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Monitoramento da corrosão em estruturas de concreto: sensor galvânico
Adriana de Araújo 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. Isso reflete positivamente na vida útil e nos custos totais da construção, além de acarretar aumento do período de conservação do seu aspecto estético original (Mc-Carter; Vennesland, 2004; Schiessl; Raupach, 1996; Polder et al., 2007).
Na prática, o risco de corrosão é avaliado por meio da verificação pe-riódica do estado da armadura e das alterações nas características do con-creto. Isso pode ser feito por meio do embutimento, no concreto, de cobri-mento de sensores de permanente aquisição de dados. Esses sensores têm denominação variável, sendo muitas vezes chamados de acordo com a sua geometria ou com o parâ-metro a ser monitorado.
Segundo Goltermann, Jensen e Andersen (2002), os sensores de mo-nitoramento da corrosão são uma ferramenta valiosa, pois permitem o melhor conhecimento dos mecanis-mos de deterioração das estruturas de concreto. Outras vantagens do uso de sensores são as seguintes (Golter-mann; Jensen; Andersen, 2002; Ha et al., 2004; Bässler et al.,2003):n Maior conhecimento do compor-tamento da estrutura ao longo dos
anos, podendo os dados obtidos ser usados em modelos matemáticos de previsão de vida útil da estrutura;n Otimização e melhor planejamento das intervenções de inspeção e de repa-ro da estrutura, incluindo interrupções de tráfego e instalações de infraestrutu-ra de apoio e de retirada de testemu-nhos em componentes da estrutura. nAvaliação de diferentes cenários como, por exemplo, mudança do sis-tema de tratamento superficial, troca de material ou interrupção da prote-ção catódica.
Os sensores são usados para o mo-nitoramento do risco de corrosão tanto em estruturas novas como em
estruturas existentes. Em estruturas novas, os sensores são posicionados sobre as armaduras antes da concreta-gem. Em estruturas existentes, são in-troduzidos em furos realizados ao longo da espessura do concreto de co-brimento da armadura. Segundo Rau-pach, Gulikers e Reichling (2013), os sensores são especialmente adequados para monitorar estruturas existentes em que um estado crítico de deteriora-ção pode ser atingido em tempo relati-vamente curto. Nessas estruturas, os sensores, além de monitorar o risco de corrosão, podem fornecer a taxa de corrosão e verificar a eficiência ou du-rabilidade de reparos.
O monitoramento do risco de corrosão pode ser feito em estruturas atmosféricas, enterradas ou submer-sas, sendo mais frequente nas primei-ras. Nelas, os sensores são embutidos em elementos pré-selecionados, sendo os dados obtidos por meio de leitura manual ou automática. No primeiro caso, as leituras são feitas em campo, diretamente nos sensores, cujos terminais são conectados a um painel individual ou a um painel cen-tral. No segundo caso, as leituras são feitas por meio de sistema eletrônico (software e hardware), podendo os dados ser disponibilizados por siste-ma de transmissão remota, o que per-mite o monitoramento da estrutura em tempo real.
Há diferentes tipos de sensores de monitoramento do risco de corrosão, sendo, neste artigo, abordado o uso de
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sensor galvânico e, na parte dois (a ser publicado posteriormente), sensor de umidade, sensor de taxa de corrosão e sensor ótico.
Sensor galvânicoA maioria dos sensores disponí-
veis no mercado internacional para avaliação do risco da corrosão em es-truturas de concreto fundamenta-se no monitoramento da variação da corrente galvânica. A corrente galvâ-nica aparece quando, em um mesmo meio condutivo, se faz o contato elé-trico entre dois metais distintos ou entre dois metais similares, porém em estados distintos (estado ativo ou passivo) decorrentes das alterações do meio junto a um dos metais (Nace 3T199, 1999). Para essa medição, usa--se um amperímetro de resistência zero, conhecido como técnica Zero--Resistance Ammeter (ZRA).
Usualmente, a medição da cor-rente galvânica em estruturas de con-creto é feita pelo contato elétrico entre uma barra de aço-carbono do sensor e/ou da armadura com outra barra de metal mais nobre, que apre-senta potencial eletroquímico estável em concreto (estado passivo). Na au-sência de barra de metal mais nobre, a medição pode ser feita entre o sensor e a armadura (em estado passivo).
Na prática, para a avaliação do risco de corrosão nas estruturas de concreto, os sensores galvânicos constam de um conjunto de barras de aço-carbono, eletricamente isoladas. Com o embutimento do sensor no concreto, essas barras ficam posicio-nadas em diferentes profundidades, sempre menores do que a da armadu-ra. Esse conjunto de barras do sensor é também denominado de ânodo.
