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Adriana de Araujo Pesquisadora do Laboratório de

Corrosão e Proteção – LCP/CTMM do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT)

aaraujo@ipt.br

Zehbour Panossian Diretora de inovação do IPT e

professora do departamento de Metalurgia e Materiais da Escola

Politécnica da USPzep@ipt.br

Mirian Cruxen B. de Oliveira Pesquisadora do Laboratório

de Materiais de Construção Civil – LMCC/CTOBRAS do IPT

miriancr@ipt.br

Natasha da Silveira PintoEstagiária do LMCC/CTOBRAS

natasha@ipt.br

Juliana Pereira FlorTécnica em metalurgia do LCP/CTMM, do IPT

julianap@ipt.br

No presente trabalho é discutida a possibilidade de corrosão prematu-

ra de armaduras em concreto poroso em que há concentração de bolhas de ar junto à superfície do aço carbono. Em complemento, é apresentado um estudo de caso no qual são resumidos os resul-tados obtidos na avaliação de estruturas de concreto com ar incorporado.

O concreto com ar incorporado é obtido por meio da adição de políme-ros e de fluidificantes específicos que incorporam bolhas de ar na mistura. Esse concreto tem sido usado no Brasil para fins estruturais e de vedação.

Concreto comum e concreto leveO concreto é um material heterogê-

neo que tem sua qualidade associada a diferentes fatores, especialmente às ca-racterísticas e às proporções dos mate-riais componentes. Do ponto de vista de sua massa específica, existe, além do concreto comum (de massa específica normal, em torno de 2.400 kg/m³), o concreto leve de massa específica in-ferior a 1.800 kg/m³ e o concreto pe-sado de massa específica superior a 3.200 kg/m³ [Mehta; Monteiro, 2006].

Entretanto, a maneira mais usual de classificar o concreto é pela resistência à compressão, sendo isso válido também para o concreto com ar incorporado, pois não há necessariamente uma corre-lação definida entre valores de sua massa específica e de resistência à compressão.

Segundo Mehta e Monteiro [2006], as bolhas incorporadas intencionalmen-te aumentam a porosidade do concreto e

paração com a matriz do concreto. O ACI 212.3R [2004] destaca que a distri-buição e a quantidade de bolhas incor-poradas dependem de diferentes fatores, como a natureza e a quantidade do adi-tivo utilizado, o tipo e a duração da mis-tura do concreto, e sua consistência.

Corrosão da armaduraEm concreto convencional íntegro,

as armaduras de aço carbono se man-têm passivadas em razão da formação, em sua superfície, de uma fina película (espessura ≤ 10 nm) composta de óxi-dos de ferro [Huet et al., 2005]. Além dessa película, há formação de uma ca-mada rica em hidróxido de cálcio que acompanha a topografia da superfície do aço [Verbeck, 1975; Khalaf; Page, 1979], conferindo proteção local con-tra a queda do pH (efeito tampão) [Yo-nezawa et al, 1988; Horne et al., 2007] e restringindo a movimentação dos íons cloreto [Yonezawa et al., 1988].

Usualmente, a queda de pH do con-creto ocorre em razão do ingresso do dióxido de carbono no concreto e da sua reação com o hidróxido de cálcio livre na solução aquosa de poros, preci-pitando na forma de carbonato de cál-cio, fenômeno denominado de carbo-natação. A queda do pH fornece condi-ções adequadas para a quebra da pelí-cula passivadora, permitindo o proces-so de corrosão. Outro fator preponde-rante para a corrosão é o ingresso de íons cloreto. A sua presença desestabili-za o filme passivante e afeta a resistivi-dade elétrica do meio, que é diminuída.

diminuem a sua resistência, assim como o fazem as bolhas de ar usualmente apri-sionadas durante o seu adensamento. O primeiro tipo tem diâmetro que varia entre 50 µm e 200 µm, e o segundo pode ter até 3 mm. Estudo de Wong e colabo-radores [2011] mostrou que as bolhas incorporadas aumentam a heterogenei-dade da pasta de cimento, afetando os mecanismos de transporte. Verificou-se que a microestrutura da interface bolhas de ar–pasta é similar à da agregado–pasta, contendo significativa redução de cimento, alta porosidade e, inicialmente, elevada relação água/cimento em com-

ARTIGO

Comportamento da armadura em concreto poroso: estudo de caso

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Além da presença de agentes agres-sivos no concreto, há outros fatores a serem considerados no processo corro-sivo, tal como a disponibilidade de oxi-gênio dissolvido na solução que ume-dece a superfície do aço – além de es-sencial para o processo de corrosão, o oxigênio controla a taxa de corrosão da armadura. Destaca-se também a pre-sença de frestas ou outras heterogenei-dades no concreto [Verbeck, 1975; Lambert et al., 1991, González et al., 1993]; como exemplo, os vazios decor-rentes do aprisionamento de bolhas de ar durante o adensamento do concreto e de sua incorporação intencional.

