Estudo da repassivação da armadura em concretos carbonatados através da técnica de realcalinização.. por Fernanda Wanderley Corrêa de Araújo - Versão HTML

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FERNANDA WANDERLEY CORRÊA DE ARAÚJO

ESTUDO DA REPASSIVAÇÃO DA ARMADURA EM CONCRETOS

CARBONATADOS ATRAVÉS DA TÉCNICA DE

REALCALINIZAÇÃO QUÍMICA

Tese apresentada à Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo para obtenção

de título de Doutor em Engenharia.

São Paulo

2009

FERNANDA WANDERLEY CORRÊA DE ARAÚJO

ESTUDO DA REPASSIVAÇÃO DA ARMADURA EM CONCRETOS

CARBONATADOS ATRAVÉS DA TÉCNICA DE

REALCALINIZAÇÃO QUÍMICA

Tese apresentada à Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo para obtenção

de título de Doutor em Engenharia.

Área de concentração:

Engenharia de Construção Civil e Urbana

Orientador:

Prof. Dr. Paulo Helene

São Paulo

2009

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE

TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA

FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

FICHA CATALOGRÁFICA

Araújo, Fernanda Wanderley Corrêa de

Estudo da repassivação da armadura em concretos carbona-

tados através da técnica de realcalinização química / F.W.C. de

Araújo. -- São Paulo, 2009.

217 p.

Tese (Doutorado) - Escola Politécnica da Universidade de

São Paulo. Departamento de Engenharia de Construção Civil.

1. Estruturas (Recuperação) 2. Eletroquímica 3. Concreto

armado I.Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Depar-

tamento de Engenharia de Construção Civil II. t.

Aos meus pais e à minha família,

Agradeço todo amor, investimento e carinho dedicados a mim.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente ao Professor Paulo Helene pela confiança, orientação,

ensinamentos e chances de aprendizado durante esses quatro anos e meio de convivência.

Agradeço aos Professores Enio Pazini Figueiredo e Eliana Monteiro por terem

me aberto as portas para a realização deste projeto de vida, além de terem confiado na

minha capacidade.

Agradeço à Escola Politécnica da USP e a todos os seus professores e

funcionários pelo suporte, amizade e carinho durante o desenvolvimento deste trabalho.

Agradeço à Engrácia, ao Paulinho e à Fátima pelo carinho e pela ajuda com a

parte burocrática do curso.

Agradeço aos amigos reencontrados (Marcelo e Fer Giannotti), e aos amigos

conquistados (Luciana, Betinha, Odair, Maurício, Atabyrio, Clebão, Juarez, Clóvis, Flávio

e Cris, Leo Grilo e Karlinha, e Leandro e Rejane), não somente pela ajuda durante a

realização dos experimentos e análise dos resultados, mas também pelos momentos de

alegria e descontração, essenciais para superarmos as dificuldades.

Agradeço à tia Clarinha pelo carinho, abrigo, conselhos e os eventos com o

grupo dos culturais e etílicos.

Agradeço ao Antônio Acácio por ter feito essa etapa da minha vida fluir mais

tranquilamente, não somente por suas sugestões e mediações, mas principalmente por seu

carinho e companheirismo.

Agradeço a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo

(FAPESP) pela concessão de recursos de auxílio à pesquisa e pela bolsa de doutorado.

Agradeço ao IPT pelos ensaios realizados, e à ABCP e à Holcim (Brasil) pelos

materiais doados para o desenvolvimento desta pesquisa.

Por fim agradeço a todos que direta ou indiretamente contribuíram para a

realização deste trabalho.

Feliz aquele que transfere o que sabe e aprende o que ensina.

(Cora Coralina)

i

Escola Politécnica – Universidade de São Paulo – USP – Brasil

ESTUDO DA REPASSIVAÇÃO DA ARMADURA EM CONCRETOS

CARBONATADOS ATRAVÉS DA TÉCNICA DE REALCALINIZAÇÃO

QUÍMICA1

Fernanda Wanderley Corrêa de Araújo

Resumo

Esta pesquisa estudou o método de realcalinização química (RAQ), através

da absorção e difusão de soluções alcalinas na superfície do concreto carbonatado.

