Carbonation is a natural phenomenon for concrete structures and occurs due to the reaction between CO2, which is concentrated in the environment, and Ca(OH)2, which is present in the cementitious matrix. Carbonation reaction reduces the pH of the concrete and causes the destruction of the passivation layer, which surrounds the steel armor, leaving it vulnerable to the process of corrosion. In this study, was investigated the performance against the carbonation of concrete with the addition of water treatment plant sludge ashes, in concentrations of 5%, 10%, 15%, 20%, 25% and 30% replacing Portland cement, as well as a reference blend without mineral admixtures. All mixtures were molded with three w/b ratios (0.35; 0.50 and 0.65) and with two periods of wet cure (three and seven days). Concrete specimens underwent preconditioning according to RILEM TC 116-PCD, targeting the moisture balance (75% ± 2%) in an aerial environment with constant temperature (23° C ± 2° C) and uniform moisture distribution. Afterwards, specimens were forwarded to a carbonation chamber, with humidity (75 ± 2%), temperature (23°C ± 2° C) and CO2 concentration (3%) duly regulated. Specimens were tested after 4, 8, 12 and 16 weeks of CO2 exposure through phenolphthalein spraying, the depths of carbonation is obtained and, therefore, the carbonation coefficients. Results revealed that the incorporation of water treatment plant sludge ashes into concrete leads to increases in its carbonation, in all mixtures investigated. Comparisons with the results for Porosimetry by Mercury Intrusion and Thermogravimetry enable attribute this effect to the microstructural change and decrease of alkalinity of the mixture with addition of sludge ash. Through an analysis of equal resistance, it was found that concrete with addition of sludge ash water treatment are feasible, from the point of view of carbonation's lifespan, only to higher strength levels. / A carbonatação é um fenômeno natural às estruturas de concreto, ocorrendo pela reação entre o CO2, concentrado no ambiente, e o Ca(OH)2, presente na matriz cimentícea. A reação de carbonatação provoca a redução do pH do concreto, causando a destruição da camada passivadora, que envolve a armadura de aço, deixando esta vulnerável ao processo de corrosão. Nesta pesquisa, foi investigado o desempenho, frente à carbonatação, de concretos com adição de cinzas de lodo de estação de tratamento de água, nos teores de 5%, 10%, 15%, 20%, 25% e 30% em substituição ao cimento Portland, bem como uma mistura de referência, sem adições minerais. Todas as misturas foram moldadas com três relações a/agl (0,35; 0,50 e 0,65) e com dois períodos de cura úmida (três e sete dias). Os corpos-de-prova de concreto foram submetidos à um pré-condicionamento, conforme procedimentos sugeridos pela norma RILEM TC 116-PCD, visando o equilíbrio de umidade (75% ± 2%) em um ambiente aéreo com temperatura constante (23°C ± 2°C) e distribuição uniforme de umidade. Posteriormente os corpos-de-prova foram encaminhados para uma câmara de carbonatação, com umidade (75% ± 2%), temperatura (23°C ± 2°C) e concentração de CO2 (3%) devidamente reguladas. Os corpos-de-prova foram ensaiados após 4, 8, 12 e 16 semanas de exposição ao CO2, por meio de aspersão de fenolftaleína, sendo obtidas as profundidades de carbonatação e, com isso, os coeficientes de carbonatação. Os resultados demonstraram que a incorporação de cinzas de lodo de estação de tratamento de água ao concreto acarreta no aumento da carbonatação nos mesmos, para todas as misturas investigadas. Comparações com resultados de Porosimetria por Intrusão de Mercúrio e Termogravimetria permitiram atribuir este efeito às alterações microestruturais e a diminuição da reserva alcalina das misturas com adição de cinzas de lodo. Através de uma análise em igualdade de resistência, constatou-se que os concretos com adição de cinzas de lodo de estação de tratamento de água são viáveis, do ponto de vista da vida útil frente à carbonatação, apenas para níveis de resistência mecânica mais altos.

