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A proteção catódica tem como objeti-vo o controle da corrosão de metais

ou da prevenção de sua ocorrência pre-matura. Em estruturas metálicas ou de concreto a proteção catódica é conside-rada a única técnica que pode garantir e/ou estender a sua vida útil. Embora seja adequada para estruturas de concreto expostas a condições ambientais adver-sas, a técnica vem sendo especialmente aplicada em estruturas atmosféricas ex-postas ao ataque de íons cloreto.

O ataque por íons cloreto e a corrosão do aço carbono

O ataque por íons cloretos é consi-derado uma das causas principais da corrosão das armaduras; no Brasil a sua ocorrência está relacionada, essen-cialmente, à exposição das estruturas ao ambiente marinho, enquanto no exterior, tem-se, ainda, a exposição ao sal de degelo.

A característica do ambiente mari-nho é a exposição das estruturas à névoa salina presente na sua atmosfera. Adicionalmente, tem-se a exposição à variação de maré, as ondas do mar e seus respingos, o que ocorre em estru-turas offshore (no mar), como pontes e píeres. A NBR 6118 (ABNT, 2003) clas-sifica o ambiente marinho como de forte agressividade, sendo que, na con-dição de exposição aos respingos, a agressividade passa a ser muito forte, o que representa um risco elevado de de-terioração das estruturas.

Embora os íons cloreto não alterem significativamente o pH da água de poros, estes interagem com o filme pas-sivante do aço, danificando-o localmen-te e expondo o aço ao meio (Nace 01102,

Proteção catódica de estruturas de concreto em ambiente marinho

Adriana de Araújo Mestre, Laboratório de Corrosão e

Proteção do IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas) aaraujo@ipt.br

Zehbour Panossian Doutora, Laboratório de Corrosão e

Proteção do IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas) zep@ipt.br

2003). Em consequência, há a formação, ou seja, nucleação, de pequenas crateras (pites) no aço, as quais caracterizam o início de sua corrosão. Esses pites au-mentam em número e tamanho e aca-bam generalizando a corrosão.

Na prática, o trecho mais externo da armadura é o primeiro a sofrer corrosão. Nesse caso, estabelece-se uma macrocé-lula de corrosão. Isso pode ser observado na figura 1, que apresenta as principais reações, considerando o aço carbono embutido em concreto com pH elevado (meio alcalino), que é a condição mais provável quando do ataque por cloretos em estruturas marinhas.

A proteção das estruturas de concreto no Brasil

No Brasil, não é usual a aplicação da técnica de proteção catódica em ambiente agressivo, no entanto, tem-se como grande obra de referência o Cristo Redentor, na cidade do Rio de Janeiro. Normalmente, no País, é usual a adoção em obras novas de critérios rígidos de projeto (como maior espes-sura de cobrimento e um concreto de melhor qualidade) e, no caso de estru-turas deterioradas, técnicas tradicio-

nais de recuperação. No entanto, tais práticas nem sempre são a garantia da vida útil requerida, sendo questioná-vel a sua eficiência em ambientes de severa agressividade, comum em am-biente marinho.

Nesse ambiente e outros em que há preocupação constante com a corro-são, a estratégia mais adequada seria adotar, além dos critérios descritos, técnicas adicionais de proteção contra a corrosão, como a proteção catódica. Essa visão vai ao encontro da NBR 6118 (ABNT, 2003) que recomenda a ado-ção de medidas de proteção e de con-servação das estruturas em condições adversas de exposição.

A técnica de proteção catódicaO princípio da técnica é a redução

do potencial da interface aço/concreto para valores mais negativos do que seu potencial natural de corrosão (Ecorr). Isso é feito pela imposição de uma cor-rente contínua que pode ser fornecida por uma fonte externa de alimentação (proteção por corrente impressa), ou por um metal de potencial mais negati-vo (proteção por ânodo de sacrifício).

Classicamente, a proteção catódica leva o potencial do aço ao domínio de sua imunidade. Em estruturas de con-creto, este conceito pode ser aplicado somente para aquelas em condição submersa. Em estruturas atmosféricas, o conceito é diferenciado, sendo este bastante dependente do estado da ar-madura (estado ativo ou estado passi-vo). Para entender tal fato considere o diagrama de Pourbaix, figura 2.

