Prevenção e Gestão da Corrosão de Vergalhões em Concreto Armado

Corrosão de Barras de Armadura de Aço no Concreto

Concreto armado (CA) é um material compósito composto por barras de armadura de aço (vergalhões) embutidas em uma massa de concreto. Os vergalhões suportam a maior parte da carga de tração e conferem grau de resistência à fissuração ao concreto, que por si só é carregado à compressão. O aço no concreto está normalmente em condição não corrosiva, passiva. No entanto, condições não corrosivas e passivas nem sempre são alcançadas na prática, devido ao que a corrosão dos vergalhões ocorre. A corrosão dos vergalhões tem consequências físicas como diminuição da resistência última e durabilidade das estruturas de concreto. A corrosão de vergalhões de aço no concreto é um grande problema universal. O dano que ocorre da corrosão pode, em grande medida, reduzir a durabilidade e integridade estrutural do CA. Dano induzido por corrosão à estrutura de concreto necessita reparo precoce ou, em alguns casos, substituição completa da estrutura de concreto.

Sempre que a barra de armadura embutida no aço corrói, os produtos de corrosão aumentam seu volume. Todas as formas de óxido e hidróxido de ferro têm volumes específicos maiores que o do aço. As forças expansivas geradas pela corrosão do aço levam a fissuração por tração e manchamento por ferrugem do concreto. Isso, por sua vez, causa redução na durabilidade e integridade estrutural do concreto, além de afetar sua estética. Uma vez que a corrosão começa, é apenas questão de tempo antes que uma quantidade cumulativa de dano ocorra na estrutura de concreto e ela falhe bem antes de sua vida útil de projeto.

Principais Causas da Corrosão de Vergalhões

As duas principais causas da corrosão dos vergalhões no concreto são: (i) falha localizada do filme passivo no aço por íons cloreto; e (ii) falha geral da passividade por neutralização da alcalinidade do concreto devido à reação com CO₂ atmosférico (dióxido de carbono). Os principais fatores que afetam a corrosão de vergalhões no CA são: (i) perda de alcalinidade devido à carbonatação; (ii) perda de alcalinidade devido a cloretos; (iii) trincas no concreto devido a carregamento mecânico; (iv) correntes parasitas; (v) poluição atmosférica; (vi) vias de umidade; (vii) relação água-cimento; (viii) baixa resistência à tração do concreto; (ix) contato elétrico com metais dissimilares; e (x) corrosão devido a diferença de ambientes.

Natureza Eletroquímica da Corrosão do Aço no Concreto

A corrosão pode ser definida como a deterioração ou destruição de um material por reação com seu ambiente. É um processo eletroquímico (Figura 1), que requer fluxo de corrente elétrica e muitas reações químicas. Um exemplo de processo eletroquímico é uma célula galvânica. Para uma célula eletroquímica funcionar, três elementos básicos são necessários: (i) ânodo; (ii) cátodo; e (iii) eletrólito. Um ânodo é uma unidade produtora de elétrons, enquanto o cátodo é a unidade consumidora de elétrons. O eletrólito é um meio através do qual o fluxo iônico pode ocorrer. Reações típicas no ânodo e cátodo para corrosão do ferro são: (i) reação anódica Fe = Fe (++) + 2e(-) (oxidação); reação catódica 2H (+) + 2e(-) = H₂ (redução); e reação de despolarização 2H(+) + 2e(-) + 0,5 O₂ = H₂O.

Figura 1 Conceito do processo eletroquímico de corrosão de vergalhões no concreto

No ânodo, o ferro metálico (Fe) é oxidado e elétrons são gerados. Como o metal deve permanecer em estado de equilíbrio de elétrons, uma quantidade igual de elétrons é consumida no cátodo para formar gás hidrogênio (H₂). O gás H₂ tende a permanecer próximo à superfície do vergalhão e a reação torna-se auto-inibitória. O cátodo é então dito polarizado e nenhuma reação adicional é possível a menos que o filme protetor de H₂ seja removido (despolarizado). O H₂ pode evoluir como gás, mas este processo é normalmente bastante lento. Mais importante é a quebra do filme de H₂ pela ação despolarizante do oxigênio (O₂). Neste caso, O₂ atua para prevenir o acúmulo de gás H₂ consumindo os elétrons livres. Uma vez que a camada de H₂ é quebrada, as reações de corrosão estão livres para continuar.

