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Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Durabilidade de Estruturas de Betão
António Costa
REABILITAÇÃO E REFORÇO
DE ESTRUTURAS
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Sumário
– Introdução
– Sintomas da deterioração
– Causas da deterioração
deficiências projecto e execução
deformações impostas: retracção temperatura
acções agressivas para as armaduras e betão
– Mecanismos de deterioração
corrosão de armaduras
ataque químico do betão
– Durabilidade
medidas de protecção
carbonatação
cloretos
corrosão
sulfatos
álcalis
– Normas
metodologia prescritiva
metodologia de desempenho
BIBLIOGRAFIA
Costa, A. – “Mecanismos de Deterioração em Estruturas de
Betão Armado”, IST, 1999.
CEB – Bulletin 183 – Durable Concrete Structures, 1992
fib : “Structural Concrete – Textbook on Behaviour Design and
Performance” 2009, Volume 3: Design of durable concrete
structures (fib bulletin 53)
fib : “Structural Concrete – Textbook on Behaviour Design and
Performance” 2012 ,Volume 5: Through-life care and
management of concrete structures - Assessment, protection,
repair and strengthening (fib bulletin 62)
fib bulletin 59 - Condition control and assessment of reinforced
concrete structures exposed to corrosive environments
(carbonation/chlorides)., 2011.
fib bulletin 49 - Corrosion protection of reinforcing steels.
Technical report, 2009.
fib bulletin 44 - Concrete structure management: Guide to
ownership and good practice Guide to good practice, 2008.
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Deterioração: idade 7 anos
Exemplos de obras com deterioração precoce
Docas
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Substituição da plataforma: idade 40 anos
Reparação extensiva: idade 26 anos
Pontes Cais
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Reparação extensiva: idade 27 anos
Pórticos de pontes rolantes
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Substituição do tabuleiro: idade 11 anos
Viaduto
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
“Nenhum material é por si próprio durável;
é a interacção entre o material e o ambiente a que está
exposto que determina a sua durabilidade”
As estruturas de betão são duráveis ! ?
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Durabilidade
As estruturas devem ser projectadas e construídas com o objectivo
de satisfazer um conjunto de requisitos funcionais durante um certo
período de tempo sem causar custos inesperados de manutenção e
reparação.
Objectivo
Controlar a deterioração a nível reduzido no período de vida útil das
estruturas
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Necessário conhecer
comportamento dos materiais,
mecanismos de deterioração,
medidas de protecção,
técnicas de reabilitação
Actuar a 4 níveis
Projecto
Execução
Exploração
Manutenção
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Dono de Obra Especificar o uso, o período de vida útil e os requisitos para o projecto e obra
Controlo de qualidade
Inspecção e ensaios durante e após a execução da obra
Projectista Identificar as condições de exposição ambientais
Conceber a estrutura (sistema estrutural, geometria dos elementos)
Especificar os materiais e recobrimentos
Definir os critérios de projecto (controlo da fendilhação, ...)
Definir eventuais medidas de protecção adicional
Manual de manutenção
Empreiteiro Executar a estrutura de acordo com os requisitos especificados no projecto
Controlar a composição do betão (razão A/C, tipo de cimento, agregados, ...)
Controlar a betonagem e cura do betão
Controlar os recobrimentos
Utilizador
Inspecção/avaliação do comportamento
Manutenção
Evitar alterações na utilização da estrutura que agravem a agressividade das condições de exposição
Enquadramento geral dos intervenientes no processo de
Garantia da Durabilidade
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
PRINCIPAIS CAUSAS DA DETERIORAÇÃO
ERROS / DEFICIÊNCIAS
Projecto
Execução
Exploração
Manutenção
DEFORMAÇÕES IMPOSTAS
Retracção
Temperatura
ACÇÕES AGRESSIVAS
Físicas
Químicas
Biológicas
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Deficiências de Projecto
o Deficiente avaliação da agressividade das condições de exposição
o Especificação inadequada dos materiais (betão)
o Especificação deficiente dos recobrimentos das armaduras
o Deficiente avaliação das deformações impostas – retracção e temperatura
o Deficiente controlo da fendilhação
o Deficiente controlo da deformação
o Deficiente pormenorização de armaduras
o Concepção estrutural inadequada – forma ; drenagem ; juntas …
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Deficiente drenagem e impermeabilização
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Deficiente pormenorização de armaduras
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Deficiente controlo da fendilhação
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Formas estruturais sensíveis à deterioração
Grande área de superfície exposta
elevada sensibilidade
à deterioração
Estrutura com maior robustez
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Formas estruturais sensíveis à deterioração
Grande área de superfície exposta
Edifício sensível à deterioração
Edifício com reduzida área de betão exposto
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Efeito de canto
Deterioração concentrada nos cantos salientes
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Colapso súbito da estrutura
Elementos esbeltos em ambientes muito agressivos
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Deficiências de execução
o Selecção inadequada dos materiais composição do betão
o Cofragens deficientes
o Posicionamento das armaduras
o Recobrimentos – espaçadores
o Colocação e compactação do betão
o Cura do betão
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Utilização de agregados reactivos
Reacções expansivas
fendilhação do betão
deterioração
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Cofragens deficientes
Saída de finos acumulação de agregados Deterioração por corrosão
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Deficiente posicionamento das armaduras
Armaduras sem recobrimento
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Deficiente posicionamento das armaduras
Deficiente posicionamento da armadura
dificuldades de betonagem
vazios
corrosão
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Colocação e compactação do betão
Segregação do betão
Concentração da deterioração nas zonas segregadas
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Colocação e compactação do betão
Assentamento do betão
Malha de armaduras marcada na superfície
Vazios sob o varão
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Cura do betão
Falta de humedecimento da superfície
Retracção plástica
Fendilhação do betão
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
ANOMALIAS DEVIDAS A DEFORMAÇÕES IMPOSTAS
Fendilhação Deterioração precoce das estruturas
Retracção
o Retracção plástica
o Retracção de secagem
o Retracção térmica
Temperatura
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Retracção plástica
Evaporação
Secagem do betão
Contracção Causa tensões
Mecanismo:
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Retracção plástica
Influência dos principais factores:
Prevenção:
– Proteger do vento e do sol
– Molhar a superfície após a colocação do betão
– Iniciar a cura o mais cedo possível
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Retracção de secagem
Elementos mais afectados: muros; paredes; lajes
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Retracção de secagem
Pavimentos
Deterioração progressiva após a fendilhação
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Prevenção:
– Composição do betão
Baixa razão A/C
Maior quantidade de agregados (menos cimento)
– Reduzir as restrições às deformações na base e nas extremidades
– Armadura para controlo da abertura e fendas
– Juntas convenientemente espaçadas
Retracção de secagem
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Retracção térmica
Elementos de grandes dimensões:
Aumento significativo de temperatura associado
ao desenvolvimento do calor de hidratação
Mecanismo:
contracção
Temp
fenda
Prevenção:
– Composição do betão
Maior teor em adições
Maior quantidade de agregados (menos cimento)
– Protecção da superfície do betão
– Arrefecimento do betão
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Temperatura
Deformações associadas a variações de temperatura
Base rígida impede a deformação
Prevenção:
– Reduzir as restrições às deformações
impostas
– Armadura para controlo da abertura de fendas
Aquecimento não uniforme
deformações não uniformes
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ACÇÕES AGRESSIVAS
TEMPERATURA
GELO / DEGELO
FÍSICAS FOGO
CRISTALIZAÇÃO DE SAIS
ACÇÕES DIRECTAS (desgaste)
CO2 - corrosão das armaduras
CLORETOS - corrosão das armaduras
O2 – corrosão das armaduras
QUÍMICAS ÁCIDOS – dissolução do cimento
SULFATOS – reacções expansivas com o cimento
ÁLCALIS - reacções expansivas com os agregados
ÁGUAS PURAS – dissolução do cimento
SAIS (Mg, NH4,...) - dissolução do cimento
BACTÉRIAS (produção de ácidos, p.e. em esgotos)
BIOLÓGICAS
ALGAS, FUNGOS, ...
