UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS -...
81
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Escola de Engenharia Departamento de Engenharia de Materiais e Construção Curso de Especialização em Construção Civil Monografia DURABILIDADE DE ESTRUTURAS DE CONCRETO EM USINAS SIDERÚRGICAS Autora: Flávia Spitale Jacques Poggiali Orientadora: Profª Drª Carmen Couto Ribeiro Janeiro / 2009
Transcript of UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS -...
Universidade Federal de Minas Gerais Escola de Engenharia
Departamento de Engenharia de Materiais e Construção Curso de Especialização em Construção Civil
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
Escola de Engenharia Departamento de Engenharia de Materiais e Construção Curso de Especialização em Construção Civil
Monografia
DURABILIDADE DE ESTRUTURAS DE CONCRETO
EM USINAS SIDERÚRGICAS
Autora: Flávia Spitale Jacques Poggiali
Orientadora: Profª Drª Carmen Couto Ribeiro
Janeiro / 2009
2
Flávia Spitale Jacques Poggiali
DURABILIDADE DE ESTRUTURAS DE CONCRETO
EM USINAS SIDERÚRGICAS
Monografia apresentada ao Curso de Especialização em Construção Civil
da Escola de Engenharia da UFMG
Ênfase: Durabilidade
Orientadora: Profª. Drª. Carmen Couto Ribeiro
Belo Horizonte
Escola de Engenharia da UFMG
2009
3
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todos que colaboraram significativamente na execução deste trabalho, tanto
do ponto de vista prático (fornecimento de dados, orientações, sugestões, etc.) como do
ponto de vista psicológico. Foi essencial contar com o apoio, compreensão, estímulo e
carinho de pessoas tão queridas.
Agradeço à Profª. Carmen Couto pelo incentivo, dedicação, competência, amizade e
presença constante durante todo o processo de execução do trabalho.
Aos professores do Departamento de Materiais de Construção da Escola de Engenharia /
UFMG, pelas valiosas colaborações na ajuda da pesquisa bibliográfica e colaborações
técnicas.
A toda minha família, pela credibilidade e incentivo ao meu trabalho.
Em especial, ao meu marido Guilherme, exemplo de profissional e incentivador do
crescimento da minha carreira.
4
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS........................................................................................................... 6
LISTA DE TABELAS.......................................................................................................... 8
1. INTRODUÇÃO.......................................................................................................... 10
2. OBJETIVO ................................................................................................................ 11
3. ASPECTOS REFERENTES À DURABILIDADE NA NBR 6118:2003 .................... 12
4. DURABILIDADE DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ......................................... 15
4.1 DEFINIÇÃO.......................................................................................................... 16
4.2 IMPORTÂNCIA...................................................................................................... 16
4.3 CONSIDERAÇÕES GERAIS.................................................................................... 17
4.4 ÁGUA COMO AGENTE DE DETERIORAÇÃO............................................................. 19
4.5 PERMEABILIDADE ................................................................................................ 22
4.5.1 Permeabilidade do concreto....................................................................................... 22
4.6 CLASSIFICAÇÃO DAS CAUSAS DA DETERIORAÇÃO DO CONCRETO ......................... 23
4.7 DETERIORAÇÃO POR DESGASTE SUPERFICIAL ..................................................... 24
4.8 CRISTALIZAÇÃO DE SAIS NOS POROS................................................................... 26
4.9 AÇÃO DO CONGELAMENTO .................................................................................. 26
4.10 EFEITO DO FOGO ................................................................................................ 27
4.10.1 Efeito da alta temperatura na pasta de cimento hidratada ...................................... 27
4.10.2 Efeito da alta temperatura no agregado................................................................... 28
4.10.3 Efeito da alta temperatura no concreto .................................................................... 28
4.10.4 Efeito do concreto de alta resistência exposto ao fogo ........................................... 31
4.11 DETERIORAÇÃO DO CONCRETO POR REAÇÕES QUÍMICAS .................................... 32
4.11.1 Hidrólise dos componentes da pasta de cimento .................................................... 33
4.11.2 Reações de troca catiônica...................................................................................... 34
4.12 REAÇÕES ENVOLVENDO A FORMAÇÃO DE PRODUTOS EXPANSIVOS...................... 36
4.12.1 Ataque por sulfato .................................................................................................... 36
5
4.12.2 Reação álcali-agregado ........................................................................................... 40
4.13 CORROSÃO DO AÇO DE ARMADURA NO CONCRETO.............................................. 44
4.13.1 Mecanismos de deterioração do concreto por corrosão da armadura .................... 46
4.13.2 Controle da corrosão................................................................................................ 52
4.14 CONCRETO EM AMBIENTE MARINHO .................................................................... 56
4.14.1 Conclusões sobre a deterioração devido à ação da água do mar........................... 58
5. AMBIENTE INDUSTRIAL SIDERÚRGICO .............................................................. 60
5.1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 60
5.2 O PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO AÇO................................................................. 61
5.2.1 Matérias primas .......................................................................................................... 61
5.2.2 Alto Forno ................................................................................................................... 63
5.2.3 Aciaria......................................................................................................................... 70
5.3 AGENTES DELETÉRIOS AO CONCRETO EM AMBIENTE SIDERÚRGICO ....................... 71
5.3.1 Recebimento, armazenamento e manipulação de matérias primas.......................... 73
5.3.2 Sinterização e Pelotização ......................................................................................... 74
5.3.3 Coqueria ..................................................................................................................... 75
5.3.4 Alto Forno ................................................................................................................... 77
5.3.5 Aciaria......................................................................................................................... 78
6. CONCLUSÃO ........................................................................................................... 79
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 80
6
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1: Lei de evolução de custos, lei de Sitter. Fonte: HELENE, 2005. ...............17
FIGURA 2: Formação de sais solúveis e insolúveis através dos ácidos. Fonte:
HELENE, 2005..............................................................................................................20
FIGURA 3: Influência da relação água/cimento e do grau de hidratação sobre a
resistência e a permeabilidade. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 1994. .........................23
FIGURA 4: Causas físicas da deterioração do concreto. Fonte: MEHTA e
MONTEIRO, 2008.........................................................................................................24
FIGURA 5: Influência da relação água/cimento e tipo do agregado da deterioração
por abrasão-erosão no concreto. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 1994........................25
FIGURA 6: Efeito do tipo de agregado e condições de ensaio sobre a resistência
ao fogo. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 2008, citando ABRAMS, M.S.,
Temperature and Concrete, ACI SP-25, pp. 33-58, 1973.............................................30
FIGURA 7: Tipos de reações químicas responsáveis pela deterioração do
concreto. Fonte: MEHTA, 2008.....................................................................................33
FIGURA 8: (a) Representação diagramática da expansão de argamassa ou
concreto causada pela formação de etringita tardia. (b) Micrografia obtida por
microscopia eletrônica de varredura de uma argamassa atacada por DEF. Fonte:
MEHTA e MONTEIRO, 2008. .......................................................................................38
FIGURA 9: Enfoque holístico para expansão e fissuração por formação de
etringita tardia. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 2008. ...................................................38
FIGURA 10: Efeitos do tipo e consumo de cimento e da adição de cinzas volantes
sobre o ataque por sulfato ao concreto. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 2008. ............40
FIGURA 11: Representação esquemática das patologias típicas observadas em
vigas de concreto armado afetadas por corrosão. Fonte: HELENE, 2005. ..................45
7
FIGURA 12: Expansão e fissuração do concreto devidas à corrosão da armadura.
Fonte: MEHTA, 2008. ...................................................................................................47
FIGURA 13: Avanço do processo de carbonatação. Fonte: FIGUEIREDO, 2005. ......52
FIGURA 14: Esquema de variação do teor crítico de cloretos em função da
qualidade do concreto e umidade do ambiente. Fonte: FIGUEIREDO, 2005...............53
FIGURA 15: Representação diagramática dos danos ao concreto por (a) corrosão
da armadura, (b) ciclos de congelamento e degelo. (c) reação álcali-sílica, (d)
ataque externo por sulfato. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 2008. ...............................54
FIGURA 16: Um modelo holístico de deterioração do concreto a partir dos efeitos
ambientais mais freqüentes. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 2008. ..............................55
FIGURA 17: Representação esquemática de um cilindro de concreto armado
exposto à água do mar. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 2008. .....................................59
FIGURA 18: Layout atual da Usina Siderúrgica Gerdau Açominas. Fonte:
GERDAU, 2008.............................................................................................................60
FIGURA 19: Seção transversal de um alto-forno moderno. Fonte: www.ufsc.br. ........64
FIGURA 20: Seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo o
equipamento auxiliar principal. Fonte: www.ufsc.br......................................................64
FIGURA 21: Processos pneumáticos para produção de aço, a partir do ferro gusa.
Fonte: www.ufsc.br. ......................................................................................................68
FIGURA 22: Fluxo de produção atual da Usina Siderúrgica da Gerdau Açominas.
Fonte: GERDAU, 2008..................................................................................................71
FIGURA 23: Balanço energia/materiais para sinterização. Fonte: OLIVEIRA, 2004. ..74
FIGURA 24: Esquema de principais produtos obtidos pela destilação do carvão e
sua distribuição porcentual. Fonte: ARAÚJO, 2005......................................................76
FIGURA 25: Balanço energia/materiais para coqueria. Fonte: OLIVEIRA, 2004.........77
FIGURA 26: Balanço energia/materiais para alto forno. Fonte: OLIVEIRA, 2004........77
FIGURA 27: Balanço energia/materiais para aciaria. Fonte: OLIVEIRA, 2004. ...........78
8
LISTA DE TABELAS
TABELA 1: Classes de Agressividade Ambiental. .......................................................13
TABELA 2: Correspondência entre classe de agressividade e qualidade do
concreto. .......................................................................................................................14
TABELA 3: Correspondência entre classe de agressividade ambiental e
cobrimento nominal para ∆c = 10 mm. .........................................................................14
TABELA 4: Características do cimento Portland. ........................................................18
TABELA 5: Ataque ácido ao concreto..........................................................................21
TABELA 6: Rochas, minerais e constituintes sintéticos reativos deletérios. ...............42
TABELA 7: Quantidade de cloretos livres em relação a diversos teores de C3A. .......49
TABELA 8: Principais fatores que condicionam a velocidade de penetração da
frente de carbonatação. ................................................................................................51
TABELA 9: Teor limite de cloreto para diversas normas. ............................................53
TABELA 10: Desempenho do concreto exposto à água do mar. ................................56
TABELA 11: Emissões em unidades de processos siderúrgicos. ...............................73
9
RESUMO
A durabilidade das estruturas de concreto é um tema atual e complexo, onde uma
gama enorme de variáveis afetará a vida útil da construção. Dentre estas
variáveis podemos citar a fase de projeto (principalmente arquitetônico e
estrutural), a concepção dos materiais e dos processos construtivos e a utilização
e manutenção da construção finalizada.
Ambientes industriais possuem uma série de agentes deletérios ao concreto. Em
usinas siderúrgicas, tema deste trabalho, o ambiente possui uma série de agentes
agressivos, como altas temperaturas (até 1500ºC), gases, impactos, águas
residuais, vapores, entre outros.
Quando estes agentes são desconhecidos ou desconsiderados por parte dos
engenheiros projetistas ou construtores, o resultado são obras que não atendem o
requisito mínimo de durabilidade, qualidade e vida útil. Estes fatores, associados
à ausência de manutenção, possuem como conseqüência principal um alto custo
com a recuperação da estrutura.
Primeiramente, será feita uma revisão bibliográfica a respeito de durabilidade de
estruturas de concreto. Logo após, serão identificados os principais agentes
deletérios ao concreto em ambiente siderúrgico.
De posse dessas informações, teremos alguns parâmetros para projetar e
construir em usinas siderúrgicas com maior qualidade e durabilidade, atingindo a
vida útil desejada.
10
1. INTRODUÇÃO
Durabilidade de estruturas de concreto pode ser entendida como a vida útil para
qual a estrutura foi projetada, sem alterar sua forma original, sua qualidade e
capacidade quando exposta ao meio ambiente.
Nos últimos anos, além da preocupação com a resistência do concreto, a
durabilidade também tem sido enfoque de engenheiros e projetistas. Patologias
prematuras vêm ocorrendo em estruturas de concreto residenciais, comerciais e
industriais, trazendo riscos, desconforto e altos custos de recuperação. Através do
conhecimento dos principais mecanismos de deterioração do concreto, podemos
diagnosticar a maior parte dos problemas patológicos das estruturas.
Houve uma revisão na norma NBR 6118/2003, “Projeto de Estruturas de Concreto
– Procedimento”, em função da durabilidade de estruturas de concreto. Além de
abordar a segurança estrutural e sua funcionalidade, agora trata também da
durabilidade da estrutura.
A água está sempre envolvida no processo de deterioração do concreto, por meio
da porosidade do material. Essa permeabilidade do material define o quanto ele
pode se deteriorar. Quanto maior a permeabilidade do concreto, mais sujeito às
ações da água e de meios agressivos ele estará, e mais rápido se deteriorará.
A durabilidade do concreto poderá ser prejudicada através de efeitos físicos
(como desgaste da superfície, fissuras causadas por pressão de cristalização de
sais nos poros ou exposição às baixas ou altas temperaturas) ou por efeitos
químicos (lixiviação, reações álcalis-agregados, corrosão das armaduras e
reações expansivas envolvendo ataques por sulfatos). Ressalta-se que a
deterioração do concreto está geralmente associada a mais de um fenômeno, o
que nos chama a atenção para não diagnosticar erroneamente uma patologia.
Como a durabilidade afeta diretamente nos custos das construções, a
necessidade de reforço e reparo em estruturas tem feito com que os engenheiros
se conscientizem da importância do tema. Além disso, a conscientização
sustentável de preservação das matérias-primas resulta em uma menor demanda
de materiais para reposição. Quando materiais duráveis são produzidos e
reciclam-se os que já existem, diminui-se o impacto ecológico. Cada vez mais o
11
concreto é exposto a ambientes muito agressivos, tal qual ocorre em usinas
siderúrgicas – que são o foco do presente trabalho.
Em ambientes siderúrgicos, essa agressividade do meio é muito mais intensa,
devido à presença de impactos na estrutura, vapores, altas temperaturas (até
1500ºC), águas agressivas (ex. desmineralizada) e outros agentes como o gás
carbônico (CO2), dióxido de enxofre (SO2), óxidos de nitrogênio (NOX), além da
interação entre esses elementos (sinergia). Por isso uma maior preocupação em
definir o melhor tipo de concreto para resistir ao ataque desses agentes. Quando
eles não são considerados na concepção da estrutura de concreto nas usinas
siderúrgicas, estas estruturas não irão atingir a vida útil desejável, resultando em
altos gastos com a recuperação da obra deteriorada.
