Uso de Reflectometria de microondas de campo próximo para monitoramento na cicatrização autôgena de microfissuras em materiais cimentícios

As estruturas de concreto estão intrinsecamente suscetíveis à formação de microfissuras. Ao longo do tempo, a microfissuração pode levar à formação de aberturas maiores, denominadas trincas e/ou rachaduras, mediante a ação de esforços estruturais e/ou agentes ambientais. A microfissuração causa impacto negativo na durabilidade e na integridade estrutural do concreto, limitando assim sua vida útil. No entanto, dado a capacidade de cura autógena de materiais cimentícios sob certas condições, as microfissuras podem se reabilitar devido às interações existentes entre materiais de cimento, água e o ambiente ao redor (Qian et al., 2009; Sakai et al., 2003). Segundo Tittelboom e Belie (2013) essa cicatrização autógena do concreto está relacionada com a composição física e/ou química da matriz cimentícia e tem como principais causas:

• A formação de carbonato de cálcio (CaCO₃) e cálcio hidróxido (Ca(OH)₂);
• A sedimentação de partículas e grãos de cimento soltos na presença de água;
• O processo contínuo de hidratação de materiais cimentícios não hidratados e a reação pozolânica associada ao uso de adições no cimento;
• O aumento de volume da matriz cimentícia.

Embora a hidratação contínua de ácidos não hidratados juntamente com a reação pozolânica devido ao uso de adições no cimento são considerados os principais fatores que contribuem para a cicatrização de microfissuras em estágios iniciais, a cura autógena também ocorrerá em idades mais avançadas, causada principalmente pela precipitação do carbonato de cálcio (Edvardsen, 1999). É importante notar que a presença de água é um componente primário para a ocorrência de cicatrização autógena e, portanto, as condições de exposição desempenham um papel importante nesse processo. Sisomphon et al. (2013) relataram que a recuperação ideal de propriedades mecânicas causadas pela cicatrização autógena em microfissuras no concreto pode ocorrer sob exposição cíclica de molhagem/secagem, enquanto que nenhuma recuperação foi observada para amostras expostas apenas à secagem ao ar. Além disso, a cicatrização autógena ocorre principalmente em fissuras estreitas, conforme relatado por Ferrara et al. (2016). Segundo Edvardsen (1999), quando a abertura máxima da microfissura não excede 200 a 300 mm, as mesmas podem ser completamente fechadas devido ao sistema de cicatrização autógena.

Uma série de ensaios destrutivos e não destrutivos têm sido empregados a fim de avaliar e monitorar a capacidade de cicatrização autógena em estruturas de concreto. Dentre os ensaios não destrutivos, têm-se como técnicas empregados: frequência de ressonância (Yang et al., 2009); emissão acústica (Tittelboom et al., 2012); resistividade elétrica (Yildirim et al., 2015); tomografia computadorizada de Raios-X (Snoeck et al., 2016); velocidade de pulso ultrassônica (UPV) (Jacobsen et al., 1995) e mais recentemente o método de difusão do ultrassom (In et al., 2013), e a interferometria de onda (Liu et al., 2016). Por se tratar de um processo lento, no qual papel importante é desempenhado pelas pequenas mudanças graduais nas características do material, os métodos de ensaios não destrutivos utilizados para avaliar a cicatrização autógena devem ser suficientemente sensíveis a pequenas alterações nas propriedades dos materiais, bem como no fluxo de água que ocorre internamente.

Nesse aspecto, ensaios não destrutivos com uso de microondas têm se tornado uma boa promessa para avaliar e caracterizar uma variedade diversificada de materiais à base de cimento. Trata-se de uma técnica unilateral (ou seja, não é necessário ter acesso a dois ou mais lados de uma amostra), rápida, fácil de empregar e cujos dados obtidos podem ser correlacionados com as mudanças nos materiais (Kharkovsky e Zoughi, 2007). Como um sinal de microondas reflete a partir de um material dielétrico, suas propriedades (magnitude e fase) mudam em função de parâmetros tais como as propriedades dielétricas, volume dos agregados e nível de homogeneidade dos materiais constituintes (Zoughi, 2012). A constante dielétrica de um material à base de cimento é diretamente afetada por esses fatores, além da relação água-cimento e das reações químicas contínuas (ou seja, hidratação de cimento, por exemplo).

