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Durabilidade e proteção
do concreto armado
O
primeiro indício do uso do concreto armado no mundo ocorreu
em 1850 na França por Jean-Louis
Lambot. Isso significa que o concreto
armado é um material ou sistema estrutural relativamente “jovem”, com
menos de 200 anos de existência,
porém, a maioria das pessoas que o
utilizam não tem consciência disso.
A origem do concreto armado foi
totalmente intuitiva e empírica. Nesse
contexto, é compreensível que não se
tenha pensado cuidadosamente na durabilidade dos materiais envolvidos.
Contudo, pode-se dizer que a
união desses dois materiais (aço +
concreto) contou com um pouco de
sorte para alcançar a grande aplicação que tem nos dias atuais. Isso porque, felizmente, os coeficientes de
expansão térmica dos dois materiais
são similares e porque o aço dentro
do concreto encontra-se em um meio
altamente alcalino devido à formação de cal, e esse meio com pH acima
de 12 faz com que o aço não corroa. A
menos que haja a presença de íons
despassivantes ou redução do pH devido ao ataque por CO2, por exemplo. Pode-se dizer que foi sorte, porque essa teoria não era conhecida
quando Lambot resolveu confeccionar os seus barcos.
Marcelo Henrique Farias de Medeiros
Prof. Dr. do Departamento de Construção
Civil, Universidade Federal do Paraná
[email protected]
Paulo Helene
Prof. Dr. do Departamento de
Engenharia Civil, Escola Politécnica,
Universidade de São Paulo
Proteção de superfície no contexto da
durabilidade do concreto armado
Pensar em durabilidade do concreto é algo extremamente novo. Há poucas décadas, esse assunto não era considerado um ponto de grande importância. Existia uma impressão geral (tanto
do meio técnico quanto do usuá­rio)
que o concreto armado tinha durabilidade tão extrema que esse não era um
ponto a se preocupar.
Infelizmente a experiência mostrou
o contrário, e há alguns anos a durabilidade do concreto tem sido um dos assuntos mais estudados na área de materiais de construção civil. Isso é reflexo
do impacto econômico que os serviços
de reparo e manutenção de edificações
têm tomado em diversos países, como
muito bem ilustrado na tabela 1.
Dentro do tema durabilidade do
concreto armado, existem várias linhas
de pesquisa, passando pela dosagem racional do concreto, uso de adições pozolânicas, escória de alto forno, fibras,
polímeros, entre outros. Contudo, todas
essas aplicações são inerentes ao uso em
estruturas novas (dosagem do concreto
a ser empregado em uma edificação a ser
construída). Nesse contexto, a proteção
superficial do concreto figura como uma
alternativa que pode ser usada em estruturas novas e em estruturas antigas (trabalhos de manutenção). Essa versatilidade é uma das principais vantagens dessa
ferramenta de elevação da durabilidade
do concreto armado. Porém, é importante ter em mente que nenhuma solução é composta só por vantagens. No
caso da proteção superficial, é de suma
importância ter em mente que a durabilidade do sistema de proteção é muito
inferior à do concreto que está sendo
protegido. Isso significa que para manter
o grau de proteção do sistema é necessário que ele seja renovado de tempos em
tempos, e esse período varia bastante em
função da qualidade e do tipo do produto de proteção empregado.
Tipos de sistemas de proteção de superfície
Os materiais de proteção superficial para concreto podem ser classificados em formadores de película, hi-
Tabela 1 – Gastos com reparo e manutenção em alguns países (Ueda, Takewaka, 2007).
País
Gastos com construções novas
Gastos com manutenção e reparo
Gastos totais com construção
França
85,6 bilhões de euros (52%)
79,6 bilhões de euros (48%)
165,2 bilhões de euros (100%)
Alemanha
99,7 bilhões de euros (50%)
99,0 bilhões de euros (50%)
198,7 bilhões de euros (100%)
Itália
58,6 bilhões de euros (43%)
76,8 bilhões de euros (57%)
135,4 bilhões de euros (100%)
Reino Unido
60,7 bilhões de pounds (50%)
61,2 bilhões de pounds (50%)
121,9 bilhões de pounds (100%)
Observação: Todos os dados se referem ao ano de 2004, exceto no caso da Itália que se refere ao ano de 2002.
