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DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO CIVIL
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
FELIPE LIMA DA COSTA
felmcosta@gmail.com
EFEITOS DE AGENTES AGR...
15
FELIPE LIMA DA COSTA
EFEITOS DE AGENTES AGRESSIVOS MARINHOS EM ESTRUTURAS
PORTUÁRIAS DE CONCRETO ARMADO NO BRASIL: ESTU...
FELIPE LIMA DA COSTA
EFEITOS DE AGENTES AGRESSIVOS MARINHOS EM ESTRUTURAS
PORTUÁRIAS DE CONCRETO ARMADO NO BRASIL: ESTUDO ...
Agradecimentos
À família que, desde o princípio de minha vida, sempre deu grande valor aos
estudos e que sempre fez o poss...
Kathleen Guimarães, Rafaella Resende e Wellington Sousa, com os quais fui
próximo desde o começo.
Aos integrantes do Centr...
Resumo
O uso do concreto armado como material para execução de estruturas em obras
civis das mais diversas finalidades est...
ABSTRACT
The use of reinforced concrete as a construction material of structures for civil works
of various purposes is wi...
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Estruturas que compõem o Píer....................................................................
Figura 34 - Embarcação para o transporte de pessoas..........................................................................
Figura 65 - Resultados referentes à ponte de serviço.........................................................................
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Teor limite de cloretos para diversas normas.....................................................
LISTA DE SIGLAS
°C: graus Celsius
ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas
a/c: relação água/cimento
ACI: American C...
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.........................................................................................................
2.4.5 Fatores que influenciam a carbonatação.......................................................................... 40
...
3.1.3 Determinação da espessura carbonatada......................................................................... 74
3....
15
1 INTRODUÇÃO
1.1 Considerações iniciais
O Brasil possui cerca de 8.500 km de orla marítima e aproximadamente 300
municí...
16
temperaturas no ano todo, o que acelera processos químicos em comparação com
lugares mais frios. A variação de maré pod...
17
No terceiro capítulo é apresentada a metodologia com a qual foi realizado o estudo
de caso;
No quarto capítulo são apre...
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2.1.1.2 Sílica
A sílica, SiO2, pode ser encontrada em argilas pozolânicas e também é um material
constituinte de divers...
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C2S = 2CaO.SiO2 = Silicato dicálcico - (16 a 35%)
C3A = 3CaO.Al2O3 = Aluminato tricálcico - (6 a 13%)
C4AF = 4CaO.Al2O3...
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• Fissuras em forma de mapa;
• Depósito de gel esbranquiçado nos poros do concreto;
• Entorno das bordas dos grãos de a...
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Figura 4a - Reação álcali-sílica em um bloco de pilar
GGG
FONTE: (U.S. Department of transportation,
2011)
Figura 4b - ...
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continuidade até que a dolomita tenha reagido por completo ou a fonte de
álcalis se esgote. (NBR 15577-1, 2008, p. 2)
2...
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O tamanho das partículas de sílica também tem influência sobre a velocidade de
reação, que quando muito pequenas acabam...
24
2.2.2 Análise da reação álcali-agregado
Existem diversos métodos na literatura que procuram caracterizar um agregado
qu...
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°C por um período de 14 dias. Se o resultado obtido nesse ensaio indicar expansão
menor que 0,19% aos 30 dias, o agrega...
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Nas zonas de respingos de estruturas localizadas em ambiente marinho, ocorrem
ciclos alternados de umidificação e secag...
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Figura 5 - Aparência superficial da corrosão generalizada desencadeada pela carbonatação do concreto (a) e
da corrosão ...
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Na Figura 7 Ribeiro e Cunha (2014) descrevem os efeitos da concentração de
cloretos no caso do ferro em água saturada d...
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Tabela 1 - Teor limite de cloretos para diversas normas
FONTE: Figueiredo E. P. (2011)
Mesmo não estabelecendo teores m...
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2.3.4 Fatores influentes na velocidade de propagação e penetração dos íons
de cloreto
Alguns dos fatores que influencia...
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O cimento com adições é um cimento cuja formulação foi incrementada com
materiais pozolânicos, em geral metacaulim e sí...
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Na Figura 8 Jaegermann (1990) ilustra os efeitos da relação a/c na penetração de
cloretos.
Figura 8 - Efeitos da relaçã...
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Figura 9 - Efeito da cura e da relação água/cimento na profundidade de alcance dos cloretos
FONTE: Jaegermann (1990)
2....
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Tabela 5 - Relação entre a abertura máxima das fissuras e a classe ambiental
FONTE: NBR 6118 (2014, p. 80)
2.3.4.4 Carb...
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2.3.4.5 Temperatura e umidade
De acordo com Figueiredo (2011),
O aumento da temperatura estimula a mobilidade das moléc...
36
Figura 11 - Influência da deposição de partículas de sódio nas superfícies de ferro. (1) UR 58%; (2) UR 70%; (3)
UR 80%...
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2.4.1 Fenômeno da carbonatação
Com relação às concentrações necessárias para a ocorrência da carbonatação,
Neville cita...
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Como o CaCO3 produzido possui um volume cerca de 11% maior do que o do
CA(OH)2, o qual substitui, a porosidade do concr...
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uma velocidade decrescente, uma vez que, à medida que vai penetrando, sua
velocidade de propagação vai se reduzindo.
Qu...
40
Devido à presença do agregado graúdo, a frente de carbonatação não avança como
uma linha reta. A presença de fissuras p...
41
Figura 13 - Fatores intervenientes na carbonatação do concreto
FONTE: Cascudo & Carasek (2011, p. 856)
É comum que se d...
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Tabela 6 - Concentraçao volumétrica de CO2 no ar em relação a alguns tipos de ambiente
Concentração de CO2 no ar (em vo...
43
Figura 15 - Grau de carbonatação em função da umidade
FONTE: Rosenberg, Hansson, & Andrade (1989)
2.4.5.2 Relação água/...
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Figura 16 - Influência da relação a/c e da condição de cura na profundidade carbonatada do concreto
FONTE: Pina (2009)
...
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Além disso, teores exagerados de cimento podem potencializar a retração do
concreto, podendo ocasionar o aumento da for...
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consequentemente diminuem a difusão do CO2 no concreto, e também de outros
agentes agressivos.
Todavia, os materiais po...
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entre 8,3 e 10 tornando-se incolor, indicando que houve uma perda da basicidade
no local. Nos lugares onde o concreto p...
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É necessário, no entanto, ter cuidado ao diagnosticar a causa da perda da
basicidade, pois esta não necessariamente pod...
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Figura 21 - Aferição da profundidade da carbonatação por meio de testemunhos extraídos em campo
FONTE: VERIFICA DELLA C...
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concreto aos sulfatos e à umidade. (Skalny, Marchand, & Odler, 2002, p. 43,
tradução do autor).
De acordo com ACI 201 (...
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Figura 23 - Pequenas agulhas de gipsita
FONTE: Vogado, Costa, Lutze, & Gong (2015)
No trabalho de Vogado, Costa, Lutze ...
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Já com relação às fontes externas, estas podem ser provenientes da água
subterrânea, do solo, de resíduos industriais, ...
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dano no concreto. Como exemplo: sua concentração, solubilidade, difusibilidade no
concreto e também fatores ambientais....
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3CaO∙2SiO2 (aq) + 3MgSO4∙7H2O → 3CaSo4∙2H2O (gipsita) + 3Mg(OH)2 + 2SiO2
(aq) + xH2O (15)
O sulfato de magnésio apresen...
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Tipo de cimento
Primeiramente, é necessário ressaltar que a escolha do tipo de cimento não é
suficiente, por si só, par...
Efeitos de agentes agressivos marinhos em estruturas portuárias de concreto armado no brasil estudo de caso
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Efeitos de agentes agressivos marinhos em estruturas portuárias de concreto armado no brasil estudo de caso

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Trabalho de conclusão de curso, Felipe Lima da costa

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Efeitos de agentes agressivos marinhos em estruturas portuárias de concreto armado no brasil estudo de caso

  1. 1. DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO CIVIL CURSO DE ENGENHARIA CIVIL FELIPE LIMA DA COSTA felmcosta@gmail.com EFEITOS DE AGENTES AGRESSIVOS MARINHOS EM ESTRUTURAS PORTUÁRIAS DE CONCRETO ARMADO NO BRASIL: ESTUDO DE CASO São Luís 2016
  2. 2. 15 FELIPE LIMA DA COSTA EFEITOS DE AGENTES AGRESSIVOS MARINHOS EM ESTRUTURAS PORTUÁRIAS DE CONCRETO ARMADO NO BRASIL: ESTUDO DE CASO Monografia apresentada ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Dr. Rodrigo de Azevedo Neves Coorientadora: Profª. Drª. Ariela da Silva Torres São Luís 2016
  3. 3. FELIPE LIMA DA COSTA EFEITOS DE AGENTES AGRESSIVOS MARINHOS EM ESTRUTURAS PORTUÁRIAS DE CONCRETO ARMADO NO BRASIL: ESTUDO DE CASO Monografia apresentada ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil. Aprovada em: / / BANCA EXAMINADORA _______________________________________ Prof. Dr. Rodrigo de Azevedo Neves (Orientador) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão _______________________________________ Prof. Dr. Antonio Jorge Parga da Silva (Examinador) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão _______________________________________ Prof. Dr. Conceição de Maria Pinheiro Correia (Examinadora) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão
  4. 4. Agradecimentos À família que, desde o princípio de minha vida, sempre deu grande valor aos estudos e que sempre fez o possível para que eu pudesse alcançar meus objetivos. Aos colegas da Vale, em especial Jerffson Santos pela sugestão da temática para estudo de caso. A Fabio Aguiar pela ajuda na coleta das informações. A Luis Exner, Wesley Cruz, Flavio Barrionuevo e Alberto Martins pelas orientações e propostas no decorrer do trabalho. A Andre Andrade e Camila Quero, pela aprovação da publicação do trabalho e também pelo saudável incentivo à pesquisa implantado na supervisão de engenharia e planejamento de projetoscorrentes da EFC. Aos professores do IFMA, em especial ao meu orientador Rodrigo Neves. Este que sempre apresentou valiosos ensinamentos no decorrer do trabalho e durante as aulas no curso de graduação. Também aos professores Parga, Conceição, Aluísio Muchacho e Fábio Sales, que tanto incentivam a pesquisa no Departamento de Construção Civil. Ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão, pelos conhecimentos adquiridos para a vida e na jornada profissional. À professora Ariela Torres que, de pronto, aceitou a coorientação do trabalho e também pelas valiosas orientações e contatos fornecidos. Ao professor Vito Alencar que, por diversas vezes, ajudou a conseguir realizar nossos projetos de pesquisa, sempre com muita boa vontade e disposição. Ao programa Ciência Sem Fronteiras, pela visão de mundo que me foi fornecida e, principalmente, por me fazer perceber que a qualidade do aluno não depende de suas origens. To Dr Lutze, Dr Gong and Dr Xu, who oriented me during my summer internship in The Catholic University of America and influenced me to continue conducting researches and also to apply for the master’s degree. À Duilia de Mello, pela ajuda e incentivo durante o programa Ciência sem Fronteiras e cujas ideias me fizeram sonhar mais alto. Aos meus colegas de turma, por termos superados as dificuldades juntos e com isso termos aprendido princípios para toda a vida. Em especial João Pedro,
  5. 5. Kathleen Guimarães, Rafaella Resende e Wellington Sousa, com os quais fui próximo desde o começo. Aos integrantes do Centro Acadêmico, pelas importantes lições aprendidas e pela oportunidade de, juntos, melhorarmos e deixarmos um legado no Departamento de Construção Civil do IFMA. À Monique Wesz que, além do carinho incondicional, sempre me apoiou e me ajudou, do início ao término do trabalho.
