( PDF ) Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica em ambiente natural e acelerado

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CONTRIBUIÇÃO AO ESTUDO DA CARBONATAÇÃO DO

CONCRETO COM ADIÇÃO DE SÍLICA ATIVA EM

AMBIENTE NATURAL E ACELERADO

Edna Possan

Porto Alegre

setembro 2004

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EDNA POSSAN

CONTRIBUIÇÃO AO ESTUDO DA CARBONATAÇÃO DO

CONCRETO COM ADIÇÃO DE SÍLICA ATIVA EM

AMBIENTE NATURAL E ACELERADO

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em

Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul,

como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em

Engenharia

Porto Alegre

setembro 2004

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POSSAN, Edna

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto

com adição de sílica ativa em ambiente natural e

acelerado / Possan, Edna – Porto Alegre:

PPGEC/UFRGS, 2004.

153p.

Dissertação de mestrado, Programa de Pós-Graduação

em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio

Grande do Sul; Mestre em Engenharia. Orientadores:

Denise Carpena Coitinho Dal Malin e Jairo José de

Oliveira Andrade.

1. carbonatação 2. sílica ativa 3. ensaios de

degradação 4. durabilidade 5. previsão de vida útil

I. Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto

com adição de sílica ativa em ambiente natural e

acelerado.

CCAA2

EDNA POSSAN

CONTRIBUIÇÃO AO ESTUDO DA CARBONATAÇÃO DO

CONCRETO COM ADIÇÃO DE SÍLICA ATIVA EM

AMBIENTE NATURAL E ACELERADO

Esta dissertação de mestrado foi julgada adequada para a obtenção do título de MESTRE EM

ENGENHARIA e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo Programa de

Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

Porto Alegre, 24 de setembro de 2004

Profª. Denise Carpena Coitinho Dal Molin Prof. Jairo José de Oliveira Andrade

Dra. pela EPUSP/USP Dr. pela UFRGS

orientadora orientador

Prof. Américo Campos Filho

Coordenador do PPGEC/UFRGS

BANCA EXAMINADORA

Prof. Claudio de Souza Kazmierkzak (UNISINOS)

Dr. pela Universidade de São Paulo

Profª. Aguida Gomes de Abreu

Dra. pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Prof. Luiz Carlos Pinto da Silva Filho (UFRGS)

PhD. pela Universidade de Ledees

Dedico este trabalho

a meus queridos pais,

Adair e Helena Possan

AGRADECIMENTOS

A Deus que me conferiu a capacidade desta conquista.

A professora Denise Dal Molin, pela orientação competente e principalmente incentivo e

amizade dispensados na elaboração deste trabalho.

A Jairo Andrade, pela co-orientação, amizade e otimismo demonstrados desde o início desta

dissertação.

Ao professor Ribeiro pela grande ajuda na modelagem dos resultados.

Ao NORIE, núcleo de pesquisa de muita competência e integração, do qual tive a honra de

fazer parte. Aos colegas do NORIE, pela camaradagem e aos professores pela oportunidade

de aprimorar meus conhecimentos e aprendizado.

Aos colegas do grupo de pesquisa de materiais Aguida, Aline, Alexandre, Ana Paula,

Bernardo, Cristiane, Daniel, Elaine, Geilma, Lucilia, Marcelo, Maria Tereza, Natália, Sandro

e Simone, pelo companheirismo e apoio recebido.

A Elaine Moreira e Simone Venquiaruto, presentes em todos os momentos, valeu pela

amizade, otimismo, colaboração, dedicação e carinho. A Aline Morales, pelas inúmeras

sugestões e amizade.

A Helenize, Flávia e Fernanda Moscarelli, pela amizade e companheirismo, os nossos bate-

papos foram inspirações de grandes idéias.

A minha irmã Flaviane, que sempre me apoiou, compreendeu e ajudou, a qual teve a

experiência de morar comigo durante todo o mestrado aturando meus devaneios e crises,

valeu pela paciência.

A meu irmão Edison e a mana Adriana, sempre confiantes e otimistas elevavam meus espírito

em todos os momentos.

A meus amados pais Adair e Helena, razão de minha existência e principais responsáveis por

essa conquista, obrigada por tudo.

Aos amigos do Paraná, Andrea, Simone, Fabio, Leila, Jorge, Telma, Jackeline, Vanessa,

Sakamoto... pelo carinho o apoio.

A Carlos Alberto Demoliner pela grande amizade, atenção, credibilidade e otimismo

dedicado. Por tudo isso é que lhe admiro e lhe adoro cada dia mais.

A Carlos Roberto de Toledo Leonardo, amigo de longa data, que muito colaborou para a

continuidade de meus estudos, pela credibilidade, confiança e segurança.

As iniciadoras deste projeto, Fernanda e Marlova, que muito corroboraram para o

desenvolvimento deste trabalho.

Ao CNPq e a CAPES, pela bolsa de estudos e a Universidade Federal do Rio Grande do Sul,

por ter concedido a oportunidade de realizar um curso de pós-graduação.

A todos, muito obrigada.

“Resplandecente é a Sabedoria, e a sua beleza é

inalterável: os que a amam, descobrem-na facilmente, os

que a procuram encontram-na, ela antecipa-se aos que a

desejam”.

(Sab, 6, 12-13)

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS.............................................................................................................11

LISTA DE TABELAS............................................................................................................14

RESUMO.................................................................................................................................16

ABSTRACT ............................................................................................................................17

1 INTRODUÇÃO....................................................................................................................18

1.1 OBJETIVOS.......................................................................................................................21

1.2 DEFINIÇÃO DAS LIMITAÇÕES DA PESQUISA..........................................................22

1.3 DELINEAMENTO DA PESQUISA..................................................................................23

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO.......................................................................................24

2 DURABILIDADE DO CONCRETO ................................................................................26

2.1 DEGRADAÇÃO DO CONCRETO...................................................................................30

2.2 CARBONATAÇÃO DO CONCRETO..............................................................................32

2.2.1 Generalidades ..................................................................................................................32

2.2.2 Fatores que Influenciam a Profundidade de Carbonatação.............................................35

2.2.2.1 Características ambientais e condições de exposição...................................................35

2.2.2.2 Características do concreto...........................................................................................41

2.3 ENSAIOS DE DURABILIDADE......................................................................................45

2.3.1 Ensaios ao Natural...........................................................................................................47

2.3.2 Ensaios Acelerados..........................................................................................................49

2.3.3 Coeficientes de Carbonatação e de Aceleração...............................................................51

3 PREVISÃO DE VIDA ÚTIL...............................................................................................61

3.1 GENERALIDADES...........................................................................................................61

3.2 ABORDAGENS PARA PREVISÃO DE VIDA ÚTIL.....................................................65

3.3 MODELOS DE PREVISÃO..............................................................................................68

4 METODOLOGIA DA PESQUISA ....................................................................................74

4.1 GENERALIDADES...........................................................................................................74

4.2 PROGRAMA EXPERIMENTAL......................................................................................76

4.2.1 Variáveis de Análise........................................................................................................77

4.2.2 Planejamento dos Experimentos......................................................................................78

4.2.3 Materiais..........................................................................................................................79

4.2.3.1 Agregados.....................................................................................................................79

4.2.3.2 Cimento ........................................................................................................................80

4.2.3.3 Sílica Ativa...................................................................................................................82

4.2.3.4 Aditivo..........................................................................................................................83

4.2.3.5 Água..............................................................................................................................83

4.2.4 Proporcionamento dos Materiais.....................................................................................83

4.2.5 Confecção dos Corpos-de-prova .....................................................................................85

4.2.6 Ensaios.............................................................................................................................87

4.2.6.1 Ensaio de profundidade de carbonatação acelerado.....................................................87

4.2.6.2 Ensaio de profundidade de carbonatação natural .........................................................89

4.2.7 Ensaios Complementares.................................................................................................90

4.2.7.1 Resistência à compressão axial.....................................................................................90

4.2.7.2 Reconstituição parcial de traço de concreto endurecido ..............................................90

4.2.8 Caracterização do Ambiente de Exposição.....................................................................94

5 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS.................................................100

5.1 CARBONATAÇÃO ACELERADA DO CONCRETO ..................................................101

5.2 CARBONATAÇÃO NATURAL DO CONCRETO .......................................................109

5.3 COEFICIENTES DE CARBONATAÇÃO E ACELERAÇÃO......................................114

5.3.1 Determinação dos Coeficientes de Carbonatação .........................................................114

5.3.2 Determinação dos Coeficientes de Aceleração .............................................................121

5.3.3 Aplicação do Coeficiente de Aceleração.......................................................................124

5.3.4 Coeficientes de Carbonatação e Aceleração: Visão Geral ............................................126

5.3.4.1 Discussão a partir do modelo ajustado para os dados experimentais.........................126

5.3.4.2 Discussão a partir do modelo da raiz quadrada do tempo..........................................127

5.4 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO AXIAL....................................................................131

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................139

6.1 CONCLUSÕES................................................................................................................139

6.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS............................................................144

REFERÊNCIAS....................................................................................................................145

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: delineamento do projeto de pesquisa........................................................................23

Figura 2: representação esquemática da difusão do CO

........................................................33

Figura 3: efeito da umidade no coeficiente de difusão do CO

...............................................34

Figura 4: influência do teor de CO

no coeficiente de carbonatação ......................................36

Figura 5: profundidade de carbonatação em relação a umidade relativa e o teor de CO

........38

Figura 6: efeito das condições de exposição na carbonatação – modelo .................................40

Figura 7: influência da cura na profundidade de carbonatação................................................43

Figura 8: relação entre a profundidade de carbonatação (100% de CO

) e a resistência à

compressão dos concretos aos 28 dias

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

Figura 9: síntese dos problemas enfrentados na aplicação de ensaios ao natural.....................49

Figura 10: resultados dos ensaios de curta duração e de longa duração para diferentes tipos de

concreto

..............................................................................................................................55

Figura 11: ajuste da curva para a carbonatação com CO

de 0,03%........................................56

Figura 12: profundidade de carbonatação obtida por ensaios acelerados e ao natural.............58

Figura 13: vida útil das estruturas de concreto.........................................................................62

Figura 14: modelo de vida útil para estruturas atacadas pela corrosão de armaduras..............63

Figura 15: conceituação de vida útil das estruturas de concreto armado tendo como referência

o fenômeno de corrosão das armaduras

.............................................................................64

Figura 16: estrutura do projeto de Dal Molin et al. ..................................................................75

Figura 17: representação esquemática do desenvolvimento do projeto...................................75

Figura 18: detalhe do projeto de Dal Molin et al......................................................................76

Figura 19: difratograma da sílica ativa.....................................................................................83

Figura 20: consumo de cimento referente à relação água/aglomerante e o teor de adição de

sílica ativa

..........................................................................................................................84

Figura 21: esquema simplificado da câmara de sazonamento..................................................86

Figura 22: corpos-de-prova em ambiente natural de degradação – estacionamento da Escola

de Engenharia/UFRGS

.......................................................................................................86

Figura 23: representação esquemática dos ensaios de durabilidade.........................................87

Figura 24: representação esquemática da câmara de carbonatação acelerada..........................88

Figura 25: esquema de produção e exposição dos corpos-de-prova para o ensaio de

carbonatação acelerado

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

Figura 26: pontos de medição da profundidade de carbonatação.............................................89

Figura 27: representação esquemática da técnica de reconstituição de traço...........................91

Figura 28: reconstituição de traço de concreto endurecido, amostra: (a) calcinada; (b) em

solução de ácido clorídrico; (c) lavagem; (d) seca em estufa

............................................92

Figura 29: umidade relativa do ar registrada na região metropolitana de Porto Alegre durante

a realização do ensaio de degradação por carbonatação não acelerado

............................95

Figura 30: precipitação pluviométrica registrada na região metropolitana de Porto Alegre

durante a realização do ensaio de degradação por carbonatação não acelerado

...............95

Figura 31: temperatura registrada na região metropolitana de Porto Alegre durante a

realização do ensaio de degradação por carbonatação não acelerado

...............................96

Figura 32: elementos do clima de Porto Alegre, período de 1916 a 1988 ..............................97

Figura 33: carbonatação dos concretos – comportamento observado (obs) e previsto (prev) –

nomenclatura: ex: 80-00 – 80 representa relação a/agl de 0,8 e 00 o teor de adição de 0%

..........................................................................................................................................105

Figura 34: influência da interação entre a relação água/aglomerante e o teor de sílica ativa na

profundidade de carbonatação do concreto

......................................................................106

Figura 35: influência da interação entre o teor de adição de sílica ativa e a relação

água/aglomerante na profundidade de carbonatação do concreto

.....................................108

Figura 36: aspecto das amostras carbonatadas em ambiente natural......................................110

Figura 37: influência do teor de adição de sílica ativa na carbonatação do concreto ao longo

do tempo

...........................................................................................................................113

Figura 38: linearização das curvas de carbonatação – ensaio acelerado com 9 semanas de

exposição ao CO

: mistura com a/agl 0,80: (a) 0% de sílica ativa; (b) 10% de sílica ativa;

......................................................................................................115

Figura 39: linearização das curvas de carbonatação – ensaio acelerado com 14 semanas de

exposição ao CO

: mistura com a/agl 0,80: (a) 0% de sílica ativa; (b) 10% de sílica ativa;

......................................................................................................115

Figura 40: coeficientes de carbonatação – ensaio acelerado: mistura com a/agl 0,80 com 0, 10

e 20% de adição de sílica ativa

........................................................................................116

Figura 41: linearização das curvas de carbonatação – ensaio acelerado com 14 semanas de

exposição ao CO

: mistura com a/agl 0,60: (a) 5% de sílica ativa; (b) 15% de sílica ativa

..........................................................................................................................................118

Figura 42: estimativa da profundidade carbonatada para uma vida útil de 100 anos em função

de k

carb

..............................................................................................................................119

Figura 43: relação da carbonatação acelerada e natural.........................................................122

Figura 44: tempo necessário para que a carbonatação acelerada atinja a profundidade total de

cobrimento de armadura (15 mm)

....................................................................................124

Figura 45: representação do tempo correspondente do ensaio acelerado para o natural para que

a profundidade de carbonatação seja de 15 mm

..............................................................125

Figura 46: ensaio acelerado – profundidade de carbonatação observada para as misturas com

relação a/agl 0,60 e 0,80

..................................................................................................126

Figura 47: representação genérica do comportamento do concreto perante à ação do CO

função do tempo de exposição

.........................................................................................128

Figura 48: influência da interação entre a relação água/aglomerante e o teor de sílica ativa na

resistência à compressão axial aos 28 dias

......................................................................134

Figura 49: influência da interação entre o teor de adição de sílica ativa e a relação a/agl na

resistência à compressão axial aos 28 dias

......................................................................134

Figura 50: influência da interação entre a relação água/aglomerante e o teor de sílica ativa na

resistência à compressão axial aos 180 dias

....................................................................135

Figura 51: influência da interação entre o teor de adição de sílica ativa e a relação a/agl na

resistência à compressão axial aos 180 dias

....................................................................135

Figura 52: influência da interação entre a relação a/agl e o teor de sílica ativa na resistência à

compressão axial aos 28 e 180 dias

.................................................................................136

Figura 53: influência da adição de sílica ativa na carbonatação e na resistência à

compressão axial dos concretos.....................................................................................137

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: períodos de realização dos ensaios...........................................................................58

Tabela 2: coeficientes de relação da profundidade de carbonatação........................................72

Tabela 3: variáveis de análise do projeto de pesquisa..............................................................77

Tabela 4: matriz experimental dos ensaios acelerados.............................................................78

Tabela 5: matriz experimental dos ensaios ao natural..............................................................79

Tabela 6: características físicas do agregado miúdo ................................................................80

Tabela 7: características físicas do agregado graúdo................................................................80

Tabela 8: caracterização química do cimento...........................................................................81

Tabela 9: caracterização física do cimento...............................................................................81

Tabela 10: caracterização química da sílica ativa ....................................................................82

Tabela 11: caracterização física da sílica ativa.........................................................................82

Tabela 12: propriedades do aditivo superplastificante.............................................................83

Tabela 13: traço dos concretos .................................................................................................84

Tabela 14: abatimento de tronco de cone (mm).......................................................................85

Tabela 15: amostras submetidas à técnica de reconstituição de traço......................................93

Tabela 16: traços de concreto reconstituídos............................................................................93

Tabela 17: ANOVA do modelo para estimativa da profundidade de carbonatação ..............102

Tabela 18: parâmetros dos fatores analisados para estimativa da profundidade de

carbonatação

....................................................................................................................102

Tabela 19: profundidade de carbonatação observada (mm)

..................................................104

Tabela 20: profundidade de carbonatação resultante do modelo (mm)..................................104

Tabela 21: profundidade de carbonatação (mm) – ensaio ao natural.....................................111

Tabela 22: profundidade de carbonatação média (mm) – ensaio acelerado...........................112

Tabela 23: profundidade de carbonatação média (mm) – ensaio ao natural..........................112

Tabela 24: coeficientes de carbonatação (mm) – ensaio acelerado........................................116

Tabela 25: resistência à compressão dos concretos (MPa): dados observados aos 28 e 180

dias

...................................................................................................................................131

Tabela 26: ANOVA do modelo para a estimativa da resistência à compressão axial............132

Tabela 27: parâmetros dos fatores analisados para estimativa da resistência à compressão

axial

..................................................................................................................................132

Tabela 28: resistência à compressão axial dos concretos (MPa): dados previstos aos 28 e 180

dias

...................................................................................................................................133

RESUMO

POSSAN, E. Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa

em ambiente natural e acelerado. 2004. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Programa de

Pós-graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto

Alegre.

Devido à preocupação com a durabilidade das estruturas de concreto armado surgiram novas

linhas de pesquisa destacando-se, dentre elas, a previsão de vida útil. Estes estudos deram

origem a diversos modelos que tentam estabelecer o comportamento do concreto quando

exposto a ambientes agressivos durante um determinado período. Existem várias maneiras de

se modelar este comportamento: com base em resultados obtidos em experiências anteriores;

a partir de ensaios de degradação acelerados; por métodos determinísticos e probabilísticos ou

estocásticos. A estimativa de vida útil das estruturas de concreto empregando dados de

ensaios acelerados é recomendada pela ASTM E-632 (1996) desde que estes sejam

correlacionados com resultados de ensaios não acelerados ou naturais. A correlação entre

estes ensaios possibilita a determinação dos coeficientes de aceleração, os quais expressam o

número de vezes em que o ensaio acelerado representa o fenômeno de degradação natural.

Dentro deste contexto o presente trabalho avalia a carbonatação do concreto com e sem

adição de sílica ativa exposto a degradação natural e acelerada, verificando também a

influência do teor desta adição e da relação água/aglomerante na carbonatação. Em paralelo

foram determinados os coeficientes de carbonatação (k

) e de aceleração (

). Os concretos

estudados possuem relação água/aglomerante de 0,30; 0,35; 0,45; 0,60 e 0,80 e teor de adição

de 0; 5; 10; 15e 20%. A carbonatação natural das amostras foi avaliada após 7 anos de

exposição ao CO

, tendo como ambiente de degradação a cidade de Porto Alegre, RS. Os

dados de carbonatação acelerada foram obtidos aos 7, 28, 63 e 98 dias de exposição ao CO

com concentração de 5%, temperatura de 25°C e umidade relativa (UR) de 70%. Para o

ensaio acelerado, baseado em análise estatística por meio de regressão múltipla não-linear, os

resultados apontaram que a adição de sílica ativa em dosagens com relação água/aglomerante

elevada aumenta a profundidade de carbonatação do concreto. Para a relação

água/aglomerante de 0,80 com 0 e 20% de adição de sílica ativa, os coeficientes de aceleração

obtidos foram de 31,15 e 35,49, respectivamente.

Palavras-chave: carbonatação; ensaios de degradação; previsão de vida útil; sílica ativa.

ABSTRACT

POSSAN, E. Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa

em ambiente natural e acelerado. 2004. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Programa de

Pós-graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto

Alegre.

New researches has been appeared with the concern of reinforced concrete structures

durability, standing out the service life prediction. These studies creates some models that

establish the concrete performance when exposed to an aggressive environment. There are

several ways to modeling this performance: with results obtained in previous tests; with

accelerated degradation tests; or deterministic and stochastic methods. The concrete structures

service life prediction using short term test data are recommended by ASTM E-632 (1996)

since these are correlated with long term test results. The correlation among these tests makes

possible the acceleration coefficient determination, which express how the accelerated tests

represents the natural degradation phenomenon. In this sense, this work evaluate the concrete

carbonation with and without silica fume exposed to natural and accelerated test, verifying the

influence of silica fume tenor in this material and water – binder ratio in the carbonation. In

addition to this, were determined the carbonation (k

) and acceleration coefficients (

). The

concretes studied has a 0,30; 0,35; 0,45; 0,60 and 0,80 water-binder ratio and 0; 5; 10; 15 and

20% addition tenor. The samples natural carbonation was analyzed after 7 years of CO

exhibition from Porto Alegre city environment degradation. The accelerated carbonation data

were obtained in 7, 28, 63 and 98 days of CO

exhibition with 5% concentration, temperature

of 20°C and humidity of 60%. In accelerated tests, based on statistical analysis through

nonlinear estimation multiple regression, the results showed that the silica fume addition in

high water-binder ratio mixtures increases the concrete carbonation depth. For water-binder

ratio 0,80 with silica fume addition of 0 and 20%, the acceleration coefficients obtained were

31,15 and 35,49, respectively.

Key-words: carbonation, accelerated test, service life prediction, silica fume.

1 INTRODUÇÃO

A degradação prematura das estruturas de concreto armado, e a conseqüente redução de

desempenho, é um problema freqüente em todo o mundo. Esta deterioração, manifestada

principalmente pela corrosão das armaduras, ocorre devido ao envelhecimento precoce das

estruturas existentes. Pesquisas referentes à durabilidade tentam classificar os mecanismos de

deterioração do concreto (ASTM E 632, 1996; MEHTA e GERWICK, 1982; NEVILLE,

1997; AÏTCIN, 2000), com a finalidade de estabelecer modelos de previsão e obter o

comportamento do concreto ao longo do tempo. O conhecimento deste comportamento

permite que sejam estabelecidos parâmetros de projeto que visam a durabilidade, bem como

fazer estimativas da vida útil da edificação.

No Brasil, devido à sua difusão como material de construção, o concreto armado está presente

em grande parte das estruturas. A preferência por este material está relacionado à facilidade

de produção, à boa resistência à compressão, à liberdade de criação arquitetônica, ao baixo

custo de produção e à durabilidade. A capital Federal, Brasília, é um exemplo desta liberdade

de forma que as estruturas de concreto armado propiciam.

No início do desenvolvimento e utilização do concreto armado, as estruturas eram projetadas

utilizando principalmente o bom senso e a experiência profissional, sendo a consideração da

durabilidade completamente subjetiva. Neste período, segundo Ho e Lewis (1988) a principal

característica controlada do concreto era a resistência à compressão, que durante muito tempo

foi tida como fonte única e segura das especificações de projeto.

Com o advento de novas tecnologias, registraram-se grandes avanços na teoria das estruturas

e na tecnologia do concreto, que permitiram a construção de edificações cada vez mais

esbeltas e econômicas. Com o progresso industrial e o crescimento das cidades, e

conseqüentemente com o aumento da poluição urbana, os elementos estruturais passaram a

ficar expostos a ambientes extremamente desfavoráveis. E, passados alguns anos, as

estruturas, que eram no início consideradas com longa ou quase infinita vida útil, começaram

a apresentar níveis de degradação superior aos desejados, caracterizando o envelhecimento

precoce. Essa deterioração foi agravada pela constante mudança no tipo e qualidade dos

materiais de construção, e em especial, do cimento. Esta problemática ocasionou uma

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

mudança de paradigma, pois se constatou que as estruturas interagiam com o meio onde

estavam inseridas e somente o parâmetro de resistência à compressão era insuficiente para o

controle da durabilidade do concreto.

Ainda começou-se a entender e a valorizar a importância econômica do problema, como

mostram Mehta e Monteiro (1994, p.120), onde em países industrialmente desenvolvidos

estima-se que 40% do total dos recursos da indústria de construção sejam destinados ao

reparo ou manutenção das estruturas existentes.

Desta maneira, iniciaram-se estudos de durabilidade procurando identificar os mecanismos de

deterioração das estruturas, englobando a caracterização dos meios agressivos e a

determinação das características de durabilidade do concreto. Verificou-se que a dosagem, o

teor e o tipo de adições, a relação água/aglomerante, o tipo de cimento, o tipo e a duração da

cura e o ambiente de exposição exercem grande influência na durabilidade.

As características de durabilidade do concreto, normalmente, são obtidas por intermédio de

ensaios em laboratório. Estes resultados, em geral, são oriundos de testes acelerados,

caracterizados como de curta duração, que nem sempre representam as condições existentes

na estrutura real. Diversos pesquisadores utilizam estes ensaios para estimar a durabilidade do

concreto (HO e LEWIS, 1987; HELENE, 1993; LIMA, 1999; HOUST e WITTMANN, 2002;

VIEIRA, 2003; entre outros). A ASTM E 632 (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND

MATERIALS, 1996) recomenda a utilização destes ensaios para a previsão de vida útil, desde

que sejam correlacionados com resultados obtidos em estruturas existentes ou testes de

degradação natural, também denominados de não acelerados.

A determinação destas correlações, denominada coeficiente de aceleração (

), é de

fundamental importância na modelagem e previsão de vida útil. Estes coeficientes

possibilitam uma maior aproximação das estimativas e, conseqüentemente, um aumento da

confiabilidade. Também podem ser utilizados como ferramenta de tomada de decisão

gerencial, quando inclusos no projeto, auxiliando na análise de rentabilidade econômica e na

seleção das intervenções de manutenção, inspeção e reparo.

A fim de modelar o comportamento do concreto, nas últimas décadas, foram desenvolvidas

muitas pesquisas que contribuíram na geração de vários modelos destinados à previsão de

vida útil das estruturas de concreto armado, dentre os quais destacam-se os apresentados por

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

Hamada (1969), Tuutti (1982), Papadakis, Vayenas e Fardis (1989), Parrot (1991), Andrade

(2001), entre outros.

Os modelos para a previsão de vida útil de estruturas, em geral, buscam representar a

penetração dos agentes agressivos através do concreto, principalmente no que se refere à

carbonatação e à penetração de íons cloreto. Segundo Andrade e Dal Molin (2003), tais

modelos apresentam algumas restrições como: representar apenas uma parte do fenômeno;

restringir a sua aplicação a situações determinadas e, para as formulações mais sofisticadas,

observa-se que há uma dificuldade na resolução das mesmas e na obtenção dos parâmetros

requeridos.

A literatura aponta muitos modelos matemáticos que podem ser empregados para a estimativa

da profundidade de carbonatação do concreto (HAMADA, 1969;

SMOLCZYK, 1969;

PAPADAKIS, VAYENAS e FARDIS, 1989; PARROT, 1991; JIANG, LIN e CAI, 2000).

Porém, devido a dificuldade de obtenção de alguns parâmetros referentes às características

das edificações, necessários para a utilização nos modelos, observa-se uma grande

complexidade de aplicação dos mesmos para estimar com confiança a vida útil de estruturas

existentes.

Esses modelos geralmente apresentam duas abordagens: uma determinística e outra

probabilística ou estocástica. Os modelos deterministas consideram os valores máximos de

profundidade carbonatada. Os estocásticos são desenvolvidos considerando que existe uma

probabilidade de ocorrência dos principais fatores que afetam o fenômeno e a profundidade de

carbonatação, que pode ser estimada considerando a variabilidade inerente do processo.

Na grande maioria, estes modelos são desenvolvidos com base em resultados de corpos-

de-prova moldados em laboratório, que representam condições diferenciadas das

realmente encontradas nas estruturas reais. Com relação à carbonatação do concreto,

Figueiredo (2004, p.3) argumenta que os ensaios de avaliação do fenômeno geralmente

são realizados em condições aceleradas em laboratório, não avaliando as condições de

exposição às quais as edificações estarão de fato submetidas, nem os teores de CO

reais

existentes no ambiente de exposição destas estruturas.

Alguns progressos foram feitos nas décadas passadas, buscando o entendimento dos vários

mecanismos de deterioração do concreto. Porém, a previsão da vida útil de estruturas de

concreto sob condições rigorosas de serviço ainda não pode ser feita com modelos

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

matemáticos devido à dificuldade de determinação dos fatores que regem as condições

naturais (LI e CHAU, 2004).

Face a tais considerações, vale ressaltar que os estudos de previsão de vida útil para estruturas

de concreto, em específico os que tentam correlacionar os ensaios de degradação acelerados e

natural, ainda são recentes e escassos, justificando assim o desenvolvimento desta pesquisa.

O grupo de pesquisas do Núcleo Orientado para a Inovação da Edificação (NORIE) da

Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) possui uma base de dados oriundos de

ensaios de durabilidade acelerados em concreto, que podem ser correlacionados com dados de

ensaios de longa duração ou não acelerados, a fim de determinar os coeficientes de aceleração

para a modelagem e previsão de vida útil das estruturas. Com base nesta consideração, este

trabalho contempla a análise de parte dos dados dos ensaios acelerados de carbonatação em

concreto realizados pelos pesquisadores do NORIE

, através da determinação dos coeficientes

de aceleração de dosagens de concreto com e sem sílica ativa com relação água/aglomerante

variada.

1.1 OBJETIVOS

O objetivo principal desta pesquisa é a avaliação comparativa entre o desempenho de

concretos com e sem adição de sílica ativa submetidos ao ensaio de carbonatação natural e

acelerado.

Em decorrência do objetivo principal, são propostos os seguintes objetivos secundários:

a) elaboração de um modelo matemático que represente o fenômeno de

carbonatação em condição acelerada para os concretos estudados;

b) determinação dos coeficientes de aceleração entre os ensaios de carbonatação

acelerado e o natural;

c) determinação dos coeficientes de carbonatação dos concretos estudados

expostos em ambiente acelerado e natural;

Dados oriundos dos projetos de Dal Molin et al.(1997) e de Kulakowski (2002).

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

d) verificação da influência da relação água/aglomerante na carbonatação do

concreto;

e) avaliação da influência do teor de sílica ativa na carbonatação dos concretos em

estudo;

f) verificação da influência reação entre a resistência à compressão do concreto na

profundidade de carbonatação nos concretos estudados.

1.2 DEFINIÇÃO DAS LIMITAÇÕES DA PESQUISA

Como primeira limitação de pesquisa destaca-se o ambiente urbano de exposição das

amostras empregadas no ensaio natural. Estas foram expostas à degradação na cidade de Porto

Alegre, RS, sendo que, os resultados deste trabalho são válidos para ambientes com

características de climatologia e agressividade ambiental semelhante ao da realização desta

pesquisa.

Outra limitação da pesquisa é quanto ao cimento, à sílica ativa e as relações água/aglomerante

empregados no programa experimental de Dal Molin et al. (1997) a partir do qual se deu esta

pesquisa. A fim de verificar a influência da adição de sílica ativa, o referido programa foi

desenvolvido com cimento CPV ARI. Este cimento foi escolhido por ser isento de adições

pozolânicas e conter no máximo 5 % de adições carbonáticas. A sílica ativa foi adicionada ao

concreto nos teores de 0, 5, 10, 15 e 20%, em relação à massa de cimento. Quanto às relações

água/aglomerante, para o ensaio acelerado empregou-se 0,30; 0,40; 0,45; 0,60 e 0,80 e para o

ensaio natural 0,30; 0,45 e 0,80.

Na execução dos experimentos, as condições de aceleração descritas no programa

experimental, por representarem as condições de um ambiente específico de estudo, também

impõem limitação a esta pesquisa.

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

1.3 DELINEAMENTO DA PESQUISA

A Figura 1 apresenta o fluxograma de delineamento da pesquisa. Observa-se, no

delineamento, que a revisão de literatura abrange todas as etapas do projeto, subsidiando com

informações técnicas o programa experimental e a análise de resultados.

Revisão bibliográfica

Análise

estatística

Ensaios em concreto com adição de sílica ativa

Coleta dos dados

Determinação dos

coeficientes de

aceleração e de

carbonatação

Acelerados

Não acelerados

Carbonatação

Projeto (1997)

Modelagem dos

resultados

Programa ExperimentalAnálise de resultados

Ambiente urbano

Avaliação final

Revisão bibliográfica

Análise

estatística

Ensaios em concreto com adição de sílica ativa

Coleta dos dados

Determinação dos

coeficientes de

aceleração e de

carbonatação

Acelerados

Não acelerados

Carbonatação

Projeto (1997)

Modelagem dos

resultados

Programa ExperimentalAnálise de resultados

Ambiente urbano

Avaliação final

Figura 1: delineamento do projeto de pesquisa

Para a elaboração deste trabalho, optou-se pela estratégia de pesquisa analítica, que se deu a

partir de dados experimentais obtidos por Dal Molin et al (1997). Assim, na fase denominada

pesquisa experimental, os ensaios acelerados foram realizados em 1997, por outros

pesquisadores, sendo que, o ensaio não acelerado (natural), que te início no mesmo ano, foi

realizado especificamente para esta pesquisa conferindo assim, em parte, um programa

experimental.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

A fase de pesquisa analítica engloba a análise dos resultados. Realizada com base em

ferramentas estatística, em especial, regressão não linear, com o propósito de se modelar os

resultados obtidos na pesquisa experimental. A partir dos modelos, para o fenômeno da

carbonatação, fizeram-se as correlações entre os ensaios de degradação acelerados e ao

natural para, finalmente, determinar os coeficientes de aceleração e de carbonatação dos

concretos em estudo.

