2.1 Materiais utilizados

Os materiais utilizados nos traços de concreto foram os seguintes:

O concreto foi preparado com uma relação água/cimento (a/c) de 0,50, valor adotado pela normalização argentina (Instituto Argentino de Normalización y Certificación, 2005), para estruturas resistentes que encontram a mais de 1km da costa, em uma zona influenciada por ventos com névoa salina. A dosagem utilizada está apresentada na Tabela 1.

2.2 Elaboração das amostras

Foram moldadas quatro vigas de concreto armado onde se variou a relação cobrimento/diâmetro das barras para simular diferentes graus de proteção das armaduras, e foram moldados corpos de prova cilíndricos visando caracterizar o seu comportamento mecânico (compressão e tração) e físico (ensaio de absorção capilar).

As vigas tinham uma seção de 8 x 16 cm e 220 cm de comprimento, as armaduras longitudinais eram barras de aço corrugado de dureza natural (ADN 420, IRAM-IAS U 500-528) (^{Instituto Argentino de Normalización y Certificación, 1989}) que é o aço mais utilizado nas construções da Argentina, com um diâmetro de 4,2 mm (duas barras na parte superior e duas na parte inferior) e estribos fechados de aço liso de diâmetro 2,1 mm, espaçados a cada 10 cm, com um cobrimento que variou entre 10 mm e 25 mm. Deve ser esclarecido que a escolha dos diâmetros empregados nos ensaios foi devida à intenção de manter a semelhança geométrica das vigas do laboratório (na ordem de 1/3 do tamanho da estrutura real), com vigas utilizadas nas construções reais, para as quais foram usadas barras comercialmente disponíveis neste país. A Tabela 2 mostra as características das armaduras.

O concreto foi lançado em fôrmas e adensado por vibração mecânica, as quais sofreram cura úmida durante os primeiros 7 dias. Posteriormente, a cura foi realizada em ambiente de laboratório (temperatura ≈ 20ºC, umidade relativa ≈ 50%) por aproximadamente 60 dias. Também foram elaborados corpos de prova cilíndricos de concreto (15 x 30 cm), utilizados nos ensaios físico da capacidade e velocidade de sucção capilar (IRAM 1871) (^{Instituto Argentino de Normalización y Certificación, 2005}) e mecânicos: resistência à compressão (IRAM 1546) (^{Instituto Argentino de Normalización y Certificación, 1992}) e à tração indireta (IRAM 1658) (^{Instituto Argentino de Normalización y Certificación, 1992}). Os corpos de prova foram moldados e curados de acordo com a norma IRAM 1534 (^{Instituto Argentino de Normalización y Certificación, 1985}).

2.3 Processo de corrosão acelerada

Para efeitos de aplicação dos esforços de tração, as armaduras superiores (que seriam aquelas que seriam posteriormente submetidas a um processo de corrosão acelerada), foram inseridas cargas nas extremidades das vigas, sendo adotada como uma área a corroer uma zona intermediária, deixando balanços nas duas laterais. Na Figura 1 está apresentado o esquema estrutural adotada. A área compreendida entre os apoios tem uma solicitação de flexão quase constante, por conseguinte, toda a área das barras afetadas pela corrosão está submetida a uma tensão praticamente de igual intensidade, ao estar sujeita em cada caso, ao seu peso próprio, além da ação de diferentes cargas que variam de 90 kg a 100 kg.

Figura 1 Esquema do ensaio. 