Na proximidade do ânodo, é embu-tida a mencionada barra de metal mais nobre, denominada de cátodo. Em geral, como cátodo, utilizam-se aços inoxidá-veis altamente resistentes à corrosão e aos íons cloreto, ou ainda titânio revesti-do com platina ou com mistura de óxi-dos de metais nobres (MMO).
A corrente galvânica é medida entre cada barra de aço-carbono do ânodo e o cátodo. Em concreto ínte-
gro, essa corrente é desprezível, ou seja, muito baixa. Isso porque as bar-ras de aço-carbono estão em estado passivo, portanto, apresentam uma diferença de potencial desprezível em relação ao cátodo também passivo. O mesmo não ocorre quando um pro-cesso corrosivo é estabelecido nas barras. Nesse caso, a corrente galvâni-
Figura 1 – Sensor escada (Anode Ladder). Fonte: Sensortec
Figura 2 – Sensor 900 (Concrete Multi-Depth Sensor, Model 900). Fonte: Aselco (representante no Brasil da Rohrback Cosasco Systems)
ca apresenta um valor significativo em decorrência da variação do po-tencial do ânodo, que assume valores mais negativos em relação ao obtidos inicialmente, em seu estado passivo.
O processo corrosivo nas barras do ânodo do sensor ocorre gradativa-mente, conforme o avanço da frente de agentes agressivos no concreto de
Figura 3 – Sensor de anéis expansivos (Expansion Ring Anode). Fonte: Sensortec
Barras de aço-carbono (ânodo)
Barra de titânio revestido com óxido de platina (cátodo)
Painel de leitura
Barra de aço-carbono a ser embutida junto à armadura (ânodo)
Barras de aço-carbono (ânodo)
Barras de aço inoxidável (cátodo)
Anéis de isolamento elétrico e de vedação (faixa preta e branca)
Anéis de aço-carbono (ânodo)
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cobrimento. Sendo assim, a corrente galvânica aumenta no sentido da barra que foi embutida mais próxima à su-perfície do concreto para a barra em-butida em maior profundidade. Esse avanço de agentes é devido, geralmen-te, ao ingresso do dióxido de carbono, que diminui o pH da solução de poros (carbonatação), ou ao ingresso de íons cloretos em teores críticos.
Nota-se que não há uma faixa fixa de valores de corrente galvânica que caracterizam o estado ativo das bar-ras de aço-carbono do ânodo. Isso porque existe uma variedade de in-terferências na corrente circundante, como a área dos elétrodos, a qualida-de do concreto e o teor de íons cloreto no material (Raupach; Schiessl, 2001). Assim sendo, não é o valor ab-soluto da corrente que deve ser consi-derado, mas sim a variação de seus valores ao longo do tempo.
Usualmente, recomenda-se que a leitura da corrente galvânica seja feita poucos segundos após o esta-belecimento do contato elétrico entre o ânodo e o cátodo, já que essa corrente não é estável ao longo do tempo de medição (Polder; Peelen; Leegwater, 2008).
Outro fator a ser considerado é a distância entre o ânodo e o cátodo. Normalmente, o cátodo é instalado próximo do ânodo, em região de con-creto aerado, em que há livre acesso do oxigênio. No caso do concreto da re-gião estar sujeito à saturação por lon-gos períodos (como em componentes submersos e expostos à variação de maré), em que já há naturalmente res-trição do acesso de oxigênio, a distân-cia entre o ânodo e o cátodo deve ser maior, visto que há consumo de parte do oxigênio pelo cátodo. No caso de concretos de baixa resistividade elétri-ca, a distância entre o ânodo e o cátodo pode chegar a alguns metros (McCar-ter; Vennesland, 2004).
Nota-se que a resistividade elétri-ca é um parâmetro importante a ser considerado na avaliação do risco de corrosão. A resistividade elétrica é função da umidade do concreto e do conteúdo do eletrólito. Tradicional-mente, a resistividade elétrica do con-
creto é determinada pela técnica de quatro pinos (ASTM G57, 2012).
Com pequenas modificações nos sensores galvânicos, pode ser determi-nada a resistividade elétrica do concre-to. Essa determinação é feita entre pares de barras de ânodo e com o uso de um ohmímetro alimentado com corrente alternada. A resistividade também pode ser obtida com sensores de umidade, como o descrito mais adiante. Também com pequenas mo-dificações nos sensores galvânicos, pode-se determinar o potencial de cir-cuito aberto, a taxa de corrosão instan-tânea das barras do ânodo do sensor e da armadura e, ainda, a temperatura do concreto.
