Artigo - IBRACON

Degradação quimica da argamassa e concreto: uma abordagem geométrica do método das perdas de massa

Degradation of chemical mortar and concrete: a geometric approach to the method of mass loss

Duarte, J. B. (1); Leite Jr, G. S. (2)

(1) Bacharel em engenharia civil, UNASP(2) Professor Doutor, UNASP

UNASP – Centro Universitário Adventista de São Paulo, Estrada Municipal Pr. Walter Boger, S/N – Lagoa Bonita – CEP 13165-970 – Engenheiro Coelho SP – tel. (19) 3858-9000

ResumoA durabilidade das estruturas de argamassa e concreto é um fator tão importante quanto a capacidade resistente. Essa durabilidade é afetada por diversos fatores que, dos quais, o ataque químico, mais especificamente dos ácidos, é um dos mais importantes. Para a abordagem desse ataque, a literatura apresenta o método das perdas de massa. Esse trabalho se propõe a desenvolver subsídio quantitativo para análise da durabilidade da argamassa e concreto frente a ação do ácido por meio de uma abordagem geométrica do método das perdas de massa. Para tanto, foi realizada uma parte experimental para demonstrar a validade do método. Os resultados indicaram que houve grande perda de massa devido à relação água/cimento e o desvio padrão da perda de massa foi insignificante.Palavra-Chave: Durabilidade, Ataque químico, Perda de massa

AbstractThe durability of mortar and concrete structures is a factor as important as the resistance. This durability is affected by several factors, of which the chemical attack, specifically acids, is one of the most important. For the approach of the attack, the literature shows the method of the mass loss. This paper aims to develop quantitative subsidy for analysis of the durability of mortar and concrete against the action of the acid with a geometric approach of the method of the mass loss. To this end, we conducted an experimental part to demonstrate the validity of the method. The results indicated a large mass loss due to the water/cement ratio and the standard deviation for mass loss was insignificant.Keywords: Durability Chemical attack, mass loss

ANAIS DO 53º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2011 – 53CBC 1

1 Introdução

Normalmente a durabilidade não é um fator tão levado em conta quando se trata de estruturas, apenas se tem um conhecimento do fck ou qualquer outro parâmetro mecânico, mas ao se falar em tempo de duração, simplesmente espera-se que a argamassa ou o concreto sejam eternos.

O desgaste químico, em materiais a base de cimento, é um tipo de ataque tão severo ou, em alguns casos, pior do que desgastes mecânicos. Portanto, quando se lida com ácidos o engenheiro se vê obrigado a investigar a durabilidade.

Mas como resolver esse tipo de problema, se, de acordo com Andrade (2005), não existem métodos padronizados para se determinar o desgaste químico de materiais como a argamassa, ou mesmo o concreto? Ao lidar com ácidos foi desenvolvido um método bem conhecido, é o método das perdas de massa. Mas como o engenheiro pode tomar decisões sólidas em relação a durabilidade da argamassa ou mesmo do concreto? Como, por exemplo, dizer quanto tempo o material irá durar, se o método das perdas de massa fornece valores qualitativos?

Esse trabalho apresenta os resultados do desenvolvimento racional e experimental de Duarte (2010) com o objetivo de demonstrar que, abordando o método das perdas de massa de forma geométrica, o resultado deixa de ser qualitativo e passa a ser quantitativo. Para tal, foi proposto uma velocidade de erosão. A parte experimental do trabalho serviu para testar as seguintes hipóteses levantadas pelo autor a respeito do método:

• A perda de massa do material possui excelente correlação.(média do desvio padrão menor que 1%)

• O desgaste do material é inversamente proporcional ao valor do pH.

Essas hipóteses são úteis para se determinar um tempo crítico, tempo em que o material perde massa.

A segunda hipótese pode se justificar pelo fato do produto da hidratação ser básico, pois contém Ca(OH)2. Logo, quanto mais ácido o ambiente, mais agressivo é, como será visto mais adiante.

Essas hipóteses se confirmariam se, e somente se, o desgastes de todos os corpos de prova forem correlatos, ou seja se a massa perdida de todos os corpos de prova forem próximas, então a perda de massa pode ser relacionada com as características do material bem como sua forma e a durabilidade.

Inicialmente será tratado sobre o método das perdas de massa e depois sobre a velocidade de degradação, cálculo da espessura degradada de forma racional e de forma empírica, análise do tempo de degradação quando a perda de massa é constante ou


variável, velocidade de degradação da pasta, discussão sobre os resultados do ensaio e por fim as conclusões.

