Análise da Penetração de Cloretos em Estruturasde Betão Armado Expostas ao Ambiente Marítimo

Chloride Penetration in Reinforced Concrete Structures Exposedto Marine Environrnent

António Costa *

Júlio Appleton **

RESUMO ABSTRACT

A durabilidade de estruturas de betão annado expostas ao ambientemarítimo é essencialmente afectada pela penetração de cloretos para ointerior do betão. Este mecanismo é um fenómeno complexo que dependede um grande número de parâmetros associados à composição do betão eàs características do ambiente de exposição. Neste trabalho, são apresen-tados os resultados obtidos num estudo experimental em que 54 painéis debetão annado foram sujeitos a diferentes condições de exposição doambiente marítimo. A análise da penetração de cloretos ao longo do tem-po mostra que quer a qualidade do betão quer as condições de exposiçãoexercem uma forte influência na velocidade de penetração. Os resultadosmostram também que o coeficiente de difusão e o teor de cloretos àsuperfície apresentam uma forte dependência do tempo de exposição.

The durability of reinforced concrete structures exposed to marineenvironment is mainly affected by the chloride penetration into concrete.This mechanism is a complex phenomenon depending on many parametersrelated to the concrete composition and to the environment characteristics.In Ihis paper, the resuits of an experimental study where 54 concretepanels were exposed to different marine environment conditions arepresented. The analysis of the chloride penetration shows Ihat both lheconcrete composition and the exposure conditions affect very much lhepenetration rate. The experimental resuits also show that the diffusioncoefficient and the surface chloride concentration have a strong timedependence.

1 - INTRODUÇÃO

.O comportamento das estruturas situadas em ambientemarítimo tem mostrado que a principal causa da sua dete-rioração é a corrosão de armaduras por acção dos cloretos.Trata-se de um problema à escala mundial que tem tidorepercussões económicas muito gravosas, conduzindo a queesta matéria constitua hoje uma das áreas prioritárias deinvestigação no domínio do betão armado.

O elevado esforço de investigação realizado nos últi-mos anos conduziu a um significativo aumento do conhe-cimento relativamente aos factores associados à penetraçãodos cloretos e ao desenvolvimento da corrosão. Verifica-se,no entanto, que esse conhecimento é ainda sobretudo qua-litativo, estando apenas a dar-se os primeiros passos nosentido da quantificação da influência dos diferentes facto-res no mecanismo da deterioração.

A avaliação da vida útil das estruturas expostas aoambiente marítimo constitui um dos principais desafios quese colocam actualmente, quer relativamente a obras novasquer relativamente a obras existentes. A vida útil é, nestecontexto, constituída por duas fases distintas [1, 2]: o períodode iniciação associado à penetração do teor crítico decloretos até ao nível das armaduras; e o período de propa-gação associado à corrosão de armaduras e aos danos porela causados. No ambiente marítimo é a duração do perío-do de iniciação que, em geral, condiciona a vida útil das

* Professor Auxiliar do 1ST** Professor Catedrático do 1ST

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estruturas, dado que as velocidades de corrosão são emgeral muito elevadas [3-5]. Para avaliar este período é ne-cessário desenvolver modelos que traduzam de uma formaadequada a penetração de cloretos.

Actualmente, para efeitos de aplicação prática, a me-lhor metodologia a seguir consiste em considerar modelosfísicos simples, baseados na 2~lei de Fick, calibrados comresultados obtidos em estruturas expostas ao ambientemarítimo.

Neste artigo, é analisada a penetração de cloretos emprovetes de betão armado expostos em diferentes condi-ções de exposição do ambiente marítimo após um períodode 3 a 5 anos. São avaliadas as influências da qualidade dobetão e das condições de exposição na velocidade de pene-tração e analisada a evolução no tempo dos parâmetrosutilizados na modelação da penetração relativamente aotempo de exposição.

2 - MODELAÇÃO DA PENETRAÇÃO DE CLO-RETOS

o transporte de cloretos para o interior do betão é umprocesso que ocorre apenas em meio líquido, isto é, se osporos não <:ontiveremágua não existe penetração. É através(ia estrutura porosa do betão que se processa a penetração,nomeadamente através da rede contínua de poros capilaresda pasta de cimento e das fendas e microfendas existentes.

A penetração pode ocorrer através de vários mecanis-mos de transporte: permeação, sucção capilar e difusão [6].

