durabilidade e vida útil das estruturas hidráulicas de betão e de betão armado

22 Pages·2011·3.02 MB·Portuguese

1as Jornadas de MATERIAIS NA CONSTRUÇÃO 149
DURABILIDADE E VIDA ÚTIL DAS
ESTRUTURAS HIDRÁULICAS DE BETÃO E DE BETÃO ARMADO

ARMANDO CAMELO
Engº Civil
EDP Produção, SA
Porto - Portugal

SUMÁRIO

A construção de Aproveitamentos Hidroeléctricos em Portugal teve recentemente um
desenvolvimento relevante em face à aplicação do Plano Nacional de Barragens ao qual a EDP
não podia deixar de estar presente, em particular na qualidade de Projectista de barragens,
centrais hidroeléctricas e respectivas obras anexas. No enquadramento legal e normativo a
durabilidade destas estruturas em betão e em betão armado não será inferior a 100 anos pelo
que os critérios e especificações destes materiais nos respectivos projectos têm em
consideração a acção química das águas de contacto, as características relevantes das
propriedades dos betões que influenciam a durabilidade e, em particular, os condicionamentos
de prazos de construção e de aplicação em obra, resultantes dos gradientes térmicos
provocados por betonagens de elevados volumes correspondentes a aplicação do conceito de
“betão em massa”.

1. INTRODUÇÃO E ENQUADRAMENTO NAS OBRAS HIDRÁULICAS

O conceito de vida útil das estruturas em geral encontram-se definidos no Eurocódigo [1] como
o “período durante o qual se pretende que uma estrutura ou parte da mesma seja utilizada
para as funções a que se destina, com a manutenção prevista mas sem necessidade de grandes
reparações”, sendo os valores especificados naquela mesma norma em termos de categoria das
estruturas, e transcritos no DNA da NP EN 206 [2] conforme indicado na Tabela 1, pelo que a
categoria das estruturas ou parte das estruturas de betão e de betão armado a executar em
aproveitamentos hidroeléctricos deverá ser da categoria 5.
150 JMC’2011
Tabela 1: Categorias da vida útil das estruturas de betão.
Vida útil das obras
Exemplos
Categoria Anos
1 10 Estruturas temporárias
2 10 a 25 Partes estruturais substituíveis, p. ex., apoios
3 15 a 30 Estruturas para a agricultura e semelhantes
4 50 Edifícios e outras estruturas comuns
5 100 Edifícios monumentais, pontes e outras estruturas de engenharia civil

Por sua vez, e sobre o conceito de durabilidade, refere-se igualmente no Eurocódigo [1] que a
deterioração das estruturas não deve reduzir o seu desempenho ao longo da vida útil abaixo do
prescrito, tendo em conta as acções ambientais e o nível de manutenção previsto, sendo que
aquelas acções devem ser identificadas na fase de projecto de modo a estimar a durabilidade e
avaliar o grau de deterioração.

Esta identificação das acções ambientais é fundamental que seja desenvolvida na fase de
projecto em particular quanto aos seus valores característicos como é por exemplo o da
agressividade química das águas de contacto com as estruturas de betão e de betão armado e se
o efeito de “lixiviação” e/ou ataque químico são ou não severos. Haverá também que
diferenciar a capacidade incrustante que as águas de contacto têm ou não nos betões e se essa
diferenciação exige que sejam tomadas medidas de minimização contra os riscos de perda de
resistência ou de capacidade de passivação das armaduras.

Para além das características intrínsecas (desempenho e geometria) dos materiais aplicados nas
estruturas que influenciam o desenvolvimento do grau de deterioração dos betões, esta não
depende exclusivamente das acções ambientais mas também de factores relevantes de ordem
técnica e também de factores humanos relacionados com:

- características dos materiais constituintes dos betões seleccionados em fase de projecto;
- abordagem e técnicas de execução dos estudos de misturas de betão;
- níveis de controlo aplicado na obra pelos intervenientes;
- cumprimentos das tolerâncias de doseamento dos constituintes dos betões;
- a qualidade dos equipamento de fabrico, transporte, colocação e compactação dos betões;
- riscos de gradientes térmicos elevados entre os betões superficiais e a massa interna dos
volumes betonados (cujas condições fronteira – físicas e climáticas - são determinantes);
- condições de execução, por exemplo relacionadas com dificuldades em acessos;
- condições de segurança no trabalho;
- condições ambientais de execução associadas aos tempos de trajecto e de acessos aos
pontos de aplicação dos betões particularmente em obras subterrâneas;
- grau de ambientação, competências e condições de remuneração do pessoal afecto à
execução;
- níveis de controlo, monitorização e manutenção em fase de exploração;