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TIPOS DE DETERIORAÇÃO
CORROSÃO DAS
ARMADURAS
Carbonatação
Cloretos
ATAQUE QUÍMICO
DO BETÃO
OUTROS
Ataque dos sulfatos
Reacções álcalis – agregados
Ataque dos ácidos, águas puras e sais de amónio e magnésio
Acção da água do mar
Ciclos de gelo – degelo
Acção do fogo
Desgaste por erosão, abrasão e cavitação
Cristalização de sais
Ataque biológico
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CORROSÃO DAS ARMADURAS
No betão não contaminado as armaduras encontram-se protegidas contra a corrosão devido à elevada
alcalinidade do meio.
Hidróxido de cálcio pH 12.5 a 13.5
Hidróxidos de sódio e potássio
Nestas condições forma-se à superfície da armadura uma barreira de protecção (película passiva) que impede a
sua corrosão
pH 12,5
A corrosão não é possível
Armadura Película passiva
( Fe2O3)
PROTECÇÃO DAS ARMADURAS NO BETÃO
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DESPASSIVAÇÃO DAS ARMADURAS
Quando o pH desce para valores inferiores a 10 - 11, ou o teor de cloretos ultrapassa o valor
crítico, ocorre a destruição da película passiva.
A despassivação das armaduras origina o início do mecanismo da corrosão
Dissolução da película passiva
Carbonatação pH 9
Cloretos Cl- valor crítico
A corrosão é possível
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MECANISMO DA CORROSÃO
O mecanismo da corrosão é um processo electroquímico, i. e. envolve reacções químicas e
correntes eléctricas
Para que a corrosão se possa desenvolver é necessário a presença dos seguintes
elementos:
Ânodo zona da armadura despassivada
Cátodo zona da armadura com acesso ao oxigénio
Condutor eléctrico armadura
Electrólito betão
CÁTODO ÂNODO
ELECTRÓLITO
CONDUCTOR ELÉCTRICO
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MECANISMO DA CORROSÃO
MODELO DE UMA CÉLULA DE CORROSÃO
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MECANISMO DA CORROSÃO
Na zona anódica ocorrem reacções secundárias que originam produtos de corrosão com elevado aumento de volume
Fe + 3H2O Fe (OH)3 + 3 H+ + 3 e-
3 Fe + 4H2O Fe3O4 + 8 H+ + 8 e-
Fe + 2H2O FeO (OH-) + 3 H+ + 3 e-
Fe O(OH-) + O2 Fe3O4 ou Fe (OH)2
Reacções anódicas secundárias
Volume relativo dos produtos de corrosão
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MECANISMO DA CORROSÃO
A expansão dos produtos da corrosão causam a FENDILHAÇÃO e DELAMINAÇÃO do betão de recobrimento
Aspecto da superfície do betão afectada pela corrosão das armaduras
FENDILHAÇÃO DELAMINAÇÃO
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MECANISMO DA CORROSÃO
Evolução da deterioração
Zonas com defeitos Zonas das arestas salientes
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MECANISMO DA CORROSÃO
Evolução da deterioração
Deterioração progressiva a partir das zonas com menor recobrimento
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MECANISMO DA CORROSÃO
Evolução da deterioração
Perda de aderência
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MECANISMO DA CORROSÃO
No caso de o betão estar saturado podem não ocorrer reacções expansivas significativas e o
betão não fendilha
CORROSÃO NEGRA
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MECANISMO DA CORROSÃO
Para que o mecanismo da corrosão se desenvolva é necessário ocorrerem simultaneamente
um conjunto de condições para o processo anódico, catódico e electrolítico:
A protecção das armaduras deve estar destruída Na zona catódica deve existir disponibilidade de oxigénio As zonas catódicas devem estar ligadas electricamente e electrolicamente
Se alguma destas condições não ocorrer o mecanismo da corrosão não se desenvolve
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MECANISMO DA CORROSÃO
Situações em que não ocorre corrosão significativa :
A armadura não está despassivada não se forma o ânodo
Em elementos submersos existe reduzida disponibilidade de oxigénio reacção
catódica restringida
Em elementos situados em ambientes secos o betão tem uma condutividade baixa
electrólito com elevada resistividade
Em resumo, as armaduras no betão podem encontrar-se nos seguintes estados:
PASSIVO Betão não contaminado por substâncias agressivas
CORROSÃO Devido à acção da carbonatação ou dos cloretos
ACTIVAS mas catodicamente protegidas Betão saturado
Betão seco
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MECANISMO DA CORROSÃO
CORROSÃO POR ACÇÃO DA CARBONATAÇÃO
Formação de micro-células de corrosão
Os ânodos e os cátodos são normalmente muito pequenos e localizam-se
muito perto uns dos outros, originando a corrosão geral das armaduras
A velocidade de corrosão é geralmente baixa
A velocidade de corrosão é controlada pela resistividade do betão
O acesso de oxigénio às armaduras não constitui um parâmetro limitador da
corrosão no caso da carbonatação
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MECANISMO DA CORROSÃO
Processo de degradação lento
-dezenas de anos-
CORROSÃO POR ACÇÃO DA CARBONATAÇÃO
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MECANISMO DA CORROSÃO
CORROSÃO POR ACÇÃO DOS CLORETOS
Formação de macro-células de corrosão
As zonas anódicas são geralmente pequenas e as zonas catódicas são grandes, podendo estar
localizadas em zonas próximas ou afastadas dos ânodos
O tipo de corrosão originado nesta situação é a corrosão localizada das armaduras
A velocidade de corrosão é geralmente elevada
A velocidade de corrosão é controlada pelo acesso de oxigénio às armaduras (ambientes muito
húmidos) e pela resistividade do betão (ambientes secos)
Os cloretos aumentam a condutividade do betão
Os cloretos actuam como catalisador das reacções nas zonas anódicas :
2 Fe + 6 Cl- 2 Fe Cl3- + 4 e-
Seguida por:
Fe Cl3- + 2 OH- Fe (OH)2 + 3 Cl-
Como as áreas catódicas são muito superiores às áreas anódicas desenvolvem-se no ânodo
densidades de corrente muito elevadas, uma vez que as correntes anódicas e catódicas têm de ser
iguais. Isto origina uma dissolução muito acentuada do aço
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MECANISMO DA CORROSÃO
CORROSÃO POR ACÇÃO DOS CLORETOS
Processo de degradação rápido
-alguns anos-
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MECANISMO DA CORROSÃO
CORROSÃO POR ACÇÃO DOS CLORETOS
CORROSÃO LOCALIZADA
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EFEITOS DA CORROSÃO NO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL
Redução da aderência aço-betão
Redução da resistência do elemento estrutural
Aço Redução da secção
Redução da ductilidade
Aumento de volume Betão
Fendilhação
Delaminação
Redução da secção
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EFEITOS DA CORROSÃO EM VIGAS
Redução da resistência à flexão
Redução da resistência ao esforço transverso
redução de bw
Vrd
redução de Asw
redução de As
Mrd
redução de Ac
Mrd
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EFEITOS DA CORROSÃO EM VIGAS
Aumento da abertura de fendas e da deformação
A abertura de fendas aumenta por:
- aumento de σs devido à redução da secção da armadura
- redução da aderência aço-betão
A deformação aumenta por:
- aumento da fendilhação e correspondente aumento das curvaturas
- redução da comparticipação do betão entre fendas por redução da
aderência e delaminação
- redução da inércia da secção por redução da área de betão (delaminação)
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EFEITOS DA CORROSÃO EM VIGAS
Efeito da delaminação
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EFEITOS DA CORROSÃO EM VIGAS
Alteração do modelo de comportamento estrutural
1860
-250 -1650
delaminação
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EFEITOS DA CORROSÃO EM PILARES
Redução da resistência devido:
- redução da secção da armadura longitudinal
