2.1 Preparação de amostras

Os traços de concreto foram preparados utilizando o método de projeto (^{ACI. 211.1-91, 2002}), resistência teórica de projeto de 250 kg/cm² após 28 dias de cura e abatimento de 12 ± 2 cm; Utilizando o cimento Portland CPC 30 R (^{ASTM C-150, 2020}), areia de rio com tamanho nominal máximo de 4,75 mm e agregado grosso de brita de tamanho máximo de 19 mm foi utilizado como agregado fino. Foi usado aço de reforço ondulado convencional n.° 1018, uma lixa foi usada para a pré-limpeza. O pó de grafite (GP) foi adicionado nas seguintes porcentagens: 0% (controle), 2,5%, 7,5% e 15% em relação ao peso do cimento. A Tabela 1 mostra as principais características do GP.

A dosagem dos materiais utilizados neste trabalho está mencionada na Tabela 2, o peso dos agregados finos e graúdos não foi modificado e nenhum aditivo foi utilizado na mistura do concreto. Nas amostras M3 e M4 com quantidade de grafite de 7,5% e 15% em peso do cimento, foi adicionada uma quantidade maior de água, pois a pasta era pouco trabalhável e isso manteve a faixa de abatimento de 12 cm ± 2 para os 4 projetos de mistura.

A preparação das amostras de concreto foi realizada de acordo com a norma (^{ASTM C-31, 2019}). Para os ensaios eletroquímicos, foram confeccionados 3 corpos de prova cúbicos com dimensões de 10 cm por lado com o mesmo traço de mistura, conforme mostrado na Figura 1. 3 hastes onduladas foram embutidas em cada corpo de prova cúbico, com diâmetro de 0,95 mm. O comprimento da haste embutida era de 5,5 cm. No nível da interface da pasta com o ambiente, a haste foi isolada de aproximadamente 5 cm de comprimento com fita de teflon ao redor da haste.

Figura 1 Dimensões cúbicas de amostras de concreto. 

Os corpos de prova foram curados por 28 dias, em condições adequadas de umidade. As medições eletroquímicas começaram 24 horas após os tubos de ensaio cúbicos serem imersos em solução salina de cloreto de sódio a 3% por 168 dias de exposição.

2.2Técnica de resistencia à compressão

O ensaio de resistência à compressão foi realizado de acordo com os parâmetros da norma (^{ASTM C-39, 2020}). Foram confeccionadas amostras cilíndricas com dimensões padronizadas: 15 cm de diâmetro e 30 cm de altura. O ensaio de compressão foi realizado aos 7, 14 e 28 dias de cura, para observar o aumento da resistência ao atingir a cura máxima. O lançamento do cilindro foi realizado com placas de neoprene e carga constante foi aplicada até a falha da amostra.

2.3 Técnicas eletroquímicas

3.1 Caracterização por difração de raios X

A Figura 2 detalha os difractogramas de GP obtidos a partir de técnicas de XRD, um sólido policristalino com ajuste ordenado e uma intensidade de pico com valores de 2θ aproximadamente 26° e 27° é mostrado. Esses valores são semelhantes a alguns relatados por autores que descrevem o pico característico do grafite (^{Yuan et. Al., 2012}). Existem 2 formas cristalinas diferentes de carbono: hexagonal (2H) e romboédrico (3R).

A estrutura 2H é a forma mais comum nas fases identificadas com valores de 39,9% e a 3R com valores de 27,4%, com adição total de 67,3% no teor de carbono. A amostra contém 32,6% de componentes de argila, tais como: quartzo, filossilicatos esméticos, caulinita, mica.

Figura 2 Difractogramas de raios -X de GP. Mi: mica; K: caulinita; M: montmorilonita; GH: grafite (2H); GR: grafite (3R); A: anortita; Q: Quartzo. 

A Figura 3 corresponde aos difratogramas da amostra controle e com adição de GP, após um período de cura de 28 dias. O cimento hidratado de 28 dias produz as seguintes fases: silicato de cálcio hidratado (CSH) que é responsável pela aderência e resistência com ligantes, etringita (E) dá maior coesão ao cimento e portlandita (CH) mantém a alcalinidade, ou seja, o pH da massa em valores altos entre 12-13 (^{Helena e Lúcia, 2011}; ^{Giraldo e Tobón, 2006}). A Figura 3a mostra as fases cristalinas de hidratação do concreto, observando-se picos elevados de quartzo (Q) e calcita (Ca); além de Dolomita (D) e plagioclásio ou Andesina (A). Os principais elementos abundantes que aparecem na amostra de controle são Q e Ca, devido à principal presença de calcário no cimento.