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

A dissertação está estruturada em seis capítulos, sendo o capitulo inicial dedicado à

introdução do tema, descrevendo a importância e os objetivos que motivaram a realização

desta pesquisa, bem como as limitações e o delineamento do trabalho.

Na revisão de literatura, o segundo capítulo destina-se ao tema relativo à durabilidade do

concreto armado, onde são descritos os aspectos de degradação do concreto bem como os

principais procedimentos de ensaios para essa estimativa. Este capítulo também contempla a

carbonatação do concreto e seus efeitos, destacando-se os fatores de maior influência no

processo. Finalmente, são citados os principais estudos referentes à carbonatação das

estruturas de concreto, discutindo as metodologias adotadas na realização dos testes de

degradação acelerados e ao natural, a fim de justificar a importância da determinação dos

coeficientes de aceleração para previsão de vida útil.

No que se refere à previsão de vida útil das estruturas de concreto, a revisão de literatura

apresentada no capítulo 3, engloba os diferentes meios utilizados para essa determinação,

apresentando também os principais modelos referentes à carbonatação do concreto.

O programa experimental, que deu origem aos dados utilizados na pesquisa analítica, é

apresentado no capitulo 4, onde são descritos as variáveis de análise, os materiais utilizados,

os procedimentos e as metodologias dos ensaios e a caracterização do ambiente de exposição.

O capitulo 5 consiste na apresentação e análise dos resultados obtidos no estudo experimental.

Utilizando-se procedimentos estatísticos, principalmente análise de variância, são verificados

os principais fatores de influência na carbonatação do concreto, bem como o modelo

matemático que representa o fenômeno. Com base no modelo de comportamento dos

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

concretos frente à carbonatação são determinados os coeficientes de aceleração e, a partir do

modelo convencional da raiz quadrada do tempo, são determinados os coeficientes de

carbonatação. Este capítulo também é reservado ao estudo da resistência à compressão dos

concretos, sendo determinado o modelo matemático que representa o conjunto de dados.

O capitulo 6 abrange as considerações finais referentes à avaliação comparativa de concretos,

com e sem sílica ativa, carbonatados em ambiente natural e acelerado. Também são discutidos

os aspectos relativos à determinação dos coeficientes de aceleração e de carbonatação e da

influência da adição de sílica ativa, da relação água/aglomerante e da resistência à compressão

na carbonatação do concreto. Finalmente, são registradas as sugestões para futuros trabalhos.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

2 DURABILIDADE DO CONCRETO

A preocupação com a durabilidade do concreto teve início na década de 70, quando as

estruturas, que até então eram consideradas “eternas” ou de vida útil infinita, começaram a

apresentar deterioração precoce. Esse fato fez com que a durabilidade fosse vista como

assunto principal de pesquisa, promovendo o desenvolvimento de diversos estudos e

definições referentes ao tema, principalmente no final dos anos 80 e 90 (JOHN, 1987;

HELENE, 1993; SILVA FILHO, 1994; NIREKI, 1996, CEB 238, 1997; entre outros).

As primeiras definições relativas à durabilidade dos concretos geralmente caracterizavam-se

pela forma simplista, confundindo o conceito de durabilidade com vida útil. Segundo Aïtcin

(2000, p.539), em termos gerais, a expressão durabilidade do concreto é usualmente

empregada para caracterizar a resistência do concreto ao ataque de agentes agressivos físicos

e químicos. A natureza, a intensidade e os mecanismos implicados em cada um desses

diversos ataques podem variar consideravelmente, e essa é a razão pela qual a expressão

durabilidade do concreto é entendida como muito vaga.

Segundo o ACI 201 (AMERICAN CONCRETE INSTITUTE, 1991 p.2), durabilidade do

concreto de cimento Portland é definida como a capacidade deste resistir à ação das

intempéries, ataques químicos, abrasão ou qualquer outro processo de deterioração. Um

concreto será durável se conservar sua forma original, qualidade e capacidade de utilização

quando exposto à ação ambiental e uso.

A recomendação japonesa para previsão de vida útil de estruturas, citada por Nireki (1996),

conceitua durabilidade como a habilidade de uma edificação, suas partes componentes, ou

materiais, de resistir à ação de agentes de degradação durante um período de tempo. No

entanto, o autor comenta de uma forma simplista que, para uma edificação convencional,

inserida num ambiente normal e com materiais tradicionais, não é muito difícil prever a

durabilidade, baseando-se somente em experiências anteriores. Porém, se o ambiente for

modificado ou se utilizar materiais não convencionais, não se consegue fazer a previsão

realista da vida útil desta edificação.

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

Já a norma brasileira para projeto de estruturas de concreto, a NBR 6118 (ASSOCIAÇÃO

BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2003, p.13), com relação às exigências de

durabilidade, descreve que:

as estruturas de concreto devem ser projetadas e construídas de modo que sob as

condições ambientais previstas na época do projeto e quando utilizadas conforme

preconizado em projeto conservem suas segurança, estabilidade e aptidão de serviço

durante o período correspondente à sua vida útil.

Na definição da norma brasileira nota-se a inserção do ambiente de exposição e das

especificações de projeto e suas implicações na durabilidade durante a vida útil da estrutura.

Em relação à durabilidade das estruturas de concreto, o CEB-FIB 203 (COMITE EURO

INTERNACIONAL DU BETON, 1990) relata que estas devem ser projetadas, construídas e

operadas de tal forma que, sob condições ambientais esperadas, mantenham sua segurança,

funcionalidade e aparência aceitável, durante um período de tempo, implícito ou explícito,

sem requerer altos custos para manutenção e reparo. Segundo Andrade (1997, p.10) “tal

definição pode ser considerada a mais completa, por levar em consideração todos os aspectos

relacionados à durabilidade durante a vida útil prevista das edificações, levando-se em

consideração a ação do meio ambiente”.

Com base nestas definições, a durabilidade pode ser considerada como um parâmetro relativo

às propriedades intrínsecas dos materiais que compõem uma estrutura, sendo o mesmo

afetado pelas características do ambiente onde estará inserida a estrutura, pelas condições de

utilização, segurança e intervenções de manutenção e reparo. Conforme Amaral Filho (1991),

Helene (1993) e Mehta (1994), a durabilidade de uma estrutura de concreto deve ser vista de

maneira sistêmica, envolvendo: o projeto da estrutura; a execução e a tecnologia do concreto.

Segundo Amaral Filho (1991), cada parte deve satisfazer as suas exigências peculiares de

qualidade, pois se qualquer um destes itens apresentar deficiência técnica, certamente o

conjunto da estrutura será afetado, mesmo que as outras partes tenham tido desempenho

adequado. O CEB 238 (COMITE EURO INTERNACIONAL DU BETON, 1997, p.14)

enfoca a importância funcional e econômica da consideração da durabilidade ainda na fase de

projeto, onde a preocupação com a durabilidade posterior à entrega do empreendimento gera

um incremento de custo, além de apresentar grande dificuldade de análise.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

Mehta e Gerwick (1996), tentando definir os fatores intervenientes na durabilidade de uma

edificação, propõem que os seguintes requisitos devem ser atendidos para que uma estrutura

de concreto seja durável, conforme sua especificação e destino:

a) projeto estrutural e detalhamento de projeto;

b) seleção dos materiais constituintes da mistura;

c) dosagem do concreto;

d) lançamento, adensamento e cura;

No projeto, a preocupação com a durabilidade pode ocasionar muitos benefícios,

principalmente no que se refere à determinação da vida útil requerida. Esta atenção com a

vida útil da edificação corrobora para que não sejam construídas estruturas que se tornam

obsoletas em um curto espaço de tempo e, para que se possam programar, com economia, as

intervenções de manutenção e reparo. Um fator de tomada de decisão na etapa de projeto, que

reflete diretamente na durabilidade, é a definição da espessura de cobrimento. Para o concreto

armado, a qualidade e a espessura de cobrimento do concreto são fatores de grande

importância, pois a camada superficial do concreto é que protege a armadura dos agentes

agressivos, através da formação de uma película passivadora de característica alcalina,

desempenhando assim, um papel crítico na durabilidade. Helene (1993, p.49) discute a

importância do cobrimento frente à corrosão das armaduras, e explica que a velocidade de

corrosão será função da maior ou menor mobilidade de íons através do concreto de

cobrimento. Assim, a cinética e o controle da corrosão são predominantemente determinados

pelas características deste cobrimento. Aïtcin (2000, p.456) reforça a influência do

cobrimento da armadura na durabilidade, pois este apresenta composição e microestrutura

diferente do interior do concreto, devido ao arranjo menos denso dos agregados e à maior

concentração de pasta de cimento hidratado. Este efeito é denominado de efeito parede.

Para o ACI 365 (AMERICAN CONCRETE INSTITUTE, 2000, p.4), uma estrutura de

concreto projetada para ser durável requer a consideração de dois fatores: as condições de

exposição e as recomendações de projeto com relação aos agentes agressivos físicos e

químicos. A influência das condições de exposição, ou severidade do ambiente, pode ser

minimizada pela adequada dosagem do concreto (resistência mecânica, água/cimento e

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

consumo de cimento) ou pela definição de detalhes construtivos, como o cobrimento da

armadura.

Segundo Toralles Carbonari e Carbonari (1998, p.61), a durabilidade do concreto está

associada a várias propriedades deste material, como a permeabilidade, resistência à abrasão,

resistência ao ataque químico (sulfatos, cloretos), resistência aos ciclos de gelo-degelo e

resistência aos sais. Mehta (1993) relata que é ponto consensual que a permeabilidade do

concreto é o ponto chave para a durabilidade.

Pelo fato da relação água/aglomerante representar o parâmetro real que reflete a compacidade

do concreto e a sua permeabilidade aos agentes agressivos, Aïtcin (2000, p.543) enfoca que a

redução desta relação é uma condição necessária para obter um concreto durável, mas, que

infelizmente, não é suficiente. Segundo o autor, outros fatores podem afetar a durabilidade,

em particular os detalhes construtivos, o lançamento, as condições de cura e o ambiente de

exposição.

A durabilidade do concreto depende muito da facilidade com que as substâncias agressivas

possam ingressar e se deslocar no seu interior (HELENE, 1993; SAETTA, SCHREFLER e

VITALIANI, 1993). Procurando mostrar a alta variabilidade das propriedades que norteiam a

durabilidade do concreto, Helene (1997) relata que, sob mesmas condições, o coeficiente de

carbonatação (que expressa a rapidez da difusão do gás carbônico no concreto) pode variar de

0,1 cm/ano

0,5

para concretos de 60 MPa a 1,0 cm/ano

0,5

para concretos de 15MPa. Nota-se

que, enquanto a resistência à compressão quadruplicou o coeficiente de difusão do concreto

alterou 10 vezes e a vida útil cerca de 100 vezes, mantido o mesmo cobrimento e condições

de exposição. O estudo conclui que a durabilidade, e conseqüentemente a vida útil de uma

estrutura, não aumenta na mesma proporção que a resistência à compressão do concreto, e que

estes fatores estão nitidamente ligados aos mecanismos de transporte de íons, gases e líquidos.

Aranha (1994) ressalta que a ocorrência dos danos das estruturas de concreto se deve,

principalmente, ao efeito combinado da agressividade ambiental com os problemas de

natureza estrutural, juntamente com o emprego de práticas executivas inadequadas durante as

diversas etapas do processo construtivo. Para Sentler (1987, p.81) a durabilidade das

estruturas de concreto armado depende das condições de carregamento e da ação dos agentes

agressivos no ambiente de exposição, ou então, da sinergia dos dois. Para solucionar

problemas provenientes desta degradação é indispensável compreender o comportamento da

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

estrutura, o ambiente de exposição em que está inserida e as condições de carregamento

impostas durante a vida útil (MAEKAWA; ISHIDA e KISHI, 2003, p.91).

O estudo da durabilidade das estruturas de concreto requer uma aproximação multidisciplinar

baseado nas propriedades físicas e químicas dos materiais. Em específico, a durabilidade

depende da habilidade do concreto em resistir à penetração de agentes agressivos e de

proteger a armadura nele inserida (SAETTA, SCHREFLER e VITALIANI, 1993). Assim, em

síntese, pode-se dizer que a durabilidade engloba desde a qualidade do concreto, (materiais

constituintes, definições de projeto e execução), as condições naturais do ambiente de

exposição que a estrutura está inserida, as operações de manutenção e reparo até as condições

de uso que a edificação está submetida durante sua vida útil.

2.1 DEGRADAÇÃO DO CONCRETO

Para Nepomuceno (1992, p.5), o principal mecanismo de deterioração das estruturas é a

interação do meio ambiente com o concreto. Esta interação ocorre através da penetração de

agentes agressivos pelos poros do concreto. Em ordem decrescente de importância, os

principais mecanismos de degradação do concreto são a corrosão das armaduras, ação do

gelo-degelo em climas frios, os efeitos físico-químicos decorrentes da interação entre a pasta

de cimento hidratada e da agressividade do meio ambiente e os efeitos físico-químicos

decorrentes de fenômenos internos, como a reação álcali-agregado (MEHTA, 1993). Na

prática, a degradação do concreto raramente é devida a uma causa única. Geralmente, em

estágios avançados de deterioração do material, mais de um fenômeno deletério está em ação

(MEHTA e MONTEIRO, 1994, p.121).

Segundo Silva Filho (1994, p.30), a cinética dos mecanismos de degradação é diretamente

governada pela possibilidade de acesso e movimentação de água, carreando os agentes

agressivos para o interior do concreto. Em sólidos porosos, a água é a causa de muitos

processos físicos e químicos de degradação, pois age como veículo de transporte de íons

agressivos. A penetração de gases, água ou íons se dá principalmente através da porosidade da

pasta de cimento hidratada, da zona de transição ou das microfissuras.

Os mecanismos que governam a entrada destes agentes agressivos para o interior do concreto

são denominados de mecanismos de transporte. Cada mecanismo depende do fluxo e

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

concentração local da substância penetrante, condições ambientais, estrutura dos poros do

concreto, raio dos poros ou abertura das microfissuras, grau de saturação dos poros e

temperatura (KROPP e HILSDORF, 1995, p.05).

Existem vários mecanismos de transporte de água, gases e íons no concreto, segundo o CEB

183 (COMITE EURO INTERNACIONAL DU BETON, 1992, p.3). Dentre estes destacam-se

a difusão, a sucção capilar e a penetração de água sob pressão.

O mecanismo de difusão, no que se refere à movimentação de íons, está associado

principalmente à penetração de íons cloreto e sulfatos. Com relação aos gases, este

mecanismo é de fundamental importância no desenvolvimento de carbonatação e de corrosão

das armaduras, por envolver, respectivamente, a difusão de gás carbônico e oxigênio (SILVA

FILHO, 1994 p.39).

A difusão de gases, em específico gás carbônico e oxigênio, tem grande importância na

durabilidade, e conseqüentemente na vida útil das estruturas, principalmente no estudo da

corrosão das armaduras. Como citam vários autores, a corrosão é tida como principal causa da

degradação das estruturas de concreto de armado (TUUTTI, 1982; DAL MOLIN, 1988;

HELENE, 1993; ANDRADE, 1997; BROOMFIELD, 1998; entre outros). A armadura pode

perder a proteção oferecida pelo concreto (despassivação), por meio da ação de elementos

agressivos originários de fontes externas, que atuam sobre o concreto, reduzindo a

alcalinidade ou quebrando a película protetora (HELENE, 1993, p.92). Um dos principais

iniciadores da corrosão é a carbonatação do concreto, amplamente estudada por muitos

pesquisadores (BAKKER, 1988; NEPOMUCENO, 1992; KAZMIERCZAK, 1995; HOUST e

WITTMANN, 2002; entre outros).

Frente à importância da qualidade do concreto e dos diversos fatores que interferem na

durabilidade das estruturas, o próximo item é reservado à degradação do concreto focando o

fenômeno de carbonatação. Também são citados os principais ensaios utilizados para a

estimativa da durabilidade.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

2.2 CARBONATAÇÃO DO CONCRETO

2.2.1 Generalidades

A carbonatação é um fenômeno físico-químico oriundo das reações de gases ácidos do

ambiente com os produtos alcalinos do concreto. A alcalinidade do concreto é conferida

principalmente pela presença do hidróxido de cálcio (Ca(OH)

), de sódio (NaOH) e de

potássio (KOH), dissolvidos ou precipitados no concreto endurecido.

Essa alcalinidade pode ser reduzida ao longo do tempo pela penetração de CO

no interior do

concreto. Segundo Helene (1993, p.99-100):

a penetração do gás carbônico no concreto dá-se preponderantemente por um

mecanismo de difusão. (...). Portanto, na maioria dos casos trata-se de gradientes de

concentração de CO

. Influirá a concentração de CO

no ambiente externo, junto à

estrutura, comparativamente à concentração de CO

nos poros capilares do concreto

de cobrimento das armaduras.

O CO

, ao penetrar no concreto, reage com os hidróxidos, especialmente com o Ca(OH)

, que

se apresenta em maior quantidade. A reação do CO

com os hidróxidos ocorre conforme as

reações simplificadas mostradas nas equações 1 e 2.

+ Ca(OH)

⎯⎯→ CaCO

+ H

+ 2KOH(ou NaOH) ⎯⎯→ K

(ou Na

)+ H

equação 1

equação 2

A conseqüência desta reação resulta na redução do pH do concreto, que normalmente

apresenta valor igual ou superior a 12,5. Após as reações o pH é reduzido para um valor igual

ou inferior a 9 (BAKKER, 1988, p.25). A carbonatação inicia a partir da superfície,

avançando progressivamente para o interior do concreto, formando uma “frente de

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

carbonatação

”. O avanço da frente de carbonatação está diretamente relacionado com a

facilidade que o CO

encontra para difundir-se no interior do concreto.

Essas reações ocorrem em fase aquosa, preponderantemente pela difusão do CO

pela

interface das películas de ar e água. A Figura 2 apresenta os possíveis estados de difusão de

gases nos poros do concreto. Segundo Bakker (1988, p.29), quando o concreto não apresenta

água nos poros, Figura 2 (a), a difusão do CO

ocorre normalmente, porém ele permanece na

forma de gás e não reage com os compostos do cimento hidratado. Já nos poros totalmente

saturados, Figura 2 (b), a carbonatação praticamente não ocorre devido à reduzida taxa de

difusão do CO

na água. A difusão deste gás através da água é 4 ordens de grandeza mais

lenta do que através do ar (NEVILLE, 1997, p.496). Porém, quando os poros estão

parcialmente saturados, Figura 2 (c), a difusão do CO

é facilitada e com a água existente nos

poros, se tem a condição mais favorável para o desenvolvimento das reações de carbonatação

com os compostos da pasta de cimento hidratada e, portanto, a situação de maior risco para a

despassivação da armadura (BAKKER, 1988, p.29).

Poro

Concreto

Ar (+CO )

(a) poros totalmente secos

Água

Concreto

Poro

(b) poros totalmente saturados de

água

Concreto

Ar (+CO )

Poro

Filme de água

água

Figura 2: representação esquemática da difusão do CO

(BAKKER,

1988, p.29)

A influência da umidade relativa dos poros do concreto no coeficiente de difusão do CO

representada graficamente por Steffens, Dinkler e Ahrens (2002), como mostra a Figura 3.

A frente de carbonatação é a zona que separa duas regiões de pH distintos, sendo uma não carbonatada (pH de

aproximadamente 12) e outra carbonatada (pH inferior a 9).

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

0 20 40 60 80 100

0.5

1.0

0.0

Umidade relativa dos poros (%)

Coeficiente de Difusão do

Figura 3: efeito da umidade no coeficiente de difusão do CO

(STEFFENS, DINKLER e AHRENS, 2002, p.936)

O coeficiente de difusão decresce consideravelmente quando a umidade relativa dos poros

excede 60%. Para umidade relativa dos poros superior a 82% o coeficiente de difusão do CO

em relação ao concreto seco, cai para 10%. Desta forma, a molhagem das partes de uma

estrutura pela água da chuva afeta significativamente o tempo necessário para o

desenvolvimento da frente de carbonatação (STEFFENS, DINKLER e AHRENS, 2002,

p.939). Segundo Bentz (2000), o coeficiente de difusão também é influenciado pela adição de

sílica ativa, sendo no mínimo 15 vezes menor para concretos com 10% de adição, o que

aumenta substancialmente a vida útil frente à carbonatação de concretos expostos a ambientes

agressivos. Em estudo com pasta de cimento, com e sem adição de sílica ativa, Malhotra et al.

(1994) relatam que o coeficiente de difusão da pasta de controle após a adição de sílica ativa

foi reduzido de 1.0 para 0,25. Para Saetta, Schrefler e Vitaliani (1993), estudos de

carbonatação devem, necessariamente, ser associados a estudos de porosidade, uma vez que a

penetração do CO

é basicamente controlada pela estrutura de poros do material e pela

umidade relativa dos poros.

A carbonatação do concreto é um processo lento, apresentando velocidade decrescente

(NEVILLE, 1997, p.496). Inicialmente, a profundidade de carbonatação aumenta com grande

rapidez, prosseguindo mais lentamente e tendendo assintoticamente a uma profundidade

máxima (atenuação). Bakker (1988, p.25) coloca que, sob o ponto de vista termodinâmico,

considerando uma situação de equilíbrio ideal, a carbonatação prosseguiria até o consumo

total do hidróxido de cálcio, carbonatando totalmente o concreto. Porém, a rede de poros que

se modifica ao longo do tempo em função da precipitação dos carbonatos, forma uma barreira

física, limitando a velocidade de carbonatação do concreto.

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

Essa tendência ao estacionamento do fenômeno pode ser explicada pela hidratação crescente

do cimento, que aumenta, gradativamente, a compacidade do concreto, além da deposição dos

próprios produtos decorrentes da carbonatação, principalmente o carbonato de cálcio,

(CaCO

) que colmatam os poros superficiais, dificultando ao longo do tempo a penetração de

para o interior do concreto (HELENE, 1986, p.9).

2.2.2 Fatores que Influenciam a Profundidade de Carbonatação

Fatores como relação água/aglomerante, condições de cura, grau de hidratação, quantidade e

tipo de cimento, concentração de CO

no ambiente, quantidade de água, temperatura,

quantidade de álcalis na pasta de cimento hidratada e presença de fissuras influenciam a taxa de

carbonatação do concreto (HOUST e WITTMANN, 2002). Para Neville (1997, p.498), a

carbonatação depende ainda da pressão de penetração do agente agressivo e umidade relativa.

Uomoto e Yakada (1993) relatam que o fenômeno também sofre influência da concentração de

e das condições de exposição (umidade, temperatura). Liang, Qu e Liang (2002, p.128)

descrevem que a carbonatação do concreto é um fenômeno predominantemente de difusão que

é influenciado, principalmente, pela qualidade do concreto e pelas condições de exposição.

Deste modo, com o intuito de abranger os principais fatores de interferência na carbonatação do

concreto, os próximos itens contemplam os aspectos referentes às características do ambiente de

exposição e da qualidade do concreto.

2.2.2.1 Características ambientais e condições de exposição

As características ambientais determinantes para que ocorra o fenômeno de difusão são a

concentração de CO

, a temperatura e a umidade relativa do ar. A carbonatação é

diretamente proporcional à temperatura e à concentração de CO

A concentração de CO

na atmosfera, segundo Kazmierczak (1995, p.17), exerce grande

influência na velocidade da carbonatação em estruturas de concreto. Considera-se que a

difusão do gás carbônico pelos poros deste material segue os princípios da primeira lei de

Fick, segundo a qual a difusão do CO

pelos poros do concreto se dá na razão direta do

gradiente de concentração deste gás. Segundo Neville (1997, p.495), a ação do CO

ocorre

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

mesmo em ambientes onde a concentração desse gás na atmosfera é muito baixa, como é o

caso de ambientes rurais, onde o teor de CO

é aproximadamente de 0,03% em volume. O

autor faz referência a concentrações típicas de outros ambientes como, por exemplo, em

ambiente de laboratório não ventilado, o teor de CO

pode superar 0,1% e em grandes

cidades, pode-se chegar até 0,3%, sendo que em alguns casos excepcionais pode-se atingir

1%. Kazmierczak (1995, p.18) relata que os diferentes teores de CO

, encontrados

naturalmente na atmosfera, relacionam-se diretamente com a velocidade de carbonatação, mas

não alteram o seu mecanismo físico-químico.

Uomoto e Takada (1993), verificando a influência do teor de CO

no avanço da frente de

carbonatação, submeteram espécimes de concreto a concentrações de CO

de 0,07%

(ambiente natural interno), 1% e 10% (teste acelerado), sob temperatura e umidade

controlados (T=20°C e UR=55%). Conforme o gráfico da Figura 4, para as relações

água/cimento estudadas, o aumento do teor de CO

elevou a velocidade de carbonatação dos

concretos.

Concentração de CO (%)

Coeficiente de carbonatação

(mm/semana )

0,70

0,60

0,07

0,50

a/c

0,5

Figura 4: influência do teor de CO

no coeficiente de carbonatação

(UOMOTO e TAKADA, 1993)

Observa-se que para concretos com maior relação água/cimento (maior porosidade), o efeito

da concentração de CO

no aumento da carbonatação é mais pronunciado, fato também

observado por Nischer (1984 apud Nepomuceno, 1992, p.28).

O efeito da temperatura na velocidade de penetração da frente de carbonatação, em ensaios

acelerados, não é expressivo, sob temperaturas usuais. Entretanto, apesar da pequena

influência na velocidade de carbonatação, deve-se considerar que a temperatura exerce grande

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

influência na taxa de corrosão da armadura, não podendo ser desprezada na estimativa de

durabilidade de uma estrutura em concreto armado (KAZMIERCZAK, 1995, p.22). Com

relação à corrosão das armaduras, Nepomuceno (1992, p.18) destaca que temperaturas mais

elevadas podem aumentar a velocidade de corrosão, mas por outro lado reduzir a condensação

interna.

Pequenas variações de temperatura têm pouca influência sobre a carbonatação, porém

temperaturas elevadas aumentam a velocidade de carbonatação, a menos que o efeito de

secagem exceda o efeito da temperatura (NEVILLE, 1997, p.498). Kazmierczak (1995, p.15)

explica que, após a umidade interna do concreto entrar em equilíbrio com o meio, as variações

de umidade e temperatura irão influenciar diretamente na existência de vapor ou na saturação

dos poros capilares e, conseqüentemente, na velocidade de carbonatação. Para ambientes

protegidos da chuva, Andrade, Sarría e Alonso (1999) observaram que a temperatura é o

principal fator de influência na definição da umidade relativa interna do concreto.

A umidade relativa afeta a carbonatação, sendo que em condições de baixa umidade, a

carbonatação será menor, porque não haverá água para dissolver o CO

. Como já discutido,

em condições de saturação de água dos poros, a carbonatação também será menor, porque a

difusão de CO

é muito pequena (PARROT, 1987). Papadakis, Vayenas e Fardis (1991a,

p.1334) destacam que a umidade é fator chave para o processo de carbonatação.

O concreto absorve com facilidade a umidade do ambiente, mas em compensação seca

lentamente. Quando a umidade externa é constante, chega-se a estabelecer um equilíbrio entre

o conteúdo de umidade do interior do concreto e a umidade relativa ambiental. Porém, quando

a umidade exterior oscila, o interior do concreto não pode acompanhar as trocas com a mesma

velocidade. Conseqüentemente só a camada externa da estrutura é que mantém equilíbrio com

a UR exterior (FIGUEIREDO, 2004, p.40).

Ceukelaire e Nieuwenburg (1993, p.442) avaliaram a influência da umidade relativa na

profundidade de carbonatação de concretos, com relação água/aglomerante de 0,60,

produzidos com cimento composto com escória de alto formo. Para tal, após a desmoldagem,

os corpos-de-prova (100x100x100 mm) foram curados por 6 dias em ambiente com umidade

relativa de 90% e temperatura de 20 °C. Durante a cura os corpos-de-prova ficaram expostos

à concentração de CO

do ambiente natural. Nos ensaios, os parâmetros considerados foram

temperatura constante de 20°C, 6 faixas de umidade relativa variando de 40 a 90%, com

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

incrementos de 10% e concentrações de CO

de 10 e 0,03%, simulando uma atmosfera

enriquecida e uma natural, respectivamente. Os autores verificaram que, para os dois teores de

, a carbonatação atingiu profundidade máxima na umidade relativa de aproximadamente

50% (Figura 5).

40 50 60 70 80 90

Umidade relativa do ar (%)

Profundidade de carbonatação (mm)

10% CO 0,03% CO

Figura 5: profundidade de carbonatação em relação a umidade relativa

e o teor de CO

(CEUKELAIRE e NIEUWENBURG, 1993, p.444)

Roy, Poh e Northwood (1999) investigaram a carbonatação acelerada de concretos com

diversas classes de resistência, com relações água/aglomerante entre 0,55 e 0,80, concentração

de CO

de 6% e umidades relativas de 52%, 64%, 75%, 84% e 92%. Os resultados indicaram

que, para todas as classes de resistência analisadas, houve aumento na profundidade de

carbonatação com o incremento de umidade de 52% para 75%. Porém, para umidades

relativas superiores a 84% a profundidade carbonatada foi menor que a observada no intervalo

de 52 e 75%.

Conclui-se que no caso específico da carbonatação, a difusão do CO

ocorrerá quando os

poros estiverem parcialmente cheios de água, o que corresponde à umidade relativa na faixa

de 50 a 75% (PARROT, 1987; CEUKELAIRE e NIEUWENBURG, 1993, NEVILLE, 1997).

As condições de exposição das estruturas de concreto, segundo o CEB 238 (COMITE

EURO-INTERNACIONAL DU BETON, 1997, p.17-18) podem ser caracterizadas em clima

regional, local e micro clima. O clima regional refere-se ao clima da região onde a estrutura

está inserida. É representado por dados de temperatura do ar e da água, da quantidade de íons

cloreto e umidade relativa do ar e precipitação. O clima local é relativo ao entorno da

estrutura e leva em consideração o local específico da construção. É representado pelo teor de

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

da atmosfera local e pela intensidade e direção do vento. O nível micro é referente às

condições climáticas na superfície do concreto, sofre influência da exposição à chuva

(protegido ou desprotegido), radiação solar, contato com o solo, umidade, entre outros.

A condição de exposição que uma estrutura pode estar inserida (ambiente interno, externo,

protegido ou desprotegido da chuva) apresenta grande influência na carbonatação dos

concretos. Houst e Wittmann (2002, p.1929) relatam que, geralmente, se admite que concretos

expostos ao ar livre, protegidos da chuva, carbonatam mais rapidamente do que concretos

desprotegidos. Isso se deve ao fechamento dos poros pela água da chuva.

Uma estrutura de concreto exposta à incidência periódica da chuva, devido à saturação dos

poros e a conseqüente dificuldade da difusão do CO

, tem a frente de carbonatação impedida

de avançar, como explica Neville (1997, p.498):

em uma mesma edificação, feita com um mesmo concreto, pode haver consideráveis

variações na profundidade de carbonatação a uma mesma idade: as paredes mais

expostas à chuva terão uma profundidade de carbonatação menor, assim como as

superfícies inclinadas que podem ser lavadas pela chuva; o mesmo se aplica às

paredes que podem ser completamente secas devido à insolação.

Em um estudo em argamassas, Okochi et al. (2000, p.2937) observaram que a carbonatação é

mais intensa nas amostras protegidas da chuva do que nas expostas. Barker e Matthews

(1994) verificaram que concretos armazenados em ambiente de laboratório, com UR de 65%

e temperatura de 20°C, carbonatam com maior velocidade do que os armazenados ao ar livre

(protegidos da chuva), sendo que estes apresentam redução de 40% na profundidade de

carbonatação quando comparados aos concretos dispostos em recinto fechado. Meyer (1969,

p.400) representou graficamente, como pode ser verificado na Figura 6, a influência do

ambiente de exposição do concreto na carbonatação.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

Profundidade de carbonatação

Idade

Aumento da

umidade

1 - concreto constantemente submerso ou em ambiente úmido;

2 - superfícies externas horizontais de concreto em clima úmido;

3 - concreto em ambiente externo desprotegido da chuva e da neve;

4 - concreto em ambiente interno exposto ao ar ou em ambiente

externo protegido da chuva e da neve.

