avaliação da influência de parâmetros ambientais na corrosão

Anais do 14O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XIV ENCITA / 2008
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 20 a 23, 2008.
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS AMBIENTAIS NA
CORROSÃO DAS ARMADURAS – DADOS DO IETCC
Thiago Pimentel Nykiel
Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). Rua H8 A, Apto 131, Campos do CTA, São José dos Campos, São Paulo.
CEP: 12228-460.
[email protected]
Maryangela Geimba de Lima
Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), Centro Técnico Aeroespacial, Divisão de Engenharia Civil-Aeronáutica.
Pç. Mal. Eduardo Gomes, 50.Vila das Acácias, São José dos Campos, São Paulo – Brasil. CEP: 12228-900.
[email protected]
Resumo. Este trabalho tem como objetivo apresentar os resultados do tratamento dos dados coletados por Lima (2001) em seu
programa de pós-doutoramento, realizado no Instituto Eduardo Torroja, Madri, Espanha. No total, tem-se um banco de dados de
mais de 10 anos, contendo dados de Temperatura e Umidade Relativa externa (do ambiente), Temperatura e Umidade Relativa
interna (medidas no interior das estruturas de concreto em estudo, através de sensores) e Corrente e Potencial de Corrosão. Com
um banco de dados desta natureza pôde-se trabalhar as informações, através de ferramentas matemáticas, de forma a se obter
informações preliminares sobre a modelagem de degradação das estruturas relacionando dados do ambiente com dados medidos
de velocidade de corrosão das armaduras. Como principais resultados, decorrentes deste estudo preliminar, tem-se que a
velocidade de corrosão é dependente dos parâmetros ambientais do entorno; infelizmente, com as análises realizadas, não foi
possível realizar uma modelagem consistente, tendo-se, como principais conclusões, as correlações realizadas e o estudo da
potencialidade de uso de séries temporais nas análises em questão.
Palavras chave: corrosão, estruturas de concreto, dados ambientais, velocidade de corrosão.
1. Introdução
Em geral, os estudos sobre durabilidade das estruturas de concreto levam em consideração aspectos relativos aos
constituintes dessa estrutura (agregados, cimento, aço), de sua mistura (relação água/cimento ou água/aglomerante, uso
de aditivos, etc.) ou então a sua construção (condições de cura, por exemplo). Faz-se necessário para o conhecimento do
comportamento da estrutura, conhecer o meio ambiente onde ela está inserida, esse meio pode fazer com que um
concreto devidamente especificado e executado tenha sua vida útil reduzida significativamente.
As estruturas de concreto devem ser projetadas e construídas de forma a fornecer, durante sua vida de serviço,
condições adequadas de uso e de segurança aos que delas se utilizam.
Quando se considera a vida de serviço de uma estrutura de concreto, as condições ambientais sob as quais essa
estrutura está exposta são tão importantes quanto suas propriedades mecânicas.
Temperatura, umidade relativa, vento, poluição, agressividade da água em contato, entre outros, são parâmetros
que influenciam na degradação das estruturas de concreto, tanto protendidas quanto armadas ou não-armadas.
Almusallam (2001) afirma, por exemplo, que a temperatura do ar, a umidade relativa e a velocidade do vento
afetam as propriedades tanto do concreto fresco quanto do concreto endurecido. Temperatura elevada e baixa umidade
relativa aceleram a retração plástica do concreto. Devido ao fenômeno de retração surgem tensões que geram fissuras,
as quais degradam o concreto, principalmente por permitirem a penetração de Oxigênio e umidade no material, dando
origem, por exemplo, à corrosão das armaduras.
Além da temperatura ambiente, deve-se considerar a ação do vento e a radiação solar que, conjuntamente,
influenciam na variação de temperatura no interior do concreto. O ideal sempre é estudar o efeito sinérgico, combinado,
desses agentes.
Como exemplo, pode-se analisar a influência da temperatura na velocidade de corrosão, conforme apresentado na
Figura 1. Como pode ser observado, existe uma variação nos valores medidos de corrente de corrosão de acordo com o
comportamento da temperatura.
As informações apresentadas neste gráfico (Figura 1) é que deram origem ao projeto de iniciação científica cujos
resultados são apresentados neste trabalho; a necessidade de entender como estes fenômenos estão relacionados e qual
seu comportamento.
Alguns dados são dispersos em relação a massa geral de dados mas são dados presentes e que não podem ser
descartados em um primeiro momento, sem um estudo aprofundado de seu significado. Monitorações de estruturas
reais levam ao entendimento do comportamento dessas estruturas frente a ação das cargas atuantes, sejam elas
resultantes da ação do meio ambiente do entorno ou não, resultante de carregamento em uso, por exemplo.