Neste estudo foram utilizadas três espécies químicas para obtenção das soluções

alcalinas: carbonato de sódio, hidróxido de potássio, e hidróxido de cálcio. Para avaliar

a eficácia desta nova técnica de reabilitação, foram realizadas medidas de profundidade

de carbonatação e de realcalinização, medidas eletroquímicas de potencial de corrosão e

de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) para a verificação do estado da

armadura, ensaios de imersão, absorção e ascensão capilar em concretos de referência,

carbonatados e realcalinizados.

Em razão da falta de conhecimento sobre a eficácia da técnica de

realcalinização eletroquímica (RAE) em relação à repassivação da armadura, em

paralelo foi realizado o estudo da repassivação das armaduras na RAE. Em relação à

durabilidade da técnica, foi avaliada a resistência do concreto recuperado quando

submetido a um novo ciclo de carbonatação acelerada, analisando as novas

profundidades de carbonatação para cada solução alcalina estudada.

Na repassivação da armadura com a técnica de RAE, a solução de carbonato

de sódio proporcionou valores de potencial de corrosão mais eletropositivos do que a

solução de KOH, e gráficos de EIE similares aos obtidos com a solução de KOH. Na

RAQ, a solução de KOH foi mais eficiente, sendo os resultados de potencial de corrosão

similares aos obtidos com a solução de carbonato de sódio, no entanto, com valores de

impedância e ângulo de fase superiores aos obtidos com carbonato de sódio. A solução

de hidróxido de cálcio foi a que obteve os melhores valores de potencial de corrosão,

proporcionando às barras valores mais eletropositivos do que antes da carbonatação. No

entanto, a RAQ utilizando a solução de hidróxido de cálcio não propiciou a

realcalinização do cobrimento do concreto, devendo então ser melhor estudada e, até

que sua eficácia seja melhor entendida, sua aplicação deve ser vista com ressalvas.

Ao final dos experimentos foi possível verificar que a RAQ aumentou

bastante a durabilidade do cobrimento do concreto quando submetido a um novo ciclo

de carbonatação acelerada. Enquanto os corpos-de-prova de referência ao final dos 45

dias de ensaio de carbonatação acelerada foram quase que totalmente carbonatados, os

corpos-de-prova realcalinizados com as soluções de carbonato de sódio e hidróxido de

potássio não apresentavam qualquer indício de carbonatação.

Palavras-chave: concreto; carbonatação; realcalinização eletroquímica (RAE); realcalinização

química (RAQ); repassivação.

1 ARAUJO, F.W.C. Estudo da repassivação das armaduras em concretos carbonatados através da técnica

de realcalinização química. 2009. 217p. Tese (Doutorado) – Escola Politécnica, Universidade de São

Paulo.

ii

Polytechnic School – University of São Paulo – USP - Brazil

CARBONATED CONCRETE STEEL REPASSIVATION STUDY THROUGH

CHEMICAL REALKALISATION TECHNIQUE2

Fernanda Wanderley Corrêa de Araújo

Abstract

This research studied the method of chemical realkalisation (CRA), through

the absorption and diffusion of alkalis in the carbonated concrete surface, as a new

technique of rehabilitation. The experimental program was conducted in three set of

concrete specimens: reference, carbonated and CRA treated. The CRA method was

studied with three types of alkaline solutions: sodium carbonate, potassium hydroxide

and calcium hydroxide. To evaluate the effectiveness of CRA treatment was carried out

measures of depths of carbonation and realkalisation; electrochemical measurements of

potential and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to verify the condition of

steel bars; immersion, absorption and capillary tests.

Besides these tests, the study of repassivation in corroded steel bars when

applied the technique of electrochemical realkalisation (ERA) was also performed in

parallel, since their effectiveness is considered unclear in various studies regarding the

durability of the technique. The concrete treated with CRA method was submitted to a

new accelerated carbonation cycle, and new measurements of carbonation depth were

made for each alkaline solution applied.

The repassivates reinforcements with ERA technique showed that the

sodium carbonate solution provided corrosion potential values more electropositive than

the KOH solution, and EIS graphics are similar those obtained with the KOH solution.

In CRA technique, the KOH solution was more efficient, and the results of corrosion

potential are similar those obtained with the sodium carbonate solution, however, with

the results of impedance and phase angle higher than for sodium carbonate solution. The

calcium hydroxide solution showed the best results of corrosion potential, providing

bars more electropositive than before carbonation. However, the calcium hydroxide

solution not provided the concrete realkalisation, and this alkaline solution should be

more studied. Their implementation must be viewed with exceptions until its

effectiveness has been proved.

