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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)
Zehbour Panossian Diretora de inovação do IPT
Pedro D. PortellaDiretor da divisão do departamento de
engenharia de materiais do Federal Institute for Materials Research and
Testing (BAM)[email protected]
Ralph BässlerPesquisador do BAM
O monitoramento 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.
Na prática, o risco de corrosão é ava-liado 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, composto por um conjunto de barras de aço-carbono, eletricamente isoladas. Com o embutimento do sensor, essas barras ficam posicionadas em diferen-tes e conhecidas profundidades do con-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-tros importantes que estão relacionados
ao estabelecimento e evolução de pro-cesso corrosivo das armaduras. A seguir, 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-cessidade de mais estudos para o seu uso efetivo em campo no monitoramento do risco de corrosão.
Sensor de umidadeO 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 de 50 % e, a penetração de íons cloreto é 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 sensor é constituído de anéis sobrepos-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 até em torno de 45 mm de profundida-de do concreto de cobrimento (Sen-sortec, 2010a).
Com o conhecimento do perfil de
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umidade, pode-se avaliar a eficiência de sistema de proteção superficial do con-creto contra o ingresso da água, além do risco de corrosão das armaduras. Desse modo, o sensor é usado em construções novas ou existentes, incluindo aquelas em recuperação (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-jacentes do sensor. Para isso, 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 valores de resistividade elétrica em umi-dade. Conhecendo as profundidades de embutimento dos anéis, obtém-se o perfil de umidade. Como a temperatura do concreto afeta a resistência medida, determina-se também a temperatura para a sua compensação. Para tanto, há um eletrodo de temperatura embutido no corpo do sensor (Raupach; Gulikers; Reichling, 2013; Sensortec, 2010a).
Vale ressaltar que os cálculos descri-tos para a obtenção da resistividade e da umidade do concreto a partir das medi-das de resistência não são precisos. Com isso, os valores de umidade obtidos pelo 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 instantâneaA taxa de corrosão instantânea é um
parâmetro importante a ser monitorado nas estruturas de concreto expostas a um ambiente agressivo e que apresentam sua armadura despassivada. Quanto maior é a agressividade do ambiente, maior deve ser a intensidade da corrosão dessa armadura e, consequentemente, mais rapidamente o concreto de seu cobrimento se deteriorará, principalmente por fissuração seguida de desplacamento. Nota-se que o tempo estimado para que essa fissuração ocor-ra é bem menor do que o tempo estima-do para a despassivação da armadura (Thoft-Christensen, 2000).
Usualmente, a taxa instantânea de corrosão é estimada pela aplicação da técnica de polarização linear. Essa técni-ca é baseada no fato de que a curva de polarização de sistemas metal/meio apresenta um trecho linear na região do potencial de circuito aberto (baixas so-bretensões). Nesse trecho, é determina-da a resistência de polarização (Rp), que tem relação com a taxa de corrosão con-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 da constante anódica (ba) e catódica (bc) de Tafel, em mVRp = coeficiente angular obtido em tre-cho reto da curva potencial em função da corrente, em kΩ.cm2
Na prática, muitos autores adotam o valor de B como 26 mV para medições em campo. No caso do uso da armadura 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 (região com corrosão) é desconhe-cida, sendo este dado necessário para estimar a taxa de corrosão pela técnica de resistência de polarização.
A técnica de polarização linear pode ser usada com três ou dois eletrodos. No primeiro caso, além do eletrodo de tra-balho, é usado um eletrodo de referên-cia e um contraeletrodo. No segundo caso, um dos eletrodos é o de trabalho, e o outro funciona simultaneamente como contraeletrodo e eletrodo de refe-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 estável ao longo do tempo) ou pseudoe-letrodo de referência (não mantém po-tencial estável, mas sua variação é previ-sível em condições conhecidas) é indife-rente, pois a curva de polarização é re-sultante da sobretensão (diferença entre 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 de referência. No caso de dois 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 (passivo ou ativo de corrosão) 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
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barra usada como contraeletrodo/pseu-doeletrodo de referência.
Há sensores específicos para mo-nitorar a taxa de corrosão das armadu-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 (duas barras de aço-carbono). Esse sensor é fixado junto à armadura, como mostra a figura 2. O monitora-mento da taxa de corrosão pode ser feito com equipamento de medição manual (Corrater Model AquaMate) ou com um sistema de transmissão remota (Corrdata). Ambos podem ser usados para determinar a temperatura e a resis-tividade elétrica do concreto (Rohrback Cosasco Systems, 2013b).
No sensor ECI-1, a determinação de 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 água de poro do concreto em relação ao 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 ópticaLi 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 em relação aos sensores convencionais.
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. Tais vantagens estão relacionadas às características das fibras ópticas, como, por exemplo, pequena dimensão, flexi-bilidade, resistência à corrosão, imuni-dade a ruídos eletromagnéticos e trans-porte de feixes luminosos por longas distâncias com perdas desprezíveis (Li et al., 2000; Zheng; Sun; Lei, 2009; Furh; Huston,1998).
Devido a tais características, nas últimas décadas tem-se intensificado o
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, Sun e Lei (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 deformação do sensor em consequência do acúmulo de produtos de corrosão da barra. Isso foi observado pelo monito-ramento da reflexão de feixes luminosos emitidos pela extremidade da fibra, em contato com a superfície da barra. Com o aumento do acúmulo dos produtos de corrosão na superfície da barra (corro-são severa), a deformação excessiva da extremidade da fibra resultou na inutili-zação do sensor.
Três sensores de fibra óptica com a mesma finalidade foram desenvolvi-dos por Zhao et al. (2011). Esses senso-res apresentavam uma fibra óptica enrolada em barra de aço-carbono polido. Os autores correlacionaram o estiramento da fibra, em consequência do aumento do volume da barra (acú-mulo de produtos de corrosão), com a intensidade da corrosão.
Fuhr e Hustonn (1998) fazem con-siderações sobre o uso de sensores ópti-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 of Transportation
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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.
ConclusãoNa 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 Initiation Time 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.Electrochemical Techniques for Measuring Corrosion in Concrete – Measurements with Embedded Probes. Vennesland et al. 2007.
Embedded Corrosion Instrument – ECI. Virginia Technologies. 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 Chloride Threshold 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.
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