DURABILIDADE
ATAQUE POR SULFATOS
Joana de Sousa Coutinho
FEUP 2001
2Durabilidade-Ataque por sulfatos
Joana de Sousa Coutinho
ATAQUE POR SULFATOS
1. ATAQUE (CLÁSSICO) POR SULFATOS
Ambiente
exterior
Sulfatos
SO42Betão
(agregado)
+
presença
Ca(OH)2
e água
C3A (ou....)
(ou Al2O3
do agregado)
expansiva
Etringite
+ gesso
Sulfoaluminato
de cálcio
hidratado
3CaO.Al2O3. 3CaSO4.31H2O
volume final = 2,5 X volume inicial
causando tensões intensas e
fissuração irregular do betão,
facilitando a penetração posterior de mais
substância agressiva e
progressão da deterioração
Em geral o ataque por sulfatos incide sobre o aluminato tricálcico do cimento hidratado
3CaO.Al2O3 (designação simplificada C3A).
As soluções de sulfatos podem reagir com o aluminato tricálcico do cimento hidratado ou
com a alumina do agregado, causando expansões, fissuração, descamação do betão,
amolecimento e desintegração (Figura 1).
Figura 1 - Degradação de uma manilha de betão por ataque por sulfatos (Concrete Petrography, 1998).
Os cimentos mais vulneráveis são os cimentos tipo I – Portland. Os cimentos Portland
resistentes aos sulfatos, os cimentos pozolânicos (> 30%) e os cimentos com escórias (> 65%)
3Durabilidade-Ataque por sulfatos
Joana de Sousa Coutinho
são os que oferecem maior resistência mas não tornam o betão imune ao ataque por sulfatos
em todas as situações e para qualquer concentração das soluções. De facto aquelas adições
contribuem para a durabilidade em condições de agressividade moderada mas não evitam o
ataque em betão de baixa qualidade (Lea’s, 1998).
Em ambientes químicamente agressivos, a degradação resultante do ataque por sulfatos,
para uma determinada dosagem de cimento, depende claramente do teor de C3A (aluminato
tricálcico) desse cimento, dependencia que vai sendo menos notória à medida que a dosagem
aumenta – Figura 2 (Gonçalves, 2000).
Figura 2 – Influência da dosagem de cimento e do seu teor de C3A na resistência do betão ao
ataque por sulfatos (Gonçalves, 2000)
Os sulfatos de cálcio, magnésio, sódio e potássio existem em solos argilosos ou outros
solos, frequentemente em quantidades consideráveis. A sua distribuição é muito heterogénea
podendo-se verificar concentrações muito diferentes em zonas distanciadas de apenas alguns
metros. Por exemplo o gesso ocorre frequentemente em cristais discretos ou aglomerados de
cristais ou em bandas concentradas.
Nas soluções percolantes nos solos, a concentração de sulfatos também pode variar
significativamente dependendo do movimento de percolação, do conteúdo de sulfatos do solo
e, sobretudo, da solubilidade do sal de sulfato em questão.
O sulfato de cálcio apresenta uma solubilidade limitada a 2 g por litro de água, o que
corresponde a um limite máximo de 1.2 g de SO3 por litro de água. Se se constata que o solo
apresenta um valor superior em termos de concentração de SO3, esse facto indica que se está
perante uma solução de sulfatos cuja solubilidade é maior, isto é, sulfatos de magnésio, sódio
ou potássio (Lea’s, 1998).
4Durabilidade-Ataque por sulfatos
Joana de Sousa Coutinho
Todos os sulfatos levam à deterioração do betão de cimento Portland mas o mecanismo
e grau de ataque depende do tipo de sulfato presente.
Sulfato de cálcio e sulfato de sódio
Enquanto que o sulfato de cálcio apenas reage com o aluminato de cálcio hidratado para
formar sulfoaluminato de cálcio, o sulfato de sódio reage com o hidróxido de cálcio livre,
formando-se sulfato de cálcio que por sua vez reage com a aluminato.
