Corrosão do reforço de concreto armado: considerações quanto à vida útil do concreto sob efeito da despassivação

ARTIGO DE REVISÃO

MOREIRA, Roemir Peres Machado ^[1], VALE, Jessica de Sousa ^[2]

MOREIRA, Roemir Peres Machado. VALE, Jessica de Sousa. Corrosão do reforço de concreto armado: considerações quanto à vida útil do concreto sob efeito da despassivação. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano. 07, Ed. 10, Vol. 01, pp. 151-160. Outubro de 2022. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/vida-util-do-concreto

RESUMO

A construção civil vem evidenciando um notável desenvolvimento técnico. As estruturas de concreto fomentam uma grande fatia deste desenvolvimento. No Brasil, encontram-se grandes arranha-céus, cujas bases são as estruturas de concreto armado. Diante deste contexto, ao abordar a temática de corrosão do reforço de concreto armado, o presente estudo tem como questão norteadora: Quais são os principais mecanismos de despassivação nas estruturas de concreto armado? O objetivo do artigo é descrever os principais mecanismos de despassivação que acometem estruturas de concreto armado. Para tanto, foi realizado um levantamento bibliográfico descritivo e exploratório dos estudos acerca dos processos que permeiam a despassivação, utilizando artigos científicos, livros e normas regulamentadoras. A partir da pesquisa foi possível compreender os estágios da corrosão nas estruturas de concreto, assim como os modelos utilizados para predição da vida útil de concreto. Conclui-se que existem dois mecanismos de despassivação: por íons de cloreto; e por carbonatação. Foi observado também que para a previsão do tempo de despassivação de uma estrutura de concreto armado podem ser utilizadas a abordagem probabilística e a solução da 2ª Lei de Fick.

Palavras-chave: Concreto armado, Íon de Cloreto, Carbonatação, 2^a Lei de Fick.

1. INTRODUÇÃO

Ao se debruçar acerca da evolução das construções, um material toma bastante notoriedade: o concreto.  Em sua constituição mais básica, confeccionado por uma mistura de cimento e agregados, tal material, no arcabouço das construções é o mais empregado no mundo. Este fato é corroborado em virtude de o concreto possuir elevada resistência, polivalência e baixo custo de manutenção.

Durante a produção do concreto, deve-se ater para a escolha de materiais adequados e que atendam as especificações do projeto. Uma outra premissa a ser averiguada é a compreensão de como esta estrutura de concreto irá interagir com o ambiente (agressivo ou não), bem como a alternância de carga que a infraestrutura será submetida. Tais pontos são relevantes no que tange a futuros reparos ou substituição parcial da estrutura devido à degradação (ARANHA, 1994; SCHIEBL-PECKA, 2018).

De acordo com Melchers (2001), a necessidade de se realizar uma avaliação estrutural conduz a uma segurança futura, assim como prolonga o desempenho da mesma.  Mesmo sendo um material bastante resistente, as estruturas de concreto não estão imunes à ação de agentes agressivos.

Nos últimos anos, a engenharia civil vem debruçando-se na temática de degradação de estruturas de concreto. Por exemplo, o uso de normativas reguladoras como a NBR 6118 (2014), cujos objetivos são de estabelecer limites para as construções de estruturas de concreto, alinhando o desempenho com a vida útil das estruturas. Tais regras abarcam desde os preparativos para o início das operações, o período de uso da estrutura até o momento em que esta deixa de atender sua finalidade (NBR 15575-1, 2021).

Neste sentido, o presente trabalho ao abordar a temática de corrosão do reforço de concreto armado, possui a seguinte questão norteadora: Quais são os principais mecanismos de despassivação nas estruturas de concreto armado? Por meio de levantamento bibliográfico descritivo e exploratório dos estudos acerca dos processos que permeiam a despassivação, utilizando artigos científicos, livros e normas regulamentadoras, buscou-se abordar pontos referentes a corrosão de armaduras de concreto, visto que se trata de um dos fenômenos corriqueiros nas estruturas, e que implicarão no tempo de vida útil. Portanto, o objetivo do artigo é descrever os principais mecanismos de despassivação que acometem estruturas de concreto armado.