- delaminação do betão redução da secção
- redução da secção das cintas redução da resistência das armaduras comprimidas
redução da resistência ao esforço transverso
- aumento das excentricidades devido à assimetria da delaminação
Redução da ductilidade devido:
- redução da secção das cintas redução do confinamento do betão
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EFEITOS DA CORROSÃO EM LAJES
Efeitos estruturais
– Flexão
Redução da secção das armaduras (tracção)
Redução da altura útil (compressão)
– Esforço transverso
Redução da aderência e amarração (com efeito nos mecanismos resistentes relativos
ao efeito de arco e efeito de consola)
Redução da altura útil
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
EFEITOS DA CORROSÃO EM LAJES
Avaliação do comportamento
Efeito da pormenorização de armadura
Asc2 – totalidade das armaduras amarradas no apoio
Asc1 – 50% das armaduras amarradas no apoio
Asc0 – emenda total das armaduras junto ao apoio
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EFEITOS DA CORROSÃO EM LAJES
Avaliação do comportamento Asc2 – totalidade das armaduras amarradas no apoio
Asc1 – 50% das armaduras amarradas no apoio
Asc0 – emenda total das armaduras junto ao apoio
Dano: delaminação do betão de recobrimento
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EFEITOS DA CORROSÃO EM LAJES
Avaliação do comportamento
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EFEITOS DA CORROSÃO EM LAJES
Avaliação do comportamento
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Colapso de uma parede devido à corrosão de armaduras
EFEITOS DA CORROSÃO
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Colapso de uma parede devido à corrosão de armaduras
EFEITOS DA CORROSÃO
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ATAQUE QUÍMICO DO BETÃO
SUBSTÂNCIAS COMPONENTES
AGRESSIVAS DO BETÃO
REACÇÃO
QUÍMICA
DECOMPOSIÇÃO DO BETÃO
Necessário :
Água : Apenas os betões situados em ambientes com HR elevadas podem sofrer
ataque químico
Transporte de substâncias agressivas, geralmente provenientes do exterior, para as
substâncias reactivas do betão
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ATAQUE QUÍMICO DO BETÃO
Reacções químicas mais significativas :
Reacção dos sulfatos com os aluminatos da pasta de cimento
Reacção expansiva
Reacção dos álcalis com os agregados reactivos do betão Reacção expansiva
Reacção dos ácidos, sais de magnésio, sais de amónio e águas
puras com a pasta de cimento
Perda das propriedades ligantes
Reacção dos iões agressivos da água do mar com a pasta de cimento Perda das propriedades ligantes
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Componentes da pasta de cimento Aluminatos de cálcio hidratados
susceptíveis de serem atacados Hidróxido de cálcio
Sulfato de sódio
Sulfato de potássio
Sulfatos mais frequentes Sulfato de cálcio
Sulfato de magnésio
Sulfato de amónio
Ataque dos Sulfatos
Os sulfatos ocorrem normalmente no solo na forma sólida ou em solução nas águas freáticas.
Podem também ter como origem fertilizantes e efluentes industriais
duas formas distintas Perda de resistência e desagregação do betão
A deterioração pode tomar Expansão e fendilhação do betão
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Ataque dos Sulfatos
Expansão e fendilhação devida ao ataque de sulfatos com origem externa
Mecanismo do ataque
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Ataque dos Sulfatos
Reacção sulfática de origem externa
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Ataque dos Sulfatos
Reacção sulfática de origem interna
A deterioração é originada pela Formação de Etringite Retardada (DEF)
Origem
Remobilização dos sulfatos inicialmente contidos na pasta de cimento
após o endurecimento do betão
Causa
Aumento da temperatura durante o endurecimento do betão
(Temperaturas elevadas inibem a reacção dos sulfatos)
Tipos de betão afectados
- betões sujeitos a tratamentos térmicos
- partes da estrutura de betão em massa (pilares, maciços)
- betões com cimentos de alta resistência e endurecimento rápido
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Ataque dos Sulfatos
Reacção sulfática de origem interna
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Ataque dos Sulfatos
Reacção sulfática de origem interna
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Ataque dos Sulfatos
Reacção sulfática de origem interna
Ensaio de reacção potencial aos sulfatos - DEF
Amostra B
Amostra A
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Ataque dos Álcalis
A deterioração resulta da reacção entre os metais alcalinos (K2O e Na2O) e os agregados
reactivos (geralmente silicatos)
K2O ; Na2O agregados reactivos
gel + H2O EXPANSÃO
Reacção química
Necessário:
Quantidade suficiente de álcalis no betão
Agregados reactivos numa certa quantidade
Quantidade de água suficiente para hidratar o gel
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Ataque dos Álcalis
Expansão e fendilhação devida à reacção álcalis-sílica
Mecanismo do ataque
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Ataque dos Álcalis
Gel de sílica reactiva
Fendilhação associada às reacções expansivas
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Ataque dos Álcalis
Deformações originadas pelas reacções expansivas
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Ataque dos Álcalis
Fendilhação do tabuleiro
Esmagamento das vigas
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Ataque dos Álcalis
Fendilhação nos pilares
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Ataque dos Álcalis
Fendilhação
Esquema simplificado do comportamento de uma viga pré-esforçada, apresentando
fendilhação horizontal e exemplo ilustrativo
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Acção da água do mar
Mecanismo do ataque
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Acção da água do mar
Deterioração de estacas por ataque químico da água do mar
Consequências:
Decomposição da pasta de cimento desagregação do betão
erosão das camadas superficiais exposição das armaduras corrosão
redução da secção da estaca redução capacidade resistente
e
introdução de excentricidade na carga aplicada aumento dos esforços actuantes
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DURABILIDADE
Assegurar que a estrutura satisfaça, durante o seu tempo
de vida, os requisitos de utilização, resistência e estabilidade,
sem perda significativa de utilidade nem excesso de
manutenção não prevista
Objectivo
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
METODOLOGIA
caracterizar
CONDIÇÕES
DE
EXPOSIÇÃO
especificar
REQUISITOS
DE
DURABILIDADE
Identificar as substâncias agressivas, como é que se
movimentam e acumulam relativamente à estrutura
Determinar quais os mecanismos de transporte e quais
os parâmetros que controlam esses mecanismos
Determinar quais as reacções envolvidas na deterioração
e quais os parâmetros que controlam essas reacções
Seleccionar as medidas de protecção que controlem
ou evitem os mecanismos de deterioração
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Enquadramento
Nív
el
de
de
teri
ora
çã
o
tempo iniciação propagação
ti tp
1
3
4
2
1 despassivação
2 fendilhação
3 delaminação
4 rotura
Desenvolvimento da deterioração no tempo
Vida útil tL = ti + tp
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CARBONATAÇÃO
Qualidade da camada de betão de recobrimento
Este parâmetro determina a resistência do betão à penetração do CO2
A qualidade do recobrimento é função da composição, compactação e cura do betão
Ambiente de exposição
Este parâmetro determina o teor de humidade do betão e o teor de CO2 do ar em contacto com o betão.