2
Téchne 150 | setembro de 2009
superfície
concreto
Figura 1 – para
Grupos
de tratamentos de
superfície para concreto
Na2SiO3 + yH2O + xCa(OH)2 → xCaO
. SiO2 . yH2O + 2NaOH
equação 1
Desse modo, esse tratamento
forma uma camada menos porosa na
superfície da peça de concreto alterando a sua penetração de água. Além
disso, esse sistema de proteção não altera a aparência da superfície do concreto, sendo uma opção a ser considerada nos casos em que alguma exigência arquitetônica proíbe a mudança
estética da superfície do concreto.
(c) Hidrofugantes de superfície:
entre os procedimentos para proteger
superfícies de concreto, as impregnações hidrófugas são as que menos interferem no aspecto das mesmas. Seu
principal efeito consiste em impedir
ou dificultar a absorção de água do
concreto. Na prática, atualmente se
utilizam silanos, siloxanos oligoméricos e misturas desses dois compostos.
Os silanos são hidrorrepelentes
incolores conhecidos quimicamente
como alquiltrialcoxisilano. Possuem
pequena estrutura molecular (diâ-
(a)
(b)
(c)
(a) Formadores de película
(b) Bloqueadores de poros
(a)
(b)superfície (c)
(c) Hidrofugantes
de
(a) Formadores
deetpelícula
Fonte:
adaptado de Bentur
al., 1997
(b) Bloqueadores de poros
Figura 1 – Grupos de tratamentos de
(c) Hidrofugantes de superfície
superfície para concreto: (a) formadores
Fonte: adaptado de Bentur et al., 1997
de
película (b) bloqueadores de poros (c)
hidrofugantes de superfície
Desse modo, os silanos, siloxanos e
substâncias similares penetram nos
poros do concreto e formam uma camada hidrófuga que dificulta a penetração de água na forma líquida (que
pode ingressar contaminada com cloretos), mas permite que o vapor de água
entre e saia do concreto deixando que o
mesmo “respire” (Broomfield, 1997).
Efeitos dos sistemas de proteção
sobre o concreto armado
Na absorção de água
Um dos principais efeitos de um
metro de 1,0 x 10-6 a 1,5 x 10-6 mm), sistema de proteção superficial para
permitindo-lhe penetrar eficiente- concreto armado é a restrição ao inmente mesmo em substratos pouco gresso de água no material. O concreto
permeáveis. São vendidos em con- é um material naturalmente hidrófilo,
centração relativamente alta (de um ou seja, tem elevada afinidade com a
modo geral 20%) e reagem quimica- água. O resultado disso é que quando a
mente com materiais à base de sílica água entra em contato com a superfície
ou alumina. Por ter estrutura mole- do concreto, esta é absorvida quase inscular tão reduzida, são muito voláteis tantaneamente, dependendo do teor de
umidade do concreto. A proteção de
(Batista, 1998).
Os siloxanos são hidrorrepelentes superfície muda essa condição, seja pela
incolores, quimicamente conhecidos transformação do comportamento hicomo alquilalcoxisiloxanos. Possuem drófilo para hidrófugo, seja pelo tamestrutura molecular relativamente ponamento dos poros da camada mais
grande em relação aos silanos (diâme- externa ou pelo isolamento da superfítro de 1,5 x 10-6 a 7,5 x 10-6 mm) e, por cie do concreto do meio externo.
O efeito dos diferentes grupos de
isso, têm menor poder de penetração.