O potencial de circuito aberto das barras do ânodo é medido com o uso de um voltímetro de alta impedância e um elétrodo de referência (apresenta potencial conhecido em relação ao elétrodo de hidrogênio, sendo o valor reprodutível e estável ao longo do tempo, Nace 11100, 2000) ou um pseudoelétrodo de referência (não mantém potencial estável, mas sua va-riação é previsível em condições co-nhecidas). A taxa de corrosão instan-tânea pode ser determinada pela téc-nica de polarização linear, sendo para tanto necessário o uso de um poten-ciostato. E, finalmente, com o acopla-mento no sensor de temperatura, po-de-se obter a temperatura do concreto. Cita-se que a determinação da taxa de corrosão instantânea é abordada na segunda parte deste artigo, que será publicada posteriormente.
Usualmente, a avaliação do risco
de corrosão é feita com a determina-ção da corrente galvânica e do poten-cial de circuito aberto. Segundo Ven-nesland, Raupach e Andrade (2007), um aumento da corrente galvânica, acompanhado por uma diminuição do potencial de circuito aberto, indi-ca claramente que um nível crítico de íons cloreto foi atingido ou que a frente de carbonatação alcançou as barras do ânodo do sensor.
Para a determinação do potencial de circuito aberto das barras do sen-sor, os seguintes elétrodos podem ser usados:n Pseudoelétrodo de referência: o cátodo do sensor (barra de aço inoxi-dável ou de titânio revestido com pla-tina ou MMO) é o mais usado. Outra opção é a própria armadura ou uma barra de aço-carbono embutida na proximidade da armadura, desde que no estado passivo;n Elétrodo de referência: há diferen-tes tipos de elétrodo de referência. Po-de-se citar o elétrodo de prata/cloreto de prata – Ag/AgCl (Nace 05107, 2007) – e o elétrodo manganês/óxido de manganês – Mn/MnO2 –, que são em-butidos no concreto (elétrodos per-manentes), e o elétrodo de cobre/sul-fato de cobre, posicionado sobre a su-perfície do concreto.
A avaliação do risco de corrosão da armadura com pseudoelétrodo de referência é feita pelo monitoramen-to da variação dos valores de poten-cial de circuito aberto em cada uma das barras do ânodo e, também, entre elas. No caso do uso de elétrodo de referência padrão, a avaliação do
Figura 4 – Sensor de múltiplos elétrodos (CorroWatch Multisensor) e elétrodo de referência ERE 20. Fonte: Force Technology
Elétrodo de referência ERE20
Barras de apoio (com isolamento elétrico)
Barras de aço-carbono (ânodo)
Tela de titânio ativado (cátodo)
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risco é feita tanto pela análise dos va-lores absolutos de potencial de circui-to aberto como pela análise da sua variação ao longo do tempo. A análise dos valores absolutos é feita em rela-ção a valores normalizados (ASTM C876, 2009) que indicam a probabili-dade de ocorrência de corrosão.
Uma revisão bibliográfica mos-trou que há muitas pesquisas para desenvolvimento de sensores, no en-tanto, comercialmente, o número de fornecedores ainda pode ser conside-rado limitado. Alguns sensores dispo-níveis no mercado são os seguintes:nSensor escada (Anode Ladder) e sensor de anéis expansivos (Expan-sion Ring Anode), ambos da empre-sa Sensortec;n Sensor de múltiplos elétrodos (CorroWatch Multisensor), da em-presa Force Technology;n Sensor 900 (Concrete Multi-Depth Sensor, Model 900), da empresa Rohrback Cosasco Systems.
Além da corrente galvânica, o sensor escada e o sensor 900 podem ser usados para determinar todos os demais parâmetros mencionados an-teriormente (Sensortec, 2010a; Rohr-back Cosasco Systems, 2013). O sen-sor de anéis expansivos pode ser usado para determinar os três pri-meiros parâmetros mencionados (Sensortec, 2010b). O sensor de múl-tiplos elétrodos determina o poten-cial de circuito aberto das barras do ânodo com o uso do elétrodo de refe-rência ERE20 (Mn/MnO2) embutido na sua proximidade, e a temperatura do concreto por meio de elétrodo es-pecífico embutido na base do sensor (Force Technology, 2012a; 2012b).
