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Ensaio acelerado de avaliação de anodos galvânicos para reparo de estruturas
de concreto
Adriana de Araujo
Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo - IPT, Laboratório de Corrosão e Proteção,
São Paulo/SP aaraujo@ipt.br
Thales Gomes Rosa
IPT, Laboratório de Corrosão e Proteção
Mauricio S. Martins
Gerdau Aços Brasil
Neusvaldo Lira de Almeida
IPT, Laboratório de Corrosão e Proteção
No Brasil, a tecnologia mais comum no reparo de estruturas com corrosão induzida por íons cloreto
faz uso de argamassa industrializada de cimento Portland modificada com polímero. Uma causa dos
insucessos do reparo é o estabelecimento de processo corrosivo em áreas adjacentes ao reparo que,
anteriormente, estavam protegidas pelo efeito da polarização decorrente da atividade anódica na
área de reparo. Para evitar a corrosão em áreas adjacentes ao reparo, ânodos galvânicos podem ser
incorporados no sistema de reparo. O objetido deste estudo é avaliar dois tipos de anodos galvânicos
comerciais para uso em reparo localizado por meio de ensaio acelerado de corrosão. Nesse ensaio,
foram monitorados os pontencias de proteção e naturais obtidos após quatro horas de decaimento e
o fluxo da corrente estabelcido entre cada anodo galvânico e cinco barras de aço-carbono, ambos em
contato elétrico e imersos em areia saturada (Ca(OH)2) e contaminada com cloreto (NaCl 15 %). O
ensaio possibilitou verificar que os anodos foram eficientes na proteção galvânica das barras de aço-
carbono, sendo atendido o critério de 100 mV de polarização. A corrente média dos sistemas
anodo/barras foi baixa, de 0,074 mA para o ensaio com um dos anodos (A1) e de 0,105 mA para o
outro anodo (A2). A vida útil estimada foi de cerca de 32 anos para o Anodo A1 e 39 anos para o
anodo A2.
Palavras-chave: Concreto; Anodo galvânico; Íons cloretos; Reparo; Reabilitação.
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1 INTRODUÇÃO
A corrosão de armaduras em concreto é uma das principais causas da deterioração prematura das
estruturas de concreto armado, especialmente daquelas expostas à atmosfera marinha [1]. A técnica
tradicional de intervenção corretiva para a reabilitação dessas estruturas é a execução de reparos
localizados com uso de argamassa industrializada de cimento Portland modificada com polímero com
propriedades especiais e adequadas para a restauração da geometria original dos elementos. O
sistema de reparo com uso da mesma deve resultar no restabelecimento do estado passivo da
armadura e promover efeito barreira ao ingresso de agentes agressivos. Além disso, deve resistir a
todas as tensões causadas pelas variações de volume e aos efeitos químicos e eletroquímicos, sem
deteriorar-se num determinado período de tempo [2].
Uma causa dos insucessos do sistema de reparo é o estabelecimento de processo corrosivo de
trechos de armadura adjacentes ao reparo, que, anteriormente, estavam protegidas pelo efeito da
polarização decorrente da atividade anódica na área de reparo [3]. Os anodos de sacrifício têm por
função principal proteger esse trecho armadura que é muito suscetível à corrosão pela formação de
uma macrocélula atuando como anodo (armadura ativa) enquanto o trecho de armadura repassivada
e em meio de alta alcalinidade na área reparada (armadura passiva) atua como catodo. Os anodos de
sacrifício incorporados no reparo atuam com o anodo da macrocélula, enquanto o trecho de
armadura embutida no concreto original passa a atuar como catodo. Nessa célula, também chamada
de célula galvânica, o fluxo de corrente deve se manter em níveis adequados para a permanente
polarização do aço-carbono, com atendimento ao critério de 100 mV para um tempo máximo de
decaimento de 24 h [4,5].
Espera-se que o fluxo de corrente na célula galvânica se mantenha constante por longos períodos,
usualmente em prazo superior a 10 anos. Para tanto, o anodo de sacrifício é normalmente
constituído de elemento de zinco envolvido em uma argamassa porosa que facilita a difusão dos
produtos da corrosão do zinco e, assim, restringe a possível formação de uma barreira ao fluxo da
corrente. Outra medida comum é o uso de aditivos na argamassa com a finalidade de manter o meio
úmido e, também, manter o zinco em estado ativo de corrosão. A presença de aditivos foi
considerada na seleção de dois tipos de anodos de sacrifício comerciais para a realização do presente
estudo que teve como objetivo avaliar o comportamento dos anodos de sacrifício em meio simulado
de concreto armado contaminado com íons cloreto.
2 METODOLOGIA
Um ensaio acelerado de corrosão foi proposto para a avaliação comparativa do comportamento de
dois tipos de anodos de sacrifício comerciais em meio simulado de concreto armado contaminado
com íons cloreto. Cada anodo de sacrifício foi imerso em areia saturada em solução de Ca(OH)2 (pH
em torno de 12,6) com adição de NaCl 15 %. Adicionalmente, cinco barras de aço-carbono foram
imersas na areia para a formação de par galvânico (macrocélula de corrosão) com o anodo de
sacrifício.
Um dos anodos de sacrifício avaliados, denominado de A1, apresenta três malhas sobrepostas de liga
de zinco (cada uma delas com dimensão em torno de 38 mm x 36 mm x 4 mm), totalizando 38 g,
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3
enquanto o outro, denominado de A2 apresenta uma placa de 65 g de liga de zinco (com dimensão
em torno de 112 mm x 58 mm x 2 mm). Em ambos, a liga de zinco foi apresentada como atendendo a
composição química Tipo I definida na ASTM B418 [6]. A análise química por espectroscopia de
dispersão de energia (EDS) e por difração de raios X (DRX) foi realizada para a caraterização das
argamassas e dos elementos de zinco dos anodos de sacrifícios não expostos à solução do ensaio. A
primeira análise foi realizada com o auxílio de microscópio eletrônico de varredura de emissão de
campo (MEV/FEG) marca FEI modelo QUANTA 400 e, a segunda, com o uso do equipamento Bruker,
modelo D2Phaser, operando a 30 kV-10 MA, equipado com uma fonte de cobre.
