A carbonatação do betão é o processo químico que ocorre quando o dióxido de carbono (CO₂) na atmosfera reage com o hidróxido de cálcio no betão, resultando numa redução da sua alcalinidade. É um processo relativamente lento que se nota ao longo do tempo na superfície do betão e penetra gradualmente no material, afetando a sua microestrutura. O carbonato de cálcio resultante desta reação reduz a alcalinidade do betão.
A reação química que ocorre é a seguinte:
Hidróxido de Cálcio + Dióxido de Carbono → Carbonato de Cálcio + Água
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O
O processo de carbonatação é afetado por fatores como a qualidade do betão, a sua porosidade, as condições ambientais e climáticas, a concentração de dióxido de carbono na atmosfera, a presença de humidade no material e no ambiente, e a presença de fissuras e fendas na superfície que permitem a penetração do dióxido de carbono no betão.
No entanto, a carbonatação não é diretamente prejudicial para o betão em si, uma vez que apenas reduz a sua alcalinidade. Em geral, o betão como material é altamente alcalino e esta alcalinidade atua como uma camada protetora para o aço embutido na sua armadura. Ao reduzir a alcalinidade, a proteção do aço da armadura fica comprometida, deixando de prevenir a sua corrosão e destruição.
Se a carbonatação penetrar profundamente no betão, pode causar vários efeitos negativos nos edifícios e nas suas construções. O efeito mais importante é a corrosão da armadura. Como a carbonatação reduz a alcalinidade que protege a armadura, o aço começa a corroer e a deteriorar-se, pois fica mais exposto à humidade, à água, às condições ambientais e ao oxigénio da atmosfera. Isto provoca a sua destruição, oxidando-o e, finalmente, a construção perde integridade estrutural.
Além disso, a corrosão do aço da armadura enfraquece a sua aderência ao betão envolvente e, por extensão, provoca uma redução da sua resistência mecânica e estabilidade estrutural. Isto resulta em fissuração, decapagem, lascagem ou descolamento de fragmentos de betão da superfície da estrutura, levando à perda de funcionalidade ao longo do tempo se não forem tomadas as medidas preventivas necessárias.
O Betão Armado em Palavras Simples
Os varões de aço ou armaduras são utilizados para melhorar a resistência à tração do betão, uma vez que o betão é muito fraco à tração, mas forte à compressão. O aço é o único material utilizado como armadura porque o seu alongamento devido às altas temperaturas (coeficiente de expansão térmica) é quase igual ao do betão. Os varões são protegidos da corrosão por uma fina camada superficial de óxido de ferro hidratado, formada devido à elevada alcalinidade do betão, pH (aprox. 13), que por sua vez se deve ao Ca(OH)₂.
Esta camada pode ser perfurada localmente (corrosão por picada / pitting) por iões de cloreto quando a sua concentração é superior a cerca de 0,5% em peso do cimento, ou dissolver-se (despassivação do aço) devido a uma diminuição da alcalinidade do betão em redor da armadura para valores de pH em torno de 9. Os cloretos podem provir da atmosfera (especialmente em zonas costeiras), do interior do betão (se tiverem sido utilizados agregados contaminados ou água de amassadura salgada) ou de sais fundentes (anticongelantes).
A redução do pH do betão para valores inferiores a 9 é causada pela reação do Ca(OH)₂ da pasta de cimento com o CO₂ atmosférico, que se difunde gradualmente para o interior do betão através dos poros. Esta reação forma carbonato de cálcio e chama-se carbonatação.
A carbonatação acelera grandemente a ação dos cloretos: o Ca(OH)₂ da pasta de cimento reage com os cloretos e fixa-os, limitando assim a quantidade que se difunde para a armadura abaixo dos cerca de 0,5% necessários para destruir o óxido protetor. No entanto, com a reação do Ca(OH)₂ durante a carbonatação, os cloretos fixados são libertados, atacando o aço.
A perda do óxido protetor da armadura (óxido de ferro hidratado) pode levar à oxidação, que é uma reação eletroquímica com a água dos poros (eletrólito). Onde o óxido protetor é destruído, cria-se um ânodo, a partir do qual os catiões de ferro se dissolvem na água dos poros, deixando para trás eletrões livres. Estes eletrões movem-se através da armadura para o cátodo, que se pode formar em qualquer ponto do varão. No cátodo (que pode ser toda a superfície restante do varão), os eletrões livres combinam-se com a água dos poros do betão e com o oxigénio nela dissolvido (da fase gasosa dos poros), originando hidroxilo, OH⁻.
Os aniões de hidroxilo movem-se através da água dos poros até ao ânodo, onde reagem com os catiões de ferro dissolvidos, formando assim óxidos de ferro (ferrugem) e recompondo a água que tinha sido eletrolisada no cátodo. Sublinha-se aqui que a presença de água é necessária para a reação, embora a reação global seja apenas entre o oxigénio e o ferro.
A corrosão do aço reduz a secção transversal dos varões da armadura (e consequentemente a sua eficácia), mas também a sua ductilidade. Além disso, como os produtos da corrosão do aço ocupam um volume consideravelmente maior (2 a 6 vezes superior) do que o aço que os originou, a ferrugem induz tensões internas no betão envolvente, provocando a fissuração ao longo de planos radiais que passam pelo eixo do varão. De facto, quando a espessura do recobrimento de betão é reduzida e/ou a armadura transversal (estribos) no varão corroído é pouca ou inexistente, esta fissuração atinge a superfície.