1.1 Abordagem do problema

1.1.1 Método da perda de massa

O método das perdas de massa é muito conhecido por ser simples. Basta realizar uma pesagem inicial, submeter o material a ambiente agressivo, secar o corpo de prova, realizar uma pesagem final e calcular a porcentagem de material perdido. Para esse trabalho foram consultados alguns autores para definir quais seriam as particularidades do ensaio. Na tabela 1 estão expressos as características de um ciclo de ensaio selecionado para esse trabalho.

Tabela 1 – Descrição do MétodoMétodo

1° Pesagem inicial Balança (0,01g)2° Imersão em ácido 7 dias; Ácido sulfúrico (1mol L-1)

3° Secagem 7 dias em ambiente de laboratório4° Pesagem final Balança (0,01g)

Fonte Bergamaschi (2007)

1.1.2 Velocidade de Degradação

Na abordagem geométrica do método, foi considerado que a massa reduz conforme a geometria. A superfície foi considerada, teoricamente, isodegradada. Significa que ao expor o material ao desgaste ele é consumido de forma uniforme (em todas as direções). É como se o material fosse composto por diversas camadas e essas camadas fossem arrancadas de forma gradual. Esse conceito de velocidade de degradação expressa a máxima desse trabalho, pois é um parâmetro quantitativo para medir a durabilidade do concreto. Na figura 1 pode ser visto esse conceito expresso de forma clara, onde um corpo de prova cilíndrico normal é submetido a uma imersão em ácido e perde uma camada representada por uma espessura e.

Figura 1 Corpo de prova cilindrico

A espessura “e”, para esse trabalho, foi considerada igual em todas as direções.ANAIS DO 53º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2011 – 53CBC 3

A velocidade de degradação é a relação entre essa camada e o tempo necessário para que fosse formada. Essa expressão pode ser visto na Equação 1.

te

Vtd = (Equação 1)

Onde:Vtd= velocidade teórica de degradaçãoe = espessura degradadat = tempo em que o concreto perde massaPorem na prática é mais fácil calcular uma dimensão inicial e subtrair com a mesma já degradada. O desenvolvimento da mesma equação será feito a partir de uma dimensão qualquer.

iDD fi =− (Equação 2)

t

iVtd 2

= (Equação 3)

Onde:Di = Dimensão inicial qualquerDf = Dimensão final qualqueri = espessura degradada da dimensãoVtd = velocidade teórica de degradaçãot = tempo em que há desgaste do material

Note que apenas é necessário descobrir qual o tempo que se degradou o material e qual a espessura degradada.

1.1.3 Espessura Degradada (método racional)

Para se calcular a espessura degradada de forma racional basta considerar as seguintes equações.O volume no início do experimento:

cbakVi ...= (Equação 4)

Vi = volume inicial do corpo de provaa, b, c = dimensões k = constante que depende da geometriaO volume no fim do experimento:

)).().(( icibiakV fg −−−= (Equação 5)

Vfg = volume final (geométrico)a, b, c = dimensõesi = espessura degradadak = constante que depende da geometria

O volume que foi perdido será:


d

MMV fi

p

−= (Equação 6)

Vp = volume perdidoMi = massa inicialMf = massa finald = densidadeOs volumes explicados se relacionam da seguinte forma:

pifg VVV −= (Equação 7)

Substituindo (4), (5) e (6) em (7) e resolvendo chega-se a seguinte expressão:

0)()( 23 =+++−+++−k

Vibcacabicbai p (Equação 8)

É uma equação do terceiro grau onde:

1−=A (Equação 9)

cbaB ++= (Equação 10)

)( abbcacC ++−= (Equação 11)

k

VD p= (Equação 12)

Para encontrar (i) basta resolver a equação 8. Para corpo de prova prismático k=1.A raiz a ser escolhida é a mais próxima de zero. (Uma sugestão é fazer x0=0 para o método de Newton-Raphson)

1.1.4 Espessura Degradada (método empírico)

Como as dimensões do corpo de prova são conhecidas, basta medir, com um paquímetro, as dimensões finais e compará-las, a diferença é a espessura degradada. A equação (2) é satisfeita.

É sugerido neste trabalho que se faça três medidas de uma mesma dimensão em lugares distintos do corpo de prova. Também se aconselha a medir mais de uma dimensão. Por meio das dimensões medidas obtêm-se uma média do valor de i (espessura degradada).