As barras de aço-carbono foram desengorduradas e decapadas em ácido clorídrico concentrado até a
remoção total dos produtos de corrosão, em seguida, foram lavadas com água e sabão e secas por
aspersão de acetona seguida de ar quente. Um fio de cobre foi soldado em uma das extremidades
para posterior conexão elétrica com o anodo de sacrifício. Finalmente, ambas as extremidades das
barras foram revestidas, limitando a área de exposição, totalizando 0,0314 m2
de área de exposição.
Esse valor é proporcional a uma densidade de armadura de 0,202 m2
/ m2
que é bem menor da
usualmente verificada em campo nas estruturas de concreto.
Na conexão elétrica de cada barra com o anodo de sacrifício, foi inserido um resistor de 10 Ω ± 1 %
para permitir a medição periódica da queda de potencial entre seus terminais (potencial da
macrocélula). O cálculo da corrente dessa macrocélula foi feita pela Lei de Ohm e utilizando os
valores da carga acumulada (CA) [7] que foi considerada como a quantidade de carga que passa do
elemento de zinco do anodo de sacrifício para cada barra devido aos processos eletroquímicos que
acontecem nas suas respectivas superfícies. A taxa de corrosão (TC) do elemento de zinco [8] e sua
vida útil [9] também foram calculadas.
O cálculo da carga acumulada dos anodos foi feito com uso da Equação 1 [7)]
𝐶𝐴𝑥 = 𝐶𝐴𝑥−1 + [
(𝑡𝑥 − 𝑡𝑥−1) × (𝐼𝑥 − 𝐼𝑥−1)
2
] (1)
Em que CAé a carga acumulada em coulombs, t é o tempo decorrido entre o início do ensaio medido
em segundos, I é o valor da corrente da macrocélula medida no tempo t em amperes, e x representa
o ciclo atual.
A taxa de corrosão do anodo de sacrifício foi estimada com base no potencial medido no resistor do
sistema anodo/cada barra com uso da Equação 2 [8]:
𝑇𝐶 =
11600 ∗ 𝑇
𝐴 ∗ 𝑅
(2)
Em que TC é a taxa de corrosão em µm/ano, T é a diferença de potencial medida no resistor em mV,
R é o valor da resistência do resistor em ohm, e A é a área exposta da barra de aço-carbono, em cm2
.
A vida útil dos anodos foi estimada com base na corrente média do sistema anodo/barras com uso
da Equação 3 [9]:
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4
𝑉 =
𝑀 ∙ 𝐶 ∙ 𝐹𝑢
𝐼 ∙ 8760
(3)
Em que V é a vida útil dos anodos em anos, M é a massa do zinco embutido no anodo (A1= 0,038 kg e
A2= 0,065 kg), C é a capacidade de corrente do anodo de zinco (adotado 740 C/kg), Fu é o fator de
utilização do anodo (adotado 0,75), I é a corrente média do sistema anodo/barras (A) liberada pelo
sistema e 8.760 é o fator de correção de unidades.
A Fig.1a apresenta o desenho esquemático do posicionamento do anodo galvânico e das cinco barras
de aço-carbono nos recipientes de ensaio (área de areia saturada com 30 cm x 50 cm x 25 cm), com
identificação de cada uma delas e da distância aproximada em relação ao anodo galvânico. Na Fig.1b,
é apresentada uma vista parcial do ensaio em curso, em que se visualizam fios (cor preta) de conexão
elétrica de cada barra de aço-carbono com dispositivo eletrônico (na lateral externa do recipiente) e
fio (cor vermelha) de conexão deste com o anodo galvânico.
A Fig.1b também mostra a realização da medida do potencial On (PON) e da corrente do sistema
(anodo/cinco barras) através do dispositivo elétrico e com uso de um multímetro (impedância de
entrada de 10 MΩ). Após 5 s de interrupção do circuito elétrico, foi medido o potencial off (POFF) de
cada barra e, após 4 h de despolarização, o potencial natural (PN) das barras e do anodo. Sabendo-se
POFF e PN das barras, foi possível verificar o atendimento ao critério de 100 mV [2]. Para as medidas
de potencial, utilizou-se um eletrodo de referência (Ag|AgCl|KCl 3 mol/L = -210 mV em relação ao
eletrodo de hidrogênio) que era imerso parcialmente na areia umedecida na proximidade do
elemento a ser avaliado.
O ensaio teve duração de 17 meses, iniciado após 60 dias de imersão das barras no meio simulado do
concreto, condição adequada para promover um estado ativo de corrosão. As medições de
monitoramento foram programadas para ocorrer mensalmente.
(a) (b)
Figura 1. Desenho esquemático do posicionamento do anodo galvânico e das cinco barras de aço-carbono
nos recipientes de ensaio (a) e vista parcial do ensaio em curso (b).
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3 RESULTADOS
A análise semiquantitativa por EDS apontou 100 % de presença de zinco em ambos os anodos de
sacrifícios, embora seja possível a presença de outros elementos químicos em concentrações
desprezíveis e, assim, não detectáveis. Os resultados da análise das argamassas que envolviam os
elementos de zinco constam na Tabela 1. Nessa tabela, observa-se que os resultados são próximos,
pela dispersão típica de EDS, especialmente num material heterogêneo como são as argamassas e
considerando que a quantidade de material analisado é muito pequena. Destaca-se a elevada
concentração de Ca na argamassa de A1 e, na de A2, de K, ambos álcalis que interferem no pH do
meio aquoso. Na argamassa A2 destaca-se também a maior presença de C, possivelmente
decorrente de carbonatação.
Tabela 1. Concentrações (% em fração de massa) de elementos químicos identificados nas argamassas dos
anodos de sacrifício por análise semiquantitativamente por EDS.
