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Techne 2013 195_monitoramento da corrosão sensor umidade taxa e fibra

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O monitoramento das estruturas de concreto possibilita que o risco de corrosão seja estimado ao longo dos anos de sua utilização. Com o conhecimento desse risco, intervenções de prevenção da corrosão ou de controle da corrosão já estabelecida podem ser programadas e realizadas em períodos adequados. Na prática, o risco de corrosão é avaliado por meio da verificação periódica do estado da armadura e das alterações nas propriedades do concreto. Isso pode ser feito por meio do embutimento no concreto de cobrimento de sensores de aquisição contínua de dados. Há diferentes tipos de sensores de aquisição contínua de dados. Um dos mais conhecidos é o sensor galvânico que consta de um conjunto de barras de aço-carbono, eletricamente isoladas. Com o embutimento do sensor, essas barras ficam posicionadas em diferentes e conhecidas profundidades do concreto de cobrimento da armadura. O risco de corrosão da armadura é monitorado com a periódica medição da corrente galvânica em cada uma das barras do sensor. Essa medição, dentre outras informações do sensor galvânico foram abordadas em artigo anterior. Além do sensor galvânico, destacam-se o sensor de umidade e o de taxa de corrosão, que monitoram parâmetros importantes relacionados ao estabelecimento e evolução de processo corrosivo das armaduras. A seguir esses sensores são apresentados, bem como o sensor de fibra óptica, o qual apresenta algumas vantagens em relação aos demais mencionados, embora ainda seja de uso restrito.


Abstract
The monitoring of the concrete structures allows estimating the corrosion risk over years of use. With the knowledge of this risk, interventions to prevent corrosion or to control the ongoing corrosion may be planned and carried out at appropriate times. In practice, the risk of corrosion is evaluated by checking periodically the rebar status and changes in the properties of concrete. This can be done by embedding sensors for continuous data acquisition in the concrete. There are different types of sensors for continuous data acquisition. The most well-known sensor is the galvanic sensor which consists of a set of electrically isolated carbon steel bars . With the sensor embedded in concrete, these bars remain positioned at different known depths. The risk of reinforcement corrosion is monitored by periodic measurement of the galvanic current in each pair of bars of the sensor. These measurements, among other information about galvanic sensor measurement, were discussed in a previous article. Besides the galvanic sensor, the humidity sensor and the corrosion rate sensor are important, both monitoring parameters related to the establishment and evolution of the reinforcement corrosion process. In this paper, these sensors are presented as well as the optical fiber sensor which has some advantages over the others mentioned, although its use is restricted.

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  1. 1. 62 Téchne 195 | JUNHO de 2013 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 Monitoramento da corrosão em estruturas de concreto: sensor de umidade, de taxa de corrosão e de fibra óptica Adriana de Araujo Pesquisadora do Laboratório de Corrosão e Proteção do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) aaraujo@ipt.br Zehbour Panossian Diretora de inovação do IPT zep@ipt.br Pedro D. Portella Diretor da divisão do departamento de engenharia de materiais do Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) pedro.portella@bam.de Ralph Bässler Pesquisador do BAM