Figura 6: efeito das condições de exposição na carbonatação – modelo

(MEYER, 1969, p.400)

Para amostras expostas ao ambiente natural de degradação, Ho e Lewis (1987, p.493)

obtiveram diferentes resultados de profundidade de carbonatação, sendo que os corpos-de-

prova dispostos na vertical carbonataram mais que os inclinados a 45°. Os autores salientam

que as amostram inclinadas receberam 540 mm de chuva, enquanto que os espécimes

dispostos verticalmente somente 40 mm. Logo, a correlação entre resultados de ensaios

acelerados e ensaios ao natural é fortemente dependente das condições de exposição.

Com relação à correlação de resultados entre ensaios de carbonatação acelerados e naturais,

em trabalho realizado no Brasil, Isaia, Vaghetti e Gastaldini (2001, p.2) relatam que o teor de

umidade de equilíbrio em que as medidas da profundidade de carbonatação aceleradas são

realizadas afeta essa comparação, visto que os ensaios naturais também podem estar afetados

por condições ambientais diversas tais como: exposição interna, externa abrigada ou externa

desabrigada, diminuindo a profundidade de carbonatação da primeira em direção a última

pois, na condição interna, a umidade relativa se mantém quase todo tempo dentro da faixa de

carbonatação máxima (50-80%), enquanto que, nas externas, as variações higrométricas dos

poros são influenciadas pelas secagens e molhagens sucessivas.

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

2.2.2.2 Características do concreto

As características do concreto apresentam grande influência na carbonatação, dentre as quais,

Kazmierczak (1995, p. 23) destaca a composição química do cimento, o traço especificado

e a qualidade da execução. Ressalta-se ainda a influência das propriedades mecânicas na

carbonatação do concreto.

O avanço da frente de carbonatação é inversamente proporcional à reserva alcalina disponível

na matriz da pasta de cimento hidratada, que por sua vez é função da composição química do

cimento, do teor de hidróxido de cálcio e dos álcalis presentes (MEYER, 1969, p.399).

Normalmente, o cimento Portland comum apresenta 64% de óxido de cálcio e 0,5-1,5% de

óxido de sódio e potássio, sendo que o cimento com adição de escória pode apresentar um

teor de 44% de óxido de cálcio, reduzindo a quantidade de álcalis disponíveis para a

carbonatação (BAKKER, 1988, p.30).

Concretos produzidos com cimentos com adições pozolânicas, apesar destas propiciarem o

refinamento dos poros e dos grãos, aumentando a sinuosidade dos capilares e diminuindo a

permeabilidade, apresentam profundidades de carbonatação superiores às obtidas em

concretos de cimento Portland comum. Isso ocorre pois prepondera o efeito da diminuição da

reserva alcalina, devido à redução do teor de álcalis quando a sílica reage com o Ca(OH)

pela reação pozolânica. Isso resulta em frentes de carbonatação mais velozes para os

concretos com adições (ISAIA, 1999, p.9). Por outro lado, Papadakis (2000) afirma que a

influência da cinza volante e da sílica ativa no aumento da profundidade de carbonatação no

concreto é válida para os casos em que as adições minerais são empregadas como substituição

ao cimento. Jiang, Lin e Cai (2000) descrevem que, apesar dos resultados conflitantes no que

se refere à carbonatação em concretos com cinza volante, normalmente a presença desta

pozolana implica em maior profundidade de carbonatação. Com relação à adição de sílica

ativa, Vieira (2003, p.198) relata que, segundo análises estatísticas realizadas em seu estudo,

isoladamente esta adição não apresenta efeito significativo, sendo a sua influência na

profundidade de carbonatação determinada pela relação água/aglomerante.

Com relação ao traço especificado, Kazmierczak (1995, p.23) relata que a composição do

concreto define a porosidade, a difusibilidade, a absorção e a permeabilidade da pasta

endurecida e, portanto, reflete na velocidade de penetração da frente da carbonatação.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

Relatos de várias pesquisas indicam que a carbonatação é fortemente influenciada pela

relação água/aglomerante ou água/cimento do concreto (MEYER, 1968; TUUTTI, 1982; HO

e LEWIS, 1987, BAUER, 1995; VIEIRA, 2002, KULAKOWSKI, 2003, entre outros). Nestes

trabalhos verifica-se que existe uma forte relação entre a profundidade de carbonatação e a

relação água/aglomerante, indicando assim que o controle do tamanho e interconectividade

dos poros é muito importante para regular o aumento ou a redução da frente de carbonatação.

A porosidade capilar também apresenta grande importância na carbonatação. Helene (1993,

p.103) relata que “está provado que via de regra um aumento na porosidade do concreto

conduz a um aumento da permeabilidade e difusibilidade dos gases no concreto”. Mehta e

Monteiro (1994) e Bauer (1995) relatam que a relação água/aglomerante influencia a

profundidade de carbonatação do concreto, visto que esta está diretamente ligada à porosidade

da pasta de cimento hidratada, sendo que, quanto maior o volume de poros, maior será a

facilidade do acesso de CO

no interior do concreto. Segundo Mehta e Monteiro (1994, p.124)

na pasta de cimento hidratada, o fluxo de água ocorre entre os poros capilares interconectados

e essa interconexão é diretamente ligada à relação água/cimento e ao grau de hidratação do

cimento.

Em trabalho realizado em concreto com adição de sílica ativa, Kulakowski (2002) aponta a

existência de uma região crítica no comportamento dos concretos frente à carbonatação,

delimitada pela existência de um intervalo de relações a/agl (0,45 e 0,50). Abaixo desta zona

de água/aglomerante limite, a carbonatação é regida principalmente pela porosidade da matriz

cimentante, conferida pelo teor de água, sendo que o teor de Ca(OH)

e o pH, nestes níveis de

relação a/agl, apresentam pouca influência na carbonatação. Para intervalos acima das

relações a/agl da região limite, as características químicas passam a exercer um efeito

significativo na profundidade de carbonatação, e o consumo de Ca(OH

) nas reações

pozolânicas promovidas pela sílica ativa são favoráveis à carbonatação. Vieira (2003) também

observou a existência desta região crítica limite em torno da relação a/agl 0,50, abaixo da qual

a profundidade de carbonatação pode ser considerada tecnicamente desprezível para concretos

com e sem adição de sílica ativa. Silva (2002) explica que o aumento da profundidade de

carbonatação, em concretos de elevada relação água/aglomerante e com adição de sílica ativa,

é decorrente da redução da quantidade de hidróxido de cálcio presente no composto agravado

pelo desenvolvimento das reações pozolânicas.

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

A qualidade da execução é primordial para a carbonatação e está diretamente relacionada às

etapas de lançamento, adensamento e, principalmente, cura do concreto. Segundo Helene

(1993, p.112), a cura do concreto afeta majoritariamente as condições de hidratação dos

primeiros milímetros superficiais. Desta forma, a aparente desvantagem dos cimentos com

adições, de menores reservas alcalinas, pode ser grandemente minimizada por uma boa e

prolongada cura úmida.

Thomas e Matthews (1992), avaliando o efeito da cura na carbonatação de concretos, durante

um período de 4 anos, constataram influência significativa na redução da profundidade de

carbonatação para concretos curados em tempos mais elevados, como é mostrado na Figura 7.

1 dia

7 dias

28 dias

observado Predito

cura

Tempo (anos)

Profundidade de carbonatação (mm)

123

Figura 7: influência da cura na profundidade de carbonatação

(THOMAS e MATTHEWS, 1992)

Como se observa na figura supracitada, a cura é de grande importância para o avanço da

carbonatação do concreto ao longo do tempo. Meyer (1968), Ho e Lewis (1987) e Uomoto e

Takada (1993) também relatam a existência de uma influência significativa entre o avanço da

carbonatação e o tempo de cura, principalmente nos primeiros dias de hidratação da pasta.

No que se refere ao efeito das propriedades mecânicas na carbonatação do concreto,

Huang e Yang (2002, p.16) descrevem que a profundidade de carbonatação (para um teor de

de 100%) decresce com o incremento da resistência à compressão axial do concreto,

como é mostrado na Figura 8. Os resultados foram obtidos em concretos convencionais com

relação a/agl de 0,48 e 0,58 e em concretos auto-adensáveis (a/agl 0,36 e 0,40), ambos

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

produzidos com adição de escória. Fattuhi

e Wierig

apud Huang e Yang (2002, p.16)

relatam que a profundidade de carbonatação decresce com a elevação da resistência à

compressão para todos os tipos de concreto, mas estas relações dependem do tipo de

cimento empregado e das condições de cura.

1,80

1,60

1,40

1,20

1,00

0,80

0,60

0,40

0,20

30 40 50 60 70

Resistência à compressão (MPa)

Profundidade de carbonatação (mm)

1,80

1,60

1,40

1,20

1,00

0,80

0,60

0,40

0,20

30 40 50 60 70

Resistência à compressão (MPa)

Profundidade de carbonatação (mm)

Figura 8: relação entre a profundidade de carbonatação (100% de

) e a resistência à compressão dos concretos aos 28 dias (CHI,

HUANG e YANG, 2002, p.16)

Vieira (2003, p.193), também verificando o comportamento da resistência à compressão e da

profundidade de carbonatação

para concretos com diferentes teores de adição de sílica ativa

(0, 10 e 20%) constatou, para um mesmo teor de adição, um comportamento inversamente

proporcional entre a profundidade de carbonatação e a resistência à compressão. Fazendo a

comparação entre diferentes teores de adição, a profundidade de carbonatação passa a ser

proporcional à resistência, ou seja, embora a sílica ativa aumente a resistência à compressão,

verifica-se uma maior profundidade de carbonatação nos concretos com adição. Salienta-se

que o aumento da profundidade de carbonatação observado para relações água/aglomerante

menores do que 0,5 não é significativo frente ao acréscimo de resistência de 12% obtido com

a adição de 10% de sílica ativa.

FATTUHI N.J. Carbonation of concrete as affected by mix constituents and initial water curing period.

Materials of Constructions. vol. 19, no. 110, 1986, p. 131-136.

WIERIG H.J. Longtime studies on the carbonation of concrete under normal outdoor exposure. In:

Proceedings of the RILEM, Hannover University, 1984, p. 239-249.

Ensaio realizado com teor de CO

superior a 50%, UR em torno de 90% e Temperatura de 23 ± 2°C.

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

2.3 ENSAIOS DE DURABILIDADE

Diversas abordagens referentes às questões da durabilidade do concreto são descritas na

literatura. A durabilidade de um material geralmente é referenciada de forma comparativa com

um outro material, apresentando caráter qualitativo. Uma maneira de se fazer essa estimativa de

forma quantitativa é através de elaboração de ensaios de durabilidade. Silva Filho (1994, p.24)

divide os ensaios de durabilidade em três grandes grupos e relata que, de forma geral, os

melhores resultados de ensaios vêm da consorciação dos três grupos. Com isto, busca-se

identificar as grandezas que interferem de forma decisiva no processo agressivo, investigando

seu comportamento, e procurando correlacionar os resultados obtidos com as observações

provenientes da análise de estruturas reais. Segundo o autor os ensaios de durabilidade podem

ser divididos em:

a) ensaios em laboratório: tentam reproduzir o efeito do ambiente sobre a

estrutura, simulando o mecanismo de agressão sob condições controladas;

b) ensaios acelerados: buscam, em ambiente de laboratório, acelerar o processo

de degradação por meio da utilização de um ambiente mais agressivo que o

natural;

c) ensaios microestruturais: voltados para o estudo da estrutura dos materiais

que sofrem os processos de degradação. Aproximam-se do enfoque da ciência

dos materiais, onde, por meio de um conhecimento profundo da microestrutura,

se busca aferir as propriedades macroscópicas do material.

Pela dificuldade de simular em laboratório a combinação das condições de longa duração

atuantes na estrutura real, a maior parte do conhecimento sobre os processos físico-químicos

responsáveis pela degradação do concreto vem de estudos de casos de estruturas em campo

(MEHTA e MONTEIRO, 1994, p.121).

Segundo Sentler (1987), a maioria dos ensaios de durabilidade avalia um simples parâmetro

de estudo, sem considerar a possível interação com outras características do material. O autor

sugere que, para representar as características ao longo do tempo de um material, sejam

elaborados ensaios a longo prazo.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

John (1987, p.51) relata que existem basicamente duas fontes de dados para o estudo da

durabilidade de uma estrutura: ensaios de envelhecimento natural e ensaios de

envelhecimento acelerados.

Como a durabilidade está relacionada com o desempenho ao longo do tempo de um

determinado material, num determinado ambiente, sob determinadas condições de serviço, a

estimativa da durabilidade de novos materiais é de difícil formulação (AÏTCIN, 2000, p.540).

Quanto se trata de estudar materiais ou componentes de características novas, ou de materiais

tradicionais em ambientes não comuns, é necessário recorrer a métodos de ensaios de

envelhecimento acelerado, de maneira a simular a experiência do material em uso (JOHN,

1987, p.51).

Para novos tipos de concretos, Aïtcin (2000, p.540) relata que a durabilidade pode ser

estimada usando ensaios acelerados que já foram normalizados. Salienta, ainda, que as

condições de laboratório representam razoavelmente as condições de campo, e que somente o

mecanismo destrutivo é acelerado. Outra maneira de se estimar a durabilidade é usar o

concreto em estruturas e escala natural, temporárias ou experimentais. O emprego destes

concretos em pequenos projetos também pode ser uma alternativa, visto que os riscos

financeiros não são muito significativos, e por meio da experiência e da confiança ganhas na

adequação do material, ele pode ser utilizado em obras cada vez mais elaboradas. Whiting

(1984

apud Aïtcin, 2000, p.541) apresenta uma outra abordagem, a qual consiste no estudo

de ruína de materiais similares ou correlatos, sob carga de serviço e ambientes normais, com o

objetivo de entender os mecanismos do processo de ruína.

Dentre as diferentes formas possíveis de se estimar as características de durabilidade do

concreto apontadas pela literatura, no capítulo seguinte será discutida com maior ênfase a

abordagem de ensaios de degradação ao natural e acelerados.

WHITING, D. In situ measurements of the permeability of concrete to chloride ions. ACI SP-82, p. 501-524,

1984.

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

2.3.1 Ensaios ao Natural

Os ensaios ao natural, também denominados de ensaios não acelerados, de campo ou de

longa duração, têm como princípio básico a exposição de amostras de concreto em ambiente

de degradação natural, conforme o uso a que se destina, em ambiente protegido ou

desprotegido das intempéries. Para a carbonatação do concreto, a condição de exposição das

amostras, como descrito no item 2.2.2.1, tem grande influência nos dados coletados, sendo

que os ensaios de degradação ao natural, em ambientes internos, tendem a apresentar maiores

profundidades de carbonatação.

Atualmente, a crescente preocupação com a durabilidade e necessidade da previsão da vida

útil das estruturas mobilizou muitas áreas de estudo e vários grupos de pesquisa, do Brasil e

do exterior, tomaram a iniciativa da criação de estações de campo para a verificação da

degradação das estruturas de concreto expostas a diferentes condições ambientais. A evolução

da degradação destes espécimes é monitorada ao longo do tempo, a fim de correlacionar os

dados com a degradação apresentada em ensaios acelerados e também com estruturas reais.

No Brasil há um projeto denominado DURACON

que visa caracterizar a durabilidade de

concretos expostos em condições ambientais reinantes na Iberoamérica

. A caracterização

será baseada na exposição de corpos-de-prova com e sem armadura, com relação

água/aglomerante de 0,65 e 0,45, degradados em, no mínimo, duas atmosfera distintas, sendo

uma marinha e outra urbana, em cada país ibero-americano participante.

Na etapa brasileira, em princípio, serão implantadas 4 estações de envelhecimento natural, em

localidades com diferentes condições ambientais, localizadas em Goiânia (GO)

, Natal (RN)

Rio Grande (RS)

e São Paulo (SP)

. Segundo Sato (2004), no Brasil, este projeto é pioneiro,

mas nos países desenvolvidos, trabalhos neste campo são realizados há mais de duas décadas. O

projeto tem orçamento e previsão de duração de 4 anos e tem como objetivo correlacionar a

durabilidade do concreto com as características do meio ambiente. Como resultado, prevê a

definição de mapas de agressividade às estruturas de concreto armado, tendo em vista o

Influência da ação do meio ambiente na durabilidade do concreto: Projeto DURACON, Brasil.

Da qual fazem parte os seguintes paises: Argentina, Brasil, Chile, Colômbia, Cuba, Espanha, México, Peru,

Portugal, Uruguai e Venezuela.

Atmosfera urbana, pouco poluída, com baixa umidade relativa e temperaturas elevadas o ano todo.

Atmosfera marinha e temperaturas elevadas o ano todo.

Atmosfera marinha, temperaturas amenas e períodos de frio.

Atmosfera urbana, extremamente poluída, com as estações do ano bem definidas.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

fenômeno de corrosão das armaduras. Até o presente momento, o início da exposição dos

corpos-de-prova à degradação natural não foi principiado.

A realização de ensaios de longa duração (ao natural) é extremamente importante, porém

apresenta grandes dificuldades de execução devido às variáveis espaciais e temporais

implícitas nos mesmos (ANDRADE, 1997, p.16).

Comparados aos ensaios acelerados, os ensaios ao natural oferecem algumas vantagens e

desvantagens. Dentre as vantagens, destacam-se a interação real com o meio agressivo, a

exposição às intempéries e a possibilidade de avaliação da degradação devido ao efeito

sinérgico dos agentes agressivos. Como desvantagens do emprego destes ensaios, John

(1987, p.56) destaca:

a) os componentes e os materiais não são testados na configuração de uso, fato

que dificulta a correlação com as condições reais de serviço;

b) não consideram os fatores de uso e a sinergia entre estes e os fatores

ambientais;

c) não representam a variação das condições de exposição, sendo difícil prever a

vida útil de uma população de estruturas.

Pode-se adicionar ainda as desvantagens referentes ao longo período de tempo necessário para

a realização dos ensaios e obtenção dos resultados, as mudanças do ambiente de exposição ao

longo do tempo e as alterações nas características dos materiais devido à evolução

tecnológica.

O quadro da Figura 9 apresenta uma síntese da problemática verificada durante a execução de

um ensaio de durabilidade ao natural e a realidade (verificada em estruturas existentes),

mostrando que os resultados obtidos devem ser interpretados com critério, evitando-se

generalizações.

Os ensaios de durabilidade ao natural, por exigirem um tempo elevado para a realização e

obtenção de resultados, no passado foram pouco empregados pelos pesquisadores,

havendo carência de literatura na área. Porém, nos últimos anos, a crescente preocupação

com a durabilidade das estruturas de concreto armado, aliada à necessidade de conhecer

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

sua interação com o meio ambiente, vem gerando estudos que buscam estabelecer as

relações encontradas entre os dados de laboratório e os encontrados em obras reais

(DURACON, 2002).

Fator de análise Realidade Ensaio ao natural

População de produto Amostra

Produtos montados Produtos isolados

Produto

Mão-de-obra real Mão-de-obra ideal

Intensidade variável Intensidade fixa ou variável

Agente

Incidência de fatores de uso Fatores de uso desconsiderados

Fenômeno real Fenômeno simplificado ou real

Método de avaliação

Medida real Medida real ou a interpretar

Figura 9: síntese dos problemas enfrentados na aplicação de ensaios

ao natural (JOHN, 1987, p.57)

Um dos ensaios considerados até o presente momento como o mais longo teste de

envelhecimento em condições naturais, abrangeu um estudo em corpos-de-prova com

mais de 100 anos de idade submetidos a condições severas de exposição (atmosfera

marinha). Os resultados oriundos deste experimento mostram que, apesar do período de

tempo decorrido, a microestrutura dos espécimes mudava continuamente, com a formação

de diversos componentes na pasta e a dissolução de outros (SAKAI, 1996

apud

ANDRADE, 1997, p.16).

2.3.2 Ensaios Acelerados

Os ensaios acelerados em concreto simulam um processo de degradação natural, com

intensidade superior à esperada em condições normais de serviço. Geralmente são

desenvolvidos em laboratório, tendo como principal objetivo reduzir o tempo necessário para

que ocorra a deterioração do concreto devido a algum processo de degradação específico.

Esses processos de degradação são simulados a taxas superiores às encontradas em ambiente

natural, normalmente, com condições de umidade relativa e temperatura controlada. Segundo

CIB/RILEM (1983), neste tipo de ensaio, a degradação de um componente é intencionalmente

acelerada a taxas acima das esperadas em serviço.

SAKAI, K. Long-term performance concrete in a marine environment. In: Odd. E. Gjørv Symposium on

Concrete for Marine Structures. Proceedings… New Brunswick, 1996, p.35-53.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

Por exemplo, para o fenômeno de carbonatação do concreto, devido à baixa concentração de

na atmosfera, o processo de carbonatação natural ocorre lentamente, sendo fundamental

para viabilizar estudos de durabilidade a elaboração de ensaios acelerados que possam

reproduzir o fenômeno em um tempo reduzido.

Os ensaios de envelhecimento acelerados são divididos, conforme seus objetivos, em dois

grupos (NIREKI, 1980):

a) avaliação da durabilidade relativa do material sob certas condições, não

considerando a relação entre as condições de envelhecimento e as condições de

uso;

b) avaliação da durabilidade sob certas condições de aceleração da degradação,

considerando o fator de aceleração

em relação às condições de uso.

Segundo John (1987), os ensaios acelerados que avaliam a durabilidade relativa do concreto

formam a grande maioria dos ensaios até hoje desenvolvidos. Estes ensaios possibilitam, em

condições idênticas de exposição, a comparação dos resultados do concreto ensaiado com os

resultados de um concreto padrão. Já os que consideram o fator de aceleração em relação às

condições de uso visam fornecer uma estimativa de vida útil, pois relacionam, por meio do

fator de aceleração, a degradação apresentada em laboratório (acelerada) com a esperada de

campo (não acelerada). Contudo, conforme a ASTM E - 632 (AMERICAN SOCIETY FOR

TESTING MATERIALS, 1996), a relação entre tais fatores raramente é simples, pois tanto a

complexidade existente entre as formas de degradação que ocorrem na prática quanto a

conseqüente dificuldade de se modelar tal comportamento em laboratório são condicionantes

do sucesso dessa linha de investigação.

O CSTC/IC-IB/SECO (1979) sintetiza os problemas de confiabilidade enfrentados em ensaios

de durabilidade acelerados, traduzidos na forma de discordâncias entre a situação real e a

simulada por ensaios acelerados. Na primeira situação destacam-se, principalmente, o produto

(no caso a estrutura e a mão-de-obra) e as interações entre os agentes agressivos e suas

intensidades, pois se trata de um fenômeno de degradação real. No segundo caso são

contestados o produto (no caso o corpo-de-prova e a mão-de-obra especializada) e os agentes

Fator de aceleração: relação da degradação acelerada e não acelerada. O item 2.3.3 descreve estes coeficientes

traduzindo-os como coeficientes de aceleração.

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

agressivos que, por sua vez, são isolados, com intensidade fixa e normalmente superior a real

resultando na reprodução de um fenômeno de degradação simplificado.

Na correlação da realidade com a tentativa de simulação acelerada do fenômeno agressivo,

nota-se a existência de diferenças expressivas entre as duas situações, mostrando que, antes do

início de um ensaio de degradação acelerada, deve-se verificar se o comportamento dessa

simulação reflete a magnitude do fenômeno real.

É importante ressaltar que são necessários cuidados na extrapolação dos resultados dos

ensaios acelerados para condições reais de exposição, não somente porque a carbonatação das

estruturas é fortemente influenciada pelo teor de umidade do concreto, que em condições reais

de exposição é especialmente afetada pela molhagem por chuvas e secagem por insolação e

vento, mas também porque as altas concentrações de CO

dos ensaios acelerados distorcem os

fenômenos (NEVILLE, 1997, p.502). Segundo Isaia, Vaghetti e Gastaldini (2001), nos

ensaios com o objetivo de acelerar as reações de carbonatação, as pesquisas de laboratório

empregam câmaras condicionadas com atmosfera rica em gás carbônico, com concentrações

de CO

que variam entre 1% a 100%. Este fato denota a falta de padronização dos ensaios o

que, conseqüentemente, dificulta a correlação dos resultados de pesquisas da área. Outros

intervenientes para a simulação do ensaio de carbonatação são a variação dos períodos de cura

e o ambiente a que os concretos são submetidos antes da realização do ensaio.

Por outro lado, entre as vantagens apresentadas na utilização dos ensaios acelerados

destacam-se o rígido controle do ambiente de exposição e a precisão da tomada de medidas,

devido à possibilidade de utilização de equipamentos sofisticados no monitoramento. Para

John (1987, p.55) esse tipo de método é insubstituível, já que seu uso é um imperativo para

estudos de durabilidade de materiais novos.

2.3.3 Coeficientes de Carbonatação e de Aceleração

Primeiramente, define-se que o coeficiente de carbonatação (k

) é a relação da profundidade

carbonatada de um concreto em função da raiz quadrada do tempo de exposição ao CO

expresso, normalmente, em mm/ano

0,5

ou mm/semanas

0,5

. Já o coeficiente de aceleração (α

)

é adimensional e expressa o número de vezes que o ensaio acelerado representa a degradação

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

natural, sendo relativo aos concretos estudados e às condições de exposição impostas nos dois

procedimentos de ensaio.

O estudo da carbonatação em estruturas de concreto armado, elaborando ensaios de

degradação acelerados e ao natural, vem sendo realizado por pesquisadores de vários países,

(HAMADA, 1969; HO e LEWIS, 1987; DHIR, HEWLETT e CHAN, 1989;

KAZMIERCZAK, 1995; LIMA, 1999; ISAIA, VAGHETTI e GASTALDINI, 2001, entre

outros). A maioria dos trabalhos busca somente a determinação dos coeficientes de

carbonatação (k

)

, obtidos com base na equação da raiz quadrada do tempo, onde cada

mistura e procedimento de ensaio (acelerado e natural) apresenta um coeficiente. Dentre os

trabalhos pesquisados, poucos fazem referência ao tema ou buscam a determinação dos

coeficientes de aceleração (α

), destacando os esforços de HAMADA (1969), HO e LEWIS

(1987) e CEUKELAIRE e NIEUWENBURG (1993).

A preocupação com a durabilidade das estruturas de concreto armado expostas ao ambiente

natural de degradação por carbonatação, bem como os primeiros trabalhos na área, tiveram

início no Japão em 1907, quando o Dr. Riki Sano iniciou um estudo que englobava a

verificação da corrosão das armaduras despassivadas por carbonatação, com e sem inibidores

de corrosão, inseridas em diferentes concretos expostos em distintas atmosferas. Hamada

(1969, p.345), apresentando os dados coletados pelo Dr. Riki Sano, após 20 anos de

exposição, aplicou a equação simplificada representativa da primeira lei de Fick

, para a

estimativa da profundidade de carbonatação ao longo do tempo. O pesquisador encontrou,

para um concreto com relação água/cimento de 0,60, um coeficiente de carbonatação (k

) de

7,2 mm/ano

0,5

Em estudo preliminar da carbonatação acelerada e ao natural de concreto com altos teores de

pozolana, Isaia, Vaghetti e Gastaldini (2001) realizaram ensaios acelerados em corpos-de-

prova de concreto condicionados em câmara de carbonatação com teor de CO

de 10% após

4, 8, 12 e 16 semanas e, de carbonatação ao natural, com corpos-de-prova expostos ao

ambiente de laboratório por um período de 2 anos, fazendo medições após 6, 12 e 24 meses.

A relação entre os coeficientes de carbonatação dos ensaios acelerados e ao natural foi, em

Os coeficientes de carbonatação também são apresentados na literatura como “kco

” ou somente “k”.

A primeira lei de Fick ou lei da difusão (Adolph Fick, fisiologista alemão, 1856) estabelece que para um

processo de difusão molecular unidimensional, o fluxo de massa de um soluto é proporcional ao gradiente de sua

concentração. Para a carboantação do concreto, a equação e

=k.t

(abordada com maior ênfase no item 3.3) é

uma forma simplificada desta lei.

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

média, para concretos com até 25% de pozolanas, de 1,0 mm/semana

0,5

=1,0 mm/ano

0,5

. Para

concretos com teores elevados de pozolanas (50%), os coeficientes de carbonatação obtidos

dos ensaios acelerados apresentam valores 3,6 vezes maiores que os dos ensaios de

carbonatação ao natural (1,0 mm/semana

0,5

=3,6 mm/ano

0,5

). Os autores ressaltam que os

resultados obtidos sofreram influência da porosidade do concreto, do teor de pozolana e do

tipo de ensaio. Para Isaia (1999, p.16), a variação das taxas utilizadas nos ensaios de

carbonatação influi no resultado final, de modo que as conclusões encontradas, quando se

emprega determinada concentração de CO

, são restritas àquelas condições de ensaio. Outro

fator que dificulta essa correlação são as alterações referentes aos procedimentos de cura das

amostras, pois segundo Vaghetti, Isaia, e Gastaldini (2001, p.1) o efeito da cura em concretos

produz uma série de influências nas propriedades micro e macroestruturais. Estas

propriedades estão associadas ao mecanismo de transporte de fluídos através dos poros ou das

fissuras, bem como ao conteúdo de água dos mesmos, interferindo na durabilidade do

material.

Com relação à determinação dos coeficientes de carbonatação, além dos trabalhos acima

citados, destacam-se os estudos elaborados por Roy (1999), Venquiaruto (2002), Vaghetti

(1999), Uomoto e Takada (1993), Isaia (1995) e Figueiredo (2004), entre outros.

A maior dificuldade na correlação dos dados e determinação dos coeficientes de aceleração

de testes de degradação natural e acelerado está atrelada à grande variabilidade dos resultados

e à falta de padronização dos procedimentos das duas abordagens de ensaio. A variabilidade

dos resultados, em geral, é decorrente das alterações climáticas do ambiente de exposição e

das constantes mudanças dos materiais constituintes do concreto. As pesquisas elaboradas

tentando correlacionar estes ensaios empregam na carbonatação acelerada diferentes teores de

, temperatura e umidade relativa variadas, tempo de cura e de sazonamento distintos ou as

vezes inexistentes, diferentes dimensões e formas das amostras, entre outros fatores que

afetam o fenômeno de carbonatação. Por outro lado, os ensaios de degradação natural são

realizados em diferentes ambientes, com fatores climatológicos não controláveis, sofrendo

influência das variações de temperatura, umidade relativa, precipitação, radiação solar, teor de

, ciclos de molhagem e secagem e tipo de exposição (protegido ou desprotegido da

chuva). Alguns destes fatores que interferem no ensaio natural são de difícil obtenção,

principalmente no que se refere à concentração de CO

da atmosfera, a qual geralmente não é

monitorada pelas estações de controle da qualidade do ar ou de metereologia. Verdú (1963)

salienta que existe uma grande dificuldade em encontrar relação entre os ensaios acelerados e

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

o comportamento do concreto na realidade, sendo freqüente a necessidade de recorrer a

ensaios de longa duração em condições totalmente reais por ser muito difícil de reproduzi-las

em laboratório. Com relação à representatividade dos ensaios, Kazmierczak (1995, p.18)

relata que diversos pesquisadores afirmam que os resultados de ensaios de carbonatação

acelerados com a utilização de teores elevados de CO

apresentam ótima correlação com os

resultados de longa duração, com concentrações normais de CO

(YING-YU e QUI-DONG,

1987

; PAPADAKIS, FARDIS e VAYENAS, 1992

; ANDRADE, et al., 1988

, todos

citados por KAZMIERCZAK, 1995, p.18).

Hamada (1969, p.346), utilizando uma câmara de carbonatação com concentração de dióxido

de carbono de 15%, efetuou estudos em alguns traços de concreto, correlacionando os

resultados de 1, 6 e 12 meses de ensaio acelerado, com os resultados obtidos em 0,5, 1 e 6,5

anos de exposição ao natural. O pesquisador encontrou boas correlações entre os resultados,

concluindo que o ensaio de carbonatação acelerado representa adequadamente o fenômeno,

equivalendo, aproximadamente, a uma aceleração de 40 vezes do processo de degradação

natural.

Na Austrália, Ho e Lewis (1987), em um estudo de carbonatação de concretos com e sem

adição de cinza volante, encontraram, para a idade de 1 ano de exposição ao natural, a

correlação equivalente a uma semana em câmara de carbonatação com concentração de CO

de 4±0,5%, com UR de 50% e temperatura de 23

C. Os pesquisadores apresentam o

coeficiente de correlação dos dados após um ano de ensaio natural e uma semana de ensaio

acelerado, como é mostrado na Figura 10. Pelo diagrama, existe correlação entre os ensaios

realizados em curtos períodos de tempo com os ensaios naturais de longos intervalos de

tempo, mostrando que o comportamento do fenômeno de carbonatação foi reproduzido no

ensaio acelerado.

YING-YU, L.; QUI-DONG, W. The mechanism of carbonation of mortars and the dependence of carbonation on

pore structure. In: CONCRETE DURABILITY, Detroit, 1987. Proceedings… Detroit, ACI, 1987. p. 1915-43.

PAPADAKIS, V. G.; FARDIS, M. N.; VAYENAS, C. G. Hydration and carbonation of pozzolanic cements.

ACI Materials Journal, n. 89, p.119-130, 1992.

