Análise comparativa entre três métodos de previsão para a profundidade da frente de carbonatação em estruturas de concreto armado

ISBN 978-85-85905-23-1

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Materiais

Autores

Pedroso, C.L. (UTFPR) ; Pedroso, D.E. (UTFPR) ; Weber, A.M. (UTFPR) ; Mazer, W. (UTFPR) ; Mymrine, V. (UTFPR) ; Zanello, S. (UTFPR) ; Catai, R.E. (UTFPR) ; Izzo, R.L.S. (UTFPR)

Resumo

O composto químico que influencia o fenômeno da carbonatação no concreto é o gás carbônico (CO2), fazendo com que diminua a estabilidade química de concreto que envolve a armadura, aumentando a probabilidade de ocorrer o início da corrosão na armadura favorecendo o início da frente de carbonatação. Os modelos mais difundidos para a previsão da carbonatação são: Tuutti (1982), Smolczyk (1969) e CEB (1996). Com a realização de uma parametrização foi possível observar que para o modelo CEB há incoerência na profundidade de carbonatação, pois sua progressão é contínua, o que deveria ser o contrário, tendo em vista que a resistência do concreto aumenta com o passar da sua idade. Para os outros modelos a parametrização se mostra satisfatória.

Palavras chaves

carbonatação; concreto armado; modelo de previsão

Introdução

A carbonatação é uma reação química entre o dióxido de carbono (CO2) presente na atmosfera com os produtos de hidratação do cimento (Ca(OH)2) que irão formar carbonato de cálcio (CaCO3). A carbonatação do concreto é responsável pela diminuição do pH, o que pode acarretar em corrosão devido a despassivação das armaduras (Hussain et.al., 2017; Lye et.al., 2015; Torgal et.al., 2012). Das manifestações patológicas de deterioração do concreto, a carbonatação é uma das principais causas de degradação da estrutura e consequente redução da sua durabilidade. A carbonatação está relacionada com a condição do início da corrosão e a velocidade de corrosão (Xiao et.al., 2018). Conforme Possan (2010), os fatores que influenciam a carbonatação são devido: às condições ambientais (temperatura e umidade relativa do ar, e concentração de CO2); às condições de exposição (ambiente interno ou externo, com ou sem proteção de chuva); e às características do concreto (composição do aglomerante e traço que irá influenciar na velocidade de penetração da frente da carbonatação). Tendo em vista a relevância do assunto, a modelagem da frente de carbonatação tem sido um assunto de grande interesse nas últimas décadas e devido a isto diversas literaturas tem sido realizadas por diversos pesquisadores. Assim, modelos de carbonatação foram propostos em vários trabalhos, incluindo algumas revisões de literatura sobre o assunto (Czarnecki et.al., 2015; Zhijian et.al., 2013). Os vários tipos de modelos existentes podem ser divididos em diferentes categorias, como por exemplo os modelos empíricos, que são tipicamente formulados com base em relações ou expressões desenvolvidas a partir de medições experimentais baseados na permeabilidade, tal como proposto por (Parrott et.al., 1994; Zhang et.al., 2013). Para os modelos estatísticos são basicamente relações geradas por dados obtidas através da regressão de múltiplas variáveis e ajuste de funções matemáticas idealizadas ou padrão, como lineares, equações exponenciais, potência, logística, entre outros. Para os modelos numéricos aplicam abordagens computacionais que são dependentes de software para análise sofisticada. A maioria modelos numéricos utilizam um híbrido de equações físico-químicas representando as reações termodinâmicas, reações e processos que ocorrem no concreto. Tais modelos foram propostos por (Saetta et.al., 2004; Zha et.al., 2015). E para os modelos de simulação é aplicada a técnica da rede artificial, que consiste em parâmetros de entrada e saída, cujo comportamento é treinado para gerar um conjunto de dados reais. Alguns tentativas de aplicar essas abordagens foram experimentadas por (Buenfeld et.al., 1998; Seung-Jun et.al., 2010). Pode-se notar que a maioria dos modelos da literatura são experimentais. Cada um dos diferentes tipos de modelos tem suas limitações. Os modelos estatísticos, numéricos e de simulação tipicamente exigem uma ampla gama de parâmetros de entrada, incluindo a composição da mistura, condições de exposição ambiental, propriedades do material. Para fins práticos, está estabelecido que a permeabilidade a difusão e a resistência à compressão são as principais propriedades capazes de representar efetivamente a progressão do CO2 no concreto. Algumas publicações demonstraram que há fortes correlações entre estas propriedades e carbonatação, e que, vários modelos experimentais foram propostos com base nessas relações (Parrott et.al., 1987; Sagues et.al., 1997). No presente estudo, a resistência ao início da carbonatação é considerado como a função principal que define o tendência geral na previsão de carbonatação, enquanto que as idades da estrutura é incorporada como parâmetros secundários ou modificadoras. Os principais fatores ambientais que influenciam significativamente a carbonatação são conhecidos como umidade relativa, abrigo de intempéries, chuva e concentração de CO2 na atmosfera. A carbonatação do concreto está diretamente ligada ao coeficiente de difusão de CO2 que é determinado pela primeira lei de Fick, porém há limitações em alguns parâmetros, por exemplo a difusividade de CO2 que varia com tempo decorrido e depende fortemente do teor de umidade nos poros de concreto, além de outras variáveis que também podem influenciar a microestrutura do concreto, como condição de cura, teor de umidade, localização, tempo decorrido e parâmetros de mistura (YOON et.al., 1997). Procedimentos de cura proporcionam maior resistência e rigidez devido à melhor hidratação dos compósitos à base de cimento Portland, além de aumentar a durabilidade do concreto (BALAYSSAC et.al., 1997). Gomes e Sales (2004), afirmam que quanto maior o tempo de cura, maior será o grau de hidratação do cimento, menor será a porosidade e permeabilidade do concreto, por consequência, menor será a carbonatação. Dessa forma, o presente trabalho tem como objetivo analisar os modelos de previsão da frente de carbonatação apresentados, aplicando cenários definidos nas estruturas de concreto.