ralph.baessler@bam.de Omonitoramento das estruturas de concreto armado possibilita que o risco de corrosão seja estimado ao longo dos anos de sua utilização. Com o conhecimento desse risco, interven- ções de prevenção da corrosão ou de controle da corrosão já estabelecida podem ser programadas e realizadas em períodos adequados. Naprática,oriscodecorrosãoéava- liado por meio da verificação periódica do estado da armadura e das alterações naspropriedadesdoconcreto.Issopode ser feito por meio do embutimento, no concreto de cobrimento, de sensores de aquisição contínua de dados. Há diferentes tipos de sensores de aquisição contínua de dados. Um dos mais conhecidos é o sensor galvânico, composto por um conjunto de barras deaço-carbono,eletricamenteisoladas. Com o embutimento do sensor, essas barras ficam posicionadas em diferen- teseconhecidasprofundidadesdocon- creto de cobrimento da armadura. O risco de corrosão da armadura é moni- torado com a periódica medição da corrente galvânica em cada uma das barras do sensor. Essa medição, dentre outras informações do sensor galvâni- co, foram abordadas em artigo de Araujo et al.(2013). Além do sensor galvânico, desta- cam-se o sensor de umidade e o de taxa de corrosão, que monitoram parâme- trosimportantesqueestãorelacionados ao estabelecimento e evolução de pro- cessocorrosivodasarmaduras.Aseguir, esses sensores são apresentados, bem como o sensor de fibra óptica.Este últi- mo apresenta vantagens em relação aos demais mencionados, embora ainda seja de uso restrito. Isso é devido à ne- cessidadedemaisestudosparaoseuuso efetivo em campo no monitoramento do risco de corrosão. Sensor de umidade O início da corrosão da armadura é influenciado significativamente pela umidade do concreto, que pode retar- dar o ingresso de dióxido de carbono, mas é pré-requisito para a penetração de íons cloreto (Nilsson,1997).O avan- ço da frente de carbonatação é maior em concretos com umidade em torno de50%e,apenetraçãodeíonscloretoé maior,basicamente,quanto maior a ex- posição do concreto à água salina. A umidade também influencia a taxa de corrosão da armadura, sendo esta insignificante na condição de umi- dade muito baixa ou muito alta, e bas- tante significativa em valores médios de umidade (Nilsson, 1997). Em períodos longos de monitoramento da umidade, obtêm-se informações importantes dos valores máximos da taxa de corrosão em relação ao tempo decorrido (Rau- pach;Gulikers;Reichling,2013). A figura 1 apresenta um sensor de umidade, denominado de sensor de múltiplos anéis (multiring electrode). Pela figura, pode-se observar que esse sensoréconstituídodeanéissobrepos- tos de aço inoxidável, tendo-se, entre eles, outros anéis de material isolante elétrico e de vedação. Segundo estudos de Bässler et al.(2003),esse sensor mo- nitora as variações de umidade, possi- bilitando a obtenção do perfil de umi- dade do concreto. Isso pode ser feito atéemtornode45 mmdeprofundida- de do concreto de cobrimento (Sen- sortec,2010a). Com o conhecimento do perfil de artigo.indd 62 29/05/2013 15:36:19
  2. 2. 63 Acervodosautores umidade,pode-se avaliar a eficiência de sistema de proteção superficial do con- cretocontraoingressodaágua,alémdo risco de corrosão das armaduras. Desse modo,o sensor é usado em construções novas ou existentes, incluindo aquelas emrecuperação(Mayer;Sodeikat,2012; Schiessl; Raupach, 1996; Vennesland; Raupach;Andrade,2007). O perfil de umidade é obtido a par- tir da determinação da resistência ôh- mica entre pares de anéis metálicos ad- jacentesdosensor.Paraisso,convertem- -se os valores da resistência de cada par em resistividade elétrica usando a cons- tante da célula. Por meio de curvas de calibração, é