Porém, seu poder de penetração é sufi- tratamento de superfície foi recenteciente para estabelecer uma excelente e mente estudado e a figura 2 mostra
durável condição de hidrorrepelência, uma visão geral da capacidade de repela reação química com materiais dução desses sistemas de proteção suAbsorção
água
por (Basucção
capilar
perficial
na absorção de água por capique contenhamde
sílica
ou alumina
laridade.
Nessa ilustração,
fica notória
tista,
1998).
para concreto de referência e concreto
protegido
8.0
7.0
Absorção (kg/m²)
drofugantes de superfície (de poro
aberto) e bloqueadores de poros, como
representado na figura 1.
(a) Formadores de película: podem
ser divididos em tintas e vernizes. Tinta
é uma composição líquida pigmentada
que se converte em uma película sólida
após sua aplicação em uma camada
delgada. As tintas são formuladas a partir de quatro componentes básicos,
sendo eles resinas, solventes, pigmentos
e aditivos. Já os vernizes são constituídos apenas por resinas, solventes e aditivos. Pela ausência de pigmentos, não
apresentam cor e geralmente têm durabilidade inferior à das tintas.
(b) Bloqueadores de poros: são
produtos compostos por silicatos, que
penetram nos poros superficiais e reagem com a portlandita formando um
produto semelhante ao C-S-H. O silicato de sódio é o produto mais usado
para esse fim.
De acordo com Thompson et al.
(1997), a reação apresentada na equação 1 representa o que acontece quando a solução de silicato de sódio penetra nos poros do concreto.
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
0
5
10
15
20
Referência
Acrílico (B)
Hidrofugante (1)
Acrílico (A)
Poliuretano
Hidrofugante (2)
25
30 Dias
Silicato
Fonte: Medeiros 2008
Figura 2 – Absorção de água por sucção capilar (kg/m2) para concreto de referência
e concreto protegido
3
Figura 3 – Coeficiente de difusão de cloretos
de referência e concreto protegido
apara
r t concreto
i go
100%
8,08E-09
Na termodinâmica da corrosão
D (cm²/s)
17%
1,34E-09
27%
2,21E-9
33%
2,66E-09
8%
6,56E-10
5%
3,71E-10
12%
9,91E-10
Sistemas de proteção
Referência
Acrílico (B)
Hidrofugante (1)
Acrílico (A)
Poliuretano
Hidrofugante (2)
Silicato
Fonte: Medeiros, 2008
Figura
3 – Coeficiente
de difusãode
de cloretos
(cm /s) para concreto de referência e
Figura
4 – Potencial
corrosão
concreto protegido
2
Ecorr (mV)
para concreto de referência e concreto protegido
0
-50
-100
-150
-200
-250
-300
-350
-400
-450
-500
0
Baixa
probabilidade
de corrosão (10%)
Faixa de incerteza
Alta probabilidade
de corrosão (90%)
28
56
84 112 140 168 196 224 252 280 Dias
Referência
Acrílico (B)
Hidrofugante (1)
Acrílico (A)
Poliuretano
Hidrofugante (2)
Silicato
Fonte: Medeiros, 2008
Figura 4 – Potencial de corrosão (mV) para concreto de referência e
concreto protegido
a alta capacidade de redução do ingresso de água para o interior do concreto, devendo-se enfatizar que a capacidade de redução da absorção é bastante variável entre os produtos testados, que estão todos disponíveis no
mercado para a proteção de estruturas
de concreto armado. Além disso, é fácil
perceber que a eficiência desses produtos não depende apenas do tipo de
material, uma vez que o desempenho
apresentado pelos dois acrílicos e pelos
dois hidrofugantes (siliano/siloxanos)
foram bastante diferentes.
Na penetração de cloretos
Outro efeito importante dos sistemas de proteção de superfície é a redução do coeficiente de difusão de clore4
tos, ou seja, redução da velocidade de
contaminação da estrutura quando
submetida a ambientes influenciados
pela proximidade em relação ao mar
(Medeiros; Helene, 2008).
