**

Khor

0 1

1 Km* 0,6

Ka/c = 2,5 x 0.35 = 0.875

tD

XerfCtxC S

21),(

D = 1.67 mm2/ano

Derf

*3362

501625.24.0

Ktemp

Teor de cloretos à superfície Cs:


Da(t) = Da(t0)*(t0/t)n = kD,c * kD,RH * kD,T * D0 * (t0/t)

n

Número de dias de cura kD,c

normalizada 2,4

em contacto permanente com água

0,75

Cofragem de permeabilidade controlada e 3 dias de cura

húmida

1,0

Classes de exposição KD,RH

XS1 0,4

XS3 1,0

XS2 1,0

Temperatura do betão (ºC) KD,T

30 ºC 1,5

25 ºC 1,2

20 ºC 1,0

15 ºC 0,8

10 ºC 0,75

0 ºC 0,4

Classes de exposição n

CEM I / II*

CEM III / IV

XS1 0,55 0,65

XS2 0,45 0,55

XS3 0,55 0,65

* Excepto CEM II-W, II-T, II/B-L e II/B-LL

Cálculo do coeficiente de difusão D0 (LNEC E 463) a exigir ao betão de modo

a garantir o período de vida de 120 anos para a estrutura

D0 = 162 mm2/ano = 5.1x10-12 m2/s

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Durabilidade de Estruturas de Betão