  6. 6. Resumo O uso do concreto armado como material para execução de estruturas em obras civis das mais diversas finalidades está amplamente consolidado no mundo inteiro já há algumas décadas. Mesmo sendo um material ainda pouco conhecido no início do século XX, as incontáveis vantagens e facilidades da associação entre concreto endurecido e aço fizeram com que as suas aplicações se alastrassem pelo mundo de forma exponencial. Porém, mesmo com a enorme quantidade de vantagens, dentre algumas desvantagens do material está a suscetibilidade de alteração de suas propriedades físicas e mecânicas em virtude da presença de certas substâncias químicas. A essas alterações chamamos de Patologias Estruturais. Patologia mais conhecida, a corrosão do aço não ocorre na maior parte dos casos em estruturas comuns porque a elevada alcalinidade do cimento presente na mistura forma uma película de óxido estável (passivação) e impede a sua progressão. Porém, em casos específicos, as possíveis patologias do material causam problemas que podem trazer consequências catastróficas para as estruturas. Problemas de execução, especificações inadequadas e presença de agentes agressivos são os principais fatores intervenientes nesse processo que aumentam a vulnerabilidade do material. Nesse sentido, ressalta-se que a atmosfera marinha se caracteriza como um dos ambientes mais agressivos às estruturas de concreto armado, pois os sais presentes na água do mar se depositam em forma de pequenas gotas de água e umidade nas construções próximas. Dessa maneira, com o intuito de estudar um dos piores ambientes para o concreto armado, as estruturas situadas em ambiente marinho são o objeto deste trabalho, pois inúmeras patologias estruturais acontecem nesse ambiente. Dentro desse cenário, foi realizado o estudo de caso de um Píer localizado no Nordeste Brasileiro, construído na década de 80. O estudo mostra a identificação das patologias em locais específicos do píer e uma avaliação de suas consequências, usando como base os resultados de inspeções e ensaios específicos (descritos no texto) para identificação e tratamento dos fenômenos patológicos, realizados por empresa reconhecida a nível nacional. Como resultados são apresentadas recomendações técnicas sobre a manutenção preventiva, avaliação sobre o estado global do píer e a criticidade das patologias encontradas. Palavras-chave: Patologia do concreto, Píer, Porto.
  7. 7. ABSTRACT The use of reinforced concrete as a construction material of structures for civil works of various purposes is widely consolidated worldwide for some decades now. Even as a little known material in the early twentieth century, the countless advantages and the easiness association between hardened concrete and steel have made their applications spread around the world exponentially. Yet, even with the huge amount of advantages, among some disadvantages of the material is the susceptibility to change their physical properties and mechanical properties due to the presence of certain chemicals. To these changes we call structural pathologies. The most known pathology, steel corrosion does not occur in most cases in common structures because the high alkalinity of the cement present in the mixture forms a stable oxide film (passivation) and prevents its progression. However, in specific cases, possible pathologies of the material cause problems that can bring catastrophic consequences for the structures. Problems during the execution, inadequate specifications and the presence of aggressive agents are the main factors involved in the process that increase the vulnerability of the material. In this sense, it should be emphasized that the marine environment is characterized as one of the harshest environments on reinforced concrete structures, since the salts present in seawater are deposited in the form of small droplets of water and moisture in nearby buildings. Thus, in order to study one of the worst environments for reinforced concrete, the structures situated in the marine environment are the subject of this work, as numerous structural pathologies end up going in that environment. In this scenario, we performed a case study of a pier located in Northeast Brazil, built in the 80’s. The study shows the identification of pathologies in specific pier locations and an assessment of its consequences, using as a basis the results of inspections and specific tests (described in the text) for identification and treatment of pathological phenomena, performed by a company nationally recognized. As results, technical recommendations on preventive maintenance, assessment of the overall state of the pier and the criticality of the conditions found are presented. Keywords: Concrete Pathology, Pier, Port.
  8. 8. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Estruturas que compõem o Píer............................................................................................ 15 Figura 2 - Aspecto de detalhe do concreto – Dolfim 3 no qual se observa o gel da reação desenvolvendo-se na borda do agregado graúdo. Microscópio de luz transmitida - ampliação 50x. . 20 Figura 3 - Fissuras, em formato de mapa, decorrentes da RAA em uma fundação.............................. 20 Figura 4a - Reação álcali-sílica em um bloco de pilar GGG ................................................................... 21 Figura 4b - Reação álcali-sílica em um piso de concreto .....................................................................21 Figura 5 - Aparência superficial da corrosão generalizada desencadeada pela carbonatação do concreto (a) e da corrosão puntiforme desencadeada pela ação dos íons cloreto (b) ........................ 27 Figura 6 - Processo de rompimento da película passivadora................................................................ 27 Figura 7 - Efeitos da concentração de cloreto de sódio na taxa de corrosão....................................... 28 Figura 8 - Efeitos da relação água/cimento na penetração de cloretos ............................................... 32 Figura 9 - Efeito da cura e da relação água/cimento na profundidade de alcance dos cloretos.......... 33 Figura 10 - Efeito da temperatura no ingresso de cloretos em concretos de cimento Portland comum (a) e resistente a sulfatos (b)................................................................................................................. 35 Figura 11 - Influência da deposição de partículas de sódio nas superfícies de ferro. (1) UR 58%; (2) UR 70%; (3) UR 80%; (4) UR 89%; (5) UR 94%; (6) UR 97%......................................................................... 36 Figura 12 - Gradiente de pH na frente de carbonatação ...................................................................... 39 Figura 13 - Fatores intervenientes na carbonatação do concreto........................................................ 41 Figura 14 - Representação esquemática de um processo efetivo de carbonatação do concreto, estando os poros parcialmente preenchidos com água (concreto com U.R. normal do ambiente).... 42 Figura 15 - Grau de carbonatação em função da umidade................................................................... 43 Figura 16 - Influência da relação a/c e da condição de cura na profundidade carbonatada do concreto ............................................................................................................................................................... 44 Figura 17 - Relação entre o teor de cimento e a profundidade carbonatada ...................................... 45 Figura 18 - Influência do teor de adições e da cura úmida na permeabilidade do concreto ............... 46 Figura 19 - Ilustração do efeito da fenolftaleína................................................................................... 47 Figura 20 - Ilustração do efeito da fenolftaleína com relação à frente de carbonatação..................... 47 Figura 21 - Aferição da profundidade da carbonatação por meio de testemunhos extraídos em campo ............................................................................................................................................................... 49 Figura 22 - Aglomerações de agulhas de etringita................................................................................ 50 Figura 23 - Pequenas agulhas de gipsita ............................................................................................... 51 Figura 24a - Deterioração visível de placas de concreto expostas aos sulfatos Na- e Mg- presentes nas águas subterrâneas............................................................................................................................... 51 Figura 24b - Meio-fio deteriorado devido ataque de sulfatos.............................................................. 56 Figura 25 - Lixiviação ocorrendo na ponte de acesso ........................................................................... 60 Figura 26 - Formação do ânodo e cátodo na armadura........................................................................ 61 Figura 27 - Áreas anódicas e catódicas de uma armadura em processo de corrosão.......................... 62 Figura 28 - Fases da instalação do processo de corrosão em uma barra de armadura........................ 62 Figura 29 - Corrosão por contato de diferentes metais........................................................................ 65 Figura 30 - Formação da macropilha..................................................................................................... 66 Figura 31 - Zonas de corrosão............................................................................................................... 67 Figura 32 - Nível de degradação relacionado a cada uma das zonas de corrosão................................ 68 Figura 33 - Exemplo da atuação das zonas de corrosão nas camisas metálicas das estacas do Dolfim 1 ............................................................................................................................................................... 70
  9. 9. Figura 34 - Embarcação para o transporte de pessoas......................................................................... 71 Figura 35 - Exemplo de mapeamento das estruturas do píer - desgaste superficial da estaca do píer dos rebocadores.................................................................................................................................... 71 Figura 36 - Exemplo de mapeamento das estruturas do píer - Corrosão por placas em camisa metálica da Casa de Transferência do Pivot ......................................................................................... 72 Figura 37 - Extração do pó de concreto através de furadeira elétrica e dispositivo de captação........ 73 Figura 38 - Identificação do ponto de extração do pó para análise do teor de cloretos em laboratório. ............................................................................................................................................................... 73 Figura 39 - Medição da espessura de carbonatação, após a aspersão da solução de fenolftaleína. ... 75 Figura 40 - Medição da espessura de carbonatação, após a aspersão da solução de fenolftaleína. ... 75 Figura 41 - Extração do pó de concreto através de furadeira elétrica e dispositivo de captação........ 76 Figura 42 - Preparo do substrato através de lixamento para execução do ensaio............................... 76 Figura 43 - Marcação das malhas para realização do ensaio para a determinação do cobrimento. ... 76 Figura 44 - Execução do ensaio com o pacômetro digital..................................................................... 77 Figura 45 - Ensaio de potencial de corrosão no piso superior do Dolfim 03 ........................................ 78 Figura 46 - Ensaio do potencial de corrosão no piso superior do dolfim 2........................................... 78 Figura 47 - Execução de ensaio de resistividade elétrica superficial do concreto, no piso superior do dolfim 03. .............................................................................................................................................. 79 Figura 48 - Estalactites formadas devido ao acúmulo de hidróxido de cálcio no dolfim 1................... 80 Figura 49 - Lixiviação do concreto devido a percolação de água no interior da estrutura da viga do carregador............................................................................................................................................. 81 Figura 50 - Peça de concreto disgregada da estrutura do dolfim 2, onde pode ser observado o contorno nos agregados graúdos que dão indícios de reação álcali–agregado................................... 81 Figura 51 - Estaca de concreto do píer dos rebocadores que sofreu abrasão devido ao contato com os detritos da maré.................................................................................................................................... 82 Figura 52 - Detalhe da figura anterior................................................................................................... 82 Figura 53 - Desplacamento do concreto devido à expansão da armadura no dolfim 3 ...................... 83 Figura 54 - Desplacamento do concreto devido à expansão da armadura na estaca da plataforma de serviços.................................................................................................................................................. 83 Figura 55 - Estado avançado de corrosão das camisas metálicas e das escadas de acesso no dolfim 10 ............................................................................................................................................................... 84 Figura 56 - Comparação entre a parte corroída e não corroída da camisa metálica de uma estaca da plataforma de serviços.......................................................................................................................... 85 Figura 57 - Visão geral da amostra de concreto.................................................................................... 87 Figura 58 - Aspecto de detalhe da amostra do dolfim 3 no qual se observa uma borda de reação ao redor do agregado graúdo (G) associada a deposição de material branco na superfície de quebra. Microscópio Estereoscópico - ampliação 12x....................................................................................... 88 Figura 59 - Detalhe de um poro na argamassa contendo o gel expansivo resultantes da reação álcali agregado - Microscópio Eletrônico de Varredura – 1500x. .................................................................. 90 Figura 60 - Aspecto de detalhe da interface pasta com o agregado graúdo na qual se observam cristais lancetados resultantes da reação álcali agregado - Microscópio Eletrônico de Varredura – 1500x..................................................................................................................................................... 90 Figura 61 - Resultados referentes ao dolfim 01.................................................................................... 91 Figura 62 - Resultados referentes ao dolfim 02.................................................................................... 92 Figura 63 - Resultados referentes ao dolfim 03.................................................................................... 92 Figura 64 - Resultados referentes ao píer dos rebocadores................................................................. 93
  10. 10. Figura 65 - Resultados referentes à ponte de serviço........................................................................... 93 Figura 66 - Teor de sulfatos na ponte de serviço.................................................................................. 96 Figura 67 - Resultados referentes ao dolfim 1...................................................................................... 98 Figura 68 - Resultados referentes ao dolfim 2...................................................................................... 98 Figura 69 - Resultados referentes ao dolfim 3...................................................................................... 99 Figura 70 - Resultados referentes à Ponte de Serviço .......................................................................... 99 Figura 71 - Avaliação da velocidade de corrosão no pontos estudados............................................. 100
  11. 11. LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Teor limite de cloretos para diversas normas...................................................................... 29 Tabela 2 - Fatores que influenciam o limite crítico de cloretos............................................................ 29 Tabela 3 - Quantidade de cloretos em relação a diversos teores de C3A............................................. 30 Tabela 4 - Coeficiente de difusão de cloretos....................................................................................... 31 Tabela 5 - Relação entre a abertura máxima das fissuras e a classe ambiental................................... 34 Tabela 6 - Concentraçao volumétrica de CO2 no ar em relação a alguns tipos de ambiente.............. 42 Tabela 7 - Principais indicadores de pH utilizados para avaliação da carbonatação no concreto........ 48 Tabela 8 - Requisitos para concreto exposto a soluções contendo sulfatos ........................................ 56 Tabela 9 - Categorias e classes de exposição........................................................................................ 57 Tabela 10 - Requerimento do concreto por classe de exposição ......................................................... 57 Tabela 11 - Correspondência entre a classe de agressividade e a qualidade do concreto................... 64 Tabela 12 - Limites de íons de cloreto no concreto endurecido........................................................... 74 Tabela 13 - Critérios de avaliação ......................................................................................................... 78 Tabela 14 - Critério de avaliação da resistividade do concreto. ........................................................... 79 Tabela 15 - Características gerais dos concretos .................................................................................. 86 Tabela 16 - Características gerais do agregado graúdo ........................................................................ 88 Tabela 17 - Síntese das características petrográficas dos agregados graúdos ..................................... 89 Tabela 18 - Síntese das características do agregado miúdo ................................................................. 89 Tabela 19 - Profundidade de carbonatação - Ponte de serviço............................................................ 94 Tabela 20 - Profundidade de carbonatação - Dolfins de atracação...................................................... 95 Tabela 21 - Cobrimento das barras na ponte de serviço ...................................................................... 97 Tabela 22 - Cobrimento das barras nos dolfins de amarração ............................................................. 97 Tabela 23 - Resultados referentes ao dolfim 01 ................................................................................ 110 Tabela 24 - Resultados referentes ao dolfim 02 ................................................................................ 110 Tabela 25 - Resultados referentes ao dolfim 03 ................................................................................ 110 Tabela 26 - Resultados referentes ao píer dos rebocadores .............................................................. 110 Tabela 27 - Resultados referentes à ponte de serviço........................................................................ 111 Tabela 28 - Teor de sulfatos na ponte de serviço ............................................................................... 111 Tabela 29 - Potencial elétrico de corrosão da face superior do dolfim 1 .......................................... 111 Tabela 30 - Potencial elétrico de corrosão da face sudeste do dolfim 1 ........................................... 112 Tabela 31 - Potencial elétrico de corrosão da piso superior do dolfim 2 .......................................... 112 Tabela 32 - Potencial elétrico de corrosão da piso superior do dolfim 3 ........................................... 113 Tabela 33 - Potencial elétrico de corrosão do bloco da ponte de serviço.......................................... 113 Tabela 34 - Potencial elétrico de corrosão da viga longarina da ponte de serviço............................. 114 Tabela 35 - Potencial elétrico de corrosão da viga longarina da ponte de serviço............................. 114 Tabela 36 - Resistividade elétrica dos pontos estudados entre dos dolfins 1,2 e 3. .......................... 115