A Figura 3b), c) e d) mostra as amostras com diferentes percentuais de grafite, pois pode-se observar um pico de intensidade que não aumenta com o aumento da GP, o que mostra que há uma ausência de participação direta na hidratação da pasta do concreto. Observa-se que a análise de DRX não mostrou forte intensidade nos picos CH e CSH; Vários autores indicam que picos com valores 2θ de aproximadamente 29° podem ser atribuídos à fase CSH, e picos com valores 2θ de aproximadamente 18° e 34° podem ser atribuídos a CH (^{Giraldo e Tobón, 2006}; ^{Becerra, 2014}).

A ausência de portlandita no difratograma pode ser devido à amostra proveniente da superfície do cilindro, onde os efeitos da carbonatação podem obscurecer a identificação (^{Vetter et. Al., 2019}).

Figura 3 Difratogramas de raios X da pasta do concreto. a) M1-0%, b) M2-2.5% c) M3- 7.5% e d) M4-15%.Q: Quartzo; Ca: calcita; D: dolomita; G: grafite; A: andesine, curado por 28 dias. 

3.2 Caracterização por microscópio eletrônico de barredura

As micrografias MEB do concreto são apresentadas na Figura 4, a análise visual da Figura 4a pertence à amostra controle M1, as microfissuras (m) são apreciadas na matriz da pasta, em decorrência da técnica de resistência à compressão e a extração da amostra. Juntos, foram observados silicatos de cálcio hidratado (CSH) e maior presença de portlandita (CH) e etringita (E). Para análise visual, os cristais E são alongados, geralmente em habitats fibrosos ou na forma de longos bastonetes. O HC normalmente ocorre na forma de finas plaquetas hexagonais, frequentemente décimos de um micrômetro de largura (^{Vetter et. Al., 2019}).

A Figura 4b corresponde à micrografia da amostra M3 com 7,5% GP, visualiza-se uma estrutura compacta com maior formação de CSH, preenchendo os vazios da matriz de cimento, reduzindo a porosidade do concreto e melhorando a aderência sobre a partícula de carbono (GP).

Figura 4 Micrografías MEB, a) M1-0% y b) M3-7.5% de GP, curado por 28 dias. 

3.3 Porosidade do concreto

A Tabela 6 mostra os valores percentuais de porosidade do concreto, pois pode-se observar que ao adicionar o teor de grafite em 2,5% em peso do cimento, a mistura adquire maior absorção de água e afeta a relação água / cimento em relação ao controle de amostra. A amostra M1 registra um percentual de porosidade de 22% com relação a / c de 0,59, os resultados mostram que no projeto M2 com 2,5% GP, a porosidade do concreto diminui em relação à amostra M1; as amostras M3 e M4 registram um maior aumento no a/c devido ao aumento na quantidade de água com valores de 0,61 e 0,81.

Em termos de durabilidade do concreto, o aumento da porosidade da pasta faz com que os agentes ambientais exijam que o material seja permeável para penetrar na massa do material; esses agentes também são auxiliados no seu transporte interno por difusão (^{Solís-Carcaño e Moreno, 2006}).

3.4 Resistencia à compressão

A Tabela 7 mostra os valores médios de resistência à compressão (f´_c) após 7, 14 e 28 dias de cura. A amostra controle M1-0 foi projetada para uma resistência teórica de 250 kg/cm², durante os 28 dias de cura. Adquiriu uma resistência experimental máxima média de 258 kg/cm², excedendo o valor teórico de projeto. A amostra M2 com 2,5% GP mostra um aumento da resistência à compressão em idade precoce de 7 dias com um valor de 242 kg/cm². Durante os 28 dias de cura, a resistência à compressão aumentou 4,6% em relação à resistência da amostra de controle. A amostra M3 com 7,5% de GP, durante os dias de cura observa-se um aumento constante de f'c, atingindo uma resistência final à compressão de 267 kg/cm²; a amostra M4 com 15% de GP apresenta baixa f'_c com valor de 244 kg/cm², devido ao aumento da quantidade de água adicionada.