Como íons sódio e cloreto não participam da reação, a reação total pode ser expressa como a soma das reações anódica e de despolarização. Fazendo uso da reação H₂O = H(+) + OH(-) obtém-se a reação principal de corrosão como Fe + H₂O + 0,5 O₂ = Fe(OH)₂. O composto precipitado é hidróxido ferroso, uma forma de ferrugem com cor esbranquiçada. No entanto, em soluções oxigenadas, o hidróxido ferroso é ainda oxidado a hidróxido férrico. O produto finalmente formado é a familiar ferrugem marrom-avermelhada.

Tipos de Corrosão de Vergalhões

Existem dois tipos de corrosão observados nos vergalhões embutidos no concreto. Estes são: (i) corrosão de fenda; e (ii) corrosão por pites. A corrosão de fenda é uma forma localizada de corrosão geralmente associada a uma solução estagnada no nível microambiental. Tais microambientes estagnados tendem a ocorrer em fendas (áreas protegidas). O O₂ no líquido profundo na fenda é consumido por reação com o metal. O teor de O₂ do líquido na boca da fenda, que está exposto ao ar, é maior. Portanto, uma célula local é formada na qual o ânodo (área sob ataque) é a superfície em contato com o líquido empobrecido de O₂. No caso de corrosão por pites, as teorias de passividade dividem-se em duas categorias gerais. A primeira baseia-se em adsorção, enquanto a segunda baseia-se na presença de um filme de óxido fino. A corrosão por pites no primeiro caso surge como espécies prejudiciais ou ativadoras, como íon cloreto, competem com O₂ ou íon hidroxila em sítios superficiais específicos. Pela teoria do filme de óxido, espécies prejudiciais tornam-se incorporadas no filme passivo, levando à sua dissolução local ou ao desenvolvimento de caminhos condutivos. Uma vez iniciados, os pites propagam-se auto-cataliticamente, resultando em acidificação da região ativa e corrosão em taxa acelerada.

Mecanismo de Corrosão

Em um meio de uniformidade perfeita, a corrosão é muito improvável de ocorrer. No entanto, o concreto armado não é de forma alguma um material homogêneo e células de corrosão são estabelecidas quando certas condições existem. Existem numerosas razões para a não-uniformidade do concreto que favorece a corrosão. O concreto pode ser alveolado, poroso, e desuniformemente úmido e seco. Trincas causam diferenças na tensão do aço, aeração diferencial, e depósitos de sal. Sempre há não-uniformidades inerentes no próprio vergalhão devido a tensões residuais travadas iniciais e processos de fabricação. Como resultado, regiões de potencial mais baixo tornam-se anódicas e regiões de potencial mais alto tornam-se catódicas. Concreto úmido atua como eletrólito, a ação do qual é ainda acelerada se íons de sal existem. A corrosão no concreto armado normalmente enquadra-se em dois grupos gerais: (i) concreto trincado; e (ii) concreto não trincado.

No caso de concreto fresco não trincado, normalmente há ampla resistência a ataque corrosivo. A cobertura de concreto sobre o vergalhão é muito eficaz em inibir a penetração de agentes corrosivos ao nível do aço. É óbvio que quanto mais espessa e densa a cobertura de concreto, mais eficaz ela se torna na resistência à corrosão. Além disso, concreto fresco tem valor de pH muito alto que geralmente inibe reações de corrosão. O número pH é um índice da acidez ou alcalinidade de um meio. Números de 0 a 7 indicam acidez de uma solução (na qual a corrosão é promovida), e números de 7 a 14 indicam alcalinidade da solução (na qual a corrosão é retardada). Concreto fresco tem alto teor de Ca(OH)₂ (hidróxido de cálcio) que lhe dá pH de cerca de 13. A última defesa contra corrosão é oferecida pelo filme de óxido azul (carepa de laminação) ao redor da superfície do vergalhão. Este filme de óxido impede que agentes corrosivos entrem em contato direto com o metal nu. Assim, a carepa de laminação fornece proteção localizada contra corrosão.