Os elementos foram submetidos à corrosão acelerada por aproximadamente 160 dias, através da aplicação de uma corrente impressa externa, fornecida por um galvanostato ligado entre a extremidade de armadura superior exposta (ânodo) e um contra eletrodo (cátodo) formado por uma malha de aço inoxidável (50 cm de comprimento e mesma largura da viga) localizado em sua face superior. Sobre o mesmo foi disposta uma esponja (de mesmas dimensões), que foi mantida úmida com uma quantidade controlada de uma solução aquosa contendo 0,3% (em peso) de cloreto de sódio (NaCl) (3 g de NaCl / litro de água). Antes de ligar o galvanostato, durante 2 dias foi iniciado a molhagem da área central, a fim de assegurar que todo o cobrimento tivesse a umidade necessária para permitir a circulação da corrente. A fim de ter uma molhagem controlada (reduzindo a evaporação), as vigas foram cobertas com uma placa de acrílico e, em seguida, com uma capa de nylon. A densidade de corrente aplicada foi de 100 μA/cm², que é cerca de dez vezes a medida em estruturas de concreto armado altamente corroídas (^{Rodriguez, 1993}), que foi escolhida por ter sido adotada em estudos de diferentes grupos que trabalham sobre o assunto (Acosta, 1998; ^{Alonso, 1994}; ^{Alonso, 1998}; ^{Aveldaño, 2011}), de modo que no final do processo em estudo se obtenham penetrações de corrosão superiores a 0,30 mm nas barras num prazo razoável.

É interessante esclarecer que com este método empregado para se alcançar uma corrosão acelerada, o processo de corrosão inicia simultaneamente em todas as vigas ao conectá-las ao galvanostato, independentemente do seu cobrimento. Portanto, o que está sendo estudado neste trabalho são o processo de corrosão e os sintomas gerados a partir da aplicação de corrente externa. Logicamente, as estruturas existentes, afetadas por um ambiente com cloretos, as armaduras que têm um maior cobrimento demoram mais para despassivar (início da corrosão) e este processo que antecede a corrosão é estudado por pesquisadores que trabalham na penetração de cloretos e em carbonatação, linhas de pesquisa diferentes deste trabalho. A análise apresentada neste artigo representa o período posterior à iniciação (denominado período de propagação da corrosão). Estes dois períodos mencionados são estudados e definidos por Tuutti (^{Tuutti, 1982}), em seu conhecido diagrama de vida útil das estruturas de concreto armado com base na corrosão de suas armaduras.

Supõe-se que as armaduras afetadas pela corrosão têm uma superfície de 162 cm² (determinada pelos 50 cm centrais das barras e pelos 6 estribos estão localizadas nesta região, assumindo que a corrosão foi estendida até um comprimento no ramo vertical dos estribos de 1 cm). Para fornecer uma densidade de corrente de 100 A/cm², os galvanostatos forneceram uma corrente de 16,2 mA. Após a conclusão do ensaio, as armaduras foram descobertas, onde foi observado um ataque não uniforme, com sinais de pites (indicando que os cloretos atuaram na superfície das barras) e estabeleceu-se que na armadura longitudinal, a corrosão havia ultrapassado os 50 centímetros centrais, em alguns centímetros de cada lado desta área (à medida que se chegou umidade no cobrimento) com uma pequena profundidade de corrosão (se via claramente as corrugações das barras) e, em menor grau, algo semelhante aconteceu com os estribos.

Na Tabela 3, as vigas ensaiadas são identificadas de acordo com a relação da espessura de cobrimento das armaduras/diâmetro adotados em cada viga (r/ϕ) e da carga aplicada (P), cuja magnitude é variada, de modo a produzir a mesma tensão nas armaduras tracionadas em todos os casos. As análises foram realizadas utilizando esta relação, como em grande parte da literatura sobre o assunto e não apenas com o cobrimento, a fim de generalizar os resultados obtidos. Além disso, é interessante notar que, independentemente do cobrimento utilizado, enquanto que a mesma proporção r/ϕ for mantida, o processo de fissuração será praticamente idêntico. No trabalho de ^{Peralta M. H. et al. (2006)} pode ser visto um estudo numérico, onde a evolução das tensões localizadas em diferentes partes do cobrimento do concreto, antes da fissuração, determinando a relevância da análise usando esta relação.

