Techne 2010 164_proteçao catodica das estruturas em ambiente marinho

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Protection techniques against corrosion for concrete structures are required when there is concern about the possibility of corrosion of steel reinforcement. Among the techniques available as corrosion protection techniques, cathodic protection is outstanding for both preventing premature corrosion as well as reducing an ongoing corrosion process. Abroad, the cathodic protection technique has been applied to several types of concrete structures, especially those subject to corrosion attack by chloride ions. In Brazil, this technique is hardly used regarding concrete structures which is partially due to the lack of knowledge of cathodic protection techniques and the lack of commercially available systems for application for concrete structures (reinforced or pre-stressed). The objective of this paper is to present the principle of cathodic protection both for new concrete structures as well as for those in the process of steel reinforcement corrosion. Cathodic protection methods with impressed current and with sacrificial anodes are discussed. A case study with the use of impressed current cathodic protection is also presented.

A adoção de técnicas de proteção às estruturas do concreto é recomendada quando há preocupação com a corrosão das armaduras de aço-carbono. Dentre as principais técnicas, destaque-se a proteção catódica que pode tanto evitar a corrosão prematura como diminuir um processo corrosivo em curso. No exterior, a técnica de proteção catódica tem sido aplicada em vários tipos de estruturas de concreto, especialmente nas sujeitas à corrosão pelo ataque de íons cloreto. No Brasil, essa técnica é pouco usada em estruturas de concreto, o que decorre, em parte, do desconhecimento sobre o seu princípio de funcionamento e da ausência de sistemas disponíveis para aplicação ao concreto (armado ou protendido). O objetivo deste trabalho é apresentar o princípio da proteção catódica para estruturas com armaduras de aço-carbono novas ou já em processo de corrosão. Os métodos de proteção catódica por corrente impressa e por anodo de sacrifício são discutidos. Um caso prático com uso de proteção catódica por corrente impressa, também, é apresentado.

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Techne 2010 164_proteçao catodica das estruturas em ambiente marinho

  1. 1. 70 Téchne 164 | novembro de 2010 artigo Envie artigo para: techne@pini.com.br. O texto não deve ultrapassar o limite de 15 mil caracteres (com espaço). Fotos devem ser encaminhadas separadamente em JPG Aproteção catódica tem como objeti- vo o controle da corrosão de metais ou da prevenção de sua ocorrência pre- matura. Em estruturas metálicas ou de concreto a proteção catódica é conside- radaaúnicatécnicaquepodegarantire/ ou estender a sua vida útil. Embora seja adequada para estruturas de concreto expostas a condições ambientais adver- sas, a técnica vem sendo especialmente aplicada em estruturas atmosféricas ex- postasaoataquedeíonscloreto. O ataque por íons cloreto e a corrosão do aço carbono O ataque por íons cloretos é consi- derado uma das causas principais da corrosão das armaduras; no Brasil a sua ocorrência está relacionada, essen- cialmente, à exposição das estruturas ao ambiente marinho, enquanto no exterior, tem-se, ainda, a exposição ao sal de degelo. A característica do ambiente mari- nho é a exposição das estruturas à névoasalinapresentenasuaatmosfera. Adicionalmente, tem-se a exposição à variação de maré, as ondas do mar e seus respingos, o que ocorre em estru- turasoffshore(nomar),comopontese píeres.ANBR6118(ABNT,2003)clas- sifica o ambiente marinho como de forte agressividade,sendo que,na con- dição de exposição aos respingos, a