Material e métodos

De acordo com Possan (2010), não há um modelo matemático de previsão de vida útil que esteja normatizado ou difundido no Brasil. Dentre os modelos matemáticos de previsão de profundidade de carbonatação há: Smolczyk (1969), Hamada (1969), Schiessl (1976), Tuutti (1982), Ho e Lewis (1987), CEB (1996), entre outros. A estimativa da profundidade de carbonatação pode ser dada pelo modelo clássico definido por Tuutti (1982), baseado na 2ª Lei de Fick. Smolczyk (1969 apud Possan, 2004) afirma que a equação do modelo clássico é uma aproximação da profundidade de carbonatação eficiente apenas para concretos de idade avançada, ou seja, que contemplem um período de tempo mais longo. No modelo de Smolczyk de 1969 além do t0 é que a idade inicial de estrutura, também é considerado o a variável n como um parâmetro que depende do tipo de cimento, sendo próximo de 1,7 para cimentos Portland comum e de 2,0 para cimentos Portland de alto forno. De acordo com Smolczyk (1969 apud Possan, 2004) algumas propriedades devem ser consideradas na previsão da carbonatação da estrutura, como por exemplo a umidade do concreto e o grau de hidratação do cimento. Para a análise, a idade inicial da estrutura foi fixada em 10 anos e o tempo de exposição variou de 15 até 60 anos (em intervalos de 5 anos), e posteriormente foi definido e fixado o tempo de exposição em 50 anos e variado a idade inicial da estrutura começando com 1 ano e variando de 5 até 45 anos (em intervalos de 5 anos). Outro modelo, baseado na 2ª lei de Fick, da estimativa de profundidade de carbonatação do concreto é pelo Comitê Euro-international Du Betón (CEB, 238). Carmona (2006), sugere o valor 7x10-6 a ser adotado para a relação Cs/a, esse valor refere-se à concretos de cimento Portland. Ainda os valores dos coeficientes de cura e exposição “k1k2” igual a 1,0 para exposição interior e cura boa; 2 para exposição interior e cura má e 0,5 para exposição exterior e cura boa; já para valores do fator de idade “n” em função da exposição, o autor indica 0,0 para interior; 0,1 para exterior protegido e 0,4 exterior não protegido. Para o estudo foi fixado valores de “k1k2” igual a 0,5; n igual a 0,4; DCO2 igual a 1x10-9; e para uma primeira analise o t (idade da estrutura) foi fixado em 15 anos e t0 (tempo de cura) variou de 1 à 28 dias; para uma segunda análise o t (idade da estrutura) foi fixado em 100 anos e t0 (tempo de cura) variou de 1 à 28 dias; para uma segunda análise; para uma terceira análise o t (idade da estrutura) foi variou de 1 até 60 anos (em intervalos de 5 anos) e t0 (tempo de cura) fixado em 7 dias; para uma quarta análise o t (idade da estrutura) variou de 1 até 60 anos (em intervalos de 5 anos) e t0 (tempo de cura) fixado em 28 dias; para uma quinta análise o t (idade da estrutura) variou de 1 até 60 anos (em intervalos de 5 anos) e t0 (tempo de cura) fixado em 3 dias.

