A água, sempre presente no concreto desde o início da sua produção devido à necessidade para as reações da hidratação do cimento, age também como principal componente no processo de mistura, aferindo trabalhabilidade necessária ao manuseio e aplicação do concreto. No entanto, grande parte da água de amassamento acaba evaporando pela exposição a altas temperaturas ou escoando pelas fôrmas antes do processo de hidratação se completar, deixando poros vazios ou saturados.
Essa rede de poros é um emaranhado de canais e capilares, nem sempre comunicantes entre si, mas que permitem que o concreto apresente uma certa permeabilidade aos líquidos e aos gases (PEREIRA, 2008 apud ANDRADE PERDRIX). A figura 3.5 mostra um modelo esquemático de uma rede de poros do concreto.
Além dos poros ocasionados pela perda da água, no processo de hidratação do cimento, ocorrem numerosas microfissuras provenientes das reações químicas entre os compostos do cimento e a água, que facilitam a difusão de íons através de poros preenchidos de água, denominado de difusividade, ou com a taxa de fluxo viscoso de fluidos sobre pressão através da estrutura de poros.
Para avaliação da porosidade, constituem-se fatores de sua importância não só o tamanho dos poros, mas a forma na qual eles estão dispostos na pasta de cimento, sua distribuição e interconexão (que determina a porosidade aberta).
A porosidade aberta possibilita o transporte das substâncias e caracteriza a permeabilidade da pasta; por sua vez, o tamanho dos poros interfere na velocidade de transporte de íons no interior do material.
O tamanho dos poros na pasta de cimento varia segundo diversas ordens de grandeza e eles podem ser classificados em: poros de ar aprisionado, decorrentes do processo de adensamento do concreto; poros de ar incorporados, quando usados aditivos incorporadores de ar, denominados também de macroporos; poros capilares, oriundos da saída de água livre do concreto e poros de gel, devidos à água do gel, principalmente C-S-H, tendo os dois primeiros tipos maior relevância para a durabilidade (CASCUDO, 1997). Na figura 3.6 ilustram-se os diferentes tipos de poros que podem ocorrer na pasta de cimento.
FIGURA 3.6 – Distribuição do tamanho de poros na pasta de cimento endurecida. (CASCUDO, 1997).
Newman (2005), em seu estudo sobre permeabilidade em concretos leves, relata que a permeabilidade é o principal fator que influencia a durabilidade do concreto, ressaltando que porosidade e permeabilidade não são sinônimos, visto que os poros e sua continuidade devem ser levados em consideração dentro deste contexto.
Na figura 3.7 relaciona-se a interdependência da resistência do concreto com a resistência das fases componentes, entre outros fatores. Estas fases componentes subdividem-se me matriz, zona de transição e agregado. Com base na citada figura, percebe-se que duas primeiras são diretamente dependentes do fator a/c (ou fator a/materiais cimentícios) utilizado, das adições minerais incorporadas (por adição ou substituição do cimento), e grau de hidratação, com ênfase no tempo de cura, entre outras. Tanto a relação a/c (ou fator a/mc) quanto o grau de hidratação do cimento determinam a porosidade da pasta de cimento endurecida.
FIGURA 3.7 – Fases do concreto e sua interdependência com a resistência à compressão (MEHTA & MONTEIRO, 2008).
A permeabilidade, como define Garboczi apud Mehta e Monteiro (2008), é a propriedade que governa a taxa de fluxo de um fluido através de um sólido poroso, diferentemente de difusividade, que é a propriedade que governa a taxa de fluxo de um fluido através de um sólido poroso.
O movimento do fluido dentro do material só ocorre se existir alguma aplicação externa de pressão. O fluxo do fluido (q) em regime permanente, através do material, é diretamente proporcional ao produto da área (A) transversal à direção do fluxo pela diferença de pressão aplicada e, inversamente proporcional ao comprimento da trajetória do fluxo (L).
Assim, para fluxo contínuo, o coeficiente de permeabilidade (k) é calculado pela expressão de Darcy:
µ
×
=
L
dH.A
k
dt
dq
(3.1) onde:dq/dt = taxa de fluxo do fluido µ = viscosidade do fluxo ∆H = gradiente de pressão A = área da superfície L = espessura do sólido
De forma simplista, permeabilidade também pode ser definida como a facilidade com que agentes externos, tais como fluidos, líquidos ou gases penetram e se deslocam no material, sob os mais distintos gradientes de pressão (NEVILLE, 1997; MEHTA & MONTEIRO, 2008).