Estes factores terão notoriedade acrescida em face dos graus de dificuldade de execução da
obra quer no que diz respeito aos volumes de trabalho envolvidos quer no que diz respeito aos
prazos exigidos aos intervenientes no processo construtivo.
1as Jornadas de MATERIAIS NA CONSTRUÇÃO 151
Assim, a deterioração das estruturas de betão e de betão armado nas estruturas hidráulicas,
apesar do elevado número de variáveis que afectam o processo, pode ser acautelado pela
consideração de requisitos e/ou especificações reconhecidas, mas tendo sempre em conta a
experiência obtida em construções anteriores e de semelhante grau de dificuldade, como aliás
se prevê naquele Eurocódigo [1].

Neste enquadramento, a observação e monitorização das obras existentes e em exploração são
fundamentais para a constante avaliação do seu desempenho, tendo em consideração as datas
de construção. Portugal tem em exploração 65 barragens cuja construção se iniciou em 1913
correspondente ao mais antigo registo de barragens existente na Comissão Nacional Portuguesa
das Grandes Barragens [3]

Na Fig. 1a) indicamos o número de barragens em Portugal em função da respectiva idade,
onde podemos observar um número já significativo (25) de obras com idades superiores a 50
anos, e na Fig.1b) podemos observar a evolução no tempo do número de barragens em função
da idade, observando-se que em 2050, dos actuais aproveitamento em exploração, 36 terão
mais de 75 anos e 9 terão mais de 100 anos.

Idade das Barragens em Portugal
No. e Idade das barragens em Portugal (betão e alvenaria) -ano de ref. -2011
(betão e alvenaria) -ano de ref. -2011
70
62
> 70
60
>50 Anos
60 a 70
50
s)50 a 60 ns 40
Idade (Ano3400 aa 4500 .de Barrage3400 25 30 36 >75 Anos
No20 17
20 a 30
10 7 9 >100 Anos
< 20 3 0 1 2
0
0 5 10 15 20 2011 2020 2030 2050
No.de barragens Ano
a) b)
Figura1: Número e idade das barragens existentes em Portugal.

Deste modo, recolhendo informação sobre a qualidade do betões aplicados naquelas obras a
partir de documentos da época da construção das barragens da EDP, e por outro lado
observando a evolução dos resultados da qualidade da água das albufeiras e ainda
acompanhando a monitorização do envelhecimento destas estruturas hidráulicas, obtemos
adequado ensinamento sobre os parâmetros e características que são mais relevantes para a
manutenção das estruturas durante a sua vida útil.

2. DETERIORAÇÃO E PATOLOGIAS DAS ESTRUTURAS DE BETÃO

Grande parte das estruturas de betão projectadas e executadas em Aproveitamentos
Hidroeléctricos são, como se referiu atrás, estruturas de “betão em massa”, com e sem
152 JMC’2011
armaduras (ver fig 2.), sendo que o conceito de “betão em massa” pode não ser apenas uma
questão de geometria de secção ou dimensão das estruturas.

De acordo com o ACI Committe 207 [4] betão em massa é definido como o “volume de betão
moldado no local com suficientes dimensões para exigir que sejam tomadas medidas para lidar
com a geração de calor interno originado pela hidratação do ligante e para lidar com a
correspondente variação de volumes para minimizar os riscos de fissuração”.

a
b c
Figura 2: Barragem do Alqueva (a e c) e difusor da central de Venda Nova II.

De salientar que podem enquadrar-se nesta definição secções com dimensão inferior a 1 metro
quando a aplicação do betão decorre épocas de elevado arrefecimento nocturno (caso dos
períodos dos equinócios em Portugal) e/ou de aplicação de misturas com elevadas dosagens em
ligante por imposição das classes de resistência e respectiva idade de verificação associadas ou
não a exigências de especificação ambiental (por exemplo numa classe XA2 com cimento do
tipo I a E464 [5] prescreve-se uma classe de resistência C40/50).