Os dados apresentados na figura 3
mostram o potencial de redução do
coe­ficiente de difusão de cloretos ocasionado pelos sistemas de proteção.
Esses resultados indicam que o coeficiente de difusão de cloretos pode ser
reduzido para valores que representam
entre 5% e 33% em relação ao concreto sem proteção, dependendo do sistema de proteção empregado. Isso se reflete em uma elevação considerável do
tempo de vida útil de serviço de uma
estrutura de concreto armado que
sofra ess tipo de intervenção.
A termodinâmica do processo de
corrosão está diretamente relacionada com o tempo para que haja a despassivação das armaduras, ou seja, o
início do processo de corrosão, muito
conhecido como o período de iniciação. O tempo desde a execução de
uma edificação até o final do período
de iniciação é o tempo de vida útil de
serviço de uma estrutura.
Estudos de corrosão acelerada
foram recentemente desenvolvidos
em laboratório para investigar a in­
fluên­cia dos sistemas de proteção de
superfície na elevação do tempo para
que haja o início da corrosão de armaduras no concreto armado. A figura 4
mostra o resultado desse trabalho e
demonstra que a despassivação das
armaduras é muito influenciada pela
proteção de superfície. Isso porque o
monitoramento do potencial de corrosão em corpos de prova de concreto
armado indicaram despassivação do
aço (início da corrosão) após 280 dias
de exposição à solução com 5% de
NaCl, enquanto o mesmo não ocorreu em nenhum dos casos de concreto
com proteção superficial aplicada.
É importante esclarecer que os valores de potencial de corrosão estão
relacionados com a probabilidade de o
fenômeno da corrosão estar ocorrendo, não significando maior ou menor
velocidade de corrosão, assunto que
será tratado no item que segue.
Efeito na cinética da corrosão
Cinética da corrosão nada mais é
do que a velocidade das reações que
compõem o processo. Ou seja, estando a estrutura com o processo de
corrosão já instalado, é importante
obter informações sobre a velocidade do progresso da deterioração por
corrosão, que tem relação direta com
a resistividade elétrica do concreto.
Desse modo, é plenamente fácil de
entender que uma estrutura com o
processo de corrosão de armaduras
em progresso pode estar corroendo a
diferentes velocidades em função da
resistividade do concreto do substrato, ou seja, da quantidade de eletrólito nos poros do concreto.
Téchne 150 | setembro de 2009
Figura 5 – Velocidade de corrosão
para concreto de referência e concreto protegido
Devo proteger? Que material devo
especificar?
Os resultados usados para ilustrar
os itens anteriores não deixam dúvida
sobre a eficácia do emprego de sistemas de proteção de superfície na elevação da vida útil das estruturas de
concreto armado. Uma boa forma de
mostrar o reflexo que esses materiais
podem ter na elevação da vida útil do
concreto armado é o uso das leis de
Fick da difusão de cloretos juntamente
com a função erro de Gauss para a estimativa do tempo de vida útil em função do cobrimento adotado em projeto ou encontrado na obra a ser recuperada. Esse tipo de raciocínio está representado na figura 6, cujo processo
de cálculo está detalhado em Medeiros
(2008). É importante enfatizar que a
estimativa de vida útil representada na
figura 6 se refere ao caso em que o
agente agressivo principal é o ataque
por íons cloretos e a sua penetração
ocorre por difusão.
