ARTIGO TÉCNICO - AT 14 - CARBONATAÇÃO EM CONCRETOS

Trazemos uma versão resumida do trabalho desenvolvido pelos autores, todos do PECC-UnB.

O artigo que apresentamos insere um importante alerta sobre a carbonatação do concreto quando da utilização de adições. Em conjunto com o SINDUSCON-DF  e também com a participação de empresas produtoras de concreto em Brasília procedeu-se intenso estudo buscando avaliar experimentalmente os concretos e seus materiais na questão da suscetibilidade à carbonatação.

Boa leitura.

Estudo Experimental do Desenvolvimento da Carbonatação em Concretos

 Antônio A. Nepomuceno (1); Patrícia L. O. Lara (2) 

Claudio H. A. F. Pereira (1); Elton Bauer (1).

(1) Professor Doutor, Universidade de Brasília -UnB, 

(2) Mestre -, Universidade de Brasília -UnB, Programa de Pós-Graduação

em Estruturas e Construção Civil – PECC

1. Introdução

A produção dos concretos para a construção civil, em particular no caso das empresas concreteiras, vem se modificando de forma muito dinâmica. Assim é que avanços tecnológicos nos materiais (cimentos, aditivos, dentre outros), são muito rapidamente incorporados aos concretos rotineiramente aplicados nas obras nas mais diversas finalidades.

Nos últimos 5 anos, tem se observado um advento fortíssimo da utilização das adições minerais. Sem dúvida o apelo ambiental para uso deste resíduo, como também as propriedades que se consegue melhorar para os concretos, associados à viabilidade de melhorias na otimização de custos, tem intensamente direcionado o uso dos concretos, inclusive com altos teores destas adições.

A definição e especificação e comercialização da maioria dos concretos utilizados nas obras do Distrito Federal é feita em cima de parâmetros como resistência característica (fck) e abatimento (slump). Na maioria das vezes os clientes (empresas construtoras), tendo por referência somente os parâmetros estruturais, não se atêm a outros aspectos, fundamentais na definição da durabilidade das estruturas de concreto. Assim pode-se mencionar com fundamentais:

  Relação água/cimento

  Consumo de aglomerante

  Teor e natureza das adições.

As adições, particularmente a escória de alto-forno, permitem desenvolver resistências muito significativas, inclusive com altos teores de substituição de cimento. Todavia, concretos que empregam adições sofrem em geral, efeitos mais intenso da carbonatação do concreto. A carbonatação não prejudica as resistências mecânicas, mas reduz fortemente o pH do concreto. Essa redução permite que se desenvolva um processo de corrosão das armaduras que traz sérias conseqüências para a estrutura, como intensa fissuração e perda da capacidade portante. De forma infortunada, o clima que temos no Distrito Federal permite o desenvolvimento muito intenso da carbonatação. Ao longo dos anos, o Laboratório de Ensaio de Materiais da UnB tem acompanhado vários casos em que a carbonatação ocorre muito precocemente nas estruturas de concreto, com o surgimento de corrosão das armaduras. O objetivo deste projeto foi o desenvolvimento e execução de estudo experimental avaliando os aglomerantes e aditivos de cada concreteira participante, no que diz respeito à carbonatação.

2. Metodologia.

Várias etapas foram com concebidas com o intuito de viabilizar o atendimento dos objetivos do projeto. O SINDUSCON/DF teve papel centralizador no decorrer do projeto, principalmente no levantamento de dados e coordenação das etapas.

2.1 Levantamento de dados.

Foi efetuada uma consulta com as concreteiras interessadas levantando-se dados médios de consumo de aglomerante e relação água/cimento usuais. Também se levantou para cada concreteira, qual o cimento e aditivos utilizados, bem como também qual escória e teor que se emprega, quando for o caso. Foi proposta também a inserção da Cimento Planalto e Cimento Tocantins, para análise laboratorial dos aglomerantes em estudo. Por razões de cronograma este estudo foi efetuado na totalidade pela Cimento Tocantins.

2.2 Caracterização dos Materiais.

Os cimentos, escórias e aditivos para produção dos concretos foram fornecidos pelas concreteiras envolvidas no projeto. Os agregados empregados são de uso corriqueiro na produção de concretos no DF.

2.2.1 Cimentos.

Os ensaios físicos e químicos dos cimentos e das escorias foram realizados pela Cimento Tocantins S.A. As Tabelas 1 e 2 apresentam, respectivamente, a análise química e as propriedades físicas dos cimentos utilizados. A Tabela 3 apresenta a análise química da escória.