Para o pH usual de um concreto ín-tegro (em torno de 13), o aço mantém-

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se no estado passivo, o que é devido à comentada presença do filme passivante que é composto de Fe3O4 e/ou Fe2O3

(identificados na figura 2). No entanto, o estado de imunidade do aço à corrosão só é garantido quando o potencial da in-terface aço/concreto é levado a valores abaixo do seu potencial de equilíbrio (ponto verde na figura 2). Tal estado está abaixo do equilíbrio do hidrogênio (ponto vermelho inferior na figura 2).

Nessa condição (potencial em torno de -0,9 VEH, na figura 2), há o fa-vorecimento da redução do hidrogênio (2H+ + 2e- → H2), além da do oxigênio (O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-) que ocorre em potenciais característicos do aço carbono embutido no concreto (Ecorr na figura 2). Essas reações determinam a evolução do gás hidrogênio e a gera-ção de íons hidroxila que aumentam a alcalinidade do concreto.

Ao longo do tempo da aplicação de potenciais muito negativos, há um ex-pressivo aumento da comentada alcali-nidade, o que pode resultar na degrada-ção do concreto, caso este contenha agregados reativos. Além disso, é espe-rado um aumento do avanço da evolu-ção do gás hidrogênio, o que pode pre-judicar a aderência aço/concreto e cau-sar trincamento dos aços de alta resis-tência usados em concreto protendido.

Não sendo ideal a aplicação de po-tenciais muito negativos, o conceito que se aplica em estruturas atmosféricas, di-fere-se da técnica proteção catódica clás-sica. O conceito que se aplica pode ser entendido por meio da compreensão do mecanismo da ocorrência da comenta-da corrosão por pite. Isto porque, na proteção catódica, o controle da corro-são é feito pela repassivação do pite ou pela diminuição da sua evolução.

Cita-se que a corrosão por pite ocorre em potenciais característicos, denominados de potenciais de pite (Ep), enquanto a repassivação do pite ocorre

CátodoO2 + 2H2O + 4e- 4OH-

OH-

OH-

OH-

Cl-

Cl-Cl-

H+

H+

Ânodo3Fe + 4H2O Fe3O4 + 8H++ 8e-

2Fe3O4 + H2O 3Fe2O3 + 2H++ 2e-

e-

e-

e-

e-

Barra maisinterna

Barra mais externa

O2

O2

O2 + 2H2O + 4e- 4OH-

Ecorr

Pote

ncia

l (m

V ele

trod

o de

hid

rogê

nio)

Fe3O4+ 8H++ 8e- 3Fe2 + 4H2OHFeO2

-

1.6001.200

800400

0-400-800

-1.200-1.600

0 2 4 6 8pH

10 12 14

2H + 2e H2

a

b

Fe2+

Fe2+ 2e- FeFe3O4

Fe2O3

FeDomínio da imunidade

Zona D – Risco de perda de aderência concreto/armadura

Eprot

Ep

Zona A – Pites podem começar a se propagar

Zona C – Pites não podem se iniciar nem propagar

Zona D – Risco de danificação por hidrogênio

Zona B – Pites não podem se iniciar, mas os pites já existentes podem se propagar

141

-59

-259

-459

-659

-859

-1059

-12590 0,5 1,0 1,5 2,0

Pote

ncia

l (m

V Ecs

c)

Teor de cloretos (% massa de cimento)

por aplicação de potenciais mais nega-tivos, denominados de proteção de pite (Eprot). Ambos são dependentes de vá-rios fatores, como o teor de cloretos e o pH do concreto na região da armadura. Quanto maior o teor de cloretos, ou quanto menor o pH, mais negativos são os valores dos potenciais Ep e Eprot.

A influência do teor de cloretos em concreto com pH elevado pode ser ob-servada na figura 3 elaborada por Pe-deferri (1996). Nessa, são apresentados limites (divisão em zonas) que são uma referência de valores de potencial de

Figura 1 – Representação da corrosão no concreto por ataque de íons cloreto

Figura 2 – Diagrama de Pourbaix para o equilíbrio potencial/pH do aço carbono em água (25oC, 1 Atm)

Figura 3 – Potencial de pite e de proteção em função do teor de cloreto no concreto alcalino