O seguinte trabalho trata de uma revisão bibliográfica sobre durabilidade de
estruturas de concreto. Esta durabilidade será enfocada no ambiente siderúrgico
em função dos efeitos deletérios que ele proporciona, principalmente nos
processos de fabricação de sínter, coque, ferro-gusa e aço.
2. OBJETIVO
Este trabalho visa fazer uma análise a respeito da durabilidade de estruturas de
concreto em espaços siderúrgicos, buscando na doutrina os principais
mecanismos de deterioração do concreto, além dos principais agentes deletérios
ao concreto presentes em usinas siderúrgicas. O principal objetivo é obter
parâmetros para construir em ambiente siderúrgico com maior qualidade,
durabilidade e vida útil.
12
3. ASPECTOS REFERENTES À DURABILIDADE NA NBR 6118:2003
A Norma Brasileira NBR 6118/2003, “Projeto de Estruturas de Concreto –
Procedimento” abordava, originalmente, a segurança estrutural e sua
funcionalidade. Esta nova versão aborda também a durabilidade da estrutura e
trata de algumas diretrizes para a durabilidade e qualidade das estruturas de
concreto.
Alguns fatores justificaram ou motivaram as modificações feitas nas normas de
concreto, dentre os quais podemos citar: as concepções arquitetônicas mais
esbeltas, a evolução da tecnologia dos materiais, a utilização de programas
estruturais mais complexos, a busca da qualidade e segurança das estruturas e a
melhoria e garantia da durabilidade das estruturas, em prol dos direitos do
consumidor.
A maior parte dos problemas que ocorrem nas construções, cerca de 50%, advém
de erros em projetos. A redução sistemática desses erros acontece através da
utilização correta de normas técnicas reconhecidas, que priorizam requisitos de
segurança, durabilidade e funcionalidade da estrutura.
Desde a última revisão da Norma Brasileira NBR 6118, vários autores vêm
estudando e avaliando quais os principais impactos que as modificações da
Norma tiveram na durabilidade das construções. Para o Professor José Celso da
Cunha, as principais inovações da nova norma foram:
a) “Garantia da qualidade do projeto e das estruturas e os requisitos para a
sua obtenção;
b) Durabilidade das estruturas, com enfoque incisivo sobre essa questão;
c) Limites para dimensões, deslocamentos e aberturas de fissuras,
enfocando razões construtivas, validade das teorias e compatibilidade
de funcionamento;
d) Análise estrutural, com alerta sobre o campo de validade e condições
especiais de aplicação;
e) Instabilidade e efeitos de segunda ordem, classificando com maior
precisão os fenômenos envolvidos e os procedimentos para cada
situação;
f) Região e elementos especiais, sinalizando princípios de
dimensionamento e detalhamento das regiões de descontinuidade.”
(CUNHA, 2004)
Para a definição de alguns parâmetros de projeto, deve-se determinar a classe de
agressividade do ambiente a que o material está inserido, de acordo com a
Tabela 1, retirada da Norma NBR 6118/2003:
TABELA 1: Classes de Agressividade Ambiental.
Fonte: NBR 6118/2003.
A agressividade ambiental está relacionada às ações físicas e químicas deletérias
ao concreto, não estando relacionada às ações mecânicas, aos efeitos da
temperatura e a retrações hidráulicas.
Através da classificação da classe de agressividade ambiental, a Norma NBR
6118/2003 define os requisitos mínimos que o concreto necessita para garantir
uma boa durabilidade, referentes à relação água/cimento e a resistência à
compressão do concreto, de acordo com a Tabela 2.
13
TABELA 2: Correspondência entre classe de agressividade e qualidade do concreto.
Fonte: NBR 6118/2003.
Também definido pela classe de agressividade ambiental, o cobrimento mínimo a
ser adotado para estruturas de concreto armado e protendido estão
exemplificados na Tabela 3, de acordo com a Norma NBR 6118/2003.
TABELA 3: Correspondência entre classe de agressividade ambiental e cobrimento nominal para
∆c = 10 mm.
Fonte: NBR 6118/2003.
Outras medidas definidas pela Norma NBR 6118/2003 nos proporcionam
diretrizes para um concreto de maior durabilidade, tais como a dimensão máxima
característica do agregado graúdo e o detalhamento da armadura, por exemplo.
14
15
4. DURABILIDADE DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO
Até a última atualização da NBR 6118/2003, a característica do concreto que os
projetistas julgavam como mais relevante era sua resistência, pois fornece uma
indicação da qualidade do material, uma vez que está diretamente relacionada à
estrutura da pasta de cimento endurecida. Contudo, devido à incidência
sistemática de problemas patológicos nas estruturas de concreto, tornou-se
essencial a conscientização sobre a durabilidade deste material.
O concreto é um material constituído por cimento, areia, brita e aditivos. De
acordo com RIBEIRO, PINTO e STARLING (2000),
“A proporção de seus componentes (dosagem ou traço) deve atender
às condições requeridas de resistência, trabalhabilidade e durabilidade,
que são propriedades fundamentais do concreto.”
As características de cada um dos constituintes do concreto influenciarão
significativamente na durabilidade do material, modificando suas propriedades,
tais como: a compacidade, a porosidade, permeabilidade e capilaridade. O
concreto deve ser produzido de forma homogênea, onde os agregados miúdos e
graúdos devem ser totalmente envolvidos pela pasta de cimento. Para RIBEIRO,
“a falta de homogeneidade acarreta um sensível decréscimo da resistência
mecânica e da durabilidade”.
O concreto é um material não inerte, e está sujeito, ao longo do tempo, às
interações entre seus elementos constituintes e os agentes externos. Para
RIBEIRO, PINTO e STARLING “um concreto durável é aquele que resiste às
condições para o qual foi projetado, sem deterioração, por muitos anos”.
O processo de deterioração pode resultar em anomalias, podendo comprometer o
desempenho da estrutura, provocar efeitos estéticos indesejáveis e causar
desconforto psicológico ao usuário, além de altos custos para a sua recuperação.
A água é um dos principais agentes do processo de deterioração do concreto. O
ritmo desse processo será definido pela vulnerabilidade aos agentes externos
(presentes na água e no ar), ou seja, será diretamente proporcional à sua
permeabilidade. A durabilidade do concreto pode ser afetada por efeitos físicos
16
(como desgaste da superfície, fissuras causadas por pressão de cristalização de
sais nos poros ou exposição às baixas ou altas temperaturas) e por efeitos
químicos (lixiviação, reações álcalis-agregados, corrosão das armaduras e
reações expansivas envolvendo ataques por sulfatos).
4.1 Definição
A durabilidade abrange o estudo em diversas áreas, tais como Engenharia,
Materiais de Construção, Estatística, Química, Física, entre outras. Por isso,
definir durabilidade é tão complexo. Segundo MEHTA e MONTEIRO (2008), “uma
vida útil longa é considerada sinônimo de durabilidade”. Esta característica de
estruturas de concreto pode ser entendida como a vida útil para a qual a estrutura
foi projetada, perpetuando suas propriedades químicas e físicas, sua forma
original, a qualidade do material e a capacidade de utilização quando exposto ao
ambiente externo.
Já o fim da vida útil do material pode ser definido como o período em que suas
propriedades se deterioram devido à ação do meio ao qual ele está inserido,
chegando a um colapso estrutural, economicamente inviável de ser corrigido.
No conceito da Norma NBR 6118/2003,
“Durabilidade consiste na capacidade de a estrutura resistir às
influências ambientais previstas e definidas em conjunto pelo autor do
projeto estrutural e o contratante, no início dos trabalhos de elaboração
dos projetos.”
4.2 Importância
Atualmente, durabilidade, resistência e custo das estruturas vêm sendo tratadas
com igual importância. Como a durabilidade afeta diretamente o custo das
construções, a necessidade de reforço e reparo em estruturas tem feito com que
os engenheiros se conscientizem da importância do tema. Segundo HELENE
(2005), “pode-se afirmar que as correções serão mais duráveis, mais efetivas,
mais fáceis de executar e muito mais econômicas quanto mais cedo forem
executadas”.
A lei de Sitter (Figura 1) divide as etapas construtivas em quatro períodos: projeto,
execução, manutenção preventiva (efetuada nos cinco primeiros anos) e a
manutenção corretiva (efetuada após surgimento dos problemas). A lei diz que o
impacto dos custos de um erro detectado em cada uma destas etapas
construtivas corresponderá a um custo que segue uma progressão geométrica de
razão cinco.
FIGURA 1: Lei de evolução de custos, lei de Sitter. Fonte: HELENE, 2005.
Além disso, a conscientização sobre a utilização sustentável das matérias-primas
resulta em uma menor demanda de materiais para reposição. Quando materiais
duráveis são produzidos e reciclam-se os que já existem, diminuem-se os
impactos ambientais.
Por fim, outro aspecto a ser considerado é que, cada vez mais, o concreto é
exposto a ambientes muito agressivos, como plataformas marítimas, usinas
siderúrgicas, temperaturas criogênicas, recipientes para a manipulação de gases
liquefeitos e câmaras de reação a alta pressão na indústria nuclear.
4.3 Considerações Gerais
A deterioração do concreto está geralmente associada a mais de um fenômeno.
Entre os principais agentes de deterioração do concreto, podemos citar:
temperaturas; a água em todos os seus estados; agentes provenientes do ar;
gases (como, por exemplo, CO2, NO2, O2); agentes químicos (cloretos e sulfatos);
17
18
ação de sobrecargas na estrutura, abrasão, entre outros. É importante destacar
que mais de um agente de deterioração pode atuar simultaneamente no concreto.
A análise em separado de cada fenômeno de deterioração impede a percepção
da interação desses fenômenos na estrutura, o que pode levar a um erro de
diagnóstico da patologia.
O cimento utilizado na composição do concreto deve ser escolhido de acordo com
o volume a ser concretado, com o ambiente agressivo a que ele vai estar inserido,
entre outros aspectos, de acordo com a Tabela 4:
TABELA 4: Características do cimento Portland.
CIMENTO CARACTERÍSTICAS
CP I Cimento Portland comum Pode ser empregado em qualquer elemento estrutural.
CP II Cimento Portland composto
Existem variações, sendo: CP II-E – com escória: baixo teor de hidratação, baixo calor de hidratação, tempo de início de pega mais tardio, mais durabilidade em meio agressivo. CP II-Z – com pozolana: Tempo de início de pega mais tardio, melhor resistência aos sulfatos. CP II-F – com filer.
CP III Cimento Portland de alto forno
É o cimento Portland comum moído com escória de alto forno. - baixo calor de hidratação; - baixa resistência nas primeiras idades; - aumento da resistência em idades maiores; - tempo de início de pega mais tardio; - apresenta boa resistência a ambientes agressivos.
CP IV Cimento Portland pozolânico
- baixo calor de hidratação; - apresenta boa resistência a ambientes agressivos; - baixa resistência nas primeiras idades; - calor de hidratação baixo, é indicado para obras.
CP V Cimento Portland de alta resistência inicial
- não possui adição de escória ou pozolana; - é mais fino; - elevada resistência inicial; - elevado calor de hidratação.
Fonte: OLIVEIRA, C. A. S. – 2007.
19
4.4 Água como Agente de Deterioração
Encontrada em abundância na natureza sob a forma de água do mar, lençóis
subterrâneos, rios, lagos, chuva, neve e vapor, a água é o principal agente de
deterioração dos materiais. No concreto, a água pode ser encontrada na água de
amassamento, de lavagem dos agregados e a utilizada no processo de cura.
A água utilizada no amassamento deve estar livre de impurezas, como açúcar
(que atrasa o tempo de pega), matéria orgânica (como algas, por exemplo), óleos
(que reduz a resistência) e cloretos e sulfatos (que atacam os silicatos de cálcio e
as armaduras). O pH da água deve estar entre 6 e 9.
A água utilizada no processo de cura deve apresentar o mesmo padrão de
qualidade da água de amassamento. A cura é um processo extremamente
importante para a durabilidade das estruturas, uma vez que evita o fenômeno de
retração, impedindo que a água interna ao concreto não evapore antes de ser
completada a hidratação dos grãos de cimento. Quando o processo de cura é
ineficiente, o material final apresenta uma menor resistência, aumenta-se a
permeabilidade através do aparecimento de trincas e fissuras e,
conseqüentemente, a durabilidade é diminuída.
É importante garantir que a água de lavagem dos agregados seja eliminada,
dentro do possível, antes da composição do concreto, uma vez que essa água irá
alterar o traço previsto em projeto.
Nos solos, podem ser encontradas águas ácidas naturais, principalmente em
regiões pantanosas ou úmidas, onde se encontra grande decomposição de
matéria orgânica. A acidez destas águas naturais se deve à presença de anidrido
carbônico (CO2) dissolvido, encontrado em grande quantidade em águas
minerais, águas do mar e águas subterrâneas (com presença de decomposição
de material vegetal e animal). As águas ácidas também são encontradas em
regiões próximas a solos de aterros ou em lugares onde há armazenamento de
resíduos de minérios. Lugares onde existam resíduos agrícolas e industriais
(principalmente advindos da indústria alimentícia ou de processamento de
animais) podem gerar condições altamente ácidas.
Quando a água ácida entra no concreto, pode haver dois tipos de conseqüências.
Primeiramente, se os sais que serão formados forem insolúveis e expansivos, o
concreto pode vir a se deteriorar. Para o caso em que os produtos forem solúveis,
a porosidade do concreto pode aumentar gradativamente, acelerando o processo
de desgaste do material. (Figura 2)
FIGURA 2: Formação de sais solúveis e insolúveis através dos ácidos. Fonte: HELENE, 2005.
BAUER (2000) ensina que
“A nocividade dos ácidos varia com sua força. Os ácidos minerais
fortes, tais como ácido clorídrico, ácido nítrico, ácido sulfúrico, põem em
solução todos os constituintes do cimento com formação de sais de
cálcio, de alumínio e de ferro.
Os ácidos fracos, como, por exemplo, o ácido carbônico, não podem
formar sais senão com a cal, mas não com a alumina e o óxido de ferro,
de sorte que os hidróxidos de ferro e de alumínio subsistem.”
A Tabela 5 exemplifica ácidos que formam sais solúveis e insolúveis:
20
TABELA 5: Ataque ácido ao concreto.
Fonte: HELENE, 2005.
Todas as águas são agressivas ao concreto. Segundo RIPPER e SOUZA (1998),
alguns fatores são determinantes para definir se ela será mais ou menos
agressiva:
“... quando a água está em movimento, há variação freqüente do nível
da água, a temperatura da água é superior a 45ºC, a água está poluída
com produtos químicos ou por esgotos residenciais e as peças de
concretos são delgadas. (...)