3

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São as condições de exposição, o teor de humidade dobetão e a dimensão e continuidade da estrutura porosa quedetenninam a importância relativa de cada um dos meca-nismos de transporte.

A penetração de cloretos devida aos vários mecanis-mos de transporte obedece a diferentes leis, no entantoaplicam-se em geral as leis da difusão para quantificar apenetração devida aos múltiplos processos de transporte.Segundo a teoria da difusão de Fick, o transporte de cloretosatravés de uma área unitária, de uma secção de um elemen-to de betão, por unidade de tempo (fluxo F) é proporcionalao gradiente de concentração de cloretos medido na direc-ção perpendicular à secção, Fig. I [7]:

F ==-D aeax

onde:

D == coeficiente de difusão [m2/s]e == concentração de cloretos [kg/m3]x == distância à superfície [m]

Esta equação é designada por I~ lei de Fick.

'.rfll If, cllrttll. '.tll,tl

..-'C

Fig. I - O fluxo de cloretos F é proporcional aogradiente de concentração de cloretos C (x. I)

Quando os cloretos penetram para o interior do betão,ocorre uma variação da concentração e em todos os pontosx do betão para qualquer tempo r, isto é, tem-se um estadode difusão não estacionário.

Por forma a simplificar o problema considera-se ape-nas difusão numa direcção, ou seja, existe uma variaçãode concentração de cloretos apenas segundo o eixo x,Fig. 2 [7].

Considere-se um volume de betão semi-infinito e um

elemento paralelo à direcção da difusão de secção unitária,dA ==1. Nesta situação, o volume entre duas secções dis-tanciadas de dx é dv = dx. Por unidade de tempo, dr = I,a quantidade de cloretos que penetra no volume dv é, pordefinição, o fluxo F. Do mesmo modo, a quantidade decloretos que sai para o exterior do volume dv é o fluxo nasecçãounitária de abcissax + dx. A variaçãodo fluxoaolongo do eixo x é aF / ax.

4

--

'.rtll d. CIDrlhl 111It

(1)

hrtll dI dDr,tDI 1M t..t

..

Fig. 2 - O aumento da concentração de cloretos no volumedi' = dx é igual à variação de fluxo entre a secção

de abcissa x e a secção de abcissa x + dx

Assim, durante o intervalo de tempo dr = I, o aumentoda concentração de cloretos no volume dv é:

ae dx = F _ (F + aF dX)

= _ aF dxar ax ax (2)

Aplicando a U lei de Fick, obtém-se:

ae = ~ (D ae)at ax ax (3)

Esta equação é designada por 2.~ lei de Fick.Se o coeficiente de difusão D for constante ao longo da

profundidade, tem-se:

aear (4)

Especificando as condições de fronteira:

e (x) = o para r = O; O < x < 00e (x) = es para x = O; O < r < 00

e considerando que o coeficiente de difusão é constante,obtém-se a seguinte solução para a equação (4):

e (x, 1) = eS[1 - erfC~)] (5)

em que:

e (x, r) - representa o perfil de cloretos, isto é, a con-centração de cloretos a uma distância x dasuperfície do betão após o tempo r a partirdo início da exposição

es - represeÍna a concentração de cloretos à su-perfície do betão

erf - é a função de erro defmida pela seguinteexpressão:

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Os valores da função de erro podem ser encontradosem compêndios de matemática [8].

Sob o ponto de vista teórico esta equação apresentalimitações que põem em causa a sua validade, confonnetem sido referido por vários autores [7,9, 10]. No entanto,verifica-se que, na prática, ela traduz com razoável aproxi-mação o mecanismo da penetração, isto é, para cada inter-valo de tempo de exposição o perfil de concentração decloretos no betão é simulado aproximadamente pela equa-ção (5). Este facto tem conduzido a que grande parte dosautores que estudam este fenómeno utilize a 2.~lei de Fickpara analisar a penetração de cloretos desde a zona atmos-férica até à zona submersa do ambiente marítimo.

Esta metodologia envolve a obtenção de perfis decloretos nas estruturas e a detenninação dos coeficientes dedifusão (D) e do teor de cloretos à superfície (Cs) utilizan-do a equação (5). Conhecendo D e Cs é possível estimara penetração de cloretos a longo prazo.