Anais do XIV ENCITA 2008, ITA, Outubro, 20-23, 2008
0,900
0,800
0,700
0,600
0,500
0,400
0,300
0,200
0,100
0,000
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
Temperatura (oC)
50,0
2483
2264
1344
1070
1183
1006
712
887
588
539
463
414
367
322
290
233
207
175
127
102
-10,0
0
Icorr
,
Idade (días)
Icorr
TEMP-EXT
Polinômio (TEMP-EXT)
Polinômio (Icorr)
Figura 1 - Comportamento da corrente de corrosão (Icorr) e da temperatura ambiente (TEMP-Ext) (Lima, 2005)
Poucos são os estudos que relacionam parâmetros medidos de degradação com fatores ambientais, buscando
especialmente a modelagem dos fenômenos relacionando-os. Existem hoje dois grandes projetos internacionais em
andamento: O projeto DURACON (realizado na Iberoamerica) e o Projeto DURACRETE (realizado na União
Européia). Projetos desta natureza necessitam de períodos longos para sua realização e volumes consideráveis de
recursos.
Este trabalho tem como objetivo analisar os dados coletados por Lima (2001) em seu programa de pósdoutoramento, realizado no Instituto Eduardo Torroja, Madri, Espanha, no ano de 2001. Os dados coletados na ocasião
eram monitorados anteriormente, e seguem em monitoração até os dias de hoje. No total tem-se um banco de dados de
mais de 10 anos, contendo dados de Temperatura e Umidade Relativa externa (do ambiente), Temperatura e Umidade
Relativa interna (medidas no interior das estruturas em estudo, através de sensores) e Corrente e Potencial de Corrosão.
Com um banco de dados desta natureza pode-se trabalhar as informações, através de ferramentas matemáticas, de forma
buscando entender as relações existentes entre os parâmetros ambientais e a degradação das estruturas de concreto por
corrosão de suas armaduras.
2. Revisão Bibliográfica
Com exceção de alguns metais nobres, os metais são quase sempre encontrados na natureza em forma de óxidos.
Isso significa que esses compostos são as formas mais estáveis para estes metais. A corrosão pode ser encarada como a
tendência de retorno dos metais já beneficiados para um composto mais estável. Assim, por exemplo, quando uma peça
de aço enferruja, o ferro, principal componente desta liga metálica, está retornando à sua forma mais estável que é na
forma de óxido de ferro, que é encontrado na natureza originalmente.
A corrosão atua nas armaduras no interior do concreto corroendo o ferro que é o principal componente das ligas de
aço. As conseqüências desse processo corrosivo estão relacionadas à perda de capacidade de suporte pelas estruturas de
concreto armado, devido a perda de sessão resistente das armaduras.
A corrosão nas estruturas de concreto armado é um processo de natureza eletroquímica, onde está presente reações
anódicas e catódicas. (Schiessl,1983 , apud Lima, 1996). A Figura 2 indica a ação da célula do processo corrosivo
composto pela zona anódica e catódica.
Anais do XIV ENCITA 2008, ITA, Outubro, 20-23, 2008
,
Figura 2 - Célula de corrosão (Lima, 1996)
Gomes, Barreto e Popovics (1993, apud, Lima, 1996) apresentam as reações mais prováveis durante o processo
corrosivo na Tabela 1.
Tabela 1 - Reações do processo corrosivo (Lima, 1996)
Reação provável
Características
produto formado
-------2 Fe → 2 Fe2 + + 4 e−
−
−
-------2 H O + O + 2 e → 4 OH
Região
Zona anódica
Zona catódica
2
2
2 Fe + 4 OH − → 2 Fe( OH ) 2
2 Fe2 + + 4 OH − → 2 FeO. H2 O
Superfície da
Barra
eletrólito
2+
ou
do
4 Fe( OH ) 2 + 2 H2 O + O2 → 4 Fe( OH ) 3
3Fe + 8OH − → Fe3O4 + 8e− + 4 H2 O
4 Fe( OH ) 2 + 2 H2 O + O2 → 4 Fe2 O3 . H2
Hidróxido
ferroso,
fracamente solúvel, de cor
marrom
Óxido ferroso hidratado,
expansivo, de cor marrom
Hidróxido
férrico,
expansivo, avermelhado
Óxido de característica
mista - férrico e ferroso
Óxido férrico hidratado,
expansivo
De acordo com Helene (1986) três fatores são necessários para que a corrosão das armaduras no interior do
concreto se desenvolva:
⋅
Eletrólito: meio por onde a corrente elétrica irá passar entre o cátodo e ânodo. É constituído basicamente de
íons em solução;
⋅
Diferença de potencial: entre dois pontos da armadura devido às diferenças de concentração salina, umidade,
aeração e heterogeneidades inerentes ao concreto, entre outros;
⋅
Oxigênio: dissolvido na água presente nos poros do concreto.
