Curso de Especialização em Engenharia Ferroviária - Módulo 8 - Infraestrutura ferroviária

Ensaios Não Destrutivos para Avaliação de Estruturas e Fundações em Concreto

Prof. Remo Magalhães de Souza, Eng. Civil, M.Sc., Ph.D.

Principais Ensaios Não Destrutivos (END) para avaliação de estruturas de concreto

  1. Ensaios de frente de carbonatação – para verificação da carbonatação do concreto, e possível despassivação da armadura.
  2. Ensaio com esclerômetro – para estimativa da resistência do concreto à compressão in-situ, por meio da avaliação da dureza superficial do concreto.
  3. Ensaios com ultrassom – para verificação da integridade do concreto e avaliação da resistência a compressão e módulo de elasticidade, a partir da velocidade de propagação de pulso ultrassônico.
  4. Ensaio com pacômetro – para detecção e determinação do diâmetro de armaduras e espessura de cobrimento.
  5. Ensaios de potencial de corrosão – para identificação de áreas com maior probabilidade de ocorrência de corrosão nas armaduras dos elementos estruturais em concreto armado.

1. Ensaio de carbonatação do concreto

1. Ensaio de carbonatação do concreto

1.1. Procedimento normativo e materiais necessários

  • Ensaio de carbonatação – consiste na determinação da profundidade da frente de carbonatação no concreto, a partir da avaliação da faixa de pH do concreto, usando-se um indicador (usualmente solução de Fenolftaleína).
  • Norma de referência – norma britânica BS EN 14630-2006 – Products and systems for the protection and repair of concrete structures — Test methods — Determination of carbonation depth in hardened concrete by the phenolphthalein method;
  • Carbonatação – a formação de carbonato de cálcio causa a redução do pH do concreto, possibilitando a despassivação da armadura, o que pode levar à sua corrosão.
  • Preparação da substância de fenolftaleína – uma solução de indicador de fenolftaleína normalmente é preparada dissolvendo-se 1g de fenolftaleína em 70ml de álcool etílico e diluindo-se a solução para 100ml com água destilada ou deionizada (item 3 da BS EN14630-2006);
  • Método de medição da carbonatação – utiliza-se o indicador fenolftaleína, que reage com o pH do concreto para revelar a profundidade da zona não carbonatada.
Norma Britânica BS EN 14630-2006 – Products and systems for the protection and repair of concrete structures — Test methods — Determination of carbonation depth in hardened concrete by the phenolphthalein method

Norma Britânica BS EN 14630-2006 – Products and systems for the protection and repair of concrete structures — Test methods — Determination of carbonation depth in hardened concrete by the phenolphthalein method

1. Ensaio de carbonatação do concreto

1.2. Etapas do ensaio de carbonatação

  • Amostragem – Ensaios in situ podem ser realizados por meio de talhagem (fratura) na estrutura em investigação, de modo a expor uma área adequada de concreto recém-fraturado. O ensaio é normalmente realizado in situ.
  • Execução do ensaio – a substância de fenolftaleína é aspergida sobre a superfície do concreto recém-fraturado.
  • Reação da fenolftaleína – em valores de pH acima de aproximadamente 9, o indicador colore o concreto de vermelho‑arroxeado.
  • Profundidade da frente de carbonatação – a profundidade da frente de carbonatação é medida a partir da linha de fratura, podendo-se utilizar uma régua metálica e trena.
  • Resultados – a profundidade da frente de carbonatação é determinada a partir da linha de fratura.
  • Cobrimento e proteção do concreto – a profundidade da frente de carbonatação deve ser inferior à espessura do cobrimento do concreto (a qual pode ser medida com pacômetro).
  • Efeito da carbonatação na dureza superficial do concreto – a carbonatação pode causar um aumento da dureza superficial do concreto, o que pode levar a resultados de ensaios de esclerometria com valores mais elevados do que os reais.
Remoção do concreto de uma estaca para ensaio de carbonatação