As bolhas de ar podem aumentar a permeabilidade do concreto, facilitan-do o ingresso de agentes agressivos. As bolhas também podem prejudicar a formação das mencionadas camadas protetivas. Cita-se como outro agra-vante à formação dessas camadas o uso de aço já corroído. A camada de produ-tos de corrosão pode ser um eletrólito poroso para o acesso do oxigênio à su-perfície do aço e fornecer íons de cará-ter oxidante (Fe3+) para a reação cató-dica de corrosão [González et al., 2007].

A prática mostra que, quase inva-riavelmente, é na região de maior hete-rogeneidade do concreto que a arma-dura está mais suscetível à corrosão prematura [Page, 1975]. Há estudos que confirmam isso [Mohammed; Hamada, 2001; Nam, 2005; Söylev; François, 2005; Horne et al., 2007; Angst et al., 2010], indicando-se que, em concreto comum, a corrosão ini-cia-se preferencialmente na parte infe-rior das armaduras (sentido oposto ao lançamento do concreto), que é o local de maior concentração de bolhas de ar e de outros tipos de vazios. O mesmo ocorre em regiões de intersecção de barras e de arames de amarração [Alhozaimy et al., 2012].

A figura 1 ilustra o mecanismo de corrosão em região de vazio num con-creto sem contaminação com cloretos. O vazio pode se dar devido à presença de bolha de ar junto à armadura ou devido à presença de uma fissura ao longo do concreto de cobrimento (até a armadura). Supõe-se que essa corro-são seja estabelecida pela formação de

células oclusas, onde o ânodo (aço ex-posto ao vazio) e o cátodo (aço em contato íntimo com a pasta de cimen-to umedecida) encontram-se fisica-mente separados, de modo que o ele-trólito (solução aquosa de poros) junto ao ânodo tenha dificuldade de misturar-se com o eletrólito junto ao cátodo. Por essa razão, esses eletrólitos apresentam uma concentração dife-rencial, bem como potencial eletro-químico distinto. O eletrólito do vazio é o primeiro a sofrer alteração de suas

características, em destaque a dimi-nuição do pH, devido tanto ao acesso facilitado de dióxido de carbono como pela redução da disponibilidade de compostos alcalinos no eletrólito ao longo do tempo. Com a redução do pH, há favorecimento da corrosão.

A figura 2 ilustra o mecanismo de corrosão em região de vazio num con-creto com contaminação com cloretos. Segundo Nam e colaboradores [2005], nesse caso há o acesso facilitado dos íons cloreto pelo perímetro do vazio. Quanto

Figura 1 – Desenho esquemático do mecanismo de corrosão da armadura exposta ao vazio, tendo-se o avanço da frente de carbonatação no concreto. No trecho do aço carbono exposto ao vazio ocorre a dissolução do metal (área anódica), enquanto na adjacência, onde o aço carbono está em contato íntimo com a pasta de cimento umedecida, ocorre a redução do oxigênio (área catódica)

Figura 2 – Desenho esquemático do mecanismo de corrosão da armadura no perímetro do vazio de concreto contaminado com íons cloreto

Figura 3 – Desenho esquemático do mecanismo de corrosão da armadura em fresta formada no perímetro do vazio de concreto íntegro

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ARTIGOmaior é o vazio não saturado, maior é a concentração de íons no perímetro. O cloreto circunda o vazio e dirige-se à in-terface armadura–concreto por meio da solução aquosa na parede de poro. A corrosão do aço ocorre pela ação con-junta da solução, dos íons cloreto e do oxigênio: os íons cloreto despassivam o aço, e o oxigênio presente no vazio ali-menta o processo corrosivo. Nesse caso, a corrosão é localizada, tendendo à for-mação de pites e, com a sua coalescência, a formação de alvéolos que podem apre-sentar profundidade significativa.

Pode-se supor ainda que haja pos-sibilidade de ocorrência de corrosão do aço em concreto íntegro (sem a re-dução do pH da solução aquosa de seu umedecimento ou a presença de íons cloreto). Nesse caso, a corrosão ocorre por aeração diferencial dentro do vazio e fora do vazio, este último cons-tituindo uma fresta estreita. No eletró-lito dentro da fresta há restrição de acesso de oxigênio, enquanto o eletró-

lito do aço exposto ao vazio é rico em oxigênio dissolvido. Nessas condições, há duas possibilidades:n O aço exposto ao vazio e o aço em contato íntimo com a pasta de cimen-to estão passivados: a corrosão é facili-tada na fresta (área anódica) em razão da instabilidade da película passivante do aço quando da restrição de oxigê-nio dissolvido na solução que umidifi-ca a sua superfície. A figura 3 ilustra a corrosão em fresta;n O aço exposto ao vazio está despas-sivado e o aço em contato íntimo com a pasta de cimento está passivado: neste caso, a corrosão é facilitada na área do vazio (área anódica) pela gran-de disponibilidade de oxigênio.