O deslocamento dos elementos agressivos dentro do material depende principalmente da estrutura da pasta de cimento hidratada. Dificultando ou impedindo a entrada desses agentes agressivos no concreto através da redução da permeabilidade, aumenta-se a resistência do concreto a saturação, ataque de sulfato, ataque químico e a penetração de cloretos.
A permeabilidade da pasta tem grande influência sobre a permeabilidade do concreto e está diretamente relacionada com a relação água/cimento e com o grau de hidratação ou do tempo de cura úmida. A baixa relação água/cimento e um adequado período de cura úmida resultam em concreto com baixa permeabilidade (WHITING, 1988).
Estudos têm demonstrado que a utilização de materiais cimentícios suplementares na composição do concreto, tais como cinza volantes e, especialmente microssílica, reduzem sensivelmente a permeabilidade, principalmente quando a relação água/cimento (ou água/materiais cimentícios) é menor ou igual a 0,4 (BARRINGER, 1997).
Para Newman (2005), concretos leves não são necessariamente mais permeáveis do que o concreto convencional, visto que os poros existentes no agregado leve são circundados pela matriz cimentícia que possuem baixa fissuração na sua massa, levando-se em conta os seguintes fatores, entre outros: (a) excelente ligação (entrelaçamento) entre o agregado-matriz devido às características superficiais das partículas dos agregados leves; (b) aumento da hidratação do cimento (hidratação lenta ocasionada pela pré-saturação dos agregados) e, (c) menores efeitos do calor de hidratação.
Na figura 3.8, extraída de Lo e Cui (2004), visualiza-se o efeito de entrelaçamento entre os poros do agregado leve e a pasta cimentícia circundante.
FIGURA 3.8 – Efeito de entrelaçamento entre dos poros do agregado e a pasta cimentícia circundante (LO e CUI, 2004).
Segundo Ben-Othamn e Buenfeld (1990), testes experimentais de permeabilidade a água e cloretos realizados somente com concretos leves com resistência em amostras cúbicas variando de 88 MPa a 104 MPa mostraram que:
a) A permeabilidade (penetrabilidade) foi baixa e independe da porosidade do agregado leve utilizado;
b) Amostras com quantidades de cimento superior a ótima apresentaram aumento na permeabilidade.
Ainda segundo esses autores, alguns testes realizados em concretos leves com resistência à compressão entre 50 MPa e 90 MPa apresentaram valores de permeabilidade a gás oxigênio e a água um pouco menor do que os concretos convencionais.
Na tabela 3.2 (BEN-OTHMAN e BUENFELD, 1990) apresentam-se valores de permeabilidade a água e ao gás oxigênio realizados em concretos leves e concretos convencionais e seus respectivos tipos de agregados.
TABELA 3.2 – Parâmetros relacionados à propriedade de durabilidade de concretos produzidos com alguns tipos de agregados leves e agregados normais (BEN-
OTHMAN e BUENFELD, 1990). Tipo de agregado Resistividade (ohm-m) Permeabilidade a água (10-12 m²) Permeabilidade a gás oxigênio (10-16 m²) Leca 650 5 0,5 Lytag 350 5 0,4 Liapor 600 15 0,4 Granito 500 85 1,0
Uma variedade de métodos é utilizada para determinar a permeabilidade do concreto. Os métodos mais comuns são para ataques de cloretos (AASHTO T259), testes de permeabilidade a cloretos de rápida condutância elétrica (ASTM 1202), permeabilidade a água (Army Corps CRD-C163), permeabilidade ao ar (SHRP 2031), e volume ou permeabilidade a gás (ASTM C 642). Para cada método de determinação do coeficiente de permeabilidade está associada uma unidade específica.
A determinação da permeabilidade do concreto a gás é mundialmente aceito, e em termos experimentais tem sido amplamente utilizado. Neste método, o fluxo do gás é unidirecional devido a uma pressão absoluta que é aplicada numa seção transversal cilíndrica da amostra do concreto que preenche internamente a célula de pressão onde a amostra está posicionada. O coeficiente de permeabilidade a gás é calculado a partir da observação do fluxo permanente. A aplicação do gradiente de pressão (baixa e alta pressão) dentro da célula pode ser ajustado, dependendo da permeabilidade do concreto que se deseja medir (poroso ou denso) (JÖRG KROPP, 1995).