ANDRADE, C.; ALONSO, C.; BACLE, B.; RODRIGUEZ, J. Accelerated testing methodology for evaluating

carbonation and chloride resistance of concrete coatings. In: FIP SUMPOSIUM, Israel, 1988. Proceedings…

Jerusalem, s.ed., p.61-67.

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

Carbonatação acelerada - 4 semanas de

exposição em 4% de CO

Carbonatação natural - um ano de

osição

(

)

Correlação 1,3

Figura 10: resultados dos ensaios de curta duração e de longa duração

para diferentes tipos de concreto (HO & LEWIS, 1987, p.493)

Em outro trabalho, Ho e Lewis (1988, p.859) relatam que a estimativa da carbonatação dos

concretos em estruturas reais ou em testes acelerados vem sendo empregada em diversas

pesquisas (DHIR, JONES e MUNDAY, 1985

; HO e LEWIS, 1987

; CURRIE, 1987

Estas pesquisas indicam que os resultados de carbonatação acelerada C

podem ser

correlacionados com os resultados de exposição natural C

, considerando-se os fatores

conforme a equação 3.

equação 3

O fator

correlaciona a diferença da concentração de CO

entre a câmara acelerada

e a do

laboratório, em iguais condições de umidade relativa e temperatura. O fator

correlaciona as

condições de exposição do ambiente de laboratório (interna) com a natural (externa). Ho e

Lewis (1987) determinaram um

de 7,2 para UR de 50% e temperatura de 20°C. O valor

DHIR, R.K.; JONES, M.R.; MUNDAY, J.G.L. Concrete. 19(10), 32, 1985.

HO, D.W.S.; LEWIS, R.K. Durability of Building. Materials. v. 4, 241, 1987.

CURRIE, R.J. Carbonation depths in structural-quality concrete. Building Resistance. Establishment Report,

Garston, v. 19,1987.

O autor faz referência à concentração de CO

de 4%.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

apropriado de

, obtido através de ensaio de carbonatação natural, no momento da publicação

do artigo, ainda estava sendo determinado, mas com um ano de ensaio natural, os autores

citam que a carbonatação foi cerca de 30 a 55% menor que a de concretos similares em

ambiente de laboratório.

O estudo da carbonatação de concretos produzidos com cimento composto com escória de

alto forno e a correlação de profundidade carbonatada ao longo do tempo, para diferentes

teores de CO

foi estudada por Ceukelaire e Nieuwenburg (1993, p.442). Os pesquisadores

realizaram ensaios de carbonatação em câmara climatizada, com temperatura de 20°C e UR

de 90%, contendo os teores de CO

de 10% (atmosfera saturada) e 0,03% (atmosfera natural).

As idades de exposição ao CO

, com concentração de 0,03%, de 333, 392 e 575 dias,

conferiram uma profundidade de carbonatação média de 3,3; 3,5 e 4,1 mm, respectivamente.

Para o teor de CO

de 10% a profundidade de carbonatação foi aferida aos 21 dias

correspondendo a 4,9 mm. Empregando a equação simplificada da raiz quadrada do tempo

=k.t

), os autores encontraram, com o ajuste dos pontos de carbonatação, para o teor de

de 0,03%, um valor de “k

” igual a 0,176, como mostra a Figura 11.

0 200 400 600 800 1000

tempo (dias)

carbonartação (mm)

775

4.9

dias

Figura 11: ajuste da curva para a carbonatação com CO

de 0,03%

(CEUKELAIRE e NIEUWENBURG, 1993, p.446)

A partir do valor de “k” os autores fizeram a extrapolação da curva de ajuste dos pontos de

carbonatação encontrados no ensaio com teor de CO

de 0,03%. Deste modo, foi então

calculado o tempo hipotético necessário para que se atingisse a profundidade de carbonatação

Coeficiente de carbonatação.

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

de 4,9 mm. Tal profundidade foi encontrada após 21 dias de ensaio acelerado com teor de

de 10%. Na Figura 11 o ponto P

destaca que, para condições de exposição ao CO

0,03% (concentração normal), a profundidade de carbonatação de 4,9 mm seria alcançada em

775 dias

Essa dedução é relativa, além de ser baseada no ajuste de apenas três pontos os quais estão

susceptíveis a pequenos erros. A extrapolação destes dados para ambientes com condições

ambientais reais, sujeitos à ação do vento, chuva, variação da umidade relativa e temperatura

requer cautela (CEUKELAIRE e NIEUWENBURG, 1993, p.446).

Kazmierczak (1995) estudou a relação da velocidade de carbonatação do ensaio acelerado e

ao natural, em corpos-de-prova confeccionados com argamassa e armazenados em câmara de

sazonamento até o alcance do equilíbrio da umidade interna dos concretos com a umidade da

câmara de carbonatação. Para essa determinação, os corpos-de-prova de degradação ao

natural foram expostos no ambiente do laboratório, com temperatura de 20±2°C e UR entre

70 e 80%. Os resultados mostram que um tempo de exposição ao CO

de 180 minutos é

equivalente a 365 dias de exposição ao natural. O autor afirma que a velocidade de

crescimento da frente de carbonatação do ensaio acelerado, em corpos-de-prova de

argamassas submetidos a teores muito elevados de CO

(até 100%), apesar das alterações

geradas na estrutura interna da pasta carbonatada decorrentes da alta velocidade das reações,

apresenta uma ótima correlação (em torno de 99%) com exemplares protegidos da chuva e

expostos ao ar (com teores de CO

na ordem de 0,03% a 0,1%).

Procurando avaliar o desempenho da adição de escória de alto forno na durabilidade dos

concretos quanto à degradação por carbonatação e correlacionar os resultados com os ensaios

acelerados e ao natural, Lima (1999) optou pela utilização de ensaios acelerados em câmara

de carbonatação conforme especificações da RILEM/CPC – 18 (1984) durante um período de

oito semanas. Para os ensaios ao natural, a pesquisadora manteve os corpos-de-prova em

ambiente de laboratório por um ano, na cidade de Barcelona, Espanha. Os resultados obtidos

neste trabalho mostraram que existe certa diferença no progresso da carbonatação dos testes

acelerados e os ao natural. Porém, o trabalho não aponta os coeficientes de aceleração entre os

ensaios.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

Os resultados apresentados por Lima (1999), reproduzidos na Figura 12, mostram a tendência

de comportamento entre os dois procedimentos de ensaios, indicando que o ensaio acelerado

empregado representa o fenômeno de degradação por carbonatação.

1234567891

Ciclos

Profundidade de carbonatação (mm)

EAF acelerado

RAF acelerado

EAF não acelerado

RAF não acelerado

Figura 12: profundidade de carbonatação obtida por ensaios

acelerados e ao natural (baseado em LIMA, 1999)

As nomenclaturas EAF e RAF são referentes aos concretos produzidos com escória como

agregado miúdo e como agregado graúdo, respectivamente. Os ciclos representam a idade em

que foram efetuadas as medidas de profundidade de carbonatação, conforme é mostrado na

Tabela 1.

Tabela 1: períodos de realização dos ensaios

Ensaios de degradação

acelerado ao natural

(ciclos)

(dias) (dias)

1 7 0

2 14 7

3 21 28

4 28 90

5 35 135

6 42 180

7 49 240

8 56 365

A ASTM E-632 (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, 1996) relata

que a determinação dos coeficientes de aceleração entre os danos oriundos dos ensaios de

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

degradação ao natural e dos acelerados não é uma tarefa simples. A dificuldade da obtenção

desta correlação está relacionada à complexidade existente entre as formas de degradação que

ocorrem no ambiente natural e à grande dificuldade de modelar este comportamento em

laboratório. Para Li e Chau (2004), com a determinação da relação entre o processo de

degradação natural e acelerado, os ensaios de durabilidade acelerados podem prover a base

para a determinação da previsão da vida útil das estruturas de concreto.

O ACI 365 (AMERICAN CONCRETE INSTITUTE, 2000, p.18) enfatiza a importância da

determinação da correlação entre os ensaios acelerados e ao natural, e apresenta uma

formulação para a obtenção do coeficiente de aceleração

, conforme mostra a equação 4.

equação 4

Onde:

= fator de aceleração.

= taxa de degradação obtida em ensaios acelerados (AT – accelerated test).

= taxa de degradação obtida em ensaios ao natural de serviço (AL – long-term).

Se a relação entre as taxas é não-linear, recomenda-se a modelagem matemática do

mecanismo de degradação para estabelecer esta relação (AMERICAN CONCRETE

INSTITUTE, ACI 365, 2000, p.18).

A formulação acima proposta é simples, porém devido à dificuldade de obtenção das taxas de

degradação acelerada e natural, a determinação dos coeficientes de aceleração não pode ser

encarada como uma tarefa de fácil realização.

Utilizando a simulação de Monte Carlo

, Ramezanianpour, Tarighat e Miyamoto (2003, p.152)

modelaram os resultados de profundidade de carbonatação acelerada fazendo a calibração do

modelo com dados de carbonatação de campo. Devido ao crescente interesse de pesquisas na

área de gerenciamento de sistemas, os autores afirmam que o programa desenvolvido pode

O ACI 365 (2000) denomina estes coeficientes como fator de aceleração.

O método de Monte Carlo é um método de amostragem artificial utilizado na solução de experimentos

aleatórios onde se tem conhecimento das distribuições de probabilidade das variáveis envolvidas (PULIDO et

al., 1992).

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

ajudar na fase de projeto na determinação da espessura de cobrimento, na tomada de decisão

para métodos de reparo e na previsão probabilística da frente de carbonatação do concreto.

Também pode ser usado nas teorias de confiabilidade para encontrar a probabilidade de falha

em um determinado tempo futuro. Os autores colocam que a modelagem da carbonatação do

concreto para inserção na fase de projeto exige a introdução de modelos de previsão simples,

mas com potencialidade estrutural e de durabilidade.

Na literatura pesquisada não foram encontrados estudos referentes à determinação de

coeficientes de aceleração para a degradação do concreto com adição de sílica ativa. Tal fato

aponta uma lacuna nesta área de conhecimento, a qual deve ser explorada a fim de se

conseguir uma maior aproximação entre ensaios acelerados e ao natural, contribuindo ainda

para a previsão de vida útil das estruturas de concreto armado.

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

3 PREVISÃO DE VIDA ÚTIL

3.1 GENERALIDADES

A definição de vida útil é apresentada em vários trabalhos (JOHN, 1987; ACI 201, 1991;

HELENE, 1993; SILVA FILHO, 1994; ANDRADE, 1997; NBR 6118, 2003, entre outros).

Helene (1993, p.48) define como o período de tempo no qual a estrutura é capaz de

desempenhar as funções para as quais foi projetada. Uma definição mais abrangente é

apresentada por Brandão e Pinheiro (1999, p.13) onde vida útil é definida como o período de

tempo durante o qual a estrutura mantém condições satisfatórias de uso, preenchendo as

finalidades para as quais foi projetada, sem a necessidade de manutenção dispendiosa. O

comitê do ACI 365 (AMERICAN CONCRETE INSTITUTE, 2000, p.2) define a vida útil de

uma estrutura ou material componente como o período de tempo decorrido após a instalação

(ou no caso do concreto, lançamento) durante o qual todas as propriedades excedem os

valores mínimos aceitáveis com manutenção rotineira.

Em definição mais recente, a NBR 6118 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS

TÉCNICAS, 2003), no item 6.2, define vida útil de projeto como o período de tempo durante

o qual se mantêm as características das estruturas de concreto, desde que atendidos os

requisitos de uso e manutenção prescritos pelo projetista e pelo construtor, bem como de

execução dos reparos necessários decorrentes de danos acidentais. A referida norma ressalta

que o conceito de vida útil aplica-se à estrutura como um todo ou às suas partes. Assim,

determinadas partes ou componentes das estruturas podem merecer consideração especial

com valor de vida útil diferente do todo.

Nota-se que, nas definições, está inserida a variável "tempo" ou "período". Deste modo, a vida

útil de uma estrutura permite quantificar e mensurar (em anos) a expectativa de duração de

um determinado empreendimento ou de suas partes.

A aplicabilidade das formulações propostas para correlacionar os fatores que influenciam na

previsão de vida útil está diretamente associada à efetiva validação das mesmas com

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

resultados oriundos de análise de fenômenos reais (ANDRADE, 2001 p.15). O autor também

salienta que a curva de predição de vida útil das estruturas não pode ser considerada de uma

maneira simplista, em virtude da grande quantidade de fatores intervenientes nos processos de

degradação. Mehta (1994) apresenta a curva de comportamento de uma estrutura frente à vida

útil, propondo a abordagem ilustrada na Figura 13.

Dano

Vida útil

Limite aceitável de dano

Vida útil de uma estrutura com um

limite de dano aceitável D

Propagação do dano

Iniciação do dano

Aumento gradual de permeabilidade

Estágio 1 Estágio 2

Figura 13: vida útil das estruturas de concreto (MEHTA, 1994, p.30)

Segundo Mehta (1994, p.20) a vida útil de uma estrutura não pode ser descrita como tendo

uma forma linear, onde há clara tendência de comportamento. Segundo o modelo proposto, o

concreto permanecerá em perfeito estado, enquanto a permeabilidade do mesmo permanecer

baixa (AÏTCIN, 1994, p. 86). Devido ao efeito das condições ambientais, de carregamento e

da interação dos mesmos com a estrutura do concreto, os agentes de degradação penetram no

seu interior, dando início aos processos de deterioração. Em função da quantidade

considerável de efeitos que tais processos possam causar, o comportamento de degradação de

uma estrutura estaria melhor representado pela área hachurada da Figura 13.

No que se refere à corrosão das armaduras das estruturas de concreto, Ahmad (2003) faz uma

revisão dos principais mecanismos, técnicas de monitoramento e metodologias utilizadas para

a previsão de vida útil das estruturas. O autor separa os principais fatores que afetam a

corrosão das armaduras no concreto em fatores externos e internos. Os primeiros incluem

principalmente as condições ambientais, tal como a disponibilidade de oxigênio e umidade na

superfície do aço, a umidade relativa do ar e a temperatura, a penetração de gases e íons

agressivos e ação bacteriana. Os fatores internos incluem parâmetros de qualidade do aço e do

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

concreto, quantidade e composição do cimento, qualidade dos agregados, da água de mistura

e da água de cura, proporcionamento dos materiais, relação água/cimento, dimensão dos

agregados, práticas construtivas, espessura de cobrimento da armadura, composição química e

estrutura do aço.

Muitos pesquisadores realizam trabalhos com o intuito de estabelecer curvas de

comportamento ao longo do tempo das estruturas de concreto. Um dos principais focos dos

trabalhos está relacionado à corrosão de armaduras (TUUTTI, 1982; BROOMFIELD, 1998;

NEPOMUCENO, 1992; HELENE, 1993; BAUER, 1995). A maioria dos modelos de previsão

leva em consideração o modelo apresentado por TUUTTI (1982), mostrado na Figura 14.

Iniciação

Propagação

Vida útil

2, Cl

2, T, UR

Tempo

Desempenho

Figura 14: modelo de vida útil para estruturas atacadas pela corrosão

de armaduras (TUUTTI, 1982)

Tal modelo considera que a degradação das estruturas ocorre basicamente em dois períodos:

a) período de iniciação: corresponde ao intervalo de tempo necessário para que

os agentes agressivos penetrem através do cobrimento do concreto até

atingirem as armaduras. Durante esta fase não há perda da funcionalidade das

estruturas, mas alguma barreira de proteção foi quebrada devido à penetração

de agentes agressivos no interior dos elementos. Como exemplo, pode-se

destacar o avanço da frente de carbonatação, penetração de cloretos, o acúmulo

de sulfatos e a lixiviação do concreto;

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

b) período de propagação: nesta fase os fenômenos de degradação agem

efetivamente, promovendo diversas manifestações patológicas nas estruturas.

Helene (1993, p.50) adaptou o modelo clássico apresentado por TUUTTI (1982) para definir

de forma objetiva as diferentes fases da vida útil das estruturas de concreto armado atacadas

por corrosão das armaduras, como é mostrado na Figura 15.

Tempo

Desempenho

despassivação

manchas

fissuras

destacamentos

mínimo de

projeto

mínimo de

serviço

mínimo de

ruptura

redução da secção

perda de aderência

vida útil de projeto

vida útil de serviço 1

vida útil de serviço 2

vida útil última ou total

vida útil residual

Figura 15: conceituação de vida útil das estruturas de concreto armado

tendo como referência o fenômeno de corrosão das armaduras

(HELENE, 1993, p.50)

Conforme o modelo apresentado, a vida útil de uma estrutura de concreto armado atacada pela

corrosão das armaduras pode ser dividida em três fases distintas:

a) vida útil de projeto: corresponde ao período de tempo necessário para que

ocorra a despassivação da armadura;

b) vida útil de serviço ou utilização: é o período em que aparecem manchas de

corrosão ou ocorrem fissuras no concreto de cobrimento;

c) vida útil última ou total: corresponde ao período de tempo que vai até a

ruptura ou colapso parcial ou total da estrutura.

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

O ACI 365 (AMERICAN CONCRETE INSTITUTE, 2000, p.2) considera que a vida útil

final ou última de uma estrutura ou elemento de concreto armado pode ser estimada quando:

a) a segurança estrutural estiver comprometida devido à degradação dos materiais

ou a capacidade de carga exceder as consideradas em projeto;

b) os materiais apresentarem degradação severa (como corrosão das armaduras);

c) os custos de manutenção excederem os custos de construção;

d) a estrutura se apresentar obsoleta (no campo estético ou funcional);

e) a capacidade funcional da estrutura não atender à demanda (por exemplo, um

estádio de futebol).

3.2 ABORDAGENS PARA PREVISÃO DE VIDA ÚTIL

Atualmente, encontram-se diversas formulações para a previsão da vida útil das estruturas.

Porém tem-se dificuldade na validação destas propostas, fato justificável pelo número de

variáveis que envolvem o processo. Os modelos de deterioração podem ser classificados, em

função da forma que foram desenvolvidos, em modelos empíricos e modelos analíticos. Os

modelos empíricos são baseados em dados provenientes de ensaios em laboratório ou dados

reais provenientes de inspeções. Os modelos analíticos estão baseados no ajuste de equações,

em função de dados obtidos em inspeções, e na grande maioria são baseados na segunda lei de

Fick, a qual considera hipóteses adicionais, e pode ser empregada na forma de equação

matemática.

A vida útil de uma estrutura pode ser estimada por meio da utilização dos métodos de análise

de durabilidade. Segundo Helene (1997) existem quatro métodos de previsão de vida útil de

estruturas de concreto: com base em experiências anteriores, ensaios acelerados, métodos

determinísticos e métodos estocásticos ou probabilistas. Embora sejam tratados

separadamente, segundo o ACI 365 (AMERICAN CONCRETE INSTITUTE, 2000, p.18),

freqüentemente os mesmos são usados em combinação.

A metodologia mais simplista é a que tem como princípio básico o acúmulo de experiência e

conhecimento na área que pode ser classificada como semiquantitativa, sendo um método

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

com pouca fundamentação teórica, pois se baseia apenas na análise de resultados anteriores. A

antiga NBR 6118 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 1986)

propunha os valores de cobrimentos mínimos baseados neste método.

A previsão de vida útil baseada em experiências anteriores se tornou possível pelo acúmulo de

conhecimento e experiência adquiridos na elaboração de testes de campo e de laboratório.

Este método emprega conhecimentos empíricos e heurísticos, a qual gerou grandes

contribuições para a formação da base das normas de concreto (AMERICAN CONCRETE

INSTITUTE, ACI 365, 2000, p.18). Porém, com os avanços tecnológicos, que

freqüentemente inserem novos materiais no mercado construtivo, e com o aumento da

severidade do ambiente natural, as aproximações de vida útil baseadas nesta abordagem são

de difícil realização e podem levar a incoerências.

Em 1978, a ASTM E-632 (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, 1996)

introduziu o método de previsão com base em ensaios acelerados, cuja prática consiste na

definição do problema, elaboração de pré-teste, realização do ensaio e interpretação e análise dos

dados. Esse método, segundo Helene (1997), tem melhor aplicação em estudos de produtos

orgânicos e é de difícil aplicação em projetos de estruturas de concreto. Entretanto, o ACI 365

(AMERICAN CONCRETE INSTITUTE, 2000, p.18) relata que estes testes, se bem projetados,

executados e interpretados, podem ajudar na previsão de desempenho e vida útil do concreto.

A previsão da vida útil através de métodos deterministas baseia-se nos mecanismos de

transportes de gases, massa e íons através dos poros do concreto. Estes métodos consideram a

qualidade do concreto e o caminho que o agente agressivo deve percorrer até chegar à

armadura, iniciando a deterioração.

Um enfoque recente de previsão de vida útil pode ser feito utilizando-se métodos estocásticos

ou probabilistas, tendo como premissa que a vida útil de uma estrutura não pode ser

precisamente estimada devido ao elevado número de fatores que envolvem o processo de

produção e degradação do concreto. Para tal, admitem-se distribuições normais ou Gaussianas

para as ações agressivas e log-normal ou normal para as resistências da estrutura. Os

princípios de confiabilidade são similares aos princípios clássicos de introdução dos

coeficientes de segurança no projeto de estruturas de concreto. Andrade (2001, p.2)

argumenta que as técnicas de confiabilidade devem ser aplicadas à previsão de vida útil das

estruturas de concreto armado, principalmente em função do nível de aleatoriedade

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

característico de uma grande parte dos fatores envolvidos. Verificando a influência da sílica

ativa na previsão da vida útil das estruturas de concreto armado através das técnicas de

confiabilidade, Andrade e Dal Molin (2002) concluem que, sem uma análise probabilística,

fica muito difícil estabelecer um valor adequado da VUMP

de uma estrutura que estará

inserida em uma determinada condição ambiental.

No que se refere aos métodos de previsão de vida útil, Cabral, Andrade e Dal Molin (2000)

avaliaram sistemas de reparo em concreto armado em estruturas atacadas por corrosão e

destacam que:

não existe ainda um método amplamente consagrado no meio científico para se

prever com uma adequada confiabilidade a vida útil de um elemento de concreto

armado. Em função do sinergismo existente entre as diversas formas de degradação

e as características macro e microscópicas do concreto, qualquer tentativa de

modelagem oferece apenas valores comparativos entre grupos de materiais

analisados, que podem ser empregados para a tomada de decisão na escolha para o

uso de uma situação específica. Além disso, os dados coletados são oriundos de

ensaios acelerados, onde a generalização dos resultados para situações reais de uso

devem ser revestidos de uma análise mais cuidadosa.

Para tanto, ensaios de durabilidade estão sendo realizados no sentido de entender os

mecanismos de deterioração e sua ação dentro das estruturas de concreto. Como resultado,

vários modelos de previsão de vida útil foram estabelecidos nos últimos anos. Esses modelos

possibilitaram um avanço no entendimento do comportamento do concreto armado ao longo

do tempo. No entanto, determinados modelos e formulações ainda são complexos, específicos

e de validade discutível.

Para o aprimoramento destes modelos, são necessários estudos específicos sobre o

comportamento das estruturas de concreto armado, no que se refere a mecanismos de

transportes de íons e gases, envelhecimento e influência das características do concreto. Além

disso, a criação de uma base de dados de ensaios acelerados e a determinação de coeficientes

de aceleração podem contribuir para melhorar as estimativas de vida útil das estruturas.

Saetta e Vitaliani (2004) relatam que é necessário assegurar uma vida útil adequada para as

estruturas de concreto armado ainda na fase de projeto. Porém, a dificuldade de projetar uma

nova estrutura para uma dada vida útil, ou de predizer a vida útil de uma estrutura existente,

só pode ser superada considerando a interação entre o material da estrutura (exemplo,

Vida útil média de projeto.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

concreto e aço) e o meio ambiente. Uma tarefa extremamente dependente das características

dos materiais e das condições de exposição.

Tecnicamente, segundo Saetta, Schrefler e Vitaliani (1995, p.1711), para a corrosão da

armadura, a vida útil de uma estrutura de concreto pode ser prevista por meio de modelos

matemáticos, onde os principais fatores de influência são a espessura e a qualidade do

cobrimento do concreto e as condições ambientais. Com relação ao emprego destes modelos,

os autores sugerem, para as estruturas existentes, uma avaliação das condições de segurança

utilizando os modelos de previsão do fenômeno de degradação ao longo do tempo para

planejar intervenções de manutenção e reparo. Para estruturas novas, os modelos de previsão

podem ser utilizados ainda na fase de projeto, por meio da simulação da evolução do

fenômeno de degradação, podendo oferecer subsídios para a determinação de uma mistura de

concreto capaz de garantir a vida útil de serviço especificada no projeto.

3.3 MODELOS DE PREVISÃO

Segundo Bauer (1995, p.60), existem muitos modelos com o objetivo de equacionar a

velocidade de carbonatação do concreto. Observa-se o uso de um grande número de fatores e

coeficientes específicos para determinados materiais, dispostos em certas condições

climáticas, o que torna difícil a obtenção de modelos com utilização geral.

Com relação aos modelos para previsão de vida útil em estruturas de concreto armado, Mehta

(1994, 18) relata que a modelagem dos parâmetros intervenientes nas diversas formulações é

difícil de ser realizada, em virtude da complexidade existente entre as formas de deterioração.

Segundo o autor existem três elementos chaves que devem ser levados em consideração no

momento de se tentar estabelecer um modelo confiável para predição da vida útil das

estruturas: uma definição precisa do material (concreto); uma devida caracterização do meio

ambiente e um arquivo de dados de resultados de ensaios acelerados de durabilidade. O autor

ressalta ainda que os ensaios acelerados disponíveis atualmente são inadequados para prever o

comportamento das estruturas de concreto observado em campo.

Com relação à carbonatação do concreto, os modelos que descrevem o fenômeno podem ser

separados em dois grupos; os que estimam a profundidade média e os que estimam um valor

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

máximo de carbonatação, levando em conta uma certa probabilidade de ser alcançado

(SILVA, 1998).

A estimativa da profundidade de carbonatação dos concretos pode ser efetuada pela equação

convencional da raiz quadrada do tempo

, que é uma simplificação da primeira lei de Fick,

mostrada na equação 5.

tke

equação 5

Onde:

= profundidade de carbonatação;

k = coeficiente de carbonatação, que depende da difusividade do CO

, do gradiente de

concentração do CO

2 2

e da quantidade retida de CO , em mm/ano ;

1/2

t = tempo decorrido.

Caso a estrutura apresente carbonatação inicial, pode ser empregado o modelo da equação 6,

adaptado por HO e LEWIS (1987).

tkee

equação 6

Onde:

= profundidade de carbonatação;

= profundidade de carbonatação inicial;

k = coeficiente de carbonatação;

t = tempo de exposição.

O modelo da raiz quadrada do tempo não pode ser generalizado e aplicado em condições

diferentes da origem dos resultados (PAPADAKIS, VAYENAS e FARDIS, 1991b, p.363).

Modelo de estimativa da profundidade de carbonatação proposto por: KONDO, R.; DAIMON, M.; AKIBA, T.

(1968). Mechanism and kinetics of carbonation in hardened concrete. International Symposium on the Chemistry

of Cement, 5

, vol.3, Tokyo, p. 402-408.

Que depende do grau de umidade dos poros do concreto, ou seja, varia em função da umidade relativa do

ambiente.

É a quantidade de CO

que reagiu com produtos alcalinos da hidratação do cimento Portland formando

carbonatos. Para concretos de mesma permeabilidade e porosidade da pasta submetidos ao mesmo gradiente de

pressão ou concentração de CO

2, quanto maior a reserva alcalina, menor a profundidade de carbonatação.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

Essa expressão não se aplica com condições variáveis de exposição. Se a superfície do

concreto for exposta à umidade variável, com molhagem periódica, a velocidade de

carbonatação é reduzida devido à difusão mais lenta do CO

pelos poros saturados da pasta de

cimento. Por outro lado, partes protegidas de uma estrutura, como relatado anteriormente,

carbonatam com maior velocidade que as expostas à ação da chuva, visto que com a

molhagem, teoricamente, se reduz significativamente a velocidade de carbonatação. Helene

(1993, p.100) ressalta que, para interiores, nos quais as condições ambientais permanecem

praticamente constantes, esse modelo tem representado bem a realidade. No entanto, para

ambientes exteriores, a profundidade de carbonatação efetivamente encontrada tem sido

inferior ao previsto pelo modelo da equação 5.

A maioria dos modelos de previsão do avanço da carbonatação ao longo do tempo é baseada

nesta teoria (KROPP e HILSDORF, 1995, p.101). Porém, os autores descrevem que para

concretos com idades mais avançadas, a profundidade de carbonatação observada muitas

vezes é menor que a prevista pelo modelo que relaciona a

. Smolczyk (1969, p.369) cita

que a equação da raiz quadrada do tempo é uma aproximação da profundidade de

carbonatação, a qual se torna adequada para fins de extrapolação somente após um longo

período de carbonatação, ou seja, para concretos mais velhos. Guimarães (2000, p.62)

concorda com Smolczyk (1969) e relata que esse modelo só apresenta boa precisão após 10

anos de degradação natural da estrutura, sugerindo que, para períodos inferiores, o expoente

de t pode diferir de ½.

Smolczyk (1969, p.372) relata que essa relação pode não trazer bons resultados em situações

onde algumas propriedades do concreto agregam maior importância, como por exemplo, a

variação da porosidade em relação ao grau de hidratação do cimento e ao teor de umidade do

concreto. Desta forma, o autor propõe que a carbonatação em função do tempo seja obtida

pela equação 7. A formulação proposta por Smolczyk (1969) é baseada no modelo

apresentado na equação 5, porém considera que a profundidade de carbonatação do concreto é

função

, onde o expoente de t pode ser diferente de ½.

ttke

−⋅=

equação 7

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

Onde:

= profundidade de carbonatação;

k = coeficiente de carbonatação (mm/ano

0,5

);

t = tempo de exposição (anos);

= idade inicial da estrutura (anos);

n = parâmetro que depende do tipo de cimento, geralmente próximo de 1,7 para cimentos

Portland comum e de 2,0 para cimentos Portland de alto forno.

SMOLCZYK (1969, p.372) relata que a inclusão do tempo t

na formulação permite que o

modelo de estimativa de profundidade de carbonatação seja empregado em estruturas já

existentes, desde que se conheça a idade da mesma.

Hamada (1969, p.354) apresenta o modelo para estimativa de profundidade de carbonatação

mostrado na equação 8, que é complementado pelas equações 9 e 10.

t ⋅=

equação 8

250

315130

),ac(

)ac,(,

−

equação 9

sac

r.r.rR

equação 10

Onde:

t = tempo de exposição (anos);

= profundidade de carbonatação (cm);

k = coeficiente em função da relação água/cimento do concreto;

ac = relação água/cimento

R = coeficiente tabelado que depende do tipo de cimento (R

), tipo de agregado (R

) e ação do

agente na superfície (R

Tabela 2 apresenta os coeficientes (r

), (r

) e (r

) necessários para a utilização nas equações

acima, determinados por Hamada (1969).

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

Tabela 2: coeficientes de relação da profundidade de carbonatação

Cimento Portland

Cimento Portland com

escória de alto forno

Tipo de

cimento

Comum

Alta

resistência

inicial

Escória

30 - 40%

Escória

60%

Cimento

Portland

pozolânico

Cimento

Portland

com

20%cinza

volante c

) 1 0,6 1,4 2,2 1,7 1,9

Tipo de

Agregado

Areia de rio

Areia de rio, brita de

pedra-pomes

areia e brita

de pedra-

pomes

Cinza (fina,

grossa)

) 1 1,2 2,9 3,3

Superfície-

agente ativo

Normal (sem aditivo) Incorporador de ar

Redutor de

água

(plastificante)

) 1 0,6 0,4

Fonte: Hamada (1969, p.354).

Jiang, Lin e Cai (2000, p.700) apresentam um modelo de estimativa da profundidade de

carbonatação, considerando que os fatores principais que afetam a carbonatação do concreto

são o tipo e quantidade de aglomerante, a relação água/aglomerante, o grau de hidratação, a

concentração de CO

e a umidade relativa. Tal modelo é mostrado na equação 11.

Crr

)UR(e

chd

c 0

340

1839 ⋅

−

−⋅=

equação 11

Onde:

= profundidade de carbonatação (mm);

UR = umidade relativa;

W = quantidade de água (kg/m³);

C = consumo de cimento (kg/m³);

= concentração de CO

(%);

= coeficiente que depende do tipo de cimento;

= coeficiente do grau de hidratação;

t = tempo de exposição (dias).

Com relação aos modelos de previsão da profundidade de carbonatação, Kazmierczak

(1995, p.27) destaca que os mesmos apresentam utilização restrita e:

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Edna Possan (epossan@hotmail.com) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

a observação do comportamento de estruturas antigas demonstra que dificilmente as

profundidades de carbonatação previamente estimadas são atingidas. Os modelos

propostos geralmente não contemplam adequadamente o efeito da saturação dos

poros pela incidência direta da chuva ou das variações do grau de saturação, devido

às oscilações sazonais de umidade relativa do ar e temperatura, nem as variações da

concentração de CO

existentes ao longo do tempo. Em conseqüência, a estimativa

da frente de carbonatação através desses modelos normalmente é superior à real.