Estes factores influenciam significativamente a velocidade de carbonatação do betão
PARÂMETROS PRINCIPAIS
CO2
CO2
C
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Composição do betão
Razão água-cimento
Este parâmetro controla a dimensão e continuidade da estrutura porosa do betão
A velocidade de carbonatação é fortemente influenciada pela razão A/C
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Composição do betão
Quantidade de cimento
Este parâmetro determina a quantidade de substâncias carbonatáveis do betão
Maior quantidade Maior quantidade Menor velocidade
de cimento de Ca(OH)2 de carbonatação
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Composição do betão
Adições
Efeitos
Redução da estrutura porosa positivo
Redução da quantidade de Ca(OH)2 negativo
Limitar a quantidade de adições
Efectuar uma cura adequada do betão
As adições devem ser encaradas como um produto a adicionar ao betão e não
como um substituto do cimento
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Condições de exposição
Determinam o teor de humidade do betão de recobrimento
• A difusão do CO2 na água é cerca de 104 vezes menor que no ar
• É necessário uma certa quantidade de água para que se desenvolva a reacção de carbonatação
A velocidade de carbonatação é máxima em ambientes com humidades relativas de 50-70%
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Ambientes rurais 0.03%
Ambientes urbanos 0.1%
Ambientes industriais
Zonas densamente povoadas 0.1 - 0.3%
Zonas com tráfego intenso até 1%
Condições de exposição
Elementos sujeitos a ambientes interiores a velocidade de carbonatação é máxima
Elementos enterrados ou submersos a carbonatação tem pouco significado
Elementos em ambientes exteriores com chuva a velocidade de carbonatação é baixa
Elementos em ambientes exteriores protegidos a velocidade de carbonatação é mais elevada
Determinam o teor de CO2 no ar em contacto com o betão
> Teor de CO2 > Velocidade de carbonatação
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CLORETOS
Qualidade da camada de betão de recobrimento
Este parâmetro determina a resistência do betão à penetração de cloretos
A qualidade do recobrimento é função da composição, compactação e cura do betão
Ambiente de exposição
Este parâmetro determina os tipos de mecanismos de transporte que vão actuar no betão
Estes mecanismos influenciam significativamente a velocidade de penetração de cloretos
PARÂMETROS PRINCIPAIS
Cl-
Cl-
C
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Composição do betão
Razão água-cimento
Este parâmetro controla a dimensão e continuidade da estrutura porosa do betão
Acção importante na limitação da penetração por absorção e permeação
A velocidade de penetração é fortemente influenciada pela razão A/C
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Composição do betão
Quantidade e composição do cimento
A quantidade de cimento influencia a fixação dos cloretos no betão. Grosso modo a
resistência à penetração é função da raiz quadrada da quantidade de cimento
A composição do cimento determina a capacidade de fixação dos cloretos pela pasta de
cimento
Parâmetro mais importante: Teor em C3A
> teor em C3A < velocidade de penetração
Existe a vantagem em utilizar cimentos com elevadas quantidades de C3A em
ambientes contaminados por cloretos
Precauções a tomar: - calor de hidratação
- ataque dos sulfatos
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Composição do betão
Adições
Conduzem a um refinamento e bloqueamento da estrutura porosa do betão, aumentando a
resistência à penetração de cloretos
Os ensaios experimentais mostram que a utilização de sílica de fumo, pozolanas, cinzas
volantes e escórias de alto forno reduz substancialmente a velocidade de penetração de
cloretos.
Recomendação: em ambientes contaminados por cloretos utilizar cimentos
com adições (cimentos CEM II, III, IV e V) ou misturas de
cimentos e adições
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Condições de exposição
Determinam os mecanismos de transporte de cloretos no betão
Zona atmosférica absorção + difusão
A deposição de cloretos à superfície do betão depende:
- distância à orla costeira
- rumo do vento
- exposição à chuva
Zona de rebentação absorção + difusão
A carbonatação faz acelerar a penetração de cloretos
A penetração depende do ritmo de secagem e molhagem do betão
Zona de maré (absorção) + difusão
Zona submersa permeação + difusão
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CORROSÃO
Resistividade do betão
Quantidade de oxigénio ao nível das armaduras
PARÂMETROS PRINCIPAIS
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Resistividade do betão
Outros factores importantes:
- qualidade do betão (razão água-cimento)
- contaminação por cloretos
É influenciada fundamentalmente pelo teor de humidade do betão
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Acesso de oxigénio às armaduras
Outros factores importantes:
- qualidade do betão (razão água-cimento)
- espessura de recobrimento das armaduras
É influenciado fundamentalmente pelo teor de humidade do betão
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Efeito da humidade na velocidade de corrosão
Os maiores níveis de deterioração por corrosão de armaduras ocorrem em
elementos sujeitos a períodos alternados de molhagem e secagem
Existe um teor de humidade intermédio para o qual a velocidade de corrosão é máxima
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Efeito da temperatura na velocidade de corrosão
Os climas quentes são mais agressivos relativamente à deterioração
por corrosão de armaduras
A temperatura influencia a velocidade das reacções químicas e a mobilidade dos iões no
mecanismo da corrosão
Os ensaios confirmam a regra de que a um aumento da temperatura de 10 ºC corresponde
uma duplicação da velocidade de corrosão
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Interacção ambiente-estrutura
O teor de humidade no interior do betão depende de dois factores:
condições ambientais à superfície do betão
espessura e qualidade do betão de recobrimento
A velocidade de corrosão é influenciada essencialmente pelo teor de humidade do betão ao
nível das armaduras
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Influência da espessura e da qualidade do betão de recobrimento
na humidade relativa ao nível das armaduras
a) Velocidade de corrosão baixa
b) Velocidade de corrosão elevada
c) Velocidade de corrosão elevada
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Fendilhação
fendas paralelas às armaduras têm grande influência no mecanismo da corrosão
despassivação
velocidade de corrosão
fendas transversais às armaduras têm uma influência importante na despassivação
e pouca influência na velocidade de corrosão (W < 0.5 mm)
Permite o acesso rápido das substâncias agressivas ao nível das armaduras
O mecanismo da corrosão é fundamentalmente influenciado pelo processo catódico nas zonas adjacentes
às fendas Qualidade do betão
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SULFATOS
Qualidade do betão
Este parâmetro determina a resistência do betão à penetração de sulfatos
A qualidade do betão é função da composição, compactação e cura
Ambiente de exposição
Este parâmetro determina a quantidade de sulfatos em contacto com o betão e os tipos de
mecanismos de transporte que vão actuar
PARÂMETROS PRINCIPAIS
Composição do cimento
Este parâmetro determina a quantidade de substâncias reactivas no betão (C3A)
Reacção sulfática de
origem externa
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Medidas de protecção
Controlar a permeabilidade do betão Controlar a quantidade de substâncias reactivas Impermeabilizar o betão