No entanto, à medida que o tempo passa, as condições acima tendem a alterar. Água, sal, O₂, CO₂, e gases industriais (se presentes) começam lentamente a penetrar no concreto, a taxa da qual depende da permeabilidade da cobertura de concreto. CO₂, que penetra no concreto através de poros e trincas, reage com Ca(OH)₂ e produz carbonato de cálcio. Assim, tanto o valor de pH quanto a qualidade protetora do concreto são reduzidos. O mecanismo geral pelo qual a corrosão ocorre no concreto é mostrado na Figura 2.

Figura 2 Mecanismo geral para corrosão de vergalhão

A probabilidade de corrosão é alta quando o pH do concreto cai para 8. Cristalização de sal e efeitos de congelamento-degelo estabelecem forças internas que afetam adversamente a durabilidade da cobertura de concreto. À medida que um meio corrosivo atinge o aço, ele concentra seu ataque nas falhas do filme de óxido. Mais importante, se sal está presente, ele destrói a passividade do filme de óxido no aço e a corrosão é assim promovida.

É óbvio que em grandes trincas no concreto, a fase de penetração da sequência acima é consideravelmente mais curta e a corrosão começa rapidamente no aço abaixo das trincas. Em regiões não trincadas do concreto, a mesma sequência ocorre conforme descrito, mas em taxa muito reduzida. Ou seja, a corrosão inicia assim que o meio promotor de corrosão penetra através do concreto ao nível do aço.

Deve-se lembrar que a presença de sal é fator importante no processo de corrosão. Íons de sal destroem a passividade do aço, estabelecem células de corrosão, e aumentam a condutividade do eletrólito. Sem íons de sal, a corrosão de vergalhão no concreto pode ser inibida por longo período. Nesse caso, a taxa de corrosão é geralmente controlada pelos processos de carbonatação. Se a cobertura de concreto é relativamente impermeável e espessa, a corrosão não pode ocorrer em áreas não trincadas. No entanto, trincas não perdem sua importância neste caso porque corrosão localizada pode ocorrer sob elas.

Os produtos de corrosão formados tendem a ter efeito inibidor sobre reações corrosivas contínuas. Esses produtos podem vedar o metal base da difusão de O₂ e H₂ e assim terminar as reações de corrosão. Este processo é conhecido como corrosão auto-limitante. Uma corrosão auto-limitante pode ocorrer em altas razões C/D (espessura da cobertura / diâmetro do vergalhão) que parecem determinar a ocorrência e extensão de fissuração longitudinal ao longo dos vergalhões. A fissuração longitudinal é principalmente devido às forças de tração criadas pelos produtos de corrosão que ocupam cerca de três vezes maior volume que o aço do qual são formados. Se a cobertura de concreto não é suficiente para resistir a tais forças, fissuras longitudinais se desenvolvem através das quais O₂ e outros agentes externos ganham acesso ao aço. Neste ponto, é apenas questão de tempo até que a estrutura atinja estado perigoso de corrosão e deva ser reparada ou substituída. Carregamentos repetidos também podem desempenhar papel na quebra do efeito protetor da crosta de ferrugem, mas mais estudo é necessário para estabelecer sua importância.

O aço é termodinamicamente instável na atmosfera da Terra e, portanto, sempre tende a reverter a um estado de energia mais baixa, como óxido ou hidróxido, por reação com O₂ e água. Estes processos ocorrem continuamente. A questão de interesse no uso do aço é controlar esses processos para ocorrer na prática. Felizmente, apenas os átomos de superfície do aço estão expostos à atmosfera e, portanto, estão disponíveis para reagir. No caso de uma barra de 15 mm de diâmetro, isso equivale a apenas cerca de 1 em cada 40 milhões de átomos. Qualquer revestimento no aço reduz esse número ainda mais.