Nos últimos anos têm surgido evidências de que quero coeficiente de difusão quer o teor de cloretos à superfícienão são constantes ao longo do tempo [11-15]. Este factoimplica que a aplicação da equação (5) na previsão dapenetração a longo prazo conduza a erros elevados,inviabilizando a sua utilização. Deste modo, é essencial oestudo da variação dos parâmetros atrás referidos em con-dições reais de exposição por fonna a pennitir a calibraçãoda equação (5).

3 - PROGRAMA EXPERIMENTAL

3.1 - Materiais, composições e propriedades

Foram utilizadas três composições, sendo duas de be-tão moldado e uma de betão projectado. No fabrico dosbetões foi utilizado cimento do tipo I (cimento Portlandnonnal). Nos betões moldados BI e B2 foram utilizadasduas britas calcárias com dimensão máxima de inertes de19,1 mm (brita I) e 9,5 mm (brita 11)e areia siliciosa. Nacomposição do betão B2 foi utilizado um superplastificante.No betão projectado B3 foi utilizada apenas uma britacalcária fina (brita III) com máxima dimensão de inerte de4,76 mm. Neste betão foi adicionada microssílica.

No Quadro 1 indicam-se a composição e as proprieda-des dos betões utilizados. A composição do betão B3 érelativa ao betão depois de colocado, isto é, após as perdaspor ricochete.

Foram fabricados 54 painéis de betão com 1 x 0,5 xx 0,12 m. Após o fabrico, os painéis foram sujeitos a umacura húmida durante 7 dias. Todas as faces dos provetes,com excepção da face superior, foram protegidas com umapintura epoxídica por fonna a que a penetração de cloretosse processasse apenas por aquela face. Com duas semanasde idade os provetes foram submetidos às diversas condi-ções de exposição do ambiente marítimo.

3.2 - Condições de exposição

O local seleccionado para expor os provetes foi o com-plexo do estaleiro naval da Setenave, localizado no estuá-

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-

QUADRO I

Composições e propriedades dos betões

* valor médio

** ensaio de abaixamento

**.. massa da amostra seca sobre o volume aparente

rio do rio Sado, perto de Setúbal.O ambiente existente neste local é o ambiente maríti-

mo, característico de um clima temperado. As principaiscaracterísticas climáticas, medidas no período 1974-1990,são as seguintes:

A medição da velocidade de deposição de cloretos,efectuada num período de um ano de acordo com a nonnaISO DP 9225 [16], forneceu os resultados indicados naFig.3.

300

2SO

oã2001iÕb~ 150s~ 100Ü

50

O

Tempo [meses]

Fig. 3 - Teor de c1oretos na atmosfera

5

8etão 81 82 83

Cimento tipo I, kg/m3 300 425 500

Areia, kg/m3 822 677

Brita I, kg/m3 500 481

Brita lI, kg/m3 631 750

Brita m, kg/m3 1704

Microssílica, kg/m3 21,5

Superplastificante, kg/m3 10,2

Razão NC 0,5 0,3 0,35*

Trabalhabilidade ..... mm 70 170

Densidade***, kg/dm3 2,33 2,41 2,32

Resistência aos 28 dias. MPa 34 54 66

Temperatura do arMédia anual +16.8°CMédia diária +Il,l °C (Jan) +22,2 °C (Julho)

Humidade relativaMédia anual 78% (9 h) 64% (15 h)Média diária Jan. 89% (9 h) 73% (15 h)

Julho 68% (9 h) 54% (15 h)

PrecipitaçãoMédia anual 538.6 mmMédia mensal 72,4 mm (Jan) 5,4 mm (Julho)

EvaporaçãoMédia anual ]505.4 mmMédia mensal 66.6 mm (Jan) . 203.2 mm (Julho)

VentoMédia anual Rumo N S SW W NW

Freq. (%) 30 15,1 15,6 11,1 10,4

A água do estuário apresenta, ao longo do ano, umacomposição química variável que é influenciada pelo cau-dal do rio Sado. A avaliação dos principais elementos agres-sivos da água, efectuada ao longo de um ano, forneceu osseguintes resultados:

Cloretos, CI' [g/l]Sulfatos, SO4" [mg/l]Magnésio, Mg++ [mg/l]pH

16 - 212100 - 29001100 - 16007,8 - 8

Foram seleccionados cinco locais no estaleiro, comdiferentes condições ambientais, para expor os provetes debetão:

A - Zona sujeita aos borrifos provocados pelarebentação das ondas quando a agitação marítimaé elevada. Este tipo de ambiente pode ser consi-derado de transição entre a zona atmosférica e azona de rebentação do ambiente marítimo. Nestelocal, foram expostos provetes dos três betões es-tudados.