Remoção do concreto de uma estaca para ensaio de carbonatação

2. Ensaio de esclerometria para estimativa da resistência do concreto

2. Ensaio de esclerometria para estimativa da resistência do concreto

2.1. Equipamento, procedimento normativo e execução do ensaio

  • Esclerômetro – Equipamento utilizado para a realização do ensaio de esclerometria, disponível em versões analógica e digital
  • Norma de referência – ABNT NBR 7584:2012 - Concreto endurecido – Avaliação da dureza superficial pelo esclerômetro de reflexão – Método de Ensaio
  • Mecanismo de funcionamento – O esclerômetro consiste em uma massa-martelo que, impulsionada por uma mola, se choca com a área de ensaio através de uma haste e, a partir da energia de impacto e do deslocamento de retorno da haste, é possível se obter uma medida de dureza superficial do concreto, denominado índice esclerométrico.
  • Calibração do equipamento – O esclerômetro deve ser aferido antes de sua utilização ou a cada 300 impactos realizados na mesma inspeção, por meio de ensaios em bigornas de aço
  • Área de ensaio – Em cada área de ensaio, devem ser efetuados 16 impactos, formando um grid 4x4, com espaçamento de 30mm
  • Locais recomendáveis para ensaio – Sempre que possível, o ensaio deve ser realizado na posição de maior momento de inércia do elemento estrutural
  • Exemplos de ensaio – Execução do ensaio de esclerometria realizados pela empresa Dynamis Techne
Esclerômetro analógico original Schmidt

Esclerômetro analógico original Schmidt

2. Ensaio de esclerometria para estimativa da resistência do concreto

2.2. Tratamento estatístico dos resultados

  • Média inicial - Calcular a média aritmética dos 16 valores individuais (impactos) dos índices esclerométricos correspondentes a uma única área de ensaio;
  • Resultados espúrios - Desprezar todo índice esclerométrico individual que esteja afastado em mais de 10% do valor médio obtido e calcular a nova média aritmética;
  • Índice esclerométrico médio final
    • O índice final deve ser obtido com no mínimo cinco valores individuais;
    • Quando isso não for possível, o ensaio esclerométrico dessa área deve ser desconsiderado;
    • Nenhum dos índices esclerométricos individuais restantes deve diferir em mais de 10% da média final;
    • Se isso ocorrer, o ensaio esclerométrico dessa área deve ser desconsiderado.

2.Ensaio de esclerometria para estimativa da resistência do concreto

2.2. Tratamento estatístico dos resultados

Tabela com análise dos resultados do ensaio de esclerometria, incluindo os índices individuais, médias e valores espúrios.
Tabela com análise dos resultados do ensaio de esclerometria, incluindo os índices individuais, médias e valores espúrios.

2. Ensaio de esclerometria para estimativa da resistência do concreto

2.3. Curva de conversão entre índice esclerométrico e resistência à compressão do concreto

  • Curva de conversão – relaciona o índice esclerométrico médio final com a resistência à compressão, permitindo a estimativa da resistência do concreto in situ a partir dos resultados de esclerometria.
  • Posição do esclerômetro e direção do impacto – de acordo com a seção 5 da ABNT NBR 7584:2012, “Corrigir, se necessário, o valor médio do índice esclerométrico obtido de uma área de ensaio para um índice correspondente à posição horizontal. Os coeficientes de correção devem ser fornecidos pelo fabricante do esclerômetro”.
  • Fator de forma dos testemunhos – utilizado para correção da resistência, levando em conta as dimensões e forma dos corpos de prova considerados na curva de conversão.
  • Energia de impacto
    • De acordo com a seção A.2 da ABNT NBR 7584:2012, “O princípio do método consiste basicamente em determinar a energia de impactos da massa-martelo sobre uma superfície de concreto”.
    • A energia de impacto é, em parte, utilizada na deformação permanente provocada na área de ensaio e, em parte conservada elasticamente, propiciando, ao fim do impacto, o retorno do martelo. Quanto maior a dureza da superfície ensaiada, menor a parcela de energia que se converte em deformação permanente e, por conseguinte, maior deve ser o recuo ou reflexão do martelo.
Curva de conversão baseado na média de resistências à compressão do concreto, e o índice esclerométrico R, para o esclerômetro original Schimdt

Curva de conversão baseado na média de resistências à compressão do concreto, e o índice esclerométrico R, para o esclerômetro original Schimdt

