O ataque de sulfatos é caracterizado pela reacção química dos iões de sulfato (como substância agressiva) com os compostos de alumina, os iões de sulfatos, cálcio e hidróxidos do cimento Portland endurecido ou, cimento contendo clínquer Portland, formando etringite e numa escala menor, gesso.
Na sua forma clássica, o ataque de sulfatos leva a uma expansão e fendilhação da pasta de cimento endurecido por um processo associado à formação de etringite (ver Figura 3.9). Esta formação de etringite é normalmente designada por secundária, em oposição à criada nos instantes iniciais de hidratação do cimento que não possui uma acção expansiva. A composição da etringite, sulfoaluminato de cálcio hidratado, é produzida pela reacção química entre o hidróxido de cálcio e os compostos de alumina presente na pasta de cimento com os iões de sulfatos vindos do meio envolvente ou, eventualmente, a partir dos próprios constituinte do betão, nomeadamente a partir da
oxidação de agregados com inclusões piríticas [3.43]. A quantidade de etringite
formada depende da resistência das forças expansivas geradas e da capacidade do material lhes resistir.
Menos comum, especialmente em ambientes frios e molhados, é a criação do composto taumasite, um sulfocarbonato de cálcio e sílica hidratada
(CaSiO3.CaCO3.CaSO4.15H2O), envolvendo a decomposição da fase silicato de cálcio
de fixação da pasta de cimento resultando numa perda de resistência do betão.
Para além da etringite, gesso poderá ser formado no betão sujeito ao ataque prolongado por soluções de sulfatos agressivas, tais como sulfatos de magnésio, resultante da decomposição progressiva dos hidratados de hidróxido de cálcio e silicato de cálcio. Este ataque leva à redu ção da rigidez e resistência do betão.
Figura 3.9 - Ataque de sulfatos numa laje.
A formação retardada de etringite (delayed ettringite formation - DEF) pode ser considerada como uma forma interna de ataque de sulfatos, provocada pela temperatura de cura inadequada e/ou armazenamento do cimento Portland, que resulta numa remobilização dos sulfatos inicialmente retidos na matriz cimentícia. A formação retardada de etringite é claramente um processo expansivo, marcado pela expansão de volume dos membros de betão afectados, e pelo desenvolvimento de fendilhação geral. É influenciada pela composição do betão, as condições de cura e de
exposição [3.44].
Existem várias teorias diferentes propondo explicar o mecanismo de expansão da
etringite, hoje em dia são aceites três teorias principais [3.45 reis]:
• expansão devido ao crescimento da etringite formado por um processo
topoquímico na presença da cal, directamente a partir dos hidratados de alumina sem passar pela solução. Esta foi a primeira hipótese proposta por Lafuma em 1930 e seguido por muitos outros autores;
• expansão devido à absorção de água pela etringite de natureza coloidal
formado por um processo de cristalização/solubilização na presença de cal. Esta teoria foi sugerida por Mehta e colaboradores por volta de 1970 sendo bem aceite por muitos outros autores;
• expansão devido à pressão de cristalização da etringite formado por um processo de cristalização/solubilização num espaço confinado. A força de expansão resulta da sobre saturação da solução com o ião reactivo, sendo tanto maior quanto maior for a sobre saturação da solução.
O ataque dos sulfatos ocorre quando o sistema poroso do betão é penetrado por soluções de sulfatos com origem normalmente nas águas dos solos em contacto com o betão, na água do mar ou nos efluentes industriais. Esta reacção depende dos seguintes parâmetro:
• concentração do ião sulfato;
• catiões presentes na solução de sulfatos (i.e., sódio, potássio, amoníaco ou
magnésio);
• teor de C3A do cimento;
• densidade, permeabilidade, ou em geral a qualidade do betão.
Cada um destes parâmetros é importante na determinação não só da velocidade e grau de ataque, mas também na natureza e mecanismo de ataque. As possíveis
reacções químicas são [3.15]:
• conversão de hidróxido de cálcio do cimento endurecido para sulfato de
cálcio (CaSO4•2H2O) (1);
• transformação dos aluminatos e ferrites de cálcio hidratados em
sulfoaluminatos de cálcio ou sulfoferrite ou nas suas soluções sólidas (2);
• decomposição dos silicatos de cálcio hidratados (3).
Em soluções de sulfato de cálcio apenas a reacção (2) pode ocorrer, mas nas soluções de sulfatos de amoníaco ou sódio, além da reacção (2) também pode ocorrer a reacção (1). A reacção de sulfatos prossegue no sentido dos produtos nas condições em que o fornecimento de sulfato de sódio é constante.
Ca(OH)2 + Na2SO4•10H2O → CaSO4•2H2O + 2NaOH + 8H2O (3.5)
A velocidade destas conversões é determinada pela velocidade com que o ião de sulfato se consegue difundir para o interior, e os iões hidróxidos para fora do betão. Na prática, com betão denso, apenas parte da conversão hidróxido de cálcio em sulfato de cálcio poderá ocorrer, mesmo para períodos longos de exposição. Com sulfato de magnésio, todas as três reacções podem ocorrer, uma vez que o pH do hidróxido de magnésio saturado é inferior ao necessário para estabilizar os silicatos de cálcio hidratados. Além disto, os sulfoaluminatos de cálcio formados são instáveis a um pH
de 10.5, logo decompõem-se em formas de gesso e alumina hidratada [3.24].
O composto sulfato de magnésio cria uma camada dura, densa na superfície do betão devido à deposição de hidróxido de magnésio nos poros, reduzindo a penetração da solução. A superfície de rotura consiste em partículas granulares duras. O betão atacado pelas soluções de sulfato de sódio ou cálcio, apresenta-se no fim mole e pulvurento.