Reacção com sulfato de sódio:
Ca(OH)2 + Na2SO4.10H2O → CaSO42H2O + 2NaOH + 8H2O
(1)
gesso
Reacção com sulfato de cálcio:
4CaO.Al2O3.19H2O + 3(CaSO4.2H2O) + 16H2O→3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O + Ca(OH)2 (2)
aluminato
gesso
etringite
A reacção (1) prossegue enquanto houver condições para tal. Por exemplo, em água
corrente com fornecimento constante de sulfato de sódio e remoção do hidróxido de sódio
formado, a reacção prosseguirá até ao fim. No entanto se o hidróxido de sódio se acumular,
atingir-se-á um equilíbrio dependendo da concentração de sulfato de sódio. Por exemplo, para
uma concentração de 5% de sulfato de sódio só cerca de um terço do trióxido de enxofre é
depositado como sulfato de cálcio quando o equilíbrio é atingido e para uma concentração de
2%, cerca de um quinto.
Sulfato de magnésio:
O sulfato de magnésio tem uma acção mais devastadora do que os outros sulfatos pois
decompõe os silicatos de cálcio hidratados e reage com os aluminatos e hidróxido de cálcio.
3CaO2.SiO2aq. + MgSO4.7H2O → 3CaSO4.2H2O + 3Mg(OH)2 + 2SiO2aq.
gesso
gesso + aluminato → etringite + ........
5Durabilidade-Ataque por sulfatos
Joana de Sousa Coutinho
2. FORMAÇÃO RETARDADA DE ETRINGITE OU ATAQUE INTERNO POR SULFATOS
(DEF – delayed ettringite formation ou internal sulfate attack)
Este tipo de ataque (DEF) é habitual em betões de cimento portland que tenham sido
curados com tratamento térmico e depende dos materiais, condições de cura e condições
ambientais podendo-se distinguir facilmente por microscopia óptica ou electrónica da reacção
álcalis-agregado (ASR) e de outros mecanismos de deterioração (Skalny et al., 1996).
A reacção DEF pode se manifestar se:
- se verificou ausência de fontes externas de sulfatos
- história de cura por calor (ou demasiado calor desenvolvido durante a presa)
- presença de vacúolos em torno das partículas de agregados
- vacúolos proporcionais ao tamanho das partículas
(Skalny et al., 1996).
Nas Figuras 3 e 4 apresentam-se casos de microfissuras causadas por formação
retardada de etringite (Lawrence et al., 1990).
Figura 3 – Microfissura à superfície de uma viga pré-esforçada provavelmente causada por formação
retardada de etringite (Lawrence et al., 1990).
6Durabilidade-Ataque por sulfatos
Joana de Sousa Coutinho
Figura 4 – Microfissura provavelmente causada por formação retardada de etringite num provete de
betão de 21 anos (Lawrence et al., 1990).
Foi proposto um ensaio rápido (1 mês) para detectar este tipo de ataque. Este ensaio
desenvolvido no Canadá é designado por "Duggan test" (Grabowski et al., 1992).
3 ATAQUE POR SULFATOS COM FORMAÇÃO DE TAUMASITE
(TSA – thaumasite form of sulfate attack)
O mecanismo de ataque por sulfatos com formação de taumasite pode ser severo em
termos de estruturas de betão se na composição do betão forem usados constituintes
iinapropriados e o ambiente corresponder a solos com sulfatos.
O tipo de estruturas susceptíveis de ataque dos sulfatos com formação de taumasite são:
- fundações e lajes de pavimento em contacto com solos com sulfatos
- estradas e sub-bases
- tuneis e tubagens de esgotos
7Durabilidade-Ataque por sulfatos
Joana de Sousa Coutinho
Figura 5 – Betão sujeito ao ataque por sulfatos com formação de taumasite chega a transformar-se num
material friável, separável à mão (Wallace,1999 e ENBRI, 2001).
Na década de 80 e princípios dos anos 90 foram detectados no Reino Unido vários casos de
degradação de betão enterrado em que a matriz cimentícia tinha sido completamente substituída por
taumasite transformando o betão num material mole, empapado e sem coesão. Ultimamente têm sido
detectados bastantes mais casos em viadutos de autoestradas.