  12. 12. LISTA DE SIGLAS °C: graus Celsius ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas a/c: relação água/cimento ACI: American Concrete Institute ASTM: American Society for Testing and Materials C3A: aluminato tricálcico CaCO3: carbonato de cálcio Ca(OH)2: Hidróxido de cálcio C-S-H: Silicato de cálcio hidratado Fe2O3: Óxido de ferro MPa: Mega Pascal NBR: Norma Brasileira Regulamentada pH: potencial de hidrogênio RAA: Reação álcali-agregado
  13. 13. SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO............................................................................................................................ 15 1.1 Considerações iniciais ........................................................................................................... 15 1.2 Objetivos ............................................................................................................................... 16 1.2.1 Objetivo geral.................................................................................................................... 16 1.2.2 Objetivo específico............................................................................................................ 16 1.3 Estrutura do trabalho............................................................................................................ 16 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................................................... 17 2.1 Endurecimento do concreto ................................................................................................. 17 2.1.1 Componentes do cimento................................................................................................. 17 2.1.1.1 Cal...................................................................................................................................... 17 2.1.1.2 Sílica................................................................................................................................... 18 2.1.1.3 Alumina ............................................................................................................................. 18 2.1.1.4 Óxido de ferro ................................................................................................................... 18 2.1.2 Endurecimento do cimento............................................................................................... 18 2.2 Reação álcali-agregado ......................................................................................................... 19 2.2.1 Processo álcali-agregado................................................................................................... 22 2.2.2 Análise da reação álcali-agregado..................................................................................... 24 2.3 Ação dos íons de cloreto....................................................................................................... 25 2.3.1 Fontes de íons de cloreto.................................................................................................. 25 2.3.2 Rompimento da película passivadora e aceleração do processo corrosivo ..................... 26 2.3.3 Limite crítico de cloretos................................................................................................... 28 2.3.4 Fatores influentes na velocidade de propagação e penetração dos íons de cloreto ....... 30 2.3.4.1 Tipo de cimento e adições................................................................................................. 30 2.3.4.2 Fator Água/cimento, adensamento e cura ....................................................................... 31 2.3.4.3 Fissuras.............................................................................................................................. 33 2.3.4.4 Carbonatação .................................................................................................................... 34 2.3.4.5 Temperatura e umidade.................................................................................................... 35 2.4 Carbonatação ........................................................................................................................ 36 2.4.1 Fenômeno da carbonatação ............................................................................................. 37 2.4.2 Efeitos da carbonatação.................................................................................................... 37 2.4.3 Difusão de CO2 .................................................................................................................. 38 2.4.4 Frente de carbonatação .................................................................................................... 39
  14. 14. 2.4.5 Fatores que influenciam a carbonatação.......................................................................... 40 2.4.5.1 Teor de CO2,temperatura e umidade relativa .................................................................. 41 2.4.5.2 Relação água/cimento e cura............................................................................................ 43 2.4.5.3 Consumo de cimento ........................................................................................................ 44 2.4.5.4 Adições no cimento........................................................................................................... 45 2.4.6 Análise da carbonatação ................................................................................................... 46 2.5 Ataque de sulfatos ................................................................................................................ 49 2.5.1 Fontes de sulfatos ............................................................................................................. 51 2.5.1.1 Fontes internas.................................................................................................................. 52 2.5.1.2 Fontes externas................................................................................................................. 52 2.5.2 Tipos de ataques de sulfatos............................................................................................. 53 2.5.2.1 Formação de etringita....................................................................................................... 53 2.5.2.2 Formação de gipsita .......................................................................................................... 53 2.5.2.3 Formação de etringita tardia............................................................................................. 54 2.5.3 Fatores que influenciam o ataque de sulfatos.................................................................. 54 2.5.3.1 Tipo de cimento................................................................................................................. 55 2.5.3.2 Escolha dos materiais........................................................................................................ 56 2.5.3.3 Concentração de sulfatos.................................................................................................. 56 2.5.3.4 Difusibilidade dos sulfatos no concreto............................................................................ 58 2.5.3.5 Ciclos de molhagem e secagem ........................................................................................ 58 2.5.3.6 Carbonatação .................................................................................................................... 59 2.6 Lixiviação ............................................................................................................................... 59 2.7 Corrosão na armadura .......................................................................................................... 60 2.7.1 Condição de formação do meio eletrolítico no concreto ................................................. 64 2.7.1.1 Presença de eletrólitos...................................................................................................... 64 2.7.1.2 Aeração diferencial ........................................................................................................... 65 2.7.1.3 Contato entre diferentes metais....................................................................................... 65 2.7.1.4 Diferenças de deformações ou tensões............................................................................ 65 2.7.1.5 Correntes elétricas ............................................................................................................ 66 2.7.1.6 Macropilha ........................................................................................................................ 66 2.7.2 Zonas de corrosão............................................................................................................. 67 3 METODOLOGIA......................................................................................................................... 70 3.1 Estudo de caso ...................................................................................................................... 70 3.1.1 Análise petrográfica - Reação álcali-agregado (RAA)........................................................ 72 3.1.2 Determinação do teor de cloretos.................................................................................... 73
  15. 15. 3.1.3 Determinação da espessura carbonatada......................................................................... 74 3.1.4 Determinação do teor de sulfatos .................................................................................... 75 3.1.5 Determinação do cobrimento com pacômetro ................................................................ 76 3.1.6 Determinação do potencial de corrosão das armaduras.................................................. 77 3.1.7 Determinação da resistividade elétrica superficial do concreto....................................... 78 3.2 Análise dos dados e dos resultados ...................................................................................... 79 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES............................................................................................. 79 4.1 Levantamento das manifestações patológicas ..................................................................... 80 4.2 Ensaios realizados: ................................................................................................................ 85 4.2.1 Análise petrográfica - Reação álcali-agregado.................................................................. 85 4.2.2 Determinação do teor de cloretos.................................................................................... 91 4.2.3 Determinação da espessura carbonatada......................................................................... 94 4.2.4 Determinação do teor de sulfatos .................................................................................... 95 4.2.5 Determinação do cobrimento com pacômetro ................................................................ 96 4.2.6 Determinação do potencial de corrosão das armaduras.................................................. 97 4.2.7 Determinação da resistividade elétrica superficial do concreto....................................... 99 5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.................................. 100 6 REFERÊNCIAS ........................................................................................................................ 103 APÊNDICE A – Dados dos testes realizados..................................................................................... 109 APÊNDICE B – Estruturas que compõem o píer .............................................................................. 116
  16. 16. 15 1 INTRODUÇÃO 1.1 Considerações iniciais O Brasil possui cerca de 8.500 km de orla marítima e aproximadamente 300 municípios litorâneos que perfazem, segundo o último censo, uma população em torno de 32 milhões de habitantes (Ministério do Meio Ambiente, 2006). Nesta orla, estão situados diversos portos e terminais, que escoam a produção para o exterior e, assim, interferem na economia do País. O píer estudado foi construído na década de 80, sua estrutura foi executada conforme as normas vigentes na época, que já estabeleciam um tempo de vida útil mínimo de 50 anos. Todavia, após 30 anos de uso, é natural a necessidade de manutenção em certas partes da estrutura. Posto isso, foi executado um levantamento de seu estado físico. A Figura 1 apresenta a localização das estruturas que compõem o Píer, no apêndice B é possível encontrar uma versão ampliada da Figura 1. Figura 1 - Estruturas que compõem o Píer FONTE: Empresa operadora (2015) A zona portuária é considerada um dos ambientes mais severos para a estrutura de concreto armado, pois possui um alto teor de cloretos e sulfatos. Além disso, os ciclos de secagem e molhagem propiciam uma maior impregnação dos agentes agressivos nas estruturas expostas, a zona de respingos potencializa o fenômeno da corrosão e a presença de navios movidos a diesel fornece o ambiente necessário para que ocorra a carbonatação. O local onde o píer está localizado também apresenta características únicas que potencializam os efeitos agressivos de um ambiente marinho. A região possui altas
  17. 17. 16 temperaturas no ano todo, o que acelera processos químicos em comparação com lugares mais frios. A variação de maré pode chegar a 8 m (DIRETORIA DE HIDROGRAFIA E NAVEGAÇÃO, 2015), dependendo da época do ano, o que ocasiona uma maior zona de variação de maré e, consequentemente, o aumento da superfície da estrutura afetada. A grande variação da altura da água resulta em uma elevada vazão e, como consequência, a velocidade da água sob o píer é bastante alta. Este fenômeno, aliado à grande quantidade de detritos provenientes dos rios que desembocam nas proximidades, resulta em um ambiente que favorece a abrasão das estruturas expostas à água do mar. Também devido à alta vazão de água, ocorre uma movimentação do solo argiloso que se encontra no fundo do mar, fazendo com que aumente a turbidez da água, o que praticamente impossibilita a realização de inspeções subaquáticas. A partir destes conceitos, este trabalho propõe uma análise do levantamento das manifestações patológicas no píer estudado. 1.2 Objetivos Os objetivos deste trabalho estão listados a seguir: 1.2.1 Objetivo geral Esta monografia teve como objetivo realizar um estudo no que se refere aos fenômenos patológicos do concreto em um ambiente marinho. 1.2.2 Objetivo específico A partir de um levantamento sobre as manifestações patológicas no píer, analisar os resultados dos ensaios realizados e avaliar as possíveis causas e formas de prevenção. 1.3 Estrutura do trabalho O presente trabalho foi estruturado em cinco capítulos, descritos a seguir: O segundo capítulo contém a revisão bibliográfica sobre as diferentes manifestações patológicas existentes em um ambiente marinho;
  18. 18. 17 No terceiro capítulo é apresentada a metodologia com a qual foi realizado o estudo de caso; No quarto capítulo são apresentados os resultados e discussões, onde são listadas as diferentes patologias encontradas e os dados dos testes realizados; No quinto capítulo são apresentadas as conclusões provenientes do estudo, juntamente com a análise e discussão das mesmas. 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capítulo serão descritas as possíveis manifestações patológicas em estruturas de concreto armado expostas a um ambiente marinho. São elas: corrosão de armaduras, reação álcali-agregado, ação dos íons de cloreto, carbonatação e ataque de sulfatos. 2.1 Endurecimento do concreto Este tópico se dedica a esclarecer o processo de endurecimento do concreto à base de cimento Portland, a começar pela descrição dos componentes deste e posteriormente a explanação de sua composição e processo de endurecimento. 2.1.1 Componentes do cimento Tendo em vista as propriedades do concreto após o endurecimento, é necessário entender de quais materiais o mesmo é composto e quais são as reações responsáveis pelo seu enrijecimento. A seguir serão descritas as origens e a importância dos componentes usuais do cimento Portland. 2.1.1.1 Cal O calcário, depois de extraído, selecionado e moído, é submetido a elevadas temperaturas em fornos industriais num processo conhecido como calcinação, que dá origem ao CaO, óxido de cálcio, o qual é mais conhecido como a cal, e CO2, gás carbônico.
