A carbonatação é um fenómeno originado pela reação do carbono atmosférico (CO2) com os produtos do cimento hidratado na presença de humidade, da qual resulta a formação de carbonato de cálcio. Este processo ocorre no betão, com maior ou menor velocidade em função da porosidade aberta, e tem como consequência a redução da alcalinidade do betão, conduzindo a prazo à destruição da camada de óxido de ferro que protege as armaduras da corrosão [74]. Quando a frente de carbonatação atinge a zona das armaduras, reduzindo o pH do betão para valores inferiores a 9, é eliminada a camada de oxido de ferro que protege as armaduras, permitindo, na presença de um oxidante, água ou oxigénio, a corrosão das armaduras.
A alcalinidade do betão tem origem na composição do cimento portland, constituído por cerca de 60% de óxido de cálcio e que, após um complexo processo de hidratação, origina o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2). Durante a cura do betão a hidratação da pasta de cimento conduz à saturação dos seus poros com substâncias alcalinas, designadamente o já referido Ca(OH)2 e, apesar de existirem em menores quantidades na composição do betão, o NaOH e o KOH. Em consequência desta composição o pH dos poros do betão assume valores da ordem 12,5 a 13, ou seja, torna-se alcalino, condição adequada à proteção das armaduras inseridas no betão.
A carbonatação resulta da difusão do CO2 atmosférico no betão, que avança passando das zonas de maior concentração para as zonas de menor concentração. Trata-se de um processo lento devido à baixa permeabilidade do betão e à baixa concentração de CO2 na atmosfera. Ao longo deste processo o CO2 vai reagindo com os hidróxidos existentes nos poros do betão reduzindo o pH, sendo a principal consequência a dissolução de Ca(OH)2 e a formação de CaCO3, conforme equação 1.
𝐶𝑎(𝑂𝐻)2+ 𝐶𝑂2 𝐻2𝑂
→ 𝐶𝑎𝐶𝑂3+ 𝐻2𝑂 (1)
Quanto um elemento de betão está exposto à carbonatação podem distinguir-se três estados de evolução. A zona superficial está carbonatada, ou seja, apresenta níveis de formação de CaCO3 elevados e níveis baixos de Ca(OH)2. Uma zona intermédia, designada por frente de carbonatação, onde se estão a desenvolver as reações de dissolução dos hidróxidos NaOH, KOH e Ca(OH)2. É nesta zona que se processa uma dupla difusão, a difusão do CO2 para o interior do betão e a difusão dos hidróxidos em sentido inverso. A terceira zona é a mais profunda e carateriza-se por não ter sido exposta ao CO2. Na Figura 13 está esquematizado este processo.
27 Figura 13 - Esquema do processo de carbonatação do betão adaptado por [75], com base em [2].
Como já foi referido o processo de carbonatação conduz a uma redução do pH nos poros do betão que é assegurada pela existência de substâncias alcalinas nestes. Na Figura 14 pode observar-se a evolução deste processo, estando identificadas uma zona carbonatada, onde já ocorreu a formação de CaCO3 e a redução de Ca(OH)2 com a consequente redução do pH. Uma zona intermédia onde o processo de carbonatação se está a desenvolver e a zona mais profunda do betão onde a carbonatação ainda não ocorreu, pelo que o pH se mantém elevado em valores perto de 13.
Figura 14 - Variação da concentração Ca(OH)2/CACO3 e do pH em função da profundidade [75].
A velocidade com que se desenvolve o processo de carbonatação está condicionada por fatores de ordem interna, relativos às caraterísticas do próprio betão, e por fatores de ordem externa, associados à sua exposição ambiental. No primeiro conjunto de fatores está o tipo e a dosagem de cimento, a relação A/C, as condições de cura e a existência de fissuras. No segundo conjunto de fatores destaca-se a concentração de CO2 no meio envolvente e a humidade relativa do ar.
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Entre os fatores que depende do próprio betão, contribuem para a redução da velocidade de carbonatação uma dosagem elevada de cimento, uma baixa relação A/C, o recurso a cimentos com percentagens baixas de cinzas volantes ou de alto forno e um grau de hidratação da pasta de cimento elevado. Todos estes fatores contribuem para a redução da porosidade e da permeabilidade do betão, reduzindo a velocidade do processo de carbonatação. A existência de fissuras no betão permite o acesso do CO2 ao seu interior, criando novas frentes de carbonatação em profundidade.