Para aço embutido no concreto, o próprio concreto fornece um revestimento limitando o acesso de água e O₂ à superfície do aço. Um segundo aspecto benéfico do concreto é que a solução nos poros da pasta de cimento tem alcalinidade muito alta e, como indicado no diagrama de Pourbaix na Figura 3, nos níveis de pH típicos do concreto, os produtos de corrosão que se formam são insolúveis. Eles produzem um revestimento protetor muito fino (cerca de poucos nanômetros) no aço (um filme passivo) que limita a perda de metal da superfície do aço devido à corrosão a cerca de 0,1 a 1,0 micrômetros por ano. Geralmente considera-se que, nestas taxas passivas de corrosão, o aço embutido no concreto não é normalmente degradado de forma perceptível dentro de uma vida útil de 75 anos e o volume de produtos de corrosão não é suficiente para causar tensões danosas dentro do concreto. O filme passivo não se forma imediatamente, mas começa assim que o pH da água de mistura sobe no concreto quando o cimento começa a hidratar e estabiliza na primeira semana para proteger o aço da corrosão ativa.

Figura 3 Diagrama de Pourbaix do ferro

A corrosão, seja na taxa passiva insignificante ou na taxa ativa danosa, é um processo eletroquímico, envolvendo o estabelecimento de reações de meia-célula anódica e catódica em níveis microscópicos e/ou macroscópicos. Em soluções de alto pH e na ausência de íons cloreto, a reação de dissolução anódica do ferro é equilibrada pela reação catódica onde os íons Fe²⁺ combinam-se com íons OH⁻ para produzir o filme passivo estável.

Tanto as reações anódicas quanto catódicas são necessárias para o processo de corrosão ocorrer concomitantemente. O ânodo pode estar localizado próximo um do outro ou podem ser separados. Quando estão localizados imediatamente próximos um do outro, ou seja, em escala microscópica, a célula de corrosão resultante é referida como corrosão de micro-célula. Quando são separados por alguma distância finita, a célula de corrosão resultante é referida como corrosão de macro-célula. A corrosão de vergalhões no concreto pode ser devida a combinação de micro-células e macro-células. A Figura 4 mostra ambas as corrosões de micro-célula e macro-célula de vergalhões no concreto.

Figura 4 Corrosões de micro-célula e macro-célula de vergalhões no concreto

Corrosão Induzida por Cloretos

O mecanismo pelo qual íons cloreto quebram o filme passivo não é totalmente compreendido, em grande parte porque o filme é muito fino para ser examinado e porque os eventos ocorrem dentro do concreto. Uma hipótese é que os íons cloreto tornam-se incorporados no filme passivo e reduzem sua resistência. Esta incorporação não é uniforme e, onde ocorre, permite reação mais rápida e estabelecimento de área anódica onde a corrosão continua enquanto o aço restante permanece passivo (Figura 5b).

Figura 5 Representação esquemática de corrosão passiva e ativa induzida por cloreto

Uma segunda hipótese é que os íons Cl⁻ "competem" com os ânions OH⁻ para combinar com cátions Fe²⁺ e, como os íons Cl⁻ formam complexos solúveis com os íons Fe²⁺, um filme passivo não é formado e o processo estimula maior dissolução de metal. Os complexos ferro-cloreto solúveis difundem-se para longe do aço e subsequentemente se decompõem, resultando na formação de produtos de corrosão expansivos e, simultaneamente, libertando os íons Cl⁻, que são então capazes de migrar de volta ao ânodo e reagir mais com o aço. Neste processo geral, íons hidroxila são continuamente consumidos, diminuindo localmente o pH (ou seja, tornando a solução ácida naquela região localizada) e, assim, aumentando ainda mais a dissolução de metal. Os íons Cl⁻, por outro lado, não são consumidos e o ataque torna-se "auto-catalítico". Em última análise, a seção transversal de armadura e sua resistência estrutural são seriamente comprometidas.

Qualquer uma dessas mecanismos hipotetizados explica a natureza local do ataque frequentemente observada. As áreas ativamente corrodidas localmente comportam-se como ânodos enquanto as áreas passivas restantes tornam-se cátodos onde ocorre redução de O₂ dissolvido. As células galvânicas podem ser macro ou micro em escala dependendo de vários fatores. Assim, o ânodo e cátodo podem estar amplamente separados ou podem ser adjacentes em escala atômica.