Anodo Ponto
Ca O Al C Zn Si Mg K Fe Pd Na W S Ti
Resultado da concentração (% em fração de massa)
A1
1 36.65 22.89 9.83 7.54 5.39 4.60 2.39 1.34 4.96 3.19 0.98 0.24 - -
2 33.26 22.52 9.87 10.31 4.97 4.23 2.62 1.32 4.65 2.81 1.59 1.85 - -
A2
1 14.87 20.55 4.85 29.97 1.92 14.92 1.01 10.90 - - - - 0.60 0.40
2 15.38 24.19 4.19 28.28 1.13 10.91 1.19 11.29 1.31 - - - 0.60 10.28
A Fig.2 e a Fig.3 apresentam os resultados de monitoramento do potencial off (POFF) e do potencial
natural (PN) das barras de aço-carbono, respectivamente. Por essas figuras, observa-se que as barras
se mantiveram polarizadas no sentido catódico ao longo dos ensaios, sendo os valores de PN bem
mais negativos do que o usualmente obtido para armadura em estado ativo de corrosão em meio
rico em cloretos1
. Para o ensaio com o anodo A1 (Fig.3a), predominou valores de PN mais negativos
que cerca de -700 mV, Ag|AgCl|KCl 3 mol/L e, para A2, cerda de -800 mV, Ag|AgCl|KCl 3 mol/L (Fig.3
b). Essa diferença de valores é compatível com os valores de PN dos elementos de zinco, sendo
obtido o valor médio de -958 mV para A1 e de -1034 mV para A2. Essa diferença também pôde ser
notada no potencial On médio do sistema anodo/barras, sendo de -902 mV do ensaio A1 e de -
1012 mV do ensaio A2.
Mesmo com a polarização significativa das barras ao longo dos ensaios, estas apresentaram valores
variáveis quanto ao atendimento ao critério de 100 mV(∆V) como mostram os gráficos da Fig.4.
Observa-se que, ao longo do ensaio, somente para a barra B2 no ensaio com o anodo A1 (Fig.4a)
persistiu, a tendência do não atendimento ao critério de 100 mV. A barra na mesma posição (B2) do
ensaio com o anodo A2, apresentou os valores mais elevados ao longo do ensaio. Observa-se
também que o comportamento dessa barra e das demais não indicou uma clara interferência da sua
distância em relação ao anodo (Fig.1a). Isso deve estar relacionado à esperada resistividade elétrica
baixa do meio em razão de ser rico em íons cloreto.
1
Conforme a ASTM C876 (9), há 90 % de probabilidade de corrosão de armadura de aço-carbono quando o
potencial de circuito aberto (PCA) é mais negativo do que -242 mV, Ag|AgCl|KCl 3 mol/L.
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6
Pode-se observar a tendência dos valores de ∆V serem mais elevados para as barras do ensaio com o
anodo A2, sendo observado no período final do ensaio valores acima de 150 mV. Já as barra do
ensaio com o anodo A1 os valores finais de ∆V foram próximos ou inferiores a 100 mV. Essa diferença
está relacionada com os valores de POFF e PN mais negativos para as barras do ensaio de A2 (Fig.2a e
Fig.3b) do que as barras do ensaio de A1 (Fig.2b e Fig.3a). Esses resultados indicam que,
possivelmente o anodo A2 poderia na prática conferir proteção a um número maior de barras de
armadura ou abranger um campo maior de armadura na adjacência ao reparo.
(a) (b)
Figura 2. Curva do potencial Off - POFF (5 s) das barras de aço-carbono no ensaio anodo A1 (a) e anodo A2 (b).
(a) (b)
Figura 3. Curva do potencial natural - PN (após 4 h de decaimento) das barras de aço-carbono no ensaio
anodo A1 (a) e anodo A2 (b).
-1100
-1000
-900
-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
1 5 9 13 17
POFF
(Ag|AgCl|KCl
3
mol/L)
Time (month)
B1 B2 B3
B4 B5
-1100
-1000
-900
-800
-700
-600
-500
-400
-300
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1 5 9 13 17
POFF
(Ag|AgCl|KCl
3
mol/L)
Time (month)
B1 B2 B3
B4 B5
-1100
-1000
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PN
(Ag|AgCl|KCl
3
mol/L)
Time (month)
B1 B2 B3
B4 B5
-1100
-1000
-900
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PN
(Ag|AgCl|KCl
3
mol/L)
Time (month)
B1 B2 B3
B4 B5
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7
(a) (b)
Figura 4. Critério de 100 mV (∆V) das barras de aço-carbono no ensaio anodo A1 (a) e anodo A2 (b).
A Fig.5 e Fig.6 complementam os resultados anteriores, apresentando os gráficos de carga
acumulada (CA) e de taxa de corrosão (TC), respectivamente. Pelos gráficos da Fig.5, observa-se o
aumento da carga acumulada ao longo do tempo, sendo este aumento mais significativo nas barras
do ensaio com o anodo A2 (Fig.5a), indicando o maior consumo de zinco do que o anodo A1.
Observa-se também que as barras de maior progressão da carga acumulada foram aquelas em que
os valores de ∆V foram os mais elevados ao longo dos ensaios (Fig.4). O oposto é válido para as
barras de valor menor de ∆V. Esses resultados mostram que há uma correlação entre carga
acumulada e ∆V, mesmo sendo parâmetros obtidos por diferentes técnicas.
A análise conjunto dos gráficos da Fig.6 com os da Fig.5 mostra também a correlação das taxas de
corrosão com as cargas acumuladas. As taxas mais elevadas foram obtidas nas barras B4 (valor médio
de 0,60 µm/ano, 83 C), B5 (valor médio de 0,62 µm/ano, 79 C) e B1 (valor médio de 0,56 µm/ano,
75 C) para o ensaio com o anodo A1 e nas barras B1 (valor médio de 1,05 µm/ano, 111 C) e B2 (valor
médio de 0,97 µm/ano, 102 C) para o ensaio com o anodo A2.
A corrente média dos sistemas anodo/barras, representativa da corrosão do anodo, foi de 0,074 mA
para o anodo A1 e de 0,105 mA para o anodo A2. Considerando esses valores, a vida útil (Eq. 3) foi
estimada em cerca de 32 anos para o anodo A1 e de 39 anos para o anodo A2. Cabe considerar que
essa estimativa não é válida para a prática de obra, em que se tem usualmente uma densidade de
armadura bem maior do que a do arranjo do ensaio proposto. Destaca-se também que o anodo A2
apresenta maior dimensão do elemento de zinco e, ainda, maior valor médio de corrente circulante.