A carbonatação, fenômeno físico-químico de reação entre o dióxido de carbono da atmosfera e os produtos da hidratação do cimento, reduz a alcalinidade do concreto, destruindo a película passivadora que envolve o aço, podendo dar condições para a iniciação da corrosão das armaduras. Devido ao tempo requerido para que a reação ocorra em condições naturais, são utilizados ensaios acelerados. No entanto, não há padronização para estes ensaios e existe a dificuldade de se transpor os resultados dessas pesquisas para as condições reais. Este trabalho tem por objetivo estimar a carbonatação natural a partir de ensaios acelerados e de modelos de predição, avaliando possíveis distorções que possam ser causadas pelo processo de aceleração, como pela intervenção dos parâmetros que constituem os modelos, através da comparação com os resultados experimentais. Foram realizados ensaios de carbonatação natural e acelerada, calculados os coeficientes de aceleração a partir dos dados experimentais, e utilizados dois modelos de predição, sendo um complexo e outro simplificado. Para a parte experimental foram empregadas argamassas preparadas com dois tipos de cimento (CP I-S e tipo CP IV) e três relações água/cimento (0,40, 0,55 e 0,70). Para as amostras dos ensaios acelerados de carbonatação foram utilizados dois tempos de cura (7 e 28 dias), dois tipos de precondicionamento (em sala climatizada e conforme recomendações da RILEM) e, dois percentuais de dióxido de carbono (6% e 100% de CO2). Para os ensaios naturais foram adotados três tempos de cura (7, 14 e 28 dias) e três ambientes de exposição ao CO2 atmosférico, sendo um deles um ambiente climatizado (20°C e UR=70%), protegido das intempéries e outros dois externos, não abrigados das chuvas. Os resultados obtidos indicam que o comportamento das amostras precondicionadas em sala climatizada e carbonatadas com 6% de CO2 são as que mais se assemelham às condições naturais de ensaio. O modelo complexo de carbonatação pode substituir os ensaios de carbonatação, mas exige muitos parâmetros de entrada, difíceis de serem medidos e, portanto, difícil de ser utilizado. O modelo simplificado representou bem os resultados acelerados e naturais e foi adaptado para o caso de cimentos pozolânicos. / Carbonation, a physicochemical phenomenon with a reaction between atmospheric carbon dioxide and cement hydration products, reduces alkalinity in concrete, and can destroy the passivating film that envelops steel, creating the conditions to begin framework corrosion. Accelerated tests are used due to the time needed for the reaction to occur under natural conditions. However these tests are not standardized and it is difficult to transpose the results of these research studies to real-life conditions. The purpose of this work is to estimate natural carbonation based on accelerated tests and prediction models, verifying whether the tendencies of the natural test are maintained in the accelerated tests and how the parameters that constitute the models intervene in the response, as compared to the experimental results. Natural and accelerated carbonation tests were performed, the acceleration coefficients calculated based on experimental data, and two prediction models were used, one of them complex and the other simplified. For the experimental part, cement mortars prepared with two types of cement (CP I-S and type CP IV) were used, and three water/cement ratios (0.40, 0.55 and 0.70). For the samples of the accelerated carbonation tests, two curing times were used (7 and 28 days), two types of pre-conditioning (in an air conditioned room and according to recommendations from RILEM), and two percentages of carbon dioxide (6% and 100% of CO2). Three curing times (7, 14 and 28 days) were adopted for the natural tests, and three environments of exposure to atmospheric CO2, one of them an air conditioned environment (20°C and UR=70%), protected from the weather, and two other external ones not sheltered from the rain. The results obtained indicate that the behavior of the pre-conditioned samples in an air conditioned room, and carbonated with 6% of CO2 is most similar to the natural testing conditions. The complex carbonation model tested at work can replace the carbonation tests, but requires many input parameters that are difficult to measure, and therefore complicated to use. The simplified carbonation model used provided a good representation of the carbonation results observed in the experimental tests and was adapted to the case of pozzolanic cements.