agressividade passa a ser muito forte, o que representa um risco elevado de de- terioração das estruturas. Embora os íons cloreto não alterem significativamente o pH da água de poros, estes interagem com o filme pas- sivantedoaço,danificando-olocalmen- teeexpondooaçoaomeio(Nace01102, Proteção catódica de estruturas de concreto em ambiente marinho Adriana de Araújo Mestre, Laboratório de Corrosão e Proteção do IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas) aaraujo@ipt.br Zehbour Panossian Doutora, Laboratório de Corrosão e Proteção do IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas) zep@ipt.br 2003).Emconsequência,háaformação, ou seja,nucleação,de pequenas crateras (pites) no aço, as quais caracterizam o início de sua corrosão. Esses pites au- mentam em número e tamanho e aca- bamgeneralizandoacorrosão. Na prática,o trecho mais externo da armaduraéoprimeiroasofrercorrosão. Nesse caso, estabelece-se uma macrocé- luladecorrosão.Issopodeserobservado na figura 1, que apresenta as principais reações, considerando o aço carbono embutido em concreto com pH elevado (meio alcalino), que é a condição mais provável quando do ataque por cloretos emestruturasmarinhas. A proteção das estruturas de concreto no Brasil No Brasil, não é usual a aplicação da técnica de proteção catódica em ambiente agressivo, no entanto, tem- se como grande obra de referência o Cristo Redentor, na cidade do Rio de Janeiro.Normalmente,no País,é usual a adoção em obras novas de critérios rígidos de projeto (como maior espes- sura de cobrimento e um concreto de melhor qualidade) e,no caso de estru- turas deterioradas, técnicas tradicio- nais de recuperação. No entanto, tais práticas nem sempre são a garantia da vida útil requerida, sendo questioná- vel a sua eficiência em ambientes de severa agressividade, comum em am- biente marinho. Nesse ambiente e outros em que há preocupação constante com a corro- são, a estratégia mais adequada seria adotar, além dos critérios descritos, técnicas adicionais de proteção contra a corrosão, como a proteção catódica. EssavisãovaiaoencontrodaNBR6118 (ABNT, 2003) que recomenda a ado- ção de medidas de proteção e de con- servação das estruturas em condições adversas de exposição. A técnica de proteção catódica O princípio da técnica é a redução do potencial da interface aço/concreto para valores mais negativos do que seu potencial natural de corrosão (Ecorr). Isso é feito pela imposição de uma cor- rente contínua que pode ser fornecida por uma fonte externa de alimentação (proteção por corrente impressa), ou por um metal de potencial mais negati- vo (proteção por ânodo de sacrifício). Classicamente, a proteção catódica leva o potencial do aço ao domínio de sua imunidade. Em estruturas de con- creto, este conceito pode ser aplicado somente para aquelas em condição submersa. Em estruturas atmosféricas, o conceito é diferenciado, sendo este bastante dependente do estado da ar- madura (estado ativo ou estado passi- vo). Para entender tal fato considere o diagrama de Pourbaix,figura 2. Para o pH usual de um concreto ín- tegro (em torno de 13), o aço mantém- artigo_catodica.indd 70 4/11/2010 14:55:43
  2. 2. 71 se no estado passivo, o que é devido à comentadapresençadofilmepassivante que é composto de Fe3O4 e/ou Fe2O3 (identificadosnafigura2).Noentanto,o estado de imunidade do aço à corrosão sóégarantidoquandoopotencialdain- terface aço/concreto é levado a valores abaixo do seu potencial de equilíbrio (pontoverdenafigura2).Talestadoestá abaixo do equilíbrio do hidrogênio (pontovermelhoinferiornafigura2). Nessa condição (potencial em torno de -0,9 VEH, na figura 2), há o fa- vorecimentodareduçãodohidrogênio (2H+ + 2e- → H2),além da do oxigênio (O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- ) que ocorre em potenciais característicos