  19. 19. 18 2.1.1.2 Sílica A sílica, SiO2, pode ser encontrada em argilas pozolânicas e também é um material constituinte de diversas rochas naturais. Sua elevada finura Braile, de no mínimo 6000 cm²/g garantem sua reatividade a frio, no caso da sua forma ativa, não cristalizada. Durante o processo de fabricação do cimento a sílica reage com a cal formando os silicatos de cálcio, que com a presença da água, conferem o efeito aglomerante ao concreto. (Fusco, 2012, p. 28) 2.1.1.3 Alumina A alumina, Al2O3, é proveniente das argilas das quais são estraídas a sílica, ela reage com a cal formando os aluminatos de cálcio, os quais ao serem hidratados também resultam no endurecimento do cimento. Os aluminatos de cálcio endurecem mais rapidamente e, por isso, influenciam no tempo de pega. Portanto, a quantidade de alumina deve ser controlada conforme o emprego do cimento. (Fusco, 2012, p. 29) 2.1.1.4 Óxido de ferro O óxido de ferro, Fe2O3 também é encontrado nas argilas em que são extraídas a sílica, sua presença confere ao cimento uma coloração escura. Sua função é a de servir como um fundente para obtenção dos silicatos de cálcio. Devido ao seu baixo calor específico, o óxido de ferro consegue aumentar de temperatura com uma menor quantidade de energia, fazendo o papel de fundente, possibilitando o emprego de temperaturas mais baixas na sinterização do clínquer. (Fusco, 2012, p. 29) 2.1.2 Endurecimento do cimento Os materiais, descritos no item 2.1.1, são então sinterizados e moídos formando o chamado clínquer do cimento. Petrucci (1970), descreve a composição média dos cimentos nacionais: C3S = 3CaO.SiO2 = Silicato tricálcico - (42 a 60%)
  20. 20. 19 C2S = 2CaO.SiO2 = Silicato dicálcico - (16 a 35%) C3A = 3CaO.Al2O3 = Aluminato tricálcico - (6 a 13%) C4AF = 4CaO.Al2O3.Fe2O2 = Ferroaluminatotetracálcico - (5 a 10%) Além destes componentes, também se encontram pequenas frações de Na2O e K2O. O endurecimento do cimento hidráulico é basicamente obtido pela formação de um tipo de C-S-H, silicato de cálcio hidratado, o dissilicato tricálcico hidratado. O processo de hidratação deste composto é descrito nas equações abaixo. 2(2CaO.SiO2) + 4H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca(OH)2 (1) 2(3CaO.SiO2) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (2) Durante o processo de formação do C3S e do C2S é formado também o Ca(OH)2, o hidróxido de cálcio, o qual confere a característica básica do concreto devido aos seus íons de hidroxila, OH- . 2.2 Reação álcali-agregado A NBR 15577-1:2008 - Agregados - Reatividade álcali-agregado Parte 1: Guia para avaliação da reatividade potencial e medidas preventivas para uso de agregados em concreto, define a reação álcali-agregado (RAA) como: Reação química entre alguns constituintes presentes em certos tipos de agregados e componentes alcalinos que estão dissolvidos na solução dos poros do concreto. Sua ocorrência está condicionada à presença simultânea de três fatores: agregado potencialmente reativo, umidade e álcalis. (NBR 15577-1, 2008, p. 2). Trata-se de uma reação fortemente expansiva, que gera tensões internas no concreto e, consequentemente, fissuração. Apesar de dificilmente ser a causa de colapsos, a RAA possibilita a entrada de agentes agressivos que, por sua vez, irão causar a deterioração da estrutura. É de conhecimento geral que as principais evidências desta manifestação patológica são:
  21. 21. 20 • Fissuras em forma de mapa; • Depósito de gel esbranquiçado nos poros do concreto; • Entorno das bordas dos grãos de agregado com coloração característica; • Descolamento dos grãos do agregado; • Queda acentuada da resistência à flexão, podendo haver quedas na resistência compressão e principalmente no módulo de elasticidade do concreto, o que poderá ocasionar deformações excessivas. Abaixo seguem exemplos dos efeitos da RAA no concreto, tanto em nível microscópico, Figura 2, quanto em nível macroscópico, Figura 3, Figura 4a e Figura 4b. Figura 2 - Aspecto de detalhe do concreto – Dolfim 3 no qual se observa o gel da reação desenvolvendo-se na borda do agregado graúdo. Microscópio de luz transmitida - ampliação 50x. FONTE: Empresa operadora (2015) Figura 3 - Fissuras, em formato de mapa, decorrentes da RAA em uma fundação FONTE: (Figuerôa & Tibério, 2007)
  22. 22. 21 Figura 4a - Reação álcali-sílica em um bloco de pilar GGG FONTE: (U.S. Department of transportation, 2011) Figura 4b - Reação álcali-sílica em um piso de concreto FONTE: (U.S. Department of transportation, 2011) Existem três tipos de RAA: Reação álcali sílica, reação álcali-silicato e reação álcali- carbonato. Todavia, de interesse prático real, somente há preocupação com a reação álcali-sílica, pelo fato de ocorrerem com uma frequência bem maior. A NBR 15577-1:2008, as define como: Reação álcali-sílica (RAS): tipo de reação álcali-agregado em que participam a sílica reativa dos agregados e os álcalis, na presença do hidróxido de cálcio originado pela hidratação do cimento, formando um gel expansivo. Constituem exemplos de sílica reativa: opala, tridimita, cristobalita, vidro vulcânico, e ntre outros. Este é o tipo de reação álcali- agregado que mais rapidamente se desenvolve. (NBR 15577-1, 2008, p. 2). Reação álcali-silicato: tipo específico de reação álcali-sílica em que participam os álcalis e alguns tipos de silicatos presentes em certas rochas. Os silicatos reativos mais comuns são o quartzo tensionado por processos tectônicos e os minerais da classe dos filossilicatos presentes em ardósias, filitos, xistos, gnaisses, granulitos, quartzitos, entre outros. Geralmente, esta reação é mais lenta do que a RAS. (NBR 15577-1, 2008, p. 2) Reação álcali-carbonato: tipo de reação álcali-agregado em que participam os álcalis e agregados rochosos carbonáticos. A forma mais conhecida de deterioração do concreto é devida à desdolomitização da rocha e conseqüente enfraquecimento da ligação pasta-agregado. Não há a formação de gel expansivo, mas de compostos cristalizados como brucita, carbonatos alcalinos, carbonato cálcico e silicato magnesiano. Como a reação regenera os hidróxidos alcalinos, a desdolomitização terá
  23. 23. 22 continuidade até que a dolomita tenha reagido por completo ou a fonte de álcalis se esgote. (NBR 15577-1, 2008, p. 2) 2.2.1 Processo álcali-agregado O mecanismo e alguns aspectos da reação ainda apresentam incertezas. Todavia, o modelo básico está esclarecido. Segundo Ribeiro e Cunha (2014), a reação álcali sílica ocorre quando o agregado utilizado no concreto possui sílica em sua composição, esta sílica reage com os íons alcalinos (Na+ e K+ ) e os hidroxilos (OH- ), presentes na solução intersticial da parte do cimento, produzindo um gel silicato alcalino. Os íons de cálcio (Ca2+ ), provenientes do hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, formado durante a reação água/cimento no concreto, entram em contato com o gel de silicato alcalino, dando origem a geles de silicatos de cálcio, sódio e potássio. Esses geles absorvem as moléculas de água e se expandem. Dando origem ao fenômeno expansivo da RAA. Essas reações podem ocorrer de maneira muito lenta, geralmente já após o endurecimento do concreto, de acordo com (Poole, 1992) a deterioração pode ocorrer em questão de dias, ou após anos, ou até décadas, até que os álcalis do cimento reajam completamente com o agregado. Estima-se um tempo médio necessário de 5 a 12 anos para isso se desenvolver. Os íons do sódio e do potássio são provenientes de impurezas do cimento, e a concentração máxima recomendada destas substâncias é representada pela equação abaixo: (%N2O + 0,658%K2O) ≤ 0,6% do peso do cimento (3) Ou ≤ 3Kg/m³ de concreto (4) Se respeitadas essas proporções de álcalis, a reação álcali agregado é prevenida, independentemente do tipo de agregado utilizado. Todavia, se houver um excesso de cimento na mistura, esta proporção de 0,6% não é mais válida uma vez que os teores de álcalis podem ultrapassar os 3kg/m³.
  24. 24. 23 O tamanho das partículas de sílica também tem influência sobre a velocidade de reação, que quando muito pequenas acabam inibindo o fenômeno expansivo da RAA. Segundo Paulon (1981), agregados reativos de dimensões muito reduzidas provocam uma reação profunda e total antes que o gel tenha se formado. Grandes quantidades de materiais finos, devido a sua grande superfície específica, provocam redução rápida na concentração de álcalis de tal forma que os agregados maiores não tenham oportunidade de sofrer as reações secundárias, que provocam a formação do gel expansivo. Dessa maneira, uma das formas de se impedir a RAA é através da adição de pozolanas no traço do concreto, em especial a microsílica, devido a sua elevada finura braile da ordem de 6000 cm²/g, bem maior que a do cimento que é de 2600 cm²/g. Devido a sua elevada área superficial a sílica presente na pozolana reage com os álcalis do cimento ainda na fase fluida do concreto. Portanto, mesmo que sejam usados agregados reativos no concreto, os álcalis reativos do cimento já terão sido consumidos, eliminando a possibilidade de ocorrer a RAA. Outros fatores determinantes para a ocorrência da RAA são a temperatura e umidade locais. Quanto maior a temperatura no local, mais rapidamente a reação se desencadeará e, consequentemente, a RAA se manifestará mais cedo. Todavia, para que possa ocorrer a reação, é necessária a presença de água. A mesma pode ser oriunda do contato direto da estrutura com a chuva, água do mar e lençóis freáticos, no caso de fundações, ou do excesso de água, no caso em que o fator água/cimento é superior ao necessário para a hidratação do concreto, ou da própria umidade, quando superior a 85% a 20°C. Diante disto, podemos estabelecer fatores relevantes para a formação da reação álcali-agregado, sendo eles: • Agregado potencialmente reativo; • Elevada umidade; • Alcalinidade do cimento (teor de %N2O + 0,658%K2O); • Temperatura; • Granulometria do material, quanto mais fino, mais reativo.