At the end of durability experiments was possible to verify that the CRA

greatly increased the concrete durability when subjected to a new accelerated

carbonation cycle. After 45 days of testing, the reference concrete specimens were

almost totally carbonated. Therefore, the concrete specimens realkalised with sodium

carbonate and potassium hydroxide solutions were no carbonation indication.

Keywords: concrete; carbonation; electrochemical realkalisation (ERA); chemical

realkalisation (CRA); repassivation.

2 ARAUJO, F.W.C. A study on the carbonated concretes steels repassivation through chemical

realkalisation technique. 2009. 217p. PhD Thesis – Polytechnic School – University of São Paulo.

iii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Origem das manifestações patológicas com relação às etapas de produção e

uso das obras civis de concreto armado (Helene, 2007)................................................... 1

Figura 1.2. Lei da evolução dos custos das intervenções, Lei de Sitter (1984). ............... 2

Figura 2.1. Diagrama de Pourbaix com o sistema Fe – H2O a 25ºC para um eletrodo

padrão de hidrogênio, delimitando os domínios prováveis de corrosão, passivação e

imunidade (Medeiros, 2002)............................................................................................. 8

Figura 2.2. Avanço do processo de carbonatação, segundo o CEB/BI 152 (1984). ....... 11

Figura 2.3. Teor de umidade dos poros do concreto em função da umidade do ambiente

(Andrade, 1992). ............................................................................................................. 13

Figura 2.4. Grau de carbonatação em função da umidade relativa do ambiente (Verbeck,

1950, apud Figueiredo et al., 1993). ............................................................................... 13

Figura 2.5. Estudo da profundidade carbonatada verso umidade relativa para diferentes

classes de concreto realizado por (adaptado de Roy et al., 1999, por Abreu, 2004). ..... 14

Figura 2.6. Efeito isolado do percentual de CO2 na profundidade de carbonatação

(Pauletti et al., 2007). ..................................................................................................... 15

Figura 2.7. Influencia do tipo de cimento e sua quantidade por m3 sobre a profundidade

de carbonatação (Ho e Lewis, 1987, apud Figueiredo et al., 1993). .............................. 17

Figura 2.8. Coeficiente de carbonatação médios, para cada relação água/aglomerante,

para concretos que passaram por cura úmida (Castro, 2003). ........................................ 18

Figura 2.9. Influencia da relação água/cimento sobre a profundidade de carbonatação

(Figueiredo et al., 1993). ................................................................................................ 18

Figura 2.10. (a) Valores de potencial da armadura imersa em argamassa por 300 horas.

(b) Valores de potencial da armadura imersa por 300 horas em solução de poros

formuladas (Poursaee e Hansson, 2007). ....................................................................... 22

Figura 2.11. Potenciais de corrosão obtidos através do GECOR6 para concreto de

relação a/c 0,40 (Araujo, 2004). ..................................................................................... 23

Figura 3.1. Velocidade da realcalinização química com diferentes soluções alcalinas

utilizadas por Araujo e Figueiredo (2005). ..................................................................... 26

Figura 3.2. Princípio da realcalinização eletroquímica (adaptada de Araujo, 2004). ..... 29

Figura 3.3. Esquema da realcalinização química (adaptada de Araujo, 2004). .............. 30

Figura 3.4. Realcalinização química por absorção e difusão para relação água/cimento

0,4 (Teixeira, 2002). ....................................................................................................... 31

Figura 3.5. Quantidade de argamassa AC I retida após o ensaio de arrancamento em

diferentes substratos (Araujo et al., 2009). ..................................................................... 36

Figura 3.6. Quantidade de argamassa AC II retida após o ensaio de arrancamento em

diferentes substratos (Araujo et al., 2009). ..................................................................... 36

Figura 3.7. Porcentagem de área removida para cada um dos sistemas de pintura

estudados (Araujo et al., 2009). ...................................................................................... 36

iv

Figura 3.8. Redução da absorção de água em função da RAE (baseado dos dados de

Yeih e Chang, 2005). ...................................................................................................... 38