2. PROCESSOS DE DEGRADAÇÃO DA ESTRUTURA

Ao longo dos anos, estruturas de concreto armado têm se consolidando como elo base da construção civil moderna. Embora o avanço tecnológico tenha proporcionado aumento da vida útil destes, ainda assim, tal elemento não deixou de ser imune ao processo de degradação. Dentre os processos de degradação, alguns mecanismos de ataque à estrutura se destacam (VORECHOVSKÁ; TEPLÝ; CHROMÁ, 2010):

• Extrapolação de cargas mecânica;
• Corrosão eletroquímica;
• Ataque por íon cloreto;
• Carbonatação;
• Ação de abrasivo, gelo/degelo, fogo.

Dentre os tipos de ataques supracitados, no presente trabalho será abordado os dois principais mecanismos de degradação de estruturas: A despassivação por íon cloreto e a despassivação por dióxido de carbono (carbonatação).

Um dos primeiros trabalhos abordando os mecanismos de corrosão do reforço da armadura foi proposto por Tuutti (1982). Em seus estudos, o processo corrosivo é subdividido em duas etapas: iniciação e propagação. A etapa de iniciação corresponde ao intervalo de tempo que os agentes agressivos levam para penetrar o cobrimento do concreto e atingir a armadura provocando a despassivação. A etapa subsequente, propagação, refere-se ao período da evolução da deterioração. É justamente nesta etapa de propagação que são gerados os subprodutos da corrosão.

No decurso do processo físico-químico da corrosão da armadura, os subprodutos gerados (óxidos e hidróxidos de ferro), preenchem um volume superior comparado ao volume do estado inicial das barras de aço. Tal fenômeno de expansão nas estruturas de concreto pode conduzir à formação de tensões de tração e, consequentemente, gerará fissuras assim como lascamento do cobrimento do material (OTIENO; BEUSHAUSEN; ALEXANDER, 2011).

2.1 DESPASSIVAÇÃO POR ÍON CLORETO

A ideia de se construir estruturas de concreto armado otimizadas vem servindo de alicerce para uma variedade de estudos. Embebida nesta ótica, a questão da vida útil das estruturas e seus processos de degradação, sob a influência de ambientes agressivos, são pontos considerados na otimização. A união de ambiente agressivo com o envelhecimento da estrutura torna-se a receita ideal para o surgimento de corrosões do reforço (KEBLER, 2020).

Segundo Helene (1993), o conjunto constituinte do concreto armado quando submetido a ambientes agressivos, como ambientes cujas taxas de cloretos são elevadas, tendem a padecer em função da corrosão do aço de reforço. Muito embora o concreto proporcione uma proteção moderada ao aço contra a corrosão, através da sua alcalinidade que advém das reações dos íons de hidróxidos com os íons de ferro resultando na formação de uma fina camada de óxido de ferro na superfície do aço, ainda assim, a concentração de íons cloreto no interior da estrutura devido sua penetração por meio dos poros do concreto induz o surgimento de uma corrosão.

Ainda de acordo com o autor anteriormente citado, uma vez concentrados no interior da estrutura, dar-se-ão início às reações anódicas devido a oxidação do ferro e da liberação de elétrons. Em seguida, ocorre a formação da hidroxila de ferro que constituirá os óxidos de ferro. Nessa região anódica ocorre uma diminuição da seção transversal da área, acarretando a fragmentação da cobertura do concreto e, por conseguinte, restringindo a capacidade de carga da estrutura. O processo de corrosão por cloreto é acelerado quando a cobertura do concreto contém fissuras. Em tal cenário, o transporte de cloretos para o interior da estrutura é mais acentuado, bem como o início da corrosão.

A conformação da corrosão nas estruturas de concreto pode ser desmembrada em duas fases (TUUTTI, 1982; OTIENO; BEUSHAUSEN; ALEXANDER, 2011; BECK, 2013):

• Fase inicial – compreende o intervalo a partir da entrada de íons cloretos na estrutura até que seja atingido o limite crítico no reforço;
• Fase de propagação – corresponde ao início da despassivação do aço assim como o princípio da perda de seção transversal.