8Durabilidade-Ataque por sulfatos
Joana de Sousa Coutinho
ataque por sulfatos
( pontos 1 e 2 )
sulfatos + C3A → gesso
etringite
ataque por sulfatos
com formação de taumasite
(ponto.3)
sulfatos + CSH → taumasite
O ataque por sulfatos com formação de taumasite difere do ataque comum (com
formação de gesso e etringite – pontos 1 e 2) pois não são os aluminatos cálcicos hidratados
que são atacados mas sim os silicatos cálcicos hidratados (CSH).
Estes compostos são o principal agente ligante do cimento Portland incluindo o cimento
resistente aos sulfatos.
A substituição de CSH por taumasite é acompanhado da redução das propriedades
ligantes no betão endurecido com perda de resistência e transformação numa massa pastosa
sem coesão.
Condições para se formar taumazite.
As circunstâncias necessárias à formação de taumasite são a disponibilidade de:
- iões sulfatos
- iões carbonato
- silicatos cálcicos ou silicatos cálcicos hidratados
- humidade, água.
Uma fonte proeminente de iões carbonato é o calcário presente no próprio betão utilizado
como agregado ou filler embora se conheçam casos em que o carbonato tenha sido fornecido
do exterior.
É necessário uma fonte exterior de iões sulfato e água em quantidade.
Assim as obras com mais risco de ataque serão FUNDAÇÕES realizadas com agregados
calcários em solos com água e sulfatos.
Note-se que este tipo de ataque não permite detecção por inspecção de rotina acima do
nível do solo pois verifica-se em betão enterrado (ENBRI, 2001).
Este mecanismo parece muito mais grave que o mais bem conhecido fenómeno da
formação de etringite pois a formação de taumasite realiza-se à custa dos silicatos hidratados
de cálcio que são os principais contribuintes para a resistência do cimento portland. Muitos dos
casos estudados de ataque por sulfatos eram geralmente atribuídos ao fenómeno da formação
9Durabilidade-Ataque por sulfatos
Joana de Sousa Coutinho
de etringite devido ao processo de realização dos ensaios. A etringite é produzida quando os
sulfatos reagem com os aluminatos cálcicos hidratados que são constituintes secundários da
pasta de cimento endurecida e pouco contribuem para a resistência do betão (Parker, 1998).
Um cimento portland corrente tem entre 6 e 10% de aluminato tricálcico (C3A). Como se
sabe este composto reage de imediato com água, pelo que no fabrico de cimento é necessário
adicionar sulfato de cálcio, em geral sob a forma de gesso, para regular a presa. Na presença
de gesso, o aluminato tricálcico reage formando-se sulfoaluminato de cálcio insolúvel que, com
o tempo, se desdobra em aluminatos de cálcio hidratados. No entanto estes compostos em
presença de sulfatos provenientes do exterior convertem-se em etringite que é um
sulfoaluminato de cálcio expansivo que destrói a estrutura da matriz cimentícia causando a
desagregação do betão (Parker, 98).
No caso de o local da obra apresentar um teor elevado de sulfatos é prática corrente
especificar cimentos resistentes a sulfatos com um teor de C3A inferior a 3.5%. No entanto temse verificado que mesmo usando cimentos resistentes a sulfatos, o betão é vulnerável ao
ataque por sulfatos desde que exista uma fonte de carbonato de cálcio, sabendo-se hoje que
nem sequer é necessário que o carbonato de cálcio se encontre finamente dividido - mesmo
partículas de carbonato de cálcio de grandes dimensões podem provocar a formação de
taumasite sobretudo a TEMPERATURAS BAIXAS (Parker, 98).
No cimento resistente a sulfatos, a quantidade de silicatos hidratados de cálcio vulnerável
ao ataque por taumasite é, por incrível que pareça, mais elevado que em cimento portland.
Estes compostos (silicatos hidratados de cálcio) em condições de temperaturas baixas e
elevada humidade, reagem com os sulfatos provenientes do exterior (por ex. solo) e com os
carbonatos (agregados calcários) formando cristais translúcidos e moles de taumasite:
Ca Si O3 . Ca CO3 . Ca SO4 . 15H2O.