possível a conversão dos valoresderesistividadeelétricaemumi- dade.Conhecendo as profundidades de embutimento dos anéis, obtém-se o perfildeumidade.Comoatemperatura do concreto afeta a resistência medida, determina-se também a temperatura para a sua compensação. Para tanto, há um eletrodo de temperatura embutido nocorpodosensor(Raupach;Gulikers; Reichling,2013;Sensortec,2010a). Vale ressaltar que os cálculos descri- tosparaaobtençãodaresistividadeeda umidadedoconcretoapartirdasmedi- dasderesistêncianãosãoprecisos.Com isso,osvaloresdeumidadeobtidospelo sensor de múltiplos anéis devem ser analisados somente em função de suas variações ao longo do tempo, as quais refletem alterações de propriedades do concreto (Vennesland; Raupach; An- drade,2007). Sensor de taxa de corrosão instantânea Ataxadecorrosãoinstantâneaéum parâmetroimportanteasermonitorado nas estruturas de concreto expostas a umambienteagressivoequeapresentam sua armadura despassivada. Quanto maior é a agressividade do ambiente, maiordeveseraintensidadedacorrosão dessa armadura e, consequentemente, mais rapidamente o concreto de seu cobrimento se deteriorará, principalmente por fissuração seguida dedesplacamento.Nota-sequeotempo estimado para que essa fissuração ocor- raébemmenordoqueotempoestima- do para a despassivação da armadura (Thoft-Christensen,2000). Usualmente, a taxa instantânea de corrosão é estimada pela aplicação da técnicadepolarizaçãolinear.Essatécni- ca é baseada no fato de que a curva de polarização de sistemas metal/meio apresentaumtrecholinearnaregiãodo potencial de circuito aberto (baixas so- bretensões). Nesse trecho, é determina- daaresistênciadepolarização(Rp),que temrelaçãocomataxadecorrosãocon- forme a equação de Stern-Geary (An- drade et al.,2004),a saber: Sendo: icorr = taxa de corrosão ou densidade de corrente de corrosão,em mA/cm2 B = constante empírica, obtida a partir daconstanteanódica(ba)ecatódica(bc) de Tafel,em mV Rp = coeficiente angular obtido em tre- cho reto da curva potencial em função da corrente,em kΩ.cm2 Na prática, muitos autores adotam ovalordeBcomo26mVparamedições emcampo.Nocasodousodaarmadura como eletrodo de trabalho,é feito o iso- lamento de um trecho próximo ao sen- sor ou a introdução de uma barra junto à armadura. Em ambos os casos, deve- -se conhecer a área exposta do eletrodo de trabalho (McCarter; Vennesland, 2004;Martínez;Andrade,2009). Além da avaliação da variação da taxa de corrosão instantânea ao longo do tempo, os valores absolutos obtidos podem ser analisados em relação a cri- térios estabelecidos por pesquisadores, como Andrade et al. (2004). Segundo Raupach, Gulikers e Reichling (2013), essa avaliação deve considerar o agente agressivo causador da corrosão, sendo que o ingresso do dióxido de carbono (carbonatação) causa corrosão genera- lizada das armaduras, enquanto o in- gresso de íons cloreto causa corrosão localizada das armaduras (formação de pites). Nesse último caso, a área dos pites(regiãocomcorrosão)édesconhe- cida, sendo este dado necessário para estimar a taxa de corrosão pela técnica de resistência de polarização. Atécnicadepolarizaçãolinearpode serusadacomtrêsoudoiseletrodos.No primeiro caso, além do eletrodo de tra- balho, é usado um eletrodo de referên- cia e um contraeletrodo. No segundo caso,umdoseletrodoséodetrabalho,e o outro funciona simultaneamente comocontraeletrodoeeletrododerefe- rência (Nace 05107, 2007). Cita-se que, nessa técnica,o uso de eletrodo de refe- rência padrão (apresenta potencial co- nhecido em relação ao eletrodo de hi- drogênio, sendo o valor reprodutível e estávelaolongodotempo)oupseudoe- letrodo de referência (não mantém po- tencialestável,massuavariaçãoéprevi- sívelemcondiçõesconhecidas)éindife- rente, pois