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A r t i G O

proteção a serem aplicados, sem ocor-rer danos à estrutura. Com base nessa figura pode-se concluir que: n estruturas novas ou contaminadas por cloretos, mas sem corrosão: o con-creto está alcalino e a armadura passiva, sem pites. Nessas condições, a proteção catódica tem por objetivo manter o po-tencial abaixo do potencial Ep (zona B da figura 3). Desse modo, quando a contaminação do cloreto atingir níveis críticos, o metal permanecerá passivo sem nucleação de pites. O objetivo neste caso é de prevenção da corrosão;n estrutura com corrosão induzida por cloretos: o concreto está alcalino e a armadura despassivada, com pites. Nessas condições, a proteção tem por objetivo abaixar o potencial para valo-res inferiores ao do potencial Eprot. Assim, os pites formados serão repassi-vados e não haverá formação de outros. Em concreto protendido, a armadura deve ser mantida na zona C da figura 3. Em concreto armado, o potencial pode ser mantido nas zonas C e D. Para a di-minuição da taxa de corrosão, aplicam-se valores para manter a armadura na parte inferior da zona B.

Na prática, não é necessário o co-nhecimento de Ep e Eprot para a aplicação de proteção catódica. Existem critérios empíricos largamente aceitos, dentre os quais cita-se o critério de aplicação de

uma corrente de proteção suficiente para abaixar o potencial real natural da interface aço/concreto em 100 mV. Esse valor é válido para estruturas atmosféri-cas em que há indícios de corrosão.

A figura 4 elaborada por Raupach e Bruns (2002) ilustra a aplicação desse critério, que consiste da aplicação de uma corrente de proteção em que a ar-madura assume um valor de potencial mais negativo, denominado Potencial on. Com a posterior desativação desta corrente, temporária, há uma queda brusca do potencial (IR) que é atribuí-do à interferência da resistência do meio (queda ôhmica) no potencial. O valor do potencial após essa queda é denominado Potencial off. Em segui-da, o potencial tende a assumir, assin-

tomaticamente, um valor constante, denominado Potencial de Corrosão Natural Final. A diferença entre este valor e o Potencial off deve ser maior que 100 mV. Caso isso não ocorra, maiores valores de corrente devem ser impostos até a sua obtenção.

Técnica de proteção catódica por corrente impressa

Na técnica de proteção catódica por corrente impressa, a corrente de proteção é fornecida por imposição de tensões elétricas geradas por uma fonte externa de alimentação. Para tanto, normalmente, é usado um retificador, sendo o seu polo positivo conectado a um ânodo e, seu polo negativo, conec-tado à armadura. O ânodo é um mate-rial condutivo que tem a função de distribuir a corrente na estrutura.

Segundo a Nace RP0290 (2007), os ânodos mais adequados são: revesti-mento cimentício condutor, pintura condutora, revestimento metalizado e outros materiais condutivos na forma de malhas, fitas de malhas, fios e son-das. Dentre esses, destacam-se a malha e a pintura condutiva como sendo os mais tradicionais no exterior. A malha, normalmente de titânio revestido com óxidos de metais nobres, é fixada na superfície das peças e recoberta com argamassa cimentícia de baixa resisti-vidade elétrica. A pintura condutiva, normalmente uma tinta orgânica per-meável com adição de partículas de carbono, é aplicada diretamente sobre a superfície do concreto.

Na figura 5, constam as principais reações que podem ocorrer no ânodo e no cátodo (armadura), quando da aplicação da corrente impressa. Se o ânodo não participa das reações (ânodo inerte), como titânio e platina, a única reação que ocorre é a oxidação da água. Se o ânodo participa das rea-ções (ânodo consumível), como o zinco, a única reação que ocorre é a de sua oxidação (Zn + 2H2O → Zn(OH)2 + 2H+ + 2e-). Quanto ao cátodo, neste ocorre a redução do oxigênio e, caso o aço seja levado ao domínio da imuni-dade, ocorre também a sua redução (Fe3O4 + 8H+ + 8e- → 3Fe + 4H2O) e a do hidrogênio.

Potencial (mV)

Potencial on

CP on CP off24 h

IR

Potencial de corrosão natural final

Potencial off

Tempo

Ecorr

>10

0 m

V

Fe2O3 e H+ Fe3O4 e H2ORedução de óxido férrico

H+ H2

Evolução de hidrogênio

Fonte dealimentação

O2 e H2O OH-

Redução de oxigênioH2O e H+

Evolução de oxigênio

OH+ Cl-

CO32- SO3

2-

Ca2+ Na2+

K+ ZN2+ H+

Zn Zn (OH)2

Zn [Zn (OH)4]2-

Oxidação de zinco

e-e-

i i

Ânod

o

Cáto

do

Figura 4 – Curva típica de decaimento de potencial após o desligamento da corrente de proteção

Figura 5 – Representação esquemática da técnica de proteção por corrente impressa

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LEIA MAIS

ACI 222.3R – Design and Construction Practices to Mitigate Corrosion of Reinforcement in Concrete Structures. ACI (American Concrete Institute), 2003.

