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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Mestrado em Engenharia Civil
2011 / 2012
1/532011/2012
António Costa
Reabilitação e Reforço de EstruturasAula 7.1: Corrosão do aço e deterioração do betão.
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
ACÇÕES AGRESSIVAS
TEMPERATURAGELO / DEGELO
FÍSICAS FOGOCRISTALIZAÇÃO DE SAISACÇÕES DIRECTAS (desgaste)
CO2 - corrosão das armadurasCLORETOS - corrosão das armadurasO2 – corrosão das armaduras
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O2 – corrosão das armaduras
QUÍMICAS ÁCIDOS – dissolução do cimentoSULFATOS – reacções expansivas com o cimentoÁLCALIS - reacções expansivas com os agregadosÁGUAS PURAS – dissolução do cimentoSAIS (Mg, NH4,...) - dissolução do cimento
BACTÉRIAS (produção de ácidos, p.e. em esgotos)
BIOLÓGICASALGAS, FUNGOS, ...
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
TIPOS DE DETERIORAÇÃO
CORROSÃO DAS
ARMADURAS
Carbonatação
Cloretos
ATAQUE QUÍMICO
Ataque dos sulfatos
Reacções álcalis – agregados
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DO BETÃO
OUTROS
Ataque dos ácidos, águas puras e sais de amónio e magnésio
Acção da água do mar
Ataque biológico
Desgaste por erosão, abrasão e cavitação
Ciclos de gelo – desgelo
Acção do fogo
Cristalização de sais
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
CORROSÃO DAS ARMADURASNo betão não contaminado as armaduras encontram-se protegidas contra a corrosão devido à elevada alcalinidade do meio.
Hidróxido de cálciopH ≈≈≈≈ 12.5 a 13.5
Hidróxidos de sódio e potássio
Nestas condições forma-se à superfície da armadura uma barreira de protecção (película passiva) que impede a sua corrosão
Armadura Película passiva
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pH ≥≥≥≥ 12,5
A corrosão não é possível
Película passiva(γγγγ Fe2O3)
PROTECÇÃO DAS ARMADURAS NO BETÃO
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DESPASSIVAÇÃO DAS ARMADURASQuando o pH desce para valores inferiores a 10 - 11, ou o teor de cloretos ultrapassa o valor crítico, ocorre a destruição da película passiva.
A despassivação das armaduras origina o início do m ecanismo da corrosão
CarbonataçãopH <<<< 9
CloretosCl- >>>> valor crítico
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Dissolução da película passiva
A corrosão é possível
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
O mecanismo da corrosão é um processo electroquímic o, i. e. envolve reacções químicas e correntes eléctricas
Para que a corrosão se possa desenvolver é necessário a presença dos seguintes elementos:
Ânodo zona da armadura despassivada
Cátodo zona da armadura com acesso ao oxigénio
Condutor eléctrico armadura
Electrólito betão
MECANISMO DA CORROSÃO
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CÁTODOÂNODO
ELECTRÓLITO
CONDUCTOR ELÉCTRICO
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
MODELO DE UMA CÉLULA DE CORROSÃO
MECANISMO DA CORROSÃO
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Na zona anódica ocorrem reacções secundárias que ori ginam produtos de corrosão com elevado aumento de volume
Fe + 3H2O →→→→ Fe (OH)3 + 3 H+ + 3 e-
3 Fe + 4H2O →→→→ Fe3O4 + 8 H+ + 8 e-
Fe + 2H2O →→→→ FeO (OH-) + 3 H+ + 3 e-
Fe O(OH-) + O2 →→→→ Fe3O4 ou Fe (OH)2
Reacções anódicas secundárias
MECANISMO DA CORROSÃO
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Volume relativo dos produtos de corrosão
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
A expansão dos produtos da corrosão causam a FENDILHAÇÃO e DELAMINAÇÃO do betão de recobrimento
FENDILHAÇÃO DELAMINAÇÃO
MECANISMO DA CORROSÃO
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Aspecto da superfície do betão afectada pela corros ão das armaduras
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
No caso de o betão estar saturado podem não ocorrer reacções expansivas significativas e o betão não fendilha
CORROSÃO NEGRA
MECANISMO DA CORROSÃO