Três tipos
Permeabilidade
- Utilizar razões água-cimento baixas e dosagens de cimento adequadas
- Utilizar adições activas – pozolanas, cinzas volantes, sílica de fumo e escórias de alto forno
Substâncias reactivas
- Utilizar cimentos com baixo teor em C3A
- Utilizar adições activas para reduzir a quantidade de hidróxido de cálcio
as adições têm um duplo efeito na protecção do betão
Revestimentos superficiais
- Em ambientes muito contaminados é conveniente impermeabilizar o betão para evitar
o contacto com os sulfatos
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Medidas de protecção
Reacção sulfática de
origem interna
Controlar a temperatura máxima no betão nas primeiras idades:
T ≤ 65ºC
Controlar o teor de álcalis do betão e de aluminatos e sulfatos do ligante:
Na2O equiv < 3 kg/m3;
SO3 ≤ 3.5% se C3A ≤ 3%
SO3 ≤ 2.5% se C3A ≤ 5%
Controlar a humidade e manter o betão num estado relativamente seco:
revestimentos de impermeabilização
Controlar o teor de hidróxido de cálcio:
utilização de adições do tipo II
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ÁLCALIS
Composição do betão
Este parâmetro determina a resistência à difusão do álcalis no interior do
betão e a quantidade de agregados reactivos
Ambiente de exposição
Este parâmetro determina a humidade do betão
PARÂMETROS PRINCIPAIS
Composição do cimento
Este parâmetro determina o teor em álcalis do betão
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Medidas de protecção
Evitar a utilização de agregados reactivos
- avaliação da reactividade aos álcalis – Especificação LNEC E 415
Betões com baixa permeabilidade
- controlo da penetração de água e do movimento de álcalis no interior do betão
- utilizar adições activas para reduzir a permeabilidade do betão e o teor em hidróxido
de cálcio da pasta de cimento
Revestimentos superficiais para o betão
- para humidades relativas inferiores a 80% não ocorre expansão significativa
Limitar o teor em álcalis no cimento
- cimentos com baixo teor em álcalis: Na2O equiv < 0.6%
Limitar o teor em álcalis no betão
- Na2O equiv < 3 kg/m3
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Prevenção das
Reacções
Expansivas
Internas
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Medidas de protecção adicional
Revestimentos superficiais para betão
Prevenção catódica
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Medidas de protecção adicional
Aço inox
Progresso Pier (Golfo do México, 1940)
Exemplo de uma ponte de betão armado em meio muito agressivo, que mantém uma grande
durabilidade e em que foi adoptado aço inox
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Medidas de protecção adicional
Aço inox
Ponte executada com aço carbono
32 anos
Ponte executada com aço inox (AISI 304)
60 anos (sem manutenção)
Teor de cloretos ao nível das armaduras chega a atingir 20 vezes o teor crítico relativo a armaduras correntes
Ponte localizada no Golfo do México
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Medidas de protecção adicional
Aço inox
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Enquadramento Normativo
ESTRUTURAS DE BETÃO
Execução de Estruturas de
Betão
NP 13670-1
Projecto de Estruturas de
Betão
NP EN 1992
BETÃO
NP EN 206-1
NP EN 197
cimento
NP EN 13263
sílica de fumo
NP EN 450
cinzas volantes
NP EN 1008
água de amassadura
NP EN 934-2
adjuvantes
NP EN 13055-1
agregados leves
NP EN 12620
agregados
NP EN 12878
pigmentos
NP EN 12350
ensaios de betão
fresco
NP EN 12390
ensaios de betão
endurecido
Durabilidade
Esp LNEC E 461
Esp LNEC E 464
Esp LNEC E 465
.
.
.
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ESPECIFICAÇÃO DA DURABILIDADE
2 métodos:
Metodologia prescritiva
com base em requisitos de composição e recobrimento de armaduras
Metodologia baseada em propriedades de
desempenho do betão
modelação dos mecanismos de deterioração considerando a variabilidade dos parâmetros em causa (análise probabilística)
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Classes de exposição ambiental
(LNEC E464)
Classe Descrição do ambiente
Exemplos informativos
X0 Para betão sem armaduras: Todas as exposições, excepto ao gelo/degelo, abrasão ou ao ataque químico
Betão enterrado em solo não agressivo.
Betão permanentemente submerso em água não agressiva.
Betão com ciclos de molhagem/secagem não sujeito a abrasão, gelo/degelo ou ataque
químico.
Para betão armado: muito seco
Betão armado em ambiente muito seco.
Betão no interior de edifícios com muito baixa humidade do ar.
Quadro 1 – Sem risco de corrosão ou ataque
Classe Descrição do ambiente Exemplos informativos
XC1 Seco ou permanentemente húmido
Betão armado no interior de edifícios ou estruturas, com excepção das áreas com humidade elevada.
Betão armado permanentemente submerso em água não agressiva.
XC2 Húmido, raramente seco Betão armado enterrado em solo não agressivo.
Betão armado sujeito a longos períodos de contacto com água não agressiva.
XC3 Moderadamente húmido Superfícies exteriores de betão armado protegidas da chuva transportada pelo vento.
Betão armado no interior de estruturas com moderada ou elevada humidade do ar (v.g.,
cozinhas, casas de banho).
XC4 Ciclicamente húmido e seco Betão armado exposto a ciclos de molhagem/secagem.
Superfícies exteriores de betão armado expostas à chuva ou fora do âmbito da XC2
Quadro 2 – Corrosão induzida por carbonatação
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Classes de exposição ambiental
Classe Descrição do ambiente Exemplos informativos
XD1 Moderadamente húmido Betão armado em partes de pontes afastadas da acção directa dos sais descongelantes, mas expostas a cloretos transportados pelo ar.
XD2 Húmido, raramente seco Betão armado completamente imerso em água contendo cloretos; piscinas.
XD3 Ciclicamente húmido e seco Betão armado directamente afectado pelos sais descongelantes ou pelos salpicos de água contendo cloretos(1).
Betão armado em que uma das superfícies está imersa em água contendo cloretos e a
outra exposta ao ar (v.g., algumas piscinas ou partes delas). Lajes de parques de
estacionamento de automóveis(2) e outros pavimentos expostos a sais contendo
cloretos.
Quadro 3 – Corrosão induzida por cloretos não provenientes da água do mar
(1) No nosso país estas situações deverão ser consideradas na classe XD1; (2) Idem, se relevante
Classe Descrição do ambiente Exemplos informativos
XS1 Ar transportando sais marinhos mas sem contacto directo com água do mar
Betão armado em ambiente marítimo saturado de sais.
Betão armado em áreas costeiras perto do mar, directamente exposto e a menos de
200 m do mar; esta distância pode ser aumentada até 1 km nas costas planas e foz
de rios.
XS2 Submersão permanente Betão armado permanentemente submerso.
XS3 Zona de marés, de rebentação e de salpicos
Betão armado sujeito às marés ou aos salpicos, desde 10 m acima do nível superior das marés (5 m na costa Sul de Portugal Continental) até 1 m abaixo do nível inferior das marés.
Betão armado em que uma das superfícies está imersa em água do mar e a outra
exposta ao ar (v.g., túneis submersos ou abertos em rocha ou solos permeáveis no
mar ou em estuário de rios). Esta exposição exigirá muito provavelmente medidas de
protecção suplementares.
Quadro 4 – Corrosão induzida por cloretos da água do mar
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Classes de exposição ambiental
Classe Descrição do ambiente Exemplos informativos
XF1 Moderado número de ciclos de gelo/degelo, sem produtos descongelantes
Betão em superfícies verticais expostas à chuva e ao gelo.
Betão em superfícies não verticais mas expostas à chuva ou gelo.