As águas quimicamente puras, tais como a água da chuva (exceto a
chuva ácida) e a água de poços em regiões silicosas, não contêm sais
dissolvidos e, por isto, tendem a agredir o concreto, tornando-o mais
poroso e diminuindo, consequentemente, a sua resistência.”
Como as águas possuem moléculas muito pequenas, penetram em poros
extremamente finos. É o principal solvente e, devido à presença de íons e gases
em algumas águas, estas são capazes de decompor quimicamente um material
sólido. MEHTA e MONTEIRO ensinam que “a água possui maior temperatura de
evaporação entre os líquidos comuns, por isso ela permanece líquida dentro de materiais
ao invés de evaporar e deixar o material seco.”
21
22
4.5 Permeabilidade
A água é essencial para as estruturas de concreto desde o começo do processo,
onde ela atua hidratando o cimento e dando a trabalhabilidade necessária para
sua confecção. Com o passar do tempo e de acordo com as condições
ambientais, a água evaporável do concreto será perdida, deixando os poros
vazios ou não saturados. Este processo pode criar microfissuras internas ao
concreto, que seria o caminho que a água percorreu para sua evaporação. Após a
secagem do concreto, se houver pouca ou nenhuma água evaporável no material,
este não será passível de fenômenos deletérios relacionados à água.
Permeabilidade, segundo MEHTA e MONTEIRO, é definida como “a propriedade que
governa a taxa de fluxo de um fluido para o interior de um sólido poroso”.
4.5.1 Permeabilidade do concreto
O concreto é necessariamente um material poroso. A interação entre pasta de
cimento e agregados produz uma zona de transição no concreto. A exsudação
será alterada de acordo com o tamanho e a granulometria dos agregados,
alterando a resistência nestes pontos. Por exemplo, na fase de hidratação do
concreto, a transição entre os materiais é fraca à fissuração, devido à retração do
material e às cargas aplicadas. Por isso a permeabilidade é maior em materiais
compostos por agregados, do que na pasta de cimento. Estas fissuras da fase de
transição são mais largas que a da pasta de cimento, aumentando a
permeabilidade do concreto como um todo.
Tanto a resistência do material quanto a sua permeabilidade estão associadas
através da porosidade capilar, de acordo com a Figura 3, e são inversamente
proporcionais. Existem várias formas para reduzir a permeabilidade do concreto:
reduzir a relação água/cimento, lançar o material de acordo com procedimentos
normativos, controlar o processo de cura rigorosamente, controlar o tamanho e a
granulometria do agregado, impedir aplicação de cargas em fases prematuras,
etc. Todas essas recomendações previnem o aparecimento de microfissuras
internas na zona de transição, fazendo com que o material possua uma menor
permeabilidade.
FIGURA 3: Influência da relação água/cimento e do grau de hidratação sobre a resistência e a
permeabilidade. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 1994.
4.6 Classificação das Causas da Deterioração do Concreto
As causas físicas de deterioração do concreto são classificadas, de acordo com
MEHTA e MONTEIRO, citando GERWICK, pela Figura 4.
De acordo com a Figura 4, as causas químicas de deterioração do concreto
podem ser classificadas em três categorias:
• Hidrólise dos componentes da pasta de cimento por água pura
• Trocas iônicas entre fluidos agressivos e a pasta de cimento
• Reações causadoras de produtos expansíveis (expansão por sulfatos,
reação álcali-agregado, corrosão da armadura do concreto).
23
FIGURA 4: Causas físicas da deterioração do concreto. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 2008.
4.7 Deterioração por Desgaste Superficial
Existem três processos que provocam o desgaste superficial do material, fazendo
com que ele perca massa:
• Por abrasão: desgaste por atrito seco (desgaste por tráfego de veículos)
• Por erosão: desgaste pela ação abrasiva de fluidos com partículas sólidas
(vertedouros, tubulação para transporte de água e esgoto, etc.)
• Por cavitação: desgaste pela ação de bolhas de vapor. À medida que fluem
na água e entram em uma região de maior de maior pressão, elas
implodem com grande impacto pela entrada de água a alta velocidade nos
espaços antes ocupados pelo vapor, causando severas erosões
localizadas.
O concreto é um material sensível ao desgaste superficial, pois seus constituintes
não possuem alta resistência ao desgaste. Este processo se agrava quando a
pasta de cimento possui uma baixa resistência e alta porosidade e o agregado
não é resistente ao desgaste. A Figura 5 nos mostra a relação entre fator
água/cimento e a resistência do concreto à abrasão. De acordo com as
conclusões do Comitê 201 do American Concrete Institute, citadas por MEHTA e
MONTEIRO, para obter resistência à abrasão em superfícies de concreto, a
24
resistência à compressão do concreto deve ser no mínimo de 28 MPa. Uma
resistência adequada pode ser obtida utilizando uma baixa relação água/cimento,
granulometria apropriada de agregados graúdos e miúdos e baixa consistência
para lançamento e adensamento.
FIGURA 5: Influência da relação água/cimento e tipo do agregado da deterioração por abrasão-
erosão no concreto. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 1994.
Fluidos com sólidos em suspensão, pela ação de colisão, escorregamento ou
rolagem das partículas, causarão o desgaste superficial. O material vai se
desgastar em função de vários fatores, como porosidade e resistência do
concreto, além de algumas características dos sólidos em suspensão, como sua
velocidade, tamanho, quantidade, massa específica e dureza. Para condições de
graves erosões, recomenda-se a utilização de agregados com alta dureza, que o
concreto possua aos 28 dias uma resistência à compressão mínima de 41 MPa,
além de ser feito o processo de cura correto antes de se colocar a estrutura ativa.
Algumas ações podem ser tomadas para aumentar a durabilidade do concreto à
abrasão ou erosão. Como o desgaste é superficial, o concreto na superfície deve
ser de alta qualidade, evitando a nata (camada de finos de cimento e agregado).
Os pavimentos e pisos industriais, sujeitos a altos carregamentos, devem ser
devidamente projetados para obterem uma boa camada superficial, feita com uma
baixa relação água/cimento e agregados de alta dureza. A adição de alguns
materiais nesta camada superior pode melhorar o desempenho ao desgaste,
como endurecedores minerais e/ou químicos, ou a utilização de concretos
25
26
especiais (por exemplo, com fibras de aço). Podemos citar como opções, aditivos
de látex ou superplastificantes e microssílicas.
Um concreto de qualidade, que atenda às condições de durabilidade à abrasão ou
erosão, não será eficaz para o desgaste por cavitação. Para solucionar problemas
devido à cavitação deve-se optar por remover a causa do desgaste.
4.8 Cristalização de Sais nos Poros
Algumas estruturas, quando submetidas à perda de umidade, por um lado, e que
estiverem em contato, do outro lado, por soluções contendo sal, podem se
deteriorar pela cristalização dos sais nos poros. O grau de deterioração será
medido de acordo com a localização da cristalização, determinada pela taxa de
água que evapora e a taxa de sal que entra na microestrutura. Para taxas de
evaporações menores que as taxas de fornecimento de água, a cristalização do
sal ocorrerá na superfície externa, sem causar danos à estrutura.
Quando a taxa de migração da solução de sal dentro do material é mais lenta que
a velocidade de reposição, a cristalização do sal ocorrerá internamente à
estrutura, o que pode resultar em uma expansão do material, causando
descamamento ou lascamento.
4.9 Ação do Congelamento
Em lugares onde o clima é mais frio, a estrutura de concreto pode sofrer a ação
do congelamento, onde a eventual deterioração gera um alto custo de reparo. A
deterioração do concreto por congelamento pode estar associada à
microestrutura do material, mas também à ação de condições ambientais
específicas.
Os danos mais comuns causados pela ação do ciclo gelo-degelo são as fissuras e
lascamento do concreto, oriundos da expansão da pasta de cimento.
27
Uma solução eficiente para reduzir o congelamento do material tem sido a
incorporação de ar através da utilização de aditivos específicos.
4.10 Efeito do Fogo
Incluído nos projetos multidisciplinares de Engenharia, está o projeto de combate
ao incêndio. O fogo é um agente agressivo e perigoso, e as estruturas de
madeira, aço e plásticos não possuem boa resistência a grandes incêndios. O
concreto, ao contrário, não é combustível e não emite gases tóxicos quando
exposto às altas temperaturas, embora seja um compósito, em que cada um de
seus constituintes vai reagir de forma diferente à ação do fogo. Estruturas em
concreto suportam temperaturas da ordem de 700 a 800ºC conservando
resistência suficiente em um tempo hábil para que os resgates sejam feitos sem o
colapso da estrutura. Essa segurança já não pode ser considerada em estruturas
de aço, por exemplo.
Vários fatores são responsáveis pela resistência do concreto ao fogo, dentre os
quais se destacam:
• A composição do concreto, pois tanto a pasta de cimento quanto o
agregado são constituintes que se decompõem com altas temperaturas;
• A permeabilidade do concreto, o tamanho do elemento e a taxa de
aumento da temperatura são importantes, pois determinam as pressões
internas geradas pelos produtos de decomposição gasosa.
4.10.1 Efeito da alta temperatura na pasta de cimento hidratada
O aumento de temperatura na pasta de cimento hidratada depende do grau de
hidratação e do estado de umidade. Uma pasta de cimento Portland bem
hidratada é formada principalmente por silicatos de cálcio hidratados (C-S-H),
hidróxido de cálcio e sulfoaluminatos de cálcio hidratados. Quando a pasta está
saturada, ela terá grande quantidade de água livre, água capilar e água
adsorvida. Com o aumento da temperatura, os tipos de água são perdidos
28
rapidamente, e a temperatura do concreto aumentará somente quando toda a
água evaporável tiver sido removida.
Quando a taxa de aquecimento for alta e a permeabilidade da pasta de cimento
for baixa, a presença de grande quantidade de água evaporável pode causar
danos ao concreto. Estes danos aparecerão sob a forma de lascamentos
superficiais, ocasionados pela pressão de vapor dentro do material.
4.10.2 Efeito da alta temperatura no agregado
Algumas características do agregado, como sua porosidade e mineralogia,
exercem uma importante influência sobre o concreto exposto às altas
temperaturas. Características como a taxa de aquecimento e dimensão,
permeabilidade e umidade do agregado, implicarão em uma expansão destrutiva
do agregado. Quando eles possuem baixa porosidade, podem ficar livres de
problemas relacionados a movimento da umidade interna.
Os agregados silicosos que contêm quartzo (granito ou arenito) podem danificar o
concreto a uma temperatura de 573ºC, pois, nesta temperatura, a transformação
do quartzo de α para β resulta em uma expansão da ordem de 0,85%. Para
rochas carbonáticas, situação idêntica ocorre acima de 700ºC, resultado da
reação de descarbonatação. A transformação de fase do material, a sua
decomposição térmica e a mineralogia do agregado determinam como o concreto
vai reagir ao fogo. MEHTA e MONTEIRO (2008) exemplificam que “a mineralogia
do agregado determina as expansões térmicas diferenciais entre o agregado e a
pasta de cimento e a resistência última da zona de transição na interface.”
4.10.3 Efeito da alta temperatura no concreto
Corpos-de-prova de concreto primeiramente com resistência na faixa de 27 MPa,
submetidos a temperaturas de até 870ºC com curta duração, são avaliados
segundo a resistência à compressão (Figura 6). A análise é feita segundo o tipo
de agregado (carbonático, silicoso ou leve de argila expandida) e condições de
ensaio, divididas em três etapas: corpo-de-prova “aquecido sem prévio
carregamento e ensaiado quente; aquecido com carregamento equivalente ao
29
nível de tensão de ruptura de 40% e ensaiado quente; e ensaiado sem
carregamento prévio após resfriamento em temperatura ambiente”. (MEHTA e
MONTEIRO, 2008)
Para os corpos-de-prova aquecidos sem carregamento prévio e ensaiados
quentes (Figura 6a), os que contêm agregado de origem carbonática e agregado
arenoso leve (considerando que 60% do agregado miúdo foi substituído por areia
natural), conseguem reter mais de 75% da resistência inicial a temperaturas de
650ºC. Os corpos-de-prova contendo agregados silicosos, a uma mesma
temperatura, conseguem reter apenas 25% da resistência inicial e conservam
75% da resistência original apenas até a temperatura de 427ºC. Segundo MEHTA
e MONTEIRO (2008),
“o melhor desempenho dos concretos contendo agregado carbonático
ou agregado leve frente a uma temperatura mais alta de exposição
pode ser devido à zona de transição na interface mais forte quanto à
menor diferença nos coeficientes de dilatação térmica entre a matriz
argamassa e o agregado graúdo.”
Para os corpos-de-prova aquecidos com carregamento prévio e ensaiados
quentes (Figura 6b), as resistências superaram em 25% os valores encontrados
para o ensaio sem o carregamento, mas a superioridade dos concretos
constituídos por agregados carbonáticos ou leves ainda está em evidência.
Corpos-de-prova sem carga, aquecidos a 650ºC e ensaiados quentes (a), mostram que o concreto que contém agregado de calcário ou agregado leve mantém 75% da resistência original, enquanto que o concreto contendo agregado silicoso mantém apenas 25% da sua resistência. Quando carregados a 40%da sua resistência (b), uma tendência semelhante foi observada, embora todas as resistências tenham ficado cerca de 25% mais altas. No entanto, de acordo com a Figura 4c, independentemente do tipo de agregado, todos os concretos mostraram considerável perda de resistência no resfriamento. FIGURA 6: Efeito do tipo de agregado e condições de ensaio sobre a resistência ao fogo. Fonte:
MEHTA e MONTEIRO, 2008, citando ABRAMS, M.S., Temperature and Concrete, ACI SP-25, pp.
33-58, 1973.
Já o efeito da mineralogia do agregado na resistência do material (Figura 6c) foi
reduzido significativamente para corpos-de-prova ensaiados após resfriamento a
21ºC, provavelmente devido a uma microfissuração da zona de transição na
interface, resultado de uma retração térmica. “Esta microfissuração provoca um
30
31
efeito mais danoso sobre a resistência à flexão e módulo de elasticidade do que
sobre a resistência à compressão do concreto”. (MEHTA e MONTEIRO, 2008)
Para concretos com resistência entre 23 e 45 MPa, a resistência inicial do
material não influiu significativamente na porcentagem de resistência à
compressão que o material obtinha após a exposição de altas temperaturas.