2.2.2 Agregados.

Os agregados utilizados em todos os traços foram os mesmos para todos concretos e sua granulometria foi definida de maneira a permitir a moldagem de corpos de prova pequenos para facilitar a carbonatação. Foram empregados como agregados miúdos, a areia artificial areia rosa e brita 0, com as granulometrias a seguir apresentadas.

2.3 Dosagem e Especificação de Traços.

Na dosagem dos concretos estabeleceram-se duas relações água/cimento para serem analisadas, 0,58 e 0,65. Com os materiais de cada concreteira produziram-se concretos com os seguintes traços:

a/c=0,58 a/c=0,65

C= 366 kg/m3   C=326 kg/m3

Traço = 1 : 1,18 : 1,18 : 2,54 Traço = 1 : 1,38 : 1,38 : 2,84

Ambos os traços foram desenvolvidos em laboratório e mantidos constantes para os materiais das diferentes concreteiras

A adição de escória foi feita em substituição ao cimento nas proporções de 20% e 40% em massa. Manteve-se constante o consumo de aglomerante (cimento + escória) em 366 kg/m3 e 326 kg/m3 para as relações água/cimento 0,58 e 0,65, respectivamente. Esta substituição foi feita utilizando os mesmos materiais das concreteiras que utilizam escória de alto-forno.

A Tabela 4 apresenta os traços estudados para cada concreteira, bem como a identificação utilizada neste estudo.

2.4 Mistura, moldagem e cura dos corpos-de-prova

2.4.1 Mistura

A mistura dos materiais foi feita em uma betoneira de mistura forçada de eixo vertical, do Laboratório de Ensaio de Materiais da Universidade de Brasília, adotando-se o seguinte procedimento de mistura:

  homogeneização dos materiais secos na betoneira (t=30 segundo);

  Adição de metade da água (t=2 minutos);

  Adição do restante da água com o aditivo e mistura (t= 3minutos);

  Determinação do abatimento;

  Retorno do material utilizado para realização do ensaio de abatimento do tronco de cone a betoneira e mistura por mais 30 segundos.

A quantidade de material utilizado por betonada totalizava 50 kg, o suficiente para moldagem dos corpos de prova necessários para o estudo proposto. 

2.4.2 Moldagem

Foram moldados 6 corpos-de-prova cilíndricos nas dimensões 100 x 200 mm, adensados com vibrador de imersão em duas camadas, e 8 corpos-de-prova prismáticos nas dimensões 50 x 70 x 90 mm, adensadas também  em duas camadas, em mesa vibratória. Os corpos-de-prova cilíndricos foram destinados aos ensaios de absorção por imersão e resistência à compressão e os prismáticos para monitorização da carbonatação.

2.4.3 Cura

A cura de todos os corpos de prova foi feita por 3 dias em câmara úmida e mais 25 dias em ambiente de laboratório, quando foram iniciados os ensaios.

2.5 Processo de carbonatação

Inicialmente os corpos-de-prova foram colocados em estufa a temperatura de 60ºC por 24 horas e após este período foram acondicionados em câmara de carbonatação. A carbonatação foi dividida em 7 períodos de 1 hora e 30 minutos e em 3 períodos de 5 horas em câmara, totalizando 25,5 horas de carbonatação, sendo que entre cada período de permanência em câmara eram feitas medidas de profundidade carbonatada e massa dos corpos-de-prova. A medida da carbonatação é feita com aspersão de fenolftaleína. A região incolor apresenta-se carbonatada, e a região vermelho-carmim ainda não carbonatou.

O processo de carbonatação é de fora para dentro. Assim, emprega-se uma câmara de carbonatação na qual é injetado CO2. A certos intervalos de tempo a câmara é aberta, os corpos-de-prova são fraturados e faz-se aplicação da fenolftaleína e mede-se a profundidade carbonatada. A duração total do ensaio foi de 25,5 horas.

2.6 Ensaios complementares.

Os ensaios de absorção de água por imersão foram conduzidos pelo procedimento da ABNT NBR 9778:1987. Por sua vez os ensaios de resistência à compressão seguiram o procedimento da ABNT NBR 5739:1994.