  25. 25. 24 2.2.2 Análise da reação álcali-agregado Existem diversos métodos na literatura que procuram caracterizar um agregado quanto a sua nocividade em relação à RAA. No entanto, a norma cita somente a análise petrográfica para caracterizá-los através do método de determinação da mitigação da expansão em barras de argamassa pelo método acelerado, e também pelo método de determinação da expansão em prismas de concreto. Através da petrografia é possível identificar a composição química do mineral, assim como sua textura. Nela, o petrógrafo analisa visualmente o agregado, a fim de definir suas características geológicas e, assim, consegue determinar se o mesmo possui algum potencial reativo. No entanto, para um diagnóstico mais preciso, frequentemente é necessário o uso de testes complementares. Pires (2009), faz observações importantes quanto as particularidades dos testes: Cabe ressaltar o caráter subjetivo dessa análise, devendo ser realizada por um petrógrafo experiente para obtenção de resultados confiantes. É importante mencionar também que a análise petrográfica classifica a rocha (agregado) unicamente quanto ao seu potencial reativo. A análise de expansão deletéria deve ser verificada através de testes que combinem o agregado com o cimento, por exemplo, os ensaios de reatividade de prismas de concreto e de barras de argamassa (Pires, 2009). A Norma responsável por essa análise é a NBR 15577-3:2008 - Agregados - Reatividade álcali-agregado Parte 3: Análise petrográfica para verificação da potencialidade reativa de agregados em presença de álcalis do cimento. A mesma cita que: Esta parte da ABNT NBR 15577 estabelece os procedimentos de análise petrográfica por microscopia ótica. Entretanto, pode requerer técnicas complementares, como coloração seletiva de minerais, análise por difração de raios-X (DRX), análise termodiferencial (ATD), espectroscopia de infravermelho, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise de raios-X por energia dispersiva (EDX), (NBR 15577-3, 2008, p. 3). Já o método da expansão em barras de argamassa pelo método acelerado, consiste na imersão de barras de argamassa, contendo o agregado a ser estudado, em uma solução de hidróxido de sódio, NaOH, com concentração de 1N e temperatura de 80
  26. 26. 25 °C por um período de 14 dias. Se o resultado obtido nesse ensaio indicar expansão menor que 0,19% aos 30 dias, o agregado pode ser considerado potencialmente inócuo para uso em concreto. Caso a expansão obtida no ensaio acelerado seja maior ou igual que 0,19% aos 30 dias, o agregado é considerado potencialmente reativo nesse ensaio. Nesse caso, pode ser feito o ensaio em prismas de concreto para confirmar o resultado. O Método de prismas de concreto necessita de um tempo maior para a execução, mas oferece uma maior precisão no resultado. Ele consiste em expor prismas de argamassa, contendo o agregado ao qual se deseja testar, em ambiente saturado com água à temperatura de 38 ºC por 365 dias. Se a expansão for inferior a 0,04% o agregado é considerado potencialmente inócuo, e se superior a 0,04% o agregado é considerado potencialmente reativo. 2.3 Ação dos íons de cloreto Os íons de cloreto têm a capacidade de romper a película passivadora, que protege a armadura no interior do concreto, e também de acelerar o processo de corrosão. Dentre os agentes agressivos, o íon de cloreto é o mais comum, podendo estar presente em qualquer localidade, não somente em ambiente marinho. O íon cloreto é um dos piores agentes agressivos, pois quando atinge a armadura pode desencadear a sua corrosão mesmo em meios de elevado pH. 2.3.1 Fontes de íons de cloreto Os cloretos podem estar presentes no concreto através de diversos canais de entrada. Em regiões marinhas, a principal forma de contato é através da água do mar, no caso de regiões próximas à ambientes marinhos, este contato se dá através de ventos que podem carregar sais na forma sólida ou como gotas de solução salina. Outras maneiras são através de agregados extraídos de locais que no passado estavam cobertos por água do mar, aditivos aceleradores de pega que contenham CaCl2, ambientes industriais, e também materiais de limpeza, como por exemplo os que contém ácido muriático (HCl).
  27. 27. 26 Nas zonas de respingos de estruturas localizadas em ambiente marinho, ocorrem ciclos alternados de umidificação e secagem devido à variação de marés. Nos ciclos de umidificação, os cloretos penetram no concreto através da sucção da água do mar pelos poros e vasos capilares. Uma vez infiltrados, ocorre sua difusão devido à diferença de concentração, distribuindo assim os íons de cloreto no interior do concreto. Nos ciclos de secagem, evapora-se somente a água. Com isso, no decorrer do tempo, há o acúmulo progressivo de cloreto na superfície do concreto, agravando as condições de corrosão. 2.3.2 Rompimento da película passivadora e aceleração do processo corrosivo Os ânions de Cl- podem destruir a película passivadora que protege a armadura no interior do concreto. O processo de formação da película passivadora é explicado no capítulo que fala sobre corrosão, no item 2.6. O processo ocorre conforme as seguintes reações: Fe2+ + 2Cl− → FeCl2 (5) FeCl2 + 2OH− → 2Cl− + Fe(OH)2 (6) Como pode ser observado, o ânion funciona como catalisador, mas não são consumidos na reação, portanto, pequenas quantidades de cloreto podem ser suficientes para iniciar o processo corrosivo. O efeito da presença de íons agressivos é o de baixar o pH em pontos discretos da película passivadora, destruindo-a totalmente. Nesses pontos, formam-se zonas anódicas de pequenas dimensões, e o restante da armadura constitui uma enorme zona catódica, ocorrendo uma intensa corrosão nesses pontos anódicos (Fusco, 2012) A Figura 5 Ilustra a diferença entre a corrosão do tipo generalizada no concreto, neste caso, ocasionada pela carbonatação, e a corrosão puntiforme desencadeada pela ação dos íons de cloreto.
  28. 28. 27 Figura 5 - Aparência superficial da corrosão generalizada desencadeada pela carbonatação do concreto (a) e da corrosão puntiforme desencadeada pela ação dos íons cloreto (b) FONTE: Figueiredo & Meira (2011) Sem a presença do cloreto, a película passivadora só poderia ser rompida devido a algum fenômeno físico ou devido à redução do pH para índices inferiores a 9. O esquema do fenômeno químico é ilustrado na Figura 6. Figura 6 - Processo de rompimento da película passivadora FONTE: Treadaway (1988) Por se tratar de um eletrólito forte, a presença do cloreto gera um aumento da condutividade, a qual é fundamental ao processo de corrosão.
  29. 29. 28 Na Figura 7 Ribeiro e Cunha (2014) descrevem os efeitos da concentração de cloretos no caso do ferro em água saturada de ar, em temperatura ambiente. Figura 7 - Efeitos da concentração de cloreto de sódio na taxa de corrosão FONTE: Ribeiro & Cunha (2014, p. 108) A taxa relativa de corrosão atinge seu grau máximo quando a concentração de cloreto de sódio chega a 3% e depois decresce até um teor de 26% (Ribeiro & Cunha, 2014). 2.3.3 Limite crítico de cloretos A chegada dos cloretos às proximidades da armadura, por si só, não garante o início do processo de corrosão. É necessária uma quantidade mínima que irá depender de uma série de fatores relacionados ao concreto e ao ambiente à sua volta. Pesquisas sugerem que a quantidade mínima necessária está ligada à proporção de cloretos com relação aos íons de hidróxido [Cl- /OH- ]. Quando está proporção ultrapassa 0,6, a película passivadora dissolve-se. Para facilitar o cálculo dessa quantidade, estabeleceu-se um padrão relacionado à quantidade de cimento. A Tabela 1 mostra os limites de cloretos estabelecidos por diversas normas. Vale ressaltar que apesar da NBR 6118:2014 não fazer referência ao teor de cloretos, mas a NBR 12655:2015 - Concreto de cimento Portland - Preparo, controle e recebimento – Procedimento, cita os teores de cloretos máximos, conforme Tabela 12 no item 3.1.2.
  30. 30. 29 Tabela 1 - Teor limite de cloretos para diversas normas FONTE: Figueiredo E. P. (2011) Mesmo não estabelecendo teores máximos de cloretos, a NBR 6118:2014, proíbe o uso de aditivos acelerados de pega que contenham cloretos em sua composição. Outros fatores, como os relacionados ao concreto, os fatores externos e a interface com o aço, podem influenciar nesses valores estabelecidos pelas normas. A Tabela 2 lista estes fatores. Tabela 2 - Fatores que influenciam o limite crítico de cloretos FONTE: Figueiredo E. P. (2011) As variáveis relacionadas à interface do aço com o concreto dizem respeito ao acúmulo pontual de cloreto em um local específico devido às falhas de fabricação do aço e também devido às falhas de formação da película passivadora. Os fatores relacionados ao concreto dizem respeito à sua permeabilidade, sua basicidade e a capacidade de difusão dos coretos no entorno da armadura. As variáveis relacionadas aos fatores externos dizem respeito a fatores potenciadores da corrosão. NORMA PAÍS ANO TEOR DE CLORETOS RECOMENDADO NBR 6118 Brasil 2007 Não se reporta ao teor de cloretos ≤ 0,15% em relação à massa de cimento, em ambiente com cloretos ≤ 0,3% em relação à massa de cimento, em ambiente normal ≤ 1% em relação à massa de cimento, em ambiente seco ≤ 0,6% em relação à massa de cimento, concreto protendido CEB Europa 1991 NP EM 206-1 Portugal 2007 BS 8110:1 Inglaterra 1985 JCSE-SP2 Japão 1986 ≤ 0,60 Kg/m³ de concreto 0,40% em relação à massa de cimento ACI 318S-05 USA 2005
  31. 31. 30 2.3.4 Fatores influentes na velocidade de propagação e penetração dos íons de cloreto Alguns dos fatores que influenciam a velocidade de propagação e o grau de penetração dos íons cloretos são os mesmos que contribuem para a carbonatação. Todavia, cada um dos parâmetros pode influenciar de uma maneira diferente. O cloreto pode se apresentar de 3 formas no concreto: quimicamente ligado ao aluminato tricálcico (C3A), formando cloro-aluminato de cálcio ou sal de Friedel (C3A.CaCl2.10H2O); adsorvido na superfície dos poros; e sob a forma de íons livres, (Ribeiro & Cunha, 2014, p. 110). Todavia, os cloretos que se encontram ligados ao C3A e adsorvidos na superfície dos poros são quimicamente inertes, sendo os que estão na forma de íons livres os que causam preocupação. 2.3.4.1 Tipo de cimento e adições O aluminato tricálcico (C3A), é capaz de se combinar com os íons de cloreto e transforma-los em um sal insolúvel, anulando os possíveis efeitos deletérios que poderiam causar. Este composto é formado durante as fases de hidratação do cimento e está presente na maioria dos cimentos comerciais. Rasheeduzzafar (1990), verificou que cimentos com teores mais elevados de C3A possuem um desempenho superior com relação à absorção dos íons de cloreto, como mostra a Tabela 3. Tabela 3 - Quantidade de cloretos em relação a diversos teores de C3A Teor de C3A % de cloretos livres Acréscimo de tempo para iniciar a corrosão 2% 86% Referência 9% 58% 1,75 vezes 11% 51% 1,93 vezes 14% 33% 2,45 vezes FONTE: Rasheeduzzafar (1990) Todavia, altos teores de C3A no cimento podem vir a causar o aumento de fenômenos patológicos relacionados ao ataque de sulfatos e a reação álcali- agregado. Sendo aconselhável sua utilização juntamente com aditivos pozolânicos, como cinzas volantes, escórias de alto forno e microsílica.