a curva de polarização é re- sultantedasobretensão(diferençaentre o potencial aplicado e o potencial de circuito aberto) em função da corrente. Alguns sensores galvânicos (Araujo et al.,2013) podem monitorar a taxa de corrosão instantânea das barras do ânodo e/ou da armadura (eletrodos de trabalho). No sensor galvânico escada (Sensortec, 2010b) e no sensor galvâni- co 900 (Rohrback Cosasco Systems, 2013a), podem-se usar três ou dois ele- trodos.No caso de três eletrodos,usa-se uma barra do ânodo do sensor como eletrodo de trabalho, uma barra adja- cente a essa como contraeletrodo e o cátodo do sensor como pseudoeletrodo dereferência.Nocasodedois eletrodos, usa-se um par de barras adjacentes do ânodo do sensor, um como eletrodo de trabalho e outro como contraeletrodo e pseudoeletrodo de referência. Nota-se que nesse último caso não é relevante o estado(passivoouativodecorrosão)da Anéis de aço inoxidável Anéis de vedação e isolamento elétrico Figura 1 – Sensor de múltiplos anéis (multiring electrode). Fonte: Sensortec icorr = 1 ba .bc = B Rp 2,303 (ba + bc) Rp artigo.indd 63 29/05/2013 15:36:20
  3. 3. 64 Téchne 195 | JUNHO de 2013 a r t i go barrausadacomocontraeletrodo/pseu- doeletrodo de referência. Há sensores específicos para mo- nitorarataxadecorrosãodasarmadu- ras, em destaque o sensor 800 (Corra- ter Probe, Model 800) da empresa ­Rohrback Cosasco Systems e o sensor ECI-1 (Embedded Corrosion Instru- ment, Model ECI-1) da empresa Vir- ginia Technologies. No sensor 800, a determinação do Rp é feita somente com o uso de dois eletrodos(duasbarrasdeaço-carbono). Esse sensor é fixado junto à armadura, como mostra a figura 2. O monitora- mentodataxadecorrosãopodeserfeito com equipamento de medição manual (Corrater Model AquaMate) ou com um sistema de transmissão remota (Corrdata). Ambos podem ser usados paradeterminaratemperaturaearesis- tividadeelétricadoconcreto(Rohrback Cosasco Systems,2013b). NosensorECI-1,adeterminaçãode Rp é feita com o uso de três eletrodos, sendo usada, como contraeletrodo, uma barra de aço inoxidável e, como eletrodo de referência, um eletrodo de manganês/óxido de manganês – Mn/ MnO2 –, o que permite também o mo- nitoramento do potencial de circuito aberto do eletrodo de trabalho do sen- sor.Esse sensor é mostrado na figura 3. O sensor ECI-1 também é provi- do de eletrodo seletivo de Ag/AgCl e sensor de temperatura, adequados para a determinação da concentração de íons cloreto no concreto e, ainda, provido de quatro barras de aço ino- xidável para a determinação da resis- tividade elétrica do concreto.A deter- minação da concentração de íons cloreto é feita pelo monitoramento da temperatura e da variação do po- tencial de eletrodo Ag/AgCl, que é de- pendente do teor de íons cloreto na águadeporodoconcretoemrelaçãoao eletrodo de referência de Mn/MnO2. Quanto à resistividade elétrica, esta é determinada pela técnica de quatro pinos (Virginia Technologies, 2013; Dunn; Davis; Ross,2010). Sensor de fibra óptica Li et al. (2000) citam que tanto o monitoramento do risco da corrosão como a avaliação da estabilidade das es- truturas exigem o desenvolvimento de novos sensores que atendam a uma va- riedade de situações. Segundo os auto- res, os sensores de fibra óptica são uma ferramenta promissora para atender a essa demanda, apresentando vantagens emrelaçãoaossensoresconvencionais. Isso porque a implantação de siste- mas de monitoramento com uso de sensores de fibra óptica é considerada mais simples e versátil,tendo-se grande confiabilidade nos resultados e, ainda, versatilidade de configuração do sen- sor.Taisvantagensestãorelacionadasàs características das fibras ópticas, como, por