XF2 Moderado número de ciclos de gelo/degelo, com produtos descongelantes
Betão, tal como nas pontes, classificável como XF1, mas exposto aos sais descongelantes directa ou indirectamente.
Quadro 5 – Ataque pelo gelo/degelo
6. Ataque químico
XA1 Ambiente químico ligeiramente agressivo, de acordo com a EN 206-1, Quadro 2
Terrenos naturais e água no terreno
XA2 Ambiente químico moderadamente agressivo, de acordo com a EN 206-1, Quadro 2
Terrenos naturais e água no terreno
XA3 Ambiente químico altamente agressivo, de acordo com a EN 206-1, Quadro 2
Terrenos naturais e água no terreno
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Classes de exposição ambiental
Caracterização química
Classes de exposição
Água no solo XA1 – pouco agressivas XA2 – moderadamente agressivas
XA3 – muito agressivas
mg/l 200 e 600 > 600 e 3000 > 3000 e 6000
pH 6.5 e 5.5 < 5.5 e 4.5 < 4.5 e 4.0
CO2 agressivo mg/l 15 e 40 > 40 e 100 > 100
até à saturação
mg/l 15 e 30 > 30 e 60 > 60 e 100
Mg2+ mg/l 300 e 1000 > 1000 e 3000 > 3000
até à saturação
Solos
mg/kgª) total 2000 e 3000(b) > 3000b) e 12000 > 12000 e 24000
Acidez ml/kg > 200
Baumann Gully Não encontrado na prática
a) Os solos argilosos com uma permeabilidade abaixo de 10-5 m/s podem ser colocados numa classe mais baixa
b) O limite de 3000 mg/kg deve ser reduzido para 2000 mg/kg, caso exista risco de acumulação de iões sulfato no betão devido a ciclos de secagem e
molhagem ou à absorção capilar.
SO2-4
NH+4
SO2-4
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Classes de exposição ambiental
CORTE TIPO
Exemplo: Ponte localizada num estuário
XC3/XS1 XC4/XS1
XC4/XS3
XC4/XS3/XA1
XC2/XS2/XA1
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Prescrições relativas ao recobrimento, composição e classe de resistência do betão
Tipo de cimento CEM I (Referência); CEM II/A (1) CEM II/B(1); CEM III/A(2); CEM IV(2); CEM V/A(2)
Classe de exposição XC1 XC2 XC3 XC4 XC1 XC2 XC3 XC4
Mínimo recobrimento nominal (mm)* 25 35 35 40 25 35 35 40
Máxima razão água/cimento
0,65 0,65 0,60 0,60 0,65 0,65 0,55 0,55
Mínima dosagem de cimento, C (kg/m3)
240 240 280 280 260 260 300 300
Mínima classe de resistência
C25/30
LC25/28
C25/30
LC25/28 C30/37 LC30/33
C30/37
LC30/33
C25/30
LC25/28
C25/30
LC25/28
C30/37
LC30/33
C30/37
LC30/33
(1) Não aplicável aos cimentos II/A-T e II/A-W e aos cimentos II/B-T e II/B-W, respectivamente. (2) Não aplicável aos cimentos com percentagem inferior a 50% de clínquer portland, em massa.
Quadro 6 – Limites da composição e da classe de resistência do betão sob acção do dióxido de carbono, para uma vida útil de 50 anos
- Vida útil de 50 anos-
Metodologia prescritiva
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Tipo de cimento CEM IV/A (Referência); CEM IV/B; CEM III/A; CEM III/B; CEM V; CEM II/B (1);
CEM II/A-D CEM I; CEM II/A (1)
Classe de exposição XS1/ XD1 XS2/ XD2 XS3/ XD3 XS1/ XD1 XS2/ XD2 XS3/ XD3
Mínimo recobrimento nominal (mm)* 45 50 55 45 50 55
Máxima razão água/cimento 0,55 0,55 0,45 0,45 0,45 0,40
Mínima dosagem de cimento, C (kg/m3)
320 320 340 360 360 380
Mínima classe de resistência
C30/37 LC30/33
C30/37 LC30/33
C35/45 LC35/38
C40/50 LC40/44
C40/50 LC40/44
C50/60 LC50/55
(1) Não aplicável aos cimentos II-T, II-W, II/B-L e II/B-LL.
Quadro 7 – Limites da composição e da classe de resistência do betão sob acção dos cloretos, para uma vida útil de 50 anos
O tipo de cimento apresenta uma influência significativa nos
requisitos de composição e resistência
Metodologia prescritiva
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Tipo de cimento CEM IV/A (Referência); CEM IV/B; CEM III/A; CEM III/B; CEM V; CEM II/B (1);
CEM II/A-D CEM I; CEM II/A (1)
Classe de exposição XA1 XA2 (2) XA3 (2) XA1 XA2 (2) XA3 (2)
Máxima razão água/cimento 0,55 0,50 0,45 0,50 0,45 0,45
Mínima dosagem de cimento, C (kg/m3)
320 340 360 340 360 380
Mínima classe de resistência
C30/37 LC30/33
C35/45 LC35/38
C35/45 LC35/38
C35/45 LC35/38
C40/50 LC40/44
C40/50 LC40/44
(1) Não aplicável aos cimentos II-T, II-W, II/B-L e II/B-LL. (2) Quando a agressividade resultar da presença de sulfatos, os cimentos devem satisfazer os requisitos mencionados na secção 5,
nomeadamente no Quadro 10, aplicando-se ao betão as exigências estabelecidas neste quadro para o CEM IV.
Quadro 9 – Limites da composição e da classe de resistência à compressão do betão sob ataque químico, para uma vida útil de 50 anos
Se na composição do betão forem utilizadas adições os termos dosagem de cimento e
razão água-cimento devem ser substituídos por dosagem de ligante e razão água-
ligante
A dosagem de cimento indicada nos quadros referem-se a betões com com Dmáx 32 mm
Para outros valores de Dmáx tem-se:
12.5 ≤ Dmáx < 20mm: C20/12.5 = 1.10 C
4 < Dmáx <12.5 mm: C12.5/4 = 1.23 C
Metodologia prescritiva
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Alterações dos requisitos dos quadros 6 e 7:
Classes XC; XD e XS
o recobrimento nominal é aumentado de 10 mm
- Vida útil de 100 anos -
Metodologia prescritiva
Classes XF e XA
razão A/C é diminuída de 0.05
C é aumentada de 20 kg/m3
classe de resistência é aumentada de 2 classes
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Nos casos de não satisfação dos requisitos definidos nos quadros 6 e 7 da
E 464 há que recorrer às seguintes metodologias:
Conceito de desempenho equivalente
- composição não respeitando os limites indicados
- utilização de outros cimentos que não os indicados
Métodos baseados no desempenho
- recobrimentos menores que os mínimos indicados
- recobrimentos maiores que os indicados e composições com menores exigências
- períodos de vida útil diferentes de 50 e 100 anos
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Especificação LNEC E465
Metodologia para estimar as propriedades de
desempenho que permitem satisfazer a vida útil de
projecto de estruturas de betão armado ou pré-
esforçado sob as exposições ambientais XC e XS
DURABILIDADE
Metodologias de desempenho
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Enquadramento
Nív
el
de
de
teri
ora
çã
o
tempo iniciação propagação
ti tp
1
3
4
2
1 despassivação
2 fendilhação
3 delaminação
4 rotura
Desenvolvimento da deterioração no tempo
Vida útil tL = ti + tp
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Vida útil
Categorias de vida útil na EN 1990
Vida útil pretendida Exemplos
Categoria tg (anos)
1 10 Estruturas temporárias
2 10 a 25 Partes estruturais substituíveis
3 15 a 30 Estruturas para a agricultura e semelhantes
4 50 Edifícios e outras estruturas comuns (v.g., hospitais, escolas)
5 100 Edifícios monumentais, pontes e outras estruturas de engenharia civil
As diferentes partes de uma estrutura podem ter diferentes vidas úteis
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Dada a aleatoriedade dos processos de deterioração a avaliação da vida útil deve ser realizada
com base numa análise probabilística, tal como acontece no projecto de estruturas para as
acções mecânicas.