  32. 32. 31 O cimento com adições é um cimento cuja formulação foi incrementada com materiais pozolânicos, em geral metacaulim e sílica ativa. Os materiais pozolânicos têm como característica um elevado teor de sílica em sua composição química, a qual serve como um material aglomerante que vem a complementar a resistência do concreto e também outros aspectos. A maioria dos materiais pozolânicos possui uma granulometria muito fina. Devido a esta característica, eles conseguem diminuir a porosidade do concreto, o que pode vir a dificultar a penetração e difusão dos íons de cloreto. Outros tipos de materiais pozolânicos muito utilizados são as, já mencionadas, escórias de alto forno e cinzas volantes. Na Tabela 4, Meira (2004) descreve a influência do tipo de cimento e da adição no coeficiente de difusão dos cloretos. Tabela 4 - Coeficiente de difusão de cloretos Tipo de cimento Coeficiente de difusão x 10-9 (cm²/s) Cimento Portland comum 44,7 Cimento com 30% de cinza volante 14,7 Cimento com 65% de escória 4,1 Cimento resistente à sulfatos (baixo teor de C3A) 100 FONTE: Meira (2004) 2.3.4.2 Fator Água/cimento, adensamento e cura O fator água/cimento influencia na porosidade do concreto. O concreto necessita de uma quantidade mínima de água para iniciar o processo de hidratação do cimento, no entanto, é necessária uma quantidade extra de água para que o concreto adquira uma maior fluidez. Durante o processo de cura, uma parte dessa água extra evapora, criando caminhos no interior do concreto que mais tarde se tornarão espaços vazios, os quais irão diminuir a resistência do concreto e também servir para o alojamento de substâncias agressivas, como os íons de cloreto e outras mais. Uma outra parte dessa água extra, que não evapora durante o processo de cura, permanece no concreto depois de ele já endurecido, vindo a evaporar no decorrer de anos.
  33. 33. 32 Na Figura 8 Jaegermann (1990) ilustra os efeitos da relação a/c na penetração de cloretos. Figura 8 - Efeitos da relação água/cimento na penetração de cloretos FONTE: Jaegermann (1990) O adensamento contribui diretamente com a penetração de cloretos no concreto. Um adensamento insuficiente pode contribuir para uma maior porosidade do concreto, além de que, em casos extremos, pode ocasionar o surgimento de ninhos de concretagem, onde a armadura pode entrar em contato direto com o meio externo ou ter um cobrimento menor que o especificado. A cura, quando executada de forma inadequada, pode ocasionar fissuras devido aos esforços internos de retração do concreto. Tais fissuras podem se tornar o meio de entrada para agentes agressivos, incluindo os íons de cloreto. Na Figura 9, Jaegermann (1990) ilustra o efeito do tempo de cura e do fator água/cimento sobre a profundidade de alcance dos cloretos:
  34. 34. 33 Figura 9 - Efeito da cura e da relação água/cimento na profundidade de alcance dos cloretos FONTE: Jaegermann (1990) 2.3.4.3 Fissuras A velocidade com que os cloretos penetram no concreto depende da abertura das fissuras existentes. A NBR 6118:2014 estabelece limites para a abertura máxima das fissuras de acordo com o tipo de concreto estrutural e a classe de agressividade ao qual está inserido, como pode ser visto na Tabela 5.
  35. 35. 34 Tabela 5 - Relação entre a abertura máxima das fissuras e a classe ambiental FONTE: NBR 6118 (2014, p. 80) 2.3.4.4 Carbonatação Como já dito anteriormente, o cloreto pode estar presente no concreto ligado quimicamente ao aluminato tricálcico (C3A), formando cloro-aluminato de cálcio ou sal de Friedel (C3A.CaCl2.10H2O). Quando ocorre a carbonatação, o CO2 consegue desprender estes íons de cloreto e passa-los à condição de livres, aumentando a quantidade total de ânions de cloreto nessa situação. Desta forma, o efeito de corrosão é potencializado, uma vez que os íons livres de cloreto são os responsáveis pelos efeitos deletérios nas armaduras. O local onde o píer está localizado recebe navios diariamente, sendo estes movidos por motores a diesel. Portanto, neste ambiente existe a presença do gás carbônico e, possivelmente, a carbonatação.
  36. 36. 35 2.3.4.5 Temperatura e umidade De acordo com Figueiredo (2011), O aumento da temperatura estimula a mobilidade das moléculas, favorecendo o seu transporte através da microestrutura do concreto. Por outro lado, quando a temperatura diminui, pode ocorrer condensação no concreto, ocasionando um aumento da umidade do material. (Figueiredo E. P., 2011) Al-Khaja (1997), na Figura 10, demonstra a importância da temperatura na penetração dos cloretos no concreto. Nela, ele também compara os comportamentos do cimento Portland comum e o cimento resistente à sulfatos, que contém baixos teores de C3A. Figura 10 - Efeito da temperatura no ingresso de cloretos em concretos de cimento Portland comum (a) e resistente a sulfatos (b) FONTE: Al-Khaja (1997) A umidade, por sua vez, favorece o efeito corrosivo por possibilitar que moléculas de água penetrem no interior do concreto. O píer em estudado recebe uma alta incidência solar e, por isso, está sujeito a elevadas médias de temperatura no decorrer do ano. Além disso, por ser tratar de um ambiente marinho, a umidade ambiente está sempre alta. Na Figura 11, Gentil (1996) evidencia a influência da deposição de partículas de cloreto de sódio na superfície de ferro em diferentes valores de umidade relativa.
  37. 37. 36 Figura 11 - Influência da deposição de partículas de sódio nas superfícies de ferro. (1) UR 58%; (2) UR 70%; (3) UR 80%; (4) UR 89%; (5) UR 94%; (6) UR 97% FONTE: Gentil (1996) 2.4 Carbonatação O CO2 presente na atmosfera, na presença de umidade, reage com o cimento hidratado presente no concreto, de forma a interagir quimicamente com o hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, e transforma-lo em carbonato. A carbonatação, no entanto, não apresenta nenhum efeito deletério ao concreto no que diz respeito a suas propriedades intrínsecas, com exceção do consumo do hidróxido de cálcio, que faz com o que o concreto perda sua basicidade, que normalmente é em torno de 12,5, aumentando o grau de acidez do mesmo, podendo chegar a valores próximos ao 9, o que pode gerar a remoção da película passivadora, possibilitando a ocorrência da corrosão. A carbonatação ocorre, principalmente, nos ambientes das grandes cidades, onde existe a emissão de CO2 pelo escapamento dos carros, podendo ocorrer com maior intensidade em garagens subterrâneas e em túneis. No lugar onde o píer está localizado trafegam navios com motores movidos à diesel, portanto, existe a presença de CO2 na atmosfera, podendo existir a carbonatação.
  38. 38. 37 2.4.1 Fenômeno da carbonatação Com relação às concentrações necessárias para a ocorrência da carbonatação, Neville cita que: A ação do CO2 ocorre mesmo com pequenas concentrações, como as presentes no ambiente rural, onde o teor de CO2 é cerca de 0,03% em volume. Em um laboratório não ventilado, esse teor pode chegar a mais de 0,1%, e em cidades grandes, o valor médio é 0,3% e, excepcionalmente, chega a 1%. (Neville, 2016, p. 518) Segundo Taylor (1997) o mecanismo do processo químico tem como uma das etapas a dissolução do dióxido de carbono: 𝐶𝐶𝐶𝐶2 + 2𝑂𝑂𝑂𝑂− → 𝐶𝐶𝐶𝐶3 2− + 𝐻𝐻2 𝑂𝑂 (7) Paralelamente os íons de OH- e Ca2+ são obtidos através da dissolução dos hidróxidos originados da reação água/cimento: 𝐶𝐶𝐶𝐶(𝑂𝑂𝑂𝑂)2 → 𝐶𝐶𝐶𝐶2+ + 2𝑂𝑂𝑂𝑂− (8) Posteriormente, os íons de 𝐶𝐶𝐶𝐶3 2− reagem com o Ca2+ , formando o carbonato de cálcio: 𝐶𝐶𝐶𝐶2+ + 𝐶𝐶𝐶𝐶3 2− → 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶3 (9) No caso anterior, foi citado a carbonatação através do hidróxido de cálcio. Este é o mais solúvel dentre os produtos da hidratação do cimento, além de ser o que reage mais rapidamente com o CO2. De acordo com Neville (2016, p. 518), quando ocorre sua diminuição, também é possível ocorrer a carbonatação do silicato de cálcio hidratado, o C-S-H. 2.4.2 Efeitos da carbonatação A carbonatação não é a causa da deterioração do concreto. No entanto, ela consome o hidróxido de cálcio presente na água dos poros do concreto, o qual é responsável por garantir sua basicidade. Seu consumo faz com que o pH do mesmo diminua, até chegar ao ponto de extinguir a película passivadora e ,assim, desproteger a armadura contra a corrosão.
  39. 39. 38 Como o CaCO3 produzido possui um volume cerca de 11% maior do que o do CA(OH)2, o qual substitui, a porosidade do concreto carbonatado diminui. Além disso, a água gerada durante o processo de carbonatação reage com o cimento ainda não hidratado, aumentando a resistência do concreto naquele local. Estes dois efeitos são benéficos ao concreto, uma vez que ocorre a diminuição da permeabilidade, o que dificulta a entrada de agentes agressivos, e também um aumento da dureza e da resistência superficial. A carbonatação também ocasiona a retração do concreto. Este fenômeno pode parecer divergente ao fato de que os carbonatos possuem um volume maior do que os hidróxidos de cálcio. Todavia, ele pode ser explicado pelo hidróxido de cálcio, que participa do fenômeno químico, estar localizado em zonas de alta tensão, enquanto que a precipitação dos carbonatos ocorre em espaços vazios do concreto e que não estão sujeitos a tensões. Estes resultados da retração, na prática, não são significativos para o concreto. Este fenômeno ocorre somente na frente de carbonatação, e a mesma não possui dimensões significantes diante do volume total do concreto. A carbonatação acaba por favorecer a ação dos íons de cloreto. Segundo Figueiredo (2011, p. 897), “Um concreto carbonatado não possui a mesma capacidade de combinar cloretos que um concreto não-carbonatado”. Considerando um concreto que possui certa quantidade de cloretos combinados e outra livre, embora inferior à necessária para despassivar a armadura, quando esse concreto começa a carbonatar, a redução de pH promove a quebra de ligações entre o C3A e os cloretos, fazendo com que parte dos cloretos combinados passem à condição de livres. Dessa forma, a quantidade de íons livres pode atingir o limite crítico de rompimento da camada passiva da armadura, mesmo com uma quantidade total de cloretos mais baixa. 2.4.3 Difusão de CO2 A carbonatação se espalha no interior do concreto através de difusão nos poros de concreto. Ela ocorre progressivamente a partir do meio externo do concreto e em
  40. 40. 39 uma velocidade decrescente, uma vez que, à medida que vai penetrando, sua velocidade de propagação vai se reduzindo. Quando não existe água, a carbonatação não ocorre porque o CO2 não consegue reagir com o cimento hidratado. Quando o ambiente está totalmente saturado, haverá muito pouca carbonatação, devido à baixa difusidade do CO2 em meios totalmente saturados, Neville (2016, p. 519) assinala que “a difusão do CO2 em água é quatro ordens de grandeza mais lenta do que no ar”. Finalmente, se os poros estiverem parcialmente saturados, a frente de carbonatação consegue avançar para o interior do concreto. Conforme pode ser visto na Figura 14. 2.4.4 Frente de carbonatação A frente de carbonatação é o pedaço do cobrimento do concreto onde o pH foi reduzido devido à diminuição das moléculas de hidróxido de cálcio. Cascudo e Carasek (2011) esclarecem o fenômeno: Uma característica do processo de carbonatação é a existência de uma “frente” de avanço do processo, que separa duas zonas de pH muito diferentes: uma com pH em torno de 9 ou menor (carbonatada) e outra com pH maior que 12 (não carbonatada). (Cascudo & Carasek, 2011, p. 866). Entre essas duas zonas existe uma terceira que seria a zona parcialmente carbonatada. Nela, as reações químicas da carbonatação ainda estão em desenvolvimento, seu pH apresenta valores entre o 9, da zona carbonatada, e o 12 da zona não carbonatada, como observado na Figura 12. Figura 12 - Gradiente de pH na frente de carbonatação FONTE: Cascudo & Carasek (2011)
  41. 41. 40 Devido à presença do agregado graúdo, a frente de carbonatação não avança como uma linha reta. A presença de fissuras pode possibilitar um avanço mais rápido da carbonatação, permitindo que avance localmente em certos pontos do concreto. A espessura da frente de carbonatação pode ser estimada através da fórmula abaixo descrita por Neville (2016, p. 520), que decorre da lei de difusão de Fick: D=Kt0,5 (10) Onde: D = Profundidade da carbonatação (mm) K = Coeficiente de carbonatação (mm/ano0,5 ) t = Tempo de exposição (anos) Os valores de K são, com frequência, maiores que 3 ou 4 mm/ano0,5 , para concretos de baixa resistência. Existem diversos modelos matemáticos que tentam prever o comportamento da carbonatação, a maioria deles segue o padrão da lei de Fick, mas acrescentam outros elementos no coeficiente K, de modo a deixa-lo mais preciso. Todavia, é importante ter em mente que estes modelos não consideram uma série de fatores, como as variações sazonais de temperatura, a umidade e também a concentração de CO2. Portanto, as estimativas feitas por tais modelos geralmente são mais conservadoras do que a realidade. 2.4.5 Fatores que influenciam a carbonatação O principal fator que deve ser levado em conta no que diz respeito ao controle de carbonatação, é a difusidade do concreto. A difusidade irá depender do sistema de poros que compõe a camada de cobrimento do concreto, que por sua vez dependem da composição do concreto e de sua execução na obra. A Figura 13 ilustra os principais fatores que influenciam a carbonatação.