do aço carbono embutido no concreto (Ecorr na figura 2).Essas reações determinam a evolução do gás hidrogênio e a gera- ção de íons hidroxila que aumentam a alcalinidade do concreto. Ao longo do tempo da aplicação de potenciais muito negativos, há um ex- pressivo aumento da comentada alcali- nidade,oquepoderesultarnadegrada- ção do concreto, caso este contenha agregados reativos. Além disso, é espe- rado um aumento do avanço da evolu- ção do gás hidrogênio, o que pode pre- judicar a aderência aço/concreto e cau- sar trincamento dos aços de alta resis- tência usados em concreto protendido. Não sendo ideal a aplicação de po- tenciais muito negativos,o conceito que se aplica em estruturas atmosféricas,di- fere-sedatécnicaproteçãocatódicaclás- sica. O conceito que se aplica pode ser entendidopormeiodacompreensãodo mecanismo da ocorrência da comenta- da corrosão por pite. Isto porque, na proteção catódica, o controle da corro- são é feito pela repassivação do pite ou peladiminuiçãodasuaevolução. Cita-se que a corrosão por pite ocorre em potenciais característicos, denominadosdepotenciaisdepite(Ep), enquanto a repassivação do pite ocorre Cátodo O2 + 2H2O + 4e- 4OH- OH- OH- OH- Cl- Cl- Cl- H+ H+ Ânodo 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 8H++ 8e- 2Fe3O4 + H2O 3Fe2O3 + 2H++ 2e- e- e- e- e- Barra mais interna Barra mais externa O2 O2 O2 + 2H2O + 4e- 4OH- Ecorr Potencial(mVeletrododehidrogênio) Fe3O4+ 8H++ 8e- 3Fe2 + 4H2O HFeO2 - 1.600 1.200 800 400 0 -400 -800 -1.200 -1.600 0 2 4 6 8 pH 10 12 14 2H + 2e H2 a b Fe2+ Fe2+ 2e- Fe Fe3O4 Fe2O3 Fe Domínio da imunidade Zona D – Risco de perda de aderência concreto/armadura Eprot Ep Zona A – Pites podem começar a se propagar Zona C – Pites não podem se iniciar nem propagar Zona D – Risco de danificação por hidrogênio Zona B – Pites não podem se iniciar, mas os pites já existentes podem se propagar 141 -59 -259 -459 -659 -859 -1059 -1259 0 0,5 1,0 1,5 2,0 Potencial(mVEcsc) Teor de cloretos (% massa de cimento) por aplicação de potenciais mais nega- tivos,denominados de proteção de pite (Eprot). Ambos são dependentes de vá- rios fatores,como o teor de cloretos e o pHdoconcretonaregiãodaarmadura. Quanto maior o teor de cloretos, ou quantomenoropH,maisnegativossão os valores dos potenciais Ep e Eprot. A influência do teor de cloretos em concreto com pH elevado pode ser ob- servada na figura 3 elaborada por Pe- deferri (1996).Nessa,são apresentados limites(divisãoemzonas)quesãouma referência de valores de potencial de Figura 1 – Representação da corrosão no concreto por ataque de íons cloreto Figura 2 – Diagrama de Pourbaix para o equilíbrio potencial/pH do aço carbono em água (25o C, 1Atm) Figura 3 – Potencial de pite e de proteção em função do teor de cloreto no concreto alcalino
  3. 3. 72 Téchne 164 | novembro de 2010 a r t i go proteção a serem aplicados, sem ocor- rer danos à estrutura. Com base nessa figura pode-se concluir que: n estruturas novas ou contaminadas por cloretos, mas sem corrosão: o con- cretoestáalcalinoeaarmadurapassiva, sem pites.Nessas condições,a proteção catódica tem por objetivo manter o po- tencial abaixo do potencial Ep (zona B da figura 3). Desse modo, quando a contaminação do cloreto atingir níveis críticos, o metal permanecerá passivo semnucleaçãodepites.Oobjetivoneste caso é de prevenção da corrosão; n estrutura com corrosão induzida por cloretos: o concreto está alcalino e a armadura despassivada, com pites. Nessas condições, a proteção tem por objetivo abaixar o potencial para valo- res inferiores ao do potencial Eprot. Assim,os pites formados serão repassi- vadosenãohaveráformaçãodeoutros. Em concreto protendido, a armadura deve ser mantida na zona C da figura 3. Em concreto armado,o potencial pode ser mantido nas zonas C e D.Para a di- minuiçãodataxadecorrosão,aplicam- se