Corrosão de armadura de cilindros de betão confinados por duas camadas de GFRP avaliada por impedância electroquímica

Corrosion evaluation by electrochemical impedance of reinforced concrete cylinders confined by two layers of GFRP

B. Sena da Fonseca(1)(2), A. S. Castela(3), M. G. S. Ferreira(1)(4), R. G. Duarte(3) e M. F. Montemor(1)(*)

(1) ICEMS, Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa, Av. Rovisco Pais, 1, 1049-001 Lisboa, Portugal

(2) Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, 2829-516 Caparica

(3) Instituto Politécnico de Setúbal, ESTBarreiro, 2839-001 Barreiro, Portugal

(4) CICECO, Departamento de Engenharia de Materiais e Cerâmica, Universidade de Aveiro, 3810-193 Aveiro

(*) A quem a correspondência deve ser dirigida, e-mail: mfmontemor@ist.utl.pt

RESUMO

Este trabalho teve como objetivo o estudo de armaduras de cilindros de betão armado confinados com duas camadas de polímeros reforçados com fibras de vidro (GFRP). Provetes cilíndricos de betão armado com e sem GFRP foram imersos em solução de cloreto de sódio. O estado das armaduras foi avaliado por medições de potencial de circuito aberto e por impedância eletroquímica com sistemas a dois e três eletrodos. Os resultados demostraram que o confinamento de duas camadas de GFRP apresenta baixa permeabilidade e atua como barreira física à penetração de solução. Verificou-se que imperfeições na fase de aplicação do GFRP e sua degradação são de grande importância na eficiência da prevenção de corrosão.

Palavras-chave: GFRP, Betão Armado, Corrosão, EIS

ABSCTRACT

This work aims to study the steel reinforcement corrosion in reinforced concrete confined with two layers of glass fiber reinforced polymers (GFRP). Reinforced concrete cylinders with and without GFRP were immersed in a sodium chloride solution. T he corrosion process of the steel rebars was followed by open potential measurements and electrochemical impedance in two and three electrodes systems. Results have shown that two GFRP layers have low permeability and act as an efficient physical barrier. It has been found that imperfections during the GFRP application and its degradation are of great importance in the efficiency of corrosion prevention.

Keywords: GFRP, Reinforced Concrete, Corrosion, EIS

1. INTRODUÇÃO

A corrosão das armaduras de aço é reconhecida como o maior problema que afeta a integridade estrutural destas estruturas [1 - 4]. Em pilares de pontes, garagens subterrâneas e em construções costeiras a presença de elementos agressivos como os cloretos potencia esta situação [3].

Apesar das armaduras de aço estarem protegidas contra a corrosão devido ao ambiente alcalino proporcionado pelo betão (pH˜13), a penetração de iões cloreto pode provocar a destruição do filme passivo o que inicia a atividade corrosiva [1 - 3, 5 - 7].

Os produtos originados por esta reação possuem volume muito superior ao do seu estado original o que gera forças de tensão no interior do betão [7, 8]. Como consequência, poderá ocorrer fissuração e desagregação [1, 6 - 8] que se acentuam com o tempo pois as armaduras ficam diretamente expostas. A diminuição da secção das armaduras e a perda de aderência ao betão são duas consequências negativas para o desempenho de toda a estrutura.

Os métodos convencionais de reparação ou substituição de estruturas de betão armado acarretam elevados custos e são um dos maiores desafios da engenharia civil [9].

Para aumentar a vida útil e reduzir os custos de manutenção e reparação, é fundamental a utilização de novos materiais de elevada durabilidade e que permitam novas soluções construtivas e nos últimos 20 anos, um grande número de estudos têm sido realizados pela comunidade científica. Comprovou-se que a utilização de compósitos reforçados por fibra (FRP) no reforço de vigas, lajes e pilares conduz a vantagens como o aumento considerável da resistência mecânica e melhoria das características sísmicas da estrutura [10 - 16]. É também um material de fácil aplicação e com um reduzido impacto arquitetónico [14].

Assim, a aplicação deste tipo de compósitos é reconhecida em todo o mundo como uma tecnologia viável de reforço e reparação de infraestruturas e tem sido frequentemente empregue na reabilitação de diversas estruturas nos EUA, Japão e Europa [13] sendo uma das principais aplicações no confinamento de pilares de viadutos e pontes [10].