  42. 42. 41 Figura 13 - Fatores intervenientes na carbonatação do concreto FONTE: Cascudo & Carasek (2011, p. 856) É comum que se diga que a resistência à carbonatação de um concreto, e também a outros fenômenos patológicos, depende de sua permeabilidade, quando, na realidade, o fator de real relevância é a difusidade do concreto. A maior parte dos fatores listados na Figura 13, estão, de fato, relacionados à permeabilidade, no entanto outros fatores como a humidade, a temperatura e o teor de CO2 na atmosfera não estão relacionados à mesma, sendo estes fatores cruciais na penetração do CO2 no concreto, por influenciarem sua difusidade. 2.4.5.1 Teor de CO2,temperatura e umidade relativa A medida que o teor de CO2 aumenta na atmosfera, o fenômeno da carbonatação se torna mais agressivo. Conforme já mencionado, Neville (2016, p. 518) ressalta as diferentes concentrações de CO2 na atmosfera conforme o ambiente:
  43. 43. 42 Tabela 6 - Concentraçao volumétrica de CO2 no ar em relação a alguns tipos de ambiente Concentração de CO2 no ar (em volume) Tipo de ambiente 0,03% Ambiente rural 0,1% Ambiente de laboratório (não ventilado) 0,3% Ambiente urbano 1,0% Ambiente urbano-industrial FONTE: Neville (2016, p. 518) A temperatura, por sua vez, influencia na velocidade das reações químicas no interior do concreto. A mobilidade dos íons da reação é aumentada, o que favorece a ocorrência de reações químicas mais rapidamente. Já a umidade relativa do ar, se faz necessária de forma que os poros possuam certa quantidade de água, de acordo com Ribeiro e Cunha (2014), a melhor condição para a carbonatação é a na qual se observa a presença de um filme de umidade nas paredes capilares e livre acesso para a entrada de CO2, conforme Figura 14: Figura 14 - Representação esquemática de um processo efetivo de carbonatação do concreto, estando os poros parcialmente preenchidos com água (concreto com U.R. normal do ambiente) FONTE: Cascudo & Carasek (2011, p. 855) Rosenberg, Hansson e Andrade (1989) realizaram testes para saber a umidade ótima para ocorrência da carbonatação. Os resultados demo straram que a faixa máxima de percentagem carbonatada acontece nas umidades relativas entre 50% e 70%, conforme Figura 15.
  44. 44. 43 Figura 15 - Grau de carbonatação em função da umidade FONTE: Rosenberg, Hansson, & Andrade (1989) 2.4.5.2 Relação água/cimento e cura A relação água/cimento influencia diretamente na porosidade do concreto. Quanto maior a quantidade de água, maior a quantidade de espaços vazios, uma vez que está água irá evaporar quando finalizado o processo de cura, criando poros e vasos capilares por onde a carbonatação, e também outros agentes agressivos, podem se difundir. Em pastas de cimento, quando a relação a/c aumenta de 0,4 para 0,8, o volume de poros cresce cerca de cinco vezes (Mehta & Monteiro, 2006, p. 150). Da mesma forma, a cura também contribui para uma menor porosidade do concreto. Pois, uma cura bem feita, permite que mais reações químicas entre a água e o cimento ocorram, diminuindo a presença de água livre e, posteriormente, diminuindo a quantidade de poros formados no interior do concreto. Além disso, a cura diminui o efeito de retração plástica do concreto nos primeiros dias de vida, evitando fissuras decorrentes deste fenômeno. A Figura 16 demonstra a influência da relação água/cimento e do tipo de cura na resistência à carbonatação do concreto.
  45. 45. 44 Figura 16 - Influência da relação a/c e da condição de cura na profundidade carbonatada do concreto FONTE: Pina (2009) A relação água/cimento, o tempo de cura e também o consumo de cimento influenciam diretamente na resistência à compressão do concreto, por isso é possível dizer que a resistência à carbonatação é proporcional à resistência à compressão do concreto. Está afirmação não está errada, mas a sua simplicidade esconde as reais causas da resistência à carbonatação. Além disso, a resistência do concreto é um fator muito relativo, uma vez que os valores encontrados em laboratório geralmente diferem dos encontrados em amostras do campo, tornando este tipo de comparação pouco precisa. 2.4.5.3 Consumo de cimento Quanto maior o teor de cimento no concreto, maior será a resistência do mesmo contra a carbonatação. Isso pode ser explicado pela quantidade de hidróxido de cálcio que aumentará em proporção à quantidade de cimento, gerando assim uma “reserva”, que demorará mais tempo para ser consumida. É importante frisar, no entanto, que o consumo exagerado de cimento pode agravar outras patologias, como por exemplo, a reação álcali-agregado e também o ataque de sulfatos. Portanto, é necessário avaliar o fenômeno patológico preponderante em uma construção, antes de se tomar a decisão de aumentar o teor de cimento do concreto.
  46. 46. 45 Além disso, teores exagerados de cimento podem potencializar a retração do concreto, podendo ocasionar o aumento da formação de fissuras. Possibilitando, nestes casos, aumentar o fenômeno da carbonatação. A Figura 17 ilustra a influência do consumo de cimento e ainda faz um comparativo com as condições de cura da amostra. Figura 17 - Relação entre o teor de cimento e a profundidade carbonatada FONTE: Pina (2009) 2.4.5.4 Adições no cimento No mundo, e principalmente no Brasil, existe uma tendência de se incorporar adições no cimento, com o intuito de barateá-lo e também gerar algum uso para resíduos industriais. A maior parte dos resíduos utilizados possuem características pozolânicas, sendo eles, principalmente, a cinza volante e a escória de alto forno. Estes materiais possuem uma granulometria, e também uma composição química, que pode ser benéfica ao concreto. Além de que são resíduos industriais ao qual não se possui muita utilidade. Em geral, devido à suas baixíssimas granulometrias, a cinza volante e a escória de alto forno, possuem um efeito benéfico ao concreto, pois conseguem diminuir a porosidade do mesmo. Estas possuem também características aglomerantes, o que pode aumentar a resistência do concreto. Por diminuir a porosidade,
  47. 47. 46 consequentemente diminuem a difusão do CO2 no concreto, e também de outros agentes agressivos. Todavia, os materiais pozolânicos reagem com o hidróxido de cálcio, reduzindo sua quantidade no interior do concreto. Potencializando, assim, o fenômeno da carbonatação. Uma vez que o concreto possuirá uma menor reserva de Ca(OH)2 na água armazenada dentro dos poros do concreto. Diante destes dois efeitos, um negativo e outro positivo, resta saber qual é o preponderante. Este resultado dependerá de outros fatores como a relação água/Aglomerante, o teor de adições e a cura do concreto. Segundo Pina (2009), o efeito negativo de concreto com adições minerais, no caso de cinzas volantes, só se faz sentir para concretos com teores de cinzas superiores a 30% e, no caso de sílica ativa, esse efeito só é notável nos concretos de baixa resistência. Para concretos com adições, a cura passa a ser um fator mais predominante no que diz respeito à permeabilidade e, consequentemente, na resistência à carbonatação. Sendo necessária especial atenção a este fator, conforme ilustrado na Figura 18. Figura 18 - Influência do teor de adições e da cura úmida na permeabilidade do concreto FONTE: Cascudo & Carasek (2011, p. 860) 2.4.6 Análise da carbonatação O ensaio da carbonatação é caracterizado pela aplicação de uma solução de fenolftaleína, a qual irá reagir com as partes do concreto onde o pH se encontra
  48. 48. 47 entre 8,3 e 10 tornando-se incolor, indicando que houve uma perda da basicidade no local. Nos lugares onde o concreto possui uma basicidade maior que 10, a solução permanece com a coloração rosa. A Figura 19, ilustra este fenômeno e mostra que as extremidades do cobrimento do concreto já sofreram perda de basicidade. A Figura 20, demonstra o fenômeno de maneira didática. Figura 19 - Ilustração do efeito da fenolftaleína FONTE: Perdrix (2015) Figura 20 - Ilustração do efeito da fenolftaleína com relação à frente de carbonatação FONTE: Perdrix (2015)
  49. 49. 48 É necessário, no entanto, ter cuidado ao diagnosticar a causa da perda da basicidade, pois esta não necessariamente pode estar relacionada à carbonatação. Além da fenolftaleína, outros tipos de indicadores de pH podem ser utilizados, cada um com a função de indicar diferentes níveis de basicidade conforme Tabela 7. No entanto, na maioria dos casos a fenolftaleína, somente, é suficiente para determinar se houve a carbonatação ou não. Tabela 7 - Principais indicadores de pH utilizados para avaliação da carbonatação no concreto Fonte: Castro (2003) É importante ressaltar que a fenolftaleína só reage quimicamente devido à presença do hidróxido de cálcio do concreto. Portanto, concretos com outros tipos de aglomerante, que substituem o cimento, ou cimentos de elevado teor de alumina, que não possuem cal livre, não poderão ser avaliados com o uso dessa técnica. A profundidade de penetração da carbonatação pode ser medida de diversas maneiras. Quando possível, o ideal é extrair um testemunho da estrutura a ser avaliada, aplicando a fenolftaleína nas bordas laterais do corpo-de-prova e em seguida medir o comprimento da área incolor onde foi aplicada fenolftaleína. A Figura 21 ilustra esse procedimento. Indicador de pH Fórmula química (estrutural) do reagente Intervalo de mudança de cor Preparo da solução Fenolftaleína Incolor/Vermelho carmim Faixa de pH 8,3 - 10 Dissolver 10g do reagente em 700 cm³ de etanol e diluir em 300cm³ de água destilada Timolftaleína Incolor/Azul Faixa de pH 9,3 - 10,5 Dissolver 0,4g do reagente em 600 cm³ de etanol e diluir em 400cm³ de água destilada Amarelo de alizarina GG (ácido meta-nitrobenzeno- azo-salicílico) C.I. 14025 Amarelo claro/Amarelo escuro Faixa de pH 10,1 - 12 Dissolver 1g do reagente em 100 cm³ de etanol e diluir em 900cm³ de água destilada Amarelo de alizarina R (ácido para-nitrobenzeno- azo-salicílico) C.I. 14030 Amarelo/Vermelho alaranjado Faixa de pH 10,1 - 12 Dissolver 0,5g do reagente em 800 cm³ de etanol e diluir em 200cm³ de água destilada