1.1.5 Tempo de degradação (perda de massa variável)

É óbvio imaginar que o tempo em que o corpo perde massa é o tempo que define a velocidade de degradação, porém se esse tempo não representa a intensidade do ataque, é possível cometer um erro, pois ao invés de existir somente uma velocidade de degradação existiria também uma aceleração de degradação. Neste trabalho só foi


testado a hipótese de que quanto mais neutro a solução, menos intenso seria o ataque até que cessasse o ataque com o pH igual a 7. Portanto o critério de perda de massa variável foi desenvolvido para o pH (foi chamado de critério do pH), mas o conceito pode ser usado para qualquer fator que controlasse a intensidade do ataque.

Esse critério se sustenta no fato de que uma variação na intensidade do ataque deve ser aproximada a um valor constante que represente toda a experiência, portanto o tempo de ensaio não será o mesmo tempo de degradação, tempo esse que seria uma dedução de gráficos de perda de massa X tempo.

Não foi desenvolvido uma teoria em Cima do pH de forma aleatória. Esse fator foi selecionado baseado em afirmações de alguns pesquisadores como Mehta e Monteiro (2008, p. 157) “pH abaixo de 6 [...] é nocivo ao concreto” e Neville (1997) que afirma que quanto menor o pH mais severo é o ataque.

Ou seja, a agressividade do ambiente é diretamente proporcional a concentração hidrogeniônica. Essa concentração pode variar de mais de 10 mol/L a menos de 1x10-

15mol/L. “A escala do pH foi feita para expressar este grande intervalo de acidez de uma maneira mais conveniente” (RUSSEL, 1994). De forma matemática:

]log[ +−= HpH (Equação 12)

Onde:H+ = concentração de hidrogênio iônico.

Existem duas possibilidades de ensaio em ácido, com o pH variável ou constante. Em um caso o ácido pode ser dosado inicialmente, ocorrendo assim a reação até que a solução se neutralize, ou pode se utilizar um aparato que mantenha o pH constante. Nas Figuras 2 e 3 são mostrados gráficos de pH x tempo, idealizados.

Figura 2 Gráfico de pH x tempo (constante)

Onde:Ac = área críticapHi = pH no início do experimentoANAIS DO 53º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2011 – 53CBC 6

pHf = pH no fim do experimentot0 = tempo inicialt1 = tempo final

Como se pode notar a intensidade do ataque se mantém constante por todo o experimento, isso significa que o tempo de ensaio será o tempo crítico de degradação. De forma numérica isso pode ser visto na equação (13):

i

cc pH

At

−=

7 (Equação 13)

Onde:Ac = área crítica (limitada por , , , )pHi = pH inicialt1 = tempo finalt0 = tempo inicial

Figura 3 Gráfico pH x tempo (variável)

Onde:Ac = área críticapHi = pH no início do experimentopHf = pH no fim do experimentot0 = tempo inicialt1 = tempo final

Já na curva da figura 3 o pH varia com o tempo, desde o pH mínimo (inicial) até a neutralização (pH final). Para esse tipo de gráfico o tempo crítico pode ser expresso por meio da equação (14).

017tt

pH

At

i

cc −≠

−= (Equação 14)

Onde:ANAIS DO 53º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2011 – 53CBC 7

tc = tempo críticoAc = Área críticapHi = pH inicialt1 = tempo finalt0 = tempo inicial

1.1.6 Tempo de Degradação (perda de massa constante)

Outra forma de se considerar o tempo de degradação é simplesmente observar o tempo em que o concreto perde massa e tornar esse o tempo crítico de degradação. Nesse trabalho foi usado esse critério, portanto enquanto houve perda de massa o tempo foi considerado (os 7 dias de imersão).

1.1.7 Velocidade de degradação da pasta

Com o conceito de velocidade de degradação é possível quantificar a deterioração do concreto, porém não é difícil imaginar que os agregados não se deterioram, pelo menos não na velocidade do concreto, então somente a pasta sofre esse processo e os agregados apenas dificultam a deterioração. Nesse trabalho está proposto o cálculo da velocidade da pasta, que poderia ser um acelerador de degradação, o que aumentaria a velocidade do cálculo.

Para se calcular a velocidade de degradação da pasta basta realizar o mesmo processo descrito até aqui. A diferença é que o corpo de prova deverá ser de pasta (cimento e água), mas se deseja obter a velocidade de degradação da pasta por meio da degradação do concreto, ou vice versa, é necessário alguns ajustes.