Existem diversos casos de reabilitação de estruturas com problemas de corrosão de armaduras em que foi utilizado FRP por questões económicas [17, 18]. No entanto, o principal objetivo tem sido o reforço estrutural, já que a presença de humidade em conjunto com cloretos e oxigénio no interior do betão torna a aplicação do FRP inconsequente na paragem da corrosão, sendo aconselhável a extração eletroquímica de cloretos (ECE) numa etapa prévia da reparação [19].

Diversos ensaios laboratoriais têm sido efetuados para avaliar a aptidão dos FRP no abrandamento da corrosão das armaduras e as suas conclusões publicadas. Devido ao elevado tempo necessário para avaliar a corrosão em condições semelhantes às reais, o procedimento habitual recorre a técnicas de corrosão acelerada, nomeadamente através da aplicação de uma corrente elétrica no sistema para acelerar o transporte dos iões agressivos através do betão [1, 3, 5, 8, 9], embora se saiba que esta técnica provoca mudanças na composição química, nas propriedades elétricas e na microestrutura do betão, o que influencia a resposta global do sistema e o afasta de um caso real [20].

De qualquer das formas, parece unânime a conclusão de que ocorre uma diminuição da taxa de corrosão em armaduras expostas em betão armado onde foi aplicado FRP. Note-se que o processo também depende de vários parâmetros como o tipo de resina e fibras, sua orientação e o número de camadas utilizadas [18].

O presente artigo pretende contribuir para o conhecimento deste tipo de efeito, assim como para despistar eventuais erros atribuíveis em medições EIS a dois electrodos não inertes. O estudo foi efetuado em provetes cilíndricos de betão armado, quer não confinados, quer confinados por duas camadas de GFRP, a escala laboratorial. A aplicação do colete de FRP foi efetuada antes da contaminação, simulando a sua utilização no momento inicial da construção. Por medidas do potencial de circuito aberto (OCP) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) pretendeu-se avaliar em tempo real, a influência da aplicação de duas camadas GFRP na degradação da armadura.

2. METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Foram construídos provetes cilíndricos de betão com uma relação água/cimento (a/c) igual a 0,50. As proporções da mistura em percentagem de massa foram as seguintes: 46,06% de brita com dimensões inferiores a 9,5 mm, devido às reduzidas dimensões dos provetes; 35,53% de areia; 12,28% de cimento Portland CEM I classe 42,5R e 6,14% de água.

Para simular a armadura utilizou-se em cada provete um varão de aço comum com 12 mm de diâmetro. Uma vez que a contaminação não será acelerada por outros processos, optou-se por uma espessura de recobrimento dos varões de 15 mm, abaixo dos valores mínimos aconselhados e normalmente utilizados.

Para as medições a dois electrodos, utilizou-se um varão de aço similar no centro do provete. Para as medições a três electrodos utilizou-se um varão de material inerte (grafite) como electrodo de referência no centro do provete e como contra electrodo um varão de aço comum. As características geométricas dos provetes são apresentadas na figura 1.

 

Após 28 dias de cura o valor médio obtido para a resistência do betão à compressão em ensaios de cubos feitos de acordo com a norma NP EN 206-1 [22] foi de 37,1 MPa.

]]> Com 20 dias de cura, foram aplicadas pelo método wet lay-up duas camadas de GFRP num provete cilíndrico para medições a três electrodos. O compósito é composto por um tecido de fibra de vidro unidirecional com 1,27 mm de espessura nominal, denominado comercialmente por Tyfo® SEH-51. Como aconselhado pelo fornecedor, a resina utilizada foi epoxídica designada por Tyfo S. As bases dos provetes foram cobertas com duas camadas de resina epoxídica.

Após a cura do compósito, os provetes foram parcialmente imersos numa solução a 3 % de cloreto de sódio (NaCl), valor semelhante à concentração média da água do mar. Permaneceram neste estado no decorrer de toda a investigação (figura 2).

 

As medições de OCP foram obtidas com recurso a um multímetro portátil e um eléctrodo saturado de calomelanos. O seu contacto com o betão foi facilitado por uma esponja humedecida.

No que diz respeito aos estudos por EIS, as medições foram efetuadas a dois electrodos (dois varões de aço nos provetes) num potencióstato Gamry Ref 600. A gama de frequências variou entre os 100 kHz e os 5 mHz e a onda sinusoidal foi de 10 mV (rms). Os ensaios foram executados com uma diferença de potencial de 0 V.