A lower-alkalinity cement based on MgO and SiO2 blends is analysed to develop clinker-free Fibre Reinforced Cementitious Composites (FRCC) with cellulosic fibres in order to solve the durability problems of this type of fibres when used in FRCC with Portland cement. Hydration evolution from 7 to 28 days of different MgO-SiO2 formulations is assessed. The main hydration products are Mg(OH)2 and M-S-H gels for all the formulations studied regardless of age. Hardened pastes are obtained with pH values < 11 and good mechanical properties compared to conventional Portland cement. 60% MgO-40% SiO2 system is chosen as optimal for the development FRCC since is the most mechanical resistant and is less alkaline compared with 70% MgO-30% SiO2. FRCC based on magnesium oxide and silica (MgO-SiO2) cement with cellulose fibres are produced to study the durability of lignocellulosic fibres in a lower pH environment than the ordinary Portland cement (PC). Flexural performance and physical tests (apparent porosity, bulk density and water absorption) of samples at 28 days and after 200 accelerated ageing cycles (aac) are compared. Two types of vegetable fibres are utilised: eucalyptus and pine pulps. MgO-SiO2 cement preserves cellulosic fibres integrity after ageing, so composites made out of MgO-SiO2 exhibit significant higher performance after 200 cycles of accelerated ageing than Portland cement composites. High CO2 concentration environment is evaluated as a curing treatment in order to optimise MgO- SiO2 matrices in FRCC. Samples are cured under two different conditions: 1) steam water curing at 55°C and 2) a complementary high CO2 concentration (20% by volume). In carbonated samples, Mg(OH)2 content is clearly lowered while new crystals of hydromagnesite [Mg5 (CO3)4⋅(OH) 2⋅4H2O] are produced. After carbonation, M-S-H gel content is also reduced, suggesting that this phase is also carbonated. Carbonation affects positively to the composite mechanical strength and physical properties with no deleterious effects after ageing since it increases matrix rigidity. The addition of sepiolite in FRCC is studied as a possible additive constituent of the binding matrix. Small cement replacement (1 and 2% wt.) by sepiolite is introduced and studied in hardened cement pastes and, later, in FRCC systems. When used only in cement pastes, it improves Dynamic Modulus of Elasticity over time. Bending tests prove the outcome of this additive on the mechanical performance of the composite: it improves composite homogeneity. Ageing effects are reported after embedding sisal fibres in MgO-SiO2 and PC systems and submitting them to different ageing conditions. This comparative study of fibre degradation applied in different cementitious matrices reveals the real compatibility of lignocellulosic fibres and Mg-based cements. Sisal fibres, even after accelerated ageing, do neither suffer a significant reduction in cellulose content nor in cellulose crystallinity and crystallite size, when exposed to MgO-SiO2 cement. Fibre integrity is preserved and no deposition of cement phases is produced in MgO-SiO2 environment. / Um cimento de baixa alcalinidade à base de blendas de MgO e SiO2 é analisado para o desenvolvimento de Compósitos Cimentícios Reforçados com Fibras (CCRF) celulósicas sem clínquer para resolver os problemas de durabilidade de este tipo de fibras quando são usadas em CCRF com cimento Portland. A evolução da hidratação, desde 7 aos 28 dias, das diferentes formulações é avaliada. Os principais produtos hidratados são o Mg(OH)2 e o gel M-S-H para todas as formulações independentemente da idade estudada. As pastas endurecidas apresentam valores de pH < 11 e bom desempenho mecânico comparado com o cimento Portland convencional. O sistema 60% MgO-40% SiO2 é escolhido como a formulação ótima para o desenvolvimento de CCRF já que é a mais resistente e menos alcalina comparada com 70% MgO-30% SiO2. CCRF com cimento à base de óxido de magnésio e sílica (MgO-SiO2) e fibras celulósicas são produzidos para a análise da durabilidade das fibras lignocelulósicas em ambientes com valores de pH mais baixos comparados com o cimento Portland (PC). O desempenho mecânico a flexão e os ensaios físicos (porosidade aparente, densidade aparente e absorção de água) são comparados aos 28 dias e após de 200 ciclos de envelhecimento acelerado. O cimento à base de MgO-SiO2 preserva a integridade das fibras após o envelhecimento. Os compósitos produzidos com este cimento exibem melhores propriedades após 200 ciclos de envelhecimento acelerado que os compósitos produzidos com cimento Portland. Ambientes com alta concentração de CO2 são avaliados como tratamento de cura para otimizar as matrizes MgO- SiO2 nos CCRF. As amostras são curadas sob 2 condições diferençadas: 1) cura com vapor de água a 55oC e 2) cura com alta concentração de CO2 (20% do volume). As amostras carbonatadas apresentam teores reduzidos de Mg(OH)2 enquanto é produzida uma nova fase cristalina: hidromagnesita [Mg5 (CO3)4⋅(OH) 2⋅4H2O]. Após a carbonatação, o conteúdo de gel M-S-H é reduzido também, indicando uma carbonatação desta fase. A carbonatação aumenta a rigidez da matriz o que influi positivamente no desempenho mecânico e as propriedades físicas dos compósitos sem efeitos prejudiciais ao longo prazo. A adição de sepiolita em CCRF é estudada como possível adição na composição da matriz aglomerante. Baixos teores (1 e 2% em massa) de cimento são substituídos por sepiolita para o estudo das pastas de cimento hidratado e, posteriormente, dos compósitos. O Módulo Elástico Dinâmico das pastas é incrementado com o tempo pela adição de sepiolita. Os ensaios a flexão demostram que a adição de sepiolita melhora a homogeneidade dos compósitos. Reportam-se os efeitos das fibras de sisal após da exposição a sistemas MgO-SiO2 e PC e submetidas a diferentes condições de envelhecimento. Este estudo comparativo da degradação das fibras expostas a diferentes matrizes cimentícias mostra a compatibilidade das fibras lignocelulósicas com os cimentos à base de Mg. As fibras de sisal, inclusive após o envelhecimento acelerado, não apresentam nem redução significativa no conteúdo de celulose nem na cristalinidade da celulose assim como do tamanho de cristalito, quando expostas a cimentos MgO-SiO2.