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Para que o mecanismo da corrosão se desenvolva é necessário ocorrerem simultaneamente
um conjunto de condições para o processo anódico, catódico e electrolítico:
♦ A protecção das armaduras deve estar destruída
♦♦♦♦ É necessário ocorrerem diferenças de potencial na superfície da armadura
♦♦♦♦ Na zona catódica deve existir disponibilidade de oxigénio
♦♦♦♦ As zonas catódicas devem estar ligadas electricamente e electrolicamente
MECANISMO DA CORROSÃO
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Se alguma destas condições não ocorrer o mecanismo da corros ão não se desenvolve
A velocidade de corrosão depende da :
♦♦♦♦ acessibilidade de oxigénio às armaduras, para alimentar a reacção catódica
♦♦♦♦ condutividade eléctrica do betão, que permite o movimento de iões entre o cátodo e o ânodo
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Situações em que não ocorre corrosão significativa :
♦♦♦♦ A armadura não está despassivada =>não existe ânodo
♦♦♦♦ Em elementos submersos não há disponibilidade de oxigénio => não existe cátodo
♦♦♦♦ Em elementos situados em ambientes secos o betão tem uma condutividade baixa =>
não existe electrólito
MECANISMO DA CORROSÃO
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Em resumo, as armaduras no betão podem encontrar-se nos seguintes estados:
♦♦♦♦ PASSIVO � Betão não contaminado por substâncias agressivas
♦♦♦♦ CORROSÃO � Devido à acção da carbonatação ou dos cloretos
♦♦♦♦ ACTIVAS mas catodicamente protegidas � Betão saturado
Betão seco
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
CORROSÃO POR ACÇÃO DA CARBONATAÇÃO
♦♦♦♦ Formação de micro células de corrosão
Os ânodos e os cátodos são normalmente muito pequenos e localizam-se muito perto uns
dos outros, originando acorrosão geraldas armaduras
MECANISMO DA CORROSÃO
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♦♦♦♦ A velocidade de corrosão é geralmente baixa
A velocidade de corrosão é controlada pela resistividade do betão
O acesso de oxigénio às armaduras não constitui um parâmetro limitador da corrosão no caso da carbonatação
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Processo de degradação lento -dezenas de anos-
CORROSÃO POR ACÇÃO DA CARBONATAÇÃO
MECANISMO DA CORROSÃO
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
CORROSÃO POR ACÇÃO DOS CLORETOS
♦♦♦♦ Formação de macro células de corrosão
As zonas anódicas são geralmente pequenas e as zonas catódicas são grandes, podendo estar localizadas em zonas próximas ou afastadas dos ânodos
O tipo de corrosão originado nesta situação é a corrosão localizadadas armaduras
♦♦♦♦ A velocidade de corrosão é geralmente elevada
MECANISMO DA CORROSÃO
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♦♦♦♦ A velocidade de corrosão é geralmente elevada
A velocidade de corrosão é controlada pelo acesso de oxigénio às armaduras (ambientes muito húmidos) e pela resistividade do betão (ambientes menos húmidos)
Os cloretos aumentam a condutividade do betão
Os cloretos actuam como catalizador das reacções nas zonas anódicas :
2 Fe + 6 Cl- → 2 Fe Cl3- + 4 e-
Seguida por:
Fe Cl3- + 2 OH- → Fe (OH)2 + 3 Cl-
Como as áreas catódicas são muito superiores às áreas anódicas desenvolvem-se no ânodo densidades de corrente muito elevadas, uma vez que as correntes anódicas e catódicas têm de ser iguais. Isto origina uma dissolução muito acentuada do aço
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
CORROSÃO POR ACÇÃO DOS CLORETOS
Processo de degradação rápido
-alguns anos-
MECANISMO DA CORROSÃO
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
CORROSÃO POR ACÇÃO DOS CLORETOS
CORROSÃO LOCALIZADA
MECANISMO DA CORROSÃO
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Colapso de uma parede devido à corrosão de armadura sMECANISMO DA CORROSÃO
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
VELOCIDADE DE CORROSÃO
Corrosão por acção da carbonatação: I ≈≈≈≈ 20 a 50 µµµµm/ano