Além disso, destaca-se que no ensaio com o anodo A2, o critério de 100 mV foi superado, sendo
mantido ao longo do ensaio valores mais elevados dos obtidos no ensaio com A1 (Fig.4). Esses
resultados indicam o anodo A2 como o de melhor desempenho no ensaio acelerado.
A Fig.7 ilustra o aspecto visual das barras ao término dos ensaios. Todas as barras apresentaram leve
corrosão superficial o que era de se esperar em razão do período inicial de imersão no meio
corrosivo, sem a formação da macrocélula com o anodo de sacrifício.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1 5 9 13 17
∆v
(mV)
Time (month)
B1 B2 B3
B4 B5
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1 5 9 13 17
∆v
(mV)
Time (month)
B1 B2 B3
B4 B5
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8
A Fig.8 mostra o aspecto visual do zinco ao término dos ensaios. O espectro obtido por DRX de
amostra extraída da superfície s do zinco indicou a presença de carbonato de cálcio, sílica e
hidroxizincato de cálcio (Ca[Zn(OH)3]2.2H2O), conhecido como CaHZn. Esse último é um produto de
corrosão típico do zinco em concreto, podendo garantir a formação de camada passiva na superfície
da armadura zincada em meio de pH elevado [10] sem a presença dos íons cloreto como ocorreu no
presente estudo. Na presença desses íons e na formação de macrocélula de corrosão, ocorre o
consumo do zinco, com formação de produtos de corrosão de cor esbranquiçada como mostra as
imagens da Fig.8. Observa-se ainda um rompimento localizado do elemento do anodo A2 (Fig.8b),
indicando tendência de concentração localizada de corrente de macrocélula, o que deve impactar no
seu desempenho.
(a) (b)
Figura 5. Carga acumulada (CA) do sistema de cada barra/anodo A1 (a) e barra/anodo A2 (b).
(a) (b)
Figura 6 - Taxa de corrosão (TC) do sistema de cada barra/anodo A1 (a) e e barra/anodo A2 (b).
0
40
80
120
160
200
240
280
1 5 9 13 17
CA
(C)
Time (month)
B1-A1 B2-A1 B3-A1
B4-A1 B5-A1
0
40
80
120
160
200
240
280
1 5 9 13 17
CA
(C)
Time (month)
B1-A2 B2-A2 B3-A2
B4-A2 B5-A2
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
1 5 9 13 17
TC
(µm/ano)
Tempo (mês)
B1/A1 B/2A1 B3/A1
B4/A1 B5/A1
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
1 5 9 13 17
TC
(µm/ano)
Tempo (mês)
B1/A2
B/2A2
B3/A2
B4/A2
B5/A2
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(a) (b)
Figura 7. Aspecto visual das barras ao término do ensaio com o anodo A1 (a) e com o anodo A2 (b).
(a) (b)
Figura 8. Aspecto visual do elemento de zinco ao término do ensaio com o anodo A1 (a) e com o anodo A2 (b).
4 CONCLUSÕES
A metodologia proposta do ensaio acelerado de corrosão foi considerada adequada para avaliar o
comportamento dos anodos de sacrifício. Os anodos mantiveram as barras de aço-carbono
polarizadas no sentido catódico ao longo dos ensaios. A tendência foi dos valores de ∆V (critério de
100 mV) serem mais elevados para as barras do anodo A2 que manteve no período final do ensaio
valores acima de 150 mV, enquanto, para as barra do anodo A1, os valores foram próximos ou
inferiores a 100 mV. Esses resultados indicam o anodo A2 como o de melhor desempenho no ensaio
acelerado. Em ambos os ensaios, as barras de valores mais elevados de ∆V foram as de maior
progressão da carga acumulada. Considerando a corrente média dos sistemas anodo/barras, em que
foi obtido o valor de 0,074 mA para o ensaio com o anodo A1 e de 0,105 mA para o anodo A2, a vida
útil foi estimada em cerca de 32 anos e 39 anos, respectivamente. O exame visual dos elementos de
zinco ao término do ensaio mostrou o seu consumo com formação de produtos de corrosão de cor
B1 B2 B3 B4 B5 B5
B4
B3
B2
B1
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10
esbranquiçada. Para o elemento do anodo A2, ocorreu severa corrosão localizada o que impactar no
seu desempenho.
REFERÊNCIAS
[1] Poursaee, A. (2016). Corrosion of steel in concrete structures. London: Elsevier, 2016. 135 p.
[2] Emmons, P.H.: Vaysburd, A. M.; Mcdonald, J. E. (1994). Concrete repair in the future turn of the
century: any problems? Concrete International, 16, pp.42-49.
[3] Raupach M. (2006). Patch repairs on reinforced concrete structures - Model investigations on
the required size and practical consequences. Cement and Concrete Composites, 28, pp. 679-
684.
[4] DIN EN 12696. 2012, Cathodic protection of steel in concrete. Brussels. 38 p.
[5] Chess, P.M. (1998). Cathodic Protection of Steel in Concrete. E & FN SPON: London. 188 p.
[6] ASTM B418. 2012, Standard specification for cast and wrought galvanic zinc anodes.
Philadelphia: 3 p
[7] ASTM G109. (2013). Standard test method for determining effects of chemical admixtures on
corrosion of embedded steel reinforcement in concrete exposed to chloride environments.
Philadelphia: 6 p.
[8] ASTM A955. (2020c). Standard specification for deformed and plain stainless-steel bars for
concrete reinforcement. Philadelphia. 14 p.
[9] Dutra, A.C.; Nunes, L.P. (2006). Proteção Catódica: técnica de combate à corrosão. Interciência:
Rio de Janeiro. 262 p.