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Depending on the concrete composition, the natural carbonation process can take several years to present sufficient analyzable data, therefore, most of the studies on this topic use accelerated tests to simulate this phenomenon. However, even with full control of the laboratory environment, it is not possible to reproduce the randomness of the variables responsible for the degradation that occur in real situations. This study aims to evaluate the process of natural carbonation in 36 different types of concrete or analysis conditions, which cover a wide range of characteristics and properties of concrete that represent the various service situations of the structures, after about 14 years of exposure, in typical urban environment. The results are presented for types of concrete with and without mineral additions (silica fume, rice husk ash, metakaolin, fly ash and blast furnace slag); three water/binder (0.40, 0.55 and 0.70) and two curing conditions (dry-cured and moist-cured). The study was conducted by the application of simplified models of carbonation and statistical analysis on an extensive experimental database (over 2000 measurements) obtained by eight evaluations of carbonation carried at different ages, through 14 years of natural exposure prototypes of concrete beams. In addition, chemical analysis of pH, ionic strength and conductivity of the pore solution - obtained through innovative method - were conducted in both the carbonated layer and the non-carbonated layer of concrete. The results indicate that the empirically-analytical model proposed by Tuutti, has an excellent representativity of carbonated depth over time. The use of a coefficient of carbonation, from Tuutti’s model, calculated from early ages, can generate mistaken conclusions: underestimating the dry-cured concrete and overestimating the moist-cured concrete. In the overall analysis of the natural carbonation coefficients obtained by ANOVA showed that the water/binder ratio is the most significant factor, followed by curing type and, finally, the type of addition. The best performances as the carbonation are observed to the lower water/binder concretes, subjected to wet cure. Under the method used to obtain the pore solution, it was possible to compare the difference between the chemical properties of non-carbonated and carbonated layers of each type of concrete analyzed. / O fenômeno da carbonatação consiste em um processo físico-químico que leva à redução de alcalinidade do concreto. Isto pode desestabilizar a camada protetora do aço, deixando-o passível de corrosão, que é uma das mais importantes e onerosas causas de deterioração do concreto armado. Nesse sentido, a análise química da solução do poro tem sido realizada há cerca de 60 anos, contudo raros trabalhos focam em concretos submetidos à carbonatação contendo adições minerais, dada a dificuldade de se obter a solução devido à densificação na estrutura porosa nessas condições. Dependendo da composição do concreto, o processo de carbonatação natural pode levar vários anos para apresentar dados passíveis de análise, diante disso, a maioria dos estudos nesse tema utilizam ensaios acelerados para simular tal fenômeno, contudo, mesmo com todo controle do ambiente de laboratório, não se pode reproduzir a aleatoriedade das variáveis que ocorre em situações reais de degradação. Este trabalho tem como objetivo avaliar o processo de carbonatação natural em 36 diferentes concretos ou condições de análise, os quais cobrem uma ampla faixa de características e propriedades dos concretos, representando as mais diversas situações de serviço para as estruturas, após cerca de 14 anos de exposição, em ambiente típico urbano. São, portanto, apresentados resultados de concretos sem e com adições minerais (sílica ativa, cinza de casca de arroz, metacaulim, cinza volante e escória de alto-forno); três relações água/ligante (0,40; 0,55 e 0,70) e duas condições de cura (seca e úmida). O estudo se deu por meio de aplicações de modelos simplificados de carbonatação e análises estatísticas em um extenso banco de dados experimentais (mais de 2000 medidas) obtido por oito avaliações da frente de carbonatação realizadas em diferentes idades, durante 14 anos de exposição natural de protótipos de vigas de concreto. Foram realizadas também análises químicas de pH, força iônica e condutividade da solução do poro, obtida através de método inovador, tanto da camada carbonatada quanto da camada não carbonatada dos concretos. Os resultados indicam que o modelo empírico-analítico, proposto por Tuutti, possui excelente representatividade da profundidade carbonatada ao longo do tempo. A utilização de um coeficiente de carbonatação, do modelo de Tuutti, calculado a partir de idades iniciais pode gerar conclusões equivocadas: subestimando os concretos sem cura e superestimando os de cura úmida. A análise global dos coeficientes de carbonatação, obtidos pela ANOVA, demonstrou que a relação água/ligante é o fator mais significativo, seguido do tipo de cura e, por último, o tipo de adição. Os melhores desempenhos quanto à carbonatação são observados para os concretos de menor relação água/ligante, submetidos à cura úmida. De acordo com o método empregado para obtenção da solução do poro, foi possível comparar a diferença entre as propriedades químicas da camada não carbonatada e a carbonatada, para toda a família de concretos analisada.