3.5 Potencial de meia célula

Após 168 dias imersos em solução salina a 3% de cloreto de sódio (NaCl), os resultados do potencial de corrosão (E_corr) estão detalhados na Figura 5. Observou-se diminuição do potencial nos primeiros dias para todas as amostras, adquirindo mais valores negativos entre -100 mV e -250 mV, estimando uma probabilidade de 10 por cento para a zona de incerteza. A resistividade do concreto e o oxigênio nos poros da matriz do concreto são fatores que influenciam os valores de potencial (^{Castellote et. Al., 2002}). GP é um material condutor adicionado ao concreto; deve envolver a redução da resistividade elétrica e o aumento do transporte de íons cloreto, causando a formação de óxido não protetor no metal. Como existem dois materiais condutores como o aço da armadura e o GP, indica que o material menos nobre desenvolverá um maior nível de corrosão. Este fato mostra porque os valores negativos do potencial de corrosão nas amostras de GP.

Com o passar do tempo, todas as amostras com adição de GP tiveram uma diminuição mais negativa nos valores potenciais, entrando em uma zona de 90% de probabilidade de corrosão. Entre os dias 84 e 148, podem ser observados valores de potencial de corrosão constantes, entre -280 mV e -400 mV, indicando a possível formação de camadas densas de óxido não protetoras no aço.

Todas as amostras ao final do experimento no dia 168 de imersão, estão localizadas na zona de 90% de probabilidade de corrosão, a amostra M4 com 15% de GP, é aquela com o valor potencial mais negativo de -460 mV devido à aos fatores descritos acima e também à quantidade de água adicionada.

Figura 5 Valores de potencial de corrossão (E_corr). 

3.6 Ruido eletroquímico

A média das oscilações da resistência ao ruído eletroquímico é apresentada na figura 6. No início da medição, todas as amostras apresentavam baixos valores de Rn entre 1x104 Ω.cm² e 1x105 Ω.cm²; durante os dias 28 e 70. As amostras M1 e M3 apresentam altas e baixas flutuações de Rn, possivelmente devido à formação de filmes de óxidos não protetores, mantendo o metal passivo. Ao final do dia 168 de exposição ao meio salino, todas as amostras mantêm valores baixos de resistência ao ruído em torno de 1x104 Ω.cm².

A adição de GP na pasta de concreto em diferentes percentuais afeta as propriedades eletroquímicas do metal, adquirindo valores de Rn muito baixos, este evento pode ser explicado pela alteração do oxigênio na interface aço/concreto, em decorrência da alteração na porcentagem de porosidade da pasta. Além disso, o conteúdo de GP diminui a resistividade do concreto; com valores de Rn mais baixos indica um processo de alta corrosão do metal ao longo do tempo (^{Zhao et. al., 2007}).

Figura 6 Valores de ruído eletroquímico (R_n). 

Os valores do índice de localização são mostrados na Figura 7, do início do ensaio até o final da exposição. Eventos localizados ou corrosão podem ser observados, devido à alta taxa de dissolução do metal em pontos discretos de sua superfície (^{Sanz et. Al., 1999}). Este representa um maior risco potencial, devido à sua difícil detecção, visto que se manifesta em áreas específicas (^{Salazar-Jiménez, 2015}). Se o tempo de exposição for prolongado, o início da corrosão pode ocorrer no metal.

Figura 7 Valores de índice de localização do aço da armadura. 

Os valores da vida útil do concreto armado são detalhados na Figura 8, onde todas as amostras foram registradas no momento da imersão em meio salino após 24 horas. Podem ser observados valores de icorr muito elevados entre 0,1 e 0,5 μA/cm², apresentando uma faixa de corrosão entre moderada e muito alta. Este comportamento coincide com os valores negativos do ensaio de potencial de corrosão. As amostras com nível de substituição de GP, respectivamente, apresentam valores de icorr muito elevados, como pode ser visto, e aumentam com o tempo, demonstrando uma corrosão muito elevada na armadura e na vida útil do concreto.

Figura 8 Nível de vida útil do concreto armado. 

3.7 Resistência à polarização linear

A Figura 9 mostra os valores de resistência de polarização ao longo do tempo, valores muito baixos de Rp podem ser observados, nas 24 horas de imersão e até o final da medição no experimento RPL. Durante os dias 42 e 70 há um aumento no Rp das amostras M1 e M2, talvez possa indicar uma diminuição na taxa de corrosão do metal, os altos valores de Rp são uma indicação de que o aço é passivo (^{Blanco et. Al., 2019}). Amostras com quantidade de GP, adquiriram valores constantes entre 1x101 Ω.cm² e 1x103 Ω.cm²; Alta interação com íons cloreto pode ocorrer na interface aço/concreto, registrando valores de Rp muito baixos. É demonstrado que os íons de cloreto despassivaram o metal e o material apresenta alta corrosão em certos momentos conforme o tempo de imersão avança.

Figura 9 Valores de resistência à polarização (R_p) ao decorrer do tempo.