No sensor escada e no sensor 900, as barras de aço-carbono constituin-tes do ânodo são retas e estão posicio-nadas em paralelo. No sensor de anéis expansivos, em vez de barras são usa-dos anéis que estão posicionados uns sobre os outros. No sensor de múlti-plos elétrodos, as barras do ânodo são retas e estão posicionadas em altura e ângulos diferentes em relação a uma base circular. Esses sensores podem ser visualizados nas figuras 1 a 4.
No sensor escada e no sensor de
anéis expansivos, uma barra de titânio revestido com MMO é usada como cá-todo, sendo esta posicionada na proxi-midade das barras de ânodo quando da instalação do sensor. No sensor 900, o cátodo são as barras de aço inoxidável, as quais estão posicionadas no mesmo ali-nhamento das barras do ânodo, como mostra a figura 2. No sensor de múlti-plos elétrodos, uma tela de titânio ativa-do, fixada na base de apoio das barras do ânodo, é usada como cátodo. Como mostra a figura 4, na sua proximidade está o elétrodo de referência ERE20.
Os sensores escada, de múltiplos elétrodos, e o sensor 900 foram de-senvolvidos para o monitoramento do risco de corrosão em construções novas, como túneis, pontes, píeres, fundações e outros tipos de constru-ções. O sensor de anéis expansivos foi desenvolvido para uso em constru-ções existentes, o que inclui aquelas em período de recuperação estrutu-ral (Raupach; Schiessl, 2001).
O sensor escada e o sensor 900 são instalados em posição inclinada sobre a armadura. O grau dessa inclinação é va-riável, sendo definida conforme a espes-sura do concreto de cobrimento. A figu-ra 5 ilustra a instalação do sensor escada.
Quanto à instalação do sensor de anéis expansivos, este é embutido no concreto por meio de furo na camada de cobrimento da armadura. Na pro-
ximidade desse furo, outro é realiza-do para o embutimento do cátodo. Para o perfeito contato da superfície exposta dos anéis de ânodo do sensor com a da parede do furo, esses anéis são expandidos com o uso de um equipamento manual de torção. Essa expansão e a presença de anéis de ve-dação evitam a penetração de água pela parede do furo. Devido à possi-bilidade de penetração de água nessa parede, não se recomenda o uso do sensor na condição de imersão ou em situações de acúmulo de água sobre superfícies horizontais (poça de água) (Sensortec, 2010b).
Nota-se que para evitar a corrosão das barras de aço-carbono do ânodo dos sensores apresentados para uso em obras novas, a sua instalação deve ser feita momentos antes do lança-mento do concreto. Além disso, as bar-ras do ânodo e o cátodo dos sensores apresentados devem estar isolados ele-tricamente da armadura, como pode ser observado na figura 4.
No passado, os sensores eram de-senvolvidos para que as leituras fos-sem feitas manualmente, com uso de equipamentos portáveis. No entanto, atualmente, esses são providos de sis-temas eletrônicos de leituras, como, por exemplo, o sensor escada e o sen-sor de anéis expansivos (Mayer; So-deikat, 2012). Segundo Nygaard e Klinghoffer (2008), o mesmo foi feito para o sensor de múltiplos elétrodos, que dispõe também de dispositivos para a transferência de dados.
Finalmente, cabe mencionar que é esperada degradação prematura do con-creto de cobrimento no local de embuti-mento do sensor galvânico. Isso é válido para aqueles em que barras de aço-car-bono do ânodo são posicionadas em baixa profundidade no concreto de co-brimento. Com a evolução da corrosão dessas barras, há perigo de fissuração e desplacamento do concreto. Para evitar que a intensificação da corrosão das bar-ras superficiais resulte na degradação do concreto, sistemas de proteção catódica podem ser usados. Essa proteção é feita com a instalação de bateria externa co-nectada às referidas barras (Schiessl; Raupach, 1992).
Figura 5 – Sensor escada (Anode Ladder) sobre a armadura, em posição inclinada. Fonte: Sensortec
Foto
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aGradEciMEntO
Till Felix Mayer (Sensortec), Oskar Klinghoffer (Force Technology) e Eduardo de Oliveira (Aselco), pelas informações e pela fotografia dos sensores, e Andreza Milham pela recuperação de artigos.