Corrosão por acção dos cloretos:
MECANISMO DA CORROSÃO
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Betões de boa qualidade com baixo teor de cloretos
I ≈≈≈≈ 50 - 100 µµµµm/ano
Betões de baixa qualidade
I ≈≈≈≈ 100 a 500 µµµµm/ano
Localmente as velocidades podem ser significativamente maiores
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
pH ≈≈≈≈ 12.5 a 13.5PASSIVAS
K2O K OH
CIMENTO Na2O Na OH BETÃOHIDRATAÇÃO
ARMADURAS
Ca O Ca(OH)2
�
MECANISMO DA CORROSÃO
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REACÇÃO COM O CO2
Ca(OH) 2 + CO2 � CaCO3 + H2O
pH < 9DESPASSIVAÇÃODAS
ARMADURAS �
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
MECANISMO DA CARBONATAÇÃO
CO2
CO2
Processo de difusão em meio gasoso
21/532011/2012
C
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Zonas envolvidas no mecanismo da carbonatação
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O pH varia ao longo da profundidade em função da co ncentração de Ca (OH) 2
A despassivação das armaduras ocorre numa profundid ade intermédia no interior da espessura da frente de carbonatação
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
PENETRAÇÃO DE CLORETOS
Cl-
Cl-
Transporte em meio líquido
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Mecanismos de transportede
cloretos
C
PERMEAÇÃO (rápido)
ABSORÇÃO (rápido)
DIFUSÃO (lento)
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Em condições reais a penetração ocorre através da a ssociação dos vários mecanismos de transporte
PENETRAÇÃO DE CLORETOS
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Para haver transporte por difusão é necessário que os poros contenham água
> teor em água � > transporte por difusão
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Os cloretos no interior do betão estão em dois esta dos:
- combinados (quimicamente e fisicamente) não agressivos
- livres (na solução dos poros) agressivos
Parâmetros importantes
Composição do cimento
Adições
Qualidade do betão
Carbonatação, sulfatos
Temperatura
Teor Crítico de Cloretos
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Humidade
Composição do cimento: teor em C3A => combinação química dos cloretos
Adições: gel de CSH => combinação física dos cloretos
Carbonatação, sulfatos => libertação dos cloretos combinados
Temperatura => libertação dos cloretos combinados
Humidade => influencia o processo catódico e electrolítico
- humidade baixa: o betão apresenta maior resistividade
- humidade elevada: o acesso de oxigénio às armaduras é restringido Maior teor crítico
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Efeito das condições de exposição e da qualidade do betão
Teor Crítico de Cloretos
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
SUBSTÂNCIAS COMPONENTESAGRESSIVAS DO BETÃO
REACÇÃOQUÍMICA
ATAQUE QUÍMICO DO BETÃO
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QUÍMICA
DECOMPOSIÇÃO DO BETÃO
Necessário :
� Água : Apenas os betões situados em ambientes com H R elevadas podem sofrer
ataque químico
� Transporte de substâncias agressivas, geralmente pr ovenientes do exterior, para as
substâncias reactivas do betão
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Reacções químicas mais significativas :
� Reacção dos sulfatos com os aluminatos da pasta de cimento
� Reacção expansiva
� Reacção dos álcalis com os agregados reactivos do betão
ATAQUE QUÍMICO DO BETÃO
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� Reacção expansiva
� Reacção dos ácidos , sais de magnésio , sais de amónio e águas puras com a pasta de cimento
� Perda das propriedades ligantes
� Reacção dos iões agressivos da água do mar com a pasta de cimento
� Perda das propriedades ligantes
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Sulfato de sódioSulfato de potássio
Sulfatos mais frequentes Sulfato de cálcioSulfato de magnésioSulfato de amónio
Ataque dos Sulfatos
Os sulfatos ocorrem normalmente no solo na forma sólida ou em solução nas águas freáticas.