B - Zona sujeita à acção da maré. Nesta zona, foramexpostos os provetes do betão B1.

C ...:.Zona atmosférica. Este local está sujeito à acçãodos cloretos contidos na atmosfera que são arras-tados do mar pela acção do vento. Nesta zona,foram expostos provetes dos três betõesestudados.

D - Zona localizada no interior da doca 20. Este localestá sujeito aos ciclos de enchimento da doca coma água do estuário. Após o início da exposição osprovetes foram submetidos a 22 ciclos de enchi-mento durante 4 anos. Nesta zona, foram expos-tos provetes dos três betões.

E - Zona localizada no interior da doca 21. Este localestá sujeito a ciclos de enchimento mais frequen-tes que os verificados na doca 20. Após o inícioda exposição ocorreram cerca de 120 ciclos deenchimento durante 5 anos. Nesta zona o betãoexposto é o B3.

Refira-se que o ambiente de exposição do estaleiro temum nível de agressividade muito elevado, verificando-seque as infra-estruturas de betão armado apresentam umadeterioração profunda por corrosão de armaduras devida àacção dos cloretos. Algumas construções, nomeadamenteas docas, começaram a apresentar indícios de deterioraçãocom apenas quatro anos de idade.

3.3 - Ensaios

A avaliação da evolução da penetração de cloretos foiefectuada pela determinação do teor de cloretos em amos-tras, recolhidas a vários níveis de profundidade, em inter-valos de tempo sucessivos. Para cada intervalo de tempo deexposição, foram obtidas amostras com incrementos de5 mm em profundidade, em dois furos adjacentes, utilizan-do-se uma broca de 20 mm de diâmetro. Após a recolha,as amostras foram analisadas para determinação do teortotal de cloretos, utilizando-se um eléctrodo específico decloretos. Os resultados foram expressos em percentagemde cloretos relativamente à massa de betão.

6

4 - ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

Ao longo do programa experimental foram determina-das várias centenas de perfis de cloretos nos provetes debetão. Os resultados obtidos encontram-se referidosdetalhadamente noutro documento [17].

4.1 - Perfis de cloretos

A análise comparativa dos perfis de cloretos permiteobter informação sobre a evolução da penetração ao longodo tempo e sobre a influência da qualidade do betão e dascondições de exposição na velocidade de penetração. NasFigs. 4 a 6 apresenta-se o comportamento típico dos perfisde cloretos medidos nos provetes.

Para todos os tipos de betões e condições de exposiçãoanalisadas, observou-se uma nítida evolução da penetraçãode cloretos ao longo do tempo, semelhante à verificada nosprovetes de betão B1 expostos no interior da doca 20(Fig. 4), embora com ritmos muito diferentes. A evoluçãoda penetração foi maior para os provetes de betão Bl, ex-postos na zona de maré, enquanto nos provetes de betãoB3, expostos na zona atmosférica, se observou o menorritmo de penetração. Isto significa que quer a qualidade dobetão, quer as condições de exposição influenciam signifi-cativamente a penetração de cloretos.

A influência da qualidade do betão está ilustrada naFig. 5, onde estão representados os perfis de cloretos nosprovetes expostos no interior da doca 20. Verifica-se que apenetração ocorreu com maior velocidade no betão B1.Nos provetes dos betões B2 e B3, a quantidade de cloretosque penetraram foi significativamente mais reduzida. Estecomportamento está associado à melhor qualidade destesbetões, traduzida por uma razão A/C mais baixa, que con-duziu a uma estrutura porosa mais fechada. O betão B3apresentou em todas as condições de exposição um desem-penho ligeiramente superior ao do betão B2. Este compor-tamento deverá estar associado à acção da microssílica,utilizada na composição do betão B3, que terá conduzidoa um refinamento da estrutura porosa, conforme tem sidoreferido por diversos autores [18-20].

0.000O 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Profundidade [mm]

Fig.4 - 'Evoluçãoda penetraçãode cloretosno betãoBIexposto no interior da doca 20

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0.250

0.225

0.200

I 0.175

" 0.150""

i 0.125

0.100'"B

0.075oÜ

0.050

0.025

/ -+-6meses

\ ___12 meses___ 24 meses

/........ \ __36meses

/ '\ \ -+- 48 meses

"""1

\\ \ \ '"

........