Dependência Temporal da Corrosão de Vergalhões

O processo de corrosão de vergalhões tem três estágios distintos: (i) iniciação; (ii) despassivação; e (iii) propagação. A iniciação precede a despassivação, que é então seguida por propagação para atingir o estado final (Figura 6). Após a iniciação, uma trinca aparece na superfície externa do concreto que se propaga e causa mais dano e se desenvolve. A vida útil é determinada quando o vergalhão atinge o estado final, que é o momento em que o descascamento do concreto começa.

Figura 6 Estágios da corrosão de vergalhões

Produtos de Corrosão

A consequência mais prejudicial da corrosão induzida por cloretos de vergalhões é o acúmulo de produtos de corrosão volumosos e insolúveis no concreto, que leva a tensões internas e, finalmente, a trincamento e descascamento da cobertura de concreto. Claramente, uma vez que tal dano é visualmente aparente, os vergalhões ficam propensos a ataque corrosivo muito rápido porque o acesso a O₂ e umidade não é mais limitado por difusão através da cobertura de concreto. Todas as formas de óxidos e hidróxidos de ferro têm volumes específicos altos que são maiores que o volume do aço do vergalhão (Figura 7). Portanto, o grau de dano ao concreto produzido por certa quantidade de corrosão depende dos produtos de corrosão específicos formados e sua distribuição dentro da cobertura de concreto, bem como da porosidade e resistência do próprio concreto.

Figura 7 Volume específico dos produtos de corrosão do ferro

Às vezes assume-se que os produtos de corrosão são ferrugem, ou seja, Fe₂O₃·3H₂O e, porque este produto de cor laranja é observado em concreto danificado. Portanto, também assume-se que os produtos de corrosão são mais de seis vezes mais volumosos que o aço do qual são formados e as tensões previstas no concreto baseiam-se nessa conclusão. Na verdade, análise dos produtos formados indica que existem outros produtos como mostrado na Figura 7 que têm volume específico variando entre 2,2 vezes e 3,3 vezes o do aço. É apenas após trincamento e descascamento e, assim, exposição à atmosfera, que esses produtos se convertem na ferrugem familiar.

Parâmetros que Influenciam a Corrosão do Aço no Concreto

Os parâmetros que influenciam a corrosão do aço no concreto são mostrados na Figura 8. Os parâmetros relacionados ao aço são propriedades metalúrgicas, ferrugem prévia, tamanho da barra, e arranjo do aço.

Figura 8 Parâmetros que influenciam a corrosão do aço no concreto

Propriedades Metalúrgicas

É talvez conhecimento comum que muitos elementos ligados ao aço produzem resistência à corrosão aumentada. Os principais elementos inibidores de corrosão incluem cobre (Cu), níquel (Ni) e cromo (Cr), a maioria dos quais está presente em proporções insignificantes no aço para vergalhões. Combinações específicas destes e outros elementos têm sido encontradas para melhorar a resistência à corrosão dos aços, mas do ponto de vista prático tiveram pouco impacto na aplicação de aços para vergalhões no concreto.

Diferenças metalúrgicas localizadas na estrutura atômica do aço causam campos de energia diferenciais dentro do aço e promovem a formação das regiões anódicas e catódicas necessárias para corrosão eletroquímica. Estas regiões são, na prática, materiais diferentes em contato um com o outro. Campos de energia são geralmente associados a discordâncias, fronteiras de grão desajustadas, inclusões, impurezas, fronteiras de fase metalúrgica, etc. Por exemplo, determinou-se que a fase ferrita do aço é prontamente atacada, enquanto a cementita é resistente à corrosão. Onde ambas as fases existem adjacentes uma à outra, a cementita torna-se o cátodo e a ferrita torna-se o ânodo e uma célula de corrosão é desenvolvida.

Deve-se reconhecer que fontes de campos de energia diferenciais para células de corrosão estão presentes em todos os aços comerciais e, portanto, um meio de inibir a corrosão deve ser encontrado além de tentar homogeneizar os aços, o que é impraticável e de eficácia questionável. Por esta razão, é afortunado que o efeito destes vários campos de energia sobre a corrosão do aço de vergalhão seja mínimo enquanto o pH do concreto circundante permanecer relativamente alto (na faixa de 10 a 13).