2. Ensaio de esclerometria para estimativa da resistência do concreto

2.4. Fatores que influenciam os resultados do ensaio de esclerometria (Anexo C - ABNt NBR 7584:2012)

  • Tipo de cimento – A influência do tipo de cimento é significativa na obtenção do índice esclerométrico, sendo necessário proceder a novas correlações sempre que houver mudança do tipo do cimento.
  • Tipo do agregado – Diferentes tipos de agregados podem fornecer concretos com a mesma qualidade, porém com diferentes índices esclerométricos.
  • Tipo de superfície – O estado da superfície a ser ensaiada é normalmente o que mais acarreta variabilidade dos resultados.
  • Condições de umidade da superfície – Superfícies úmidas podem provocar subestimativa da qualidade do concreto.
    • NOTA – No concreto estrutural, o índice esclerométrico pode indicar valores de resistência até 20% inferiores àqueles indicados para o concreto seco equivalente e, em alguns tipos de concreto, podem ocorrer discrepâncias ainda maiores.
  • Influência da carbonatação – A influência da carbonatação na dureza da superfície do concreto é significativa e promove a superestimação da resistência. Devem ser definidos coeficientes corretivos, a fim de minimizar o efeito da carbonatação.
    • NOTA – Em casos extremos, os valores estimados para a resistência do concreto, quando há carbonatação, podem superar os valores reais em mais de 50%, em função da espessura da camada carbonatada.
  • Influência da idade
    • A influência da idade na dureza superficial do concreto, em relação à dureza obtida nas condições normalizada (28 dias), ocorre devido a fatores, como a diferença de cura, carbonatação e outros.
    • Este fato distorce a correlação com a resistência estabelecida para as condições normalizadas. Portanto, estas correlações não são automaticamente válidas para idades superiores a 60 dias ou inferiores a 14 dias.
    • Fatores específicos devem ser considerados para cada concreto em questão, corrigindo-se quando necessário.

2. Ensaio de esclerometria para estimativa da resistência do concreto

2.5. Efeito da carbonatação na dureza superficial do concreto

  • Curva de correção para carbonatação – é necessário quantificar a influência da carbonatação na resistência do concreto. A proceq recomenda uma série de curvas com base na Norma JGJ/T 23-2011. Os resultados aparentemente são extremamente conservadores.
  • Referência normativa – Norma chinesa JGJ/T 23-2011, Technical specification for inspecting of concrete compressive strength by rebound method (Especificação Técnica para inspeção da resistência à compressão do concreto pelo método esclerométrico).
  • Curvas de Resistência vs índice esclerométrico R – Com base na Norma JGJ/T 23-2011 pode-se obter as curvas de correção do índice esclerométrico R, levando em conta o efeito da carbonatação, para diferentes espessuras da camada carbonatada (dm).
  • Coeficiente de redução da resistência – com base na nessa norma, também é possível se obter curvas de coeficiente de redução da resistência em função da resistência do concreto, para diferentes espessuras da camada carbonatada (dm).
  • Resultados finais – os resultados finais do estudo de caso, com frentes de carbonatação maiores que 6mm, mostram reduções na resistência do concreto iguais ou maiores do que 60%.
Curva de correção do índice esclerométrico R, levando em conta o efeito da carbonatação, para o esclerômetro Proceq

Curva de correção do índice esclerométrico R, levando em conta o efeito da carbonatação, para o esclerômetro Proceq

3. Ensaio de ultrassom para avaliação da integridade e resistência do concreto

3. Ensaio de ultrassom para avaliação da integridade e resistência do concreto

3.1. Procedimento normativo e descrição do ensaio de ultrassom

  • Ensaio de ultrassom – consiste na determinação da velocidade de onda ultrassônica, para avaliação da integridade do concreto, permitindo se estimar o módulo de elasticidade e, consequentemente, a resistência à compressão do concreto.
  • Equipamento – um exemplo de equipamento de ultrassom muito utilizado para ensaios em concreto é o PUNDIT (Portable Ultrasonic Non Destructive Indicating Tester) PL-200.
  • Norma de referência – ABNT NBR 8802:2013 - Concreto endurecido - Determinação da velocidade de propagação de onda ultrassônica.
  • Princípio de funcionamento – a velocidade de pulso ultrassônico é determinada a partir da medição do tempo gasto para a propagação de um pulso ultrassônico entre um transdutor emissor e um transdutor receptor, os quais são acoplados à superfície do concreto.
Equipamento de ultrassom PUNDIT (Portable Ultrasonic Non Destructive Indicating Tester) PL-200, com transdutores de onda P com frequência de 54kHz e comprimento de onda de 68,5mm.