valores para manter a armadura na parte inferior da zona B. Na prática, não é necessário o co- nhecimentodeEp eEprot paraaaplicação de proteção catódica. Existem critérios empíricos largamente aceitos, dentre os quais cita-se o critério de aplicação de uma corrente de proteção suficiente para abaixar o potencial real natural da interface aço/concreto em 100 mV. Esse valor é válido para estruturas atmosféri- casemqueháindíciosdecorrosão. Afigura4elaboradaporRaupache Bruns (2002) ilustra a aplicação desse critério, que consiste da aplicação de uma corrente de proteção em que a ar- madura assume um valor de potencial mais negativo, denominado Potencial on. Com a posterior desativação desta corrente, temporária, há uma queda brusca do potencial (IR) que é atribuí- do à interferência da resistência do meio (queda ôhmica) no potencial. O valor do potencial após essa queda é denominado Potencial off. Em segui- da, o potencial tende a assumir, assin- tomaticamente, um valor constante, denominado Potencial de Corrosão Natural Final. A diferença entre este valor e o Potencial off deve ser maior que 100 mV. Caso isso não ocorra, maiores valores de corrente devem ser impostos até a sua obtenção. Técnica de proteção catódica por corrente impressa Na técnica de proteção catódica por corrente impressa, a corrente de proteção é fornecida por imposição de tensõeselétricasgeradasporumafonte externa de alimentação. Para tanto, normalmente, é usado um retificador, sendo o seu polo positivo conectado a um ânodo e, seu polo negativo, conec- tado à armadura.O ânodo é um mate- rial condutivo que tem a função de distribuir a corrente na estrutura. Segundo a Nace RP0290 (2007), os ânodos mais adequados são: revesti- mento cimentício condutor, pintura condutora, revestimento metalizado e outros materiais condutivos na forma de malhas, fitas de malhas, fios e son- das. Dentre esses, destacam-se a malha e a pintura condutiva como sendo os mais tradicionais no exterior.A malha, normalmente de titânio revestido com óxidos de metais nobres, é fixada na superfície das peças e recoberta com argamassa cimentícia de baixa resisti- vidade elétrica. A pintura condutiva, normalmente uma tinta orgânica per- meável com adição de partículas de carbono, é aplicada diretamente sobre a superfície do concreto. Na figura 5, constam as principais reações que podem ocorrer noânodoe no cátodo (armadura), quando da aplicação da corrente impressa. Se o ânodo não participa das reações (ânodo inerte), como titânio e platina, a única reação que ocorre é a oxidação da água. Se o ânodo participa das rea- ções (ânodo consumível), como o zinco, a única reação que ocorre é a de sua oxidação (Zn + 2H2O → Zn(OH)2 + 2H+ + 2e- ). Quanto ao cátodo, neste ocorre a redução do oxigênio e, caso o aço seja levado ao domínio da imuni- dade, ocorre também a sua redução (Fe3O4 + 8H+ + 8e- → 3Fe + 4H2O) e a do hidrogênio. Potencial (mV) Potencial on CP on CP off 24 h IR Potencial de corrosão natural final Potencial off Tempo Ecorr >100mV Fe2O3 e H+ Fe3O4 e H2O Redução de óxido férrico H+ H2 Evolução de hidrogênio Fonte de alimentação O2 e H2O OH- Redução de oxigênio H2O e H+ Evolução de oxigênio OH+ Cl- CO3 2- SO3 2- Ca2+ Na2+ K+ ZN2+ H+ Zn Zn (OH)2 Zn [Zn (OH)4]2- Oxidação de zinco e-e- i i Ânodo Cátodo Figura 4 – Curva típica de decaimento de potencial após o desligamento da corrente de proteção Figura 5 – Representação esquemática da técnica de proteção por corrente impressa artigo_catodica.indd 72 4/11/2010 14:55:46