3. Resultados e Discussão.

A análise de resultados deve ser feita de forma comparativa. Como as concreteiras E e F usam os mesmos materiais, sempre que se mencionar a concreteira E os resultados aplicam-se a concreteira F. Neste análise, como somente duas concreteiras utilizam escória, a apresentação será efetuada inicialmente pela comparação dos resultados sem escória (séries de referência), e em seguida as séries com adição de escória.

3.1 Carbonatação.

A Figura 2 apresenta os resultados finais de carbonatação para relações a/c 0,58 e 0,65, para os traços sem adição de escória.

Observa-se que a concreteira C teve o pior desempenho com carbonatação total do concreto. Para as demais, conforme esperado, para água/cimento maiores, mais intensa foi a carbonatação. Para a/c de 0,58, excetuando-se a concreteira C, o desempenho foi muito similar. Já para a/c 0,65, as concreteiras A e B apresentaram os maiores valores de profundidade carbonatada. Para o caso da adição de escória, as Figura 3 e 4 apresentam os resultados observados.

Para a relação a/c 0,58, a Figura 3 mostra que a situação da concreteira C é a mais crítica, com carbonatação total dos corpos-de-prova. Neste caso, o emprego de escória somente facilitou a carbonatação já que os valores medidos na série de referência (Figura 2) já foram críticos. Para a concreteira E, somente o teor de 40% foi crítico para esta relação a/c de 0,58 (Figura 3).

Ao se aumentar à relação a/c para 0,63 (Figura 4), para o caso da concreteira E, evidencia-se uma relação clara entre carbonatação e teor de escória. Ao se passar para 20% e 40% o teor de escória, a profundidade carbonatada aumenta para 17 mm e 24 mm  respectivamente.. A concreteira C apresenta todos os seus traços totalmente carbonatados. Esse comportamento é grandemente influenciado pelo baixo desempenho do cimento, não se podendo diagnosticar efeitos da adição de escória.

A Fotografia 3 a seguir ilustra a situação final do ensaio de carbonatação, ou seja após 25,5 horas de exposição ao CO2, para as séries sem escória para a relação a/c 0,58. Esta situação corresponde a detectada e analisada pela Figura 2, em específico para a/c 0,58. Conforme mostram os dados, praticamente não existe diferenças marcantes entre as concreteiras, excetuando-se o caso da concreteira C. 

Para a relação a/c 0,63 (fotografia 4), observa-se já uma suscetibilidade muito maior a carbonatação. As concreteiras A, B e G, com o aumento da relação a/c tiveram carbonatação bem mais acentuada. A concreteira C, todavia foi a que apresentou maiores taxas de carbonatação.

Em relação à influência da adição de escória, a Fotografia 5 mostra nitidamente a maior carbonatação quando do uso de 20% e 40% de escória em substituição ao cimento. No caso da concreteira E (Fotografia 5), observa-se também a influência da relação água cimento. É bastante nítido que o teor de escória aumenta a carbonatação, sendo que este aumento é muito mais crítico para relações a/c maiores.

3.2 Resistência à compressão

A Figura 5 mostra as resistências à compressão de cada concreto sem adição de escória produzido com cimentos e aditivos de cada concreteira, enquanto a Figura 6 mostra os resultados de resistências à compressão de concretos das concreteiras C e E produzidos com a adição de escória para as relações a/c 0,58 e 0,65 respectivamente.

Observa-se claramente que há uma diferença entre os concretos estudados notando-se dois extremos de resistência. O que alcançou os resultados mais altos foi o concreto produzido com os materiais (cimento e aditivo) da concreteira D. 

O de resultados menores foi o concreto produzido com os materiais da concreteira C. Os demais concretos situam-se em uma faixa intermediária de resistência. As diferenças observadas parecem advir das características peculiares de cada cimento.

Quando se compara os concretos produzidos com adição de 20% e 40 % de escória produzidos com os materiais das concreteiras C e E, observa-se que há uma redução mais acentuada da resistência com o aumento do teor de escória para a relação água/cimento 0,65. Também, como era de se esperar, o concreto produzido com os materiais da concreteira C apresentou menores resultados, comparativamente com o concreto produzidos com os materiais da concreteira E. Para esta última concreteira, os concretos produzidos com relação água/cimento 0,58 não apresentou redução de resistência.