LEia MaiS
900 Concrete Multi-Depth Sensor. Rohrback Cosasco Systems. 2013. Disponível em: <http://www.cosasco.com/multi-depth-corrosion.html>. Acesso em 24 fev. 2013.Anode Ladder. Sensortec. 2010a. Disponível em: <http://www.sensortec.de/sensoren-sensors/anodenleiter-anode-ladder>. Acesso em 24 fev. 2013.ASTM C876-09: Standard Test Method for Half-Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete. American Society for Testing & Materials. 2009.ASTM G57-06(2012): Standard Test Method for Field Measurement of Soil Resistivity Using the Wenner Four-Electrode Method. American Society for Testing & Materials. 2012. Condition Survey with Embedded Sensors Regarding Reinforcement Corrosion. Raupach, M.; Gulikers, J.; Reichling, K. Materials and Corrosion, v.63, n.2, p.141-146, 2013.Corrosion Monitoring for Underground and Submerged Concrete Structures – Examples and Interpretation Issues. Polder, R.B.; Peelen, W.H.A.; Leegwater, G. In: Walraven, Joost C.; Stoelhorst, Dick. (Eds.) Tailor made concrete structures. London: Taylor & Francis, 2008. p.187-192.Corrosion Monitoring in Reinforced Concrete Structures. Nygaard, P.V.; Klinghffer, O. In: International Conference on Durability of Concrete Structure, 2008. Proceedings… Hangzhou: ICDCS, 2008 p. 279-286.
CorroWatch Multisensor. Force Technology. 2012a. Disponível em: <http://www.forcetechnology.com/en/Menu/Products/Concrete-monitoring/Concretemonitoring-probes/corrowatchmultisensor.htm>. Acesso em 24 fev. 2013.Electrochemical Techniques for Measuring Corrosion in Concrete – Measurements with Embedded Probes. Vennesland, Ø.; Raupach, M.; Andrade, C. Materials and Structures, v.40, p.745-758, 2007.ERE 20 Embeddable Reference Electrode for Use in Concrete Structures. Force Technology. 2012b. Disponível em: <http://www.forcetechnology.com/da/Menu/Produkter/Betonovervaagning/Betonovervagning-sonder/ere20-eferenceelektrode.htm>. Acesso em 24 fev. 2013.Expansion Ring Anode. Sensortec. 2010b. Disponível em: <http://www.sensortec.de/sensoren-sensors/speizringanode-expansion-ring-anode>. Acesso em 24 fev. 2013.Instrumentation of Structures with Sensors – Why and How? Schiessl, P.; Raupach, M. In: Dhir, R.K.; Jones, M.R. (Eds.) Concrete repair, rehabilitation and protection. London: E & FN Spon, 1996.Macrocell Sensor Systems for Monitoring of the Corrosion Risk of the Reinforcement in Concrete Structures. Raupach, M., Schiessl, P. NDT& International, v.34, p.435-442, 2001.Monitoring System for the Corrosion Risk of Steel in Concrete Structures. Schiessl, P.; Raupach, M. Concrete International, v.7, p.52-55, jul., 1992.Report on Corrosion Probes in Soil or Concrete. International the Corrosion Society. Houston: NACE, 2007. 11p. (Nace International Publication 05107-item/n.24234).Role of Sensors in Corrosion Monitoring in Concrete
Structures: the State of the Art. Ha, T-H. et al. Sensors and Materials, v.16, n.3, p.133-158, 2004. Sensor Systems for Use in Reinforced Concrete Structures. McCarter, W.J.; Vennesland, O. Construction and Building Materials, v.18, p.351-358, 2004. Service Life Management of Infrastructure Systems – Application of Corosion and Moisture Monitoring. Mayer, T.F.; Sodeikat, CH. In: Strauss, A.; Frangopol, D.M.; Bergmeister, K. Life-cycle and sustainability of civil infrastructure systems. Boca Raton: CRC Press, 2012. Chapter 32, p.257-282.Smart Structures: Possibilities, Experiences and Benefits from Permanent Monitoring. Goltermann, P.; Jensen, F.; Andersen, M.E. In: International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, 1., 2002. Proceedings... Barcelona: Iabmas, 2002.Techniques for Monitoring Corrosion and Related Parameters in Field Applications. International the Corrosion Society. Houston: Nace, 1999. 41p. (Nace International Publication 3T199-item/n.24204).Use of Advanced Corrosion Monitoring for Risk Based Management of Concrete Structures. Polder, R. et al. Heron, v.52, n.4, p.239-250, 2007.Use of Embeddable Sensors in an Integrated Monitoring System for Reinforced Concrete Structures. Bässler, R. et al. In: Nace Conference, Annual Corrosion, 9., 2003. Proceedings... San Diego: Nace, 2003. (Paper 03436).Use of Reference Electrodes for Atmospherically Exposed Reinforced Concrete Structures. International the Corrosion Society. Houston: Nace, 2000. 11p. (Nace International Publication 11100-item/n.24204).
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