Durante a ocorrência da fase inicial, a tendência é que a estrutura não apresente sinais visuais do processo de corrosão. Entretanto, os primeiros sinais de fissuras na cobertura do concreto significam que a corrosão está na fase de propagação e as medidas de reparo a serem efetivadas, por consequência, serão mais onerosas (BECK, 2013).

2.2 DESPASSIVAÇÃO POR CARBONATAÇÃO

A camada de cobrimento de uma estrutura de concreto pode diminuir em virtude da atuação do dióxido de carbono [CO₂] presente na atmosfera. Ao penetrar no concreto através de suas redes de poros, o gás carbônico reage com o hidróxido de cálcio [Ca(OH)₂], resultando no fenômeno denominado de Carbonatação. Durante o processo de despassivação por carbonatação a estrutura é conduzida a uma corrosão uniforme ao longo da armadura (ANDRADE, 2001).

A taxa de penetração do dióxido de carbono a partir da superfície de cobertura do concreto até o reforço depende de uma variedade de parâmetros, tais como: espessura de cobertura do concreto, permeabilidade, temperatura do ambiente, unidade. Vorechovská, Teplý, Chromá (2010), ressaltam que tal fenômeno tende a ter maior incidência quando analisado do ponto de vista de grandes cidades. À vista disso, a coleta de dados oriundos da inspeção de corrosão e a condição da corrosão aplicados em uma análise probabilística são ferramentas indispensáveis para o processo de manutenção.

3. ANÁLISE DO SISTEMA

Para que se possa compreender a forma da deterioração no reforço de cobertura, se faz necessário entender os mecanismos de transferência de massa entre os agentes agressivos e a estrutura de concreto. Isto porque a absorção destes agentes agressivos se dá através das cavidades porosas do material, fazendo com que o primeiro ponto de vulnerabilidade à ação desses agentes sejam a permeabilidade do concreto. Neste sentido, com o intuito de descrever os processos de penetração dos agentes agressivos, foram elaborados modelos de predição da vida útil de concreto (ANDRADE, 2001).

3.1 MODELOS PARA PREDIÇÃO DA VIDA ÚTIL DE ESTRUTURAS DE CONCRETO

A vida útil de uma estrutura tem consistido em tema recorrente na construção civil. Por isso, normas quanto a fabricação de uma estrutura de concreto tem sido estabelecida como a NBR 6118 de 2014. Em consonância com tais normas, o uso de modelos representativos dos processos de degradação por agentes agressivos torna-se fundamentais para compreensão da vida útil de uma estrutura. Um dos primeiros modelos matemáticos com o objetivo de tratar a difusão em materiais permeáveis, foi elaborado em meados do século XIX por Fick.  A equação de difusão denominada de Segunda Lei de Fick é retratada como

Onde C é a concentração do soluto, D o coeficiente de difusão, t tempo e x = (x, y, z) a distância. Esta equação diferencial revela como a concentração em um dado ponto varia com o tempo. Coube a Collepardi et al. (1972), a introdução do uso da Segunda Lei de Fick em materiais concretícios, no qual foi modelado a difusão de íons de cloreto para o concreto.

A solução da equação para a Segunda Lei de Fick foi discutida por Liang et al (1999), cuja forma é dada por

Nesta expressão,   corresponde à concentração de cloretos na profundidade a partir da superfície do concreto em um dado tempo (%),  a concentração superficial de cloretos correspondente ao teor de cloretos ao final do primeiro ano de exposição (%),  a função complementar de erro de Gauss, x profundidade, t tempo e D o coeficiente de difusão de cloretos.

3.2 MODELO PROBABILÍSTICO

De acordo com Melchers (2001), o cenário que abrange o desempenho e vida útil de uma estrutura é alicerçado por uma variedade de parâmetros. O motivo desta variedade se dá, pois o arcabouço de uma estrutura de concreto é envolto por fenômenos naturais e processos fortuitos.