Podem também ter como origem fertilizantes e efluentes indu striais
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duas formas distintas Perda de resistência e desagregação do betão
Componentes da pasta de cimento Aluminatos de cálcio hidratados
susceptíveis de serem atacados Hidróxido de cálcio
A deterioração pode tomar Expansão e fendilhação do betão
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Expansão e fendilhação devida ao ataque de sulfatos
Mecanismo do ataque
Ataque dos Sulfatos
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
� Reacção sulfática de origem externa
Ataque dos Sulfatos
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
� Reacção sulfática de origem interna
A deterioração é originada pela Formação de Etringite Retardada (DEF)
A origem
Uma remobilização dos sulfatos inicialmente contido s na pasta de cimento
após o endurecimento do betão
Ataque dos Sulfatos
32/532011/2012
após o endurecimento do betão
A principal causa
Um aumento da temperatura durante o endurecimento d o betão
(Temperaturas elevadas inibem a reacção dos sulfato s)
Os tipos de betão afectados
- betões sujeitos a tratamentos térmicos
- partes da estrutura de betão em massa (pilares, ma ciços)
- betões com cimentos de alta resistência e endureci mento rápido
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
� Reacção sulfática de origem interna
Ataque dos Sulfatos
33/532011/2012
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
A deterioração resulta da reacção entre os metais a lcalinos existentes no betão (K 2O e Na2O)
e os agregados reactivos (geralmente silicatos)
K2O ; Na2O agregados reactivos
Reacção química
Ataque dos Álcalis
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gel + H2O EXPANSÃO
Necessário:
� Quantidade suficiente de álcalis no betão
� Agregados reactivos numa certa quantidade
� Quantidade de água suficiente para hidratar o gel
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Expansão e fendilhação devida à reacção álcalis-síl ica
Mecanismo do ataque
Ataque dos Álcalis
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Fendilhação associada às reacções expansivas
Ataque dos Álcalis
36/532011/2012
Gel de sílica reactiva
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Deformações originadas pelas reacções expansivas
Ataque dos Álcalis
37/532011/2012
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Fendilhação do tabuleiro
Ataque dos Álcalis
38/532011/2012
Esmagamento das vigas
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
� Ácidos e sais de magnésio e amónio
A reacção destas substâncias com a pasta de cimento traduz-se na conversão dos compostos de cálcio (hidróxido de cálcio, silicatos e alumina tos de cálcio) em sais de cálcio solúveis
Decomposição da pasta de cimento
Perda das propriedades ligantes
A agressividade dos ácidos depende da solubilidade dos sais de cálcio que originam
Ataque dos Ácidos, Sais e Águas Puras
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> solubilidade > ritmo de deterioração
Ritmo de ataque à temperatura ambiente
Ácidos inorgânicos Ácidos orgânicos
Rápido
Clorídrico Fluorídrico
Nítrico Sulfúrico
Acético Fórmico Láctico
Moderado Fosfórico Tânico
Baixo Carbónico -
Desprezável
- Oxálico Tartárico
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Mecanismo do ataque
Ataque dos Ácidos, Sais e Águas Puras
40/532011/2012
pH < 6.5 ataque moderado
Agressividade das soluções pH < 5.5 ataque severo
pH < 4.5 ataque muito severo
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Deterioração por acção dos ácidos
Ataque dos Ácidos, Sais e Águas Puras
41/532011/2012
Decomposição da pasta de cimento
� Águas puras
Têm elevado poder dissolvente. Dissolvem o hidróxid o de cálcio originando a sua lixiviação
Perda das propriedades ligantes
A agressividade das águas depende da sua renovação :
água corrente => maior agressividade
água parada => menor agressividade
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
A lixiviação do hidróxido de cálcio origina eflores cências
Ataque dos Ácidos, Sais e Águas Puras
42/532011/2012
A agressividade decresce com o aumento da dureza da água (teor em iões de cálcio)