4.10.4 Efeito do concreto de alta resistência exposto ao fogo
Pesquisas demonstram que o concreto de alta resistência possui comportamento
diferente do concreto de resistência normal. O concreto de alta resistência é mais
sensível a altas temperaturas, possuindo uma maior tendência de lascamentos
explosivos. As normas existentes para projeto de incêndio levam em
consideração o concreto convencional, podendo não ser estas normas adequadas
à utilização do concreto de alta resistência, pois os procedimentos não
consideram possibilidade desse processo de lascamento explosivo. Pesquisas
demonstram que alguns fatores influenciam nesta característica, como as
condições de carregamento, as dosagens do concreto, a resistência à
compressão original e o teor de umidade.
O lascamento do concreto de alta resistência pode reduzir a capacidade estrutural
e até prejudicar as atividades de combate ao incêndio e resgate. A tendência ao
lascamento aumenta proporcionalmente com o teor de umidade, com a
impermeabilidade do concreto, com a tensão de compressão por carregamento
externo, com a elevação da temperatura, com a distribuição assimétrica de
temperatura e com a concentração de armaduras e é inversamente proporcional
às seções transversais. Os mecanismos de lascamento estão associados às
pressões de vapor, às tensões geradas por cargas térmicas e variações
volumétricas devido à transformação de fase no agregado.
O lascamento explosivo tem como principal agente a alta pressão nos poros, já
que não é um processo comum em concretos secos. Quando surgem fissuras nos
concretos de alto desempenho, elas diminuem a pressão nos poros, pois o vapor
passa a ganhar espaço. Os concretos de alto desempenho são mais susceptíveis
32
ao desenvolvimento de fissuração frágil e, como conseqüência, ao lascamento
explosivo quando expostos a altas temperaturas.
4.11 Deterioração do Concreto por Reações Químicas
Geralmente a deterioração química do concreto é causada pela reação química
direta dos agentes externos com os constituintes da pasta de cimento. Mas pode
ocorrer deterioração química internamente ao concreto, como é o caso da reação
álcali-agregado (reação entre os álcalis que existem na pasta de cimento com
alguns minerais reativos do agregado), a hidratação tardia do CaO e MgO
cristalinos, quando em excesso no cimento Portland, e a formação de etringita
tardia.
A fase sólida de um cimento Portland bem hidratado inclui hidratos de cálcio
relativamente insolúveis (como o C-S-H, CH e C-A-S-H). Esta fase sólida fica em
equilíbrio estável com a solução dos poros de alto pH. O pH do concreto vai variar
entre 12,5 e 13,5, de acordo com a concentração de íons de Na+, K+, OH-. Como
é um meio básico, o concreto estará em desequilíbrio quando exposto a um meio
ácido.
Para o concreto, qualquer ambiente com pH menor que 12,5 será agressivo, pois
a redução da alcalinidade da solução dos poros desestabilizará os produtos de
hidratação dos materiais cimentícios. Por isso, tanto águas naturais ou águas
provenientes de indústrias serão agressivas ao concreto. Já a taxa de ataque
químico ao concreto será função da permeabilidade do concreto e do pH do fluido
em questão. Para baixas permeabilidades do concreto com pH do agente
agressivo maior que 6, a taxa de ataque químico será muito lenta para ser
considerada. Alguns agentes são nocivos ao concreto e diminuem o seu pH
abaixo de 6: o CO2 livre em águas puras e estagnadas; íons ácidos como SO42- e
Cl- presentes em águas subterrâneas e marinhas e íons H+ em algumas águas
industriais.
Os ataques químicos ao concreto se manifestam através de efeitos físicos
nocivos (diminuição da resistência, fissuração e lascamento, aumento da
porosidade e permeabilidade). Os processos químicos e físicos de deterioração
do concreto podem ocorrer simultaneamente no concreto, podendo um processo
até desencadear o outro. A Figura 7 mostra a divisão dos processos de
deterioração do concreto por reações químicas em três subgrupos. Os fenômenos
mais comuns são: ataque por sulfato, reação álcali-agregado e corrosão das
armaduras, responsáveis por grande quantidade de deterioração em estruturas de
concreto.
A: ataque de água mole no hidróxido de cálcio e C-S-H presentes nos cimentos Portland hidratados; B(I): solução ácida formando componentes solúveis de cálcio, como cloreto de cálcio, sulfato de cálcio, acetato de cálcio ou bicarbonato de cálcio; B(II): soluções de ácido oxálico e seus sais, formando oxalato de cálcio; B(III): ataque de longa duração de água do mar enfraquecendo o C-S-H pela substituição de Ca2+ por Mg2+; C: ataque por sulfato formando etringita e gesso, reação álcali-agregado, corrosão da armadura no concreto, hidratação de MgO e CaO cristalinos. FIGURA 7: Tipos de reações químicas responsáveis pela deterioração do concreto. Fonte:
MEHTA, 2008.
4.11.1 Hidrólise dos componentes da pasta de cimento
Águas subterrâneas, chamadas também de águas duras, são águas de lagos e
rios que, como contêm pequenas quantidades de cloretos, sulfatos e bicarbonatos
de cálcio e de magnésio, não atacam o concreto. Já a água pura da condensação
da neblina ou do vapor de água e a água mole da chuva ou da neve e do gelo
derretidos não contêm quase nenhum íon de cálcio. Quando em contato com a
pasta de cimento, estas águas tendem a hidrolisar ou dissolver os produtos que
contêm cálcio. A hidrólise da pasta de cimento será interrompida quando a
33
34
solução de contato atingir o equilíbrio químico. Mas no caso de água corrente ou
de infiltração sob pressão, ocorrerá uma diluição da solução de contato,
favorecendo a continuidade do processo de hidrólise.
Um dos constituintes da pasta de cimento mais susceptível ao processo de
hidrólise é o hidróxido de cálcio, pois possui alta solubilidade em água pura (1230
mg/l). A hidrólise se manterá até que grande parte do hidróxido de cálcio seja
eliminada do concreto por meio da lixiviação. Sendo assim, a pasta de cimento se
torna mais sujeita à decomposição química, gerando géis de sílica e alumina com
pouca ou nenhuma resistência.
A lixiviação do hidróxido de cálcio não é prejudicial somente pela perda da
resistência do concreto, mas proporciona também problemas estéticos. Quando o
material lixiviado entra em contato com o ar, interage com o CO2 e forma uma
crosta esbranquiçada de carbonato de cálcio na superfície da estrutura,
conhecido como eflorescência.
4.11.2 Reações de troca catiônica
Existem três tipos de reações deletérias desencadeadas pela troca de cátions.
Estas reações podem ocorrer entre soluções químicas agressivas e componentes
da pasta de cimento:
a) Formação de sais solúveis de cálcio;
b) Formação de sais de cálcio insolúveis e não expansivos;
c) Ataques químicos por soluções contendo sais de magnésio.
a) Formação de sais solúveis de cálcio: As soluções ácidas contendo ânions são
encontradas com grande freqüência em ambientes industriais, responsáveis pela
formação de sais solúveis de cálcio. Podemos citar como exemplos efluentes da
indústria química, que contêm ácido clorídrico, sulfúrico ou nítrico. Ácidos acético,
fórmico ou lático são encontrados em muitos produtos alimentícios. Águas
naturais com alta concentração de CO2 e refrigerantes possuem ácido carbônico,
H2CO3. A troca de cátions entre os constituintes da pasta de cimento Portland e
as soluções ácidas desencadeia um aumento de sais solúveis de cálcio, como o
35
cloreto de cálcio, acetato de cálcio e bicarbonato de cálcio, que são transportados
por lixiviação.
A troca de cátions entre o ácido carbônico e o hidróxido de cálcio presentes na
pasta de cimento Portland hidratada ocorre da seguinte forma:
Ca(OH)2 + H2CO3 → CaCO3 + 2H2O (1)
CaCO3+ CO2 + H2O → Ca(HCO3)2 (2)
Com a precipitação do carbonato de cálcio, que é insolúvel, a primeira reação
termina, a menos que haja CO2 livre na água. O CO2 vai auxiliar o processo de
hidrólise do hidróxido de cálcio, transformando o carbonato de cálcio em
bicarbonato solúvel. Como a equação é reversível, é necessário que exista certa
quantidade de CO2 para manter a equação em equilíbrio. Se a taxa de CO2 tiver
acima do necessário pra equilibrar a equação, este excesso será nocivo à pasta
de cimento. Este teor de CO2 está relacionado com a dureza da água, ou seja, à
quantidade de cálcio e magnésio na água.
b) Formação de sais de cálcio insolúveis e não-expansivos: a formação se dá
através da interação entre ânions presentes em água potencialmente agressivas
e a pasta de cimento. A reação entre o hidróxido de cálcio e alguns ácidos, como
o oxálico, fosfórico, tartárico, hidrofluórico, tânico (C76H52O46) ou húmico, é um
exemplo desse produto. Somente causará dano ao concreto quando esse produto
for expansivo ou transportado por água.
c) Ataques químicos por soluções contendo sais de magnésio: efluentes
industriais freqüentemente possuem bicarbonato, cloreto e sulfato de magnésio,
assim como as águas marítimas e subterrâneas. No contato com a pasta de
cimento, estes reagem com o hidróxido de cálcio, originando os sais de cálcio
solúveis. A solução MgSO4 age agressivamente na pasta de cimento, atacando os
hidratos contendo alumina. Quando esta solução de magnésio permanece por um
longo período na pasta de cimento, a reação age no silicato de cálcio hidratado
(C-S-H), a pasta de cimento vai substituindo o íon de cálcio pelo de magnésio.
Como produto dessa interação tem-se o silicato de magnésio hidratado, fazendo
com que o material perca suas características cimentícias.
36
4.12 Reações Envolvendo a Formação de Produtos Expansivos
Ataque por sulfato, hidratação tardia de CaO e MgO livres, reação álcali-agregado
e corrosão da armadura do concreto são as principais reações químicas
expansivas. Estas reações podem, a princípio, não causar nenhum problema à
estrutura, mas o aumento das tensões internas pode ocasionar problemas
patológicos graves à estrutura.
4.12.1 Ataque por sulfato
Não é difícil encontrar águas potencialmente deletérias ao concreto por efeito de
sulfatos. O sulfato está presente em muitos tipos de solo na forma de gipsita
(CaSO4 . 2H2O) em pequenas quantidades, sendo inofensivo ao concreto. A
concentração de sulfatos em águas subterrâneas aumenta devido à presença
sulfato de magnésio, sódio e potássio. Em águas agrícolas, é freqüente a
ocorrência de sulfato de amônia. Ácido sulfúrico pode estar presente em efluentes
de fornos (combustível com alto teor de enxofre) e de indústria química. Através
da decomposição de matéria orgânica em pântanos, poços de mineração e
tubulação de esgoto, o gás H2S é formado e, reagindo com bactérias, forma o
ácido sulfúrico.
O ataque por sulfato se manifesta na forma de expansão e fissuração do
concreto, ou pela diminuição progressiva de resistência e perda de massa.
Através das fissuras, os agentes deletérios entram no material com uma maior
facilidade, acelerando o processo de deterioração.
Reações químicas no ataque por sulfato
Quando o cimento Portland hidratado possui alumina (C3A), o concreto estará
mais vulnerável à ação de sulfatos. Para uma concentração maior que 5% de C3A
potencial, a alumina estará na forma de monossulfato hidratado (C3A. CS.H18). Se
a concentração ultrapassar 8%, os produtos hidratados conterão C3A. CH.H18.
Quando o hidróxido de cálcio da pasta de cimento hidratada entra em contato
com os íons sulfato, os hidratos que contêm alumina se transformam em etringita
(C3A. 3CS.H32), de acordo com a equação abaixo:
C3A. CH.H18 + 2CH + 3S + 11H → C3A. 3CS.H32 (etringita) (3)
37
C3A. CS.H18 + 2CH + 2S + 12H → C3A. 3CS.H32 (etringita) (4)
O efeito de expansão causado pela formação de etringita pode ser conseqüência
da pressão exercida pelo crescimento dos cristais oi pela adsorção de água em
meio alcalino.
O hidróxido de cálcio e o C-S-H na pasta de cimento hidratado podem se
transformar em gipsita, variando com os cátions da solução de sulfato (Na+, K+,
Mg2+), de acordo com a equação abaixo:
Na2SO4 + Ca(OH)2 + 2H2O → CaSO4. 2H2O + 2NaOH (5)
(o subproduto hidróxido de cálcio garante a alcalinidade necessária para
estabilizar o produto da hidratação, C-S-H)
MgSO4 + Ca(OH)2 + 2H2O → CaSO4. 2H2O + Mg(OH)2 (6)
(os subprodutos são a gipsita e hidróxido de magnésio, que é insolúvel e reduz a
alcalinidade do sistema)
3MgSO4 + 3CaO. 2SiO2. 3H2O + 8H2O → 3(CaSO4. 2H2O) + 3Mg(OH)2 + 2SiO2.
H2O (7)
(não contendo íons hidroxila na solução, o C-S-H também é atacado pelo sulfato)
Formação de etringita tardia (DEF)
A formação de etringita tardia ocorre quando a fonte de íons de sulfato é interna
ao concreto. Esse fenômeno irá ocorrer quando o concreto for confeccionado com
um cimento com alto teor de sulfato ou quando o agregado estiver contaminado
com gipsita. (Figura 8).
A expansão na pasta causada pela formação de etringita tardia origina fissuras na pasta e na interface pasta-agregado. Subseqüentemente, a etringita se recristaliza nas fissuras a partir de cristais submicroscópicos dispersos ao longo de toda a pasta de cimento. FIGURA 8: (a) Representação diagramática da expansão de argamassa ou concreto causada pela
formação de etringita tardia. (b) Micrografia obtida por microscopia eletrônica de varredura de uma
argamassa atacada por DEF. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 2008.
A Figura 9 ilustra a formação de etringita tardia, em conseqüência alta
permeabilidade do concreto, por onde o sulfato tardio é liberado e transportado
pelo concreto por meio da água.
FIGURA 9: Enfoque holístico para expansão e fissuração por formação de etringita tardia. Fonte:
MEHTA e MONTEIRO, 2008.
38
39
Controle do ataque por sulfato
Os fatores que influenciam o ataque por sulfato são: a quantidade e natureza do
sulfato (sua concentração); o nível da água e sua variação sazonal; porosidade do
solo e o fluxo da água subterrânea; a forma de construção e a qualidade do
concreto (tipo de cimento empregado). Como é impossível impedir que a água
com sulfato entre em contato com o concreto, a única forma de controlar o ataque
de sulfato é atuando na qualidade do concreto, ou seja, na permeabilidade do
material.
Segundo HELENE, “concretos de baixa permeabilidade, com baixa relação
água/cimento, bem adensados e bem curados, são pouco suscetíveis de serem
atacados por sulfato”.