Segundo o organismo britânico BRE (British Research Establishment) no Reino Unido
40% do betão estrutural contém agregados calcários. Segundo aquele organismo a razão pela
qual o problema da taumasite foi tardiamente descoberto deveu-se ao facto da resistência aos
sulfatos ser tradicionalmente avaliado com base em ensaios com agregados siliciosos e a
temperaturas de 20oC pelo que qualquer ataque por sulfatos era atribuído à formação de
etringite (Parker, 98).
Portanto a formação de taumasite requer uma fonte de carbonato de cálcio como por
exemplo o fíler calcário usado nos cimentos modernos. As temperaturas baixas parecem de
facto conduzir à formação de taumasite. Foi estudada experimentalmente a formação de
taumasite com cimentos com variados teores de C3A e com o mesmo cimento portland (C3A
constante) mas percentagens de fíler calcário de 5 a 35%. Observou-se que a resistência aos
sulfatos diminui com o aumento da percentagem de fíler calcário sobretudo para adições
10Durabilidade-Ataque por sulfatos
Joana de Sousa Coutinho
superiores a 10% conduzindo a deteriorações muito mais rápida. Também parece que a
resistência aos sulfatos diminui com o aumento de C3A. As temperaturas mais baixas
favorecem a reacção. Também parece que a concentração de solução (de 0.14% de SO4 a
1.8% de SO4) não influi nos resultados. Estes estudos conduziram à recomendação por parte
do BRE, que o cimento portland de fíler calcário produzido de acordo com a BS 7583 não deve
ser empregue em condições de sulfatos superiores à classe 1 (EQ1 segundo E 378). A BS
7583 permite 20% de fíler calcário (Halliwell et al., 1996).
REFERÊNCIAS
“Lea´s Chemistry of Cement and Concrete”, Ed. Peter C. Hewlett, Ed. Arnold, UK, 1998.
Gonçalves, A. “Exigências relacionadas com a durabilidade do betão”. ATIC Magazine, nº25,
pp.41-48, Maio, 2000.
Wallace, J.”Strengthening thaumasite-affected concrete bridges”, CONCRETE, pp.28-29,
September, 1999.
""J. Skalny, V. Johansen, N. Thaulow e A. Palomo "DEF: Una forma de ataque por sulfatos".
Materiales de Construcción, vol. 46, nº 244 Octobre/Noviembre/Diciembre, 1996.
Halliwell; N. Crammond e A. Baker. "The thaumasite form of sulfate attack in limestone-filled
cement mortars".. Building Research Establishment, 1996.
Parker, Dave "Sulphate attack hits M5 bridges", New Civil Engineer, 2 April, 1998.
ENBRI Construction Technology in Europe, "Combating the thaumasite threat to concrete"
Issue 16, June, 2001.
Lawrence, C.;., Dalziel, J.A. Hobbs, D.W., "Sulphate attack arising from delayed ettringite
formation" Interim Technical Note 12. BCA – British Cement Association, May 1990.
Grabowski, E., Czarnecki, B., Gillot, J.E., Duggan, C.R. and Scott, J.F., "Rapid Test of Concrete
Expansivity due to Internal Sulfate Atack". ACI Materials Journal, pp. 469-480, Sept – Oct.,
1992 and Discussion,1993.
11Durabilidade-Ataque por sulfatos
Joana de Sousa Coutinho
Reacção dos sulfatos com os agregados
C3A
do cimento
Ambiente
exterior
Sulfatos
SO42Betão
(agregado
; cimento)
Exemplo:
+
presença
Ca(OH)2
CaSO4 .2H2O
+
Alumina do
agregados
Al2O3
expansiva
Al2O3 + 31H2O
gesso
Etringite:
Sulfoaluminato de
cálcio hidratado
3CaO.Al2+O...
3.
3CaSO4.31H2O
etringite
Como exposto, em geral o ataque por sulfatos incide sobre o aluminato tricálcico do cimento
hidratado 3CaO.Al2O3 (designação simplificada C3A).