A Figura 3 apresenta um modelo físico para o desenvolvimento do processo corrosivo das armaduras no interior do
concreto.
A fissuração do concreto próximo à região de corrosão é outra conseqüência do processo corrosivo. Isso é devido à
característica de expansão apresentadas pelos produtos de corrosão (óxidos de ferro). A fissuração é uma porta de
entrada de água e outros compostos nocivos às armaduras, intensificando o processo de corrosão, como cloretos,
sulfetos e gás carbônico.
Anais do XIV ENCITA 2008, ITA, Outubro, 20-23, 2008
,
Figura 3 - Etapas do processo corrosivo Farias (1988, apud, Lima, 1996)
2.1. O material concreto
O concreto é o material mais utilizado na engenharia para a construção de obras de infra-estrutura e residências em
geral. Ele é constituído por uma mistura de cimento, areia, pedra e água. Esse material é heterogêneo e complexo.
De acordo com Mehta (1994), o estudo desse material é divido em três partes que correspondem a suas fases: a
pasta, o agregado e a zona de transição. A zona de transição é a região de interface entre as partículas do agregado
graúdo e a pasta. É uma camada delgada de 10 a 50 µm de espessura ao redor do agregado graúdo; ela é, geralmente,
mais fraca que as outras duas fases, por isso exerce uma influência muito grande no comportamento mecânico do
concreto. A pasta do concreto é uma região extremamente heterogênea de diferentes tipos de fases sólidas (como, o
silicato de cálcio hidratado, o hidróxido de cálcio e o sulfoaluminatos de cálcio), poros e microfissuras. O agregado é
constituído por materiais como o seixo e a rocha britada e possui influência na massa unitária, módulo de elasticidade e
estabilidade dimensional do concreto.
2.2. Ação do meio ambiente sobre estruturas de concreto
Para o conhecimento do comportamento de estruturas de concreto ao longo de sua vida útil é importe saber quais
são as características do meio ambiente onde esta estrutura será construída. Esse meio pode interferir na durabilidade
das peças diminuindo a vida útil de toda a estrutura. Existem vários fatores que interferem na durabilidade das
estruturas de concreto, tais como, clima, temperatura, amplitude térmica, chuva, umidade relativa, chuva ácida e
poluentes, por exemplo.
Nos processos de degradação das estruturas de concreto, a influência da temperatura pode ser desconsiderada,
porém essa influência pode aumentar a velocidade com que essa degradação pode ocorrer. De acordo com Geho-CEB
(1993, apud Lima, 2005) um aumento de 10º C na temperatura, dobra a velocidade das reações químicas de corrosão do
aço. Nos países tropicais a influência desse fator é muito mais relevante que em países temperados.
Anais do XIV ENCITA 2008, ITA, Outubro, 20-23, 2008
,
O efeito de grandes variações térmicas pode ser crítico no estudo da contração ou retração do concreto. O
aparecimento de esforços de tração no interior do concreto devido a essas variações pode gerar o aparecimento de
fissuras que podem prejudicar a vida útil das estruturas. (Paulon, 1985)
O meio ambiente urbano caracterizado pelo acúmulo populacional, poluição, maior ocorrência de chuvas ácidas,
deposição de partículas sólidas e lançamento em excesso de gás carbônico na atmosfera provoca a intensa degradação
das estruturas de concreto armado. A poluição das grandes cidades (principalmente pela emissão de gás carbônico e
compostos de enxofre) gera o aumento da velocidade da carbonatação dos concretos e conseqüentemente corrosão nas
armaduras.
O meio ambiente marinho apresenta presença de sais, como os de base Cloreto, que penetram na estrutura através
dos poros do concreto. Quando chegam às armaduras, estes íons provocam corrosão das armaduras.
A combinação dos agentes agressivos, presentes nas grandes cidades localizadas no litoral (o Brasil apresenta 60%
da população em região litorânea) caracteriza o meio ambiente urbano-marinho, onde o comportamento é diferenciado
dos ambientes isolados.