exemplo, pequena dimensão, flexi- bilidade, resistência à corrosão, imuni- dadearuídoseletromagnéticosetrans- porte de feixes luminosos por longas distâncias com perdas desprezíveis (Li etal.,2000;Zheng;Sun;Lei,2009;Furh; Huston,1998). Devido a tais características, nas últimasdécadastem-seintensificadoo estudo de sensores de fibra óptica para avaliação do risco de corrosão nas es- truturas de concreto. Esses estudos e aplicações pontuais em campo indi- cam a eficiência desse tipo de sensor no monitoramento, por exemplo, do pH do concreto (Dantan; Habel; Wol- fbeis, 2005; Grahn, 2002; Srinivasan et al., 2000), da umidade do concreto (Grahn, 2002), da concentração de íons cloreto (Furh; Huston, 2000; Leung; Wan; Chen, 2008), e, também, da corrosão das armaduras. No caso específico da corrosão das armaduras, o uso de sensores ópticos complementaria as técnicas eletroquí- micas. Essas técnicas, segundo Wheat e Liu (2009), poderiam inclusive ser substituídas pelo uso dos sensores de fibra óptica, particularmente na avalia- ção de componentes críticos da estru- tura ou em situações em que as medi- ções eletroquímicas são impraticáveis. Zheng,SuneLei(2009)desenvolve- ram um sensor de fibra óptica que mo- nitora a corrosão.Em ensaio com barra de aço-carbono embutida em concreto exposto à solução salina,foi verificada a deformaçãodosensoremconsequência doacúmulodeprodutosdecorrosãoda barra. Isso foi observado pelo monito- ramentodareflexãodefeixesluminosos emitidos pela extremidade da fibra, em contato com a superfície da barra.Com oaumentodoacúmulodosprodutosde corrosão na superfície da barra (corro- são severa), a deformação excessiva da extremidadedafibraresultounainutili- zação do sensor. Três sensores de fibra óptica com a mesma finalidade foram desenvolvi- dosporZhaoetal.(2011).Essessenso- res apresentavam uma fibra óptica enrolada em barra de aço-carbono polido. Os autores correlacionaram o estiramentodafibra,emconsequência do aumento do volume da barra (acú- mulo de produtos de corrosão), com a intensidade da corrosão. Fuhr e Hustonn (1998) fazem con- sideraçõessobreousodesensoresópti- cos no monitoramento da corrosão em estruturas de concreto (pontes e viadu- tos). Esses autores citam a aplicação de um programa de computador específi- co para monitorar a evolução da corro- Figura 2 – Sensor 800 (Corrater Probe, Model 800) posicionado sobre a armadura. Fonte: Rohrback Cosasco Systems Figura 3 – Sensor ECI-1 (Embedded Corrosion Instrument, Model ECI-1) posicionado sobre a armadura. Fonte: California Department ofTransportation Fotos:divulgaçãodosautores artigo.indd 64 29/05/2013 15:36:22
  4. 4. 65 são de armaduras ao longo do tempo. Além disso, é referenciado o acopla- mento de um alarme sonoro ao sensor para alertar quando um nível predeter- minado de corrosão é atingido. Conclusão Na Europa, os sensores de embu- timento no concreto são amplamente usados em sistemas de monitora- mento do estado da armadura e das alterações nas características do con- creto, tanto em estruturas novas como em estruturas existentes. O mesmo não ocorre no Brasil, sendo esses sensores muito pouco conheci- dos e utilizados no monitoramento de estruturas.Esse fato está relaciona- do com a restrição de tecnologia na- cional e de pessoal qualificado. Isso abre um novo campo de investigação muito promissor. Devido às particularidades de cada estrutura de concreto e dos diferentes ambientes de exposição,a implantação de sistemas de monitoramento com uso de sensores embutidos no concre- to de cobrimento não é uma tarefa fácil. Isso também é válido para a aná- lise dos dados obtidos pelos sensores, que requer profissionais especializados em