2.4 Determinações realizadas durante os ensaios

Primeiramente, as vigas foram carregadas e antes do início de molhagem, foram medidas as fissurações de flexão iniciais. O monitoramento da superfície das vigas foi realizado através da observação diária e registando o momento de aparição das primeiras manchas e das primeiras fissuras por corrosão. A partir do surgimento destas primeiras fissuras, foi realizada periodicamente a medição da largura (por comparação com uma régua graduada, com uma divisão mínima de 0,05 mm (ver Figura 2) e ao longo das mesmas (com uma régua graduada, que tem uma precisão milimétrica). Este procedimento foi realizado para encontrar as larguras máximas de fissuras, e as áreas de fissuração, obtidas com a soma dos comprimentos de cada fissura, multiplicadas pela sua respectiva largura.

Figura 2 Medição da espessura de uma fissura gerada por corrosão acelerada. 

Do mesmo modo, os potenciais de corrosão foram registados de modo a efetuar um processo de controle de corrosão eletroquímica (Figura 3), de acordo com um procedimento normalizado (American Society for Testing and Materials, 1980). Estes foram medidos com um voltímetro marca CANIN (PROCEQ) utilizando um eletrodo de referência de cobre - Sulfato de Cobre (CSC), construído especialmente para medições em estruturas de concreto. Os potenciais de corrosão nos 50cm centrais da área central afetada por corrosão foram determinados em cinco pontos equidistante, realizando a média dos valores.

Antes de iniciar as medições, as regiões foram umedecidas durante dois dias, até se obter um umedecimento constante com a referida solução de NaCl a 0,3%, em massa, e, subsequentemente, foi aplicada galvanostaticamente uma densidade de corrente constante durante todo o ensaio. Sob estas condições, que continuou durante todo o ensaio, a evolução do potencial de corrosão em vários pontos característicos da viga (em áreas secas e molhadas, em coincidência ou não com os estribos). Todas as medições foram realizadas desconectando previamente o galvanostato, e o concreto era umedecido nas áreas onde seriam realizadas as determinações posteriormente, de modo que as medições dos potenciais estabilizavam rapidamente. Este processo de umedecer, normalmente, durou várias horas.

A penetração teórica do ataque nas barras foi determinada a partir da Lei de Faraday (^{Alonso, 1998}), assumindo uma corrosão uniforme das armaduras, portanto, pode-se dizer que a penetração determinada é um valor médio, e pode ser estimado pela expressão:

Onde:

X: profundidade do ataque [mm];

0,0116: fator de conversão de unidades;

i_corr: densidade de corrente de corrosão [μA/cm²]

t: duração do ataque [anos].

Esta profundidade de ataque média nas barras, é obtida através da velocidade de corrosão, que está representada por icorr, que é mantido constante pelo galvanostato.

3.1 caracterização

Na Tabela 4 pode-se observar um resumo dos resultados obtidos nos ensaios de caracterização das propriedades do concreto.

De acordo com os resultados obtidos experimentalmente, a velocidade de sucção capilar é inferior a 4 g/m².s^1/2, valor máximo de velocidade de sucção capilar permitido pela norma argentina (Instituto Argentino de Normalización y Certificación, 2005), portanto, adequado para estruturas de concreto localizadas em presença de cloretos.

3.2 Monitoramento eletroquímico

Na Figura 3 se apresenta o comportamento eletroquímico da armadura, em que a evolução de potenciais de corrosão está ilustrada graficamente, representado a média das medições obtidas em 5 pontos situados na zona central afetada pela corrosão, em cada uma das quatro vigas ensaiadas. No eixo x existem duas escalas, uma representada pelo tempo decorrido desde o início do ensaio e na parte superior desta figura foi inserida a penetração teórica do ataque, que é um valor médio definido com a lei de Faraday (equação (1)), aplicado às perdas significativas de material nas armaduras situadas na área central das vigas.

Figura 3 Potenciais de corrosão médios (zona hidratada), em função da penetração teórica e de tempo. 