As soluções de sulfatos podem reagir com o aluminato tricálcico do cimento hidratado ou com a
alumina do agregado, causando expansões, fissuração, descamação do betão, amolecimento e
desintegração
É possível então, verificar-se esse ataque sem que o cimento hidratado contenha aluminato tricálcico
desde que providenciado pelo agregado. De facto, se o agregado contém feldspatos caulinizados então
contém alumina (Al2O3) que pode reagir com os sulfatos. Se o betão se encontrar sobressaturado em
hidróxido de cálcio resultante da hidratação do cimento, forma-se sulfo-aluminato de cálcio hidratado –
etringite (ou sal de Candlot) acompanhado de forte expansão do betão e provocando a sua desagregação.
3CaO.Al2O3 . 3CaSO4 . 31H2O
Sulfoaluminato de cálcio hidratado
Ou
Etringite
Ou
sal de Candlot
Assim é importante evitar o uso de agregados contendo alumina pelo que se deve proceder ao
ensaio preconizado na especificação do LNEC E 251, "INERTES PARA ARGAMASSAS E BETÕES.
12Durabilidade-Ataque por sulfatos
Joana de Sousa Coutinho
Ensaio de reactividade com os sulfatos em presença de hidróxido de cálcio". Este ensaio consiste em
fabricar prismas de argamassa de 160 × 40 × 40 mm, com o agregado a analisar e, após 48 horas,
mergulhá-los em água do mar filtrada (contém sulfatos). Ao fim de seis meses, para que o agregado seja
considerado não reactivo, os prismas de argamassa não podem apresentar fendilhamento e a sua
extensão terá de ser inferior a 0,5 × 10-3, segundo a especificação do LNEC E 373, "INERTES PARA
ARGAMASSAS E BETÕES. Características e verificação da conformidade". Segundo esta especificação
o agregado também é considerado não reactivo com os sulfatos quando num ensaio com provetes de
rocha estes apresentam uma extensão inferior a 1,0 × 10-3 ao fim de 6 meses.
Para se determinar se o agregado é ou não susceptível de originar a decomposição do betão pela
acção dos sulfatos, talham-se prismas, por exemplo com 1 × 1 ×10 cm3, da rocha originária do agregado,
que se colocam dentro de uma solução de 2,6 g de sulfato por litro à qual se adicionam 10 a 20 g de
hidróxido de cálcio, o que conduz à sua sobressaturação em hidróxido, e observa-se a sua expansão. Em
vez da solução de sulfato pode usar-se água do mar à qual se adiciona também 10 a 20 g de hidróxido de
cálcio por litro de modo a obter a sua sobressaturação (Coutinho, 1988).
É ainda referido na especificação do LNEC E 373 que o ensaio de reactividade com os sulfatos é
exigido quando os:
- os betões ficam em contacto com a água do mar ou
- os betões ficam em contacto com água ou solos que contém sulfatos com teores iguais ou
superiores aos da água do mar (cerca de 2,2 g/lt.)
- os agregados exibem feldspatos.
Refere-se que em Portugal, em 1940, dois anos após o enchimento da doca nº 1 do porto de Leixões,
que foi construída a seco durante os anos de 1937 e 1938, começaram a verificar-se sintomas de alteração
das argamassas de refechamento dos blocos dos muros cais da doca, assim como a abertura de fendas
horizontais no paramento de alvenaria à altura do nível médio das marés; em 1941 notaram-se expansões
importantes nos muros cais.
O estudo desta alteração foi objecto de diferentes relatórios oficiais e em 1952 atribuía-se a alteração
à formação do sulfoaluminato expansivo, a expensas da alumina reactiva do agregado e não da
alumina do cimento, como até então se pensava. A questão foi estudada desde então em pormenor, os
primeiros resultados foram publicados em 1958 e os obtidos em diferentes estudos posteriores foram
publicados em 1965 (Coutinho, 1988).
In « Agregados para argamassas e betões », Joana de Sousa Coutinho
MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO 1, 1999,Edições DEC-FEUP