A concentração elevada de CO2 na atmosfera, que ocorre em alguns ambientes industriais ou em cidades com elevado tráfego rodoviário, contribui para o aumento da velocidade de carbonatação devido à maior disponibilidade de CO2 para estimular o processo. Os níveis de humidade muito altos ou muito baixos limitam, e podem bloquear mesmo, a difusão do CO2 no betão.
Determinar a profundidade de carbonatação é um processo complexo tendo em conta a variabilidade dos fatores envolvidos. A primeira teoria utilizada para estimar a posição da frente de carbonatação, baseada na teoria da difusidade, relaciona a profundidade de carbonatação com a raiz quadrada do tempo [2], conforme se apresenta a expressão seguinte:
𝑿 = 𝒌√𝒕 (𝒎𝒎) (2)
Sendo:
k - função da difusidade efetiva do CO2 no betão e da concentração deste (mm/ano0,5); t - tempo em anos.
Tendo em conta as diferentes variáveis que intervêm no processo de carbonatação foi desenvolvida uma abordagem estatística que conduziu à especificação LNEC E-465 [76]. Esta especificação define dois modelos de cálculo para estimar a profundidade de carbonatação do betão ao fim de um determinado período de tempo. O primeiro modelo é baseado na 1º lei de Fick, admite estacionário o fluxo de dióxido de carbono no betão, afetando este fluxo de três fatores que tem em consideração as condições do ensaio, a exposição ambiental e a cura do betão (equação 3). O segundo modelo resulta da existência de uma forte correlação entre o coeficiente de difusão e a permeabilidade ao ar no betão.
No primeiro modelo a profundidade de carbonatação é obtida através da seguinte equação: 𝑋(𝑚) = √2×𝐷×∆𝑐 𝑎 × 𝑡 × [√𝑘0× 𝑘1× 𝑘2× ( 𝑡0 𝑡) 𝑛 ] (3) sendo:
D - coeficiente de difusão do dióxido de carbono em m2/ano, num ambiente com uma humidade relativa de 65% e à temperatura de 20C;
c - diferença de concentração de dióxido de carbono em kg/m3, entre o exterior e a frente de carbonatação;
a - quantidade de dióxido de carbono que provoca a carbonatação dos componentes alcalinos de betão em kg/m3;
29 k0 - fator relativo às condições do ensaio (toma o valor 3 quando os ensaios são efetuados conforme a especificação LNEC E-391);
k1 - fator que tem em consideração as condições a influência da humidade relativa; k2 - fator relativo às condições de cura;
t0 - período de referência;
n - fator que considera a influência da molhagem/secagem ao longo do tempo. Sendo a resistência à carbonatação é dada por:
𝑅𝐶65= 𝑎
𝐷 (𝑘𝑔. 𝑎𝑛𝑜 𝑚 5
⁄ ) (4)
pode reescrever-se a equação (3) da seguinte forma: 𝑋(𝑚) = √𝑅2×𝑐 𝐶65× 𝑡 × [√𝑘0× 𝑘1× 𝑘2× ( 𝑡0 𝑡) 𝑛 ] (5)
Para se obter a resistência à carbonatação, RC65, com recurso a ensaios acelerados, de acordo com Especificação LNEC E-391, utilizam-se concentrações de CO2 superiores ao atmosférico (cacel=90x10-3 kg/m3), obtendo-se RC65 através da seguinte expressão:
𝑅𝐶65=
2×𝑐𝑎𝑐𝑒𝑙×𝑡1
𝑋2 (𝑘𝑔. 𝑎𝑛𝑜 𝑚 5
⁄ ) (6)
A resistência à carbonatação está correlacionada com o tipo de cimento utilizado e a resistência à compressão do betão. A expressão 7 relaciona à RC65 com a resistência à compressão de um conjunto específico de betões estudados pelo LNEC e produzidos com cimentos tipo CEMI e CEM II/A [76], [77].
𝑅𝐶65= 0,0016 × 𝜎3.106 (7)
sendo a tensão de rutura obtida em ensaios aos 28 dias com cubos de betão.
No segundo modelo de cálculo para a determinação da profundidade de carbonatação proposto pela especificação LNEC E-465, a frente de carbonatação é dada por:
𝑋 =𝑎×𝑘0,4×𝑡𝑝
𝑐0,5 × 𝑘2 (8)
sendo:
a - fator que toma o valor de 150;
k - coeficiente de permeabilidade ao ar do betão da camada de recobrimento (em 10-16m2); p - depende da humidade relativa a que o betão esta exposto;
c - teor em óxido de cálcio da matriz de cimento hidratado do betão (kg/m3); k2 - fator que envolve a influência da cura.