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Do exposto, conclui-se que para a armadura oxidar, os poros do betão devem estar parcialmente (e não totalmente) preenchidos com água, de modo a permitir um fornecimento contínuo de ar para a difusão do oxigénio no interior da massa de betão. De facto, isto explica por que razão os elementos estruturais de betão que estão permanentemente submersos em água ou constantemente molhados por ela não apresentam problemas de corrosão.
Além disso, se a humidade relativa do ambiente for baixa (por exemplo, abaixo de 50%) enquanto os microporos estão permanentemente cheios de água, os poros capilares não têm uma camada contínua de água nas suas paredes para desempenhar o papel de eletrólito. Assim, há casos frequentes em zonas da Grécia com clima seco onde o betão que envolve a armadura está completamente carbonatado sem que esta se tenha corroído.
A presença de água nos poros é também necessária durante a fase preparatória da corrosão, para o transporte de eventuais cloretos do exterior para os varões, mas também para a reação do CO₂ com o Ca(OH)₂ dissolvido durante a carbonatação. O transporte de cloretos é mais rápido quando os poros estão quase cheios de água, ou seja, para uma humidade relativa ambiente próxima de 100% ou quando o elemento estrutural está parcialmente submerso em água (devido à ascensão capilar). Em contrapartida, a carbonatação requer poros parcialmente cheios para permitir a difusão do CO₂ para o interior, resultando numa velocidade de carbonatação máxima para humidades relativas em torno dos 50%.
Como o betão expele água (por evaporação) com maior dificuldade do que a absorve quando a humidade relativa flutua e/ou quando o betão é periodicamente molhado, a quantidade média de água nos seus poros é maior do que a correspondente à humidade relativa média do ambiente. Esta quantidade extra de água abranda a carbonatação, razão pela qual o betão em contacto com o ambiente exterior se carbonata a uma profundidade menor do que o seu homólogo em espaços interiores.
Esta diferença interior-exterior inverte-se nos processos favorecidos por um elevado grau de saturação da água dos poros, como a intrusão de cloretos e a progressão da corrosão após a despassivação da armadura. Assim, quando a carbonatação (na ausência de cloretos) é responsável pela corrosão, o risco de corrosão é máximo para uma humidade relativa ambiente de cerca de 80%, diminuindo para metade quando a humidade relativa é de 60% ou 95%, e para 1/5 quando é de 50% ou quase 100%.
Na presença de cloretos, contudo, o risco de corrosão é máximo para uma humidade relativa de cerca de 90%, sendo reduzido para metade quando a humidade relativa é de 60% ou 95%, e para 1/3 quando é de 50% ou quase 100%. Portanto, o clima seco não favorece a corrosão das armaduras; o que geralmente a causa são as alternâncias de humedecimento e secagem.
Resumo sobre a Carbonatação
Ações Químicas:
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O
- É necessária uma pequena quantidade de água.
- Percentagem máxima de carbonatação numa atmosfera com humidade relativa de 50-70%. No betão saturado de água, a difusão do CO₂ nos poros é impedida.
- É limitada desde que se impeça a difusão do CO₂ e da humidade.
Ações Físicas:
- Penetração de humidade e CO₂ através da porosidade.
- É limitada através da melhoria (redução) da porosidade.
Consequências:
- Redução do pH, aumentando o risco de corrosão da armadura.
O custo de manutenção e reparação de edifícios e estruturas que sofreram carbonatação prolongada exige intervenções dispendiosas. Para evitar danos maiores, é necessário tratar a carbonatação nas suas fases iniciais, e melhor ainda, tomar as medidas preventivas necessárias antes que esta seja detetada.
A mitigação e a proteção das estruturas e edifícios contra a carbonatação do betão são de vital importância para garantir a longevidade e durabilidade do material e para evitar a corrosão do aço estrutural. Algumas das ações que contribuem para esta proteção são a seleção de uma mistura de betão de alta qualidade com uma baixa relação água-cimento durante a construção, bem como o posicionamento de uma espessura de recobrimento suficiente para proteger a armadura. O uso de inibidores de corrosão como adjuvantes na mistura do betão abranda o processo de corrosão, reduzindo a velocidade a que o aço reage com o betão carbonatado.
A selagem e impermeabilização do betão, tanto em superfícies horizontais como verticais, protege o material contra a água e contra a exposição ao dióxido de carbono atmosférico. A escolha de um sistema de impermeabilização adequado e de qualidade, além de reforçar a proteção do betão contra a penetração de água, evita o excesso de humidade que pode acelerar o processo.
Os ensaios de determinação da profundidade de carbonatação para avaliar o estado de degradação, aliados a uma manutenção regular e à reparação imediata das estruturas que apresentem danos ou sinais de carbonatação, travam o avanço da patologia e reduzem drasticamente os custos futuros de reabilitação. A implementação destas medidas de prevenção e reparação aumenta significativamente a proteção das estruturas e edifícios contra a carbonatação do betão, prolongando a sua vida útil.