Estruturas de concreto submetidas totalmente à ação da água com sulfato (como
fundações e estacas) serão menos prejudicadas que estruturas que estão sujeitas
à evaporação da água por pelo menos uma das faces (como muros de arrimo ou
galerias).
Favorecer a baixa permeabilidade do concreto será primordial para a proteção ao
ataque por sulfeto. Para garantir essa baixa permeabilidade devemos garantir
uma espessura adequada para a peça de concreto, utilizar um alto consumo de
cimento e uma baixa relação água/cimento, adensar e curar o concreto de acordo
com especificações técnicas. A utilização de cimento resistente à ação de sulfato
ou compostos pode amenizar os efeitos advindos de fissurações devido à
retração, congelamento, corrosão da armadura ou outro fenômeno de
deterioração do concreto. (Figura 10).
A deterioração do concreto devido a ataque por sulfato pode ser controlada pelo consumo de cimento (A/C), tipo de cimento e aditivos minerais. Os resultados de um estudo de longo prazo com corpos-de-prova de concreto expostos a solo sulfatado (contendo 10% de Na2SO4) em Sacramento, Califórnia, revelaram (figura à esquerda) que a baixa permeabilidade do concreto (alto consumo de cimento) era mais importante na redução da taxa de deterioração do que o teor de C3A no cimento. A figura à direita mostra que, no caso de um cimento Portland com alto teor de C3A, a adição de aditivos minerais (cinzas volantes) oferece uma alternativa pra controlar o ataque por sulfato, reduzindo o teor efetivo de C3A no material cimentício total. FIGURA 10: Efeitos do tipo e consumo de cimento e da adição de cinzas volantes sobre o ataque
por sulfato ao concreto. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 2008.
4.12.2 Reação álcali-agregado
Os álcalis presentes na pasta de concreto, junto com íons hidroxila e alguns
minerais silicosos podem reagir fissurando o concreto devido à expansão
provocada, além da perda de resistência e módulo de deformação. Esta reação
química é conhecida como reação álcali-agregado ou álcali-sílica (RAS).
Esta é uma patologia muito comum em estruturas de concreto, especialmente
aquelas que se encontram em ambientes úmidos, como pilares de pontes,
barragens e quebra-mares. A intensidade desta manifestação será função da
quantidade dos agentes, do tamanho e tipo dos agregados, da presença de
umidade e da temperatura do ambiente.
40
41
Cimentos e agregados que contribuem para a reação álcali-agregado
Os álcalis presentes no cimento Portland têm origem em sua fabricação. A
quantidade de Na2O presente no cimento varia entre 0,2 e 1,5%, e determina o
pH dos concretos, geralmente entre 12,5 e 13,5, sendo um material alcalino.
Cimentos que contenham mais de 0,6% de Na2O, cimentos de alta alcalinidade,
quando em contato com agregados reativos, podem gerar uma grande expansão
devido à reação álcali-agregado. Já os cimentos com menos de 0,6% de Na2O
são considerados inofensivos ao concreto em função da reação álcali-agregado,
independentemente se o agregado é reativo ou não. No caso em que a estrutura
utiliza um consumo muito alto de cimento, mesmo valores menores que 0,6% de
Na2O podem desencadear a patologia.
A concentração de íons hidroxila, devido à grande quantidade de hidróxido de
cálcio na pasta de cimento hidratada, permanece alta mesmo para cimentos de
baixa alcalinidade. Conseqüentemente, a expansão será função da pequena
quantidade de íons alcalinos, a não ser que exista outra fonte de íons, como
aditivos ou adições contendo álcalis, agregado contaminado por água do mar e
sal, solução de degelo contendo cloreto de sódio que possa estar presente no
concreto.
O agregado reativo, que contém silicatos, sílica hidratada, filitos, quartzitos,
formas amorfas ou minerais de sílica, pode reagir com as soluções alcalinas em
função do tempo, da temperatura e do tamanho das partículas. Alguns minerais
são considerados inofensivos à reação álcali-agregado, como feldspatos,
anfibólios, micas, quartzo, piroxênios (constituintes do granito, gnaisse, xisto,
arenito e basalto). Outros minerais, como a opala, obsidiana, cristobalita, tridimita,
calcedônia, chert, andesita, riolito e quartzo tensionado ou metamórfico, são
considerados reativos ao concreto, em ordem decrescente de reatividade. A
Tabela 6 mostra uma tabela com os constituintes responsáveis pela deterioração
do concreto pela reação álcali-agregado.
TABELA 6: Rochas, minerais e constituintes sintéticos reativos deletérios.
Fonte: MEHTA, 2008.
Mecanismos de expansão
De acordo com o grau de desordem na estrutura do cristal do agregado, do
tamanho do grão e da porosidade, formam-se géis silicatos alcalinos na presença
de hidroxila e íons alcalinos. Quando esse gel entra em contato com a água,
expande-se pela absorção de uma grande quantidade de água por osmose.
Quando o grau de restrição do sistema é baixo, pode-se desenvolver uma
pressão hidráulica suficiente para gerar uma expansão e fissuração das partículas
afetadas do agregado e da pasta de cimento em torno do agregado.
Os géis, solúveis em água, se deslocam dentro do agregado e do concreto
através de microfissurações. A água contínua no concreto faz com que essas
microfissurações se estendam até a superfície do concreto, conhecido como
fissuras mapeadas.
Nem sempre a fissuração é sintoma somente da reação álcali-agregado. A
principal causa da fissuração deve ser investigada cautelosamente, analisando 42
43
também se houve um aumento de tensões internas nos concreto, qual a
dimensão e o tipo de agregado utilizado ou a própria composição química do gel
formado.
Controle de expansão
Os principais fatores que desencadeiam a reação álcali-agregado são:
• o teor de álcalis no cimento e o consumo de cimento do concreto;
• a presença de íons alcalinos devido a outras fontes, como aditivos, adições
e agregados contaminados com sal, além da penetração da água do mar
ou solução de sais de degelo no concreto;
• características dos constituintes reativos do agregado, como a quantidade,
dimensão e reatividade;
• presença de água na estrutura de concreto e a temperatura do ambiente.
Se existirem somente íons alcalinos no cimento e houver a suspeita de
constituintes reativos no agregado, a melhor forma de prevenir a reação álcali-
agregado é utilizando um cimento Portland de baixa alcalinidade (com menos de
0,6% de Na2O).
Quando houver a necessidade de utilizar no concreto areia de praia ou areia e
cascalho retirados do mar, deve-se ter o cuidado de lavá-los com água doce para
garantir que o teor alcalino total da composição cimento e agregado não exceda
3kg/m3. No caso da indisponibilidade de cimento Portland de baixa alcalinidade,
pode-se reduzir o teor de álcalis no concreto substituindo parte do cimento de alta
alcalinidade por adições cimentícias ou pozolânicas, como a escória de alto forno
moída, sílica ativa ou cinza volante. Os álcalis que estão presentes em escórias e
pozolanas naturais são insolúveis em ácido e provavelmente não vão reagir com
o agregado.
No caso de adições pozolânicas, além da diminuição do teor efetivo de álcalis, o
resultado é um produto menos expansivo com alta reação sílica/álcalis.
Outra opção para diminuir a expansão do concreto é amenizar a reatividade do
agregado reativo, substituindo parte dele, cerca de 30%, por calcário ou outro
44
agregado não reativo, quando economicamente viável. Como a presença de água
contínua é essencial para a expansão deletéria do concreto, excluí-la do concreto
pode fazer com que não ocorra a reação álcali-agregado, mesmo na presença de
agregados reativos e alta alcalinidade do cimento.
Hidratação de MgO e CaO cristalinos
A grande quantidade de MgO e CaO no cimento hidrata, podendo expandir e
fissurar o concreto. Esta reação expansiva ocorre quando o óxido de magnésio
cristalino estiver na forma de pericálcio, para variações de temperatura do
clínquer abaixo de 1400ºC. É uma hidratação lenta, que pode levar o concreto já
endurecido à fissuração. Para o CaO, a reação expansiva ocorre quando a cal
livre é hidratada, sendo um fenômeno menos comum devido à pequena
porcentagem na composição do cimento.
Por isso, deve ser feito um controle da quantidade destes elementos no cimento.
A Standard Specification for Portland Cement (ASTM C 150), exige um teor
máximo de 6% de MgO no cimento. Já o teor de CaO livre ou não combinado no
clínquer raramente excede 1%, de acordo com os controles de qualidade
melhores na fabricação do clínquer do cimento Portland.
4.13 Corrosão do Aço de Armadura no Concreto
O processo de corrosão só é possível na presença simultânea de um eletrólito,
uma diferença de potencial e do oxigênio. O concreto armado, concreto
protendido ou qualquer peça metálica embutida nas estruturas de concreto são
susceptíveis à corrosão, uma das principais causas de deterioração das
estruturas.
Para HELENE, “A corrosão de armaduras é um processo eletroquímico que provoca a
desagregação (oxidação) do aço no concreto. Os fatores que afetam
este fenômeno estão associados essencialmente às características do
concreto, ao meio ambiente e à disposição das armaduras nos
componentes estruturais afetados.”
A durabilidade das estruturas é extremamente dependente da qualidade do
concreto e da espessura do cobrimento. Quando o aço estiver protegido por esta
devida camada, definida em projeto, e o concreto for pouco permeável, é
esperado que não ocorra a corrosão do aço. Na prática não é o que acontece,
pois mesmo executado corretamente, a incidência de produtos químicos usados
para degelo ou mesmo o ambiente marinho pode acelerar esse processo de
deterioração do aço. Além disso, o controle eficiente da fissuração do concreto é
essencial, pois evita a evolução da corrosão do aço por meio dessas pequenas
aberturas. Valores entre 0,2 mm e 0,4 mm são aceitáveis, de acordo com
exigências de durabilidade.
Em atmosferas urbanas e industriais, o ar pode estar contaminado com altos
níveis de agentes agressivos ao concreto, como óxido de enxofre (SO2 e SO3),
dióxido de carbono (CO2), gás sulfídrico (H2S), gás de amônia (NH3), íons sulfetos
(S--), íons cloreto (Cl-), entre outros. Os íons Cl- e SO4- são agentes que
desencadeiam o processo de corrosão, mesmo quando o aço estiver protegido
pela camada de hidróxido de cálcio.
Os danos causados pela corrosão das armaduras em estruturas de concreto se
manifesta na forma de expansão, fissuração paralela à direção do reforço e
eventual lascamento da camada de cobrimento (Figura 11). Em estruturas com
alto teor de umidade, os sintomas da corrosão podem apresentar-se através de
manchas de óxido na superfície do concreto. Além disso, pode-se desencadear a
perda de aderência do aço com o concreto como também a perda de seção
transversal da barra de aço, afetando a capacidade portante da estrutura.
FIGURA 11: Representação esquemática das patologias típicas observadas em vigas de concreto
armado afetadas por corrosão. Fonte: HELENE, 2005.
45
46
4.13.1 Mecanismos de deterioração do concreto por corrosão da armadura
O fenômeno de corrosão é encontrado com freqüência em concreto que tenha
como características uma baixa qualidade, alta relação água/cimento e alta
permeabilidade, além dos componentes estruturais que são afetados pela
umidade e ciclos de molhagem. O concreto protege a armadura através de sua
alcalinidade, pH > 12,5, condição conhecida como passividade.
Processo eletroquímico
Um dos processos de corrosão se dá através do processo eletroquímico (onde
ocorre reação de oxi-redução). É um processo que requer pelo menos a presença
de quatro elementos: um ânodo (onde ocorre a oxidação do aço), um cátodo
(onde ocorre a reação de redução), um condutor elétrico (por onde os elétrons
liberados pelos ânodos serão conduzidos até os cátodos, onde serão
consumidos) e um eletrólito (onde irão ocorrer as reações). Este processo de
corrosão, que formam células de corrosão, pode ser gerado de duas formas:
• Células de composição podem se formar quando existem dois metais
diferentes (como o aço e o alumínio) dentro do concreto, ou quando há
variações significativas na superfície do aço;
• Células de concentração podem se formar em volta da armadura devido à
diferença de concentração de íons dissolvidos (como álcalis e cloretos).
A conseqüência disso é que uma parte do metal se torna anódica e a outra
catódica. As respectivas reações químicas que se desenvolvem estão descritas
abaixo e na Figura 12:
Ânodo: Fe (ferro metálico) → 2e- + Fe2+ → FeO.(H2O)x (produto de corrosão) (8)
Cátodo: ½ o2 + H2O + 2e- → 2(OH)- → FeO.(H2O)x (produto de corrosão) (9)
A corrosão do aço é um processo bastante expansivo, pois a transformação de
ferro metálico em ferrugem (produto da corrosão), pode aumentar o volume do
material da ordem de até 600% em relação ao metal original (Figura 12c). Essa
expansão é uma das principais causas de expansão e fissuração do concreto. Os
produtos de aço e ferro comum possuem uma camada fina de óxido de ferro, que
se torna impermeável e bem aderente à superfície do aço em um meio alcalino,
tornando o aço passivo à corrosão. Isso significa que, até que o aço tenha sido
despassivado, não ocorrerá a corrosão.
“A Figura (a) mostra que a deterioração do concreto devida à corrosão da armadura se manifesta na forma de expansão, fissuração e perda (destacamento) de cobrimento. A perda de aderência entre o aço e o concreto e a redução da seção transversal da armadura podem levar a uma falha estrutural. A Figura (b) ilustra o processo eletroquímico de corrosão do aço em um concreto úmido e permeável. A célula galvânica é caracterizada por um processo anódico e um processo catódico. O processo anódico não ocorre sem que o filme de óxido de ferro protetor ou passivo seja removido em um ambiente ácido (por exemplo, carbonatação do concreto) ou se torne permeável pela ação de íons Cl-. O processo catódico não pode ocorrer sem que haja quantidades suficientes de oxigênio e de água na superfície do aço. A resistividade elétrica do concreto é também reduzida na presença de umidade e de sais. A Figura (c) indica que, dependendo do estado de oxidação, a corrosão do ferro metálico pode resultar no aumento do volume sólido em até seis vezes.” FIGURA 12: Expansão e fissuração do concreto devidas à corrosão da armadura. Fonte: MEHTA,
2008.
Quando na ausência de íons cloreto na solução, o filme de óxido de ferro é
considerado estável em concretos com pH acima de 11,5. Quando alguns fatores
diminuem o pH do concreto (por exemplo, a alta permeabilidade), isso faz com
que os álcalis e boa parte do hidróxido de cálcio sejam carbonatados ou lixiviados
47
48
e com que a passividade do aço seja destruída, fornecendo condições para a
corrosão.