I'.. \

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'-...ii""--<

Fig. 5 - Perfis de cIoretos nos betões BI, B2 e B3expostos no interior da doca 20, após 36 meses

;g~.go8. 0.20~:g 0.1511oÜ 0.10

0.05

0.00O 5 lO 15 20 25 30 35 40 45 SO 55

Profundidade [mml

Fig. 6 - Perfis de cIoretos no betão B 1 sujeito às condições deexposição A, B, C e D, após 36 meses

Na Fig. 6 está ilustrada a influência das condições deexposição na penetração de cloretos no betão B1. Verifica--se que o tipo de ambiente a que o betão está sujeito temuma forte influência na velocidade de penetração. A pene-tração do teor de cloretos de 0,05% foi da ordem de 15, 30e 40 mm, respectivamente para a zona atmosférica, interiorda doca 20 e zona de rebentação e para a zona de maré,após três anos de exposição. .

Comparando a penetração de cloretos ocorrida nasvárias condições de exposição, verifica-se que a zona demaré é a que apresenta maior agressividade, seguida pelazona de rebentação e interior da doca 20. A zona atmosfé-rica tem uma agressividade significativamente inferior àdas outras condições.

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4.2 - Coeficientes de difusão

A partir dos perfis de cloretos determinaram-se oscoeficientes de difusão e o teor de cloretos à superfície nosprovetes, para sucessivos intervalos de tempo de exposi-ção, utilizando a equação (5). No Quadro 2 apresentam-seos valores médios destes parâmetros, obtidos para cada tipode betão e condição de exposição.

Nesta análise desprezam-se os valores da concentraçãode cloretos na zona superficial que se afastam da curvateórica. Este comportamento é originado pelos ciclos demolhagem e secagem da superfície do betão e pelacarbonatação da camada de betão superficial, que conduz àlibertação dos cloretos fixados quimicamente pela pasta decimento. Estes fenómenos originam picos de concentraçãoque tendem a avançar em profundidade com o tempo(Fig. 4).

Analisando os resultados obtidos verifica-se que oscoeficientes de difusão apresentam valores compreendidosentre 0,39xlO,12 e 4,12xlO-12 m2/s para o betão B3,0,47xlO-12e 2,34xlO-12 m2/s para o betão B2 e 0,68xlO'12e 9,45 xlO-12m2/s para o betão B1. Isto significa que, noperíodo de tempo analisado, os coeficientes de difusãoapresentam uma elevada variabilidade. Este comportamen-to é explicado pela influência de três factores principais:qualidade do betão, condições de exposição e tempo deexposição.

Na Fig. 7 estão indicados os coeficientes de difusãomédios nos ambientes onde estão expostos os três betões.Verifica-se que o betão B3 é o que apresenta menorescoeficientes, o betão B2 apresenta valores ligeiramentesuperiores, enquanto o betão B1 tem valores significativa-mente superiores. As diferenças entre os coeficientes dedifusão são mais acentuadas nas condições de exposiçãomais agressivas. Analisando, por exemplo, os coeficientesapós 36 meses de exposição, verifica-se que na zona at-mosférica o betão BI apresentava um valor de 0,76xXlO-12m2/s enquanto o betão B3 apresentava um valor de0,43xlo-12 m2/s, isto é, 1,8 vezes menor. No interior dadoca 20 os coeficientes de difusão são 1,82xlO-12 e0,57xlO-12 m2/s, respectivamente para os betões Bl e B3,a que corresponde uma relação de 3,2. Isto significa quea diferença entre o desempenho dos betões é tanto maisacentuada quanto mais agres~ivas forem as condições deexposição.

Na Fig. 8 é apresentada a variação no tempo dos coefi-cientes de difusão em função das condições de exposição.Observa-se, para cada tipo de betão, uma influência acen-tuada das características do ambiente nos coeficientesmedidos, o que significa que este parâmetro não é apenasuma característica do material.