Com base na literatura consultada, pode-se afirmar que existe uma certa dificuldade na

aplicação dos modelos para estimativa da profundidade de carbonatação, os quais, em sua

grande maioria, devido às simplificações, não refletem a intensidade do fenômeno real. Já os

que evitam estas simplificações apresentam parâmetros de difícil determinação ou onerosa

obtenção. De modo geral, os modelos também não contemplam a correlação de resultados de

ensaios acelerados com os resultados de ensaios ao natural ou com a situação real, fato que os

torna de utilidade e validade discutível.

Assim, considerando que o estudo da carbonatação do concreto em bases adequadas pode vir

a gerar contribuições pertinentes ao desenvolvimento ou aprimoração dos modelos de

previsão de vida útil, os próximos capítulos descrevem o programa experimental do trabalho.

Em seqüência, apresenta-se a análise dos resultados do estudo de concretos com e sem adição

de sílica ativa submetidos ao ensaio de carbonatação acelerado e natural.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

4 METODOLOGIA DA PESQUISA

A estimativa de vida útil das estruturas de concreto armado também pode ser obtida por meio

de ensaios acelerados correlacionados com ensaios de degradação ao natural, através da

determinação de coeficientes de aceleração. Tais coeficientes possibilitam essa aproximação

utilizando apenas ensaios de degradação acelerados, pois demandam um tempo menor de

execução, viabilizando economicamente sua realização. Neste item se descreve a metodologia

empregada para a contribuição ao estudo da carbonatação de concretos com e sem adição de

sílica ativa submetidos a ensaios de degradação acelerados e ao natural.

4.1 GENERALIDADES

Para a elaboração deste trabalho foram utilizados dados de ensaios acelerados de

carbonatação, oriundos do projeto de pesquisa de DAL MOLIN et al. (1997), vinculado ao

Núcleo Orientado para a Inovação da Edificação (NORIE) da Universidade Federal do Rio

Grande de Sul (UFRGS). Com início no ano de 1996, o projeto abrange um amplo estudo

relacionado à durabilidade de concretos produzidos com cimento Portland de alta resistência

inicial, o CP V ARI, com e sem adição de sílica ativa.

O programa experimental foi definido no início do projeto de Dal Molin et al. (1997), com a

finalidade de verificar a influência da adição de sílica ativa no fenômeno de iniciação e

propagação da corrosão de armaduras por carbonatação do concreto e penetração de íons

cloreto e, contemplou ensaios de campo (não acelerados) e de laboratório (acelerados), como

é mostrado no fluxograma da Figura 16.

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

Início do Projeto (1997)

(definição do programa experimental –

variáveis de análise, materiais e ensaios)

Agressão química e

abrasão em concretos

com sílica ativa

Durabilidade conferida

pelo cimento CP V-ARI

com adição de sílica ativa

Ensaios acelerados

(de laboratório)

Ensaios não acelerados

(de campo)

 absorção de água pelo concreto

 penetração de cloretos

 resistividade do concreto

 carbonatação

 intensidade de corrosão (cloretos e

carbonatação)

 potencial eletroquímico (cloretos e

carbonatação)

Início do Projeto (1997)

(definição do programa experimental –

variáveis de análise, materiais e ensaios)

Agressão química e

abrasão em concretos

com sílica ativa

Durabilidade conferida

pelo cimento CP V-ARI

com adição de sílica ativa

Ensaios acelerados

(de laboratório)

Ensaios não acelerados

(de campo)

 absorção de água pelo concreto

 penetração de cloretos

 resistividade do concreto

 carbonatação

 intensidade de corrosão (cloretos e

carbonatação)

 potencial eletroquímico (cloretos e

carbonatação)

Figura 16: estrutura do projeto de Dal Molin et al. (1997)

Dentre as contribuições deste projeto destacam-se as pesquisas realizadas por Tessari (2001),

Kulakowiski (2002) e Vieira (2003). A Figura 17 apresenta as fases de desenvolvimento do

projeto.

A -

B -

C -

Dissertação Tessari.

D -

E -

F -

Início do projeto, ensaios de agressão química e abrasão.

Confecção das amostras para a exposição ao ambiente de degradação natural, execução dos ensaios acelerados.

Tese Kulakowski.

1997 19991998 2000 20032001 20021996

AB FE

2004

Fase A -

elaboração do programa experimental, definição das variáveis dependentes e independes, definição e

caracterização dos materiais empregados nos concretos, definição dos traços e ensaios de durabilidade. Execução

dos ensaios acelerados de durabilidade para iniciação de corrosão por carbonatação (Kulakowski, 2002) e para

propagação da corrosão por íons cloreto e carbonatação (Vieira, 2003).

Fase B -

desenvolvimento dos ensaios, participação em eventos e geração de publicações.

Fase C -

resultados dos ensaios de durabilidade não acelerados.

Tese Vieira.

Determinação dos coeficientes de correlação para iniciação da corrosão por carbonatação.

Fase

Tempo

Fase B

Fase C

Figura 17: representação esquemática do desenvolvimento do projeto

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

O programa experimental descrito faz parte do projeto de Dal Molin et al. (1997) abrangendo

o estudo da carbonatação não acelerada para o ambiente de baixa agressividade. A Figura 18

mostra em maior detalhe as etapas do projeto.

Ensaios acelerados

(de laboratório)

Alta agressividade: zona

de respingo de maré

(Rio Grande, RS)

Média agressividade:

praia do Cassino

(Rio Grande, RS)

Propagação de

corrosão por

carbonatação

Trabalho futuro

Durabilidade conferida pelo cimento

CP V-ARI e a sílica ativa

Ensaios não acelerados

(de campo)

Iniciação de

corrosão por

carbonatação

Ambientes de exposição

Baixa agressividade:

ambiente urbano

(Porto Alegre, RS)

Dissertação

Figura 18: detalhe do projeto de Dal Molin et al. (1997)

4.2 PROGRAMA EXPERIMENTAL

Este trabalho contempla o estudo da carbonatação acelerada e natural para o processo de

iniciação de corrosão das armaduras por carbonatação do concreto. Para tal, produziu-se um

número de amostras excedentes para a execução dos ensaios de durabilidade acelerados

(profundidade de carbonatação). Estas amostras foram expostas ao ambiente natural urbano,

para a verificação da degradação ao longo tempo e posterior correlação destes dados com os

obtidos nos ensaios de laboratório (acelerado). Os corpos-de-prova expostos à degradação

natural possuem as mesmas dimensões que os utilizados nos ensaios acelerados e foram

moldados simultaneamente, seguindo os mesmos parâmetros de controle.

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

Os corpos-de-prova que foram submetidos às condições naturais de exposição tiveram como

ambiente agressivo o estacionamento da Escola de Engenharia, nas proximidades do

laboratório do NORIE

, na cidade de Porto Alegre, Rio Grande do Sul. O tempo de

exposição dos corpos-de-prova no ambiente de degradação urbano, desprotegido da chuva, foi

de aproximadamente 7 anos.

Durante este período a identificação inicial dos corpos-de-prova foi parcialmente perdida,

necessitando recorrer à técnica de reconstituição parcial de traço de concreto no estado

endurecido a fim de caracterizar e reclassificar algumas amostras.

4.2.1 Variáveis de Análise

As variáveis foram definidas em variáveis controláveis, não controláveis e fixas, como é

mostrado na Tabela 3.

Tabela 3: variáveis de análise do projeto de pesquisa

Ensaio acelerado Ensaio ao natural

controlável controlável

Variáveis

sim não

fixa

sim não

fixa

Ambiente de exposição

x x

Precipitação

x x

Relação água/aglomerante

x x

Temperatura

x x

Tipo de cimento

x x

Teor de adição

x x

Agregados

x x

Teor de CO

x x

Tipo de adição

x x

Tipo e duração de cura

x x

Umidade relativa

x x

As variáveis controláveis são comuns para os dois procedimentos de ensaio. Para o ensaio

acelerado, são controlados 5 níveis de relação água/aglomerante (0,30; 0,35; 0,45; 0,60 e

0,80) e de sílica ativa (0; 5; 10; 15 e 20%). Já para o ensaio ao natural são controlados 3 níveis

de relação água/aglomerante (0,30; 0,45 e 0,80) e de sílica ativa (0; 10 e 20%). O tipo de

cimento, o tipo de adição, os agregados e o tipo e duração da cura são variáveis fixas nas duas

Núcleo Orientado para a Inovação a Edificação da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, localizado na

rua Osvaldo Aranha, nº 99, Centro, Porto Alegre, RS.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

abordagens de ensaio. No ensaio acelerado também foram fixadas as variáveis relativas ao

ambiente de exposição, à precipitação (que é inexistente), à temperatura, ao teor de CO

e à

umidade relativa. No ensaio natural estas variáveis são não controláveis.

4.2.2 Planejamento dos Experimentos

O projeto para a realização dos ensaios acelerados foi realizado através de um fracionamento

estatístico (projeto fatorial cruzado), conforme mostrado na Tabela 4. O projeto fatorial

cruzado, para os ensaios acelerados, foi realizado de forma completa, com duas repetições.

As variáveis deste projeto foram a relação água/aglomerante (0,30; 0,35; 0,45; 0,60 e 0,80) e

o teor de adição de sílica ativa (0; 5; 10; 15 e 20%). Para cada dosagem foram moldados dois

corpos-de-prova, um de cada betonada, a fim de minimizar os erros de moldagem (o erro fica

notado pela discrepância entre os resultados das duas amostras).

Tabela 4: matriz experimental dos ensaios acelerados

Relação água/aglomerante

Sílica Ativa (%)

0,30 0,35 0,45 0,60 0,80

0 x x x

5 x x

10 x x x

15 x x

20 x x x

Para a realização dos ensaios ao natural, realizou-se um novo fracionamento do projeto

supracitado que permite verificar a influência das variáveis com a mesma representatividade

de um projeto completo. A matriz que representa as misturas analisadas no ensaio de

degradação não acelerado é mostrada na Tabela 5.

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

Tabela 5: matriz experimental dos ensaios ao natural

Relação água/aglomerante

Sílica Ativa (%)

0,30 0,35 0,45 0,60 0,80

0 x x

10 x

20 x x

As variáveis selecionadas para a realização do ensaio de degradação não acelerado, cujos

dados serão comparados com os de degradação acelerada, foram a relação água/aglomerante

(0,30; 0,45 e 0,80) e o teor de adição de 0; 10 e 20%. De maneira análoga aos ensaios

acelerados, foram realizadas duas repetições para cada combinação de variáveis.

4.2.3 Materiais

Para o desenvolvimento deste projeto de pesquisa, os materiais selecionados foram definidos

segundo as diretrizes adotadas no projeto de DAL MOLIN et al. (1997).

4.2.3.1 Agregados

O agregado miúdo empregado no programa experimental foi a areia quartzoza de origem

natural, proveniente do rio Guaíba, Porto Alegre, RS. Como é mostrado na Tabela 6, esse

agregado foi caracterizado conforme prescrições da ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE

NORMAS TÉCNICAS NBR 7211 (1982).

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

Tabela 6: características físicas do agregado miúdo

Peneira abertura

(mm)

% Média

retida

% Média retida

acumulada

4,8 0 0

2,4 5 5

1,2 9 14

0,6 21 35

0,3 48 83

0,15 17 100

<0,15 0 100

Dimensão máxima característica (mm) 4,8

Módulo de finura 2,39

Massa específica (g/cm³) 2,62

Graduação (zona) 2 (fina)

Como agregado graúdo utilizou-se brita de origem basáltica, caracterizado segundo

prescrições da ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR NM

248

(2003). A Tabela 7 apresenta as características físicas do agregado.

Tabela 7: características físicas do agregado graúdo

Peneira abertura

(mm)

% Média

retida

% Média retida

acumulada

19,0 7 7

12,5 57 64

9,5 29 93

6,3 5 98

4,8 1 99

<4,8 1 100

Dimensão máxima característica (mm) 25

Módulo de finura 7,01

Massa específica (g/cm³) 3,08

Graduação (zona) Brita 1

4.2.3.2 Cimento

Como o programa experimental visa avaliar a influência da adição de sílica ativa nos

concretos, foi empregado o Cimento Portland de Alta Resistência Inicial, CP V-ARI, por ser

Norma Mercosul.

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

um cimento isento de adições pozolânicas

. A caracterização física e química do cimento

estão apresentadas na Tabela 8 e na Tabela 9, respectivamente.

Tabela 8: caracterização química do cimento

Características químicas %

SiO

18,20

3,90

2,10

MgO 1,46

CaO 61,30

O 0,20

O 0,89

3,59

PF 2,50

RI 0,45

Tabela 9: caracterização física do cimento

Propriedades físicas Resultados

Módulo de sílica 2,54

Módulo de alumina 1,53

Massa específica (g/cm³) 3,12

Índice de finura (%) 0,13

Superfície específica Blaine (m²/kg) 452,00

Água de pasta de consistência normal (%) 28,15

Tempo de pega - início (min) 142,00

Tempo de pega - fim (min) 234,00

Expansão a frio (cm) 0,00

Expansão a quente (cm) 0,00

1 dia 23,83

3 dias 38,57

7 dias 43,85

Resistência à compressão (MPa)

28 dias 51,43

O cimento CP V ARI, por norma, apresenta no máximo 5% de adições carbonáticas.

Laboratório de Fluorescência de Raios-x do Instituto de Geociências da UFRGS.

Fornecida pelo produtor.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

4.2.3.3 Sílica Ativa

A sílica ativa empregada é do tipo não densificada, oriunda de Tucuruí, PA. As características

químicas e físicas são apresentadas na Tabela 10 e na Tabela 11, respectivamente.

Tabela 10: caracterização química da sílica ativa

Características químicas %

SiO

94,00

0,05

0,07

MgO 0,55

CaO 0,33

O 0,20

O 1,28

Perda ao Fogo 3,01

Tabela 11: caracterização física da sílica ativa

Propriedades físicas Resultados

Umidade 0,90

Massa específica (g/cm³) 2,20

Densidade aparente 0,34

pH 7,90

% resíduo na peneira 45 µm

2,78

Superfície específica BET (m²/kg) 20780

Diâmetro equivalente a 10% de massa acumulada (µm)

<0,20

Diâmetro equivalente a 50% de massa acumulada (µm)

0,25

Diâmetro equivalente a 90% de massa acumulada (µm)

1,40

No Laboratório de difratometria de raios-x do CPEGq – Centro de Estudos em Petrologia e

Geoquímica da UFRGS, utilizando a técnica de difração de raios-X (DRX), fez-se a

caracterização da estrutura morfológica da sílica ativa utilizando um Difratômetro marca

SIEMENS, modelo D5000, tipo KRISTALOFLEX de radiação CuΚα, corrente de 30 mA e

voltagem de 40kV. O difratograma de raios-x da sílica ativa, onde se verifica o halo amorfo,

caracterizando o espectro da sílica ativa com estrutura amorfa, é apresentado na Figura 19.

Fornecido pelo produtor.

Massa específica realizada no Laboratório do NORIE; análise de superfície específica realizada no Laboratório

de Materiais Cerâmicos da UFRGS; granulometria realizada no Instituto de Pesquisas Tecnológicas o IPT.

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72

400

800

1200

1600

2000

DRX - Sílica ativa

Siemens Diffraktometer D5000

Tubo Cu - Radiação kapa (1+2)

30 mA - 40 kV

Intensidade (cps)

raus

)

Figura 19: difratograma da sílica ativa

4.2.3.4 Aditivo

Para atingir a consistência desejada de 70±10 mm, foi necessário, em algumas misturas, o

emprego do aditivo superplastificante a base de naftaleno sulfonado, com densidade média de

1,05 g/cm³, cujas propriedades, fornecidas pelo fabricante, estão apresentadas na Tabela 12.

Tabela 12: propriedades do aditivo superplastificante

Propriedade Resultado

Massa específica 1,21 g/cm³

Teor de cloreto Zero

Ar incorporado < 2%

Teor de álcalis < 72,0 g de Na

O/l

4.2.3.5 Água

Proveniente da rede de abastecimento de água potável da concessionária local.

4.2.4 Proporcionamento dos Materiais

A dosagem dos concretos foi realizada por Dal Molin et al. (1997) utilizando o método de

dosagem do IPT/EPUSP descrito por Helene e Terzian (1992), cujo teor de argamassa foi

determinado e fixado em 46%. Os traços obtidos são mostrados na Tabela 13.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

Tabela 13: traço dos concretos

Materiais para uma betonada (g)

Agregado

Traço

Relação

a/ag

Sílica ativa

(%)

Cimento

miúdo graúdo

Água

Sílica

ativa

Aditivo

(g-%)

1:0,56:1,83* 0,30 0 10.929 6.120 20.000 3.224 - 83,5-0,76

1:0,56:1,83 0,30 10 10.929 6.12 20.000 3.523 1.093 103-0,94

1:0,56:1,83* 0,30 20 10.929 6.120 20.000 3.869 2.186 138-1,26

1:0,88:2,21 0,35 5 9.050 7.964 20.000 3.279 453 44,2-0,49

1:0,88:2,21 0,35 15 9.050 7.964 20.000 3.591 1.358 61,2-0,68

1:1,53:2,97 0,45 0 6.734 10.303 20.000 3.030 - -

1:1,53:2,97* 0,45 10 6.734 10.303 20.000 3.296 673 28,6-0,42

1:1,53:2,97 0,45 20 6.734 10.303 20.000 3.596 1.347 54,5-0,81

1:2,50:4,11 0,60 5 4.866 12.165 20.000 3.040 243 -

1:2,50:4,11 0,60 15 4.866 12.165 20.000 3.358 730 8-0,16

1:3,80:5,63* 0,80 0 3.552 13.499 20.000 2.842 - 23-0,65

1:3,80:5,63 0,80 10 3.552 13.499 20.000 3.106 355 14,7-0,41

1:3,80:5,63* 0,80 20 3.552 13.499 20.000 3.410 710 8-0,23

*Traços comuns para o ensaio de carbonatação acelerado e natural.

Relação água/aglomerante = (água + 0,6*aditivo)/(cimento + sílica ativa).

Teor de adição de sílica ativa em relação à massa de cimento.

A Figura 20 apresenta o gráfico do consumo de cimento dos concretos em função da relação

água/aglomerante e do teor de adição de sílica ativa.

0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90

Relação água/aglomerante

100

200

300

400

500

600

700

800

Consumo de Cimento

(kg/m³)

Sílica Ativa

(%)

Figura 20: consumo de cimento referente à relação água/aglomerante e

o teor de adição de sílica ativa

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

Conforme especificações da ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR

NM 67 (1998) foi determinado o abatimento de tronco de cone, fixo em 70±15 mm. Os valores

de abatimento obtidos, para as duas betonadas de cada traço, são mostrado na Tabela 14.

Tabela 14: abatimento de tronco de cone (mm)

Sílica Ativa (%)

Relação

água/aglomerante

0 5 10 15 20

0,30

0,35

0,45

0,60

0,80

Fonte: Dal Molin et al. (1999)

4.2.5 Confecção dos Corpos-de-prova

Para a realização do ensaio de profundidade de carbonatação foram moldados corpos-de-

prova prismáticos com dimensões de 100x100x300 mm, permitindo obter várias fatias de

aproximadamente 30 mm para a medição da profundidade de carbonatação em várias idades.

A confecção dos espécimes, para o ensaio acelerado e para o natural, foi efetuada conforme

prescrições da ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 5738 (2003),

sendo que, após 24 horas, foram desmoldados e submetidos à cura úmida, durante 14 dias,

com umidade relativa de 95% e temperatura de 23°C. A fim de impedir a entrada de CO

durante a etapa de cura úmida, os corpos-de-prova destinados ao ensaio acelerado

foram

embalados e lacrados com duas camadas de filme PVC, com cuidado para evitar a existência

de ar na interface plástico/corpo-de-prova. Após este período as amostras foram dispostas em

câmara de sazonamento (figura 21), localizada no mesmo ambiente da câmara de

A etapa de sazonamentos foi desnecessária para os corpos-de-prova submetidos ao ensaio não acelerado, visto

que, no ambiente

natural de exposição a umidade relativa, a precipitação, o teor de CO e a temperatura são

variáveis não controladas durante o ensaio.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

carbonatação, com umidade e temperatura controladas, até atingirem constância de massa de

0,1% entre duas pesagens consecutivas.

Corpos-de- prova

Bomba de

vácuo

Solução KOH

Câmara de

Sazonamento

Corpos-de- prova

Bomba de

vácuo

Solução KOH

Câmara de

Sazonamento

Figura 21: esquema simplificado da câmara de sazonamento

(KULAKOWSKI, 2002, p.58)

A câmara de sazonamento é equipada com uma bomba de vácuo que permite uma circulação

de ar constante no interior da mesma. O ar é filtrado em uma solução de hidróxido de potássio

(KOH) com capacidade de reter o CO

existente na atmosfera.

Os corpos-de-prova referentes ao ensaio de carbonatação natural, permaneceram em ambiente

de laboratório até a idade de 28 dias, para então serem submetidos à degradação natural. A

figura 22 mostra o local onde as amostras ficaram expostas.

Figura 22: corpos-de-prova em ambiente natural de degradação –

estacionamento da Escola de Engenharia/UFRGS

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

4.2.6 Ensaios

A avaliação da durabilidade dos concretos frente à carbonatação engloba as seguintes etapas:

a) realização de ensaio de carbonatação acelerado;

b) realização de ensaio de carbonatação ao natural;

c) realização de ensaios auxiliares de reconstituição de traço de concreto

endurecido e de resistência à compressão axial.

A Figura 23 apresenta o desenho esquemático dos ensaios em concreto que foram realizados

no programa experimental.

AVALIAÇÃO DA

CARBONATAÇÃO

Auxiliar

Ensaios

Natural

Resistência à

compressão axial

Reconstituição

de traço

Profundidade de

carbonatação

Acelerado

Profundidade de

carbonatação

AVALIAÇÃO DA

CARBONATAÇÃO

Auxiliar

Ensaios

Natural

Resistência à

compressão axial

Reconstituição

de traço

Profundidade de

carbonatação

Acelerado

Profundidade de

carbonatação

Figura 23: representação esquemática dos ensaios de durabilidade

4.2.6.1 Ensaio de profundidade de carbonatação acelerado

A simulação do ambiente de degradação por carbonatação foi realizada por Kulakowski

(2002). A pesquisadora utilizou uma câmara de carbonatação acelerada, conforme é mostrado

na Figura 24, com concentração de 5% de CO

; umidade de 70±5% e temperatura de 25±2°C.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

Câmara

carbonatação

manômetro de coluna

bomba de ar

Ventilador

capilar de geladeira

válvula

reguladora de

pressão

válvula redutora

de pressão

Válvula micrométrica

↔

Válvula tipo agulha

Entrada de CO

Saída de CO

Câmara

carbonatação

manômetro de coluna

bomba de ar

Ventilador

capilar de geladeira

válvula

reguladora de

pressão

válvula redutora

de pressão

Válvula micrométrica

↔

Válvula tipo agulha

Entrada de CO

Saída de CO

Figura 24: representação esquemática da câmara de carbonatação

acelerada (adaptada de KULAKOWSKI, 2002, p.54)

As medidas de carbonatação foram realizadas, conforme especificações da RILEM – CPC 18

(1988), por meio do emprego do indicador químico fenolftaleína em quadro idades de

exposição ao CO

(7, 28, 63 e 98 dias) que representam, respectivamente, as idades de ensaio

de 35, 56, 91 e 126 dias. A Figura 25 mostra os períodos obedecidos na realização do ensaio,

que vão desde a moldagem até a última data de exposição ao CO

dos corpos-de-prova.

molgadem

desmoldagem

ínicio do sazonamento

início da exposição ao CO

1ª leitura

2ª leitura

3ª leitura

4ª leitura

Idade do ensaio

0 1 14 28 35 56 91 126

Exposição ao CO

0 7 28 63 98

cura

úmida

tempo (dias)

Figura 25: esquema de produção e exposição dos corpos-de-prova para o ensaio de

carbonatação acelerado

Após cada etapa de ensaio, as amostras tiveram o topo selado com parafina a fim de evitar a

entrada de CO

nessa direção.

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

4.2.6.2 Ensaio de profundidade de carbonatação natural

Para efeito comparativo dos resultados no ensaio de carbonatação natural, repetiu-se a

metodologia de medição da profundidade carbonatada adotada durante a realização dos

ensaios acelerados.

A profundidade de carbonatação dos corpos-de-prova foi determinada com a idade de 7 anos,

segundo prescrições da RILEM – CPC 18 (1988). Para a realização deste ensaio foi utilizada

a técnica de aspersão com solução à base de fenolftaleína (indicador de pH) contendo 1% do

material dissolvido em 70% de álcool etílico e 30% de água.

Os corpos-de-prova prismáticos foram fraturados em prensa para obtenção de fatias a fim de

realizar a medição da profundidade carbonatada após a aspersão com solução de fenolftaleína.

Na face fraturada da amostra fez-se a aspersão com a solução de fenolftaleína. Após

aproximadamente 20 minutos realizaram-se as medições com o auxílio de um paquímetro

digital com precisão de 0,01 mm. Foram efetuadas 5 medidas de profundidade de

carbonatação por face do corpo-de-prova, nos pontos mostrados na Figura 26. A profundidade

carbonatada das amostras foi considerada como sendo a média ponderada da profundidade

carbonatada de cada face.

100

(mm)

corpo-de-prova

pontos de

medição

2015 15 15

201515

Figura 26: pontos de medição da profundidade de carbonatação

A superfície fraturada dos corpos-de-prova, após a retirada das fatias, foi selada com resina

epóxi, a fim de evitar a entrada de CO

por esta face. Após o término do ensaio e selagem do

topo dos corpos-de-prova, as amostras foram novamente expostas ao ambiente de degradação

de origem para realização de ensaios futuros.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

4.2.7 Ensaios Complementares

Foram realizados os ensaios complementares de resistência à compressão axial e

reconstituição de traço de concreto endurecido.

4.2.7.1 Resistência à compressão axial

O ensaio de resistência à compressão do concreto foi realizado por Dal Molin et al. (1997) nas

idades de 28 e 180 dias em conformidade com a NBR 5739 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA

DE NORMAS TÉCNICAS, 1994).

4.2.7.2 Reconstituição parcial de traço de concreto endurecido

Devido à perda de identificação de algumas amostras expostas em ambiente de degradação

natural, se fez necessário a realização do ensaio complementar de reconstituição de traço de

concreto endurecido. Devido à inexistência de uma norma específica para a realização deste

ensaio, utilizou-se o método desenvolvido pela Fundação de Ciência e Tecnologia –

CIENTEC

. Outras técnicas de reconstituição de traço (IPT – Boletim 25, 1940; ASTM C

1084/1992; Método DIN 52170; Método BS – 1881: Parte 12) são descritas por Quarticioni

(1998), sendo que a maioria delas apresenta grande complexidade de execução. Figueiredo

(2004, p.147) utilizou a técnica de reconstituição de traço descrita pelo IPT

(Boletim 25,

1940) adaptado pela ABCP

(procedimento de ensaio PO-GT-3016, 2000

), a qual consiste

em uma análise quantitativa por meio do emprego de várias técnicas analíticas. O autor relata

que o método apresenta algumas limitações, principalmente as relativas à dificuldade em se

obter os teores exatos dos constituintes da argamassa na análise química, em função da

presença de adições.

FUNDAÇÃO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA – CIENTEC. Metodologia de reconstituição de traço de

concreto endurecido. Procedimento de laboratório (metodologia não publicada).

Instituto de Pesquisas Tecnologias.

Associação Brasileira de Cimentos Portland.

INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLOGIAS DO ESTADO DE SÃO PAULO – IPT. Reconstituição de

traço de concreto e argamassa. São Paulo, Publicação 103 – Boletim 25, 1940, p. 75-84.

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

A técnica do CIENTEC foi escolhida visto ser de fácil realização, não exigindo instalações de

laboratório e equipamentos sofisticados. O método é largamente utilizado pelo CIENTEC,

porém há carência de publicações técnicas sobre o emprego do método.

Para a execução da método de reconstituição de traço, primeiramente, obteve-se uma amostra

do concreto, de preferência em torno de 0,50 kg. A amostra foi calcinada a uma temperatura

de 700°C durante 1 hora, com incremento de temperatura de 250°C/hora. Após a calcinação e

resfriamento das amostras determinou-se a massa inicial (M

). Assim que a massa foi obtida, a

amostra foi imersa em solução de ácido clorídrico, com concentração de 20%. Aguardou-se o

tempo necessário para que o término das reações ou para que o ácido dissolvesse a amostra.

Assim que os materiais constituintes do concreto desagregaram, a amostra foi lavada com

água corrente em peneira de malha quadrada de abertura de 0,075mm.

Com a amostra lavada, o material retido na peneira foi seco em estufa com temperatura de

aproximadamente 100°C. Após o material adquirir constância de massa, determinou-se a

massa final (M

). Com base na NBR 6502 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS

TÉCNICAS, 1980), a metodologia empregada considera como aglomerante (cimento e

adições) o material passante na peneira de abertura de 0,075mm e como agregado (miúdo e

graúdo) o material retido nesta peneira. A Figura 27 apresenta um desenho esquemático da

metodologia empregada para a reconstituição do traço.

aglomerante

Material Passante (#0,075) Material Retido (#0,075)

graúdo miúdoadições

AMOSTRA LAVADA

agregado

cimento

aglomerante

Material Passante (#0,075) Material Retido (#0,075)

graúdo miúdoadições

AMOSTRA LAVADA

agregado

cimento

Figura 27: representação esquemática da técnica de reconstituição de

traço

Com a determinação das quantidades, em massa, de cada material componente da mistura de

concreto, as proporções dos materiais (considerando que o material passante seja o

aglomerante) foram obtidas pela equação 12.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

100:1 ⋅

−

equação 12

Onde:

= massa final;

= massa inicial.

Para o aprimoramento da técnica, inicialmente foram reconstituídos traços de 8 misturas com

proporções conhecidas (amostras de cada concreto da matriz de ensaio não acelerado). Após

essa primeira verificação, seis amostras de concreto sem identificação foram submetidas ao

processo de reconstituição de traço, dentre as quais duas correspondem à matriz de ensaio de

degradação por carbonatação com adição de sílica ativa. A Figura 28 apresenta a seqüência do

processo de reconstituição do traço de concreto endurecido e na Tabela 15 são mostradas as

amostras submetidas ao ensaio.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 28: reconstituição de traço de concreto endurecido, amostra: (a)

calcinada; (b) em solução de ácido clorídrico; (c) lavagem; (d) seca

em estufa

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

Tabela 15: amostras submetidas à técnica de reconstituição de traço

Amostras

Traço conhecido Traço a determinar

80-00 2A

80-00 2B

80-20 2C

45-10 2D

45-10 2E

30-00 2F

30-20 -

Os dados do ensaio de reconstituição de traço do concreto endurecido estão dispostos na

Tabela 16.

Tabela 16: traços de concreto reconstituídos

Traço (1:m)

Amostra

Massa inicial (M

)

(g)

Massa final (M

)

(g)

obtido aproximado conhecido

80-00 352,79 322,48 9,92

10,0 9,30

80-00 572,96 519,62 9,74

10,0 9,30

80-20 360,38 327,53 9,97

10,0 9,30

45-10 640,68 532,85 4,94

5,0 4,50

30-20 479,70 363,77 3,14

3,0 2,39

30-20 431,40 335,28 3,49

3,0 2,39

30-00 561,67 441,25 3,66

4,0 2,39

543,40 432,03 3,88

4,0 -

596,89 552,77 12,53

13,0 -

430,48 396,87 11,81

12,0 -

454,06 411,50 9,67

10,0 -

572,96 534,62 13,94

14,0 -

390,49 348,96 8,40

9,0 -

a) corpo-de-prova irmão da mistura 30-00; b) corpo-de-prova irmão da mistura 80-20.

Pelo ensaio foi possível identificar as duas amostras que completavam a matriz dos ensaios ao

natural. Dentre os 6 corpos-de-prova sem identificação que se encontravam misturados com

as amostras desta pesquisa, as amostras 2A e 2D são binários com as amostras 30-00 e 80-20,

respectivamente.

Onde: 2A, 2B, 2C, 2D, 2E e 2F são as identificações previamente estabelecidas para cada corpo-de-prova não

identificado.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

Existem poucos relatos na literatura sobre técnicas de reconstituição de traço de concreto

endurecido, sendo que a maioria das metodologias destina-se à reconstituição de traço de

argamassas. O método adotado não confere a determinação precisa do traço, apresentando

limitações para a identificação de traços com proporções de 1:m muito semelhantes. Como

para esta pesquisa os traços que foram reconstituídos apresentavam proporções distintas com

1:m de 1:4,50 e 1:9,30, correspondendo às misturas com relação a/agl de 0,45 e 0,80,

respectivamente, a técnica foi empregada sem grande dificuldades. Outro fator que contribuiu

para a identificação das amostras foi o fato de existir um corpo-de-prova irmão, para cada

mistura, com características específicas e já conhecidas, que foram utilizados como

parâmetros de comparação.