Quando existirem íons cloreto, dependendo da relação Cl-/OH-, o filme protetor do
aço pode ser destruído mesmo para valores de pH do concreto acima de 11,5. No
caso da presença de grande quantidade de cloretos, o concreto tende a acumular
água, o que aumenta a probabilidade de corrosão do aço pela diminuição da
resistividade elétrica do concreto. Sem a camada de passivação da armadura, a
taxa de corrosão será guiada pela resistividade elétrica e pela disponibilidade de
oxigênio.
Podem-se citar como fontes de contaminação de cloretos no concreto os aditivos
e adições contaminadas com sal e a penetração de soluções de sais de degelo ou
de água do mar. Além disso, a contaminação por íons cloreto pode levar à
desagregação do concreto, à aceleração da corrosão das armaduras e até à
retração hidráulica do concreto não maduro, levando à fissuração interna e
externa.
Ataques por cloreto
Um dos problemas mais críticos referente à durabilidade das estruturas de
concreto é a corrosão da armadura devido à ação dos íons cloreto. Uma
concentração crítica de íons de cloreto, quando em contato com a superfície da
armadura, desencadeia o processo de despassivação do aço e,
conseqüentemente, a corrosão do aço. Segundo HELENE, “o valor da
concentração crítica depende de diversos fatores, tais como o pH, o teor de
aluminato tricálcico (C3A) no cimento e, em alguns casos, do teor de umidade do
concreto.”
O acesso de íons cloreto para o interior do concreto pode ser devido aos
seguintes fontes: impurezas de agregados e da água de amassamento, utilização
de aditivos e/ou agregados que contenham estes íons, aceleradores de pega que
contêm CaCl2, água do mar e da maresia, sais de degelo, entre outros. Dentro do
concreto, esses íons cloreto podem estar na forma de cloroaluminatos
(combinados quimicamente), fisicamente adsorvidos na face dos poros capilares
ou livres na solução dos poros do concreto.
A quantidade de íons cloreto que chega até a armadura, como cloretos livres para
desencadear o processo de corrosão, vai variar de acordo com alguns
parâmetros, tais quais o tipo de cátion associado aos cloretos, a presença de
outro ânion (como o sulfato), o estado do concreto quanto à carbonatação,
umidade do ambiente, processo de produção e cura do concreto, o fator
água/cimento e o consumo de cimento por metro cúbico.
A quantidade de C3A do cimento é fator determinante da combinação dos íons
cloreto. Cimentos com baixo teor de aluminato tricálcico possuem baixa
capacidade de imobilizar íons cloreto, pois formam um sal insolúvel
(cloroaluminato), que diminui a concentração de íons cloreto livres nos poros do
concreto. A Tabela 7 mostra a influência da quantidade de C3A no tempo de início
da corrosão da armadura.
TABELA 7: Quantidade de cloretos livres em relação a diversos teores de C3A.
Fonte: FIGUEIREDO, 2005.
Perda de alcalinidade no concreto
Quando o concreto perde a alcalinidade, com valores de pH inferiores a 9, o aço é
despassivado. Este processo pode ser resultado da lixiviação de substâncias
alcalinas presentes nos poros do concreto ou devido ao processo de
carbonatação. Para HELENE, “a carbonatação ocorre como resultado da reação
química entre o hidróxido de cálcio, Ca(OH)2, e outros álcalis (sódio e potássio)
presentes na solução dos poros com o dióxido de carbono (CO2) atmosférico.”
49
Gases ácidos presentes em atmosferas urbanas e industriais e a maresia
contribuem para reduzir rapidamente a alcalinidade do concreto,
conseqüentemente aumentando a velocidade e profundidade de carbonatação.
50
Os principais constituintes do ar atmosférico que podem desencadear o processo
de neutralização do concreto são o gás carbônico (CO2 – maior incidência), o
dióxido de enxofre (SO2) e o gás sulfídrico (H2S). O produto desta reação é o
carbonato de cálcio (CaCO3), que faz com que o concreto se torne ácido.
Os compostos hidratados do cimento que estão mais suscetíveis à carbonatação
são o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), o hidróxido de potássio (KOH) e o hidróxido
de sódio (NaOH), assim como os silicatos alcalinos, de acordo com as equações
a seguir:
CO2 + Ca(OH)2 + H2O → CaCO3 + H2O (10)
CO2 + 2Na . KOH → Na2 . K2CO3 + H2O (11)
Ca(OH)2 → Ca2+ + 2OH- (na fase aquosa dos poros) (12)
CO2 + 2HO- → CO32- + H2O (solubilização do CO2) (13)
Ca2+ + CO32- → CaCO3 (carbonatação) (14)
Ao longo da reação de carbonatação do concreto, “o hidróxido de cálcio
(Ca(OH)2) que tem origem na hidratação do cimento, e que se encontra nos poros
do concreto, combina-se com gás carbônico do ar atmosférico (CO2), para formar
o (CaCO3) carbonato de cálcio” (BAUER). O carbonato de cálcio é um material
insolúvel em água, que fecha os poros do concreto ao depositar-se neles. A água
resultante da Equação 10 pode vir a não evaporar, dissolvendo o hidróxido de
cálcio da pasta do cimento, fazendo com que a reação continue.
A carbonatação ocorre de forma mais acelerada em concretos de baixa qualidade
e em ambientes com umidade relativa variando entre 50 e 70%. Para
FIGUEIREDO (2005), “A velocidade e a profundidade de carbonatação dependem
de fatores relacionados com o meio ambiente e com as características finais do
concreto endurecido”. Veja-se a Tabela 8:
TABELA 8: Principais fatores que condicionam a velocidade de penetração da frente de
carbonatação.
Fonte: FIGUEIREDO, 2005.
O processo de carbonatação se inicia na superfície do concreto, formando uma
frente de carbonatação, separando duas zonas distintas de pH, uma com valores
na faixa de 12 e a outra na faixa de 8. Essa frente avança paulatinamente para o
interior do material e, atingindo a armadura, provoca a sua despassivação,
iniciando o processo de corrosão. A Figura 13 ilustra o processo de carbonatação
simplificadamente.
Para armaduras pré ou pós-tracionadas, o processo é conhecido como corrosão
sob tensão. É um processo físico-químico caracterizado por uma corrosão
concentrada, na presença de tensões sobre material susceptível e não acarreta
em perda de seção significativa. Este tipo de corrosão pode provocar falha de
elementos estruturais, através de uma ruptura frágil do material.
51
FIGURA 13: Avanço do processo de carbonatação. Fonte: FIGUEIREDO, 2005.
4.13.2 Controle da corrosão
Os principais agentes da corrosão são: a água, o oxigênio e os cloretos. Para
evitar a ação destes no concreto, a melhor solução é trabalhar com uma baixa
permeabilidade do concreto. Para obter um concreto com essa característica
deve-se controlar o fator água/cimento, o consumo de cimento, a dimensão dos
agregados e sua graduação e utilizar adições minerais. Além disso, um controle
do processo de cura do concreto adequado e o adensamento são também fatores
importantes na definição de uma boa permeabilidade do concreto. Outros agentes
deletérios podem também desencadear uma maior permeabilidade do concreto,
como a reação álcali-agregado e o ataque por sulfato, por exemplo.
Para proteger o aço contra a corrosão, pode-se controlar o teor máximo de cloreto
permitido na dosagem do concreto, por exemplo, a concentração máxima de íons
cloreto Cl- não deve ser maior que 0,06% (para concreto protendido), 0,15% (para
concreto armado em serviço, exposto a ambientes que contenham cloretos) e
0,30 a 0,40% (para outros tipos de concreto armado) em relação à massa do
cimento. A Figura 14 mostra um gráfico que mostra a variação do teor crítico de
52
cloreto em função da umidade do ambiente e da qualidade do concreto. A Tabela
9 descreve o teor de cloretos recomendado por várias normas.
FIGURA 14: Esquema de variação do teor crítico de cloretos em função da qualidade do concreto
e umidade do ambiente. Fonte: FIGUEIREDO, 2005.
TABELA 9: Teor limite de cloreto para diversas normas.
Fonte: FIGUEIREDO, 2005.
53
Outro parâmetro para controlar a ação de agentes deletérios é a definição do
cobrimento adequado, especificado pela NBR 6118/2003 em função do grau de
agressividade do ambiente. O controle de fissuração do concreto também é
importante, e pode ser definido no cálculo estrutural. Embora não tenha relação
direta com a corrosão, as fissuras aumentam a permeabilidade do concreto,
fazendo com que os agentes agressivos entrem em contato com o aço.
Revestimentos superficiais aplicados às barras de aço e a proteção catódica são
outros meios de proteção à corrosão, mas são processos mais caros em relação
à execução de um concreto com baixa permeabilidade. Os revestimentos para
armaduras podem ser anódicos (como o aço revestido com zinco) ou
revestimentos por barreira (aço revestido com epóxi). A proteção catódica já é um
processo de alto custo, onde pode ser obtida através do uso de ânodos de
sacrifício ou pelo suprimento externo de um fluxo de corrente na direção oposta,
onde há a supressão do fluxo de corrente na célula de corrosão.
FIGURA 15: Representação diagramática dos danos ao concreto por (a) corrosão da armadura,
(b) ciclos de congelamento e degelo. (c) reação álcali-sílica, (d) ataque externo por sulfato. Fonte:
MEHTA e MONTEIRO, 2008.
54
Pode-se obter um ganho substancial de durabilidade do concreto frente a causas de deterioração comumente conhecidas, evitando-se a perda de estanqueidade durante a vida útil por meio do controle do crescimento de microfissuras que interligam as fissuras superficiais com os vazios e microfissuras internas. FIGURA 16: Um modelo holístico de deterioração do concreto a partir dos efeitos ambientais mais
freqüentes. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 2008.
55
4.14 Concreto em Ambiente Marinho
Grande quantidade de estruturas de concreto está exposta ao ambiente marinho,
estejam elas em contato com a água do mar ou com a maresia. Geralmente, a
água do mar possui em sua composição 3,5% de sais solúveis, onde a maior
concentração é de Na+ e Cl-. O Mg2+ e o SO42- também estão presentes em
quantidades suficientemente agressivas ao concreto. O pH da água do mar varia
entre 7,5 e 8,4. Devido às altas concentrações de CO2 dissolvido, o valor do pH
pode ficar abaixo de 7,5, o que seria mais agressivo ainda ao concreto.
Grande quantidade de substâncias dissolvidas é encontrada na água do mar. A
presença de íons cloreto limita a severidade de ataque por sulfatos, “por este
motivo não deve ser especificado o uso de cimentos de alta resistência a sulfatos,
porque são mais permeáveis aos íons cloreto” (HELENE). Para estruturas de
concreto armado, o ataque por cloretos tem como conseqüência a corrosão das
armaduras, que é um processo mais severo que o ataque por íons sulfato.
TABELA 10: Desempenho do concreto exposto à água do mar.
Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 2008.
56
TABELA 10: Desempenho do concreto exposto à água do mar. (continuação)
Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 2008.
As estruturas de concreto podem se deteriorar devido à exposição ao ambiente
marinho como conseqüência de diversos fatores, tais como: combinação química
entre os constituintes da água do mar e os produtos de hidratação do concreto,
reação álcali-agregado, pressão de cristalização de sais dentro do concreto
(quando uma face da estrutura estiver exposta diretamente à água do mar e a
outra face estiver seca), ação do congelamento em climas frios, corrosão das
armaduras no concreto armado e no protendido e devido à ação de ondas do mar
diretamente na estrutura, que provoca a erosão física no concreto. Tudo isso faz
57
58
com que o concreto se torne mais permeável aos agentes externos, ficando cada
vez mais susceptível à deterioração acelerada.
“Além disso, os movimentos e os choques das ondas, bem como os
ciclos alternados de molhagem e secagem, por causa do fenômeno das
marés, tendem a provocar danos consideráveis às estruturas de
concreto, por conter cloretos e sulfatos de sódio e magnésio, altamente
agressivos.” (RIPPER e SOUZA)
4.14.1 Conclusões sobre a deterioração devido à ação da água do mar
A ação da água do mar sobre a estrutura de concreto será diretamente
proporcional à permeabilidade do material. Os principais fatores que favorecem o
aumento da permeabilidade do concreto são: ausência de ar adequadamente
incorporado, concretos mal dosados, cura e adensamento inadequados, clima à
que a estrutura está inserida, juntas mal projetadas, mau dimensionamento do
cobrimento das armaduras e microfissurações diversas.
Os tipos e a severidade da deterioração podem não ser uniformes na estrutura. A
Figura 17 exemplifica uma estrutura de concreto submetida à ação da água do
mar.
O tipo e a severidade do ataque em uma estrutura de concreto marítima dependem das condições de exposição. As seções da estrutura que se mantêm completamente submersas raramente estão sujeitas à ação de congelamento ou à corrosão da armadura. O concreto nessa condição de exposição estará suscetível a ataques químicos. O padrão geral do ataque químico do exterior para ao interior do concreto é apresentado. A seção acima da marca de maré alta estará vulnerável tanto à ação de congelamento quanto à corrosão da armadura. A deterioração mais severa é mais passível de ocorrer na zona de maré, porque nela a estrutura está exposta a todos os tipos de ataques físicos e químicos. FIGURA 17: Representação esquemática de um cilindro de concreto armado exposto à água do
mar. Fonte: MEHTA e MONTEIRO, 2008.
A principal causa de deterioração das estruturas de concreto armado e protendido
expostos à ação da água do mar é a corrosão das armaduras. Mas em concretos
pouco permeáveis, a corrosão das armaduras é uma conseqüência de outro tipo
de deterioração, que provocam fissurações e dão abertura para os agentes
agressivos atingirem a armadura. Então, se inicia um ciclo crescente de corrosão
(fissuração – corrosão – fissuração adicional), onde as conseqüências levam a
um dano considerável às estruturas.
“Os cimentos podem ser classificados em ordem de resistência
decrescente à ação agressiva da água do mar, da seguinte maneira:
cimentos sulfatados, cimentos aluminosos, cimentos pozolânicos,
cimentos metalúrgicos e cimentos Portland”. (BAUER)
59
5. AMBIENTE INDUSTRIAL SIDERÚRGICO
5.1 Introdução
As indústrias siderúrgicas integradas são organizadas, basicamente, em áreas
para o recebimento da matéria prima, a coqueria, a sinterização, o alto forno
(onde o ferro gusa se forma através da fusão do sínter e do coque), a aciaria
(transformação do ferro gusa em aço), laminação, que resultam na produção do
aço em suas várias formas, além das unidades administrativas. Já as siderúrgicas
não integradas não dispõem de coqueria, uma vez que produzem aço a partir de
sucata. Para exemplificar, a Figura 18 ilustra o layout atual da siderúrgica
Presidente Arthur Bernardes (Gerdau Açominas), localizada em Ouro Branco /
MG.