Por isso convém recordar que a própria norma NP EN 206-1 refere que podem ser requeridos
requisitos adicionais ou diferentes nos casos de aplicação de betões para estruturas em grandes
massas

As principais causas de deterioração das estruturas de betão em massa estão relacionadas com
ocorrência de fissuração e perda de propriedades físicas, químicas ou mecânicas dos betões
cujas ocorrências podem evidenciar-se em idade do betão ainda jovem e em idades mais
avançadas e ainda por factores associadas às tensões térmicas desenvolvidas durante a
construção ou desenvolvidas durante os ciclos térmicos anuais (ver Fig.3 e 4).
1as Jornadas de MATERIAIS NA CONSTRUÇÃO 153
Em idades mais jovens a ocorrência de patologias de deterioração na estrutura podem ter
origem nos seguintes factores :
- assentamento plástico do betão
- deficiente preparação das juntas de betonagem;
- insuficiente estanqueidade das cofragens;
- insuficiente capacidade resistente dos cimbres e cofragens
- deficiente cura originando retracção superficial ;
- retracção excessiva por elevadas tolerâncias de doseamento das misturas;
- excessiva variação granulométrica dos agregados em relação aos estudos de mistura;
- insuficiente rendimento de colocação do betão;
- gradientes térmicos de curta e longa duração;

a b

e
c d
Figura 3: Assentamento plástico do betão (a, b), RAA nas barragens de A. Ceira e Pracana
(c, d) e erosão de 11m no túnel do descarregador cheias com 2000m3 de volume
(Glen Canyon Dam).

Em idades mais avançadas outras factores são mais determinantes, tais como:
- fissuração devido a reacção expansivas alcali agregado (RAA), dos tipos alcali-silica,
alcali-silicato ou alcali.carbonato;
- fissuração por reacções sulfáticas internas expansivas pela exposição das estruturas a
águas com elevados teores em sulfatos ou por formação de etringite retardada.
- erosões excessivas por cavitação hidráulica ou caudal sólido importante

A estas causas de deterioração e de patologias nas estruturas de betão em aproveitamentos
hidroeléctricos acrescem ainda os fenómenos de envelhecimento correntes dos betões
associados à carbonatação nas zonas submersas e não submersas, sendo que naquelas a
velocidade de evolução é muitíssimo baixa.
154 JMC’2011

Figura 4: Efeitos tensionais dos gradientes térmicos numa barragem de secção gravidade.
Análise em fase de construção.

Na Fig.5 esquematizamos um modelo da interpretação dos fenómenos de deterioração das
estruturas de betão associadas às acções químicas (de carácter ambiental) e físicas e as
respectivas consequências nas estruturas. [6]

Figura5: Possíveis mecanismos envolvidos na deterioração das estruturas de betão(1).

(1) CSH – Silicatos hidratados de cálcio produzidos na hidratação do clinker.
1as Jornadas de MATERIAIS NA CONSTRUÇÃO 155
Noutros documentos encontramos igualmente modelos e estruturas dos mecanismos de
deterioração do betão nas situações mais correntes aos quais cabe igualmente fazer referência
como os indicados na NP EN 1504-9:2009 – “Produtos e sistemas para aprotecção e reparação
de estruturas de betão. Parte 9: Princípios gerais para a utilização de produtos e sistemas”.

Não consideramos como causas de deterioração as consequências de acções acidentais como
são o caso de sismos, de risco de incêndio, caudais de cheia excepcionais, para os quais o
projecto deverá prever dimensionamento adequado como se determina no Regulamento de
Segurança de Barragens [7].

3. IDENTIFICAÇÃO DAS ACÇÕES AMBIENTAIS EM OBRAS HIDRÁULICAS

3.1 Agressividade das águas de contacto com os betões

As águas de contacto com os betões desempenham um papel muito relevante na evolução dos
fenómenos de deterioração. No entanto não poderemos deixar de salientar que o betão saturado
em água num estado estacionário pode contribuir para um aumento da durabilidade do mesmo
betão.