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Ensaio acelerado de avaliação de anodos galvânicos para reparo de estruturas de concreto

  • 1. Congresso Nacional LNEC, 3 a 5 de novembro de 2021 Ensaio acelerado de avaliação de anodos galvânicos para reparo de estruturas de concreto Adriana de Araujo Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo - IPT, Laboratório de Corrosão e Proteção, São Paulo/SP aaraujo@ipt.br Thales Gomes Rosa IPT, Laboratório de Corrosão e Proteção Mauricio S. Martins Gerdau Aços Brasil Neusvaldo Lira de Almeida IPT, Laboratório de Corrosão e Proteção No Brasil, a tecnologia mais comum no reparo de estruturas com corrosão induzida por íons cloreto faz uso de argamassa industrializada de cimento Portland modificada com polímero. Uma causa dos insucessos do reparo é o estabelecimento de processo corrosivo em áreas adjacentes ao reparo que, anteriormente, estavam protegidas pelo efeito da polarização decorrente da atividade anódica na área de reparo. Para evitar a corrosão em áreas adjacentes ao reparo, ânodos galvânicos podem ser incorporados no sistema de reparo. O objetido deste estudo é avaliar dois tipos de anodos galvânicos comerciais para uso em reparo localizado por meio de ensaio acelerado de corrosão. Nesse ensaio, foram monitorados os pontencias de proteção e naturais obtidos após quatro horas de decaimento e o fluxo da corrente estabelcido entre cada anodo galvânico e cinco barras de aço-carbono, ambos em contato elétrico e imersos em areia saturada (Ca(OH)2) e contaminada com cloreto (NaCl 15 %). O ensaio possibilitou verificar que os anodos foram eficientes na proteção galvânica das barras de aço- carbono, sendo atendido o critério de 100 mV de polarização. A corrente média dos sistemas anodo/barras foi baixa, de 0,074 mA para o ensaio com um dos anodos (A1) e de 0,105 mA para o outro anodo (A2). A vida útil estimada foi de cerca de 32 anos para o Anodo A1 e 39 anos para o anodo A2. Palavras-chave: Concreto; Anodo galvânico; Íons cloretos; Reparo; Reabilitação.
  • 2. Congresso Nacional LNEC, 3 a 5 de novembro de 2021 2 1 INTRODUÇÃO A corrosão de armaduras em concreto é uma das principais causas da deterioração prematura das estruturas de concreto armado, especialmente daquelas expostas à atmosfera marinha [1]. A técnica tradicional de intervenção corretiva para a reabilitação dessas estruturas é a execução de reparos localizados com uso de argamassa industrializada de cimento Portland modificada com polímero com propriedades especiais e adequadas para a restauração da geometria original dos elementos. O sistema de reparo com uso da mesma deve resultar no restabelecimento do estado passivo da armadura e promover efeito barreira ao ingresso de agentes agressivos. Além disso, deve resistir a todas as tensões causadas pelas variações de volume e aos efeitos químicos e eletroquímicos, sem deteriorar-se num determinado período de tempo [2]. Uma causa dos insucessos do sistema de reparo é o estabelecimento de processo corrosivo de trechos de armadura adjacentes ao reparo, que, anteriormente, estavam protegidas pelo efeito da polarização decorrente da atividade anódica na área de reparo [3]. Os anodos de sacrifício têm por função principal proteger esse trecho armadura que é muito suscetível à corrosão pela formação de uma macrocélula atuando como anodo (armadura ativa) enquanto o trecho de armadura repassivada e em meio de alta alcalinidade na área reparada (armadura passiva) atua como catodo. Os anodos de sacrifício incorporados no reparo atuam com o anodo da macrocélula, enquanto o trecho de armadura embutida no concreto original passa a atuar como catodo. Nessa célula, também chamada de célula galvânica, o fluxo de corrente deve se manter em níveis adequados para a permanente polarização do aço-carbono, com atendimento ao critério de 100 mV para um tempo máximo de decaimento de 24 h [4,5]. Espera-se que o fluxo de corrente na célula galvânica se mantenha constante por longos períodos, usualmente em prazo superior a 10 anos. Para tanto, o anodo de sacrifício é normalmente constituído de elemento de zinco envolvido em uma argamassa porosa que facilita a difusão dos produtos da corrosão do zinco e, assim, restringe a possível formação de uma barreira ao fluxo da corrente. Outra medida comum é o uso de aditivos na argamassa com a finalidade de manter o meio úmido e, também, manter o zinco em estado ativo de corrosão. A presença de aditivos foi considerada na seleção de dois tipos de anodos de sacrifício comerciais para a realização do presente estudo que teve como objetivo avaliar o comportamento dos anodos de sacrifício em meio simulado de concreto armado contaminado com íons cloreto. 2 METODOLOGIA Um ensaio acelerado de corrosão foi proposto para a avaliação comparativa do comportamento de dois tipos de anodos de sacrifício comerciais em meio simulado de concreto armado contaminado com íons cloreto. Cada anodo de sacrifício foi imerso em areia saturada em solução de Ca(OH)2 (pH em torno de 12,6) com adição de NaCl 15 %. Adicionalmente, cinco barras de aço-carbono foram imersas na areia para a formação de par galvânico (macrocélula de corrosão) com o anodo de sacrifício. Um dos anodos de sacrifício avaliados, denominado de A1, apresenta três malhas sobrepostas de liga de zinco (cada uma delas com dimensão em torno de 38 mm x 36 mm x 4 mm), totalizando 38 g,