Resultado e discussão

Analisando a Figura 1 pode-se observar que pelo modelo de previsão de Smolczyk com a idade da estrutura fixada em 10 anos, analisando os tempos de exposição da estrutura a partir de 15 anos, com o aumento do tempo de exposição há um aumento da profundidade de carbonatação. Assim como também pode-se observar que com o tempo de exposição fixado em 50 anos, variando a idade da estrutura, nos primeiros 5 anos de intervalo a diferença de profundidade de carbonatação é de aproximadamente 2 cm, sendo que nos últimos anos a diferença aumenta para até 5 cm. Demonstra-se dessa forma que o aumento da profundidade de carbonatação desacelera com o passar dos anos. Figura 1. Análise paramétrica do Modelo de Smolczyk http://www.abq.org.br/cbq/trabalhos/12/imagens/1526-36a0ed42d0.jpg Ao comparar os resultados pelo modelo de Smolczyk com o modelo de Tuutti, para um tempo de exposição de 50 anos a diferença de profundidade de carbonatação é de aproximadamente 10 cm. Esse fato pode ser justificado, devido ao Smolczyk considerar em seu método a idade inicial da estrutura e o tipo de cimento, considerando dessa forma algumas propriedades do concreto para a previsão. Para o modelo de carbonatação CEB, foram feitas as seguintes simulações: A variável que foi estudada é o t0 (tempo de cura) alterando de 1 a 28 dias de cura para a idade da estrutura t=15 anos, sendo que a profundidade de carbonatação iniciou com 8,15mm para um dia de cura e atingindo 11.37mm para 28 dias de cura. Modificando a variável t0 (tempo de cura) de 1 a 28 dias de cura para a idade da estrutura t=100 anos, sendo que a profundidade de carbonatação iniciou com 17,40mm para um dia de cura e atingindo 24.29mm para 28 dias de cura. Para a variável t (idade da estrutura) alterando de 1 ano até 60 anos para o tempo de cura fixo em t0= 7 dias, sendo que a profundidade de carbonatação iniciou com 2,49mm para um ano de idade e atingindo 11,34mm para 60 anos de idade da estrutura. A variável que foi estudada é o t (idade da estrutura) alterando de 1 ano até 60 anos para o tempo de cura fixo em t0=28 dias, sendo que a profundidade de carbonatação iniciou com 2,99mm para um ano de idade e atingindo 13,58mm para 60 anos de idade da estrutura. A variável verificada é o t (idade da estrutura) alterando de 1 ano até 60 anos para o tempo de cura fixo em t0=3 dias, sendo que a profundidade de carbonatação iniciou com 2,239mm para um ano de idade e atingindo 10,16mm para 60 anos de idade da estrutura. Figura 2. Comparação dos métodos de frente de Carbonatação. http://www.abq.org.br/cbq/trabalhos/12/imagens/1526-e9a0d4de6f.jpg Assim, pode-se argumentar que o vida útil potencial da maioria das armaduras em concreto é governada pelas taxas de carbonatação e, consequentemente, a corrosão das armaduras. Portanto, determinar a profundidade da frente de carbonatação é fundamental para estimar a durabilidade da estrutura de concreto e sua capacidade de manter a armadura protegida. O mecanismo de carbonatação do concreto pode ser explicado por vários modelos. Além disso, as investigações científicas focalizaram o comportamento de carbonatação do concreto de agregação natural sendo uma vantagem para este estudo.