The corrosion study in actual concrete structures is a subject enough discussed as much in the academic ambience as in the professional one. The subject is relevant due the numberless pathology cases of corrosion in structural concrete that are reported, almost daily, in the technical sphere. Nevertheless, few are the studies on this phenomenon in structural concrete of the first half of the 20th century. Is common sense that these structures were executed in a different way from the actual, and its behavior in front of corrosion may be differentiated, however, little are the studies that analyze the behavior of these structures in front of this pathology. This dissertation, based on bibliographical study and author s experience, look for not only analyze the concrete structure characteristics of the first half of 20th century and its influence on the rebar corrosion, as also propose a methodology for its detection. The proposition of this theme is based in fact that many execution and calculus methods were enough different from the actual concerning the concrete structures. The sodium chloride and calcium chloride addition in concrete, with purpose to accelerate the set and curing of concrete, the use of wooden pins as spacers are some characteristics showed in this work. As conclusion, is proposed an evaluation methodology which permits analyze such structures under the optics of its peculiar characteristics, aiming at the rebar corrosion. / O estudo da corrosão em estruturas de concreto armado atuais é um assunto bastante discutido tanto no meio acadêmico, como no profissional. O tema reveste-se desta importância devido aos inúmeros casos de patologias de corrosão em estruturas de concreto armado que são reportados, quase diariamente, ao meio técnico. No entanto, pouco se tem estudado a respeito desse fenômeno em estruturas de concreto armado da primeira metade do século XX. É senso comum que essas estruturas foram executadas de forma diferente das atuais e que seu comportamento frente à corrosão pode ser diferenciado; no entanto, são poucos os estudos que analisam o comportamento desse tipo de estrutura frente a essa patologia. Este trabalho, tendo por base um estudo bibliográfico e a experiência do autor, busca não só analisar as características das estruturas de concreto armado da primeira metade do século XX e suas influências sobre a corrosão das armaduras, como também propor uma metodologia para sua detecção. A proposição desse tema baseia-se no fato de que muitos métodos de execução e cálculo eram bastante diferentes dos atuais no que concerne a estruturas de concreto armado. A adição de cloreto de sódio e cloreto de cálcio no concreto, com a finalidade de acelerar a pega e a cura do concreto, e o uso de tarugos de madeira como espaçadores são algumas das características mostradas neste trabalho. Como conclusão é proposta uma metodologia de avaliação que permita analisar tais estruturas sob a ótica de suas características particulares, com vistas à corrosão da armadura.