Estudo de casoInspeções em campo

Foram inspecionadas paredes es-truturais de concreto leve edificadas em período inferior a cinco anos, em am-biente urbano. Dentre os ensaios usuais

[Araujo, Panossian, 2011], destacam-se o exame visual de armadura recém-ex-posta, a determinação da profundidade da frente de carbonatação do concreto, e as medidas da resistividade elétrica e do potencial de corrosão.

Ensaios e análises em laboratórioAmostras de diferentes concretos e

de armadura zincada foram extraídas em campo e caracterizadas em labora-tório. Dois concretos, denominados de AR1 e AR2, foram caracterizados por análise petrográfica e, experimen-talmente, pela determinação do diâ-metro das bolhas de ar. Essa caracteri-zação foi feita em complemento à de-terminação da resistência à compres-são, do índice de vazios e da absorção de água e, ainda, do perfil de cloretos. Esses ensaios são detalhados em artigo anterior [Araujo et al., 2014].

Resultados e discussãoInspeções em campo

Em algumas paredes de concreto com ar incorporado, o exame visual da armadura de aço carbono apontou a sua despassivação tanto em concreto carbo-natado como em concreto íntegro (não carbonatado, sem perfil de contamina-ção por cloretos e sem anomalias). Essa condição pode ser atribuída ao rápido avanço da frente de carbonatação do concreto, verificado em concreto carbo-natado, e a falhas de formação de cama-das protetoras em armadura embutida em concreto íntegro (figura 4). O em-prego de barras de aço carbono já corro-ídas foi considerado um agravante. No caso do uso de armaduras zincadas, a corrosão precoce só foi verificada na-quelas com baixa espessura de concreto de cobrimento ou em concreto fissura-do (fissura passante no alinhamento da armadura). Em ambos os casos, o trecho exposto do concreto de cobrimento es-tava carbonatado (figura 5a).

Quanto à resistividade elétrica do concreto e do potencial de corrosão da armadura, na maioria das vezes foram obtidos valores muito variáveis e não re-presentativos do quadro de corrosão ve-rificado. Essa variabilidade foi atribuída à dificuldade de avaliação em concreto poroso, e, talvez, houvesse necessidade

Figura 4 – a) Aspecto visual de tela de aço carbono (não revestida), com indícios de corrosão, embutida em concreto com ar incorporado; b) Constatação da não carbonatação do concreto na região da armadura (superfície de coloração rósea). Ensaios em laboratório não indicaram a presença de cloretos no concreto

Figura 5 – a) Aspecto visual de trecho de treliça de aço carbono zincado com indícios de corrosão e carbonatação parcial do concreto (sem coloração rósea). A carbonatação na superfície da armadura ocorreu devido à presença de fissura, acompanhando seu alinhamento e profundidade; b) Aspecto da microestrutura do revestimento de zinco e do substrato, mostrando claramente o estabelecimento de processo corrosivo em ambos

Concreto carbonatado(sem coloração)

Corrosão na camada de zinco

Corrosão do substrato

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de saturá-lo, como já observado em ou-tras situações. No caso de armaduras zincadas, há ainda como agravante a proximidade entre o valor de potencial indicativo de seu estado passivo (em torno de -450 mV, em referência ao ele-trodo de cobre–sulfato de cobre – ECSC) e o valor indicativo de estado ativo cor-rosão do aço carbono (≥-350 mV, ECSC). Com isso, essa avaliação é válida especialmente para a detecção do início de processo corrosivo do revestimento

Figura 6 – Aspecto da microestrutura do concreto leve AR1 (a) e AR2 (b) e distribuição dos seus constituintes

Pasta Vazios Agregados

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

AR-2

AR-1

Constituintes (%)

do zinco (potenciais mais negativos de -650 mV, ECSC) em que não há exposi-ção do substrato. Em campo, pôde-se determinar o estado passivo do revesti-mento de zinco em paredes em que o concreto estava íntegro.

Ensaios e análises em laboratórioEm geral, os resultados obtidos

apontaram uma grande variação das características dos concretos com ar in-corporado. A resistência à compressão

dos concretos AR1 e AR2 foi muito baixa, em torno de 6 MPa, tendo-se índi-ce de vazios e de absorção de água eleva-dos, em torno de 37% e de 22%, respec-tivamente. Esses resultados foram atri-buídos à especificação de uma relação a/c elevada (maior que 0,6) e de uma incorporação intencional de bolhas de ar, em torno de 18% no estado plástico. Essa concentração é superior à referen-ciada em literatura pesquisada, que é feita especialmente para melhorar a re-sistência do concreto contra ciclos de congelamento/descongelamento. Nesse uso, é recomendada a incorporação de 3,5% a 7,5% [ACI 201.2R, 2008].