4.2.8 Caracterização do Ambiente de Exposição

A fim de verificar a agressividade do ambiente de exposição das amostras para o ensaio não

acelerado de degradação por carbonatação, fez-se necessário a caracterização da atmosfera

local quanto às condições de climatologia e qualidade do ar. A influência das condições

climáticas do local de exposição das estruturas de concretos em ambientes sujeitos à

carbonatação é relatada na literatura por diversos pesquisadores (MEYER, 1969; PARROT,

1987; NEVILLE, 1997; LIMA, 1999; entre outros). Dentre os fatores de maior influência

destacam-se a umidade relativa do ar, a incidência de chuva (precipitação) e a temperatura.

Com relação à qualidade do ar, destaca-se como o fator de principal importância a

concentração de CO

Cabe salientar que neste item descreve-se a caracterização do macro clima do ambiente de

exposição das amostras, a partir de dados fornecidos pela Rede de estações de Climatologia

Urbana do Rio Grande do Sul. O micro clima não foi monitorado durante o andamento do

ensaio, pois, para tal, se faz necessário o controle das condições climáticas junto aos corpos-

de-prova, o que requer medições freqüentes das variáveis de influência (radiação solar,

umidade, influência da chuva, teor de CO

, entre outras), além de aparelhos específicos e

disponibilidade de mão-de-obra.

Deste modo, os dados de climatologia referentes à umidade relativa (UR) do ar, precipitação

pluviométrica e temperatura, mostrados nas Figura 29, Figura 30 e Figura 31,

respectivamente, foram fornecidos pela Rede de Estações de Climatologia Urbana de Rio

Grande do Sul, registrados da Estação de Observação Metereológica de São Leopoldo, RS.

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

Estas informações são oriundas de médias históricas do comportamento climático da região

metropolitana de Porto Alegre, RS, do período de 1988 a 2003, cujo período de exposição

natural dos concretos, de 1997 a 2003, está incluso.

Umidade relativa do ar (%)

Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

MáximaMímima

Estação: São Leopoldo, RS

Período: 1988 a 2003

Figura 29: umidade relativa do ar registrada na região metropolitana

de Porto Alegre durante a realização do ensaio de degradação por

carbonatação não acelerado (fonte: REDE)

100

120

140

160

180

Precipitação Pluviométrica (mm)

Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

Altura máxima 24 horasMédia anual

Estação: São Leopoldo, RS

Período: 1988 a 2003

Figura 30: precipitação pluviométrica registrada na região

metropolitana de Porto Alegre durante a realização do ensaio de

degradação por carbonatação não acelerado (fonte: REDE)

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

Prec

ipitação Pluviométrica

Temperatura (°C)

(mm)

Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

MáximaMédia

Mínima

Figura 31: temperatura registrada na região metropolitana de Porto

Alegre durante a realização do ensaio de degradação por carbonatação

não acelerado (fonte: REDE)

Os dados fornecidos pela Rede de estações de Climatologia Urbana do Rio Grande do Sul,

apesar de serem da cidade de São Leopoldo, representam as condições de climatologia do

macro clima da cidade de Porto Alegre, RS. Optou-se pelo uso destes dados pelo fato de os

mesmos corresponderem com o período de exposição dos corpos-de-prova no ambiente de

degradação natural e serem fornecidos sem custos a pesquisa. Para efeito comparativo, no

quadro da figura 32, são apresentados os dados médios dos elementos do clima de Porto

Alegre, obtidos na estação metereológica do 8º Distrito de Metereologia (INMET

), para o

período de 1916 e 1988

Nota-se, pelos valores médios, os dados históricos dos elementos do clima oriundos do

INMET se assemelham com os obtidos pela Rede de estações de Climatologia Urbana do Rio

Instituto Nacional de Metereologia.

Período correspondente à normal climatológica. Sendo que, normal é o valor padrão reconhecido de um

elemento meteorológico, considerando a média de sua ocorrência em um determinado local, por um número

determinado de anos. Normal significa a distribuição dos dados dentro de uma faixa de incidência habitual. Os

parâmetros podem incluir temperaturas (altas, baixas e variações), pressão, precipitação (chuva, neve, etc.),

ventos (velocidade e direção), temporais, quantidade de nuvens, percentagem de umidade relativa, etc. (INMET,

2004). Objetivando assegurar a comparação entre os dados coletados nas diversas partes do planeta, o Comitê

Meteorológico Internacional, em 1872, estipulou períodos de 30 anos como sendo padrão para o cálculo das

médias dos dados meteorológicos.

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

Grande do Sul, justificando, desta forma, o uso destes últimos para a caracterização do macro

clima onde as amostras de concreto foram expostas.

Temperatura (°C) Precipitação Total

Mês

Média

Máxima

Média

Mínima

Máxima

Absoluta

Mínima

Absoluta

Média

(mm)

Máxima

(mm)

Mínima

(mm)

Evaporação

(mm)

Umidade

Relativa

(%)

Jan

24,7 30,5 20,1 40,7 10,4 101,6 275,1 10,0 106,7 71,0

Fev

24,6 31,1 20,3 40,4 11,3 100,7 231,7 20,5 89,8 74,0

Mar

23,2 28,6 19,0 38,9 9,0 93,9 247,7 3,7 86,3 76,0

Abr

19,9 25,3 15,8 35,9 4,5 92,1 386,6 0,5 65,6 77,0

Maio

17,0 22,1 12,8 33,4 0,4 102,8 405,5 2,5 49,4 81,0

Jun

14,7 19,8 10,8 31,5 -2,0 133,3 403,6 16,6 39,7 82,0

Jul

14,4 19,5 10,3 32,9 -1,3 120,8 280,1 11,0 44,0 81,0

Ago

15,2 20,5 10,9 34,9 -1,5 127,3 330,0 19,2 50,0 79,0

Set

16,8 21,8 12,8 36,1 2,2 133,1 362,7 15,5 60,2 78,0

Out

19,0 24,0 14,8 37,1 0,9 110,5 317,3 19,9 77,1 75,0

Nov

21,1 26,7 16,5 39,8 6,4 85,1 283,4 5,1 92,2 71,0

Dez

23,4 29,2 18,6 39,6 7,8 95,0 224,2 0,4 108,5 69,0

Ano 19,5 24,8 15,2 40,7 -2,0 108,02 405,5 0,4 869,5 76,2

Figura 32: elementos do clima de Porto Alegre, período de 1916 a

1988 (INMET, 2004)

Com base nos registros de climatologia, a

umidade relativa do ar média (mostrado no gráfico

da Figura 29) do ambiente de exposição dos concretos, para todos os períodos do ano, foi

igual ou superior a 70%, conferindo uma UR média de 75,6%. Conforme relatado na literatura

por Parrot (1987), Ceukelaire e Nieuwenburg (1993) e Neville (1997), a UR entre 50 e 75% é

a mais adequada para desencadear o fenômeno de carbonatação. Logo, pode-se considerar que

as amostras expostas à degradação natural encontravam-se em ambiente com UR favorável

para o avanço da carbonatação.

Por outro lado, o fenômeno de carbonatação do concreto é fortemente influenciado pela

exposição do elemento ao ambiente (MEYER, 1969; BARKER e MATTHEWS, 1994;

OKOCHI et al., 2000; HOUST e WITTMANN, 2002). A condição de exposição das amostras

(protegidas ou desprotegidas da chuva) apresenta grande influência na velocidade de

carbonatação. Como o ensaio não acelerado de carbonatação procedeu em ambiente

desprotegido da chuva, se faz necessária a análise do comportamento da

precipitação

pluviométrica

durante o período de exposição das amostras. Conforme dados de precipitação

mostrados na Figura 30, a região de exposição das amostras não possui estação seca. Segundo

dados SEMA (2000, p.19), a precipitação anual média é de 1297 mm, distribuídos

regularmente o ano todo. Nos meses de janeiro a outubro, exceto nos meses de março e abril,

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

a precipitação é superior a 100 mm, sendo que o período do ano mais chuvoso situa-se entre

junho e setembro.

A literatura aponta que a carbonatação do concreto em ambientes desprotegidos da chuva

tende a ser menor do que em ambientes protegidos (MEYER, 1969; HOUST e WITTMANN,

2002; FIGUEIREDO, 2004; entre outros). Dentro deste contexto, o tipo e local de exposição e

das amostras desprotegido e sem estação seca, respectivamente, são fatores que tendem a

gerar menores profundidades de carbonatação nos concretos.

A região de exposição apresenta as estações do ano bem definidas, com

temperatura média

de todos os períodos de 19,8°C (mostrada na Figura 31), observando-se também grandes

variações de temperatura, sendo que a menor média da temperatura mínima foi registrada no

mês de julho (10°C) e a maior média da temperatura máxima foi de 31,5°C, registrada no mês

de janeiro. O clima regional do local de exposição das amostras é caracterizado, segundo

(SEMA, 2000, p.18), como subtropical úmido, com temperatura variando nos meses mais

frios (junho e julho) de -3°C a 18°C, sendo superior a 20°C no período mais quente (janeiro e

fevereiro).

Embora seja menos importante que os outros fatores, a temperatura apresenta influência na

carbonatação do concreto. Segundo (Abreu 2004) a influência da temperatura na taxa de

reações químicas se dá de acordo com teoria de Arrhenius

, segundo a qual o incremento de

temperatura implica no aumento da taxa de reações químicas. Desta forma Helene (1993,

p.107) coloca que as questões de degradação química nas estruturas situadas em países de

clima equatorial e tropical sejam mais graves e mais intensas que nas estruturas similares

situadas em climas temperados.

teor de CO

da atmosfera exerce grande influência na profundidade de carbonatação e

seria de grande importância relatá-lo na caracterização do ambiente de exposição natural.

Porém, em Porto Alegre, não se faz a medição deste poluente, pois as estações de controle de

qualidade do ar priorizam o monitoramento de outros poluentes, como o SO

(dióxido de

enxofre); NO

(dióxido de nitrogênio) e CO (monóxido de carbono).

Sato (2004) comenta da dificuldade da verificação da influência do ambiente de exposição na

degradação, ressaltando ainda a falta de infraestrutura específica nas estações metereológicas

Svante August Arrhenius (1859-1927) formulou a expressão geral da influência da temperatura na velocidade

das reações químicas e eletroquímicas.

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

tradicionais, onde os dados freqüentemente coletados (temperatura e UR) são insuficientes

para estudos de previsão de vida útil de diversos materiais de construção. Alguns parâmetros

como a radiação ultravioleta, períodos de molhagem e secagem e concentração de poluentes

diversos são determinantes no processo de deterioração de alguns materiais e estes valores

não são medidos nas estações metereológicas brasileiras.

Dentre os poluentes que não são monitorados nas estações metereológicas ou de controle de

qualidade do ar destaca-se o CO

, fator de grande importância no fenômeno de carbonatação

do concreto, cuja concentração na atmosfera influencia diretamente na profundidade

carbonatada. Essa carência de dados relativos ao teor de CO

nas atmosferas urbanas não é

exclusividade da região de exposição das amostras em estudo. Figueiredo (2004) em um

estudo da carbonatação de edificações antigas em Brasília, DF, relatou a mesma problemática.

Logo, seria prudente, para o estudo da degradação de estruturas em ambientes naturais,

formar uma parceria com os órgãos responsáveis pelo controle da qualidade do ar para que

estes efetuassem também as medições de CO

nos ambientes urbanos, principalmente nas

regiões com grande densidade urbana, e conseqüentemente de automóveis, os quais,

juntamente com o desmatamento, são os maiores contribuintes na geração deste poluente.

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Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

100

5 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS

O objetivo principal desta pesquisa está voltado à verificação da carbonatação do concreto

com e sem adição de sílica ativa para os ensaios de degradação acelerado e natural, avaliando

também a influência da relação água/aglomerante e o teor de adição de sílica ativa na

profundidade de carbonatação para as duas condições de ensaio. A partir destas constatações

pôde-se determinar os coeficientes de carbonatação e aceleração. Para maior confiabilidade

dos resultados, os dados foram analisados com base em procedimentos estatísticos.

Utilizando-se o software SPSS 8.0 como ferramenta de apoio, foi desenvolvido um modelo

matemático que representa a profundidade de carbonatação acelerada dos concretos. A partir

da entrada dos dados de profundidade carbonatada e da equação que representa o

comportamento dos concretos, o programa estatístico utilizado fornece os parâmetros de

análise bem como o coeficiente de determinação (r

). A análise e a modelagem das

profundidades de carbonatação foram efetuadas utilizando-se regressão múltipla não-linear,

visto que é de consenso na literatura (Smolczyk, 1969; Helene, 1993; Kropp e Hilsoorf, 1995;

entre outros) que o fenômeno de carbonatação apresenta comportamento parabólico e, pelo

fato da regressão múltipla não-linear também representar a relação entre uma variável

dependente e duas ou mais variáveis independentes, originando um modelo matemático que

explica, para um determinado nível de significância, o efeito das variáveis independentes e as

possíveis interações na variável de resposta.

A variável de resposta foi determinada a partir da análise de variância (ANOVA) dos termos

dos modelos matemáticos obtidos. Segundo Spiegel (1993, p.515), a análise de variância testa

a significância da diferença entre as médias dos grupos, baseando-se na relação da

variabilidade das médias entre os grupos e da variabilidade das observações dentro dos

grupos. A hipótese de nulidade é a de que a médias são todas iguais. Por meio do teste F

(distribuição de Fischer) foi possível observar a significância estatística da variabilidade das

médias entre grupos.

Os dados observados e previstos pelos modelos que descrevem o fenômeno são apresentados

em forma de gráficos e tabelas e as expressões obtidas da análise dos dados revelam a

natureza dos efeitos relação água/aglomerante e teor de sílica ativa sobre a variável de

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

101

resposta, a partir das condições experimentais específicas do presente programa experimental.

A extrapolação destes dados para condições não inclusas no intervalo especificado no ajuste

dos modelos pode incorrer em erros.

Para a verificação dos fatores significativos na resistência à compressão do concreto, utilizou-

se a regressão não-linear dos dados e fez-se a análise de variância, conforme procedimento

utilizado na verificação da profundidade carbonatada.

As equações obtidas que representam o comportamento dos concretos, tanto para a

carbonatação como para a resistência à compressão axial, foram testadas e reformuladas até

que o ajuste representasse o modelo de comportamento observado nos ensaios. Todos os

parâmetros descritos no modelo apresentam influência estatisticamente significativa.

5.1 CARBONATAÇÃO ACELERADA DO CONCRETO

A partir da observação dos resultados de profundidade média de carbonatação, percebe-se que

as variáveis relação a/agl e teor de sílica ativa exercem influência na profundidade

carbonatada. Para avaliar o efeito destas variáveis e constatar se existe interação entre elas,

realizou-se uma análise estatística por meio de regressão múltipla não-linear, utilizado-se o

software SPSS 8.0.

Para verificar as correlações entre a exposição natural e acelerada e obter as curvas do

comportamento dos concretos foram utilizados como dados de entrada no modelo os

resultados de profundidade de carbonatação relativo ao tempo de exposição dos espécimes ao

na câmara de carbonatação de 7, 28, 63 e 98 dias. Para o ajuste do modelo considerou-se

que no tempo inicial zero a profundidade de carbonatação é nula. A equação 13 representa o

comportamento da carbonatação acelerada dos concretos.

adbn

t)agl(be

⋅⋅=

equação 13

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

102

Onde:

= profundidade de carbonatação (mm);

agl = relação água/aglomerante do concreto;

ad = teor de adição de sílica ativa do concreto (

100

teor

);

t = tempo de exposição ao CO

(dias)

;

; b

; n

e n

= parâmetros dos fatores considerados no modelo.

A análise de variância (ANOVA) do modelo proposto é mostrada na Tabela 17, a qual

apresentou um coeficiente de determinação (r

) igual a 0,953.

O valor de ‘p-value’

menor do que 0,01 designa que a relação entre as variáveis é

estatisticamente significativa a um nível de confiança de 99%. O coeficiente de determinação

de 0,953 indica que o modelo explica 95,3% da variabilidade dos valores observados para a

carbonatação do concreto.

Tabela 17: ANOVA do modelo para estimativa da profundidade de

carbonatação

Fonte GDL SQ MQ F

calc

Significância

“p-value”

Modelo 4 1596,1 399,0 354,7

0,0000

Resíduo 61 68,6 1,1 - -

Total 65 1664,761 - - -

Total corrigido 64 1467,7 - -

GDL = Graus de Liberdade SQ = Soma Quadrada

MQ = Média Quadrada = SQ/GDL F

calc.

= MQ

modelo

/MQ

resíduo

A Tabela 18 apresenta os parâmetros dos fatores considerados no modelo proposto na

equação 13 e os parâmetros estatísticos calculados para os fatores em análise.

Tabela 18: parâmetros dos fatores analisados para estimativa da

profundidade de carbonatação

Fator Parâmetro Estimativa Erro padrão Teste t

Significância

“p-value

Constante

0,01702 0,01063

1,60072

0,05718

1,78231 0,13594

13,11083

0,00000

agl

5,80361 0,57315

10,12583

0,00000

1,46607 0,09876

14,84431

0,00000

p-value = probabilidade – distribuição t de Student.

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

103

Dentre as variáveis do modelo, nota-se que o tempo, teor de adição e relação a/agl apresentam

influência significativa a um nível de confiança de 99% (‘p-value’ menor que 0,01). A

constante b

também apresenta influência significativa a um nível de confiança de 95% (‘p-

value’ de 0,05).

A expressão matemática que relaciona os fatores analisados e a profundidade carbonatada

resultou na equação 14.

46611

7823180365

017020

ad,,

t)agl(,e

⋅⋅=

equação 14

onde:

= profundidade de carbonatação, para o intervalo de 0 a 26,95 (mm);

agl = relação água/aglomerante do concreto, para o intervalo de 0,30 a 0,80;

ad = teor de adição de sílica ativa do concreto (

100

teor

) (intervalo de 0 a 0,20);

t = tempo de exposição ao CO

(intervalo de 0 a 98) (dias)

O modelo acima representa o fenômeno de carbonatação para os concretos em estudo, com

coeficiente de determinação (r²) de 95,3%. Os resultados de carbonatação observados no

ensaio acelerado e os ajustados pelo modelo da equação 14 são representados nas tabelas 19 e

20, respectivamente.

O modelo de comportamento encontrado não atende o padrão convencional da raiz quadrada

do tempo e os concretos com adição de sílica ativa apresentaram um comportamento distinto

dos concretos sem esta pozolana.

Segundo apontamentos da literatura (Bakker, 1988; Helene, 1986; Neville, 1997 e Silva,

2002) para tempos elevados de exposição ao CO

, o processo de carbonatação tende à

estabilização. Até o período máximo de exposição ao CO

empregado neste programa

experimental (de 98 dias), esse comportamento não foi observado. Tal fato pode ser atribuído

ao tempo de ensaio empregado ser inferior ao tempo necessário para alcançar a atenuação da

curva de profundidade de carbonatação em função do tempo de exposição. Também se

acredita que para misturas de maior relação a/agl, as quais apresentam elevada porosidade, o

processo de atenuação da curva de carbonatação necessite de tempos de exposição ao CO

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

104

bastante elevados exigindo, conseqüentemente, corpos-de-prova de grandes dimensões e um

ensaio de carbonatação acelerado de longa duração.

Tabela 19: profundidade de carbonatação observada (mm)

0,3 0,35 0,45 0,6 0,8 0,3 0,35 0,45 0,6 0,8 0,3 0,35 0,45 0,6 0,8 0,3 0,35 0,45 0,6 0,8

0 0 2,19 0 0 7,4 0 0 10,15 0 0 16,3

0 0 00,24 01,09 03,85

000001,5004,86001

00,12 00,92 00,98 05,17

0,08 0 0,3 0,13 0 3,29 0 0 9,46 0 0 26,95

idade 28 dias idade 63 dias

(%)

Relação água/aglomerante

idade 98 diasidade 7 dias

8,42

Matriz completa de ensaios acelerados foi obtida por Kulakowski (2002).

Tabela 20: profundidade de carbonatação resultante do modelo (mm)

0,3 0,35 0,45 0,6 0,8 0,3 0,35 0,45 0,6 0,8 0,3 0,35 0,45 0,6 0,8 0,3 0,35 0,45 0,6 0,8

0 0,01 0,15 0,01 0,06 1,79 0,03 0,27 7,54 0,06 0,58 16,52

0 0,03 0,02 0,35 0,07 1,49 0,14 3,29

0 0,01 0,16 0,01 0,07 1,99 0,03 0,31 8,68 0,07 0,68 19,34

0 0,03 0,02 0,41 0,08 1,83 0,18 4,13

0 0,01 0,18 0,01 0,09 4,42 0,04 0,39 11,08 0,09 0,9 25,41

(%)

Relação água/aglomerante

idade 7 dias idade 28 dias idade 63 dias idade 98 dias

Os gráficos da Figura 33 mostram o comportamento observado no ensaio acelerado e o

previsto pelo modelo para a profundidade de carbonatação do concreto. Nota-se que o modelo

proposto representa o comportamento observado dos concretos ao longo do tempo,

apresentando pouca dispersão. Também se percebe que existe influência da relação a/agl no

aumento da profundidade de carbonatação dos concretos. Para dosagens de relação a/agl baixa

(igual ou inferior a 0,45), independente do teor de adição, os concretos não apresentaram

carbonatação durante a realização do ensaio acelerado.

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

105

0 255075100125

carbonatação (mm)

0 25 50 75 100 125

tempo (dias)

30-00 prev

30-00 obs

30-10 prev

30-10 obs

0 25 50 75 100 125 150

30-20 prev

30-20 obs

0 25 50 75 100 125

carbonatação (mm)

0 255075100125150

35-05 prev

35-05 obs

35-15 prev

35-15 obs

tempo (dias)

0 255075100125

carbonatação (mm)

0 25 50 75 100 125

tempo (dias)

45-00 prev

45-00 obs

45-10 prev

45-10 obs

0 25 50 75 100 125 150

45-20 prev

45-20 obs

0 25 50 75 100 125

carbonatação (mm)

0 25 50 75 100 125 150

60-05 prev

60-05 obs

60-15 prev

60-15 obs

tempo (dias)

0 25 50 75 100 125

carbonatação (mm)

0 255075100125

tempo (dias)

80-00 prev

80-00 obs

80-10 prev

80-10 obs

0 25 50 75 100 125 150

80-20 prev

80-20 obs

Figura 33: carbonatação dos concretos – comportamento observado

(obs) e previsto (prev) – nomenclatura: ex: 80-00 – 80 representa

relação a/agl de 0,8 e 00 o teor de adição de 0%

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

106

A Figura 34 apresenta as curvas do modelo ajustado onde verifica-se a influência da relação

a/agl e da interação entre o teor de adição de sílica ativa e a relação a/agl na profundidade de

carbonatação. A relação a/agl apresenta grande interação com a profundidade de carbonatação

dos concretos, sendo maior quanto maior a relação água/aglomerante, fato este de consenso na

literatura (HO e LEWIS, 1987; COLLEPARDI et al., 1989; SILVA, 2002; KHAN e

LYNSDALE, 2002; CHI, HUANG e YANG et al., 2002; KULAKOWSKI, 2002; VIEIRA,

2003; entre outros). Para Silva (2002) a

profundidade de carbonatação decresce com o

decréscimo da relação água/cimento, especialmente para valores abaixo de 0,6, fato atribuído

à desconexão dos poros capilares. Nota-se, para o tempo de exposição ao CO

de 98 dias a

profundidade de carbonatação é cerca de 5,3 vezes menor (para a relação a/agl de 0,60 em

comparação com a relação a/agl de 0,80). Essa redução é ainda maior (em torno de 30 vezes)

quando se compara concretos com relação a/agl de 0,45 com os de 0,80.

Relação água/aglomerante

Profundidade de carbonatação (mm)

0.30.40.50.60.70.8 0.30.40.50.60.70.8

Sílica Ativa

10%

15%

20%

7 dias

63 dias

28 dias

98 dias

Figura 34: influência da interação entre a relação água/aglomerante e

o teor de sílica ativa na profundidade de carbonatação do concreto

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

107

Para relações a/agl abaixo de 0,45 o teor de sílica ativa não exerce influência na profundidade

de carbonatação dos concretos. Como observado por Kulakowski (2002) e Vieira (2003),

pode-se dizer que existe uma região crítica limite no comportamento dos concretos frente à

carbonatação delimitado pela existência de um intervalo de relações a/agl limite entre 0,45 e

0,50. Nota-se que, no limite inferior a 0,45, a presença e o teor de adição não exercem

influência na profundidade carbonatada. Deste modo o pH e o teor de Ca(OH)

exercem

pouca influência na carbonatação dos concretos, com esses níveis de relação a/agl, sendo a

carbonatação regida pela porosidade da matriz de cimento endurecida, que é função da

relação água/aglomerante da mistura. Para os limites superiores à relação a/agl de 0,45

verifica-se que o teor de adição de sílica ativa apresenta influência na carbonatação dos

concretos, sendo que a elevação do teor de adição causa um aumento na profundidade

carbonatada. Esse fato pode ser notado nas misturas com relação a/agl de 0,80, onde a

profundidade de carbonatação dos concretos com 10 e 20% de adição de sílica ativa, expostos

por 98 dias à ação do CO

é, respectivamente, 15 e 35% superior à do concreto referência

(sem adição). Deste modo, para esse intervalo de relação a/agl, as características químicas do

concreto passam a apresentar efeito significativo no avanço da carbonatação, sendo que a

reserva alcalina das misturas exerce grande influência na intensidade do fenômeno. Bakker

(1988) salienta que a velocidade das reações de carbonatação está relacionada com a

quantidade dos produtos alcalinos carbonatáveis (tipo e quantidade de cimento) e com a

quantidade de CO

que difunde na unidade de tempo pelo concreto, sendo função da estrutura

dos poros e umidade relativa no interior da matriz endurecida.

A sílica ativa, por ser uma pozolana altamente reativa, consome totalmente ou parcialmente o

Ca(OH)

oriundo das reações de hidratação do cimento, fazendo com que a reserva alcalina e,

conseqüentemente o pH do concreto sejam reduzidos. Para relações a/agl mais baixas, pelo

refinamento dos poros propiciado pela ação pozolânica e pelo efeito filler, a matriz torna-se

mais densa, reduzindo a porosidade e dificultado o ingresso de CO

, tornando o concreto

menos susceptível à carbonatação. Para misturas com relação a/agl elevadas (acima de 0,45),

devido à alta porosidade da pasta de cimento endurecida, o consumo de hidróxido de cálcio e

a conseqüente formação de C-S-H (silicato de cálcio hidratado) conferido pela presença de

adições pozolânicas não são suficientes para fechar ou reduzir, consideravelmente, a

porosidade da matriz cimentante a ponto de limitar o ingresso de CO

. Logo, prepondera o

efeito de reserva alcalina e o CO

que penetra no concreto reduz com maior velocidade o pH

da mistura, carbonatando-o mais rapidamente.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

108

Helene (1993) descreve o aumento da profundidade de carbonatação nos concretos com

adições pozolânicas, desatacando que este fato pode ser explicado pelo conceito de reserva

alcalina, pois à medida que na solução intersticial do concreto há uma maior concentração de

Ca(OH)

, o CO

não penetra com a mesma velocidade devido à necessidade de primeiro

rebaixar o pH e depois reagir com o hidróxido de cálcio presente para então seguir penetrando

e precipitando carbonato de cálcio na solução dos poros. Constata-se, que para elevadas

relações a/agl a carbonatação é fortemente dependente da quantidade de hidróxido de cálcio

disponível na matriz cimentante. Por outro lado, o próprio fenômeno de carbonatação tende a

precipitar o Ca(OH)

na forma de CaCO

promovendo uma gradativa redução da porosidade

na pasta de cimento endurecida. Houst e Wittmann (1994), analisando a difusão de CO

e O

através de concretos com relação a/agl de 0,4 a 0,80, verificaram que a redução da porosidade

do concreto é maior para concretos de menor relação a/agl.

A influência do teor de adição de sílica ativa e da interação com a relação a/agl na

profundidade de carbonatação dos concretos é representada pelas curvas de comportamento

dos concretos da Figura 35.

Teor de Sílica Ativa (%)

Profundidade de carbonatação (mm)

0,30

0,35

0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 25

água/aglometante

0,45

0,60

0,80

7 dias

63 dias

28 dias

98 dias

Figura 35: influência da interação entre o teor de adição de sílica ativa e a

relação água/aglomerante na profundidade de carbonatação do concreto

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

109

Nos primeiros tempos de exposição ao CO

(0 e 7 dias) as misturas não apresentam

comportamentos diferenciados. Com o avanço do tempo de exposição os concretos com

relação água cimento de 0,80 e 0,60 tendem a apresentar profundidades de carbonatação

superiores às demais. As misturas com relação a/agl igual ou inferior a 0,45 apresentam

comportamentos semelhantes, onde a in fluência do teor de adição e do tempo de exposição

ao CO

não é significativa. Nota-se que, para relações a/agl mais elevadas, o incremento do

teor de adição de sílica ativa possui efeito nocivo na profundidade de carbonatação, pois

quanto maior o teor de adição maior a profundidade carbonatada, comportamento também

observado por KULAKOWSKI (2002), SILVA (2002), VENQUIARUTO (2002) e VIEIRA

(2003). Apesar da adição de sílica ativa provocar uma descontinuidade nos poros, reduzindo a

permeabilidade dos concretos e argamassas, verifica-se que os compostos com adição de

sílica ativa apresentam carbonatação maior que os compostos sem sílica ativa. Isto se explica

pelo fato da sílica ativa ter sido utilizada em substituição do volume de cimento, reduzindo a

quantidade de hidróxido de cálcio presente no composto e, também, devido às reações

pozolânicas (SILVA, 2002).

Com relação ao comportamento frente à carbonatação de concretos produzidos com outras

adições pozolânicas, Ho e Lewis (1987), Collepardi et al. (1989) e Venquiaruto (2002)

relatam que a adição de cinza volante aumenta a profundidade carbonatada. Para Venquiaruto

(2002) a adição de cinza de casca de arroz também eleva a carbonatação do concreto. Isaia

(1995), avaliando o desempenho da adição de sílica ativa, cinza de casca de arroz e cinza

volante no concreto, relata que a carbonatação é menor para os traços sem adição, devido

estes apresentarem maior reserva alcalina, sendo que as misturas com sílica ativa apresentam

maior profundidade de carbonatação que as demais, atribuindo esse fato a sua alta reatividade.

5.2 CARBONATAÇÃO NATURAL DO CONCRETO

O ensaio de carbonatação natural do concreto é caracterizado por um processo lento, tendo

inúmeras variáveis não controláveis que influenciam o processo. Logo, em relação à escala de

tempo, é mais prudente fazer referência à carbonatação natural no período de anos ou

semanas, visto que, em função das variáveis intervenientes, a determinação das profundidades

carbonatadas com precisão de dias é de difícil e imprecisa obtenção.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

110

A Figura 36 apresenta o aspecto da carbonatação das amostras expostas ao ambiente de

degradação natural urbano, durante 365 semanas (7 anos).

(a)

(b)

(c)

(d)

a/agl 0,30

A 00

a/agl 0,30

A 20

a/agl 0,80

A 20

a/agl 0,80

A 00

Figura 36: aspecto das amostras carbonatadas em ambiente natural

As amostras da Figura 36 (a) e (b), com relação a/agl de 0,30 e com 0 e 20% de sílica ativa,

respectivamente, não apresentaram carbonatação durante o período de ensaio. Já as amostras

sílica ativa de 0 e 20%, respectivamente. Nota-se que as mesmas apresentam frente de

carbonatação definida, facilitando a tomada de medidas das profundidades nos pontos pré-

determinados. Em relação ao aspecto da área carbonatada, Abreu (2004), em ensaio acelerado

de concretos com cinza volante com concentrações de CO

de 5% e superior a 50%, verificou

que o teor de CO

exerce efeito na área carbonatada. A autora relata que o avanço da frente de

carbonatação nos concretos expostos a 5% de CO

apresentou-se relativamente mais

homogêneo e intenso, diferindo dos expostos à concentração de CO

superior a 50%, cujas

superfícies apresentavam coloração mais difusa e aleatorizada. Segundo Abreu (2004), este

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

111

aspecto da carbonatação em concretos já foi descrito por Alonso (1986

), que afirma que a

frente de carbonatação neste caso é muito irregular, com reentrâncias profundas, muitas vezes

tendendo a contornar o agregado. A zona de transição entre a matriz de cimento e o agregado

é, geralmente, uma região de maior porosidade e com poros interconectados, o que facilita o

acesso do CO

a regiões mais internas do corpo-de-prova (ALONSO, 1986; citado por

ABREU, 2004 e HOUST e WITTMANN, 2002).