Equipamento de ultrassom PUNDIT (Portable Ultrasonic Non Destructive Indicating Tester) PL-200, com transdutores de onda P com frequência de 54kHz e comprimento de onda de 68,5mm.

3. Ensaio de ultrassom para avaliação da integridade e resistência do concreto

3.2. Arranjos e execução dos ensaios

  • Arranjos de ensaio – o ensaio de ultrassom pode ser realizado com diferentes arranjos, dependendo do acesso à estrutura e da geometria do elemento estrutural.
  • Transmissão direta: Os transdutores são posicionados em faces opostas do elemento de concreto. Este arranjo é o mais recomendado na determinação da velocidade de propagação de ondas por um material, pois desta forma as ondas são recebidas com maior intensidade.
  • Transmissão indireta: os transdutores são posicionados do mesmo lado do elemento estrutural. Este arranjo é utilizado quando se tem acesso a apenas uma face do elemento estrutural, ou quando a distância entre faces opostas é superior ao comprimento dos cabos. Este método é mais impreciso do que o método direto, sendo que a amplitude do sinal é aproximadamente 3% da amplitude do sinal em comparação com a transmissão direta.
  • Transmissão semi-direta: os transdutores são posicionados em lados adjacentes do elemento estrutural. Neste arranjo, a sensibilidade do equipamento está em um nível intermediário em relação aos outros dois métodos. A extensão do percurso é medida de centro a centro dos transdutores
Arranjo de ensaio de ultrassom em transmissão direta, com transdutores posicionados em lados opostos do elemento estrutural

Arranjo de ensaio de ultrassom em transmissão direta, com transdutores posicionados em lados opostos do elemento estrutural

3. Ensaio de ultrassom para avaliação da integridade e resistência do concreto

3.2. Análise dos resultados

  • Resultados dos ensaios – basicamente o resultado principal consiste na velocidade de onda ultrassônica, a qual é calculada considerando a distância entre os transdutores, e o tempo de ida e volta da onda ultrassônica.
  • Relação entre qualidade do concreto e velocidade de pulso – a norma IS 13311: 1992 (Non-Destructive Testing of Concrete – Methods of test – Part 1 – Ultrasonic Pulse Velocity) apresenta uma relação entre a qualidade do concreto e a velocidade de pulso, para determinadas faixas de velocidade.
  • Relação entre resistência e módulo de elasticidade do concreto e velocidade de pulso – Embora seja possível estabelecer correlações entre a velocidade de pulso e a resistência à compressão do concreto e o módulo de elasticidade, esta correlação deve ser preferencialmente aferida para o tipo de concreto utilizado, levando em conta os tipos de materiais e o traço empregado.
  • Módulos de elasticidade estático e dinâmico –A norma britânica BS-1881-Part-203-1986 propõe uma relação empírica entre os módulos de elasticidade estático e dinâmico e velocidade de pulso. De acordo com esta norma, as estimativas de módulo de elasticidade usando esta tabela tem uma precisão melhor do que ±10%.
Resultados do ensaio de ultrassom em transmissão direta

Resultados do ensaio de ultrassom em transmissão direta

4. Ensaio com pacômetro para identificação das armaduras e cobrimentos

4. Ensaio com pacômetro para identificação das armaduras e cobrimentos

4.1. Procedimento normativo e descrição do ensaio de pacometria

  • Ensaio de pacometria – consiste na determinação da posição, diâmetro e cobrimento das armaduras em elementos de concreto armado, para fins de avaliação da integridade estrutural, planejamento de intervenções de reforço ou reparo, e verificação do cumprimento dos requisitos de projeto e normas técnicas.
  • Equipamento – Equipamento de pacometria Proceq Profometer 630.
  • Norma de referência – norma britânica BS 1881-204:1988 – Testing concrete. Recommendations on the use of electromagnetic covermeters (Ensaios em concreto. Recomendações sobre o uso de pacômetros eletromagnéticos).
  • Princípio de funcionamento – o pacômetro utiliza o princípio de indução eletromagnética para detectar a presença de armaduras em elementos de concreto armado, e determinar a posição, diâmetro e cobrimento das armaduras. O equipamento é composto por um gerador de campo magnético, um sensor de detecção e um sistema de processamento de sinais. O campo magnético gerado pelo equipamento induz correntes parasitas nas armaduras de aço, as quais são detectadas pelo sensor, permitindo a determinação da posição e diâmetro das armaduras.
  • Execução do ensaio – pode-se seguir a norma britânica BS 1881-204:1988, considerando o posicionamento do equipamento, e interpretação dos resultados.
Equipamento de pacometria Proceq Profometer 630.