A figura 6 exibe o aspecto micros-cópico dos concretos AR1 e AR2 e a distribuição aproximada de seus cons-tituintes. Ambos apresentaram uma concentração elevada de bolhas de ar, algumas delas muito próximas entre si, e algumas aparentemente interco-nectadas. A caracterização petrográfi-ca dos concretos mostrou que o AR1 contém entre 20% e 25% de vazios, e o AR2 em torno de 20%. A configuração desses vazios indicou a presença tanto de bolhas de ar incorporado intencio-nalmente como de bolhas de ar apri-sionado e, ainda, a presença de vazios

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Conc

entr

ação

(%) e

m

rela

ção

à qu

antid

ade

tota

l

Diâmetro das bolhas de ar (µm)

Poros mesocapilares Poros macrocapilares Poros grossos

AR1 AR2

Figura 7 – Gráfico de concentração e do diâmetro das bolhas de ar nos concretos AR1 e AR2 e fotografias ilustrativas das bolhas de ar

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ARTIGOna zona de transição pasta–agregado e, ainda, para o AR2, a presença de vazios sem forma definida.

O gráfico da figura 7 apresenta a concentração de bolhas de ar em dife-rentes faixas de diâmetros (aproxima-dos) e fotografias ilustrativas de bo-lhas. Para o concreto AR1 observou-se uma tendência maior de bolhas de di-âmetro entre 40 µm e 140 µm e, para o concreto AR2, entre 20 µm e 100 µm. A classificação sugerida na figura indi-ca que os poros mesocapilares são abundantes na amostra AR-2 e corres-pondem principalmente a poros rela-cionados ao excesso de água de amas-samento. A maior parte das bolhas de ar observadas nos concretos encontra-va-se na faixa correspondente a poros macrocapilares, que equivalem aos vazios provocados pela incorporação intencional de bolhas de ar, podendo

atingir valores superiores a 200 µm. Os poros grossos são considerados resul-tantes da união de bolhas de ar incor-porado e do seu aprisionamento.

Quanto à armadura zincada, como mostra a figura 5b, a análise metalo-gráfica de amostra extraída de concre-to carbonatado mostrou a corrosão do revestimento de zinco e, também, a do substrato (aço carbono). No entanto, em concreto íntegro, a análise do reves-timento mostrou a sua preservação, tendo espessura em torno de 20 µm (valor especificado em projeto).

ConclusãoO presente trabalho alerta para a

possibilidade de corrosão prematura em concreto poroso, em que há concentra-ção de vazios junto à armadura. A intro-dução ao tema mostra que essa corrosão pode ocorrer com e sem a presença de

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Electrochemical Behavior of Mild Steel in Concrete: Influence of pH and Carbonate Content of Concrete Pore Solution. Huet, B. et al. Electrochimica Acta, v.51, 2005.Pore Solution Composition and Chloride Effects on the Corrosion of Steel in Concrete. Yonezawa, T. et al. Corrosion Engineering, 1988.Mechanisms of Corrosion of Steel in Concrete. Verbeck, G.J. American Concrete Institute: SP 49-3. v.4, 1975.Steel/Mortar Interfaces: Microstructural Features and Mode of Failure. Khalaf, M.N.A.; Page, C.L. Cement And Concrete Research, V.9, 1979.Quantitative Analysis of the Microstructure of Interfaces in Steel Reinforced Concrete. Horne, A.T. et al. Cement and Concrete Research, 2007.Investigations of Reinforcement Corrosion. 2. Electrochemical Monitoring of Steel in Chloride-contaminated Concrete. Lambert, P. et al. Materials and Structures, v.24, 1991.Initial Steps of Corrosion in the Steel/Ca(OH)2 + Cl- System: The Role of Heterogeneities on the Steel Surface and Oxygen Supply. González, J. A.; Otero, E.; Feliu, S.; López, W.

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agentes agressivos no concreto, sendo esperada no vazio a restrição da forma-ção de camadas protetoras do aço.

O estudo de caso apresentou um exemplo prático de influência da poro-sidade do concreto no comportamento do aço. Nas estruturas de concreto com ar incorporado, pôde-se verificar a des-passivação do aço tanto em concreto carbonatado como em concreto ínte-gro. O uso de aço já corroído foi um agravante para o processo corrosivo.

O estudo também permitiu obser-var que, em concreto carbonatado, o desempenho do revestimento de zinco, aplicado em baixa espessura, não é adequado como proteção. Con-forme discutido em artigo anterior (Araujo; Panossian, 2011), a normali-zação estrangeira de armadura zinca-da define a espessura mínima do re-vestimento em 85 µm.