  • 3. Congresso Nacional LNEC, 3 a 5 de novembro de 2021 3 enquanto o outro, denominado de A2 apresenta uma placa de 65 g de liga de zinco (com dimensão em torno de 112 mm x 58 mm x 2 mm). Em ambos, a liga de zinco foi apresentada como atendendo a composição química Tipo I definida na ASTM B418 [6]. A análise química por espectroscopia de dispersão de energia (EDS) e por difração de raios X (DRX) foi realizada para a caraterização das argamassas e dos elementos de zinco dos anodos de sacrifícios não expostos à solução do ensaio. A primeira análise foi realizada com o auxílio de microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo (MEV/FEG) marca FEI modelo QUANTA 400 e, a segunda, com o uso do equipamento Bruker, modelo D2Phaser, operando a 30 kV-10 MA, equipado com uma fonte de cobre. As barras de aço-carbono foram desengorduradas e decapadas em ácido clorídrico concentrado até a remoção total dos produtos de corrosão, em seguida, foram lavadas com água e sabão e secas por aspersão de acetona seguida de ar quente. Um fio de cobre foi soldado em uma das extremidades para posterior conexão elétrica com o anodo de sacrifício. Finalmente, ambas as extremidades das barras foram revestidas, limitando a área de exposição, totalizando 0,0314 m2 de área de exposição. Esse valor é proporcional a uma densidade de armadura de 0,202 m2 / m2 que é bem menor da usualmente verificada em campo nas estruturas de concreto. Na conexão elétrica de cada barra com o anodo de sacrifício, foi inserido um resistor de 10 Ω ± 1 % para permitir a medição periódica da queda de potencial entre seus terminais (potencial da macrocélula). O cálculo da corrente dessa macrocélula foi feita pela Lei de Ohm e utilizando os valores da carga acumulada (CA) [7] que foi considerada como a quantidade de carga que passa do elemento de zinco do anodo de sacrifício para cada barra devido aos processos eletroquímicos que acontecem nas suas respectivas superfícies. A taxa de corrosão (TC) do elemento de zinco [8] e sua vida útil [9] também foram calculadas. O cálculo da carga acumulada dos anodos foi feito com uso da Equação 1 [7)] 𝐶𝐴𝑥 = 𝐶𝐴𝑥−1 + [ (𝑡𝑥 − 𝑡𝑥−1) × (𝐼𝑥 − 𝐼𝑥−1) 2 ] (1) Em que CAé a carga acumulada em coulombs, t é o tempo decorrido entre o início do ensaio medido em segundos, I é o valor da corrente da macrocélula medida no tempo t em amperes, e x representa o ciclo atual. A taxa de corrosão do anodo de sacrifício foi estimada com base no potencial medido no resistor do sistema anodo/cada barra com uso da Equação 2 [8]: 𝑇𝐶 = 11600 ∗ 𝑇 𝐴 ∗ 𝑅 (2) Em que TC é a taxa de corrosão em µm/ano, T é a diferença de potencial medida no resistor em mV, R é o valor da resistência do resistor em ohm, e A é a área exposta da barra de aço-carbono, em cm2 . A vida útil dos anodos foi estimada com base na corrente média do sistema anodo/barras com uso da Equação 3 [9]:
  • 4. Congresso Nacional LNEC, 3 a 5 de novembro de 2021 4 𝑉 = 𝑀 ∙ 𝐶 ∙ 𝐹𝑢 𝐼 ∙ 8760 (3) Em que V é a vida útil dos anodos em anos, M é a massa do zinco embutido no anodo (A1= 0,038 kg e A2= 0,065 kg), C é a capacidade de corrente do anodo de zinco (adotado 740 C/kg), Fu é o fator de utilização do anodo (adotado 0,75), I é a corrente média do sistema anodo/barras (A) liberada pelo sistema e 8.760 é o fator de correção de unidades. A Fig.1a apresenta o desenho esquemático do posicionamento do anodo galvânico e das cinco barras de aço-carbono nos recipientes de ensaio (área de areia saturada com 30 cm x 50 cm x 25 cm), com identificação de cada uma delas e da distância aproximada em relação ao anodo galvânico. Na Fig.1b, é apresentada uma vista parcial do ensaio em curso, em que se visualizam fios (cor preta) de conexão elétrica de cada barra de aço-carbono com dispositivo eletrônico (na lateral externa do recipiente) e fio (cor vermelha) de conexão deste com o anodo galvânico. A Fig.1b também mostra a realização da medida do potencial On (PON) e da corrente do sistema (anodo/cinco barras) através do dispositivo elétrico e com uso de um multímetro (impedância de entrada de 10 MΩ). Após 5 s de interrupção do circuito elétrico, foi medido o potencial off (POFF) de cada barra e, após 4 h de despolarização, o potencial natural (PN) das barras e do anodo. Sabendo-se POFF e PN das barras, foi possível verificar o atendimento ao critério de 100 mV [2]. Para as medidas de potencial, utilizou-se um eletrodo de referência (Ag|AgCl|KCl 3 mol/L = -210 mV em relação ao eletrodo de hidrogênio) que era imerso parcialmente na areia umedecida na proximidade do elemento a ser avaliado. O ensaio teve duração de 17 meses, iniciado após 60 dias de imersão das barras no meio simulado do concreto, condição adequada para promover um estado ativo de corrosão. As medições de monitoramento foram programadas para ocorrer mensalmente. (a) (b) Figura 1. Desenho esquemático do posicionamento do anodo galvânico e das cinco barras de aço-carbono nos recipientes de ensaio (a) e vista parcial do ensaio em curso (b).