Made available in DSpace on 2017-06-01T17:57:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_carlos_alberto.pdf: 1579628 bytes, checksum: ac1de165bd37e65d9cb3872ad819860e (MD5) Previous issue date: 2011-03-31 / The phenomenon of carbonation as the triggering agent in the process of reinforcement corrosion is particularly important when concrete structures are exposed to urban environments and the atmosphere contamination with gases such as CO2. The concrete carbonation depth control requires the use of tools (mathematical models) that represent the behavior of the variables that interact in the process of concrete carbonation in a clear and objective way to help understand the phenomenon. In this perspective, computer models have been developed to combine complex problems in a simple way. Among those models are the artificial neural networks, which have been inspired on human nervous system and have the ability to learn and generalize, making it possible to solve complex problems. This work studied the application of artificial neural networks like multilayer perceptron, based on backpropagation, supervised learning algorithm in order to obtain a mapping between the input variables of the problem ─ the water/cement (w/c) ratio, body of proof distance from the sea and age of the body of proof ─ and the output variable of interest ─ the depth of concrete carbonation. The results validate that the use of artificial neural networks is an important tool to evaluate concrete carbonation / O fenômeno da carbonatação, como agente desencadeador do processo de corrosão de armaduras, assume especial importância quando as estruturas de concreto armado estão expostas a ambientes urbanos e à atmosfera poluída de gases como o CO2. O controle da profundidade de carbonatação do concreto exige o uso de ferramentas (modelos matemáticos) que representem o comportamento das variáveis que interagem no processo da carbonatação do concreto de forma clara e objetiva no sentido de auxiliar a compreensão do fenômeno. Nessa perspectiva, desenvolveram-se modelos computacionais que conjugam problemas complexos de modo simples. Entre esses modelos, citam-se as redes neurais artificiais, que têm inspiração no cérebro humano e que possuem a habilidade de aprender e generalizar possibilitando a resolução de problemas complexos. Neste trabalho é estudada a aplicação de redes neurais artificiais do tipo Perceptron multicamadas, com base no algoritmo de aprendizado supervisionado backpropagation, com o objetivo de obter um mapeamento entre as variáveis de entrada do problema relação água/cimento, distância do corpo de prova do mar e idade do corpo de prova e a variável de saída de interesse profundidade de carbonatação do concreto. Os resultados obtidos validam que os modelos de redes neurais artificiais se constituem numa importante ferramenta de avaliação da profundidade de carbonatação do concreto armado

O uso de fibras vegetais e de cimentos alternativos – ambos provenientes de resíduos, é tido como boa opção na busca por novos fibrocimentos. Entretanto, a maioria das pesquisas desenvolvida nos últimos anos tem apresentado resultados desanimadores no que se refere à durabilidade do material. Além disso, os métodos para avaliação do desempenho ao longo do tempo de materiais reforçados com fibras sensíveis a álcalis ainda não estão bem estabelecidos. O trabalho avaliou o comportamento de compósitos produzidos com cimento de escória de alto-forno reforçados com fibras de celulose, moldados através de adaptações dos processos industriais usados em todo mundo pelas empresas de fibrocimento. Em seguida, a durabilidade das formulações foi avaliada através de ensaios de envelhecimento, os quais se basearam na simulação dos principais agentes e mecanismos de degradação atuantes no material. O desempenho físico e mecânico dos compósitos foi avaliado através da análise de propriedades pré-estabelecidas, consideradas importantes no emprego material como componente construtivo. A análise dos resultados confirmou a eficiência da incorporação da celulose nas propriedades mecânicas do compósito. A durabilidade do material foi diferente para as matrizes empregadas. As matrizes ativadas com gipsita e cal hidratada (EGCH) foram menos agressivas às fibras, entretanto apresentaram problemas de hidratação às primeiras idades e perda de resistência devido à carbonatação. A matriz ECP, mais alcalina, apresentou resultados superiores de resistência mecânica nas primeiras idades. Ela decompôs as fibras e reduziu as propriedades mecânicas durante o envelhecimento. A carbonatação reduziu o ataque alcalino às fibras nestas matrizes, estabilizando a resistência mecânica e a perda de tenacidade não foi tão acentuada. A metodologia de envelhecimento acelerado que combinou ciclos de molhagem e secagem à carbonatação se mostrou eficiente na simulação do envelhecimento natural. / Vegetable fibers and alternative cements from residues is a good option for replacement asbestos-cement. However, research development has presented no satisfactory results concerning material durability and methods of performance evaluation to reinforced materials with alcali sensitive fibers are not well developed. The objetives of this research are: a) evaluation of composites behavior produced with blast-furnace slag reinforced with residual cellulose fibers, which were moulded in adapted conventional industrial processes, common in fibercement companies around world and b) durability performance evaluation applying proposed aging tests. Aging tests were based on simulation of main agents and degradation mechanisms. Physical and mechanical behaviour of composites was evaluated considering important properties in building component uses. Cellulose fibers improved the mechanical properties of the composites. Durability presented different results for the two matrices. The matrices activated with gypsum and hidrated lime (EGCH) have been less aggressive than matrix activated with ordinary Portland cement (OPC) in relation to fibers. However, they presented problems concerning to the hydration at early dates and loss of resistance due to carbonation. Matrices activated with OPC presented better results of MOR at the early dates. In fact, they are more alkaline and they decomposed fibers and reduced the mechanical properties during the aging. The carbonation reduced the alkaline attack, stabilizing the MOR and reducing the loss of tenacity. The accelerated methods with carbonation were efficient in the simulation of the natural ageing.

