Evaluation of galvanic anode for patch repair of concrete structures deteriorated by chloride ion-induced corrosion

_________________________________________________________________________________________
a
Master, Architecture, Institute for Technological Research - IPT
b
PHD, Civil Engineer, IPT
c
Mechanical Technician, Foundation for support of the IPT - FIPT
d
PHD, Physic - IPT
ICC INTERCORR WCO 2021_103
Copyright 2021, ICC & ABRACO
The work presented during 21st
INTERNATIONAL CORROSION CONGRESS & 8th
INTERNATIONAL
CORROSION MEETING in the month of July of 2021.
The information and opinions contained in this work are of the exclusive right of the author(s).
Evaluation of galvanic anode for patch repair of concrete structures deteriorated by
chloride ion-induced corrosion
Adriana de Araujoa
, José L. S. Ribeirob
, Thales G. Rosac
, Zehbour Panossiand
Abstract
Patch repairs of reinforced concrete structures deteriorated by chloride ion-induced corrosion
are typically performed with proprietary modified Portland cement mortar polymer. To extend
the service life of the localized repair, galvanic anodes are considerate as part of repair
system. Two types of commercial galvanic anode were evaluated by accelerated test
performed in sand saturate with simulated pore-water contaminate with chloride (NaCl 15 %).
The potentials and the galvanic current flow were monitored. The results showed that both
types were functional throughout 17 months service in the sand test, having retained an
electrochemically active state satisfying the 100 mV polarization criterion. The service life
estimation by average current flow showed high performance of both anodes.
Keywords: reinforced concrete, corrosion, repair, galvanic anode, cathodic protection.
Introdução
Os anodos de sacrifício são aplicados em intervenções de reparo de estruturas de concreto
como parte de sistema de proteção catódica galvânica. A opção do uso de anodos de sacrifício
é muitas vezes atribuída ao seu baixo custo e à facilidade de sua aplicação e, ainda, à ausência
de manutenções em relação à proteção catódica por corrente impressa.
Os anodos de sacrifício têm por função principal proteger o trecho de armadura embutida no
concreto original que está adjacente ao reparo. Esse trecho é muito suscetível à corrosão pela
formação de uma macrocélula [1] 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 [2,3].

- 2 -
Espera-se que o fluxo de corrente 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.
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 [4] 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, 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 [5]. 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) [6] 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 [7] e sua vida útil [8] também foram calculadas.

- 3 -
O cálculo da carga acumulada dos anodos foi feito com uso da Equação 1 [6)]
[
( ) ( )
] (1)
Em que CA é 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 [7]:
(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 [8]:
(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 Figura 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 Figura 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 Figura 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.

- 4 -
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).
Resultados e Discussão
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.

- 5 -
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 Figura 2 e a Figura 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 (Figura
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 (Figura 3b). 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 Figura 4. Observa-se que, ao longo do ensaio, somente para a barra B2 no ensaio
com o anodo A1 (Figura 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 (Figura 1a).
Isso deve estar relacionado à esperada resistividade elétrica baixa do meio em razão de ser
rico em íons cloreto.
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 (Figura 2a e Figura 3b) do que as barras do ensaio de A1 (Figura 2b
e Figura 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.
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 -
(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 -
(a) (b)
Figura 4 - Critério de 100 mV (∆V) das barras de aço-carbono no ensaio anodo A1 (a) e anodo A2 (b).
A Figura 5 e Figura 6 complementam os resultados anteriores, apresentando os gráficos de
carga acumulada (CA) e de taxa de corrosão (TC), respectivamente. Pelos gráficos da Figura
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 (Figura 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 (Figura 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 Figura 6 com os da Figura 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 (Equação 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 (Figura 4). Esses resultados indicam o
anodo A2 como o de melhor desempenho no ensaio acelerado.
A Figura 1Figura 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 -
(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).
(a) (b)
Figura 7 – Aspecto visual das barras de aço-carbono ao término do ensaio com o anodo A1 (a) e com o
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
B1 B2 B3 B4 B5 B5
B4
B3
B2
B1

- 9 -
A Figura 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 Figura 8. Observa-se ainda um
rompimento localizado do elemento do anodo A2 (Figura 8b), indicando tendência de
concentração localizada de corrente de macrocélula, o que deve impactar no seu desempenho.
(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).
Conclusão
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 esbranquiçada. Para o elemento do anodo A2, ocorreu severa corrosão
localizada o que impactar no seu desempenho.

- 10 -
Referência Bibliográfica
1. C.M., Andrade et al. Corrosion Science, 33 (1992) pp.237-249.
2. DEUTSCHES INSTITUT FUR NORMUNG. DIN EN 12696: cathodic protection of steel
in concrete. Brussels: DIN (2012) 38 p.
3. P.M., Chess, “Cathodic Protection of Steel in Concrete”. E & FN SPON: London (1998)
188 p.
4. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7480: aço destinado a
armaduras para estruturas de concreto armado - Especificações. Rio de Janeiro (2007) 13 p.
5. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. B418: standard specification
for cast and wrought galvanic zinc anodes. Philadelphia: ASTM (2012). 3 p
6. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. G109: standard test method
for determining effects of chemical admixtures on corrosion of embedded steel reinforcement
in concrete exposed to chloride environments. Philadelphia: ASTM (2013) 6 p.
7. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. A955: standard
specification for deformed and plain stainless-steel bars for concrete reinforcement.
Philadelphia (2020c) 14 p.
8. A.C., Dutra; L.P., Nunes, “Proteção Catódica: técnica de combate à corrosão”. Interciência:
Rio de Janeiro: (2006) 262 p.
9. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. C876: corrosion potentials
of uncoated steel in concrete. Philadelphia (2019). 8 p.
10. P., Pokorný; P., Tej.; M., Kouřil, Construction and Building Materials, 132 (2017), pp.
271-289.

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