Figura 3.9. Redução da absorção de água em função da densidade de corrente aplicada

durante o tratamento de RAE (baseado dos dados de Yeih e Chang, 2005). ................. 38

Figura 3.10. (a) Influência da quantidade de corrente aplicada durante a RAE na

resistência à compressão. (b) Influência da quantidade de corrente aplicada durante a

RAE no módulo de elasticidade (Yeih e Chang, 2005). ................................................. 39

Figura 3.11. Resultados de resistência à compressão em corpos-de-prova de referência,

carbonatados e realcalinizados. ...................................................................................... 40

Figura 3.12. (a) Influência da quantidade de corrente aplicada durante a RAE no

potencial de corrosão. (b) Influência da quantidade de corrente aplicada durante a RAE

na taxa de corrosão (Yeih e Chang, 2005)...................................................................... 42

Figura 3.13. Comparação das barras com baixo (passivo) e alto grau (ativo) de corrosão

para diversos tempos de realcalinização e a intensidade de corrosão em solução saturada

de Ca(OH)2 (a), e em argamassa alcalina (b) (González et al., 2000). ........................... 43

Figura 3.14. Comparação para diversos tempos de imersão em solução saturada de

Ca(OH)2 e de velocidade de corrosão de barras com diferentes graus de pré-corrosão,

onde: (a)0; (b) 145; (c) 280; e (d) 4300 mg/dm3 de ferro corroído (Miranda et al., 2003).

........................................................................................................................................ 44

Figura 4.1. Concreto de relação a/c 0,46. (a) Aparência dos agregados devidamente

envolvidos pela argamassa. (b) Abatimento de tronco de cone. .................................... 51

Figura 4.2. Concreto de relação a/c 0,65. (a) Aparência dos agregados devidamente

envolvidos pela argamassa. (b) Abatimento de tronco de cone. .................................... 51

Figura 4.3. Concreto de relação a/c 0,93. (a) Aparência dos agregados devidamente

envolvidos pela argamassa. (b) Abatimento de tronco de cone. .................................... 51

Figura 4.4. Diagrama de dosagem para concretos de abatimento de tronco de cone de

6±1 cm e teor de argamassa de 52%............................................................................... 52

Figura 4.5. Modelo de corpo-de-prova para os ensaios eletroquímicos. ........................ 53

Figura 4.6. Limpeza das barras com imersão em solução de ácido clorídrico, água

destilada e hexametilenotetramina.................................................................................. 53

Figura 4.7. As barras após a secagem e armazenadas em um dessecador com sílica gel.

........................................................................................................................................ 54

Figura 4.8. Esquema da delimitação da área a ser despassivada. ................................... 54

Figura 4.9. (a) Fôrma para moldagem dos corpos-de-prova dos ensaios de medidas

eletroquímicas. (b) Detalhe das armaduras cobertas com fita isolante e alinhadas devido

às guias. .......................................................................................................................... 55

Figura 4.10. Fôrma montada e pronta para a realização da moldagem, com as armaduras

revestidas com fita isolante e devidamente alinhadas através das guias. ....................... 55

Figura 4.11. (a) Corpos-de-prova cobertos por papel filme para evitar perda de água

para o ambiente. (b) Corpos-de-prova depois de 24 horas de moldagem. ..................... 55

v

Figura 4.12. Caixa plástica com solução de NaCl saturado (ASTM E104, 2002) para

controlar a umidade em 75±5%, e recipiente de silicato de bário para evitar a

carbonatação das amostras no interior das mesmas........................................................ 56

Figura 4.13. Corpos-de-prova carbonatados no interior de caixas plásticas para controlar

a umidade em 75±5% no interior das mesmas. .............................................................. 57

Figura 4.14. Fluxograma dos ensaios eletroquímicos realizados nesta pesquisa. .......... 59

Figura 4.15. Fluxograma dos ensaios físicos realizados nesta pesquisa. ....................... 60

Figura 4.16. Gráfico da composição granulométrica do agregado miúdo. ..................... 62

Figura 4.17. Gráfico da composição granulométrica do agregado graúdo. .................... 62

Figura 4.18. Detalhe da área exposta das barras dos corpos-de-prova prismáticos coberta

com graxa condutora para evitar a corrosão das mesmas na câmara de carbonatação. . 64