  4. 4. 73 LEIA MAIS ACI 222.3R – Design and Construction Practices to Mitigate Corrosion of Reinforcement in Concrete Structures.ACI (American Concrete Institute), 2003. EN 12696 – Cathodic Protection of Steel in Concrete. European Standard, 2000. Nace 01105 – Sacrificial Cathodic Protection of Reinforcing Elements – A state-of-the-art report. Nace (NationalAssociation of Corrosion Engineers), 2005. Nace 01102 – Impressed Current Cathodic Protection of Reinforcing Steel in Atmospherically Exposed Concrete Structures. Nace, 2002. Nace RP0209 – A State-of-the-art Report – Criteria for cathodic protection of prestressed concrete structures. Nace, 2007. NBR 6118 – Projetos de Estruturas de Concreto – Procedimentos. ABNT (Associação Brasileira de NormasTécnicas), 2003. Cathodic Protection and Cathodic Prevention. P. Pedeferri. Construction and Building Materials, v.10, n.5, 1996. Effectiveness of a zinc-hydrogel anode for sacrificial cathodic protection of reinforced concrete structures. M. Raupach; M. Bruns. Ministry of Science andTechnology, 2002 (15th International Corrosion Congress). Técnica de proteção catódica por ânodo de sacrifício (proteção galvânica) Na técnica de proteção catódica por ânodo de sacrifício, a corrente elé- trica é resultado da diferença natural de potencial entre dois metais distin- tos, sendo um deles o aço carbono da armadura (cátodo) e, o outro, um metalmenosnobre(ânodo).Dentreos metais mais adotados como ânodo ci- tam-se zinco, alumínio ou magnésio e ligas metálicas desses metais (ACI 222.3R,2003). Além da diferença de potencial, a técnica exige que o meio apresente uma condutividade elétrica constan- te, para que as reações entre ânodo e catodo sempre ocorram. No concre- to, normalmente tais condições só são verificadas quando este está ex- Concreto original Contato elétrico com armadura Material de reparo Malha de zinco Chapa de fibra posto a uma umidificação periódica. Caso isso não ocorra, a resistividade será variável, podendo, em períodos de sua elevação, haver uma queda da corrente. Isso pode comprometer a proteção da armadura. No Brasil, em estruturas deteriora- das, cita-se o uso de um sistema com- posto de uma pastilha de zinco puro envolvidaporumaargamassaconduti- va. No exterior, além desse sistema, destaca-se o composto por uma malha de zinco fixada a uma placa de vidro.A figura 6 ilustra esse sistema, denomi- nadojaqueta.Esseéusualnarecompo- siçãodeestacas,sendoamalhadezinco (ânodo) conectada a sua armadura. Quando da aplicação do material ci- mentício de reparo, a placa de vidro é utilizada como fôrma de concretagem. Quanto a estruturas novas (arma- duras passivadas), destaca-se como sistema de proteção, a aplicação de uma fina folha de zinco laminado na superfície do concreto, conforme ilustra a figura 7. Em um dos lados da folha há um adesivo hidrofílico que é um promotor de retenção de umida- de no concreto junto a sua interface com o ânodo. Esse adesivo ainda tem a função de ser um sumidouro dos íons de zinco, retardando a precipita- ção de óxidos insolúveis da sua oxida- ção (Zn + 2H2O → Zn(OH)2 + 2H+ + 2e- ), os quais podem aumentar a re- sistividade elétrica do concreto. Se- gundo a publicação Nace 01105 (2005), há muitos casos bem-sucedi- dos de instalações desse sistema, po- dendo ser aplicado em estações de tratamento, torres de resfriamento, além de estruturas marinhas. Outro sistema, tanto para estrutu- ras novas como deterioradas,é a meta- lizaçãodasuperfíciedoconcreto,oque é feito pela aspersão de uma fina cama- da de zinco puro ou de sua liga com alumínio e índio.Conforme a publica- ção Nace 01105 (2005), em alguns casos, também é adotado um promo- tor de retenção de umidade, como o hidrofílico citado. Agradecimento André Guilherme Barrios Vieira (elaboração dos desenhos). Figura 6 – Representação da técnica de proteção galvânica por jaqueta Figura 7 – Representação da técnica de proteção galvânica por revestimento zinco-hidrogel Chapa de zinco Zn2+ 4OH- 4e- 4e- O2 + H2O Contato elétrico Concreto hidrogel (sumidouro de Zn2+ )

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