O enfoque deste trabalho é na ação das variáveis ambientais Temperatura e Umidade Relativa na velocidade de
corrosão medida em estruturas. A presença de agentes agressivos é condicionante para o desencadeamento da corrosão,
cuja velocidade será influenciada pela Temperatura e Umidade Relativa do ambiente onde a estrutura está inserida.
2.3. Durabilidade do concreto
De acordo com Sarja e Vesikari (1996, apud Andrade, 2005), durabilidade é a capacidade de uma estrutura manter
um desempenho mínimo em um determinado tempo, sob influência de agentes agressivos. O concreto é um material de
excelente durabilidade em diferentes ambientes; por isso é um material bastante utilizado no mundo. Porém, a ação de
agentes nocivos a esse material provoca seu envelhecimento, ou seja, perda progressiva de desempenho estético,
funcional e estrutural. As causas da degradação do concreto armado estão ligadas a esses agentes e envolvem ainda
ações mecânicas, físicas, químicas, físico-químicas e biológicas que atuam nesses tipos de estruturas. (Andrade, 2005).
As principais origens e causas estão apresentadas na Tabela 2.
Tabela 2 - Principais origens e causas do processo corrosivo (Lima, 1996)
Anais do XIV ENCITA 2008, ITA, Outubro, 20-23, 2008
,
3. Metodologia
3.1. Dados utilizados
Os dados utilizados neste trabalho foram coletados por Lima (2001) em seu programa de pós-doutoramento,
realizado no Instituto Eduardo Torroja, Madri, Espanha e apresentam-se na forma de tabelas contendo os dados
monitorados (leituras de velocidade de corrosão, umidade relativa e temperatura internas às peças de concreto armado)
e os dados ambientais relativos medidos em simultaneidade.
As medições foram realizadas em Vigas de sessão T expostas ao ambiente de Madrid. Uma vista das vigas e da
monitoração sendo realizada pode ser vista na Figura 4.
Figura 4 – Vista geral das medições e das peças no ambiente de exposição (Foto: Maryangela Geimba de Lima,
2008)
4. Tratamento e Análise de dados
O banco de dados utilizado para a modelagem do processo de corrosão possui mais de 10 anos, contendo
aproximadamente 400 observações de idade, Temperatura e Umidade Relativa externa (do ambiente), Temperatura e
Umidade Relativa interna (medidas no interior das estruturas em estudo, através de sensores) e Corrente e Potencial de
Corrosão.
Para a análise desse banco de dados foi utilizado o Microsoft Excel 2007, por ser um software capaz de realizar
regressões lineares e temporais estabelecidas para o estudo preliminar aqui apresentado.
Para o estudo separado para apresentação neste artigo foram escolhidos os primeiros quatro anos de observações
com 238 dados.
De acordo com os trabalhos apresentados anteriormente, as três variáveis que mais influenciam na corrente de
corrosão são os parâmetros no interior da peça de concreto armado: temperatura, umidade relativa e idade. As análises
estatísticas foram iniciadas com esses três parâmetros, pois caso não se encontre uma correlação entre essas variáveis e
a corrosão, é necessário ou um estudo mais aprofundado de outras variáveis que interferem nesse processo ou a
aplicação de outros softwares estatísticos nesta modelagem e análise.
Foram realizados três tipos de análise para esse problema: linear, multiplicativa e temporal.
Utilizando conceitos de regressão linear, pôde-se chegar ao resultado apresentado pela Tabela 3:
Tabela 3 - Resultado da regressão linear (software Excel, versão 2007)
Anais do XIV ENCITA 2008, ITA, Outubro, 20-23, 2008
,
Pode-se verificar que aderência a esse modelo foi muito baixa, R2 igual a 0,065, indicando que esse modelo não é
compatível para a descrição do processo corrosivo, utilizando-se esse banco de dados disponibilizado.
A regressão multiplicativa para essa modelagem também não teve sucesso. Foi encontrada aderência baixa do
modelo, R2 igual a 0,06. O resultado obtido dessa regressão está indicado na Tabela 4.
Tabela 4 - Resultado da regressão multiplicativa (software Excel, versão 2007)
A regressão temporal foi obtida pela análise dos parâmetros de idade da peça, temperatura, umidade no seu interior
e a valor da corrente de corrosão na medição anterior. Este modelo foi o que possuiu maior aderência entre os
analisados, mas ainda obteve-se um valor muito baixo R2. O resultado da regressão temporal está apresentado na Tabela
5.