Figura 4.19. Detalhe dos corpos-de-prova selados com fita adesiva nas faces onde não

era desejada a ocorrência da carbonatação acelerada. .................................................... 65

Figura 4.20. Câmara de carbonatação acelerada, com capacidade de 1000 litros,

empregada para a realização dos ensaios acelerados de carbonatação. .......................... 65

Figura 4.21. (a) Esquema do sistema eletroquímico a ser aplicado na realcalinização. (b)

sistema de realcalinização eletroquímica. ...................................................................... 67

Figura 4.22. Esquema do circuito utilizado como fonte de corrente (Monteiro, 2002). 68

Figura 4.23. Chapa de aço inoxidável utilizada como ânodo no tratamento de RAE. ... 69

Figura 4.24. Detalhe da colocação do selante e da atuação da frente de carbonatação ou

realcalinização no corpo-de-prova.................................................................................. 70

Figura 4.25. Esquema básico do método de determinação do potencial de corrosão da

armadura. ........................................................................................................................ 71

Figura 4.26. Esquema da obtenção da impedância eletroquímica em um sistema de três

eletrodos (Medeiros, 2008). ............................................................................................ 73

Figura 4.27. Diagrama de Nyquist, com o seu circuito equivalente, para o caso do

concreto armado, mostrando o efeito do elemento de Walburg (adaptada de Silva, 2006,

e Cascudo, 1991). ........................................................................................................... 75

Figura 4.28. Diagrama de Bode representando a impedância (módulo e ângulo de fase)

de um sistema eletroquímico de corrosão em função da freqüência angular (adaptada de

Cascudo, 1991). .............................................................................................................. 77

Figura 4.29. Circuito equivalente simples do tipo Randles (Machado, 2004). .............. 77

Figura 4.30. (a) Potenciostato da marca EG&G Instruments/Modelo 273A. (b) Detalhe

da leitura da EIE nos corpos-de-prova de ensaio. .......................................................... 78

Figura 4.31. Recipiente nos qual os corpos-de-prova ficaram imersos para o ensaio,

detalhe à direita das escalas para conferência da altura da película de água. ................. 79

Figura 4.32. Corpos-de-prova rompidos transversalmente após a finalização do ensaio

de absorção capilar. ........................................................................................................ 80

Figura 5.1. Espectros de impedância de concretos com barras de aço passivada e

despassivada (Silva, 2006). ............................................................................................ 83

vi

Figura 5.2. Evolução dos espectros de impedância obtidos em concretos com diferentes

relações a/c (0,65 e 0,80) e tempos de curas (01 e 28 dias) antes da carbonatação aos

3,5 meses de idade, com o número da barra a que se referem (Bxxx): (a) Diagrama de

Nyquist, (b) e (c) Diagramas de Bode. ........................................................................... 85

Figura 5.3. Corpos-de-prova ―irmãos‖ utilizados nos ensaios eletroquímicos totalmente

carbonatados. .................................................................................................................. 87

Figura 5.4. Resultados de potencial de corrosão (Ecorr) antes de iniciar a carbonatação

acelerada (na idade de 3,5 meses) e depois de carbonatado todo o cobrimento da

armadura (armaduras despassivadas). Nas duas situações, os corpos-de-prova tinham

acabado ser retirado de uma câmara que se encontrava na umidade relativa de 75±5%.

........................................................................................................................................ 88

Figura 5.5. Evolução dos espectros de impedância obtidos em concretos com diferentes

relações a/c (0,65 e 0,80) e tempos de curas (01 e 28 dias) totalmente carbonatados, com

o número da barra a que se referem (Bxxx): (a) Diagrama de Nyquist, (b) e

(c) Diagramas de Bode. .................................................................................................. 90

Figura 5.6. Realcalinização eletroquímica dos corpos-de-prova carbonatados.............. 92

Figura 5.7. Concretos realcalinizados eletroquimicamente em solução de Na2CO3 na

concentração de 1 M, que depois de 12 dias de tratamento apresentaram a cristalização

de sal na sua superfície: (a) corpo-de-prova de a/c 0,80 e cura de 1 dia; (b) corpos-de-

prova de a/c 0,65 e cura de 1 dia. ................................................................................... 92

Figura 5.8. Leituras de potencial de corrosão nas barras dos corpos-de-prova

realcalinizados eletroquimicamente logo após a finalização do tratamento ainda