Dos betões estudados, o que apresenta maior sensibi-lidade é o betão B1. Por exemplo, aos 36 meses de expo-sição os provetes na zona de maré (B) apresentavam umcoeficiente de difusão de 2,82xlO-12 m2/s, enquanto osprovetes expostos na zona atmosférica (C) apresentavamum valor de 0,76xl0-12 m2/s, isto é, 3,7 vezes menor.Comparando os coeficientes obtidos à mesma idade nosprovetes expostos na zona de rebentação (A) e na zonaatmosférica, esta relação baixa para 2,5. Efectuando amesma análise para os betões B2 e B3, obtêm-se relaçõesde, respectivamente, 1,9 e 2. Verifica-se, assim, que a dife-rença de comportamento entre os provetes do mesmo tipode betão, nas várias condições de exposição, é atenuada àmedida que aumenta a qualidade do betão.

7

0.225

0.200

0.175 -+-BI

i __B2

.8 O.ISO -.- B3

.g 0.125o..8.

0.100

S 0.075eoÜ 0.050

0.025

0.000o 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Profundidade [mml

0.40I , .

0.35 i i i -+-A__B

0.30i 'I __D

0.25 ' , !

QUADRO 2

Valores médios dos coeficientes de difusão e dos teores de doretos à superfície

8 Revista Portuguesa de Engenharia de Estruturas (RPEE) N.' 46

Tipo de Betão BI B2 B3

Condiçãode Idade Dméd Cs mid Dméd Cs n/h! Dmid Csmh/

exposição (meses) (x 10.12m2/s) (% p. do betão) (x 10-12 m2/s) (% p. do betão) (x 10.12 m2/s) (% p. do betão)

6 4.83 0.17 2.34 0.15 2.08 0.15

9 3.65 0.21 1.70 0.17 1.52 0.22

12 2.75 0.26 1.48 0.19 1.24 0.19

A 15 2.63 0.25 1.45 0.23 1.33 0.21

18 2.66 0.30 1.42 0.23 1.01 0.30

24 2.30 0.32 1.20 0.27 1.15 0.29

30 1.92 0.35 1.02 0.35 0.92 0.37

36 1.87 0.42 1.05 0.36 0.88 0.34

6 9.45 0.299 5.36 0.3712 4.98 0.36

B 15 4.17 0.4318 4.57 0.45 - - - -

24 3.80 0.4630 2.92 0.5536 2.82 0.59

12 1.23 0.1115 1.03 0.1218 1.06 0.18 0.65 0.12

C 24 0.97 0.17 0.64 0.12 0.50 0.15

30 0.75 0.18 0.53 0.16 0.48 0.16

36 0.76 0.23 0.55 0.21 0.43 0.18

42 0.74 0.21 0.48 0.19 0.40 0.21

48 0.68 0.25 0.47 0.22 0.39 0.22

6 4.44 0.17 0.149 3.32 0.18 0.1412 2.82 0.19 1.41 0.2015 2.89 0.26 1.12 0.22 0.87 0.13

D 18 2.24 0.25 1.06 0.20 0.74 0.17

24 2.43 0.28 0.94 0.28 0.70 0.1930 2.15 0.35 0.99 0.30 0.59 0.19

36 1.82 0.35 0.79 0.27 0.57 0.25

42 1.68 0.42 0.76 0.58 0.2548 1.70 0.40 0.78 0.55 0.28

10 4.12 0.29

18 2.20 0.39

21 2.00 0.35

24 1.91 0.41

27 - - - - 1.95 0.37

E 30 1.84 0.40

36 1.69 0.47

42 1.46 0.48

48 1.32 0.47

54 1.36 0.52

60 1.29 0.54

'" 0.20U

0.60Betão B3

0.50

0.30

0.10

0.00O lO 20 30 40 50 60 70

Tempo [meses]

Fig. 7 - Variação no tempo do coeficientede difusão em função do tipo de betão

Fig. 8 - Variação no tempo do coeficientede difusão em função das condições de exposição

Revista Portuguesa de Engenharia de Estruturas (RPEE) N.' 46 9

Condição de exposição: A 0.70Betão B 1

5.0

4.51- \:__BI1 I 0.60

4.0+ \ i--B2

3.5I--.-B31 0.50

oog4>

"'.!!!.3.0,&,

e .g 0.40

o 2.5.

o'"- 8. 0.302.0

o '"1.5

U 0.20

1.0 -- 0.100.5

I 0.00.00

I o lO 20 30 40 50 O 10 20 30 40 50 60

.[Tempo [meses] Tempo [meses]

1.41

Condição de exposição: C 0.40Betão B2

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5.0 Condição de exposição: D