Os aspectos destas ocasionalidades devem ser levados em consideração na elaboração de um projeto para que se possa compreender os efeitos de tais processos durante a vida da estrutura. Nesta perspectiva, o uso de softwares baseados em princípios probabilísticos têm sido amplamente empregados na resolução de questões desta magnitude. No contexto da corrosão, o intervalo dado pela iniciação e propagação são considerados como limites razoáveis a serem verificados, uma vez que possibilitam realizar a avaliação dos processos e conduzirem a uma tomada de decisão precisa (TEPLÝ; CHROMÁ; ROVNANÍK, 2010).

De acordo com Vorechovská; Teplý; Chromá (2010), a abordagem probabilística pode ser empregada para avaliar a confiabilidade do design de um projeto. A modelagem da corrosão é regida fortemente pelas condições ambientais, como: umidade, temperatura e oxigênio. Também, leva-se em consideração as características da difusão dos agentes agressivos no concreto.

Ainda de acordo com o autor anteriormente citado, a expressão característica para a probabilidade é fornecida em função da vida útil, denominada de probabilidade de falha. Esta expressão é comparada com uma probabilidade específica do projeto.

De modo que  representa a probabilidade de falha,  a probabilidade do projeto,  o tempo de vida do projeto e  pode ser determinado como a soma de dois prognosticadores de vida útil.

Em que corresponde ao tempo de início da corrosão do reforço e  a vida útil após o início da corrosão. Ressalta-se que a Eq. (3) pode ser moldada de acordo com o tipo de agente agressivo à estrutura de reforço do concreto, assim como da fase de corrosão (fase de iniciação ou fase de propagação).

4. CONCLUSÃO

Neste trabalho foi efetuada uma revisão dos processos de degradação para estrutura de concreto através dos mecanismos de despassivação. A pesquisa direcionou-se a partir da questão norteadora: “Quais são os principais mecanismos de despassivação nas estruturas de concreto armado?”. Os resultados da pesquisa bibliográfica evidenciaram a predominância de dois principais processos de despassivação que acometem estruturas de concreto armado, sendo estes: mecanismo por íon cloreto, em que a corrosão da estrutura do concreto mediante este agente agressivo, perpassam pela fase da absorção dos íons de cloreto e a fase da perda de seção do reforço de cobrimento da estrutura; e o mecanismo de despassivação por carbonatação, onde a estrutura é conduzida a uma corrosão uniforme ao longo da armadura.

Outrossim, para conhecer o comprometimento das estruturas, os modelos de predição da vida útil do concreto foram revisitados. Para a previsão do tempo de despassivação de uma estrutura de concreto armado podem ser utilizadas a abordagem probabilística e a solução da 2ª Lei de Fick.

A importância de se compreender a fenomenologia da corrosão, serve como sustentação para avaliar a extensão da atividade corrosiva e as medidas de reparos a serem empregadas na estrutura a fim de preservar a sua vida útil, sendo uma atividade fundamental para a análise e gerenciamento de obras. Ressalta-se que mais estudos que abordem esta temática sejam realizados a fim de contribuir para desenvolvimento científico e tecnológico da engenharia civil.

REFERÊNCIAS

ANDRADE, J. J. O. Contribuição à previsão da vida útil das estruturas de concreto armado atacadas pela corrosão de armaduras: iniciação por cloretos. 2001. 277 f. Tese (Doutorado) – Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2001. Disponível em: < https://www.lume.ufrgs.br/handle/10183/2613>. Acesso em 22 set. 2021.

ARANHA, P. M. S. Contribuição ao estudo das manifestações patológicas nas estruturas de concreto armado na região amazônica. 1994. 162 f. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 1994. Disponível em:< https://lume.ufrgs.br/handle/10183/189640>. Acesso em 17 out. 2021.

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^[1] Mestre em Física, Graduado em Física. ORCID: 0000-0003-1292-7818.

^[2] Mestre em Saúde e Educação, Graduada em Enfermagem. ORCID: 0000-0003-2470-0119.

Enviado: Abril, 2022.

Aprovado: Outubro, 2022.