  50. 50. 49 Figura 21 - Aferição da profundidade da carbonatação por meio de testemunhos extraídos em campo FONTE: VERIFICA DELLA CARBONATAZIONE (2015) Caso não seja possível extrair um testemunho, amostras de pó de concreto podem ser obtidas por meio de perfurações, feitas com brocas, em profundidades sucessivamente maiores para que, então, possam ser verificadas com fenolftaleína. É necessário ter cuidado para que o pó de uma área do concreto não contamine o pó de outra área. Uma outra maneira é a execução de pequenos buracos na estrutura de tamanho suficiente a permitir a aplicação da fenolftaleína. A dificuldade, neste caso, é a de determinar a profundidade correta de penetração, uma vez que a mesma não fica muito clara, como na Figura 39 e Figura 40. Além do ensaio colorimétrico, que é o da fenolftaleína, também é possível determinar a espessura carbonatada através da análise química, da difração de raios X, da espectroscopia de infravermelho e da análise termogravimétrica. Estes outros são bem mais precisos, no entanto, necessitam de uma infraestrutura laboratorial, o que dificulta sua utilização. Não existem normas no Brasil para a aferição da espessura carbonatada no concreto. O principal documento de referência é a recomendação CPC 18 Measurement of hardened concrete carbonation depth, 1988, da RILEM. 2.5 Ataque de sulfatos Skalny et al. (2002) define o ataque de sulfatos da seguinte maneira: O ataque de sulfatos é um termo usado para descrever uma série de reações químicas entre os íons de sulfato e os componentes do concreto endurecido, principalmente a pasta de cimento, causada pela exposição do
  51. 51. 50 concreto aos sulfatos e à umidade. (Skalny, Marchand, & Odler, 2002, p. 43, tradução do autor). De acordo com ACI 201 (1992), o ataque de sulfatos pode ser caracterizado pela formação de etringita ou gipsita. Ambas as reações químicas prejudicam o concreto e causam um aumento de volume, tanto internamente, na microestrutura do concreto, quanto no volume total da peça. A etringita, 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O, é formada no concreto a partir da reação do aluminato tricálcico, presente no interior do concreto, com o sulfato de cálcio ou sódio. Já a gipsita, Ca(SO4)∙2H2O, dependendo do cátion associado à solução de sulfato (Na+ ou Mg2+ ), pode ser formada a partir do hidróxido de cálcio ou do C-S-H, silicato de cálcio hidratado. Ambas geram uma reação expansiva e possuem o formato de cilindros, como pode ser visto na Figura 22 e Figura 23. Devido à sua forma, semelhante a de agulhas, elas rompem os produtos da reação água/cimento, e ao mesmo tempo geram um aumento do volume e também da porosidade do concreto. Figura 22 - Aglomerações de agulhas de etringita FONTE: Gregerová & Pospíšil (2015)
  52. 52. 51 Figura 23 - Pequenas agulhas de gipsita FONTE: Vogado, Costa, Lutze, & Gong (2015) No trabalho de Vogado, Costa, Lutze e Gong (2015), os cristais de gipsita possuíam, usualmente, 20 µm. A Figura 24a e Figura 24b demonstram esse fenômeno a nível macroscópico. Figura 24a - Deterioração visível de placas de concreto expostas aos sulfatos Na- e Mg- presentes nas águas subterrâneas FONTE: Skalny, Marchand, & Odler (2002, p. 6) Figura 24b - Meio-fio deteriorado devido ataque de sulfatos FONTE: Skalny, Marchand, & Odler (2002, p. 6) 2.5.1 Fontes de sulfatos As fontes de sulfatos podem ser divididas em internas e externas. No caso das fontes internas, podem ser oriundas do cimento utilizado, do agregado, de aditivos e também da água de amassamento. Para esta última, a NBR 15900-7 - Água para amassamento do concreto Parte 7: Análise química - Determinação de sulfato solúvel em água, estabelece um padrão para testes, a fim de se verificar a presença de sulfatos na água.
  53. 53. 52 Já com relação às fontes externas, estas podem ser provenientes da água subterrânea, do solo, de resíduos industriais, de fertilizantes e também do esgoto. 2.5.1.1 Fontes internas As fontes internas são aquelas que compõem o concreto, quando ainda fresco. Skalny Et al. (2002), descreve como os sulfatos podem estar presentes no cimento: O Sulfato de Cálcio é um importante constituinte de todos os cimentos Portland. Várias formas de sulfato de cálcio são adicionadas ao clínquer durante sua moagem para possibilitar o controle das características desejadas do cimento. Os sulfatos também são conhecidos por acelerar o processo de hidratação do cimento e também por aumentar a resistência nos primeiros dias de cura. O sulfato pode ser incorporado na forma natural, ou industrial, de gipsita ou anidrido. (Skalny, Marchand e Odler, 2002, p. 47, tradução do autor). Aditivos também podem conter certo teor de sulfatos, sendo necessária a verificação de sua constituição química. O mercado Brasileiro possui uma variada gama de marcas, portanto é necessário ficar atento não só ao teor de sulfatos dos aditivos, mas também, principalmente, ao teor de cloretos. Mesmo sendo incomuns, também é possível citar a presença de sulfatos nos agregados utilizados no concreto e também na água de amassamento. Estes fatores dependerão da localidade onde o concreto será produzido, sendo de difícil detecção, uma vez que os testes para detecta-los não são tão acessíveis e dificilmente necessários, por se tratar de um problema não usual. 2.5.1.2 Fontes externas Sais sólidos não atacam o concreto, mas quando estão na forma de solução. Águas subterrâneas, em geral, costumam apresentar uma alta concentração de sulfatos de cálcio, magnésio, sódio e potássio. Estes, geralmente, são de origem natural, mas também podem ser provenientes de fertilizantes e rejeitos industriais. Mesmo com a presença de sulfatos no ambiente ao qual o concreto está inserido, é necessário, ainda, um conjunto de fatores para que estes venham a causar algum
  54. 54. 53 dano no concreto. Como exemplo: sua concentração, solubilidade, difusibilidade no concreto e também fatores ambientais. 2.5.2 Tipos de ataques de sulfatos Os sulfatos podem interagir com o hidróxido de cálcio, o aluminato tricálcico e também o silicato de cálcio hidratado. Estes são os produtos da reação água/cimento e são eles que garantem as propriedades do concreto. As reações dos diversos tipos de sulfato com a pasta de cimento hidratada são divididas entre as formadoras de etringita e as formadoras de gipsita. 2.5.2.1 Formação de etringita O sulfato de cálcio, 3CaSO4, ataca o aluminato tricálcico, C3A, formando a etringita: 3CaO∙Al2O3∙12H2O + 3CaSO4 (aq) → 3CaO∙Al2O3∙3CaSO4∙32H2O (Etringita) (11) O aluminato tricálcico, por sua vez, também pode ser atacado pelo sulfato de sódio, formando a etringita: 2(3CaO∙Al2O3∙12H2O) + 3(Na2SO4∙10H2O) → 3CaO∙Al2O3∙3CaSO4∙32H2O (Etringita)+ 2Al(OH)3 + 6NaOH + 17H2O (12) 2.5.2.2 Formação de gipsita O sulfato de sódio, Na2SO4, reage com o hidróxido de cálcio, produzindo a gipsita: Ca(OH)2 + Na2SO4∙10H2O → CaSO4∙2H2O (gipsita) + 2NaOH + 8H2O (13) O sulfato de magnésio, 3MgSO4, também pode reagir com o hidróxido de cálcio: MgSO4 + Ca(OH)2 + 2H2O → CaSO4∙2H2O (gipsita) + Mg(OH)2 (14) Além do hidróxido de cálcio, o sulfato de magnésio ataca o silicato de cálcio hidratado, C-S-H:
  55. 55. 54 3CaO∙2SiO2 (aq) + 3MgSO4∙7H2O → 3CaSo4∙2H2O (gipsita) + 3Mg(OH)2 + 2SiO2 (aq) + xH2O (15) O sulfato de magnésio apresenta um maior risco à estrutura do concreto, uma vez que também reage com o C-S-H: No caso do ataque do sulfato de magnésio, a conversão do hidróxido de cálcio para a gipsita é simultaneamente acompanhada pela formação do hidróxido de magnésio, que é insolúvel e reduz a alcalinidade do sistema. Na ausência dos íons de hidróxido no sistema, o C-S-H não é mais estável e é também atacado pelo sulfato de magnésio. O ataque pelo sulfato de magnésio é, portanto, o mais severo para o concreto. (Mehta & Monteiro, 2006, pp. 161, tradução do autor). 2.5.2.3 Formação de etringita tardia Este tipo de ataque de sulfatos ocorre quando existe uma fonte interna de etringita. Geralmente sua presença está ligada a agregados que contenham etringita ou cimento contendo uma grande quantidade de sulfatos. No caso deste último, a etringita será formada ainda no concreto fresco. Se, durante o período de cura, o concreto atinge temperaturas superiores a 65°C, seja devido a um processo de cura a vapor ou devido ao calor de hidratação, a etringita no interior do concreto se decompõe liberando íons de sulfato. Posteriormente, já com o concreto endurecido, estes sulfatos formam, novamente, a etringita. Causando o fenômeno expansivo e, consequentemente, o aparecimento de fissuras no concreto. É necessário ressaltar que, caso o concreto não ultrapasse a temperatura de 65°C durante o processo de cura, a etringita no seu interior não trará malefícios. Uma vez que a mesma estará incorporada no interior do concreto, permanecendo inerte. 2.5.3 Fatores que influenciam o ataque de sulfatos Os fatores que influenciam no ataque de sulfatos ao mesmo tempo são aqueles que auxiliam em sua prevenção. Sua grande maioria está relacionada ao estudo do ambiente ao qual o concreto será exposto, além de seus materiais e de sua qualidade de execução.
  56. 56. 55 Tipo de cimento Primeiramente, é necessário ressaltar que a escolha do tipo de cimento não é suficiente, por si só, para combater os efeitos deletérios do ataque de sulfatos. Skalny (2002), recomenda que o tipo de cimento seja escolhido como um nível secundário de proteção, em adição à baixa difusibilidade do concreto, a escolha dos agregados e as demais medidas mencionadas a seguir. A NBR 5737:1992 - Cimentos Portland resistentes a sulfatos, define o cimento como resistente a sulfatos quando o mesmo possui uma ou mais das seguintes características: a) os cimentos cujo teor de C3A do clínquer seja igual ou inferior a 8% e cujo teor de adições carbonáticas seja igual ou inferior a 5% da massa do aglomerante total e/ou; b) os cimentos Portland de alto-forno (CP III) cujo teor de escória granulada de alto-forno esteja entre 60% e 70% e/ou; c) os cimentos Portland pozolânicos (CP IV) cujo teor de materiais pozolânicos esteja entre 25% e 40% e/ou; d) os cimentos que tenham antecedentes com base em resultados de ensaios de longa duração ou referências de obras que comprovadamente indiquem resistência a sulfatos. (NBR 5737, 1992, p. 2) A imposição de um limite máximo para a quantidade de aluminatos tricálcicos, C3A, é devido ao sulfato necessitar desse produto da reação de hidratação do cimento para a formação da etringita, conforme demostrado no item 2.5.2.1. Reduzindo sua quantidade, também se reduzirá a formação de agentes expansivos. Vale ressaltar que, no entanto, a formação de gipsita não ficará prejudicada, uma vez que a quantidade de hidróxido de cálcio, e também de C-S-H, não diminuirá. A adição de material pozolânico, seja a escória de alto forno ou a cinza volante ou a sílica ativa, tem um efeito duplo no concreto no que diz respeito à mitigação do ataque de sulfatos. A reação pozolânica consome parte do hidróxido de cálcio presente na pasta hidratada, reduzindo sua quantidade sem prejudicar, quando feita a dosagem correta, as propriedades do concreto. Além disso, devido à sua elevada finura, os materiais pozolânicos reduzem a porosidade do concreto,

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