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Tempo [meses]

A influência que as condições de exposição têm noscoeficientes de difusão é motivada pela interacção entre oambiente e o betão, fundamentalmente no que se refere ao

teor de humidade. Verifica-seque é nas condiçõ.esde expo-sição que apresentam uma humidade mais elevada que obetão tem maior coeficientede difusão. Dado que os cloretosapenas penetram nos poros que contêm água, quanto maiorfor o teor de humidade, maior é a quantidade de porosonde ocorre o mecanismo da difusão, o que faz aumentaro fluxo de cloretos e, consequentemente, o coeficientede difusão. Outros autores [21, 22] verificaram este tipode comportamento em estruturas expostas ao ambientemarítimo.

Nas ~igs. 7 e 8 observa-se uma nítida evolução doscoeficientes de difusão ao longo do tempo de exposição.Esta evolução, traduzida por uma redução, é mais acen-tuada nas condições de exposição que conduzem a maiorescoeficientes de difusão, isto é, nos ambientes mais agres-sivos. Para o betão 81, verificou-se uma redução, entre os6 e os 36 meses de exposição, de 3,4 vezes na zona demaré; 2,6 vezes na zona de rebentação e 1,6 vezes na zonaatmosférica. Os betões 82 e 83 apresentam um comporta-mento semelhante.

Este comportamento é devido ao efeito de três tipos defactores:

- a hidratação do cimento, que origina uma redução daporos idade do betão e, consequentemente, uma redu-ção do coeficiente de difusão. Este efeito tem maiorsignificado nas primeiras idades.

- a fonnação de uma camada de aragonite e brucite àsuperfície do betão, que atenua a penetração doscloretos. Este efeito é especialmente relevante na zonasubmersa e na zona de maré, onde o betão está emcontacto com a água do mar. Na Fig. 9 está ilustradaa fonnação desta camada no betão 81 exposto nazona de maré. A fonnação da camada protectora, eo seu efeito na redução da permeabilidade do betão,tem sido referido por outros autores [23-25].

- a reacção dos produtos hidratados da pasta de ci-mento com os iões da água do mar. Os cloretos re-agem com os aluminatos originando cloroaluminatos,os iões de magnésio e sulfato reagem com produtosda pasta de cimento originando brucite e etringite.Estas reacções conduzem a uma redução e a umrefinamento da estrutura porosa do betão. Outrosautores têm referido este tipo de comportamento[26-28].

A evolução do coeficiente de difusão no tempo foitambém verificada por outros investigadores. Mangat eGurusamy [12] verificaram que, em provetes expostos nazona de maré, o coeficiente de difusão foi reduzido de7,56 XlO-12para'2,3xlO-12 m2/s,entre os 90 e os 1035 diasde exposição. Salta [29] obteve o mesmo comportamentoem provetes expostos na zona de maré, verificando umaredução do coeficiente de difusão de 4,3xI0-12 para2,4xlO-12 m2/s, entre 2 e 3 anos de exposição. Resultadossemelhantes foram obtidos por outros autores para outrascondições de exposição [14, 21, 30, 31].

10

Fig. 9 - Camada superficial de aragonite observadano microscópio electrónico de varrimento

4.3- Teor de cloretos à superfície

Na Fig. 10 estão indicados os valores médios de Csobtidos nos diversos provetes, nos ambientes onde estãoexpostos os três betões. Os resultados indicam que o tipode betão não tem influência significativa nos teores decloretos à superfície. Apenas no interior da doca 20 severifica que o betão 81 apresenta valores de Cs superioresaos dos betões 82 e 83. Esta diferença de comportamentopoderá estar relacionada com o facto de os betões no inte-rior da doca estarem sujeitos à acção da água sob pressão.

A Fig. 11 mostra que a influência das condições deexposição no Cs é nítida para todos os tipos de betão.Analisando o comportamento do betão 81, verifica-se queé na zona de maré, onde o betão está durante grande partedo tempo em contacto com a água do mar, que se obtêmos valores de Cs mais elevados. Na zona de rebentação eno interior da doca 20, os valores de Cs são idênticos,enquanto na zona atmosférica se obtiveram os valores maisbaixos. Estes resultados mostram, como seria de esperar,que o teor de cloretos à superfície do betão é tanto maiselevado quanto maior for a contaminação de cloretos doambiente de exposição.