corrosão. Acredita-se que, em um futuro próximo, estará disponível no mer- cado uma ampla gama de sensores de maior eficiência e durabilidade e de melhor relação custo–benefício. Isso deve refletir positivamente no mercado nacional, incentivando tanto a pesquisa como o uso de sen- sores em muitas construções, espe- cialmente naquelas expostas à eleva- da agressividade ambiental, recupe- radas ou com restrição de manuten- ções periódicas. Agradecimento Till Felix Mayer (Sensortec), Elias Chirico (Rohrback Cosasco Systems) e Bob Ross (Virginia Technologies), pelas informações e fotografia dos sensores, e Ana Lúcia A. de Souza, pela recuperação de artigos. Multiring Electrodes. Sensortec. 2010a. Report on Corrosion Probes in Soil or Concrete. Nace International –The Corrosion Society. 2007. Sensor Systems for Use in Reinforced Concrete Structures. McCarter, W.J.;Vennesland, O. 2004. Service Life Management of Infrastructure Systems – Application of Corrosion and Moisture Monitoring. Mayer,T.F.; Sodeikat, CH. 2012. Stochastic Modelling of the Crack InitiationTime for Reinforced Concrete Structures.Thoft- Christensen, P. 2000. Test Methods for On-Site Corrosion Rate Measurement of Steel Reinforcement in Concrete by Means of the Polarization Resistance Method. Andrade, C et al. 2004. The Use of Fiber Optic Sensors in the Detection of Corrosion in Reinforced Concrete. Wheat, H.G.; Liu, G. 2009. Use of Embeddable Sensors in an Integrated Monitoring System for Reinforced Concrete Structures. Bässler, R. et al. 2003. *Confira a versão completa da bibliografia na versão on-line deste artigo. LEIA MAIS 800 LPR Corrosion Rate Monitoring in Concrete with Corrater Probe. Rohrback Cosasco Systems. 2013b. 900 Concrete Multi-Depth Sensor. Rohrback Cosasco Systems.  2013a. A Novel Optical Fiber for Steel Corrosion in Concrete Structure. Leung et al. 2008. Anode Ladder. Sensortec. 2010b. Assessing Moisture Conditions in Marine Concrete Structures. Nilsson, L-O. 1997. Brillouin Corrosion Expansion Sensors for Steel Reinforced Concrete Structures Using a Fiber Optic Coil Winding Method. Zhao, X. et al. 2011. Condition Survey with Embedded Sensors Regarding Reinforcement Corrosion. Raupach et al. 2013. Corrosion Detection in Reinforced Concrete Roadway and Bridges via Embedded Fiber Optic Sensors. Fuhr, P.L. 1998. Corrosion Monitoring for Underground and Submerged Concrete Structures – Examples and Interpretation Issues. Polder et al. 2008. ElectrochemicalTechniques for Measuring Corrosion in Concrete – Measurements with Embedded Probes. Vennesland et al. 2007. Embedded Corrosion Instrument – ECI.VirginiaTechnologies. 2013. Embedded Micro-Sensor for Monitoring pH in Concrete Structures. Srinivasan, R. et al. 2000. Examples of Reinforcement Corrosion Monitoring by Embedded Sensors in Concrete Structures. Martínez, I.;Andrade, C. 2009. Fiber Optic ChlorideThreshold Detectors for Concrete Structures. Fuhr, P.L.; Huston, D., R. 2000. Fiber Optic pH Sensor for Early Detection of Danger of Corrosion in Steel-Reinforced Concrete Structures. Dantan, N.; Habel, W.; Wolfbeis, O. S. 2005. Fiberoptical Sensors for In-Situ Monitoring of Moisture and pH=Value in Reinforced Concrete. Grahn, W. 2002. Instrumentation of Structures with Sensors – Why and How? Schiessl, P.; Raupach, M. 1996. Monitoramento de Corrosão em Estruturas de Concreto: Sensor Galvânico. Araujo et al. 2013. Monitoring Corrosion of Reinforcement in Concrete Structures via Fiber Bragg Grating Sensors. Zheng et al. 2009. Monitoring the Corrosion of Steel in Reinforced Concrete Using Optical Waveguide Methods. Li et al. 2000. artigo.indd 65 29/05/2013 15:36:22

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