A presença de dióxido de carbono e álcalis dissolvi dos conduzem a um aumento da agressividade
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Deterioração da camada superficial do betão por acç ão de águas puras
Ataque dos Ácidos, Sais e Águas Puras
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
O ataque químico do betão provocado pela água do ma r é devido à grande quantidade
de iões agressivos presentes nesta água
Iões agressivos Pasta de cimento
Reacção química
Acção da água do mar
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Deterioração
Iões [g/l] Cl- SO4-- Ca++ Mg++ Na+ K+
Atlântico Norte
Atlântico Sul
Média Mundial
17.8
20.5
19.8
2.5
2.9
2.7
0.4
0.4
0.4
1.5
1.3
1.3
11.0
11.4
10.9
0.3
0.5
0.4
Iões agressivos
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Mecanismo do ataque
Acção da água do mar
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Deterioração de estacas por ataque químico da água do mar
Acção da água do mar
46/532011/2012
Consequências:
Decomposição da pasta de cimento � desagregação do betão
� erosão das camadas superficiais � exposição das armaduras � corrosão
� redução da secção da estaca � redução capacidade resistente
e
� introdução de excentricidade na carga aplicada � aumento dos esforços actuantes
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Ataque Biológico
O crescimento de vegetação (líquenes, musgos, algas , raízes de plantas, etc.) em zonas porosas
do betão e fendas origina forças expansivas
� deterioração mecânica do betão
Micro organismos que produzem ácido húmico
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� ataque químico da pasta de cimento
Esgotos: bactérias anaeróbias � transformação dos compostos de enxofre em gás sulfí drico
bactérias aeróbias � transformação do ácido sulfídrico em ácido sulfúric o
� ataque químico da pasta de cimento
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Deterioração por ataque químico em esgotos
Ataque Biológico
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Tráfego de veículos e peões, deslizamento e impacto de objectos
� Abrasão
Acção da água com partículas sólidas em suspensão
� Erosão
Escoamento de água com elevada velocidade
� Cavitação
Deterioração � perda progressiva de massa na zona superficial do b etão
Erosão, Abrasão e Cavitação
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Deterioração � perda progressiva de massa na zona superficial do b etão
Abrasão
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Erosão
Perda progressiva do ligante e posterior desintegração do betão
Erosão, Abrasão e Cavitação
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Cavitação
desintegração do betão
Deterioração progressiva das camadas superficiais
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
A congelação da água origina um aumento de volume d e cerca de 9%
A expansão do gelo origina tensões de tracção que c onduzem à fendilhação e delaminação da zona superficial do betão
Para ocorrer deterioração significativa é necessári o a ocorrência das seguintes condições :- Os poros do betão devem estar saturados- As temperaturas devem atingir valores significativ amente abaixo de 0ºC- Ocorrência de ciclos repetidos de gelo/desgelo
Acção do Gelo-desgelo
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Acção do Fogo
Temperaturas elevadas � alterações da pasta de cimento � diminuição da resistência à
compressão
A pasta de cimento é constituída por produtos hidra tados
O fogo origina a desidratação dos componentes da pa sta � alteração da estrutura dos silicatos
com perda significativa da resistência
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com perda significativa da resistência
300ºC � os silicatos e aluminatos perdem parte da água quim icamente combinada
500ºC � o hidróxido de cálcio começa a decompor-se
900ºC � decomposição total dos silicatos de cálcio
A pressão causada pelo vapor de água pode conduzir à delaminação do betão da zona superficial
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Reforço e Reabilitação de Estruturas
Deterioração do betão pela acção do fogo
Acção do Fogo
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