S(t) – efeito da acção
R(t) - resistência
pf = P{[R(t)- S(t)<0]}T < palvo
palvo – nível aceitável da probabilidade
de falha
TL – vida útil
Tg – vida útil pretendida
pf = P(TL<Tg) < palvo
2 tipos de abordagem:
Service period design
Lifetime design
Tempo
R
S
pf = 0,5
f (TL)
R;
S
R(t)
S(t)
pf
pf
Tg
TLmédio
TL
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A análise probabilística pode ser realizada com base no Índice de Fiabilidade β
pf = P(TL<Tg) = P(Z<0)TL= Ф(-β) em que Z(t) = R(t) – S(t)
β.σ(z) = μR -μS
β.σ(z) = μZ
No caso das funções S(t) e R(t) terem distribuições normais
β = (μR -μS) / (σ2R + σ2
S)0.5 = (μR -μS) / σZ
fZ
pf
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
pr 10-1 10-2 10-3 10-4
β 1.28 2.32 3.09 3.72
Nível de deterioração – Índice de fiabilidade
despassivação
fendilhação
delaminação
rotura
Nív
el
de
de
teri
ora
çã
o
tempo
1
3
4
2
1
2
3
4
~ 1.5 ~ 3.8
o o o o
Relação entre a probabilidade de rotura e o índice de fiabilidade para um período de referência de 50 anos
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Para definição da vida útil a Esp LNEC E465 estabelece apenas o estado limite de utilização
definido como início da fendilhação do betão de recobrimento por corrosão de armaduras
despassivação
fendilhação
delaminação
rotura
Nív
el
de
de
teri
ora
çã
o
tempo ti tp
1
3
4
2
1
2
3
4
tL
Estado limite de despassivação das armaduras
Estado limite de fendilhação
Estado limite de delaminação
Estado limite último
O cálculo da vida útil é realizado com base em estados limites:
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Metodologia adoptada pela E 465
Análise semi-probabilística – considerar um factor de segurança da vida útil
Esta metodologia permite:
Calcular de forma determinística as propriedades de desempenho para vida útil de
cálculo:
de modo a satisfazer a condição tL – tg > 0 com uma abordagem probabilística.
td = tg
Garantir que:
tL – vida útil avaliada através de modelos de desempenho
tg – vida útil pretendida
tL – tg > 0
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Factores de segurança / Índices de fiabilidade
Factores de segurança da vida útil
Classes de fiabilidade Factor para o Estado Limite de Utilização
RC3 2,8
RC2 2,3
RC1 2,0
Mínimos índices de fiabilidade
Classes de fiabilidade RC3 RC2 RC1
probabilidade
2,0
2,3*10 -2
1,5
6,7*10 -2
1,2
12*10 -2
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Modelação da deterioração
Objectivo: Especificar propriedades de desempenho para o betão
de modo a que tL > td
tL = ti + tp
Necessário:
Modelar a fase de iniciação: Período de tempo até que a frente de
Carbonatação ou o teor crítico de
Cloretos atinja o nível das armaduras
Modelar a fase de propagação: Período de tempo até o nível de corrosão
causar a fendilhação do betão de recobrimento
tL – vida útil avaliada através de modelos de desempenho
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Modelos de cálculo para o Período de Iniciação
CARBONATAÇÃO
onde:
X - profundidade de carbonatação (m)
D – coeficiente de difusão do CO2 no betão carbonatado (65% HR; 20 ºC)
c =0,0007kg/m3 (concentração do CO2 no ar)
a= consumo de CO2, função do tipo e dosagem de cimento (quantidade de CO2 necessário para
carbonatar uma unidade de volume de betão)
K0 – factor igual a 3 quando ensaio de carbonatação é realizado segundo a esp LNEC E 391
K1 – factor dependente da HR do betão
K2 – factor dependente da cura do betão
n – factor dependente da molhagem/secagem ao longo do tempo (<0,3)
t0 – período de referência (1 ano)
Modelo 1
Objectivo: Definir a resistência à carbonatação do betão de modo a que ao fim do período de
iniciação ti a profundidade de carbonatação seja no máximo igual ao recobrimento
n
t
tkkkt
a
cD
Kta
cDX
02*1*0****2
****2
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Considerando que a resistência à carbonatação RC65 pode ser medida pela seguinte relação:
n
C t
tkkk
R
tX
0
65
21*00007,02
D
aRC 65
(kg.ano/m5)
n
i
iC
t
tkkk
R
tR
2
0
2
3
65 21*010*4,1
Valor da resistência à carbonatação a exigir ao betão
A medição de RC65 é feita no ensaio acelerado (LNEC E391)
2
1
165
2
X
tcR acel
C
Cacel – concentração de CO2 na câmara de carbonatação (90 x 10-3 kg/m3 ≈ 5% CO2)
Introduzindo esta relação na expressão anterior vem:
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ACÇÃO DOS CLORETOS
tD
XerfCtxC S
21),(
D é o coeficiente de difusão dos cloretos no betão, em m2/s;
C (x, t) é a concentração dos cloretos, à profundidade x (m) após decorrido o tempo t (s)
CS é a concentração dos cloretos, em % da massa de ligante, na superfície do betão (X=0)
erf é a função erro: erf (z)=w
2
2
4
t
XD
S
S
C
txCCerf
),(1 com:
A despassivação das armaduras ocorre para uma concentração de cloretos ao nível das armaduras
C (x, t) = C(R,ti) = CR (teor critico de cloretos)
R – recobrimento das armaduras
Modelo base
Objectivo: Definir a resistência à penetração de cloretos do betão de
modo a que ao fim do período de iniciação ti a profundidade do teor
critico seja no máximo igual ao recobrimento
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A concentração superficial Cs é dada por:
temphorvertcabs kkkkCC /
CR (% em massa do cimento)
Água/cimento XS1; XS2 XS3
a/c 0,30 0,6 0,5
0,30 < a/c 0,40 0,5 0,4
a/c >0,40 0,4 0,3
Cb=3,0% nas classes XS2 e XS3 e Cb=2,0% na XS1
Ka/c = 2,5 * (a/c), sendo a/c a razão água/ligante
Ktemp , referente ao betão, tem os seguintes valores:
0 ºC 10 ºC 15ºC 20 ºC 25ºC 30 ºC 35ºC
2,2 1,5 1,2 1,0 0,8 0,7 0,6
Classe de exposição kvert
XS1 0,7
XS2 1 a 1m de profundidade
1,4 a 24 m de profundidade*
XS3 1,0
Distância à linha de costa**
Khor
0 1
1 Km* 0,6
kvert e khor têm os valores indicados no quadro:
Teor crítico de cloretos
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O coeficiente de difusão D0 a exigir ao betão é dado por:
kD,c é um factor que tem em conta a influência das condições de cura;
kD,RH é um factor que tem em conta a influência da humidade relativa do ambiente;
kD,T é um factor que tem em conta a influência da temperatura;
D0 é o coeficiente de difusão potencial (m2/s), determinado em laboratório de acordo com a Especificação LNEC E 463,
com o betão na idade de referência t0 =28 dias;
n é um factor que tem em conta o decréscimo de ingresso dos cloretos ao longo do tempo.