A corrosão de armaduras é uma das causas mais comuns de degradação mecânica em estruturas em concreto armado. Esse processo leva à redução da vida útil e, consequentemente, a prejuízos econômicos. Desse modo, o presente trabalho visa contribuir com a análise dos fenômenos associados à degradação mecânica do concreto armado sujeito a processos corrosivos devido à carbonatação e à ação de cloretos. Para tal finalidade, modelos analíticos baseados na segunda lei de Fick são usados para quantificar a difusão de CO2 e de íons cloreto no concreto, os quais permitem determinar o tempo de início da corrosão. A degradação mecânica de estruturas em concreto armado é considerada por meio de um modelo em dano concentrado que contempla perda da rigidez, redução da área de aço e da tensão de escoamento de armaduras devido ao processo corrosivo. A formulação de dano concentrado foi modificada de forma a incluir uma variável de estado de corrosão e uma lei de evolução da corrosão, baseada em equações semi-empíricas disponíveis na literatura. Essas equações determinam a redução no diâmetro das armaduras e a perda da capacidade resistente do aço. O problema da corrosão é formulado como um processo estocástico sendo resolvido por meio do método de simulação de Monte Carlo para dois exemplos: uma viga isostática e um pórtico plano com grau de hiperestaticidade igual a três. A formulação da equação de estado limite é baseada em um valor de dano aceitável. Curvas de probabilidade de início da corrosão e de probabilidade de falha da estrutura são obtidas ao longo de 50 anos. No caso da estrutura hiperestática, o caminho mais provável de falha, também chamado de caminho crítico, é determinado. Observa-se que o processo corrosivo provoca mudanças no caminho crítico, e portanto, deve ser considerado nas análises de reparo estrutural. Mapas de dano e de probabilidade de falha foram desenvolvidos para mostrar as mudanças no comportamento estrutural devido à corrosão. / The reinforcement\'s corrosion is one of the most common causes of mechanical degradation in reinforced concrete structures. This process leads to the reduction of the service life and, consequently, economic loss. Thereby, this study aims to contribute with the analysis of the phenomena associated to the mechanical degradation of reinforced concrete, due to the carbonation and the chloride ions. For this purpose, analytical models based on second Fick\'s law are used to quantify CO2 and chloride ions diffusion, which enables to determine the corrosion time initiation. The mechanical degradation of reinforced concrete structures is modeles by the lumped damage model which accounts for stiffness loss, reinforcement mass loss and yield stress reduction due to the corrosive process. The lumped damage formulation was modified to include the state corrosion variable and the corrosion evolution law based on semi-empirical equations available in the literature. These equations determine the reinforcement\'s diameter reduction and the loss of resistant capacity of the reinforcement\'s bar. The corrosion problem is formulated as a stochastic process and solved by the Monte Carlo simulation for two examples: an isostatic beam and a hyperstatic frame. The limit state functions are based on the acceptable damage value. Curves of probability of corrosion initiation and probability of failure are obtained over a range of 50 years. In the hyperstatic case, the most probable failure path, also named the critical path, is determined. It is observed that the corrosive process causes changes on the critical path and, therefore, it must be accounted on structural repair analysis. Damage and probability of failure maps were developed to show the changes on the structural behavior due to the corrosion.

Este trabalho é iniciado apresentando os conceitos teóricos necessários para o bom entendimento do tema tratado, incluindo corrosão de armaduras, passivação, despassivação, vida útil e também conceitos de análise de riscos e teoria da confiabilidade. No terceiro capítulo é feita a revisão bibliográfica das variáveis que influem na carbonatação do concreto, apresentando um panorama do conhecimento atual sobre o tema, tanto no Brasil como no exterior. No quarto capítulo são apresentados e discutidos os modelos de previsão da carbonatação sendo também feitas comparações entre os resultados obtidos pelos modelos principais. No capítulo cinco é apresentado o trabalho experimental que objetiva contribuir com o conhecimento sobre a variabilidade da carbonatação e dos cobrimentos por meio de um estudo de caso real. A estrutura estudada foi o subsolo de um edifício residencial na zona central da cidade de São Paulo, no qual foram feitas diversas medidas de profundidade de carbonatação, cobrimentos de armaduras, concentração de CO2 ambiente e umidade relativa do ar. Os resultados foram tratados por meio de análise de variância e os valores de profundidade de carbonatação foram comparados com os valores previstos empregando modelos de previsão. Foi realizado o cálculo teórico da probabilidade de despassivação que foi comparada com a incidência real de despassivação observada. Os coeficientes de variação encontrados também foram comparados com os resultados de outras pesquisas atuais. É apresentado o desenvolvimento de um programa computacional para previsão do período de iniciação por métodos deterministas e probabilistas. / This work starts presenting the theoretical concepts needed for a good understanding of it’s contents, including corrosion of steel in concrete, passivation, despassivation, service life and concepts of risk analysis and reliability theory. In chapter three it’s discussed the several variables that have influence in concrete carbonation, presenting a general view of the knowledge concerning the topic in Brasil and other countries. Chapter four presents and discuss the prediction models of carbonation and comparisons are made between the results of the main models. In chapter five it is presented the experimental work that intends to contribute with the knowledge about the carbonation and concrete covers variability by means of a case study. The studied structure was the parking garage of a 30 years residential building, located in the central zone of São Paulo city in Brasil, in witch were made a several number of measurements of carbonation depth, concrete cover, CO2 concentration and air relative humidity. The collected data was analyzed using variance analysis and the values of carbonation depth were compared with that estimated using prediction models. The theoretical calculation of the despassivation probability was compared with the real despassivation incidence. The variation coefficients obtained were almost compared with the results of other recent investigations. It is still presented the development of a computer program for predicting the initiation period using deterministic and probabilistic methods.