FIGURA 18: Layout atual da Usina Siderúrgica Gerdau Açominas. Fonte: GERDAU, 2008.
Para o melhor entendimento da atuação dos agentes agressivos no ambiente
siderúrgico, uma breve revisão sobre o processo de produção do aço será feita a
seguir.
60
61
5.2 O processo de fabricação do aço
As matérias primas essenciais para a produção do aço são o minério de ferro, o
carvão e calcário. Sua fabricação pode ser divida em quatro etapas principais:
preparação da carga, redução, refino e laminação.
5.2.1 Matérias primas
Minério de ferro
O Brasil possui várias reservas de minério de ferro, sendo elas de ótima qualidade
(alto teor de ferro). O minério de ferro é a principal matéria prima da produção do
aço, pois é de onde se extrai o ferro. Alguns minerais que contêm grande
quantidade de ferro são os óxidos, sulfetos, silicatos e carbonatos. Para o
processo siderúrgico, são utilizados os óxidos, sendo eles:
Magnetita (óxido ferroso-férrico) → Fe3O4 (72,4% Fe).
Hematita (óxido férrico) → Fe2O3 (69,9% Fe).
Limonita (óxido hidratado de ferro) → 2FeO3.3H2O (48,3% Fe).
O minério de ferro pode ser dividido em três partes: útil (parte que contém o ferro),
ganga (impurezas) e estéril. Além disso, ele pode ser classificado de acordo com
a porcentagem de ferro que ele contém: entre 60 e 70% (rico), entre 50 e 60%
(médio) e abaixo de 50% (pobre).
O beneficiamento do minério de ferro compreende vários processos para tornar o
material mais adequado ao uso em alto-fornos. Estes processos são: britamento,
peneiramento, mistura, moagem, concentração, classificação e aglomeração.
Dentre os processos de beneficiamento, o mais importante é a aglomeração, que
tem como finalidade melhorar a permeabilidade da carga do alto-forno, reduzir o
consumo de carvão e acelerar o processo de redução. Podemos destacar nos
processos de aglomeração a sinterização e a pelotização.
O processo de sinterização consiste na produção do sínter, através da
aglomeração de finos do minério de ferro (previamente beneficiado e preparado)
misturados com cerca de 5% de carvão ou coque, além de outras adições. A
62
carga é aquecida por queimadores, através do auxilio de fluxo de ar, chegando a
temperaturas entre 1300 e 1500ºC. Nestas condições, as partículas finas de
minério se ligam e formam um produto poroso e uniforme, conhecido como sínter.
O sínter é um material com características físico-químicas adequadas ao uso em
altos-fornos de grande porte.
Já a pelotização é um processo recente, e tem obtido um ótimo êxito.
Primeiramente produzem-se “bolas” ou “pelotas” cruas de finos de minério de
ferro de alto teor. Depois, adiciona-se água (cerca de 10%) e um aglomerante de
natureza inorgânica. O produto são pelotas cruas que, quando secas e pré-
aquecidas, estarão próprias para a queima no alto-forno.
Carvão
O carvão é combustível utilizado no alto-forno, na forma de coque ou de madeira,
trabalhando no processo de produção do aço fornecendo calor para a combustão,
como fonte de carbono para a redução de óxido de ferro e para a composição da
liga de ferro gusa.
A coqueria é o lugar onde, através do carvão, um novo produto é produzido,
conhecido como coque. O processo de coqueificação consiste em transformar o
carvão mineral, por meio de altas temperaturas em câmaras hermeticamente
fechadas (exceto a saída dos gases), em coque. Nestas condições, as moléculas
orgânicas que compõem o carvão mineral são divididas, produzindo compostos
orgânicos líquidos e sólidos com baixo peso molecular, gases e um resíduo
carbonáceo pouco volátil (coque).
O coque é um produto que possui estrutura porosa, heterogênea do ponto de
vista químico e físico. A qualidade deste material varia em função da qualidade do
carvão mineral que é utilizado e de seu teor de impurezas. A principal função do
coque é trabalhar como combustível dos altos-fornos.
O coque, que sai incandescente dos fornos, pode ser apagado através de jatos de
água (apagamento a úmido), ou apagado em uma câmara de resfriamento, com
auxílio de gases (apagamento a seco).
63
A planta de carboquímicos é uma unidade não essencial à produção de aço nas
usinas siderúrgicas, sendo responsável pelo tratamento de gases da coqueria,
limpando os gases e eliminando os agentes agressivos ao ambiente.
O carvão vegetal (carvão de madeira) é produzido através da quebra das
moléculas complexas constituintes da madeira, em moléculas mais simples, tendo
como fonte de energia o calor. Os fornos utilizados para a carbonização da
madeira são rudimentares e de baixíssima eficiência, principalmente no Brasil,
uma vez que seus subprodutos líquidos e gasosos não são canalizados e
coletados, mas se perdem durante o processo. As altas temperaturas e na
ausência do oxigênio, a madeira é transformada em carvão vegetal. Seus
subprodutos são agressivos ao meio ambiente, podendo destacar: os gases (CO2,
CO, H2, entre outros), líquidos (alcatrões, ácido acético, álcool metílico).
Fundentes
O principal fundente utilizado no processo siderúrgico é o calcário (CaCO3). Sua
função no processo é agregar-se às impurezas do minério de ferro (ganga) e às
cinzas do carvão, obtendo como subproduto as escórias.
Outras matérias-primas da indústria siderúrgica
Algumas ligas de aço possuem em sua composição outros minérios, de acordo
com as características desejadas do material. Podemos destacar o minério de
manganês (considerado um dos mais importantes), de silício, cromo, molibdênio,
vanádio, níquel, titânio, tungstênio, entre outros. Além disso, a sucata de aço tem
sido uma importante matéria prima no processo de produção do aço, obtida
através de subprodutos do aço e de aços descartados e inutilizados.
5.2.2 Alto Forno
A principal ferramenta do processo siderúrgico é o alto-forno. Este elemento é
constituído por uma estrutura cilíndrica esbelta, composta por uma base e um
forno (dividido em cadinho, rampa e cuba), como mostra a Figura 19.
A Figura 20 ilustra uma seção transversal de um alto-forno, incluindo todo o
equipamento acessório e auxiliar, que são utilizados para limpar os gases que
saem do alto forno e também para pré-aquecer o ar que vai entrar no alto-forno
através das ventaneiras.
FIGURA 19: Seção transversal de um alto-forno moderno. Fonte: www.ufsc.br.
FIGURA 20: Seção transversal de uma instalação de alto-forno, incluindo o equipamento auxiliar
principal. Fonte: www.ufsc.br.
64
65
Operação do alto-forno
Os materiais que são responsáveis pelas reações no alto-forno podem ser
divididos como materiais sólidos (carga descarregada no forno) e a corrente
gasosa (produto da interação do carbono do carvão com o ar soprado pelas
ventaneiras).
Na região das ventaneiras, onde as temperaturas atingem de 1800 a 2000ºC,
verifica-se a seguinte reação, gerando grande quantidade de calor:
C + O2 → CO2 (15)
O gás carbônico (CO2), em contato com o coque incandescente, decompõe-se
formando moléculas de CO, que é o agente redutor junto com o carbono do
carvão:
CO2 + C → 2CO (16)
Quando a carga, que é introduzida pelo topo do alto-forno, entrar em contato com
a corrente gasosa ascendente, sofre uma secagem.
Os carbonatos existentes no calcário se decompõem a uma temperatura de
aproximadamente 800ºC, segundo as reações:
CaCO3 → CaO + CO2 (17)
MgCO3 → MgO + CO2 (18)
A redução do minério de ferro se dá segundo as seguintes reações:
3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 (19)
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 (20)
ou
Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO (21)
A formação da escória se inicia na região do topo da rampa (onde o ferro líquido e
a escória são depositados). A escória é formada a partir da combinação da cal
(CaO) com as impurezas do minério (ganga), do óxido de ferro e manganês
66
(fundentes) e as cinzas do carvão. Depois de formada, a escória e o ferro gusa se
depositam no cadinho, onde são separados por gravidade, facilitando a vazão
destes dois elementos. As características que mais de destacam na escória são o
seu baixo peso específico e sua grande fluidez.
Existem outras reações que se desenvolvem no alto-forno:
Mn3O4 + C → 3MnO + CO (22)
MnO + C → Mn + CO (23)
SiO2 + 2C → Si + 2CO (24)
P2O5 + 5C → 2P + 5CO (25)
FeS + CaO + C → CaS + Fe + CO (26)
As últimas reações fundamentais no alto-forno são descritas a seguir:
3Fe + C → Fe3C (27)
3Fe + 2CO → Fe3C + CO2 (28)
O produto final de todas estas reações é o ferro gusa, composto por ferro e
carbono, e incorpora outros elementos tais quais o manganês (Mn), silício (Si),
fósforo (P) e enxofre (S).
Produtos do alto-forno
O ferro gusa é o principal produto do alto-forno. O ferro gusa é uma liga ferro-
carbono, com alto teor de carbono e teores variáveis de silício, manganês, fósforo
e enxofre. Geralmente, a composição do ferro gusa produzido no alto-forno estará
na seguinte faixa:
Carbono - de 3 a 4,4%
Silício - de 0,5 a 4,0%
Manganês - de 0,5 a 2,5%
Fósforo - de 0,05 a 2,0%
Enxofre - máximo de 0,20% .
67
A escória é também um produto do alto forno, como já foi descrito, e sua
composição é bem variável, estando dentro da seguinte faixa de valores:
SiO2 - de 29 a 38%
Al2O3 - de 10 a 22%
CaO + MgO - de 44 a 48%
FeO + MnO - de 1 a 3%
CaS - de 3 a 4%.
A escória tem sido utilizada como lastro de ferrovias, material isolante e,
principalmente, na fabricação do cimento conhecido como cimento metalúrgico.
O gás de alto forno é um subproduto muito importante, pois possui alto poder
calorífico. Ele é reutilizado na própria siderúrgica nos regeneradores, outros
fornos de aquecimento, caldeiras, etc. A composição deste gás é a seguinte:
CO2 - 13%
CO - 27%
H2 - 3%
N2 - 57%.
Fabricação do aço
O ferro gusa é uma liga ferro-carbono, constituída também por outros elementos
resultantes do processamento no alto-forno, tais quais o manganês, o silício, o
enxofre e o fósforo. Para a produção do aço, todos estes constituintes (exceto o
ferro), devem ter seus teores reduzidos pelo processo de oxidação.
Os agentes que irão oxidar o ferro gusa para diminuir a concentração dos
elementos químicos citados acima podem ser de natureza gasosa (oxigênio ou ar)
ou sólida (o próprio minério de ferro). Os processos de oxidação podem ser
divididos em dois grupos, em função do tipo de agente oxidante:
-Processos pneumáticos → quando o agente oxidante tiver origem gasosa
(ar ou oxigênio);
-Processo Siemens-Martin ou elétrico → quando o agente oxidante for
substância sólida contendo óxidos (por exemplo o minério de).
Os processos pneumáticos estão ilustrados na Figura 21. Este processo se
baseia em inserir ar ou oxigênio, através de uma das aberturas dos conversores
pneumáticos (no fundo, na lateral ou no topo) para a devida oxidação do ferro
gusa. O combustível para o aquecimento do ferro gusa nesses conversores é a
própria reação de oxidação do material metálico, pois é uma reação
extremamente exotérmica, sem nenhuma necessidade de outra fonte de energia.
FIGURA 21: Processos pneumáticos para produção de aço, a partir do ferro gusa. Fonte:
www.ufsc.br.
Primeiramente, as reações de oxidação do ferro gusa que se originam nos
conversores são as demonstradas a seguir:
2Fe + O2 → 2FeO (29)
2FeO + Si → SiO2 + 2Fe (30)
FeO + Mn → MnO + Fe (31)
O produto destas reações de oxidação é SiO2. Quando esta sílica se une aos
óxidos de ferro e manganês, formados durante o processo pneumático, forma-se 68
69
uma escória a base de silicatos de ferro e manganês, sendo um material com
baixo ponto de fusão.
Com a continuidade do sopro, inicia-se o processo de oxidação do carbono:
FeO + C → Fe + CO (32)
Completada esta primeira etapa de oxidação, o material é transferido para uma
panela e então se adicionam as “ligas” ferro-manganês ou o alumínio, com função
de dessulfurar e desoxidar o metal ali contido, de acordo com as reações a seguir:
FeO + Mn → MnO + Fe (33)
FeS + Mn → MnS + Fe (34)
ou
3FeO + 2Al → Al2O3 + 3Fe (35)
Algumas das maiores dificuldades deste processo de oxidação do ferro gusa são
controlar quando termina o processo de oxidação, além da temperatura e a
composição química final.
Os conversores utilizados mais conhecidos neste processo são o Bressemer,
Thomas, de sopro lateral e de sopro pelo topo (conversor L-D).
Algumas siderúrgicas compram o ferro gusa já solidificado. Quando este material
é adicionado à sucata de aço, se fundem, formando uma carga que alimenta os
fornos elétricos de produção de aço.
Logo após a fusão da carga (ferro gusa sólido com a sucata de aço), o material
metálico líquido recebe uma injeção de oxigênio, resultando no mesmo processo
de oxidação já descrito para processos pneumáticos.
No refino primário do aço, os teores de carbono, silício, manganês e fósforo são
reduzidos. A reação exotérmica de oxidação libera calor suficiente para a
diminuição do consumo de energia elétrica do forno.
A composição química do material líquido acontece da mesma forma que o
processo pneumático, assim como a desoxidação e dessulfurização no forno
panela. A dessulfurização é realizada de acordo com a seguinte reação:
70
Mn + S → MnS (36)
Este processo de redução forma o sulfeto de manganês (MnS), que entra na
composição da escória. Parte do ferro no processo de desoxidação sofre
oxidação durante o refino primário, formando o óxido de manganês que vai para a
escória, de acordo com as seguintes reações:
Fe + O → FeO (37)
FeO + Mn → Fe + MnO (38)
Unidades de auxílio ao alto forno
O poço de resfriamento de escória é a unidade da usina responsável pela
diminuição da temperatura do material ao ar livre. O produto desse processo de
resfriamento é um material com densidade e granulometria variada, chamada de
escória bruta de alto forno.
Para a obtenção de uma escória com dimensões equivalentes à de uma areia
média, deve resfriar a escória bruscamente. O material final é uma escória
granulada de alto forno.