Nas obras hidráulicas estão em contacto com a água os paramentos de betão da barragem a
montante e os paramentos das estruturas das tomadas de água, restituição, circuito hidráulico e
descarregadores de cheias e de fundo, com pressões variáveis consoante o aproveitamento, e
ainda com variações da mineralização da água. Além disso os paramentos em contacto com os
solos encontram-se também saturados, e aqui o grau de mineralização é também variado e
fortemente influenciado pelas características mineralógicas dos maciços rochosos onde essas
estruturas se apoiam.

Acresce que os gases dissolvidos na água das chuvas e nos cursos de água estão em geral em
equilíbrio com a atmosfera, mas após atingirem os aquíferos tendem a ficar retidos, como
acontece com o dióxido de carbono (CO ) e o oxigénio (O ), sendo o primeiro um gás
2 2
relativamente solúvel que, ao hidrolizar-se, produz ácido carbónico originando um
abaixamento do valor pH.

Também numa albufeira, a concentração de O na água é variável com a profundidade
2
(eutrofização da água com menos O e maior concentração de produtos azotados e fosfatados)
2
criando condições de maiores concentrações de anidrido carbónico agressivo pela capacidade
de dissolução do hidróxido de cálcio (CH) dos betões.

A caracterização da agressividade da água varia com a temperatura ao longo do ano alterando
assim a sua capacidade de dissolução. Também ao longo do período da vida útil da obra, a
água da albufeira tem maiores concentrações de matéria orgânica após o primeiro enchimento
devido à vegetação que fica submersa e, consequentemente apresenta maior concentração de
CO em idades mais avançadas do aproveitamento.
2

A classificação da agressividade química dos solos naturais e da águas subterrâneas é definida
na NP EN 206-1 [2] e está subdividida em 3 classes - XA1, XA2 e XA3 – como ligeiramente
agressiva, moderadamente agressiva e fortemente agressiva, respectivamente e em função das
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concentrações de sulfatos (SO 2-), dióxido de carbono agressivo (CO ), amónio (NH +),
4 2 4
magnésio (Mg2+) e do valor de pH (ver Tabela 2)

De salientar que os valores indicados naquela normativa são válidos para os limites de
temperatura entre 5ºC e 25ºC e considerando que o contacto da água com o betão se refere a
um estado quase estacionário, situação que ocorre nos paramentos da barragem mas não nos
circuitos hidráulicos ou nos descarregadores.

Tabela 2: Valores limite das classes de exposição para o ataque químico de solos e águas neles
contida conforme NP EN 206-1.

Nos casos correntes deveremos ainda contar com o poder dissolvente ou incrustante das águas,
definidas em função da variação da alcalinidade num ensaio de dissolução do carbonato de
cálcio na água da amostra registando a diferença entre o valore do pH obtido com o valor do
pH inicial, designado pelo parâmetro I [8].

Valores positivos de I com maior alcalinidade final significam que a água dissolve o carbonato
de cálcio e não é incrustante, valores negativos significam uma alcalinidade final inferior pela
precipitação do carbonato de cálcio e portanto a água é incrustante, e para valores nulos a água
não precipita o carbonato e por isso não protege o betão.

No entanto dever-se-á ter em conta a influência de iões agressivos na água, (sulfatos,
sulfuretos, magnésio, amónia) definindo-se assim a agressividade química como moderada ou
elevada conforme indicado na Tabela 3 [8].
1as Jornadas de MATERIAIS NA CONSTRUÇÃO 157
Tabela 3: Agressividade química da água.
Agressividade Índice Teor em iões Valor do poder
química I agressivos (mg(l) incrustante (mg/l)
≥ 300 - - -
Elevada I ≥ 0
- - - > + 25
I ≥ 0 < 300 < +25
Moderada
I < 0 > 300 - - -

Um outro critério que podemos referir [9] combina três parâmetros característicos: o valor do
pH, a mineralização relativa ao total de sais dissolvidos (TSD) e o índice saturação de
Langelier (i) com base no algoritmo de Morton [10]:

i = pH + log C + log A + 0,025 T – 0,011 S (1/2) – 12,3
onde
C é a dureza carbonatada da água (mg CaCO3/l);
A é a alcalinidade (mg CaCO3/l);
T é a temperatura da água entre 0ºC e 25ºC
S é total de sais dissolvidos (mg/l) com limite máximo de 1000mg/l.