Para especificar um sistema de proteção superficial não se deve ter como
base apenas a sua eficiência isoladamente. É de extrema importância que
se tenha em conta a capacidade de
manter essa característica ao longo do
tempo. Um sistema pode ser muito eficaz em barrar o ingresso de água e de
icorr (microA/cm²)
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.3
0.2
0.1
0.0
50
Nível de corrosão
moderado
Nível de corrosão
baixo
60
70
80
90
100
Referência
Acrílico (B)
Hidrofugante (1)
Acrílico (A)
Poliuretano
Hidrofugante (2)
Nível de corrosão
desprezível
Silicato
Fonte: Medeiros, 2008
Figura 5 – Velocidade de corrosão (µA/cm2) para concreto de referência e
Figura
6 – Vida útil estimada x cobrimento
concreto protegido
para concreto de referência e concreto protegido
Limite crítico de Cl-= 0,4% (em relação à massa de cimento)/Cs = 1,8
10
Cobrimento (cm)
O efeito da proteção de superfície,
em uma estrutura que está corroendo,
é exatamente de desacelerar a corrosão
de armaduras pela restrição do ingresso de água para o interior do concreto,
ou seja, aumento da resistividade. A
figura 5 evidencia a eficácia de alguns
sistemas de proteção de superfície
quando aplicadas sobre uma estrutura
de concreto armado contaminada
com 1% de cloretos em relação à massa
de cimento. Nesse caso, os corpos de
prova contaminados (concreto de referência e protegidos) foram submetidos à estabilização em diferentes níveis
de umidade relativa do ar. Verificou-se
que a velocidade de corrosão aumentou drasticamente para umidade relativa acima de 80%, enquanto no caso
do concreto protegido a velocidade de
corrosão se manteve baixa mesmo
acima de 90%.
1
1
10
100 anos
Referência
Acrílico (B)
Hidrofugante (1)
Acrílico (A)
Poliuretano
Hidrofugante (2)
Silicato
Fonte: Medeiros, 2008
Figura 6 – Vida útil estimada (anos) X cobrimento (cm) para concreto de referência e
concreto protegido
cloretos, contudo, não apresentar boa
resistência à radiação UV. Num caso
como esse, um sistema um pouco
menos eficiente quanto à capacidade de
barrar a água e cloretos que tenha uma
maior resistência a esse tipo de radiação
pode ser mais interessante, se o caso envolver a exposição ao sol. Desse modo, é
fundamental analisar a eficiência em
conjunto com a durabilidade do sistema de proteção superficial.
É primordial que o especificador
esteja ciente das condições de serviço a
que os materiais estarão submetidos.
Isso irá evitar a ocorrência de certas
incompatibilidades e consequências
indesejáveis. Por exemplo: o verniz
acrílico base solvente, apesar de ser um
excelente material de acabamento, se
aplicado sem um primer adequado,
escurece a superfície, uma vez que é
incompatível com a alcalinidade do
concreto. A especificação de um verniz
epoxídico para áreas externas pode ser
trágica, caso receba incidência solar,
pois o produto se degrada com a incidência dos raios ultravioleta. É, porém,
um dos melhores em resistência a ataques químicos, podendo ser amplamente utilizado em ambientes industriais. Deve-se tomar cuidado também
na especificação do verniz poliuretano, já que existem dois tipos: o aromático e o alifático, este último bicompo5
Cobrimento Equivalente
da Proteção (cm)
Figura 7 – Cobrimento equivalente
a r t i go
dos sistemas de proteção
16
14
12
10
8
6
4
2
0
CS = 1,8 %
Ccrit. = 0,40 % em rel. a massa de cim.
Sistemas de proteção
Acrílico (A)
Poliuretano
Hidrofugante (2)
Acrílico (B)
Hidrofugante (1)
Silicato
Fonte: Medeiros, 2008
Figura 7 – Cobrimento equivalente dos sistemas de proteção
nente e resistente aos raios solares,
podendo ser usado em superfícies externas. Portanto, nunca se deve especificar um poliuretano aromático para
tratamento de superfícies externas sujeitas à ação solar.
Uma forma muito útil de raciocinar em termos de proteção de superfície foi proposta na tese de doutorado
de Medeiros (2008), em que a proteção é convertida em termos de cobrimento equivalente, que consiste em
quantos centímetros de cobrimento
equivale uma demão de um determinado sistema de proteção. A figura 7
serve como resultado ilustrativo da
avaliação feita por Medeiros (2008).