A utilização de aditivos incorporadores de ar em concretos é uma prática comum na construção civil e sua aplicação influencia significativamente diversas propriedades do concreto no estado fresco e endurecido. O objetivo deste estudo foi avaliar a influência do teor de ar incorporado, por meio de aditivo, no desempenho de concretos com diferentes teores de agregados. O programa experimental incluiu avaliação da eficiência de aditivos na incorporação de ar em pastas de cimento, análise microestrutural e ensaios para determinação de propriedades físicas, mecânicas e de durabilidade de concretos com diferentes teores de ar e agregados. No estado fresco, foram realizados ensaios para determinação do teor de ar, massa específica e abatimento. No estado endurecido foram realizados ensaios de massa específica, absorção, resistência à compressão, módulo de elasticidade, velocidade de propagação da onda ultrassônica, carbonatação acelerada e condutividade térmica. Utilizando Microtomografia Computadorizada de Raios-X (Micro-CT) foram dimensionados e quantificados os poros presentes nas amostras dos concretos, bem como determinadas suas porosidades. Os concretos com ar incorporado apresentaram redução na resistência mecânica. Os concretos com menores teores de agregados apresentaram menor resistência mecânica, menor velocidade da frente de carbonatação e menor condutividade térmica. De acordo com os resultados obtidos, pode-se concluir que o aditivo a base de resinas sintéticas foi mais eficiente na incorporação de ar; maiores teores de ar implicam em variabilidade nos resultados de ensaios de resistência à compressão e módulo de elasticidade; os concretos com maiores teores de agregados apresentaram maior velocidade da frente de carbonatação, para mesmos teores de ar incorporado; a condutividade térmica é inversamente proporcional ao teor de ar incorporado no concreto, e quanto menor o teor de agregados, menor a condutividade térmica; o aumento do teor de ar no concreto promove aumento no diâmetro equivalente dos poros e redução da incidência de poros esféricos. / The use of entraining air additives in concrete is a common practice in construction and its application influences several concrete properties in the fresh and hardened state. The aim of this study was evaluate the influence of air entrained content, by additive, in concrete performance with different aggregate contents. The experimental program included the evaluation of additives effectiveness of air entrainment in cement pastes, microstructural analysis and the concretes physical and mechanical properties and durability, with different levels of entrained air and aggregates. Tests were performed in fresh to determine the air content, density and slump. In hardened concrete, density, absorption, compressive strength, elastic modulus, ultrasonic pulse velocity, accelerated carbonation and thermal conductivity tests were performed. By computed X-ray microtomography, the pores present in the concrete samples were sized and quantified and determined the concretes porosities. The air entrained concrete presented decrease in mechanical strength. Concretes with lower aggregate levels presented lower mechanical strength, carbonation speed and thermal conductivity. According to the results, it can be concluded that the synthetic resins base additive was more efficient in air entrainment; larger air content implies variability in the results of the compressive strength and elastic modulus tests; concrete with higher aggregate levels presented higher carbonation speed, for the same entrained air content; thermal conductivity is inversely proportional to the air entrained content in concrete, and as lower was the aggregate content, lower was the thermal conductivity; the increase of air content in concrete promotes increase in the pores diameter and reduction of the incidence of spherical pores.