Profundidade de carbonatação para as variáveis condicionadas no modelo de Smolczyk


Comparação dos Métodos (Clássico, CEB e Smolczyk)

Conclusões

Para o modelo CEB pode-se concluir que há uma incoerência na profundidade de carbonatação tendo em vista que quando aumenta-se os dias de cura da estrutura de concreto a frente de carbonatação continua a progredir, o que deveria ser o contrário, pois a resistência do concreto aumenta com o passar dos dias logo, sua micro estrutura tende a ser mais compacta e difícil de ser penetrada, também os poros tende a irem se colmatando com o ataque da frente carbonatação, dificultando cada vez mais o aumento da espessura de carbonatação. Para o modelo CEB estes fatores não são considerados, ocasionando o aumento gradual a frente de carbonatação

Agradecimentos

Referências

BALAYSSAC, J.P.; DÉTRICHÉ, C.H.; DIAFAT, N. Influence de la durée d'une cure humide surles caractéristiques mécaniques de bétons d'usage courant (Effect of wet curing duration upon mechanical properties of commonly-used concretes), Mater. Struct. v. 30, p. 284–292, 1997.

Buenfeld, N.R. Hassanein, A.J. Jones, An artificial neural network for predicting carbonation depth in concrete structures, in: I. Flood, N. Kartam (Eds.), Artificial Neural Networks for Civil Engineers: Advanced Features and Applications (Chap 4), American Society of Civil Engineers (ASCE), 1998, 277pp.

CEUKELAIRE, D.; VAN NIEUWENBURG, D. Accelerated carbonation of a blast-furnace cement concrete. Cement and Concrete Research. v. 23, p. 442–452, 1993.

Czarnecki, L. Woyciechowski P., Modelling of concrete carbonation; is it a process unlimited in time and restricted in space? Bull. Pol. Acad. Sci. Tech. Sci. 63 (1) (2015)https://doi.org/10.1515/bpasts-2015-0006

Ekolu, S.O. Model validation and characteristics of the service life of Johan-nesburg concrete structures, 3e4th August, in: Proc. Of the National Symp. On Concrete for a Sustainable Environment, Concrete Society of Southern Africa, Kempton Park, Johannesburg, Gauteng, 2010, pp. 30e39.

GOMES N. A.; SALES A. Avaliação da carbonatação do concreto em obras interrompidas na cidade de Ribeirão Preto. I conferência latino-americana de construção sustentável e X encontro nacional de tecnologia do ambiente construído, São Paulo, 2004. ISBN 85-89478-08-4.

HOPPE FILHO, J.; Sistemas cimento, cinza volante e cal hidratada: mecanismos de hidratação, microestrutura e carbonatação do concreto – (Tese de doutorado) – Escola politécnica da universidade de São Paulo, São Paulo, 2008.

Hooton, R.D. What is needed in a permeability test for evaluation of concrete quality, in: MRS Proceedings, vol 137, Materials Research Society, 1988, 1989, https://doi.org/10.1557/PROC-137-141.

HUSSAIN, Shaik; BHUNIA, Dipendu; SINGH, S. B. Comparative study of accelerated carbonation of plain cement and fly-ash concrete. Journal of Building Engineering, v. 10, p. 26-31, 2017. http://dx.doi.org/10.1016/j.jobe.2017.02.001

LYE, Chao-Qun; DHIR, Ravindra K.; GHATAORA, Gurmel S. Carbonation resistance of fly ash concrete. Magazine of Concrete Research, v. 67, n. 21, p. 1150-1178, 2015. http://dx.doi.org/10.1680/macr.15.00204

Papadakis, V.G. Vayenas, C.G. Fardis, M.N. Fundamental modelling and experimental investigation of concrete carbonation, ACI Mater. J. 4 (88) (1991) 363e373

Parrott, L.J. A Review of Carbonation in Reinforced Concrete, Cement and Concrete Association, 1987. BRE, 42pp.