A modelagem dos resultados não foi possível de ser elaborada, devido à existência de apenas

um ponto de medição da profundidade carbonatada durante o tempo de exposição no

ambiente de degradação. As medições realizadas nas idades de 1, 2 e 4 anos infelizmente

foram perdidas. Logo, o comportamento dos concretos frente à carbonatação durante o tempo

de exposição não foi determinado. Porém, com base na literatura, admite-se que as amostras

submetidas ao ensaio de carbonatação acelerado e ao ensaio natural apresentam tendências de

comportamento iguais (HO e LEWIS, 1987; LIMA, 1999) e (YING-YU e QUI-DONG, 1987;

PAPADAKIS, 1992; ANDRADE, et al., 1988, todos citados por KAZMIERCZAK, 1995).

A profundidade de carbonatação média dos exemplares, com relação a/agl de 0,80, foi de

12,01 mm para os concretos sem adição e de 14,28 mm para os concretos com 20% de adição

sílica ativa. Os resultados de profundidade carbonatada obtidos após 365 semanas (7 anos) de

exposição natural à ação do CO

são descritos na Tabela 21.

Tabela 21: profundidade de carbonatação (mm)

– ensaio ao natural

Relação água/aglomerante

Sílica Ativa

(%)

0,30 0,35 0,45 0,60 0,80

12,02

11,99

13,73

14,83

ALONSO, C. Estudio de la corrosion de armaduras en hormigón carbonatado. 1986. Tesis (Doctoral).

Facultad de Ciências, Universidad Complutense de Madrid. Madrid-España, 360p.

Cada dado da tabela representa a profundidade média obtida nas 4 faces de cada corpo-de-prova (repetição

igual a dois).

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

112

Como constatado no ensaio acelerado, verifica-se a influência da relação a/agl na

carbonatação dos concretos, existindo uma região crítica limite em torno da relação a/agl de

0,45, abaixo da qual a profundidade de carbonatação pode ser considerada desprezível para

concretos com e sem adição de sílica ativa. Acima desta relação a/agl a carbonatação é

fortemente influenciada pela presença de adições, predominando o efeito de reserva alcalina

discutido no item 5.1. O efeito da adição de sílica ativa fica notado nas misturas com relação

a/agl de 0,80, onde, para o teor de 20%, o aumento médio da profundidade carbonatada foi de

aproximadamente 16%, em relação às misturas sem adição.

Comparando o ensaio de carbonatação acelerado com o natural (Tabela 22 e Tabela 23) nota-

se que, para as duas metodologias de ensaio, os concretos com relação a/agl de 0,80, com e

sem adição de sílica ativa, apresentaram carbonatação. As misturas com a/agl inferior a 0,45,

para os dois ensaios, não carbonataram e a presença ou ausência de adição não implicou em

diferenças, mostrando que o efeito isolado da sílica ativa não exerce influência na

carbonatação. Esse fato foi associado ao fechamento da porosidade do concreto nas misturas

com baixas relações a/agl, como já discutido no item 5.1. Deste modo, tais fatos apontam que

o procedimento de ensaio acelerado adotado representa a tendência de comportamento natural

do fenômeno em estudo.

Tabela 22: profundidade de

carbonatação média (mm) – ensaio

acelerado

Tempo em semanas (anos)

misturas

(0,02)

(0,08)

(0,17)

(0,27)

30-00

0 0 0 0

30-20 0,08 0,13 0 0

45-10 0 0 0 0

80-00 2,19 7,4 10,15 16,30

80-20 0,3 2, 9 2 9,46 26,65

Tabela 23: profundidade de

carbonatação média (mm) – ensaio

ao natural

Tempo em semanas (anos)

misturas

(1)

104

(2)

208

(4)

365

(7)

30-00 0 0 0 0

30-20 0 0 0 0

45-10 0 0 0 0

80-00 - - - 12,01

80-20 - - - 14,28

Nomenclatura: 30-00 – 30 representa a relação a/agl de 0,3 e 00 o teor de adição de

sílica ativa de 0%.

A Figura 37 mostra as profundidades de carbonatação dos concretos de relação a/agl de 0,80

com adição de sílica ativa de 0 e 20%, para os dois ensaios, aferidas durante o período de

execução dos ensaios.

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

113

2.2

7.4

10.2

16.3

0.3

3.3

9.5

27.0

14914

tempo (semanas)

Profundidade de carbonatação

(mm)

80-00

80-20

12.0

14.3

365

tempo (semanas)

Profundidade de carbonatação

(mm)

80-00

80-20

Ensaio não

acelerado

Ensaio acelerado

Figura 37: influência do teor de adição de sílica ativa na carbonatação

do concreto ao longo do tempo

Para a relação a/agl de 0,80, verifica-se que para as primeiras idades a carbonatação do

concreto com adição de sílica ativa é menor, porém para idades maiores, essa tendência tende

a ser inversa. Essa maior resistência à carbonatação nas primeiras idades, para as misturas

com adição de sílica ativa, pode ser ocasionada pela dificuldade de ingresso do CO

devido à

menor porosidade do concreto quando produzido com essa adição. Porém, assim que o CO

penetra no concreto, devido o consumo de CH pelas reações pozolânicas e a conseqüente

redução da reserva alcalina do concreto, a frente de carbonatação tende a avançar com maior

velocidade, conforme discutido por Helene (1993).

Nota-se que no ensaio de degradação natural, após 365 semanas de exposição ao CO

, as

profundidades de carbonatação obtidas se enquadram no intervalo de tempo do ensaio

acelerado compreendido entre 9 e 14 semanas. Esse fato mostra que a concentração de CO

do ambiente de degradação influencia na profundidade de carbonatação do concreto, sendo

que para teores mais elevados, a carbonatação tende a ser maior, fato relatado por

Kazmierczak (1995), Uomoto e Takada (1993) e Neville (1997). Para ambientes urbanos a

literatura aponta um teor de CO

de aproximadamente 0,03 a 0,1%, chegando até 0,3% em

grandes centros urbanos (NEVILLE, 1997). Considerando a concentração de 0,1% para a

Cidade de Porto Alegre, o ensaio de carbonatação acelerado emprega um teor de CO

cerca de

50 vezes superior à concentração da atmosfera natural, explicando a maior profundidade de

carbonatação obtida no teste acelerado.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

114

5.3 COEFICIENTES DE CARBONATAÇÃO E ACELERAÇÃO

5.3.1 Determinação dos Coeficientes de Carbonatação

O modelo que representa a carbonatação acelerada dos concretos, apresentado no item 5.1,

não contempla a forma de comportamento descrita pela expressão da raiz quadrada do tempo,

porém apresentou um coeficiente de determinação de 0,95, explicando 95% dos resultados

observados. Por ser utilizado com freqüência nos estudos de carbonatação acelerada e de

previsão de vida útil de estruturas existentes, optou-se pela determinação dos coeficientes de

carbonatação a fim de verificar o ajuste dos dados experimentais.

Conforme definição, descrita no item 2.3.3, o “coeficiente de carbonatação (k

carb

) é a relação

da profundidade carbonatada de um concreto em função da raiz quadrada do tempo de

exposição ao CO

, expresso, normalmente em mm/ano

0,5

ou mm/semanas

0,5

”. Esse coeficiente

é determinado a partir da expressão da raiz quadrado do tempo (discutida no item 3.3), sendo

empregado por diversos pesquisadores do exterior (HAMADA, 1969; UOMOTO e

TAKADA, 1993; ROY, POH e NORTHWOOD 1999) e do Brasil (ISAIA, 1995;

GUIMARÃES, 2000; VENQUIARUTO, 2002; FIGUEIREDO, 2004).

A determinação dos coeficientes de carbonatação se faz plotando no eixo das ordenadas (y) os

dados de carbonatação acelerada (em milímetros) e no eixo das abscissas (x) a raiz quadrada

da idade cronológica de exposição ao CO

dos concretos (em semanas ou anos), referentes às

profundidades carbonatadas. Os gráficos gerados pelos dados de carbonatação versus tempo

devem atender o critério de dispersão de valores de xy. Para cada variável em estudo, seja

a/agl, teor de adição, tipo de adição, teor de CO

, tempo de cura, entre outras, deve-se traçar

uma curva de comportamento. Cada mistura é analisada isoladamente com procedimento

analítico por meio de regressão linear. Assim, os pontos gerados para cada mistura são

ajustados por uma linha de tendência linear com função identidade do tipo f(x) = ax + b, onde

“a” representa o coeficiente angular ou inclinação da reta e “b” a interseção.

O coeficiente de carbonatação é representado pelo coeficiente angular da reta “a”. As Figura

38 e Figura 39 apresentam, respectivamente, um exemplo da linearização das curvas de

carbonatação para os concretos de relação a/agl de 0,80 com adição de 0, 10 e 20% de sílica

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

115

ativa expostos à ação de CO

durante 63 e 98 dias

(9 e 14 semanas ou, respectivamente, 3 e

3,74 semanas

0,5

y = 3.566x - 0.414

= 0.9758

-10

01234

y = 1.608x - 0.822

= 0.8205

-10

-5

01234

Tempo (semanas

0.5

)

Carboatação (mm

)

10% Linear (10%)

y = 3.137x - 1.443

= 0.8508

-10

-5

01234

Tempo (semanas

0.5

)

Carboatação (mm

)

20% Linear (20%)

(a) (b) (c)

Tempo (semanas

0.5

)

Carboatação (mm

)

0% Linear (0%)

Figura 38: linearização das curvas de carbonatação – ensaio acelerado

com 9 semanas de exposição ao CO

: mistura com a/agl 0,80: (a) 0%

de sílica ativa; (b) 10% de sílica ativa; (c) 20% de sílica ativa

y = 4.2363x - 1.0456

= 0.9607

-10

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00

Tempo (semanas

0.5

)

Carbonatação (mm

)

0% Linear (0%)

y = 4.2374x - 3.2999

= 0.6683

-10

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00

Tempo (semanas

0.5

)

Carbonatação (mm

)

10% Linear (10%)

y = 6.4484x - 4.5636

= 0.7402

-10

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00

Tempo (semanas

0.5

)

Carbonatação (mm

)

20% Linear (20%)

(a) (b) (c)

Figura 39: linearização das curvas de carbonatação – ensaio acelerado

com 14 semanas de exposição ao CO

: mistura com a/agl 0,80: (a) 0%

de sílica ativa; (b) 10% de sílica ativa; (c) 20% de sílica ativa

A Figura 40 apresenta um modelo genérico, utilizado nesta pesquisa, para a obtenção dos

coeficientes de carbonatação do concreto durante os períodos de exposição ao CO

. Na Tabela

24 encontram-se os resultados dos coeficientes de carbonatação obtidos nos intervalos

determinados na Figura 40.

Para a obtenção dos coeficientes de carbonatação e aceleração, as idades de exposição ao CO

dos concretos

em ensaio acelerado, representadas em dias (0, 7, 28, 63 e 98), foram alteradas para semanas (0, 1, 4, 9 e 14).

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

116

01234

tempo (semanas )

carbonatação (mm)

Profundidade de Carbonatação

(mm)

80-0

80-1

80-20

0.5

carb_0 a 4

carb_0 a 3

carb_4

carb_3

carb_2

carb_1

Figura 40: coeficientes de carbonatação – ensaio acelerado: mistura

com a/agl 0,80 com 0, 10 e 20% de adição de sílica ativa

Tabela 24: coeficientes de carbonatação (mm) – ensaio acelerado

Mistura

Tempo de exposição ao

(semanas

0,5

)

Coeficiente de

Carbonatação

Coeficiente de Carbonatação

(mm/semanas

0,5

)

1,0

carb_1

2.1900

2,0

carb_2

3.7000

3,0

carb_3

3.3833

3,7

carb_4

4.3564

0 a 3,0 k

carb_0 a 3

3,5660 0,9758

80-00

0 a 3,7 k

carb_0 a 4

4,2363 0,9607

1,0

carb_1

0,0000

2,0

carb_2

0.7500

3,0

carb_3

1.6200

3,7

carb_4

4.9230

0 a 3,0 k

carb_0 a 3

1,6080 0,8205

80-10

0 a 3,7 k

carb_0 a 4

4,2374 0,6683

1,0

carb_1

0.3000

2,0

carb_2

1.6450

3,0

carb_3

3.1533

3,7

carb_4

7.2027

0 a 3,0 k

carb_0 a 3

3,1370 0,8508

80-20

0 a 3,7 k

carb_0 a 4

6,4484 0,7402

carb_1

) onde: k

carb

= coeficiente de carbonatação; e 1 = tempo de exposição ao CO

(semanas).

carb_0 a 3

= obtido pelo ajuste dos dados reais de carbonatação acelerada (sem modelagem), para o período de

até 3,0 semanas

0.5

(63 dias) de exposição ao CO

carb_0 a 4

= obtido pelo ajuste dos dados reais de carbonatação acelerada (sem modelagem) para o período de

até 3,75 semanas

0.5

(98dias) de exposição ao CO

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

117

Os coeficientes de carbonatação k

carb_1

, k

carb_2

, k

carb_3

, k

carb_4

foram calculados pontualmente,

empregando-se os dados de profundidade de carbonatação obtidos nas idades de ensaio de 1,

4, 9 e 14 semanas (1, 2, 3 e 3,74 semanas

0,5

), respectivamente. Deste modo, cada coeficiente

representa a carbonatação do concreto obtida em uma única idade de ensaio. Já os coeficientes

de carbonatação k

carb_0 a 3

e k

carb_0 a 4

foram calculados com os dados de profundidade de

carbonatação obtidos durante o tempo de exposição ao CO

, sendo o primeiro para o tempo de

ensaio de 1, 4 e 9 semanas (1, 2 e 3 semanas

0,5

) e o segundo para o tempo de ensaio de 1, 4, 9

e 14 semanas (1, 2, 3 e 3,74 semanas

0,5

). Assim, estes coeficientes representam o avanço da

profundidade de carbonatação do concreto durante todo o tempo de ensaio.

A partir dos dados da tabela acima, observa-se que o k

carb

apresenta valores diferenciados no

decorrer da realização do ensaio, mostrando que, dependendo da data final de medição de

profundidade de carbonatação, o mesmo pode apresentar um valor numérico distinto. Para o

período de ensaio de 0 a 3,0 semanas (

carb_0 a 3

) a mistura 80-20, cuja linearização é mostrada

na Figura 38(c), gerou um k

carb

de 3,14 mm/semana

0,5

com um coeficiente de determinação de

0,85, indicando que o coeficiente explica 85,08% dos resultados obtidos. Para um tempo

maior de ensaio (0 a 3,7 semanas) a mesma mistura, mostrada na Figura 39(c), apresentou um

carb

de 6,45 mm/semana

0,5

com um coeficiente de determinação de 0,74, explicando 74,02%

dos resultados obtidos. Essa diferença de aproximadamente 51% entre os coeficientes de

carbonatação para a mesma mistura, obtidos para duas idades distintas, também é notada pela

inclinação da curva dos pontos de carbonatação obtidos no ensaio.

Por outro lado, nota-se que há uma proximidade nos valores dos coeficientes de carbonatação

obtidos pontualmente e ao longo do tempo de exposição ao CO

. Observa-se que, para a

mistura 80-00, os coeficiente obtidos pontualmente (k

carb_3

) e ao longo do tempo (k

carb_0 a 3

)

foram, respectivamente, de 3,38 e 3,57 mm/semana

0,5

. Para a mistura 80-10, os coeficientes

de carbonatação foram de 1,62 e 1,61 mm/semana

0,5

, em respectivo. E, para mistura 80-20,

estes coeficientes foram de 3,15 e 3,14 mm/semana

0,5

, respectivamente. Para um maior tempo

de exposição ao CO

(3,7 semana

0,5

) essa mesma tendência foi observada (ver Tabela 24).

Assim, para as misturas em estudo, quando empregado o modelo da raiz quadrada do tempo,

as medidas pontuais de profundidade de carbonatação se assemelham às obtidas considerando

os dados ao longo do tempo.

Nota-se, na Figura 40 que até a idade de 3 semanas a carbonatação apresentava um

crescimento pequeno ao longo do tempo. Já na quarta semana de ensaio, a profundidade de

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

118

carbonatação do concreto sofre uma elevação que, conseqüentemente, altera a inclinação da

curva de comportamento do concreto e o coeficiente de carbonatação. Logo, percebe-se que

existem algumas dificuldades na determinação destes coeficientes que dificultam,

principalmente, a extrapolação dos resultados e a correlação com outros trabalhos.

Observa-se ainda (Figura 39) que, para o concreto de referência (sem adição de sílica ativa), o

ajuste em função da raiz quadrada do tempo gerou um coeficiente de determinação de 0,96,

explicando 96% dos dados observados. Logo, o ajuste dos dados de profundidade de

carbonatação se apresentou adequado, descrevendo o comportamento dos dados observados.

Por outro lado, para o mesmo período de exposição ao CO

, os concretos com adição de 10 e

20% de sílica ativa apresentaram coeficientes de determinação de 0,67 e 0,74,

respectivamente. Deste modo, o ajuste dos dados em função da equação da raiz quadrada do

tempo gerou baixos coeficientes de determinação, indicando que, possivelmente, a presença

de sílica ativa altera o comportamento do concreto frente à carbonatação.

Complementando a verificação dos coeficientes de carbonatação, a Figura 41 apresenta a

linearização das curvas de carbonatação para os concretos de relação a/agl de 0,60 com adição

de 5 e 15% de sílica ativa, para a idade de exposição ao CO

de 14 semanas.

y = 0.8939x - 0.7056

= 0.6735

-10

-5

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00

Tempo (semanas0.5)

Carbonatação (mm

)

5% Linear (5%)

y = 1.1348x - 0.773

= 0.6378

-10

-5

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00

Tempo (semanas0.5)

Carbonatação (mm

)

15% Linear (15%)

(a) (b)

Figura 41: linearização das curvas de carbonatação – ensaio acelerado

com 14 semanas de exposição ao CO

: mistura com a/agl 0,60: (a) 5%

de sílica ativa; (b) 15% de sílica ativa

Para a mistura com 5% de adição de sílica ativa o coeficiente de carbonatação obtido foi de

0,89 mm/semanas

0,5

e para a mistura com 15% de adição foi de 1,13 mm/semanas

0,5

. Os

coeficientes de determinação, resultante do ajuste das profundidades de carbonatação em

função da raiz quadrada do tempo, para os concretos de relação a/agl de 0,60 com 5 e 15% de

sílica ativa, foram baixos, explicando 67,35% e 63,78% dos resultados observados,

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

119

respectivamente, fato também observado nos concretos com relação a/agl de 0,80 com 10 e

20% de adição.

Com base nestas considerações, não foi possível estabelecer qual o melhor coeficiente de

carbonatação para ser adotado. Tal fato deve ser averiguado com maior ênfase a fim de se

determinar o expoente de t (tempo), que provavelmente, para os concretos com adição de

sílica ativa, deve ser diferente de ½.

Estes coeficientes também podem ser obtidos para as misturas carbonatadas em ambiente

natural. Considerando o tempo de exposição de 365 semanas (7 anos) e aplicando na equação

convencional da raiz quadrada do tempo, de maneira direta, tem-se para a mistura com

relação água/aglomerante de 0,80 sem adição de sílica ativa o coeficiente de carbonatação de

0,63 mm/semana

0.5

(4,54 mm/ano

0.5

) e para a mistura com 20% de adição o coeficiente de

carbonatação de 0,75 mm/semana

0.5

(5,39 mm/ano

0.5

A literatura utiliza o coeficiente de carbonatação obtido em estruturas reais ou ensaio não

acelerado para estimar o comportamento da profundidade carbonatada média de uma

determinada edificação para uma vida útil requerida. Deste modo, com os coeficientes de

carbonatação obtidos no ensaio de degradação natural, extrapolou-se a profundidade de

carbonatação para um período de 100 anos. Assim, edificações construídas há

aproximadamente 365 semanas (7 anos) e executadas com concretos de relação a/agl de 0,80

com 0 e 20% de adição de sílica ativa, com k

carb

de 0,63 mm/semana

0.5

(4,54 mm/ano

0.5

) e

0,75 mm/semana

0.5

(5,39 mm/ano

0.5

), respectivamente, apresentariam o comportamento frente

à carbonatação conforme mostram as curvas de ajuste da Figura 42.

0 204060801

tempo (anos)

Profundi

dade de

Profundidade de carbonatação

(mm)

carbonatacao

(mm)

Carb_80-

carb_80-00

carb_80-20

Figura 42: estimativa da profundidade carbonatada para uma vida útil

de 100 anos em função de k

carb

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

120

Conforme proposto por Helene (1997), a vida útil de projeto de uma edificação é alcançada

quando a espessura de carbonatação for equivalente à espessura de cobrimento do concreto.

Logo, tomando como base o cobrimento de armadura de 15 mm

, para a dosagem com

relação a/agl de 0,80 com e sem adição de sílica ativa, nota-se que em um período de

aproximadamente 10 anos a frente de carbonatação, para os dois concretos, teria atingido essa

profundidade. Dobrando a espessura de cobrimento (30 mm

), o tempo necessário para a

frente de carbonatação atingir a armadura para os concretos com 0% e 20% de sílica ativa,

seria, respectivamente, de 43 e 33 anos. Nota-se que, dobrando a espessura de cobrimento a

vida útil pode ser elevada em até 4 vezes para o concreto sem adição e em 3 vezes para a

mistura com 20% de sílica ativa. Tal fato justifica a importância da espessura de cobrimento e

da qualidade do concreto, visto que estes são responsáveis pela proteção das armaduras.

Vieira (2003) avaliou o efeito da adição de sílica ativa na corrosão das armaduras, sendo este

mais significativo para as relações a/agl mais elevadas. O teor de adição de 10% não alterou a

intensidade de corrosão e o teor de 5% apresentou melhor desempenho que o sem adição.

Porém, o teor de adição superior a 10% apresentou efeito desfavorável na variação final da

intensidade de corrosão. Deste modo, em termos de vida útil para estruturas sujeitas à

carbonatação, a adição de 20% de sílica ativa, em concretos com elevada relação a/agl, exerce

influência negativa em termos de durabilidade. Para o caso em estudo, seria benéfico em

termos de aumento de vida útil não utilizar essa pozolana.

A discussão acima descrita em torno dos coeficientes de carbonatação, determinados no

ensaio natural, apresenta apenas uma aproximação da vida útil da estrutura. Como observado

na determinação dos coeficientes de carbonatação para os concretos submetidos ao ensaio

acelerado, a adição de sílica ativa e a idade de exposição ao CO

das amostras ou estrutura da

qual foram determinados estes coeficientes exercem influência no coeficiente de

carbonatação. Logo, deve-se evitar generalizações baseadas somente nestes coeficientes e a

aplicação dos mesmos exige cuidado.

Espessura de cobrimento recomendada para ambientes normais pela antiga NBR 6118/1986

Espessura de cobrimento recomendada para ambientes normais pela nova NB 1/2003.

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

121

5.3.2 Determinação dos Coeficientes de Aceleração

Retomando a definição apresentada no capítulo de revisão, o “coeficiente de aceleração (

) é

adimensional e expressa o número de vezes que o ensaio acelerado representa a degradação

natural, sendo relativo aos concretos estudados e às condições de exposição impostas nos dois

procedimentos de ensaio”. Pode ser determinado utilizando-se a formulação apresentada na

equação 15.

ace

nat

equação 15

Onde:

= coeficiente de aceleração (adimensional);

nat

= tempo de realização ensaio ao natural (dias, semanas, anos

);

ace

= tempo de realização do ensaio acelerado equivalente

à profundidade de carbonatação

) encontrada no ensaio ao natural (dias, semanas, anos);

Pelo ajuste do comportamento observado pelo modelo matemático (equação 14), foi possível

correlacionar os dados de ensaios natural e acelerado. Primeiro fez-se o ajuste dos dados reais

da carbonatação acelerada, gerando as curvas que representam o comportamento dos

concretos com relação a/agl de 0,80 até a idade de exposição ao CO

de 14 semanas (0,27

anos). Com os valores médios das profundidades de carbonatação obtidas no ensaio natural,

de 12,01 e 14,28 mm para concretos com relação a/agl de 0,8 com 0 e 20% de adição de sílica

ativa, respectivamente, fez-se a substituição na equação do modelo acelerado, encontrando-se

o tempo equivalente de exposição acelerada ao CO

, como se verifica na Figura 43.

O coeficiente de aceleração, por ser adimensional, pode ser terminado utilizando-se qualquer escala de tempo,

desde que iguais para os dois procedimentos de ensaio.

O tempo equivalente de realização do ensaio acelerado para que a profundidade de carbonatação encontrada

no ensaio ao natural seja atingida, pode ser obtido utilizando-se o modelo de comportamento gerado pelos dados

de carbonatação acelerada. Vale ressaltar que a profundidade de carbonatação natural deve estar compreendida

no intervalo observado no ensaio de carbonatação acelerado pois a extrapolação do modelo pode levar a

determinações imprecisas.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

122

02468101214

Profundidade de carbonatação

acelerada (mm)

80-00 modelo acelerado 80-00 dados carb natural

80-20 modelo acelerado 80-20 dados carb natural

365

Profundidade de carbonatação

(

)

tempo (semanas)

14.28

12.01

Figura 43: relação da carbonatação acelerada e natural

Os níveis de a/agl da matriz experimental acelerada apresentaram, para as relações a/agl 0,30,

0,35 e 0,45, profundidades de carbonatação nula, resultado apenas os grupos com a/agl de

0,60 e 0,80 com profundidades de carbonatação diferente de zero. Para o ensaio ao natural, a

matriz em estudo, devido o fracionamento, não considerou o grupo com a/agl 0,60, resultado

somente os concretos de a/agl 0,80 com profundidade de carbonatação não nulas. Assim, para

as demais misturas da matriz experimental a determinação deste coeficiente não foi possível,

pois para as duas abordagens de ensaios as amostras apresentarem carbonatação nula,

impossibilitando a correlação e a modelagem de comportamento. Por fim, utilizando a

formulação apresentada na equação 15, determinou-se o coeficiente de aceleração. Esta

equação fornece, para os concretos de relação a/agl de 0,80, com 0 e 20% de adição de sílica,

os respectivos coeficientes de aceleração de 31,15 e 35,49. Logo, para as condições de ensaios

propostas nesta pesquisa, concretos com relação a/agl de 0,80 com adição de sílica ativa de 0

e 20%, 14 semanas de ensaio acelerado correspondem, respectivamente, a 436 semanas (8,3

anos) e 497 semanas (9,5 anos) de exposição em atmosfera natural. Percebe-se que o concreto

sem adição de sílica ativa apresenta uma estimativa de vida útil de 61 semanas (1,2 anos)

superior ao com 20% desta adição.

Nota-se que a influência do teor de adição de sílica ativa verificada nos ensaios está

representada nestes coeficientes, sendo que, para a mistura com 20%, o coeficiente de

aceleração é 16% superior ao concreto isento desta adição.

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

123

A literatura consultada aponta poucos trabalhos relativos ao tema, sendo que, para concretos

com adição de sílica ativa, não foram encontradas publicações. Cada trabalho adota uma

metodologia de pesquisa específica e a associação dos resultados obtidos com os desta

pesquisa exige cuidados. Para Isaia (1999) a comparação entre os dados de ensaios acelerados

e natural de diferentes pesquisas deve ser efetuada com cautela porque alguns trabalhos não

indicam o tempo de cura prévia antes da colocação em câmara condicionada ou o tempo que

permaneceu dentro dela. O teor de umidade de equilíbrio também influencia na profundidade

de carbonatação pois a concentração de umidade nos poros influencia na velocidade de

difusão do CO

. Este fator também afeta a comparação de resultados entre ensaios acelerados

e naturais, visto que estes últimos também podem estar afetados por condições ambientais

diversas tais como: exposição interna ou externa, externa abrigada ou desabrigada,

diminuindo a profundidade de carbonatação da primeira direção à última.

Como já comentado, os resultados apresentados por Isaia, Vaghetti e Gastaldini (2001), em

um estudo de carbonatação natural e acelerada de concretos com relação a/agl, teor e tipo de

adição variada, também mostram que a carbonatação sofre influência da porosidade do

concreto (relação a/agl), do teor de pozolana contida na mistura (quantidade de cimento

substituído por adição mineral) e do tipo de ensaio empregado, no acelerado, o teor de CO

câmara condicionada, no natural as condições ambientais (abrigado interno, abrigado externo,

desabrigado). Logo, o modelo de comportamento dos concretos e os coeficientes de

aceleração e carbonatação encontrados nesta pesquisa podem não reproduzir o

comportamento de concretos submetidos a outras condições de ensaio (tempo de exposição e

teor de CO

, tipo e teor de adições).

Verifica-se que há uma grande dificuldade na obtenção destes coeficientes devido ao grande

número de fatores que envolvem o processo de carbonatação, principalmente os relativos às

condições de execução de ensaio e exposição natural. Outro fator de grande importância,

observado na literatura, é a carência de resoluções normativas oferecendo a padronização dos

procedimentos de ensaio.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

124

5.3.3 Aplicação do Coeficiente de Aceleração

Com base no modelo de carbonatação do ensaio acelerado, proposto na equação 14, foi

possível determinar o tempo necessário de exposição ao CO

para se atingir a espessura de

carbonatação equivalente a um cobrimento de armadura de 15 mm

. A Figura 44 mostra o

comportamento das misturas com relação a/agl de 0,30; 0,45 e 0,80 com 0, 10 e 20% de

adição de sílica ativa, para a espessura de carbonatação de 15 mm.

6,21

1,66

0,25

5,27

1,45

0,23

4,08

1,17

0,20

0,3 0,45 0,8

Relação água/aglomerante

Tempo (anos

)

10%

20%

Teor de Sílica ativa

Figura 44: tempo necessário para que a carbonatação acelerada atinja

a profundidade total de cobrimento de armadura (15 mm)

Nota-se que quanto maior a relação água/aglomerante e teor de adição, menor é o tempo

necessário para que a carbonatação atinja a armadura do concreto.

Considerando o coeficiente de carbonatação, os valores de tempo encontrados no ensaio

acelerado, dentro dos valores limites fixados no modelo de regressão mostrado na equação 14,

podem ser traduzidos para valores de profundidade de carbonatação em atmosfera natural.

Logo, para o concreto com relação água/aglomerante de 0,80, efetuando-se as correlações,

tem-se o gráfico da Figura 45.

A espessura de cobrimento de 15 mm foi tomada como referência a fim de evitar a extrapolação do modelo de

carbonatação acelerado para tempos superiores aos tempos limites adotados na elaboração deste.

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

125

7,94

0,25

7,07

0,20

0,8 0,8

Relação água/aglomerante

Tempo (anos)

20%

Teor de Sílica ativa

Carbonatação natural Carbonatação acelerada

Figura 45: representação do tempo correspondente do ensaio

acelerado para o natural para que a profundidade de carbonatação seja

de 15 mm

Analisando o concreto sem adição de sílica ativa, para que a espessura de carbonatação atinja

15 mm segundo modelo acelerado, são necessários 13,3 semanas (0,25 anos) de exposição ao

com concentração de 5%. Multiplicando-se o tempo de exposição ao CO

acelerado pelo

coeficiente de aceleração do concreto tem-se o tempo equivalente de exposição natural. Deste

modo, multiplicando-se 13,3 pelo coeficiente de aceleração de 31,15, tem-se um tempo de

414,3 semanas ou aproximadamente 8 anos. Para um concreto de mesma relação

água/aglomerante, porém com 20% de adição de sílica ativa, o tempo de ensaio acelerado

necessário para que a frente de carbonatação seja igual a 15 mm é de 10,4 semanas (0,20

anos). Fazendo a multiplicação pelo coeficiente de aceleração deste concreto (35,49), tem-se

um período de 370,1 semanas ou aproximadamente 7 anos de exposição natural.

Caso o concreto com 20% de adição de sílica ativa fosse exposto ao CO

durante 13,3

semanas de ensaio acelerado (tempo equivalente à exposição do concreto sem adição para

atingir 15 mm de carbonatação), a espessura de carbonatação atingiria 23,88 mm, equivalendo

à exposição natural de 9 anos.

A influência da adição de sílica ativa na carbonatação do concreto com elevada relação a/agl é

marcante na vida útil de projeto conferido pelo concreto, onde o teor de 20% de adição reduz

em aproximadamente um ano o tempo necessário para carbonatar uma espessura de

cobrimento equivalente a 15 mm.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

126

Para aplicações em projeto, os coeficientes aceleração são de grande importância, atuando

como ferramenta de tomada de decisão gerencial. Conhecendo estes coeficientes, elabora-se

um ensaio acelerado (de curta duração) com amostras do concreto que se pretende empregar

na edificação. Os dados de profundidade de carbonatação obtidos, em relação aos tempos de

exposição ao CO

, podem ser associados aos coeficientes de aceleração conhecidos e a partir

deles determinar, para a vida útil requerida, a espessura de cobrimento necessária e também as

características do concreto (relação a/agl, emprego ou não de adições, entre outros).