  • 5. Congresso Nacional LNEC, 3 a 5 de novembro de 2021 5 3 RESULTADOS A análise semiquantitativa por EDS apontou 100 % de presença de zinco em ambos os anodos de sacrifícios, embora seja possível a presença de outros elementos químicos em concentrações desprezíveis e, assim, não detectáveis. Os resultados da análise das argamassas que envolviam os elementos de zinco constam na Tabela 1. Nessa tabela, observa-se que os resultados são próximos, pela dispersão típica de EDS, especialmente num material heterogêneo como são as argamassas e considerando que a quantidade de material analisado é muito pequena. Destaca-se a elevada concentração de Ca na argamassa de A1 e, na de A2, de K, ambos álcalis que interferem no pH do meio aquoso. Na argamassa A2 destaca-se também a maior presença de C, possivelmente decorrente de carbonatação. Tabela 1. Concentrações (% em fração de massa) de elementos químicos identificados nas argamassas dos anodos de sacrifício por análise semiquantitativamente por EDS. Anodo Ponto Ca O Al C Zn Si Mg K Fe Pd Na W S Ti Resultado da concentração (% em fração de massa) A1 1 36.65 22.89 9.83 7.54 5.39 4.60 2.39 1.34 4.96 3.19 0.98 0.24 - - 2 33.26 22.52 9.87 10.31 4.97 4.23 2.62 1.32 4.65 2.81 1.59 1.85 - - A2 1 14.87 20.55 4.85 29.97 1.92 14.92 1.01 10.90 - - - - 0.60 0.40 2 15.38 24.19 4.19 28.28 1.13 10.91 1.19 11.29 1.31 - - - 0.60 10.28 A Fig.2 e a Fig.3 apresentam os resultados de monitoramento do potencial off (POFF) e do potencial natural (PN) das barras de aço-carbono, respectivamente. Por essas figuras, observa-se que as barras se mantiveram polarizadas no sentido catódico ao longo dos ensaios, sendo os valores de PN bem mais negativos do que o usualmente obtido para armadura em estado ativo de corrosão em meio rico em cloretos1 . Para o ensaio com o anodo A1 (Fig.3a), predominou valores de PN mais negativos que cerca de -700 mV, Ag|AgCl|KCl 3 mol/L e, para A2, cerda de -800 mV, Ag|AgCl|KCl 3 mol/L (Fig.3 b). Essa diferença de valores é compatível com os valores de PN dos elementos de zinco, sendo obtido o valor médio de -958 mV para A1 e de -1034 mV para A2. Essa diferença também pôde ser notada no potencial On médio do sistema anodo/barras, sendo de -902 mV do ensaio A1 e de - 1012 mV do ensaio A2. Mesmo com a polarização significativa das barras ao longo dos ensaios, estas apresentaram valores variáveis quanto ao atendimento ao critério de 100 mV(∆V) como mostram os gráficos da Fig.4. Observa-se que, ao longo do ensaio, somente para a barra B2 no ensaio com o anodo A1 (Fig.4a) persistiu, a tendência do não atendimento ao critério de 100 mV. A barra na mesma posição (B2) do ensaio com o anodo A2, apresentou os valores mais elevados ao longo do ensaio. Observa-se também que o comportamento dessa barra e das demais não indicou uma clara interferência da sua distância em relação ao anodo (Fig.1a). Isso deve estar relacionado à esperada resistividade elétrica baixa do meio em razão de ser rico em íons cloreto. 1 Conforme a ASTM C876 (9), há 90 % de probabilidade de corrosão de armadura de aço-carbono quando o potencial de circuito aberto (PCA) é mais negativo do que -242 mV, Ag|AgCl|KCl 3 mol/L.
  • 6. Congresso Nacional LNEC, 3 a 5 de novembro de 2021 6 Pode-se observar a tendência dos valores de ∆V serem mais elevados para as barras do ensaio com o anodo A2, sendo observado no período final do ensaio valores acima de 150 mV. Já as barra do ensaio com o anodo A1 os valores finais de ∆V foram próximos ou inferiores a 100 mV. Essa diferença está relacionada com os valores de POFF e PN mais negativos para as barras do ensaio de A2 (Fig.2a e Fig.3b) do que as barras do ensaio de A1 (Fig.2b e Fig.3a). Esses resultados indicam que, possivelmente o anodo A2 poderia na prática conferir proteção a um número maior de barras de armadura ou abranger um campo maior de armadura na adjacência ao reparo. (a) (b) Figura 2. Curva do potencial Off - POFF (5 s) das barras de aço-carbono no ensaio anodo A1 (a) e anodo A2 (b). (a) (b) Figura 3. Curva do potencial natural - PN (após 4 h de decaimento) das barras de aço-carbono no ensaio anodo A1 (a) e anodo A2 (b). -1100 -1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 1 5 9 13 17 POFF (Ag|AgCl|KCl 3 mol/L) Time (month) B1 B2 B3 B4 B5 -1100 -1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 1 5 9 13 17 POFF (Ag|AgCl|KCl 3 mol/L) Time (month) B1 B2 B3 B4 B5 -1100 -1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 1 5 9 13 17 PN (Ag|AgCl|KCl 3 mol/L) Time (month) B1 B2 B3 B4 B5 -1100 -1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 1 5 9 13 17 PN (Ag|AgCl|KCl 3 mol/L) Time (month) B1 B2 B3 B4 B5
  • 7. Congresso Nacional LNEC, 3 a 5 de novembro de 2021 7 (a) (b) Figura 4. Critério de 100 mV (∆V) das barras de aço-carbono no ensaio anodo A1 (a) e anodo A2 (b). A Fig.5 e Fig.6 complementam os resultados anteriores, apresentando os gráficos de carga acumulada (CA) e de taxa de corrosão (TC), respectivamente. Pelos gráficos da Fig.5, observa-se o aumento da carga acumulada ao longo do tempo, sendo este aumento mais significativo nas barras do ensaio com o anodo A2 (Fig.5a), indicando o maior consumo de zinco do que o anodo A1. Observa-se também que as barras de maior progressão da carga acumulada foram aquelas em que os valores de ∆V foram os mais elevados ao longo dos ensaios (Fig.4). O oposto é válido para as barras de valor menor de ∆V. Esses resultados mostram que há uma correlação entre carga acumulada e ∆V, mesmo sendo parâmetros obtidos por diferentes técnicas. A análise conjunto dos gráficos da Fig.6 com os da Fig.5 mostra também a correlação das taxas de corrosão com as cargas acumuladas. As taxas mais elevadas foram obtidas nas barras B4 (valor médio de 0,60 µm/ano, 83 C), B5 (valor médio de 0,62 µm/ano, 79 