EN 12696 – Cathodic Protection of Steel in Concrete. European Standard, 2000.

Nace 01105 – Sacrificial Cathodic Protection of Reinforcing Elements – A state-of-the-art report. Nace (National Association of Corrosion Engineers), 2005.

Nace 01102 – Impressed Current Cathodic Protection of Reinforcing Steel in Atmospherically Exposed Concrete Structures. Nace, 2002.

Nace RP0209 – A State-of-the-art Report – Criteria for cathodic protection of prestressed concrete structures. Nace, 2007.

NBR 6118 – Projetos de Estruturas de Concreto – Procedimentos. ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), 2003.

Cathodic Protection and Cathodic Prevention. P. Pedeferri. Construction and Building Materials, v.10, n.5, 1996.

Effectiveness of a zinc-hydrogel anode for sacrificial cathodic protection of reinforced concrete structures. M. Raupach; M. Bruns. Ministry of Science and Technology, 2002 (15th International Corrosion Congress).

Técnica de proteção catódica por ânodo de sacrifício (proteção galvânica)

Na técnica de proteção catódica por ânodo de sacrifício, a corrente elé-trica é resultado da diferença natural de potencial entre dois metais distin-tos, sendo um deles o aço carbono da armadura (cátodo) e, o outro, um metal menos nobre (ânodo). Dentre os metais mais adotados como ânodo ci-tam-se zinco, alumínio ou magnésio e ligas metálicas desses metais (ACI 222.3R, 2003).

Além da diferença de potencial, a técnica exige que o meio apresente uma condutividade elétrica constan-te, para que as reações entre ânodo e catodo sempre ocorram. No concre-to, normalmente tais condições só são verificadas quando este está ex-

Concreto original

Contato elétrico comarmadura

Materialde reparo

Malhade zinco

Chapade fibra

posto a uma umidificação periódica. Caso isso não ocorra, a resistividade será variável, podendo, em períodos de sua elevação, haver uma queda da corrente. Isso pode comprometer a proteção da armadura.

No Brasil, em estruturas deteriora-das, cita-se o uso de um sistema com-posto de uma pastilha de zinco puro envolvida por uma argamassa conduti-va. No exterior, além desse sistema, destaca-se o composto por uma malha de zinco fixada a uma placa de vidro. A figura 6 ilustra esse sistema, denomi-nado jaqueta. Esse é usual na recompo-sição de estacas, sendo a malha de zinco (ânodo) conectada a sua armadura. Quando da aplicação do material ci-mentício de reparo, a placa de vidro é utilizada como fôrma de concretagem.

Quanto a estruturas novas (arma-duras passivadas), destaca-se como sistema de proteção, a aplicação de uma fina folha de zinco laminado na superfície do concreto, conforme ilustra a figura 7. Em um dos lados da folha há um adesivo hidrofílico que é um promotor de retenção de umida-de no concreto junto a sua interface com o ânodo. Esse adesivo ainda tem a função de ser um sumidouro dos íons de zinco, retardando a precipita-ção de óxidos insolúveis da sua oxida-ção (Zn + 2H2O → Zn(OH)2 + 2H+ + 2e-), os quais podem aumentar a re-sistividade elétrica do concreto. Se-gundo a publicação Nace 01105 (2005), há muitos casos bem-sucedi-dos de instalações desse sistema, po-dendo ser aplicado em estações de tratamento, torres de resfriamento, além de estruturas marinhas.

Outro sistema, tanto para estrutu-ras novas como deterioradas, é a meta-lização da superfície do concreto, o que é feito pela aspersão de uma fina cama-da de zinco puro ou de sua liga com alumínio e índio. Conforme a publica-ção Nace 01105 (2005), em alguns casos, também é adotado um promo-tor de retenção de umidade, como o hidrofílico citado.

AgradecimentoAndré Guilherme Barrios Vieira

(elaboração dos desenhos).

Figura 6 – Representação da técnica de proteção galvânica por jaqueta

Figura 7 – Representação da técnica de proteção galvânica por revestimento zinco-hidrogel

Chapa de zinco

Zn2+

4OH-

4e-

4e-

O2 + H2OContatoelétrico

Concretohidrogel (sumidouro de Zn2+)