5.3.4 Coeficientes de Carbonatação e Aceleração: Visão Geral

5.3.4.1 Discussão a partir do modelo ajustado para os dados experimentais

Como discutido anteriormente, verificou-se no ensaio acelerado que a profundidade de

carbonatação resultante da exposição do concreto à ação do CO

, durante 98 dias (14 semas),

não se comportou conforme o modelo da raiz quadrada do tempo. A Figura 46 apresenta os

dados observados, plotados segundo o critério de dispersão de valores, de concretos de

relação a/agl de 0,60 e 0,80 com adição de sílica ativa de 5 e 15% e 0, 10 e 20%,

respectivamente.

0 204060801

Tempo (dias)

Profundidade de carbonatação

(mm)

60-05 60-15 80-00 80-10 80-20

Figura 46: ensaio acelerado – profundidade de carbonatação

observada para as misturas com relação a/agl 0,60 e 0,80

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

127

Verifica-se que o comportamento dos concretos frente à carbonatação, para esse período de

tempo, apresenta uma tendência de crescimento oposta à descrita pela equação da raiz

quadrada do tempo. O último ponto de profundidade de carbonatação coletado (98 dias ou 14

semanas), não deixa claro se o processo de carbonatação tende ao crescimento ou à atenuação.

Segundo Guimarães (2000) e Smolczyk (1969), o concreto tende a apresentar o

comportamento descrito pela equação da raiz quadrada do tempo somente após um período de

10 anos de exposição ao CO

em ambiente natural, sendo que, para períodos inferiores, o

expoente de t pode diferir de ½. Empregando os coeficientes de aceleração, o ensaio de

carbonatação acelerado representou uma exposição natural de 8,3 (436 semanas) e 9,5 anos

(497 semanas), para os concretos com 0 e 20% de adição de sílica ativa, respectivamente.

Nota-se que o concreto com 20% de adição de sílica ativa apresentou um tempo próximo ao

descrito na literatura. Porém, o tempo citado não é referente à carbonatação de concretos com

adição de sílica ativa, pois sabe-se que para ensaios de carbonatação acelerados sem adições

minerais, é comum obter-se um comportamento explicado algebricamente pela equação da

raiz quadrada do tempo, com ótimos coeficientes de determinação (r

), porém essa

aproximação não pode ser extrapolada para concretos com adições. Tais fatos evidenciam a

necessidade do estudo da carbonatação do concreto, produzido com diferentes cimentos e

adições e submetidos a longos períodos de exposição ao CO

. Estes resultados, aliados à

estudos de microestura, podem vir a contribuir no melhor ajuste dos expoentes de t como

também na modelagem do fenômeno de carbonatação.

Com estas observações, pode-se dizer que o ensaio acelerado realizado, provavelmente, não

teve a duração necessária para que fosse possível alcançar o período de tendência ao

estacionamento do fenômeno de carbonatação dos concretos e que, o modelo da raiz quadrada

do tempo se mostrou pouco adequado para os concretos com sílica ativa. Assim, a

extrapolação dos resultados se torna dificultosa com alta probabilidade de determinações

incorretas.

5.3.4.2 Discussão a partir do modelo da raiz quadrada do tempo

Segundo a literatura (Bakker, 1988; Neville, 1997; Helene, 1993), o fenômeno de

carbonatação tende ao estacionamento ao longo do tempo. Logo, a adoção dos coeficientes de

carbonatação e aceleração como referência para previsão de vida útil pode incorrer em

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

128

determinações errôneas ou então muito distantes da situação real. Considerando que a

carbonatação do concreto com o decorrer do tempo, tende ao estacionamento (atenuação),

enfatizando a importância de se obter o comportamento completo do fenômeno, plotou-se o

gráfico da Figura 47.

Tempo (anos)

Profundidade de carbonatação

(mm)

)

Figura 47: representação genérica do comportamento do concreto

perante à ação do CO

em função do tempo de exposição

Sendo “k” os coeficientes teóricos de carbonatação, observa-se que k

e k

contemplam o

período inicial do fenômeno de carbonatação do concreto, onde a curva que representa os

dados possui um ângulo de inclinação

. Já os coeficientes teóricos de carbonatação k

, k

contemplam o período de atenuação da curva de comportamento dos concretos frente à

carbonatação, onde a mesma possui um ângulo de inclinação

. Face a estas observações,

pode-se dizer que o fenômeno de carbonatação apresenta duas fases distintas de

comportamento, sendo uma relativa à fase inicial de penetração do CO

e outra à tendência ao

estacionamento do fenômeno, representadas pelos ângulos de inclinação

respectivamente. A fase inicial pode ser função da porosidade do concreto, relação a/agl,

reserva alcalina que está relacionada com o tipo e teor de adições, concentração de CO

condições de exposição (protegido ou desprotegido da chuva) e umidade relativa. O período

de atenuação do fenômeno (tendência ao estacionamento) pode estar associado ao pH do

concreto, relação a/agl, presença de adições e, principalmente, formação de carbonatos nos

poros de maior dimensão, reduzindo substancialmente o acesso de CO

para o interior do

concreto.

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

129

Deste modo, acredita-se que para fins de modelagem e, conseqüentemente, melhor

aproximação da vida útil das estruturas de concreto, o ensaio de carbonatação natural ou

acelerado deve ser executado até a obtenção da curva de tendência ao estacionamento do

fenômeno. Neste estágio presume-se que o ensaio de carbonatação pode representar com

maior magnitude o comportamento do concreto perante à ação do CO

. Sendo assim, o

comportamento do concreto frente à carbonatação pode ser descrito na forma de um modelo

matemático que poderá ser extrapolado para tempos superiores aos realizados no ensaio, com

uma probabilidade de erro reduzida. Essa abordagem, se provada sua validade, também pode

ser empregada em projetos novos ou estruturas existentes, conferindo uma melhor

aproximação da espessura carbonatada ao longo do tempo, aumentado a capacidade de

otimização de projetos e, principalmente, análise de custos.

Com base nestas observações, para a realização de ensaios de carbonatação de longa duração,

seja acelerado eu não, sugere-se que alguns cuidados devem ser tomados durante o

planejamento e execução dos mesmos. Uma das observações necessárias está vinculada às

dimensões dos corpos-de-prova, as quais devem ser igual ou superior ao dobro da espessura

de cobrimento do concreto requerida ou especificada nas normas técnicas. Por exemplo,

considerando a especificação da NB 1/2003 para ambientes altamente agressivos, tem-se um

cobrimento de armadura de 50 mm. Logo, para o estudo de um concreto que será inserido

neste ambiente, acredita-se que serão necessários corpos-de-prova de dimensões mínimas de

100x100xC mm (altura, largura, comprimento

). Esse aumento na dimensão dos corpos-de-

prova e do tempo de ensaio acarreta algumas dificuldades, dentre as quais podem se destacar:

o acréscimo do tempo de ensaio e a conseqüente demora na obtenção dos dados; a

necessidade de câmaras de carbonatação de maior tamanho; dificuldade de manuseio dos

corpos-de-prova e, principalmente, elevação dos custos dos ensaios. Assim, mostra-se

necessário um estudo aprofundado da viabilidade técnico-econômica da proposta.

Ainda com relação ao ensaio, outros cuidados estão relacionados à concentração de CO

utilizada no ensaio, visto que, segundo Mehta e Monteiro (1994), altas concentrações podem

formar compostos diferenciados, presume-se que sejam utilizados teores iguais ou inferiores a

5%. Para se traçar as curvas de comportamento no mínimo devem ser tomados 3 pontos de

O comprimento “C” do corpo-de-prova deve ser vinculado ao número de fatias necessárias para a obtenção da

curva de comportamento.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

130

medição de profundidade carbonatada no tempo. Fukushima et al (1998

apud Isaia,

Vaghetti, e Gastaldini, 2001) sugerem que as melhores condições para realização de ensaio

acelerado, de modo a não influenciar nos mecanismos de carbonatação seriam as seguintes:

taxa de CO

de 5%, temperatura de cura de 30°C e umidade relativa de 60%. Porém, cabe

ressaltar, que não há consenso entre os pesquisadores da área sobre quais os melhores

parâmetros a serem adotados para a realização dos ensaios de carbonatação acelerada.

A espessura de cobrimento foi tomada como referência por ser um parâmetro de projeto de

elevada importância nas estruturas em concreto armado e também pelo fato de ser largamente

difundida e conhecida no setor da construção civil brasileira. O cobrimento do concreto

confere grande importância na proteção das armaduras, formando uma camada passivadora

que dificulta e, às vezes, impede o ingresso de agentes agressivos, principalmente CO

e íons

cloreto, capazes de desencadear o processo corrosivo. Logo, se em um determinado tempo ou

período de vida útil a espessura de cobrimento não for totalmente carbonatada, as armaduras

imersas no concreto ainda estão protegidas, conferindo uma vida útil superior à estimada em

projeto. Essa situação é favorável à segurança estrutural, conferindo um alto índice de

confiabilidade. Porém, do ponto de vista econômico, para uma vida útil prevista, a melhor

situação seria que a frente de carbonatação se aproximasse ao máximo da espessura do

cobrimento do concreto. Desde modo, os modelos de previsão de vida útil das estruturas de

concreto são de suma importância, sendo que há a necessidade de que estes confiram a melhor

aproximação possível da situação real. Ainda são necessários estudos na área, pois inúmeros

fatores interferem no processo. A obtenção de coeficientes que permitam correlacionar a

degradação obtida em laboratório com a observada em campo pode ser uma grande

contribuição na melhoria das estimativas de vida útil.

FUKUSHIMA, T., YOSHIZAKI, Y., TOMOSAWA, F., TAKAHASHI, K. Relationship between

neutralization depth and concentration distribution of CaCO

3 – Ca(OH)2 in carbonated concrete. In:

MALHOTRA, V. M. (ed). CANMET/ACI/JCI International Conference on recent advances in concrete

technology, 4

th, Tokushima, Japan, 1998. Proceedings… Detroit: American Concrete Institute, 1998, p. 347-363

(SP-179).

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

131

5.4 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO AXIAL

Os dados do ensaio complementar de resistência à compressão axial obtidos nas idades de 28

e 180 dias, para as relações a/agl e teores de adição de sílica ativa em estudo, são mostrados

na Tabela 25.

Tabela 25: resistência à compressão dos concretos (MPa): dados

observados aos 28 e 180 dias

idade 28 dias

Relação água/aglomerante Teor de

sílica ativa

(%)

0,30 0,35 0,45 0,80

59,6

52,8

44,8

41,2

20,8

18,8

53,2

46,0

34,8

30,8

62,0

61,2

51,6

47,2

31,4

25,2

60,0

56,8

43,2

41,2

75,6

64,0

49,9

46,8

28,4

17,6

idade 180 dias

Relação água/aglomerante Teor de

sílica ativa

(%)

0,30 0,35 0,45 0,60 0,80

71,3

68,0

49,2

46,8

31,6

24,8

69,2

68,8

42,8

40,4

77,2

69,2

60,8

60,0

31,6

28,0

70,4

69,2

47,2

46,8

82,4

71,6

66,4

57,6

38,8

32,4

0,60

Por meio de regressão múltipla não-linear, efetuou-se a análise estatística dos dados. A análise

de regressão permitiu a obtenção de um modelo matemático do ajuste dos dados e a

verificação do efeito da relação a/agl, teor de adição e idade do ensaio na resistência à

compressão axial. O modelo de ajuste encontrado é mostrado na equação 16, gerado a partir

dos dados de resistência mecânica obtidos nas idades de 28 e 180 dias.

210

id))adb()bagl(bexp(f ⋅⋅+⋅−=

equação 16

Onde:

= resistência à compressão do concreto (MPa);

agl = relação água/aglomerante do concreto (intervalo de 0,30 a 0,80);

ad = teor de adição de sílica ativa do concreto (intervalo de 0 a 20%);

id = idade de realização do ensaio em dias (intervalo de 28 a 180);

; b

e n

= parâmetros dos fatores considerados no modelo.

A análise de variância (ANOVA) do modelo proposto é mostrada na Tabela 26.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

132

Tabela 26: ANOVA do modelo para a estimativa da resistência à

compressão axial

Fonte GDL SQ MQ F

calc

Significância

“p-value”

Modelo 4 142361,7 35590,4 2188,60 0,0000

Resíduo 48 780,6 16,3 - -

Total 52 143142,2 - - -

Total corrigido 51 14399,2 - -

GDL = Graus de Liberdade SQ = Soma Quadrada

MQ = Média Quadrada = SQ/GDL F

calc.

= MQ

modelo

/MQ

resíduo

O valor de ‘p-value’ menor do que 0,01 designa que a relação entre as variáveis é

estatisticamente significativa a um nível de confiança de 99%. O coeficiente de determinação

encontrado (r

) foi de 0,9458, indicando que o modelo explica 94,58% da variabilidade dos

valores obtidos para resistência à compressão dos concretos.

Na Tabela 27 são apresentados os parâmetros dos fatores considerados no modelo proposto e

os parâmetros estatísticos obtidos.

Tabela 27: parâmetros dos fatores analisados para estimativa da

resistência à compressão axial

Fator Parâmetro Estimativa Erro padrão Teste t

Significância

“p-value

Constante

4,20954 0,06361 66,17591 0,00000

agl

1,76296 0,07673 22,97636 0,00000

0,85645 0,14654 5,84445 0,00003

0,10388 0,01170 8,87680 0,00000

Nota-se que todos os fatores do modelo (relação água/aglomerante, teor de adição de sílica

ativa e idade do ensaio) apresentam efeito significativo na resistência à compressão axial do

concreto, apresentado um ‘p-value’ inferior a 0,05, o que significa um nível de confiança de

95%.

A equação que representa o modelo de regressão do ajuste dos dados de resistência à

compressão axial é mostrada na equação 17.

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

133

096850

817107312123754

id))ad,(),agl(,exp(f ⋅⋅+⋅−=

equação 17

Onde:

= resistência à compressão do concreto (MPa);

agl = relação água/aglomerante do concreto (intervalo de 0,30 a 0,80);

ad = teor de adição de sílica ativa do concreto (intervalo de 0 a 20%);

id = idade de realização do ensaio em dias (intervalo de 28 a 180);

A Tabela 28 apresenta os valores de resistência à compressão axial, para 28 e 180 dias,

previstos pelo modelo.

Tabela 28: resistência à compressão axial dos concretos (MPa): dados

previstos aos 28 e 180 dias

idade 28 dias

Relação água/aglomerante

Teor de

sílica ativa

(%)

0,30 0,35 0,45 0,60 0,80

56,08 43,05 23,23

53,60 34,49

61,10 46,90 25,30

58,39 37,58

66,56 51,09 27,57

idade 180 dias

Relação água/aglomerante

Teor de

sílica ativa

(%)

0,30 0,35 0,45 0,60 0,80

68,04 52,23 28,18

65,03 41,85

74,13 56,90 30,70

70,84 45,59

80,75 61,99 33,45

Para os dados obtidos aos 28 dias, a Figura 48 e a Figura 49 apresentam, respectivamente, a

influência da relação a/agl e do teor de adição de sílica ativa na resistência à compressão dos

concretos.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

134

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Relação água/aglomerante

100

Resistência à compressão

aos 28 dias (MPa)

Sílica ativa (%)

Obs 0

Obs 5

Obs 10

Obs 15

Obs 20

Figura 48: influência da interação entre a relação água/aglomerante e

o teor de sílica ativa na resistência à compressão axial aos 28 dias

-10-5 0 5 1015202

Teor de adição (%)

100

Resistência à compressão (MPa)

aos 28 dias

água/aglomerante

0,30

0,35

0,45

0,60

0,80

Obs 0,30

Obs 0,35

Obs 0,45

Obs 0,60

Obs 0,80

Figura 49: influência da interação entre o teor de adição de sílica ativa

e a relação a/agl na resistência à compressão axial aos 28 dias

A influência da relação a/agl e do teor de adição de sílica ativa na resistência à compressão do

concreto, para a idade de 180 dias, pode ser verificada nos gráficos da Figura 50 e Figura 51,

respectivamente.

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

135

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Relação água/aglomerante

100

Resistência à compressão

aos 180 dias (MPa)

Sílica ativa (%)

Obs 0

Obs 5

Obs 10

Obs 15

Obs 20

Figura 50: influência da interação entre a relação água/aglomerante e

o teor de sílica ativa na resistência à compressão axial aos 180 dias

-10-5 0 5 1015202

Teor de adição (%)

100

Resistência à compressão (MPa)

aos 180 dias

água/aglomerante

0,30

0,35

0,45

0,60

0,80

Obs 0,30

Obs 0,35

Obs 0,45

Obs 0,60

Obs 0,80

Figura 51: influência da interação entre o teor de adição de sílica ativa

e a relação a/agl na resistência à compressão axial aos 180 dias

Nota-se que a relação a/agl exerce influência significativa na resistência à compressão axial

dos concretos, fato de consenso na literatura (HO e LEWIS, 1987; DAL MOLIN, 1995;

AITCIN, 2000; entre outros). A elevação da relação a/agl de 0,3 para 0,80, para as duas

idades de ensaio, promove uma queda média de resistência à compressão de

aproximadamente 60%. A interação da relação a/agl com o teor de adição de sílica ativa, pela

análise estatística, mostrou-se não significativa, indicando que, independente da relação a/agl

a adição de sílica ativa contribui de forma semelhante para o aumento da resistência à

compressão dos concretos.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

136

DAL MOLIN (1995, p.152) constatou que a adição de 10% de sílica ativa promove um

aumento médio de 11% na resistência à compressão em concretos de alta resistência (CAR).

Para uma mesma relação a/agl, o teor de adição na resistência à compressão exerce influência

positiva, ou seja, aumentando-se o teor de adição, tem-se um aumento da resistência. No

presente estudo verifica-se que incrementos de 10 e 20% na adição de sílica ativa conferem,

respectivamente, ganhos de resistência de 8,2 e 16%. Comparando concretos de relação a/agl

de 0,35 com 0 e 15% de adição sílica ativa Mazloom, Ramezanianpour e Brooks (2004,

p.349) observaram que o incremento da resistência à compressão axial conferido pela

pozolana foi de 21%. Vieira (2003) observou comportamento semelhante, atribuindo o fato ao

efeito físico e pozolânico conferido pela presença da sílica ativa. Os efeitos da adição desta

pozolana afetam a morfologia e a microestrutura da matriz cimentante e da zona de transição

pasta/agregado, reduzindo a porosidade (DAL MOLIN, 1995; AITICIN, 2000).

A Figura 52 apresenta a influência da relação água aglomerante, para os teores de adição de

sílica ativa, na resistência à compressão do concreto nas idades de 28 e 180 dias.

0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

Relação água/aglomerante

100

Resistência à compressão

aos 28 dias (MPa)

Teor SA (%)

res. 28 dias

Teor SA (%)

res. 180 dias

Figura 52: influência da interação entre a relação a/agl e o teor de

sílica ativa na resistência à compressão axial aos 28 e 180 dias

Nota-se, para todas as misturas, um pequeno ganho de resistência na idade de 180 dias com

relação aos 28 dias de ensaio. Tal fato se deve ao tipo de cimento empregado na confecção

dos concretos o CP V ARI, que confere ganho de resistência principalmente nas primeiras

idades do concreto e também pela adição de sílica ativa, que por ser uma pozolana altamente

reativa, age nas primeiras idades, conferindo aumento na resistência à compressão. Segundo

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

137

Dal Molin (1995, p.151) e Mazloom, Ramezanianpour e Brooks (2004, p.399), o crescimento

da resistência à compressão dos concretos com sílica ativa é maior, principalmente no período

entre 1 e 28 dias.

A relação entre resistência à compressão axial, aos 28

dias, e profundidade de carbonatação,

encontrada em ensaio acelerado após 98 dias de exposição ao CO

pode ser observada no

gráfico da Figura 53. As linhas de tendência do gráfico, para as duas variáveis de análise,

foram traçadas com base nos modelos de ajuste encontrados, apresentados na equação 14

(carbonatação) e equação 17 (resistência).

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Resistência à compressão (MPa)

Sílica ativa (%)

resistência

Sílica ativa (%)

carbonatação

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

bonata

ão

(

)

Relação água/aglomerante

Figura 53: influência da adição de sílica ativa na carbonatação e na

resistência à compressão axial dos concretos

Como discutido anteriormente, as misturas com adição de sílica ativa apresentaram maior

resistência à compressão, para todos os níveis de relação a/agl. Porém, com relação à

carbonatação do concreto, para um mesmo teor de adição de sílica ativa, verifica-se que o

comportamento é inversamente proporcional à resistência à compressão axial. Ou seja, o

aumento da resistência à compressão conferido pela adição de sílica ativa não reduz a

profundidade de carbonatação do concreto. Kropp e Hilsdorf (1995, p.194) relatam que a

correlação entre a profundidade carbonatada e a resistência à compressão do concreto

depende do tipo de cimento empregado e da cura. Para uma mesma classe de resistência e

duração de cura, a profundidade de carbonatação de concretos produzidos com cimento com

A idade de 28 dias foi selecionada nesta comparação, devido ser largamente utilizada como parâmetro de

controle dos concretos produzidos em geral.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

138

adição de escória de alto forno é mais elevada do que a de concretos confeccionados com

cimento Portland sem essa pozolana.

Desconsiderando a presença de adição de sílica ativa, percebe-se que o aumento da resistência

à compressão reduz a profundidade de carbonatação. Como constatado no item 5.1, para

relações a/agl inferior a 0,45 a influência do teor de adição não afeta a carbonatação do

concreto, sendo esta propriedade dependente da relação a/agl da mistura.

A comparação das curvas de resistência à compressão axial e profundidade de carbonatação

em concretos também alerta para o fato de que somente a propriedade de resistência à

compressão não é parâmetro para estimar a durabilidade das estruturas, mas sim a relação

água/aglomerante e o tipo de cimento empregado (KULAKOWSKI, 2002, p.150). Salienta-se,

ainda, que, para relações a/agl mais elevadas, acima de 0,45, o teor de adição empregado,

apesar de exercer influência benéfica na resistência à compressão, confere um efeito oposto

ao desejado no controle da frete de carbonatação.

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

139

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Objetivando a avaliação comparativa da carbonatação acelerada e natural de concretos com e

sem adição de sílica ativa, esta pesquisa utilizou dados de carbonatação, gerados pelo projeto

de Dal Molin et al. (1996) do Núcleo Orientado para a Inovação da Edificação (NORIE) da

Universidade Federal do Rio Grande de Sul (UFRGS).

Os concretos submetidos à carbonatação acelerada e natural, oriundos de um projeto fatorial

cruzado e fracionado, permitiram verificar a influência das variáveis dependentes com a

mesma representatividade de um projeto completo. Para o ensaio acelerado foram avaliados

concretos com relação água/aglomerante (a/agl) de 0,3; 0,35; 0,45; 0,60 e 0,80 e teor de

adição de sílica ativa de 0; 5; 10; 15 e 20%. Já para os concretos expostos em condições

naturais de envelhecimento, foram estudados misturas idênticas às do ensaio acelerado com

relação a/agl de 0,3; 0,45 e 0,80 e teor de adição de sílica ativa 0; 10 e 20%. O ambiente de

exposição natural das amostras foi a cidade de Porto Alegre, RS, sendo os dados obtidos nesta

pesquisa relativos às características deste ambiente. A extrapolação ou aplicação destes

resultados para situações distintas pode não representar o comportamento observado.

Sendo assim, os resultados deste trabalho se aplicam a concretos sob as condições de

produção e exposição aqui descritas, sendo necessários novos estudos e adaptações para a

aplicação destes em meios de exposição diferenciados.

6.1CONCLUSÕES

Desta forma, com relação ao objetivo principal, a investigação experimental, juntamente com

a análise dos resultados, permitiram obter as seguintes conclusões:

a) para os dois procedimentos de ensaio os concretos de elevada relação

água/aglomerante com adição de sílica ativa apresentaram uma maior

tendência à carbonatação. Em relação às misturas sem adição os concretos com

relação a/agl de 0,80 apresentaram no ensaio acelerado e ao natural,

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

140

respectivamente, um incremento de 35% e 16% na profundidade de

carbonatação;

b) para os concretos com adição de sílica ativa, os dados de profundidade

carbonatada do ensaio acelerado (teor de CO

de 5%) geraram um modelo de

comportamento diferenciado do convencional da raiz quadrada do tempo,

indicando que o ensaio, provavelmente, foi realizado em um período de tempo

inferior ao necessário para a atenuação do fenômeno. Logo a extrapolação dos

dados do modelo não se mostra adequada, conferindo elevadas profundidades

para tempos considerados pequenos;

c) a frente de carbonatação no ensaio natural e acelerado apresentou-se bem

definida, facilitando a tomada de medidas da profundidade carbonatada.

Com relação aos objetivos secundários destacam-se as conclusões abaixo citadas:

a) os dados de profundidade de carbonatação acelerada, obtidos na investigação

experimental, foram modelados por meio de análise de regressão não-linear,

conferindo o modelo apresentado na equação abaixo, com coeficiente de

determinação r

de 95,3%;

46611

7823180365

017020

ad,,

t)agl(,e

⋅⋅=

Onde:

= profundidade de carbonatação, para o intervalo de 0 a 26,95 (mm);

agl = relação água/aglomerante do concreto, para o intervalo de 0,30 a 0,80;

ad = teor de adição de sílica ativa do concreto (

100

teor

) (intervalo de 0 a 0,20);

t = tempo de exposição ao CO

(intervalo de 0 a 98) (dias);

b) foi possível determinar os coeficientes de aceleração das misturas com relação

a/agl de 0,80 com e sem adição de sílica ativa. Estes coeficientes indicaram que

o fenômeno de carbonatação acelerado representou a degradação natural,

acelerando o processo em 31,15 e 35,49 vezes, para o concreto com 0 e 20% de

adição de sílica ativa, respectivamente;

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Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

141

c) os coeficientes de carbonatação para os concretos submetidos ao ensaio natural

foram determinados pela aplicação direta da equação da raiz quadrada do

tempo, conferindo os coeficientes, para as misturas com 0 e 20% de adição de

sílica ativa, de 0,63 mm/semana

0.5

(4,54 mm/ano

0.5

) e 0,75 mm/semana

0.5

(5,39

mm/ano

0.5

), respectivamente;

d) os coeficientes de carbonatação para o ensaio acelerado foram obtidos pela

linearização dos dados observados em função da raiz quadrada do tempo de

exposição ao CO

resultando, para a mistura de relação a/agl de 0,80 com 0, 10

e 20% de adição de sílica ativa, os coeficientes de 4,24 mm/semana

0.5

(r² 0,96);

4,23 mm/semana

0.5

(r² 0,66) e 6,45 mm/semana

0.5

(r² 0,74). Os concretos com

relação a/agl de 0,60 com 5 e 15% de sílica ativa apresentaram os respectivos

coeficientes de carbonatação: 0,89 mm/semana

0.5

(r² 0,67) e 1,13 mm/semana

0.5

(r² 0,63);

e) para os concretos com adição de sílica ativa, o ajuste dos dados de

profundidade de carbonatação, em função da raiz quadrada do tempo,

apresentou baixo coeficiente de determinação, mostrando-se pouco adequado

para descrever o comportamento do fenômeno;

f) a extrapolação dos coeficientes de aceleração e carbonatação requer cuidados,

principalmente quando este for oriundo de ensaios acelerados ou naturais de

curta duração. Os ensaios de degradação executados em períodos de curta

duração podem não representar o fenômeno total de carbonatação que, com o

passar do tempo, devido à colmatação dos poros do concreto pela precipitação

do CaCO

, tende a atenuar, conferindo menores profundidades de carbonatação

para um determinado tempo de exposição. Logo, se o ensaio conseguir

representar o fenômeno completo, o erro tende a ser menor, conferindo maior

confiabilidade e aproximação do valor real da profundidade carbonatada no

tempo. Além disso, esses coeficientes apresentam um maior potencial de

utilização e sucesso nos modelos de previsão de vida útil;

g) com relação à carbonatação acelerada, a elevação dos teores de adição de sílica

ativa, nos concretos com relação a/agl superior a 0,45, influencia no

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

142

incremento da profundidade carbonatada. Para relações a/agl inferiores a 0,45 o

teor de adição não exerce influência na profundidade carbonatada;

h) a carbonatação do concreto é fortemente influenciada pela relação a/agl da

mistura, sendo que existe uma relação a/agl limite em torno da relação a/agl

0,45. Abaixo desta zona, pode-se considerar a profundidade de carbonatação

desprezível. Acima desta zona, a profundidade de carbonatação tende a se

elevar com o aumento da relação a/agl e do teor de adição de sílica ativa;

i) os dados de resistência à compressão axial dos concretos, determinados aos 28 e

180 dias, podem ser representados pelo modelo de comportamento da equação

abaixo, o qual explica 94,58% dos resultados obtidos;

096850

817107312123754

id))ad,(),agl(,exp(f ⋅⋅+⋅−=

Onde:

= resistência à compressão do concreto (MPa);

agl = relação água/aglomerante do concreto (intervalo de 0,30 a 0,80);

ad = teor de adição de sílica ativa do concreto (intervalo de 0 a 20%);

id = idade de realização do ensaio em dias (intervalo de 28 a 180);

j) com relação à resistência à compressão, a análise estatística comprovou que a

interação da relação a/agl com o teor de adição de sílica ativa mostrou-se não

significativa, indicando que, independentemente da relação a/agl, a adição de

sílica ativa contribui igualmente para o aumento da resistência à compressão

dos concretos;

k) a adição de sílica ativa aumenta a resistência à compressão axial dos concretos,

porém para a carbonatação esse aumento não é favorável, pois o aumento do

teor de adição eleva a profundidade carbonatada.

São pertinentes também as conclusões sobre a técnica de reconstituição de traço de concreto

endurecido e o ambiente de exposição natural das amostras, como segue:

a) a técnica de reconstituição parcial de traço de concreto mostrou-se viável de

utilização, porém para misturas com relação 1:m (cimento:agregado graúdo e

miúdo) muito próximas, este método não oferece precisão nas determinações.

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

143

A metodologia também não abrange a determinação de traços de concretos

com adições, indicando a necessidade de aprimoramento da técnica;

b) com relação ao ambiente de exposição, as amostras expostas à degradação

natural encontravam-se em ambiente com UR média favorável para o avanço

da carbonatação, em torno de 70%;

c) a cidade de Porto Alegre, ambiente de exposição dos concretos à carbonatação

natural, não apresenta estação seca, fato que, devido à saturação dos poros do

concreto pela água da chuva, tende a gerar menores profundidades de

carbonatação nos concretos; por outro lado a condição de exposição dos

corpos-de-prova durante a realização do ensaio não acelerado (desprotegidos

da chuva) também conduz a menores profundidades de carbonatação, devido

ao fechamento dos poros pela água da chuva, que reduz substancialmente a

capacidade de difusão do CO

Com base nas conclusões e observações oriundas da elaboração deste trabalho, verifica-se que

o emprego de ensaios de durabilidade para o estudo da carbonatação e posterior previsão de

vida útil das estruturas de concreto armado requer ainda muitos estudos, a fim de conferir

melhor aproximação entre a situação real de degradação e os ensaios acelerados. Observou-se

a carência de padronização dos procedimentos de ensaios acelerados e naturais, a fim de

possibilitar a correlação entre os dados das duas abordagens e também confrontá-los com

pesquisas geradas por outros pesquisadores. Só assim iniciar-se-ia a geração de uma base de

dados relativos à durabilidade que então poderiam ser empregados, com uma certa segurança,

para fins de previsão de vida útil de estruturas de concreto armado. Também se acredita que

para fins de modelagem e, conseqüentemente, melhor aproximação da vida útil das estruturas

de concreto, o ensaio de carbonatação natural ou acelerado deve ser executado até a obtenção

da curva de tendência ao estacionamento do fenômeno.

Outro fato observado está associado ao comportamento do fenômeno de carbonatação

acelerado, o qual difere do citado na literatura, mostrando que estudos que contribuam no

ajuste e entendimento deste são de grande importância.

__________________________________________________________________________________________

Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado

144

6.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Este trabalho tentou gerar algumas contribuições no que se refere à carbonatação de concretos

com sílica ativa, expostos à degradação acelerada e não acelerada, restando ainda várias

lacunas de conhecimento na área que necessitam de estudos. Com base na bibliografia

pesquisada e nos resultados e observações coletados, tornam-se pertinentes as seguintes

sugestões para a conclusão deste estudo:

a) avaliar a influência do tipo de exposição das amostras (protegido ou

desprotegido da chuva) na profundidade de carbonatação do concreto exposto à

degradação natural;

b) expor à degradação natural e acelerada concretos com outros tipos de adições

minerais, para a obtenção dos coeficientes de aceleração;

c) efetuar ensaios de carbonatação do concreto com períodos prolongados, a fim

de obter atenuação da curva de desempenho do concreto frente à carbonatação,

e utilizar os dados em modelos de previsão de vida útil;

d) determinar os coeficientes de aceleração para concretos inseridos em outros

ambientes urbanos;

e) obter os coeficientes de aceleração para concretos sujeitos à ação conjunta de

carbonatação e íons cloreto;

__________________________________________________________________________________________

Edna Possan (epos[email protected]) – Porto Alegre, PPGEC/UFRGS, 2004

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