Deve notar-se que, mesmo que o ensaio durou cerca de 160 dias, quando superou os 140, a viga V96 entrou em colapso (Figura 4) devido a uma significativa redução na seção transversal de sua armadura, produzida pela profundidade dos pites gerados pela corrosão. Enquanto a viga V100 rompeu aos 160 dias, momento em que se terminaram os ensaios. Isto indica que o processo de corrosão, es aleatório, como é sabido, y afeta a vida residual do elemento estrutural afetado, mas em particular, os pites podem diminuir ainda mais.

Figura 4 Viga V96 após o colapso. 

O comportamento eletroquímico analisado nas quatro vigas, através do monitoramento de seus potenciais de corrosão, mostrou que após os primeiros 5 dias, uma vez que o processo de corrosão acelerada foi conectado, foi obtido o valor mínimo de potencial, onde a vigas com menor cobrimento (V96 e V100) foram as que completaram primeiro o seu período de ativação (com potenciais mínimos entre -478 e -531mV). Posteriormente, observa-se um aumento destes potenciais que pode ser considerado como um processo de pseudo-passivação, que é acompanhado pela fissuração generalizada (ver Figura 5), que foi semelhante em todas as vigas, embora o potencial das duas vigas com as menores relações cobrimento / diâmetro de armadura seja um pouco mais elevado do que as outras duas, de modo que se pode dizer que estão mais passivadas por apresentar uma maior facilidade de ingresso de oxigênio do exterior. Este processo mencionado também foi encontrado em trabalhos anteriores realizados neste laboratório (^{Aveldaño, 2011}; ^{Aveldaño, 2013}; ^{Schierloh, 2001}).

Figura 5 Área de fissuração total, em função do tempo. 

3.3 Monitoramento das áreas de fissuração

Sabe-se que em estruturas de concreto sujeitas à flexão, quando as tensões na zona de tração superam a resistência de concreto, são geradas fissuras que são chamadas de "fissuras de flexão", identificáveis pela sua direção transversal à armadura principal da viga. Isso é inevitável, com ou sem problemas de corrosão. Se, além disso, as armaduras estão em processo de corrosão, o quadro de fissuração é agravado, porque ambos os efeitos se sobrepõem: fissuras por flexão e corrosão.

Devido ao fato dos produtos de corrosão apresentar um volume maior do que o material original, pressões internas são geradas, que fazem que parte desses produtos encham os poros do concreto e outros saltam para fora através das fissuras por flexão (se houver). À medida que a corrosão progride e com a saturação dos poros, os óxidos produzem tensões que, ao superar as tensões de ruptura por tração do concreto, estes se fissuram na direção longitudinal. Estas são as denominadas "fissuras por corrosão". É necessário esclarecer que a divisão entre fissuras de flexão e por corrosão não é um conceito de definição muito clara, porque à medida que o processo de corrosão evolui, o progresso de ambas é interligado, podendo reforçar-se mutuamente, como especificado no parágrafo seguinte. A diferença mencionada na direção das fissuras é o que permite classificá-las desta forma. A presença de fissuras por flexão (quando a carga é de magnitude suficiente para gerá-las), faz com que a penetração de oxigênio, água e cloretos na armadura acelere, favorecendo o processo de corrosão das mesmas (ajudando a aumentar as áreas de fissuras por corrosão). Por outro lado, ao reduzir a seção das barras devido à corrosão, o equilíbrio interno da seção faz com que aumente as fissuras por flexão aumentem. Além disso, pelo fato das fissuras de flexão serem rotas para o lado externo, uma parte dos produtos de corrosão pode crescer em espessura e comprimento, o que pode aumentar ainda mais as áreas de fissuras de flexão. Isto é, o crescimento total da fissuração envolve a redução da seção resistente da viga (pela redução da seção das armaduras e da seção útil mecanicamente do concreto), de tal modo que, no caso de cargas muito próximas da ruptura do elemento, a estrutura pode entrar em colapso, como aconteceu com a viga V96 aos 140 dias de ensaio.