Partindo do princípio que foi ensaiado um corpo de prova de concreto e se deseja calcular a velocidade da pasta, é só imaginar que somente a pasta dentro desse concreto está se deteriorando. Para tal imagina-se o corpo de prova sem agregados, somente com pasta e vazios. Logo em seguida compacta-se esse corpo de prova de forma que mantenha a mesma proporção das dimensões iniciais mas que reste somente o volume da pasta. Com a massa perdida calcula-se uma nova camada degradada i2. Para calcular a velocidade de deterioração da pasta é só substituir i por i2 na equação (3). Os passos serão descritos a seguir.

1° passo: compactar o corpo de prova de tal forma que tenha dimensões menores porém com as mesmas proporções das dimensões iniciais.

)'.).('.).('.(' ckbkakV = (Equação 15)

3 %' Pk = (Equação 16)

Onde:V’ = volume compactado sem agregadosk' = constante de redução proporcionala, b, c = dimensões iniciais do corpo de prova


%P = porcentagem de pasta

2° passo: calcular uma nova espessura degradada(i2). A equação para cálculo da espessura degradada sofre uma alteração, pois multiplica-se as dimensões por k’.

0'²' 22

23 =+−+ DiCkiBkAi (Equação 17)

3° passo: calcula-se uma nova velocidade de deterioração.

t

iVtd 2

2= (Equação 18)

A relação entre i e i2 é importantíssima pois com ela é possível prever a velocidade de degradação do concreto por meio da velocidade de degradação da pasta.

i

iC 2= (Equação 19)

Utilizando o método de Newton-Raphson foi calculado, para diferentes traços de concreto, diversas relações e percebeu-se que quanto menor a massa perdida menor é a constante c’ e pela equação 19 nota-se que quanto menor essa constante maior será a espessura i. Portanto calculando-se a espessura i2 e dividindo pela menor constante possível pode-se prever a espessura que seria degradado do concreto com uma margem muito pequena de erro e a favor da segurança

2 Resultados

Foram realizados ensaios de resistência a compressão tanto em concretos submetidos a ácido quanto em concretos produzidos normalmente.Também foram submetidos corpos de prova de concreto a ambiente agressivo.

2.2 Resistência à compressão

Aos 14 dias a resistência a compressão média do concreto foi de 24,3 MPa e da argamassa foi de 20,5 MPa.Aos 21 dias o concreto e a argamassa obtiveram resistências a compressão de 26,65 MPa e 21,53 MPa respectivamente. Já quando submetido ao ácido, o concreto e a argamassa obtiveram resistência média de 28,9 MPa e 22,8 MPa respectivamente.Como pôde ser notado a resistência a compressão do material submetido ao ácido foi superior ao material de procedimento padrão. Isso é um fenômeno que não pode ser explicado nesse trabalho. Foi descartado a hipótese de ter havido erro no procedimento de ensaio pois a resistência não foi superior apenas no concreto, mas se repetiu com a argamassa. Na tabela 2 pode ser visto um resumo do ensaio de resistência a compressão.

Tabela 2 Ensaio de resistência à compressão (MPa)


14 dias 21 diasNormal Ácido

Concreto 24,3 26,65 28,9Argamassa 20,5 21,53 22,8

2.3 Perda de Massa

No 2°dia de ensaio foi constatado que a solução havia sido neutralizada, então no 3° dia foi realizado uma pesagem dos corpos de prova. No 4° dia foi realizado uma nova pesagem para conferir se o material havia perdido massa. Na tabela 3 pode ser visto os resultados de perda de massa no 3° e 4° dia.

Tabela 3 Comparação da perda de massa ao terceiro e quarto dia de ensaioArgamassa Massa 1°

dia (g)Perda de massa (%)

3° dia 4°diaCP1 431,21 5,59 7,17CP2 428,95 4,41 6,46CP3 432,57 3,68 6,24CP4 434,04 4,66 6,05

Na figura 4, onde é exposto o corpo de prova sendo retirado para a pesagem no terceiro dia de ensaio.

Figura 4 corpo de prova ao terceiro dia de ensaio

Note a película que envolve o corpo de prova, provavelmente é a camada residual de produtos de baixa solubilidade remanescentes da dissolução do Ca(OH)2, como afirma Neville (1997).

A perda de massa total, após os 7 dias de imersão e 7 dias de secagem, pode ser vista no quadro 1.

Quadro 1 Perda de massa


Argamassa Perda de massa (%)CP1 19,19CP2 20,52CP3 19,53CP4 19,53

Média 19,74

O desvio padrão da perda de massa é de 0,56 %.