Na Tabela 4 indicamos a classificação da potencialidade agressiva das águas aos betões de
acordo com este critério.

Tabela 4: Classificação da potencialidade agressiva da água [7].
Parâmetro Valores limite Classificação da agressividade
≤ 6 Elevado potencial agressivo
6 < pH ≤ 8 Aguas equilibradas mas poder dissolvente para TSD baixos
pH
8 < pH ≤ 10 Baixo ou nulo potencial agressivo
pH > 10 Potencial agressivo para os minerais silicatados
≤ 100 Elevado poder dissolvente
100 < TSD ≤ 300 Baixo poder dissolvente e moderado potencial agressivo
TSD
300 < TSD ≤ 800 Baixo ou nulo potencial agressivo
TSD > 800 Elevada probabilidade de conter iões agressivos ao betão
i ≤ (-3) Aguas fortemente agressivas
(-3) < i ≤ (-1) Aguas medianamente agressivas
i
(-1) < i ≤ 1 Aguas pouco agressivas
i < 1 Aguas não agressivas

Dadas dificuldades na realização de estudos de previsão de mineralização e eutrofização das
águas numa albufeira, recorre-se em geral ao comportamento em outras albufeiras com as
devidas correlações em relação às características litológicas, geológicas e geotécnicas dos
maciços a montante dos aproveitamentos.

Também é importantes a análise histórica da evolução dos parâmetros característicos da água
das albufeiras, valores monitorizados pelos Laboratórios de EDP (Labelec) que nos permitem
correlacionar e obter modelos de previsão da agressividade das águas para os betões da obras
hidráulicas.
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3.2 Influência dos agregados na deterioração dos betões

As normativas nacionais aplicadas aos agregados para betão determinam a aptidão destes
constituintes a partir de ensaios de caracterização mecânica, física, geométrica e química,
parâmetros que devem ser convenientemente avaliados na fase de projecto ou antes do início
da obra que permitam estabelecer quais as medidas a adoptar na formulação das misturas de
betão ou adoptar medidas preventivas de protecção ou minimização de riscos expansão
potencial por ocorrências de reacções expansivas internas.

Com efeito, de acordo com a norma NP EN 206-1:2007 e respectivo DNA e ainda do NP EN
206-1:2007 EMENDA 1:2008, determina-se que, sobre a caracterização dos agregados, se
tenham em consideração as seguintes normativas:

a) NP EN 12620:2002+A1:2010 que regulamenta a Marcação CE dos agregados para
betão;
b) A Especificação LNEC E467:2006 - Guia para a utilização de agregados em betões de
ligantes hidráulicos;
c) A Especificação E461:2007 – Betões: Metodologias para prevenir reacções
expansivas internas.

Em obras de aproveitamentos hidráulicos, os volumes de betão envolvidos são , em geral, de
quantidades significativas, pelo que no início da exploração de manchas de empréstimo
associadas à construção das obras, devem ser devidamente caracterizadas.

As manchas de empréstimo podem ter origem em pedreiras para exploração da rocha após
realização de reconhecimento litológico e geotécnico do maciço pelos métodos convencionais,
ou podem ter origem em depósitos aluvionares naturais avaliando-se em ambos os casos os
volumes necessários comparados com os volumes disponíveis de exploração após eliminação
das perdas habituais de desmonte e processamento.

Em ambos os casos é fundamental que caracterização seja levada a cabo utilizando recolha de
sondagens até profundidades adequadas com furação à rotação que permita recolher de
amostras da rocha mãe (ver Fig.5), e no caso de depósitos aluvionares pela realização de poços
de prospecção com recolha de amostras a diferentes profundidades em face da estratificação
natural em que se apresentam estes materiais.

Para além da determinação das propriedades mecânicas e físicas da rocha, são realizados no
mínimo os seguintes ensaios:

- análise petrográfica de diferentes fácies da rocha com avaliação do potencial reactivo aos
álcalis segundo E461 e RILEM AAR-1[11];
- analise mineralógica do rocha
- analise química da rocha
- avaliação do grau anisotropia da rocha
- ensaios de fracturação experimental em moinho laboratorial
- determinação das propriedades físicas e geométricas dos agregados grossos e finos
produzidos na fracturação exprimental;