Uma vez que as cargas externas foram aplicadas, iniciou-se a medição das fissuras. Na Figura 5 se apresenta a evolução das áreas de fissuração totais em cada viga; isto é, aquelas obtidas pela soma das áreas de fissura por flexão e da fissuração por corrosão (na mesma direção que a armadura principal da viga). Vale lembrar que a chamada Área de Fissuração é a somatória dos produtos do comprimento pela largura de cada fissura.

Como era esperado, o aparecimento das fissuras de corrosão se manifestou mais tarde nas vigas com maior cobrimento. As vigas V90 e V93 tiveram uma evolução de área de fissuração total semelhante durante o tempo de ensaio, tendo em conta o grau de dispersão que geralmente aparece na maior parte dos trabalhos experimentais; enquanto que as vigas V96 e V100 mostraram um comportamento diferente, com áreas de fissuração totais superiores às vigas restantes, por apresentar uma relação r/ϕ mais baixa das armaduras. No entanto, quando analisado em separado a área de fissuração por flexão (Figura 6), verifica-se que a viga V96 apresentou valores muito superiores aos demais; isto é claramente visto no estado em que a viga chegou, onde a deterioração por corrosão ocorreu mais na zona das fissuras por flexão, enquanto o resto das vigas apresentou uma fissuração mais generalizada. Obviamente, esta maior fissuração inicial devida à flexão foi um importante via de entrada de cloretos, que chegaram até a armadura, apresentando a viga V96 as maiores áreas de fissuração total (Figura 5), durante os primeiros 30 dias de ensaio, em seguida, o seu comportamento esteve dentro das expectativas.

Figura 6 Área de fissuração por flexão, em função do tempo. 

Este comportamento observado na viga V96 explica seu colapso prévio ao da viga V100, e destaca, por um lado, a influência da menor relação r/ϕ da viga V100, a qual, apresentando a menor fissuração por flexão na maior parte do ensaio, apresentou fissuração por corrosão superior às demais; e por outro lado, a importância que têm as fissuras de flexão na deterioração de uma estrutura sujeita à corrosão, como é o caso da viga V96.

Enquanto neste trabalho é analisado o comportamento frente a um processo de corrosão de vigas com diferentes relações r/ϕ de suas armaduras, as quais estão sujeitas à mesma tensão, gerada por cargas externas, pode-se fazer uma comparação da evolução da fissuração do cobrimento observado com o obtido em outros estudos realizados pelo mesmo grupo de pesquisa (^{Moro, 2012}), em vigas de concreto com qualidades semelhantes às deste trabalho, elaboradas com ou sem agregados reciclados de concreto e submetidas ao mesmo processo corrosivo, mas sem a aplicação de cargas externas. Neste caso, a viga padrão (sem agregado reciclado) tem uma relação r/ϕ de 2,4 e, portanto, é comparável com a viga V100 deste trabalho, e para realizar uma análise de regressão das áreas de fissuração totais em ambas as vigas, pode-se observar que a inclinação é superior na V100 (y = 0,074 x - 0,9502) do que na viga padrão sem cargas externas (y = 0,068 x - 0,7688). Isto se deve à presença de tensões de tração da V100 nas barras, gerando fissuras por flexão, que facilitam o ingresso de agentes agressivos exteriores, causando uma aceleração no processo de corrosão.

Na Figura 7 observa-se que o aparecimento da primeira fissura visível de corrosão é retardado (a profundidade média de ataque é proporcional ao tempo, expressão (1)), na medida em que se aumenta a espessura do cobrimento (maior proporção r/ϕ). O aumento da espessura do cobrimento faz com que ocorra o atraso no aparecimento das primeiras fissuras por corrosão (Figura 7) e a sua evolução seja mais lenta (ver Figura 5), porque os elementos agressivos exteriores (cloretos, oxigênio e água) levam mais tempo para chegar à armadura. Esta situação, no caso de armaduras tracionadas com menores relações r/ϕ é preocupante, uma vez que essa maior profundidade de ataque nas barras, com sintomas externos inferiores (fissuração), contém um risco considerável, porque reduz o tempo de aviso de colapso estrutural, sendo mais preocupante se houver cloretos que geram pites. Na Figura 7 é também adicionado um ponto que corresponde à viga padrão (sem cargas externas e razão r/ϕ = 2,4) do trabalho mencionado acima (^{Moro, 2012}), onde se observa que é necessária uma maior profundidade de ataque para o aparecimento das primeiras fissuras visíveis.