Como se pode notar a perda de massa se manteve em torno de 20%, o que para uma semana de imersão é considerável. Porém é justificável por ser ácido sulfúrico, o que mais ataca o concreto com cimento CPV, fato observado no trabalho de Bergamaschi (2007), e por ser alta concentração (1Mol /L). Essa perda de massa pode ser observada nos próprios corpos de prova (Figura 5 e 6).

Figura 5 e 6 Perda de massa depositada no fundo dos recipientes.

Foi inviável calcular a perda de massa do concreto, mas foi possível medir a velocidade de deterioração por meio do paquímetro.


2.4 Velocidade de degradação (método racional)

Como não foi possível medir a perda de massa do concreto, somente foi possível calcular a velocidade de degradação racionalmente da argamassa. No quadro 2 pode ser visto a velocidade de degradação da argamassa.

Quadro 2 Velocidade de degradação da argamassa

Argamassa Velocidade de degradação (cm/ano)

CP1 10,73CP2 11,53CP3 10,93CP4 11,04Média 11,06

2.4 Velocidade de degradação (método do paquímetro)

Por meio do paquímetro foi possível calcular a velocidade de degradação tanto do concreto quanto da argamassa. Na tabela 4 pode ser visto as medidas da espessura degradada de duas dimensões em três posições diferentes.

Tabela 4 Espessura degradada medida pelo paquímetro

Corpo de prova φ1Mm

φ 2mm

φ 3mm

h1mm

h2mm

h3mm

i (médio)mmConcreto

CP1 96 96 95 198 200 200 2,00

CP2 97 96 95 199 199 199 2,58

Média= 2,9

Argamassaφ 1Mm

φ 2mm

φ 3mm

h1mm

h2mm

h3mm

i (médio)mm

CP1 45,8 45 44 96 96 96 4,53

CP2 47,8 44 45 95,5 98 96,5 3,87

CP3 45 44 45 94,8 96 96 4,87

CP4 45,7 47 45,5 96 97,9 96,9 3,49

Média= 4,19

Onde:φ (1, 2 e 3) = Diâmetros (1, 2 e 3)h (1, 2 e 3) = Altura (1, 2 e 3)CP (1, 2, 3 e 4) = Corpo de prova (1, 2, 3 e 4)i = espessura degradada

Com a espessura média se obteve uma velocidade de degradação do concreto de 5,97 cm/ano e da argamassa de 10,92 cm/ano.


Além das velocidades de degradação do concreto e da argamassa, é possível calcular a velocidade de degradação da pasta. Tanto no concreto como na argamassa a velocidade de degradação da pasta é 20,56 cm/ano

3 Conclusões

A primeira hipótese, de que a perda de massa do material possui excelente correlação se mostrou verdadeira (desvio padrão de 0,56%). Já a segunda se mostrou falsa, pois o concreto perdeu massa mesmo após a neutralização.

As perdas de massa (19,74%) foram superiores a de pesquisadores consultados, como é o caso de Bergamaschi (2007) que apresentou perda de massa da ordem de 10%. Isso mostra que a relação água/cimento, de 0,61 contra 0,48 do mesmo pesquisador, influencia muito na perda de massa do material e conseqüentemente na velocidade de degradação.

A velocidade de degradação da argamassa calculada através do método racional obteve resultado praticamente idêntico a calculada de forma empírica. Isso mostra que a abordagem geométrica é coerente.

O fato das velocidades de degradação tanto do concreto quanto da argamassa serem a mesma demonstra a correlação que existe por meio da relação água/cimento (0,61).

A principal de todas as conclusões é que a velocidade de degradação torna método das perdas de massa um método quantitativo.


4 Referências

ANDRADE, T. Tópicos sobre durabilidade do concreto. In: ISAIA, G. C. (ed.) Concreto: ensino, pesquisa e realizações. 1 ed. São Paulo: IBRACON, 2005. (volume 1)

BERGAMASCHI, J. M. Ataque ácido à argamassa de cimento comum e com escória: um estudo cinético e gravimétrico de degradação. Campinas, 2007. 54f. Dissertação (Mestrado em Química). Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas.

MEHTA, P. K; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: estrutura, propriedades e materiais. 1 ed. São Paulo: IBRACON, 2008.

NEVILLE, A. M. Propriedades do concreto. Tradução de Salvador E. Giamusso. 2 ed. São Paulo: PINI, 1997.

RUSSEL, J. B. Química geral. Tradução e revisão técnica Márcia Guekezian et al. 2 ed. São Paulo: Makron Books, 1994.


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