A segunda modelagem temporal foi obtida através da análise da primeira medição de cada mês dos parâmetros de
temperatura, umidade, idade e da medição do mês anterior no período do banco de dados. Portanto, foram obtidas 46
observações. O resultado dessa análise está indicado na Tabela 6.
Tabela 5 - Resultado regressão temporal
Tabela 6 - Resultado da regressão temporal 2
Anais do XIV ENCITA 2008, ITA, Outubro, 20-23, 2008
,
5. Considerações finais
Pode-se concluir que nenhuma das modelagens sugeridas possui uma boa aderência para ser utilizada para
descrever o processo corrosivo em termos de suas causas principais que são: temperatura, umidade externa e idade da
estrutura de concreto. Um dos motivos pode ser a modelagem disponibilizada pelo próprio software utilizado. Outro
aspecto é que deve-se levar em consideração a inércia do próprio material em responder às ações do meio ambiente;
isso pode criar uma resposta distinta daquela quando se submete um corpo-de-prova a ação constante de um agente,
sem o relacionamento entre eles e a ação acumulada de variações consecutivas dos mesmos parâmetros analisados.
Os modelos obtidos de regressões estatísticas foram insuficientes para a sugestão de modelagem da corrosão nas
estruturas de concreto armado monitoradas. Assim, faz-se necessário a formulação matemática por softwares
estatísticos mais adequados e a obtenção de dados de outros parâmetros que podem influenciar na corrosão das
estruturas, como a concentração de íons cloreto e o processo de carbonatação.
O escopo do trabalho foi analisar a possibilidade de modelagem, com os dados disponíveis, para os parâmetros
utilizados; com as análises realizadas essa modelagem não pode ser desenhada. No entanto, cabe ressaltar que outras
análises podem e devem ser realizadas, utilizando outras ferramentas estatísticas mais adequadas.
6. Agradecimentos
Primeiramente, gostaria de agradecer ao CNPq pelo incentivo aos estudos e pesquisas que certamente fazem com
que o Brasil obtenha notáveis resultados científicos que ajudam no desenvolvimento nacional.
Agradeço a Prof. Maryangela, coordenadora dessa pesquisa, pela grande ajuda para que esse projeto fosse
desenvolvido brilhantemente.
Também agradeço a minha família e minha namorada que sempre proporcionam momentos de relaxamento e
descontração, tão necessários na vida de um universitário.
Finalmente, deixo meus agradecimentos a todos os integrantes do ITA que fizeram com que esse projeto tenha sido
desenvolvido.
7. Referências
Almusallam, A. A., 2001, “Effect of environmental conditions on the properties of fresh and hardened concrete.
Cement
and
Concrete
Composites”.
Vol.
23,
pp.
353-361.
Disponível
em:
<http://www.elsevier.com/locate/cemconcomp>. Acesso em: 05 set. 2008.
Andrade, T., 2005, Tópicos sobre durabilidade do concreto. In: Ed. ISAIA, G. C. Concreto – Ensino, Pesquisa e
Realizações. São Paulo: IBRACON. v. 1, pp. 753-792.
Duracrete, 1999, “Models for environmental actions on concrete structures”. The European Union – Brite EuRam III,
273p.
Helene, P.R.L., 1986, “ Corrosão de armaduras no concreto”. PINI, São Paulo, 47p.
Lima, M. G., 2005, Ação do meio ambiente sobre as estruturas de concreto. In: Ed. ISAIA, G. C. Concreto – Ensino,
Pesquisa e Realizações. São Paulo: IBRACON. v. 1, pp. 713-751.
Lima, M.G. 2001. “Influencia de los factores ambientales (HR y Temperatura) em La corrosión de las armaduras em las
estructuras de hormigón armado”, Relatório de pós-doutoramento.
Lima, M. G., 1996, “Inibidores de Corrosão - Avaliação da Eficiência frente à Corrosão Provocada por Cloretos”.
Dissertação (Doutorado), Universidade de São Paulo, USP, Brasil.
Mehta, P. K. & Monteiro, P. K., 1994, “Concreto: Estrutura, propriedades e materiais”. Ed. Pini, Brasil, pp. 1-186.
Neville, A. M., 1982, “Propriedades do concreto”.Ed. Pini. S. Paulo, Brasil, pp. 412-501.
Paulon, V.A., 2005, A microestrutura do concreto convencional. In: Ed. ISAIA, G. C. Concreto – Ensino, Pesquisa e
Realizações. São Paulo: IBRACON. v. 1, pp. 583-604.