No ensaio não destrutivo de microondas a magnitude do coeficiente de reflexão, medida por um transdutor unilateral e conduzido em diferentes frequências operacionais, correlaciona-se bem com os parâmetros acima mencionados. Alguns dos estudos anteriores realizados usando técnicas não destrutivas com microondas incluem:

• Determinação da relação água-cimento (a/c) (Bois et al., 1998; Mubarak et al., 2001);
• Determinação da resistência à compressão de pasta cimentícia e argamassa (Zoughi et al., 1995);
• Avaliação da proporção areia/cimento em argamassa;
• Detecção de segregação dos agregados (Bois et al., 1999);
• Monitoramento de mudanças nas propriedades dos materiais do concreto como hidratação (transformação de água livre em água quimicamente adsorvida) (Bois et al., 1999);
• Avaliação da entrada de cloreto em argamassa submetida a exposições cíclicas de molhagem/secagem (Peer et al., 2003);
• Avaliação da formação de fissuras para amostras de argamassa submetidas a carga compressiva cíclica (Peer et al., 2003);
• Detecção da carbonatação e reações alcalinas-sílica (Hashemi et al., 2014; Donnell et al., 2013);
• Por fim, avaliação da distribuição de fibras de aço em argamassa (Foudazi et al., 2016; Mehdipour et al., 2017).

A sensibilidade dos sinais de microondas às variações causadas pelo transporte de água (isto é, presença de água livre e transformação em água adsorvida, capilaridade e ciclos de molhagem/secagem, dentre outros) e a formação de microfissuras devido a esse fenômeno torna essa técnica uma abordagem atrativa para o monitoramento relativo ao desempenho da cicatrização autógena.

Em estudo recente realizado por pesquisadores da University of California e Missouri University of Science and Technology, foi avaliado a viabilidade do uso Refletometria de microondas de campo próximo para monitorar, de forma não destrutiva, o processo de cicatrização autógena de microfissuras em amostras de argamassa. No estudo, os pesquisadores montaram corpos de prova em argamassa de 45% Cimento Portland, 20% de escória e 35% de cinzas volantes de Classe C e com e sem o uso de adições pozolânicas, para posterior comparação relativa à interação dessas amostras com os sinais de microondas. Complementarmente, os pesquisadores também correlacionaram com as medidas de transmissão ultrassônica para amostras de argamassa fissuradas durante ciclos de molhagem/secagem ciclos. Segundo os pesquisadores, os resultados demonstram a viabilidade dessa técnica para monitoramento da cicatrização autógena, mediante as seguintes observações:

• As variações na dispersão das micro-ondas causadas pelas microfissuras foram maiores para frequências em torno de 10 GHz em comparação com frequências de 3 GHz. As primeiras apresentaram 80% e 107% dos valores de Coeficiente de Reflexão para antes e depois da fissuração, respectivamente, quando comparado com resultados obtidos para a frequência de 3 GHz. De acordo com os pesquisadores, isso é atribuído à maior sensibilidade que ocorre em frequências mais altas de operação quanto ao nível de não homogeneidade do meio de argamassa causada pelas microfissuras.
• Quando submetido a ciclos de molhagem/secagem, a variação na reflexão das microondas para as amostras fissuradas diminuiu, especialmente para a frequência operacional de 10 GHz. Esse comportamento foi mais evidente para argamassas com adição de pozolana, dadas as reações causadas por esse material. Após 10 ciclos de molhagem/secagem, os corpos de prova exibiram valores de variação aproximadamente 52% menor se comparados com o primeiro ciclo. Já para a argamassa de Cimento Portland simples, ou seja, sem adição, essa redução foi de apenas 17%;
• Os pesquisadores argumentam que a variação no Coeficiente de Reflexão pode ser dividida em três partes: (I) correspondente a uma significativa variação nas propriedades de reflexão de microondas resultantes da formação de fissuras e entrada de umidade após o primeiro ciclo de molhagem/secagem; (II) indicando o início do processo de cicatrização conforme identificado pela redução na tendência do coeficiente de variação; e (III) representando a desaceleração do processo de cicatrização indicado pelos valores do coeficiente de variação relativamente constantes durante os ciclos adicionais de molhagem/secagem;
• As análises de Difração dos Raios-X, escaneamento através de microscópio eletrônico juntamente com a espectrometria de dispersão de energia revelaram que a os materiais de cicatrização autógena eram compostos principalmente por CaCO₃ misturado com C-S-H/Ca(OH)₂;
• Por fim, os pesquisadores obtiveram uma correlação linear entre as tendências na variação do Coeficiente de Reflexão determinada a partir da medição das microondas e do tempo de transmissão obtidos no ensaio ultrassônico.

Na figura abaixo, é possível visualizar a evolução dessa cicatrização para 10 e 73 dias, respectivamente.

Através desse estudo, é possível então aprimorar o controle tecnóligo da construção, como também a prevenção de patologias futuras, causadas pela microfissuração inicial dos elementos cimentícios, porta de entrada para agentes agressivos, tais como cloretos, dentre outros.

O resultado completo do estudo, bem como a metodologia aplicada você pode conferir no link logo abaixo:

https://www.researchgate.net/publication/320804944_Feasibility_of_using_nearfield_microwave_reflectometry_for_monitoring_autogenous_crack_healing_in_cementitious_materials

 

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