 

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Na figura 3 são representadas as evoluções dos potenciais registados ao longo do período de imersão dos provetes com e sem GFRP. Os valores medidos do potencial de circuito aberto nos provetes confinados com GFRP situam-se acima dos -200 mV, o que traduz uma situação típica de passividade.

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Em contraste, durante todo o período de imersão, os provetes sem GFRP apresentam valores inferiores a -500 mV. Estes valores de potencial são característicos de um estado de corrosão ativa.

Estes resultados podem ser devidos a: i) despassivação dos varões devido à rápida penetração de cloretos através do betão e consequente chegada à interface betão/aço ou ii) polarização catódica devido ao facto da maior parte dos provetes estarem imersos e saturados o que provoca um défice de difusão de oxigénio. A interpretação dos resultados obtidos por EIS permite estabelecer qual desses fenómenos terá ocorrido.

A evolução dos espectros de EIS com o tempo de imersão é apresentada na Figura 4.

Os diagramas de Bode evidenciam, para o caso dos provetes sem GFRP, ligeiras diferenças nos sistemas. Embora com progressão semelhante, os resultados das medições a dois electrodos revelam, regra geral, resistências óhmicas superiores. Os valores para as altas frequências que estão associados às características do betão, mostram consideráveis diferenças entre provetes com e sem GFRP.

Nas frequências intermédias e baixas ocorreu uma diminuição ligeira do ângulo de fase ao longo do tempo para os provetes sem GFRP, sugerindo que o processo de corrosão se torna mais importante. Para os provetes com GFRP, o ângulo de fase apresenta-se superior e constante ao longo do tempo, o que revela um estado passivo dos varões de aço. Nestes provetes é também possível identificar uma constante de tempo adicional que corresponderá à presença de um filme protetor na superfície do aço, que protege a armadura, adiando o início das reações de corrosão.

Nas frequências baixas, é possível identificar fenómenos de difusão caracterizados pela distorção do patamar correspondente à resistência de transferência de carga.

Para caracterizar os dois tipos de provetes, com e sem GFRP, e acompanhar a evolução dos fenómenos ocorridos ao longo do tempo, recorreu-se à utilização de circuitos equivalentes.

O circuito equivalente adotado para descrever o sistema dos provetes com GFRP (figura 5 b) caracteriza-se por: resistência do betão (R_b); constante de tempo que resulta de filmes passivos na superfície do aço (C₁ e R₁) e uma capacidade de dupla camada (C_dc).

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No que respeita à modelação dos espectros correspondentes aos provetes sem aplicação de GFRP (figura 5 a) , uma vez que se detetou um estado de corrosão ativa, o circuito utilizado foi ligeiramente alterado. Foi adicionada uma resistência de transferência de carga (R_tc) e um elemento para caracterizar fenómenos de difusão através da camada de óxidos (CPE1).

Através dos valores obtidos por ajuste é possível acompanhar a evolução da resistividade do betão (figura 6), assim como os valores da resistência de transferência de carga.

 

A evolução da resistividade do betão é importante para uma melhor compreensão da influência do confinamento por GFRP na penetração da solução. Os valores de resistividade do betão foram obtidos através das frequências elevadas, a partir dos valores R_b. Esta resistência foi convertida em resistividade, tendo em conta a área do electrodo e a espessura do betão entre electrodos.

Uma vez que a resistividade é inversamente proporcional à condutividade e que a velocidade de corrosão do sistema é condicionada pela quantidade de eletrólito disponível para o transporte de cargas, através da resistividade pode-se obter alguma informação qualitativa acerca da corrosão. Genericamente considera- -se que a corrosão é pouco provável para valores de resistividade superiores a 12000 O.cm, é provável entre 5000 e 12000 O.cm e para valores inferiores a 5000 O.cm a corrosão será muito provável [7].

Nos provetes sem GFRP, após três dias de imersão os valores variam entre os 800 e 1400 O.cm. Esta gama de valores permite afirmar que ocorreu uma rápida penetração de solução no betão e que os provetes estão saturados.

Com a evolução do tempo de imersão, a cura do betão prossegue através de processos de hidratação o que resulta num aumento progressivo da resistividade do betão. Existe, no entanto, uma tendência para valores mais estáveis de resistividade após 3 meses de imersão

Para os provetes confinados com GFRP os valores obtidos durante os primeiros dias de imersão são várias vezes superiores. Apresentam uma resistividade de cerca de 12000 O.cm. A presença de GFRP tem o efeito de uma barreira física que retarda a absorção de solução e isto reflete-se numa maior resistência. Além disso, devido à maior taxa das reações de hidratação, o betão apresenta um aumento significativo de resistividade. Após 300 dias a resistividade sofreu um aumento de 3 vezes face à inicial o que revela a conservação das propriedades durante este período de tempo.