3.3 Absorção por imersão

Nas Figuras 7 e 8 observam-se os resultados da absorção por imersão dos concretos sem e com adição. Verifica-se que os valores de absorção dos concretos sem adição não são muito diferentes entre si embora se note um pequeno aumento de absorção para o concreto produzido com os materiais da concreteira C. Já os concretos com adição, tanto com relação água/cimento 0,58 quanto com relação água/cimento 0,65, apresentam uma tendência de aumento de absorção, característica já observada em outros trabalhos em que se utilizou adição de escória, provavelmente, pelo aumento do volume de poros menores, apesar do refinamento proporcionado pelo uso das adições.

4. Conclusões

Dos resultados apresentados e discutidos, cabe enumerar as seguintes conclusões principais:

•  Todos os concretos estudados são suscetíveis a carbonatação. Alguns casos atípicos, como o caso da concreteira C, merecem ser mais bem investigados e até repetidos, em face de gravidade do observado. De uma forma geral para a/c menores o comportamento foi muito parecido entre as concreteiras (excetuando-se a concreteira C);
•  A suscetibilidade a carbonatação aumenta com o aumento da relação água/cimento (a/c). Neste caso já houve uma diferenciação nítida entre as concreteiras, o que pode ser atribuído em certa forma a características peculiares aos cimentos empregados;
•  O emprego de escória aumenta nitidamente o avanço da carbonatação. Deve-se definir teores máximos para o emprego desta adição, e principalmente limitar a relação a/c quando do uso de escória;
•  A resistência à compressão não é indicador de qualidade quanto à durabilidade, não se podendo de forma alguma querer justificar emprego de altos teores de escória pelo parâmetro de resistência.

  Os ensaios efetuados são ensaios acelerados. Os resultados são comparativos entre si, não podendo se inferir qual o tempo de exposição natural para se atingir a armadura (com base nos dados obtidos). Entretanto, conforme discussão dos resultados relatada, se pode identificar quais situações (concreteiras) apresentam maior suscetibilidade ao fenômeno estudado.

  A classificação de suscetibilidade (maior para menor) a carbonatação pode ser assim colocada:

• Séries sem escória – a/c 0,58
• concreteira C
• concreteiras A,B, D, E, F e G
• Séries sem escória – a/c 0,65
• Concreteira C
• Concreteiras A, B
• Concreteira G
• Concreteiras D, E, F
•  Séries com escória – a/c 0,58
• Concreteira C
• Concreteiras E, F
• Séries com escória – a/c 0,65
• Concreteira C
• Concreteiras E, F

5. Referências

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, Rio de Janeiro. NBR 5739; Concreto – Ensaio de compressão em corpos-de-prova cilíndricos. 1994.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, Rio de Janeiro. NBR 7217; Agregados - Determinação da composição granulométrica. 1987.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, Rio de Janeiro. NBR 7223; Concreto – Determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone. 1992.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, Rio de Janeiro. NBR 9778; Argamassa e concreto endurecidos - Determinação da absorção de água por imersão - Índice de vazios e massa específica. 1987.

BAUER, E. “Avaliação Comparativa da Influência da Adição de Escória de Alto-Forno na Corrosão de Armaduras Através de Técnicas Eletroquímicas”. Tese de Doutorado, USP, São Paulo, 1995.

KAZMIERCZAK, C.S. “Contribuição para a análise da eficiência de películas aplicadas sobre estruturas de concreto armado com objetivo de proteção contra carbonatação”. Tese de Doutorado, USP, São Paulo, 1995.

LARA, P.L.O. “Análise da relação entre propriedades de transporte de água e os mecanismos de corrosão das armaduras”. Dissertação de Mestrado, UnB, Brasília, 2003.

NEPOMUCENO, A.A. “Comportamiento de los morteros de reparación frente a la carbonatacion y a la penetracion de clorulos en estruturas de hoarmado danãdas por corrosion de armaduras. Estudio mediante la técnica de resistencia de polarizacion”. Madrid, 1992. Tese (doutorado) – Universidade Politécnica de Madrid. 371p.

PESSÔA, P.O.A. “Avaliação da Influência do Consumo de Cimento na Corrosão de Armaduras em Estruturas de Concreto Carbonatadas”. Dissertação de Mestrado, UnB, Brasília, 2002.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao SINDUSCON/DF o apoio para o desenvolvimento deste estudo, bem como ao Laboratório de Ensaio de Materiais da Universidade de Brasília pelo suporte de execução para o projeto experimental. Também se agradece ao CNPq e CAPES pelo auxílio na forma de Bolsas de Pós-Graduação e Pesquisa em conjunto ao Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil da UnB.