C) e B1 (valor médio de 0,56 µm/ano, 75 C) para o ensaio com o anodo A1 e nas barras B1 (valor médio de 1,05 µm/ano, 111 C) e B2 (valor médio de 0,97 µm/ano, 102 C) para o ensaio com o anodo A2. A corrente média dos sistemas anodo/barras, representativa da corrosão do anodo, foi de 0,074 mA para o anodo A1 e de 0,105 mA para o anodo A2. Considerando esses valores, a vida útil (Eq. 3) foi estimada em cerca de 32 anos para o anodo A1 e de 39 anos para o anodo A2. Cabe considerar que essa estimativa não é válida para a prática de obra, em que se tem usualmente uma densidade de armadura bem maior do que a do arranjo do ensaio proposto. Destaca-se também que o anodo A2 apresenta maior dimensão do elemento de zinco e, ainda, maior valor médio de corrente circulante. Além disso, destaca-se que no ensaio com o anodo A2, o critério de 100 mV foi superado, sendo mantido ao longo do ensaio valores mais elevados dos obtidos no ensaio com A1 (Fig.4). Esses resultados indicam o anodo A2 como o de melhor desempenho no ensaio acelerado. A Fig.7 ilustra o aspecto visual das barras ao término dos ensaios. Todas as barras apresentaram leve corrosão superficial o que era de se esperar em razão do período inicial de imersão no meio corrosivo, sem a formação da macrocélula com o anodo de sacrifício. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 1 5 9 13 17 ∆v (mV) Time (month) B1 B2 B3 B4 B5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 1 5 9 13 17 ∆v (mV) Time (month) B1 B2 B3 B4 B5
  • 8. Congresso Nacional LNEC, 3 a 5 de novembro de 2021 8 A Fig.8 mostra o aspecto visual do zinco ao término dos ensaios. O espectro obtido por DRX de amostra extraída da superfície s do zinco indicou a presença de carbonato de cálcio, sílica e hidroxizincato de cálcio (Ca[Zn(OH)3]2.2H2O), conhecido como CaHZn. Esse último é um produto de corrosão típico do zinco em concreto, podendo garantir a formação de camada passiva na superfície da armadura zincada em meio de pH elevado [10] sem a presença dos íons cloreto como ocorreu no presente estudo. Na presença desses íons e na formação de macrocélula de corrosão, ocorre o consumo do zinco, com formação de produtos de corrosão de cor esbranquiçada como mostra as imagens da Fig.8. Observa-se ainda um rompimento localizado do elemento do anodo A2 (Fig.8b), indicando tendência de concentração localizada de corrente de macrocélula, o que deve impactar no seu desempenho. (a) (b) Figura 5. Carga acumulada (CA) do sistema de cada barra/anodo A1 (a) e barra/anodo A2 (b). (a) (b) Figura 6 - Taxa de corrosão (TC) do sistema de cada barra/anodo A1 (a) e e barra/anodo A2 (b). 0 40 80 120 160 200 240 280 1 5 9 13 17 CA (C) Time (month) B1-A1 B2-A1 B3-A1 B4-A1 B5-A1 0 40 80 120 160 200 240 280 1 5 9 13 17 CA (C) Time (month) B1-A2 B2-A2 B3-A2 B4-A2 B5-A2 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 1 5 9 13 17 TC (µm/ano) Tempo (mês) B1/A1 B/2A1 B3/A1 B4/A1 B5/A1 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 1 5 9 13 17 TC (µm/ano) Tempo (mês) B1/A2 B/2A2 B3/A2 B4/A2 B5/A2
  • 9. Congresso Nacional LNEC, 3 a 5 de novembro de 2021 9 (a) (b) Figura 7. Aspecto visual das barras ao término do ensaio com o anodo A1 (a) e com o anodo A2 (b). (a) (b) Figura 8. Aspecto visual do elemento de zinco ao término do ensaio com o anodo A1 (a) e com o anodo A2 (b). 4 CONCLUSÕES A metodologia proposta do ensaio acelerado de corrosão foi considerada adequada para avaliar o comportamento dos anodos de sacrifício. Os anodos mantiveram as barras de aço-carbono polarizadas no sentido catódico ao longo dos ensaios. A tendência foi dos valores de ∆V (critério de 100 mV) serem mais elevados para as barras do anodo A2 que manteve no período final do ensaio valores acima de 150 mV, enquanto, para as barra do anodo A1, os valores foram próximos ou inferiores a 100 mV. Esses resultados indicam o anodo A2 como o de melhor desempenho no ensaio acelerado. Em ambos os ensaios, as barras de valores mais elevados de ∆V foram as de maior progressão da carga acumulada. Considerando a corrente média dos sistemas anodo/barras, em que foi obtido o valor de 0,074 mA para o ensaio com o anodo A1 e de 0,105 mA para o anodo A2, a vida útil foi estimada em cerca de 32 anos e 39 anos, respectivamente. O exame visual dos elementos de zinco ao término do ensaio mostrou o seu consumo com formação de produtos de corrosão de cor B1 B2 B3 B4 B5 B5 B4 B3 B2 B1
  • 10. Congresso Nacional LNEC, 3 a 5 de novembro de 2021 10 esbranquiçada. Para o elemento do anodo A2, ocorreu severa corrosão localizada o que impactar no seu desempenho. REFERÊNCIAS [1] Poursaee, A. (2016). Corrosion of steel in concrete structures. London: Elsevier, 2016. 135 p. [2] Emmons, P.H.: Vaysburd, A. M.; Mcdonald, J. E. (1994). Concrete repair in the future turn of the century: any problems? Concrete International, 16, pp.42-49. [3] Raupach M. (2006). Patch repairs on reinforced concrete structures - Model investigations on the required size and practical consequences. Cement and Concrete Composites, 28, pp. 679- 684. [4] DIN EN 12696. 2012, Cathodic protection of steel in concrete. Brussels. 38 p. [5] Chess, P.M. (1998). Cathodic Protection of Steel in Concrete. E & FN SPON: London. 188 p. [6] ASTM B418. 2012, Standard specification for cast and wrought galvanic zinc anodes. Philadelphia: 3 p [7] ASTM G109. (2013). Standard test method for determining effects of chemical admixtures on corrosion of embedded steel reinforcement in concrete exposed to chloride environments. Philadelphia: 6 p. [8] ASTM A955. (2020c). Standard specification for deformed and plain stainless-steel bars for concrete reinforcement. Philadelphia. 14 p. [9] Dutra, A.C.; Nunes, L.P. (2006). Proteção Catódica: técnica de combate à corrosão. Interciência: Rio de Janeiro. 262 p.