]]> Silva (2007) [23], para o caso de uma solução salina, estimou um coeficiente de difusão para o GFRP de 1,55x10⁶ mm²/s, valor várias vezes inferior ao de um betão comum. A proteção natural que o betão confere contra a corrosão e o reduzido coeficiente de difusão do GFRP formam uma ação conjunta e eficaz na prevenção da corrosão.

Por outro lado, são conhecidos os efeitos de soluções de NaCl na degradação das propriedades do GFRP. Os danos produzidos podem resultar de lixiviação das fibras e formação de micro-fissuras [24]. O enfraquecimento da matriz ocorre por plasticização e, embora este dano pareça ser reversível, a exposição constante provoca danos irreversíveis através de hidrólise [25, 26]. Além disso, a integridade estrutural e o desempenho do GFRP são fortemente dependentes da estabilidade da ligação fibra/matriz. A difusão de moléculas causa expansões volumétricas e provoca tensões diferenciais na interface fibra/matriz [27].

Devido à penetração de solução ocorrer apenas pelo exterior, seria previsível que a utilização de duas camadas quando comparadas com um confinamento com uma camada diminuísse a permeabilidade do confinamento e que este mantivesse as suas características barreira intactas durante um maior período de tempo. Contudo, Khoe et al. (2010) [28] afirma que laminados apenas com uma camada são menos permeáveis do que sistemas com duas camadas.

Alguns autores [21] referem que todos os provetes de betão confinados com uma camada de GFRP sofreram uma significante diminuição de resistividade nos primeiros 300 dias de contaminação. Isto indica que o GFRP perdeu o seu efeito barreira durante este período de tempo. Este efeito revela-se mais sensível a pequenas variações e imperfeições inerentes à aplicação de GFRP por wet-lay up, do que à reduzida permeabilidade natural do material. Também a durabilidade do GFRP é um dos fatores principais na eficaz redução de penetração de cloretos e na redução da probabilidade de corrosão das armaduras.

Na tabela 1 apresentam-se alguns dos resultados experimentais obtidos através dos ajustes aos dados experimentais.

 

Após nove dias de imersão, os provetes com GFRP apresentam um comportamento tipicamente passivo com declives determinados no diagrama de log |Z| superiores a 0,8. Os provetes não confinados apresentam declives inferiores e valores de R_tc característicos de um estado de corrosão ativo.

Com o evoluir do tempo de imersão, os dois tipos de provetes sem GFRP apresentam valores de R_tc semelhantes e com uma velocidade de corrosão ligeiramente variável ao longo do tempo.

Esta diferença poderá ser explicada pela variação de temperatura e humidade no ambiente ao longo das estações do ano, o que provocou diferentes comportamentos na absorção de água por capilaridade na parte emersa dos provetes.

]]> Através dos declives é possível constatar que o confinamento provocou uma manutenção do estado passivo, com declives sempre superiores a 0,8 até ao final dos ensaios.

 

4. CONCLUSÕES

Os provetes sem GFRP sofreram uma rápida saturação e por este motivo os varões de aço revelaram-se ativos numa fase precoce da investigação. Com o desenvolvimento dos ensaios esta corrosão intensificou-se.

Pela evolução da resistividade concluiu-se que os provetes confinados se mantiveram num estado seco e que os processos de hidratação prosseguiram a uma taxa elevada. Os varões mantiveram- -se num estado passivo durante os 300 dias de ensaio. O confinamento revelou reduzida permeabilidade à penetração de solução e atuou como uma barreira física. Quando comparados com a utilização de uma camada, verificou-se que a utilização de duas camadas é mais eficaz na prevenção de penetração de cloretos.

Imperfeições na fase de aplicação de GFRP e a sua degradação por ataque através de uma solução salina são dois aspetos de grande importância na eficiência de redução da probabilidade de corrosão.

 

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AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Fundação para a Ciência e Tecnologia por financiar o projeto DUST-PTDC/ECM/100538/2008 que suportou a presente investigação.

Artigo submetido em Maio de 2013 e aceite em Setembro de 2013