Parrott, P.J. Design for avoiding damage due to carbonationdinduced corro-sion, in: V.M. Malhotra (Ed.), Proc. Of the 3rd International Conference on Durability of Concrete, 1994, pp. 283e298. Nice, France, ACI SP-145

Possan, E. (2010), “Modelagem da carbonatação e previsão de vida útil de estruturas de concreto em ambiente urbano”, Tese de Doutorado em Engenharia Civil, Programa de Pós-

Possan, E. – Contribuição ao estudo da carbonatação do concreto com adição de sílica ativa em ambiente natural e acelerado. Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil, UFRGS, 2004, 153 p.

Ravahatra, N.R., T. De Larrard, F. Duprat, E. Bastidas-Arteaga, Schoefs, Sensi-tivity analysis of simplified models of carbonation - extension in spatial variability -updating through Bayesian network, in: Proceedings of the 2nd International Symposium on Uncertainty Quantication and Stochastic Modeling, 2014. Jun 2014, Rouen, France

Saetta, A.V., Vitaliani, R.V. Experimental investigation and numerical modeling of carbonation process in reinforced concrete structures Part I: theoretical formulation, Cem. Concr. Res. 34 (2004) 571e579.

Seung-Jun, Ha-Won Song, Analysis of carbonation behaviour in concrete using neural network algorithm and carbonation modelling, Cem. Concr. Res. 40 (2010) 119e127.

Silva, A. Neves, R. Brito, J. de Statistical modelling of carbonation in reinforced concrete, Cem. Concr. Compos. 50 (2014) 73e81

Sagues, A.A. Moreno, E.I. W. Morris, C. Andrade, Carbonation in Concrete and Effect on Steel Corrosion, Final Report, State Job No. 99700-3530-119, WPI 0510685, College of Engineering, University of South Floride, 4202 Fowler Avenue, tampa, Floride 33620-5350, 1997, 299pp.

Shimizu, Y. Hirosawa, M. J. Zhou, Statistical Analysis of Concrete Strength in Existing Reinforced Concrete Buildings in Japan, Department of Architecture, Faculty of Engineering, Kogakuin University, Tokyo, Japan, 2000, 8pp

Torgal, F. P., Miraldo, S., Labrincha, J. A., & De Brito, J. An overview on concrete carbonation in the context of eco-efficient construction: Evaluation, use of SCMs and/or RAC. Construction and Building Materials, v. 36, p. 141-150, 2012. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.04.066

TUUTTI, K. Corrosion of Steel in Concrete. Swedish Cement and Concrete Research Institute. Stockholm, Suecis, 1982. 30p.

Xiao, Q. H., Li, Q., Guan, X., & Zou, Y. X. (2018, March). Prediction model for carbonation depth of concrete subjected to freezing-thawing cycles. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 322, No. 2, p. 022048). IOP Publishing. doi:10.1088/1757-899X/322/2/022048

YAZIGI, R. Avaliação de carbonatação em viadutos em concreto armado. 2008. Tese de Doutorado. Dissertação de Mestrado em Engenharia de Infra-Estrutura Aeronáutica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São Paulo.

YOON, S.; COPUROGLU O.; PARK K. Effect of global climatic change on carbonation progress of concrete. Atmospheric Environment v.41, p. 7274–7285, 2007. http://doi:10.1016/j.atmosenv.2007.05.028

Zhijian, S.Z. W. Wang, C. Cheng, X. Tang, Predicting method for time-dependent concrete carbonation depth (I): traditional model and its error distribution, Electron. J. Geotech. Eng. (EJGE) 2013 (2013) 2298e2308

Zhang, X. Zhou, H. Zhou, K. Gao, Z. Wang, Studies on forecasting of carbonation depth of slag high performance concrete considering gas permeability, Appl. Clay Sci. 79 (2013) 36e40.

Zha, X. M. Yu, J. Ye, G. Feng, Numerical modeling of supercritical carbonation process in cement-based materials, Cem. Concr. Res. 72 (2015) 10e20.