Além das fontes de células de corrosão associadas à estrutura atômica básica do aço, a superfície do vergalhão oferece oportunidades adicionais para formação de células. Tais fatores como rugosidade superficial, arranhões, cortes, e particularmente carepa de laminação são frequentemente responsáveis pela iniciação da corrosão. Se a carepa de laminação formada durante a laminação a quente do aço não resulta em um revestimento de carepa contínuo, então as áreas superficiais revestidas com carepa de laminação são catódicas às áreas adjacentes não revestidas.

Em certas aplicações, revestimentos metálicos oferecem proteção contra corrosão a superfícies de aço. No entanto, tais revestimentos catódicos como Ni e Cu não são eficazes em aços para vergalhões, pois são relativamente caros e propensos a danos durante a construção, criando assim condições sérias de corrosão localizada. Cádmio (Cd) e zinco (Zn) são anódicos ao aço e podem ser usados como revestimentos sacrificiais. Revestimentos galvanizados em vergalhões são talvez práticos, mas para serem eficazes, o revestimento deve ser de espessura adequada.

Ferrugem Prévia dos Vergalhões

A condição dos vergalhões antes do embutimento tem influência considerável. Em algumas normas, exige-se que ferrugem solta, "descamada", seja removida do aço de vergalhão antes do uso e que manuseio bruto normal geralmente remove ferrugem prejudicial. Por outro lado, algumas outras normas são menos restritivas com relação à ferrugem prévia dos vergalhões, pois o uso de vergalhão pré-ferruginoso é permitido desde que os requisitos de altura de deformação, dimensões e peso de barra escovada sejam atendidos.

Além disso, relatou-se que ferrugem normal realmente aumenta a aderência. Também foi constatado que para concreto de 14 dias, o uso de tela de arame soldado pré-ferruginosa resultou em menor escorregamento de aderência em comparação a arame limpo. No entanto, os efeitos de longo prazo do uso de vergalhões pré-ferruginosos não são bem definidos. Isso é especialmente crítico para estruturas expostas. De fato, sugeriu-se que ferrugem prévia de cabos de pré-esforço pode causar corrosão séria após encamisamento em argamassa de concreto. A mesma preocupação pode ser expressa para barras de armadura pré-ferruginosas em elementos estruturais expostos.

Tamanho da Barra e Arranjo do Aço

Existem relativamente poucos estudos de corrosão que incluíram variáveis relacionadas a tamanho de barra e arranjo do aço. Em um estudo, determinou-se que uma grade soldada de vergalhões não é mais suscetível à corrosão que vergalhões individualmente isolados. Em outro estudo, observou-se que existe relação entre espaçamento de barras e trincamento induzido por corrosão. Neste estudo, vergalhões espaçados a 300 mm geralmente desenvolveram descascamento tipo vala, enquanto aqueles vergalhões espaçados a 150 mm tenderam a desenvolver planos enfraquecidos.

Medidas Preventivas

Para reduzir e prevenir a corrosão de barras de armadura de aço no concreto, vários métodos são empregados. Alguns estão relacionados à fabricação do concreto, enquanto outros estão relacionados à qualidade, composição e revestimento do aço usado na fabricação das barras de armadura. A escolha é normalmente feita baseada no custo. Revestimentos empregados nos vergalhões são: (i) galvanização a quente; (ii) revestimento epóxi por fusão; e (iii) revestimento de aço inoxidável. Barras de armadura de aços inoxidáveis também estão sendo usadas. Revestimentos sofrem da desvantagem de que revestimentos podem ser fisicamente danificados ou eletroquimicamente penetrados, de modo que o aço base fica novamente vulnerável ao processo usual de corrosão. Barras de aço de composição especial para resistir à corrosão também foram tentadas. Várias usinas siderúrgicas experimentaram várias composições de aços de intemperismo. No entanto, após testes extensivos, constatou-se que há desempenho consistentemente ruim de aços de intemperismo quando enterrados. Portanto, a produção de barras de armadura de aço foi abandonada pela maioria dos produtores.