Figura 7 Relação entre a profundidade média de ataque aos reforços produziu a primeira fissura visível (e = 0,05 mm) por corrosão e relação / diâmetro de cobrimento da barra. 

A equação obtida na Figura 7 por uma análise de regressão (y = a + bx) pode ser comparada com a obtida em outros estudos (^{Alonso, 1998}), onde foram utilizados concretos elaborados com relações água/cimento entre 0,52 e 0,65, em quanto as outras condições de ensaio são semelhantes, entre as quais se destacam: a faixa de variação da relação cobrimento / diâmetro um pouco mais ampla do que a adotada nesta publicação, em ambos os trabalhos foram colocados estribos e foi empregada a mesma intensidade de corrente. Os resultados obtidos no trabalho citado foram: a = 7,53 e b = 9,32, com R² = 0,92. O declive desta linha é muito mais baixo do que o obtido no presente trabalho (a = 13,71), portanto, pode-se dizer que, em estruturas sujeitas a cargas externas, se acelera a degradação gerada pela corrosão de suas armaduras, mesmo para concretos feitos com uma relação água/cimento ligeiramente inferior as de referência.

Depois de concluir o ensaio, as armaduras foram descobertas, retirando seus cobrimentos. Na inspeção visual, observou-se que, devido à ação de cloretos (apesar da baixa concentração adotada), a corrosão nas barras geralmente não era uniforme, mas observaram-se algumas áreas de corrosão localizada (pites), sem mostrar nenhum padrão particular. No entanto, em alguns casos foram encontrados maiores pites nas áreas perto de fissuras de flexão, como na viga V96, onde a seção de colapso coincidiu com uma fissura de flexão.

3.4 Monitoramento das larguras máximas das fisuras

Na Figura 8, é apresentada a variação da largura máxima de fissuração, em função do tempo.

Pode-se observar que a largura máxima de fissuração, durante a maior parte do ensaio, foi maior na viga V96, pela influência de fissuração por flexão. Na evolução do resto das vigas, não foram notadas grandes diferenças, pois a distribuição de fissuração se desenvolveu de maneira diferente em cada viga, seja de forma mais generalizada ou mais localizada, sem gerar diferenças evidentes entre as várias amostras testadas.

Figura 8 Largura máxima de fissuras em função do tempo. 

Se a evolução da largura máxima de fissuração for comparada com as áreas de fissuração (Figura 5), pode-se notar que os últimos são mais representativos da evolução geral da deterioração, porque a largura máxima é comum variar de localização na viga durante o processo de corrosão; também tende a evoluir em saltos, dependendo do aparecimento de novas fissuras que provocam a redistribuição das tensões internas no cobrimento. Por exemplo, na Figura 8 pode ser visto que a viga V90 é a que tem maior fissuração entre 40 e 90 dias, quando, na realidade, teria que ser a que apresentava os valores mais baixos. Esta situação também é encontrada em outros estudos (^{Aveldaño, 2009}, ^{Aveldaño, 2013}). No entanto, se inclui esta figura porque nas normas é comum limitações de largura máxima de fissuras, portanto é usada como uma referência em diversas literaturas internacionais. Deve-se notar que devem ser realizadas pesquisas para normalizar a área de fissuração, a fim de fazer comparações válidas entre diferentes vigas danificadas, por exemplo, em função do comprimento do elemento afetado ou da largura da área corroída, e depois estabelecer indicadores representativos de insuficiência e limitá-los.