Número de dias de cura kD,c
normalizada 2,4
em contacto permanente com água
0,75
Cofragem de permeabilidade controlada e 3 dias de cura
húmida
1,0
Classes de exposição KD,RH
XS1 0,4
XS3 1,0
XS2 1,0
Temperatura do betão (ºC) KD,T
30 ºC 1,5
25 ºC 1,2
20 ºC 1,0
15 ºC 0,8
10 ºC 0,75
0 ºC 0,4
Classes de exposição n
CEM I / II*
CEM III / IV
XS1 0,55 0,65
XS2 0,45 0,55
XS3 0,55 0,65
* Excepto CEM II-W, II-T, II/B-L e II/B-LL
Da(t) = Da(t0)*(t0/t)n = kD,c * kD,RH * kD,T * D0 * (t0/t)
n
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Modelo de cálculo para o Período de Propagação
- lei de Faraday
pt0,0115Ix cor
x (mm) é a redução de raio provocada pela intensidade da corrente de corrosão Icorr (A/cm2)
durante o tempo de propagação da corrosão tp (anos)
x = 10-3 * (74,5 + 7,3R/0 – 17,4 fcd)
O modelo recorre:
- à expressão experimental de estima da redução de raio, x , que provoca a iniciação da fissuração:
R é o recobrimento (mm);
fcd é a resistência à compressão diametral do betão, com o valor 2 e 2,5 MPa nos betões para a carbonatação
e 3 e 4 MPa nos betões para os cloretos.
0 diâmetro inicial das armaduras
- à consideração da diferente influência na corrosão da carbonatação e da acção dos cloretos
0 - = x
= 2 quando a corrosão é uniforme, caso da corrosão por carbonatação
10 quando a corrosão é por picadas, caso da corrosão por cloretos
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com:
Período de propagação:
k = 0,1*(74,5 + 7,3 R/0 – 17,4 fcd) /(0/2)
- à consideração dos níveis de corrosão expectáveis nas classes de exposição XC e XS em função dos teores de humidade nos poros do betão
Classes de exposição e níveis de corrosão das armaduras
XC1 XC2 XC3 XC4 XS1 XS2 XS3
Despr Baixo Despr. Baixo/ Moder.
Moder. Despr Elevado
Níveis de corrosão
Intensidade da corrente de corrosão (A/cm2)
Nível de corrosão
< 0,1
0,1-0,5
0,5-1
>1
desprezável
baixo
moderado
elevado
tp = k 0 / (1,15 Icorr )
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Exemplo: Fendilhação cálculo do tp
Perda de raio que provoca o início da fendilhação:
R = 30 mm
Ф0 = 20 mm
fcd = 2.5 MPa
x = 42 μm
Icorr = 0.1 μ A/cm2 tp = 37 anos
Icorr = 1 μ A/cm2 tp = 3.7 anos
Icorr = 10 μ A/cm2 tp = 0.37 anos
R – recobrimento [mm]
Ф0 – diâmetro do varão [mm]
fcd – resistência à compressão diametral do betão [MPa]
x = 10-3 * (74,5 + 7,3R/0 – 17,4 fcd)
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Cálculo das propriedades de desempenho do betão
Definir previamente:
Período de vida útil pretendido tg
Classe de fiabilidade da estrutura ou do elemento estrutural: RC1//RC2/RC3
Classes de exposição a que cada elemento estrutural está sujeito: XC1 a XC4 ou XS1 a XS3
Recobrimento mínimo a adoptar em cada elemento estrutural
Seguidamente calcular:
O período de propagação tp
O período de iniciação de cálculo
As propriedades do betão relacionadas com a durabilidade – resistência à carbonatação RC65
e coeficiente de difusão aos cloretos D0 – com base nos modelos de deterioração.
tic = (tg – tp).
tp = k 0 / (1,15 Icorr )
Síntese:
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EXEMPLO
Ponte localizada no estuário de um rio
Período de vida útil pretendido – 120 anos
CORTE TIPO
XC4/XS1
XC2/XS2/XA1
Cálculo das propriedades de desempenho do betão para os elementos estruturais sujeitos
à classe de exposição XS3
XC4/XS3
XC4/XS3/XA1
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Cálculo do período de iniciação:
Classe de fiabilidade da estrutura – RC3
Classe de exposição – XS3
tic = (tg – tp).
Factores de segurança da vida útil
Classes de fiabilidade Factor para o Estado Limite de Utilização
RC3 2,8
RC2 2,3
RC1 2,0
Recobrimento mínimo – 50mm Recobrimento nominal – 60mm
Betão: cimento tipo IV; razão A/C : 0.35
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Período de propagação:
tp = k 0 / (1,15 Icorr )
k = 0,1*(74,5 + 7,3 R/0 – 17,4 fcd) /(0/2)
tp = 0.38 anos
tic = tg tic = 2.8 x 120 = 336 anos
R = 50mm
0 = 12 mm
fcd = 4 MPa
= 8
Icorr = 5 μA/cm2
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Modelo de cálculo
tD
XerfCtxC S
21),(
C (x, t) = C(R,ti) = CR (teor crítico de cloretos)
CR (% em massa do cimento)
Água/cimento XS1; XS2 XS3
a/c 0,30 0,6 0,5
0,30 < a/c 0,40 0,5 0,4
a/c >0,40 0,4 0,3
O período de iniciação ti é atingido quando o teor de cloretos ao nível das armaduras atingir o teor crítico:
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Cs = 2.625%
Cb=3,0% nas classes XS2 e XS3
Ka/c = 2,5 * (a/c)
temphorvertcabs kkkkCC / 0 ºC 10 ºC 15ºC 20 ºC 25ºC 30 ºC 35ºC
2,2 1,5 1,2 1,0 0,8 0,7 0,6
Classe de exposição kvert
XS1 0,7
XS2 1 a 1m de profundidade
1,4 a 24 m de profundidade*
XS3 1,0
Distância à linha de costa**
Khor
0 1
1 Km* 0,6
Ka/c = 2,5 x 0.35 = 0.875
tD
XerfCtxC S
21),(
D = 1.67 mm2/ano
Derf
*3362
501625.24.0
Ktemp
Teor de cloretos à superfície Cs:
Reabilitação e Reforço de Estruturas Mestrado em Engenharia Civil
Da(t) = Da(t0)*(t0/t)n = kD,c * kD,RH * kD,T * D0 * (t0/t)
n
Número de dias de cura kD,c
normalizada 2,4
em contacto permanente com água
0,75
Cofragem de permeabilidade controlada e 3 dias de cura
húmida
1,0
Classes de exposição KD,RH
XS1 0,4
XS3 1,0
XS2 1,0
Temperatura do betão (ºC) KD,T
30 ºC 1,5
25 ºC 1,2
20 ºC 1,0
15 ºC 0,8
10 ºC 0,75
0 ºC 0,4
Classes de exposição n
CEM I / II*
CEM III / IV
XS1 0,55 0,65
XS2 0,45 0,55
XS3 0,55 0,65
* Excepto CEM II-W, II-T, II/B-L e II/B-LL
Cálculo do coeficiente de difusão D0 (LNEC E 463) a exigir ao betão de modo
a garantir o período de vida de 120 anos para a estrutura
D0 = 162 mm2/ano = 5.1x10-12 m2/s