Os resultados indicam também que existe uma nítidaevolução dos valores de Cs com o tempo de exposição.Apesar de existir alguma controvérsia quanto à variabilida-de do teor de cloretos à superfície ao longo do tempo, osresultados experimentais indicam que este fenómeno é real.Swamy et aI. [32], num extenso trabalho onde foram ana-lisados mais de mil casos, verificaram que, em todas aszonas de exposição, existe um crescimento do teor decloretos à superfície com o tempo. A mesma conclusão éreferida por Salta [29], Jaegermann [33] e outros autores[14, 34, 35].

Na zona atmosférica este fenómeno é facilmente expli-cado, dado que existe uma deposição de cloretos à super-fície que vai ocorrendo ao longo do tempo. Este efeitoprovoca uma acumulação de cloretos nas camadassuperficiais do betão que conduz a um aumento progressi-vo de Cs.

Nas zonas de maré e rebentação as camadas superfici-ais do betão estão sujeitas a ciclos de molhagem e secagempela água do mar. Este processo conduz a um aumento doteor de cloretos nessa zona e à formação de picos de con-centração no interior do betão que tendem a avançar emprofundidade ao longo do tempo. Por outro lado, a deter-minação de Cs através da equação (5), desprezando osvalores do teor de cloretos nas camadas superficiais, con-duz por esse efeito a valores de Cs que vão aumentando àmedida que os picos avançam para o interior.

Revista Portuguesa de Engenharia de Estruturas (RPEE) N." 46

Betão B3

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10 20 30 40 50 60 70

Tempo [meses]

Fig. 10 - Variação do teor de cloretos à superfíciecom o tipo de betão

. Fig. 11 - Variação do teor de cloretos à superfície

com as condições de exposição

Revista Portuguesa de Engenharia de Estruturas (RPEE) N." 46

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Condição de exposição: C 2.50 Betão B2

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Tempo [meses]

Na zona submersa não ocorrem os fenómenos atrásreferidos, sendo de esperar que, após um curto períodoinicial, em que é estabelecido o equilíbrio entre os cloretosexistentes na água do mar e na camada superficial do be-tão, os valores de Cs se mantenham constantes no tempo.Este comportamento foi observado em provetes executadoscom os betões BI e B2 expostos durante um ano numtanque com água do mar [17].

5 - CONCLUSÕES

A penetração de cloretos no ambiente marítimo é for-temente influencia~a quer pela qualidade do betão querpelas condições de exposição. As maiores velocidades depenetração foram verificadas na zona de maré. Na zona derebentação observaram-se menores ritmos de penetração,enquanto na zona atmosférica a velocidade de penetraçãofoi significativamente inferior à verificada nas outras con-dições de exposição. Este facto mostra que a agressividadedo ambiente marítimo varia consideravelmente com oambiente de exposição (micro-ambiente) e que os requisi-tos de durabilidade, a adoptar para os betões, devem tam-bém ser diferenciados.

Os coeficientes de difusão apresentam uma variaçãoelevada no período de tempo analisado. Verificou-se queessa variação é influenciada por três factores: qualidade dobetão, condições de exposição e tempo de exposição. Ainfluência do primeiro factor está relacionada com a estru-tura porosa do betão que é determinada fundamentalmentepela razão A/C. As condições de exposição determinam ograu de saturação dos poros do betão e deste modo têm umefeito significativo na difusão dos cloretos. A influência dotempo de exposição é traduzida numa significativa reduçãodo coeficiente de difusão. Esta redução está associada àhidratação das partículas de cimento ao longo do tempo eà própria penetração de cloretos que originam uma dimi-nuição da estrutura porosa do betão.

Os teores de cloretos à superfície não dependem signi-ficativamente da qualidade do betão. Pelo contrário, ascondições de exposição têm uma forte influência nesteparâmetro, cujos valores diminuem significativamente dazona de maré até à zona atmosférica. Os teores de cloretosà superfície apresentam um crescimento significativo aolongo do tempo de exposição.

Embora se verifique que a 2.@lei de Fick da difusãotraduz com uma boa aproximação os perfis de cloretos nobetão, para cada intervalo de tempo de exposição, não épossível utilizá-la na previsão da penetração a longo prazo,considerando coeficientes de difusão e teores de cloretos àsuperfície constantes no tempo. Para evitar cometer erroselevados na avaliação da penetração é essencial considerara variação no tempo dos parâmetros atrás referidos.

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