Ainda no setor do alto forno, podemos encontrar estações de tratamento e
resfriamento das águas utilizadas no processo de produção do aço, equipamentos
responsáveis pela limpeza dos gases, pesagens das matérias primas, entre
outros.
5.2.3 Aciaria
A aciaria é o setor da usina siderúrgica responsável pela transformação do ferro
gusa líquido em diferentes tipos de aço líquido, através da adição de sucatas de
ferro e aço. Na fase do refino primário, impurezas, como o silício e o manganês,
além de parte do carbono, são eliminados do ferro gusa. Já o refino secundário é
responsável pelas correções mais específicas e controladas. A composição
química de outros elementos é corrigida geralmente em fornos panelas.
A próxima etapa é a de solidificação do aço, feita através de equipamentos de
lingoteamento contínuo ou convencional. Os produtos são aços solidificados em
diversas formas, como placas, blocos, tarugos, lingotes, fios máquina. A Figura 22
nos mostra o fluxo de produção atual da usina siderúrgica da Gerdau Açominas,
onde podemos ver mais claramente os processos da produção do aço.
FIGURA 22: Fluxo de produção atual da Usina Siderúrgica da Gerdau Açominas. Fonte:
GERDAU, 2008.
5.3 Agentes deletérios ao concreto em ambiente siderúrgico
O concreto é um material utilizado na construção de todas as unidades de uma
usina siderúrgica, desde as áreas administrativas, o recebimento das matérias
primas até os processos de acabamento do aço, sendo que cada uma das
unidades da siderúrgica possui uma agressividade ambiental, que influenciará
diferentemente na durabilidade deste material.
A agressividade do ambiente siderúrgico pode atacar o concreto de forma física,
química ou mecânica, através dos subprodutos dos processos siderúrgicos. Além
disso, o meio pode se tornar mais agressivo às estruturas de concreto se a usina
71
72
siderúrgica se localizar em áreas litorâneas, em contato direto com a maresia,
como é o caso da ArcelorMittal Tubarão, antiga CST, localizada na cidade de
Serra, na região da grande Vitória / ES, e da futura usina da Companhia
Siderúrgica do Atlântico (CSA), no município do Rio de Janeiro.
Podemos encontrar, em uma usina siderúrgica, agentes deletérios ao concreto na
forma líquida, sólida ou gasosa. Dentre os mais comuns, podemos citar os
impactos na estrutura, vapores, altas temperaturas (até 1500ºC), águas
agressivas (ex. desmineralizada) e outros agentes como o dióxido de carbono
(CO2) e amônio (NH4+), dióxido de enxofre (SO2), óxidos de nitrogênio (NOX),
além da interação entre esses elementos (sinergia).
Um ambiente siderúrgico agressivo, somado a uma estrutura de concreto
projetada e/ou construída inadequadamente, onde há pouco ou nenhum plano de
manutenção da construção, tem como resultado grandes quantidades e
diversidades de patologias. Este conjunto de ações tem sido muito comum em
várias usinas siderúrgicas, onde as obras construídas não adquirem a vida útil
desejada e projetada, levando a um alto custo de reparo das estruturas.
Levando em consideração a importância de obter uma estrutura durável, além da
necessidade de analisar o ambiente em que será inserida a edificação, os
profissionais da área de engenharia devem estabelecer critérios para quantificar e
qualificar os agentes deletérios existentes. Assim, terão ferramentas para projetar
e construir estruturas de concreto com uma maior durabilidade.
A porcentagem de cada agente deletério ao concreto varia de uma usina
siderúrgica para a outra, devido à composição das matérias primas e a
quantidade de impurezas nelas existentes, diferença entre produtos utilizados e
tecnologia adotada, especificações de produtos finais diferentes,
reaproveitamento dos resíduos gerados pela própria empresa e com a eficiência
do controle ambiental. Dentro de uma mesma siderúrgica, as quantidades de
agentes agressivos ao concreto variam de uma unidade para outra, de acordo
com o tipo de processo utilizado, com os seus respectivos rejeitos.
A Tabela 11 apresenta alguns agentes agressores específicos de determinada
unidade da siderúrgica.
TABELA 11: Emissões em unidades de processos siderúrgicos.
Fonte: OLIVEIRA, 2004.
A seguir serão descritas as emissões dos principais agentes deletérios em seus
respectivos setores dentro das usinas siderúrgicas. Lembrando que, quando
tratamos das emissões de agentes agressivos em siderúrgicas, estas são
consideradas como potenciais de emissão, uma vez que a siderúrgica possui
artifícios para filtrar, controlar, reduzir e até acabar com esses agentes.
5.3.1 Recebimento, armazenamento e manipulação de matérias primas
As matérias primas são recebidas pelas usinas siderúrgicas e estocadas em
pátios a céu aberto, como é o caso do minério de ferro e do carvão mineral. Ao
manipular essas matérias primas, parte do material fino particulado pode ser
transportado através do vento ou da umidade do ar, atingindo as estruturas de
concreto, agredindo-as.
73
5.3.2 Sinterização e Pelotização
Durante o processo de sinterização e pelotização, alguns potenciais de emissões
de agentes agressivos são gerados, na forma de partículas, gases e vapores.
Como o manuseio e o transporte dos produtos da sinterização e pelotização são
feitos por meio de correias transportadoras ao ar livre, sem uma devida proteção,
forma-se neste setor um potencial de emissão de material particulado, agressor
ao concreto.
Os agentes gasosos, emitidos pelas chaminés, podem ser gerados através da
queima da mistura de coque e antracito e trabalham no processo de sinterização
como combustível para a produção do sínter. Podemos citar como agentes
deletérios ao concreto os óxidos de enxofre (SO2 e SO3), óxidos de nitrogênio
(NOx), monóxido de carbono (CO) e fluoretos.
A Figura 23 ilustra um balanço energético do processo de sinterização.
FIGURA 23: Balanço energia/materiais para sinterização. Fonte: OLIVEIRA, 2004.
74
75
5.3.3 Coqueria
A coqueria possui um alto potencial de emissões de agentes agressores ao
concreto, na forma de subprodutos, podendo ser sólidos, líquidos ou gasosos. A
Figura 24 mostra uma porcentagem média dos subprodutos obtidos a partir da
destilação do carvão.
Materiais particulados são encontrados em vários setores da coqueria, por
exemplo, nos fornos de coque, nas chaminés e no apagamento a úmido do
coque. À temperatura ambiente, subprodutos como o naftaleno (C10H8), fenol
(C6H5OH) e alguns compostos pesados (como alcatrões de pavimentação), são
produzidos na coqueria.
Podemos citar alguns dos produtos químicos no estado líquido, que são
subprodutos do processo de transformação do carvão em coque: benzeno (C6H6),
tolueno (C6H5CH3), xileno (C6H4(CH3)2) e dissulfeto de carbono (CS2). Vapores
provenientes do resfriamento do coque incandescente, com temperaturas de até
1000ºC, são bastante agressivos ao concreto.
FIGURA 24: Esquema de principais produtos obtidos pela destilação do carvão e sua distribuição
porcentual. Fonte: ARAÚJO, 2005.
No estado gasoso, à temperatura ambiente, existe uma gama de subprodutos da
coqueria: hidrogênio (H2), metano (CH4), etano (C2H6), propano (C3H8), butano
(C4H10), Etileno (C2H4), Propileno (C3H6), acetileno (C2H2), dióxido de carbono
(CO2), monóxido de carbono (CO), gás sulfídrico (H2S), amônia (NH3), oxigênio
(O2) e nitrogênio (N2). Além desses, os óxidos de enxofre (SO2 e SO3) e os óxidos
de nitrogênio (NOx) também são emitidos através das chaminés.
É importante destacar que as usinas siderúrgicas possuem meios de capitação,
recuperando parte destes subprodutos, os reutilizando como energia dentro da
própria usina.
76
A Figura 25 ilustra um balanço energético do processo de produção do coque.
FIGURA 25: Balanço energia/materiais para coqueria. Fonte: OLIVEIRA, 2004.
5.3.4 Alto Forno
Material particulado pode ser encontrado nas casas de corrida, que é local onde o
ferro gusa e a escória são vazados, na base do alto forno. Os principais gases
produzidos pelo aquecimento dos regeneradores neste processo são os óxidos de
enxofre (SO2 e SO3), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO) e
óxidos de nitrogênio (NOx), como pode ser visto na Figura 26.
FIGURA 26: Balanço energia/materiais para alto forno. Fonte: OLIVEIRA, 2004.
77
5.3.5 Aciaria
Nesta fase do processo de produção do aço, alguns dos agentes agressores ao
concreto são encontrados na forma de material particulado, principalmente
durante o carregamento de ferro gusa nos convertedores e durante a
transformação da carga metálica em aço. Outros agentes gasosos são emitidos
pelas chaminés da aciaria, como é o caso de óxidos de enxofre (SO2 e SO3) e os
óxidos de nitrogênio (NOx), de acordo com a Figura 27.
FIGURA 27: Balanço energia/materiais para aciaria. Fonte: OLIVEIRA, 2004.
78
79
6. CONCLUSÃO
Neste trabalho, observamos que o concreto é um material que pode ter a
durabilidade afetada por diversos fatores e situações, desde os materiais
constituintes do concreto até ao meio ambiente em que ele está inserido.
O ambiente siderúrgico é bastante agressivo às estruturas de concreto, devido à
presença de uma série de agentes, como vapores, altas temperaturas, gases,
entre outros. Para usinas localizadas em ambiente marinho, a degradação ao
concreto pode aumentar devido ao ataque de cloretos. Devido à sinergia entre os
agentes agressivos identificados, a ação deletéria ao concreto pode ser
multiplicada.
A Norma Brasileira NBR 6118/2003, “Projeto de Estruturas de Concreto –
Procedimento”, fornece parâmetros de projeto para uma edificação durável. A
partir da definição da agressividade do meio ao qual a estrutura está inserida,
algumas variáveis como a resistência característica à compressão do concreto
(fck), o cobrimento e o fator água/cimento são definidas a fim de obter uma
estrutura com uma previsão de vida útil desejada.
Na fase de construção, alguns cuidados podem evitar uma série de patologias,
como é o caso das fases de lançamento, adensamento e cura do concreto.
Inspeções periódicas e manutenções preventivas são algumas ações que podem
ser tomadas para garantir a durabilidade e a vida útil da estrutura. Além disso,
evitam um alto custo com manutenções corretivas e com interferências do
processo produtivo (quando a manutenção puder ser feita somente com o
processo de produção parado).
Os subsídios obtidos neste trabalho permitem propor sua continuidade através de
entrevistas com profissionais que lidam com problemas patológicos em usinas
siderúrgicas, a fim de obter importantes informações complementares visando
parametrizar e sistematizar procedimentos que garantam a vida útil desejada, a
qualidade e a durabilidade das estruturas.
80
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ARAÚJO, L. A. Manual de Siderurgia - Produção. 2. ed. São Paulo: Arte e
Ciência, 2005, 1v.
ARAÚJO, L. A. Manual de Siderurgia - Transformação. 1. ed. São Paulo: Arte e
Ciência, 1997, 2v.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENGENHARIA E CONSULTORIA
ESTRUTURAL. Recomendações para Elaboração de Projetos Estruturais de
Edifícios de Concreto, disponível em
http://www.abece.com.br/recomendacoes.pdf, consultado em 22/12/2008.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118/2003 – Projeto
de Estruturas de Concreto – Procedimento, 2003.
BAPTISTA, R. C. G.. Estudo dos principais agentes agressivos ao concreto
armado em usinas siderúrgicas – aspectos de durabilidade. Monografia
(Especialização em Construção Civil). Vitória: Universidade Federal de Minas
Gerais, 2008.
BAUER, L. A. F. Materiais de construção. Rio de Janeiro: LTC, 2000, 1 v.
BAUER, L. A. F. Materiais de construção. Rio de Janeiro: LTC, 1994, 2 v.
CUNHA, J. C. Curso de atualização NBR 6118/2003 – “Projeto de Estruturas de
Concreto”. (apostila não publicada). Belo Horizonte, 2004.
FAUSTINI, F. A. Recuperação de estruturas de concreto em ambientes
industriais. Monografia (Especialização em Construção Civil). Vitória:
Universidade Federal de Minas Gerais, 2006.
FIGUEIREDO, E. P. Efeitos da Carbonatação e de Cloretos no Concreto. São
Paulo: IBRACON, 2005. 1 v.
HELENE, P. Manual de Reparo, Proteção e Reforço de Estruturas de Concreto.
São Paulo: Red Rehabilitar, 2005.
Internet: http://www.inf.ufsc.br/~ramon.rdm/materialdidatico/Materiais_
Corros%E3o/PRODU%C7%C3O%20FERRO%20GUSA%20II.doc, consulta
em 26/12/08.
81
Internet: http://www.gerdau.com.br/port/index.asp, consulta em 19/01/09.
Internet: http://www.gerdau.com.br/port/pops/processo_aco/movies/
home_flash.asp, consulta em 19/01/09.
LIMA, E. O. Durabilidade do concreto armado em indústrias siderúrgicas:
contribuição à identificação e mapeamento dos agentes agressivos. Dissertação
(Mestrado em Engenharia Civil). Vitória: Universidade Federal do Espírito Santo,
2000.
MEHTA, P. K. e MONTEIRO, P. J. M. Concreto: Estrutura, Propriedades e
Materiais. São Paulo: PINI, 1994.
MEHTA, P. K. e MONTEIRO, P. J. M. Concreto: Microestrutura, Propriedades e
Materiais. 3. ed. São Paulo: IBRACON, 2008.
NEVILLE, A. M. Propriedades do Concreto. 1. ed. São Paulo: PINI, 1997.
OLIVEIRA, C. A. S. Durabilidade, Proteção e Recuperação de Estruturas.
(apostila não publicada). Belo Horizonte, 2007.
OLIVEIRA, L. C. S. Impacto ambiental causado por usina siderúrgica. Monografia
(Especialização em Construção Civil). Vitória: Universidade Federal de Minas
Gerais, 2004.
PETRUCCI, E. G. R. Materiais de Construção. São Paulo: Globo, 1998.
PIANCASTELLI, E. M. Patologia e Terapia das Estruturas. (apostila não
publicada). Belo Horizonte, 2007.
RIBEIRO, C. C., PINTO J. D. S. e STARLING, T. Materiais de Construção Civil.
2. ed. Belo Horizonte: UFMG, 2006.
RIPPER, T. e SOUZA, V. C. M. Patologia, Recuperação e Reforço de Estruturas
de Concreto. São Paulo: PINI, 1998.
SILVA, P. F. A. Durabilidade das Estruturas de Concreto Aparente em Atmosfera
Urbana. São Paulo: PINI, 1995.