É importante enfatizar que a experiência e qualificação do profissional
conta muito na hora de especificar
algum tipo de proteção de superfície
para o concreto armado. É importante estar atento a todas as variáveis envolvidas no sistema a ser recuperado,
tais como: se a estrutura já está contaminada com cloretos; se vai estar exposta à radiação U.V.; se existe exposição à água diretamente; se o mecanismo de penetração de água envolve
sucção capilar ou permeabilidade; se
existem outros mecanismos de degradação, tais como: carbonatação, ataque por sulfatos, chuva ácida, ataque
por micro-organismos e outros; condições de acesso; custo da proteção;
facilidade de manutenção; ganho de
vida útil proporcionado.
Considerações finais
É importante que a indústria da
construção civil juntamente com o
usuário veja sua edificação como algo
que necessita de manutenções periódicas e a proteção de superfície é uma
ferramenta que pode e deve ser usada
nos trabalhos de manutenção. É perfeitamente aceito que o dono de um
carro troque suas velas, óleo, lave, faça
balanceamento dos pneus e etc. É exatamente esse conceito que precisa ser
estendido para as edificações, o usuário precisa se conscientizar que uma
edificação não é um bem eterno e sua
durabilidade vai ser maior ou menor
em função da manutenção realizada
ao longo da sua vida útil.
No caso de uma estrutura de concreto armado, a proteção de superfície
tem influência nos dois estágios da
vida útil da estrutura (Iniciação e Propagação), como resume a tabela 2.
Não se pode esquecer que a eficiência de uma proteção superficial é diminuída ao longo do tempo de exposição
ao meio ambiente. Desse modo, o caminho do sucesso para os produtos de
Tabela 2 – Efeito da proteção X Período da vida útil mais influenciado
(Medeiros, 2008)
Efeito da proteção de superfície
Restrição ao ingresso de agentes
agressivos
Redução da umidade interna
6
Período da vida útil mais influenciado
Iniciação (obras novas)
Propagação (obras antigas)
proteção superficial para concreto está
no estabelecimento de um programa
de manutenção, considerando que
cada material tem uma vida útil limitada, necessitando de renovação para garantir o nível de proteção requerido.
Além disso, é importante enfatizar
que a escolha do material a ser especificado precisa estar baseada em dados
técnicos e científicos, além de expe­
riên­cias anteriores. O profissional precisa ter consciência das vantagens e
desvantagens de cada sistema de proteção para especificá-lo adequadamente e de forma compatível com o
tipo e grau de exposição em que a edificação esteja inserida.
Leia Mais
Perfeitos Hidrorrepelentes para
Toda Situação. M. Batista; Revista
Recuperar, v. 23, 1998.
Steel Corrosion in Concrete –
Fundamentals and Civil
Engineering Practice. A. Bentur; S.
Diamond; N. S. Berke. London: E and
FN SPON, 1997.
Corrosion of Steel in Concrete –
Understanding, investigation and
repair. J. P. Broomfield. Londres: E &
FN Spon, 1997.
Contribuição ao Estudo da
Durabilidade de Concretos com
Proteção Superficial Frente à
Ação de Íons Cloretos. M. H. F.
Medeiros. Tese (Doutorado) – Escola
Politécnica, Universidade de São
Paulo, São Paulo, 2008.
Efficacy of Surface Hydrophobic
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Chloride Ion Penetration in
Concrete. M. Medeiros; P. Helene.
Materials and Structures, v. 41,n.1, p.
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Characterization of silicate sealers
on concrete. J. L. Thompson; M. R.
Silsbee; P. M. Gill; B. E. Scheetz.
Cement and Concrete Research, v. 27,
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Performance-based Standard
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and Repair of Concrete Structures
in Japan. T. Ueda; K. Takewaka.
Structural Engineering International,
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Téchne 150 | setembro de 2009