Equipamento de pacometria Proceq Profometer 630.

4. Ensaio com pacômetro para identificação das armaduras e cobrimentos

4.2. Execução dos ensaios e resultados

  • Resultados dos ensaios – os principais resultados obtidos a partir do ensaio de pacometria são o cobrimento de concreto, e a posição e diâmetro das armaduras de aço.
  • Cobrimento de concreto – o cobrimento de concreto é a distância entre a superfície do concreto e a face externa da armadura de aço, e é um parâmetro fundamental para a durabilidade das estruturas de concreto armado, pois influencia diretamente a proteção das armaduras contra a corrosão. O ensaio de pacometria permite determinar o cobrimento de concreto, o que é essencial para avaliar a integridade estrutural e planejar intervenções de reforço ou reparo.
  • Posição e diâmetro das armaduras – o ensaio de pacometria também permite determinar a posição e diâmetro das armaduras de aço, o que é importante para verificar o cumprimento dos requisitos de projeto e normas técnicas, e para avaliar a capacidade de carga dos elementos estruturais de concreto armado.
  • “Grades” de armaduras – a partir dos resultados do ensaio de pacometria, é possível se mapear a posição das armaduras de aço em um elemento estrutural.
Resultado do ensaio de pacometria referente à armadura vertical na parede em concreto armado

Resultado do ensaio de pacometria referente à armadura vertical na parede em concreto armado

5. Ensaio de potencial de corrosão

5. Ensaio de potencial de corrosão

5.1. Procedimento normativo e descrição do ensaio de potencial de corrosão

  • Ensaio de potencial de Corrosão – O ensaio visa a identificação de áreas com maior probabilidade de ocorrência de corrosão nas armaduras dos elementos estruturais em concreto armado. Ele consiste na utilização de um equipamento formado basicamente por um eletrodo de referência de Cu/CuSO4 (barra metálica de cobre imersa em solução saturada de sulfato de cobre), conectado por meio de um voltímetro de alta impedância à armadura da estrutura e movimentado acima da superfície do concreto.
  • Equipamento – Um exemplo de equipamento de Potencial de corrosão é o Canin+ da marca Proceq.
  • Norma de referência – ASTM C 876 - Standard test method for corrosion potentials of uncoated steel in concrete.
Equipamento de potencial de corrosão Proceq Canin+.

Equipamento de potencial de corrosão Proceq Canin+.

5. Ensaio de potencial de corrosão

5.2. Execução dos ensaios e resultados

  • Princípio de funcionamento – baseia‑se na medição da diferença de potencial elétrico entre a armadura embutida no concreto e um eletrodo de referência colocado na superfície, formando uma célula eletroquímica cujo valor indica a tendência de corrosão: quando o aço perde sua passivação — por carbonatação ou presença de cloretos — seu potencial torna‑se mais negativo, e o voltímetro de alta impedância registra essa variação; assim, quanto mais negativo o potencial medido, maior a probabilidade de que a armadura esteja sofrendo corrosão ativa, permitindo avaliar o estado da estrutura de forma não destrutiva.
  • Interpretação dos resultados – de acordo com a norma ASTM C876, os potenciais medidos podem ser interpretados da seguinte forma:
    • Potenciais mais positivos que –200 mV indicam probabilidade de 90% de que não haja corrosão ativa na armadura.
    • Potenciais entre –200 mV e –350 mV representam uma zona incerta, onde a corrosão pode ou não estar ocorrendo.
    • Potenciais mais negativos que –350 mV indicam probabilidade de 90% de corrosão ativa da armadura no concreto.
Preparação do pilar para ensaio de potencial de corrosão

Preparação do pilar para ensaio de potencial de corrosão