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Proteção Catódica com Betão Armado

Controlo da corrosão das armaduras

Genericamente, o processo corrosivo de um metal é um processo electroquímico que resulta da formação de uma "pilha de corrosão" entre uma zona, na superfície do metal, que se tornou anódica (onde ocorre a semi-reacção de oxidação com formação de iões do metal e libertação de electrões) e outra zona, também na superfície do metal, que se tornou catódica (onde ocorre uma semi‑reacção de redução que consome os electrões libertados na zona anódica). O processo é em tudo similar das vulgares pilhas produtoras de energia.
A protecção catódica é usada para controlar a reacção global da corrosão fazendo com que o metal que se comporte, na sua totalidade, como um cátodo transferindo para um segundo material (eléctrodo) a função anódica. O eléctrodo metálico a introduzir no sistema pode ser menos nobre que o ferro e nesse tem-se um sistema de:

Protecção Catódica por Ânodos Sacrificiais (PCAS)

em que o eléctrodo se sacrifica (oxida-se) para que a estrutura seja o cátodo (se preserve);
O ânodo pode também ser inerte no meio que a estrutura está implantada, funcionando simplesmente como eléctrodo auxiliar de uma célula electrolítica na qual faz-se passar uma corrente eléctrica contínua, com o auxílio de um gerador/rectificador de corrente, de forma a garantir que a estrutura a proteger seja catódica. Nesse caso está-se perante um sistema de:
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Protecção Catódica por Corrente Imposta (PCCI) 

Na figura 1 encontra-se uma representação esquemática de um sistema de PCCI de betão armado onde são visíveis:

  • a fonte de corrente contínua, regulável (rectificador de corrente);
  • o eléctrodo (ânodo) de material inerte e
  • o eléctrodo de referência que permite controlar e monitorizar a prestação do PCCI.

PCCI

Num sistema de PPCI, o polo positivo do rectificador de corrente é ligado ao ânodo, instalado na camada de recobrimento da estrutura de betão armado, e o polo negativo à armadura. A corrente a debitar pelo rectificador será uma função da quantidade de armadura a proteger, do seu estado corrosivo e da resistividade do betão. A passagem de corrente deve fazer variar o potencial electroquímico da armadura de forma a conduzi-lo aos domínios em que a corrosão é desprezável.

Cathodic Protection of concrete structures

Structure corrosion control

Generically metal corrosion is an electrochemical process that results form a corroded area on the metals surface, that becomes anodic(where a semi reaction occurs - oxidation which forms the metals ions and where electrons are freed) and another surface area which becomes cathodic (semi reaction reduction which attracts the free electrons released from the anodic area). This process is simular to the one that ocurrs in energy batteries.
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Cathodic protection is used to control the corrosions global reaction making the metal act like a cathode, transferring to a secondary material (electrode) the anodic function. The metallic electrode that is used in this system may be a weaker alloy than the iron, and in this case we have:

Cathodic Protection with Sacrificial Anodes (PCAS)​

Where the electrode sacrifices itself (oxidation) so that the cathode may be preserved;
The anode may also be inert where it is implanted, and whose job is simply to be an auxiliary electrode to an electrolytic cell where an electrical current goes through as to guarantee that the structure which we want to protect will be cathodic. In this case we are amoungst:

Cathodic Protection through imposed current (PCCI)​

In figure 1 we find a schematic representation of the PCCI system in concrete structures where we can see:

  • A continuous current source (current rectifier);
  • The electrode (anode) of inert material and
  • Reference electrode that enables us to control and monitorize the PCCI system.

PCCI

In a PCCI system the current rectifiers positive pole is connected to the anode, installed in the concretes exterior layer and negative pole is connected to the metal structure. The current intensity that is debited by the rectifier depends on the amount of metal structure that we want to protect, its' corrosion state and the concretes resistance. The current should alter the structures electrochemical potential so as to guide it to a domain where corrosion is insignificant.


Figura 1 - Representação esquemática de um sistema PCCI.
Figure 1 - Schematic representation of the PCCI system

Em estruturas marítimas não-recentes, e como tal já contaminadas com iões cloreto, que causam cloratação, a instalação de um sistema de PCCI permite, além da protecção catódica, a:
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Extracção Electroquímica de Cloretos (EEC) 

e um ajuste da alcalinidade do betão que ajuda a repassivação do aço da armadura.
A EEC funciona com base no facto de a estrutura protegida catodicamente funcionar como um eléctrodo negativo, tendo por tendência a repelir as espécies químicas carregadas negativamente, em particular, os iões cloreto.
O ajuste da alcalinidade resulta das reacções catódicas que passam a ocorrer à superfície das armaduras, em especial, a semi‑reacção de redução do oxigénio que liberta hidroxiliões:

O2 (g)  +  2H2O (l)  +  4e-  ®  4OH- (aq)                    (1)

Os iões hidroxílicos provocam o aumento do valor de pH (alcalinidade) favorecendo o processo de repassivação.
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CRITÉRIOS DE PROTECÇÃO 

Na figura 2 é uma representação esquemática de uma curva de polarização electroquímica típica para um aço de construção. Verifica-se que a curva apresenta quatro zonas distintas:

In non-recent sea structures and therefore with a high concentration of chloride contamination, which cause chlorination, the PCCI system enables us to besides using the cathodic protection it also enables us to electrochemically extract chlorides:

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Electrochemical extraction of clorides (EEC)

​And adjust the concretes alkalinity that helps in the   re-passivity of the steel structure.
The EEC works basically on the fact that the cathodically protected structure is a functional negative electrode. Therefore naturally having the tendency to repel negative charged chemical species and in particular chloride ions.
The alkalinity adjustment results from the cathodic reactions that occur on the structures surface, and especially, the semi-reaction of oxygen reduction that frees hydroxyl ions:

O2 (g)  +  2H2O (l)  +  4e-  ®  4OH- (aq)                    (1)

The hydroxyl ions raise the pH value (alkalinity) favoring the re-passivity process.
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PROTECTION CRITERIA​

Figure 2 is a schematic representation of steels? tipical electrochemical polarization curve. As you can see it has four distinct zones or areas:

Figura 2: Curva de polarização esquemática de um aço.
Figure 2: Schematic representation of a steels' polarization curve.

  • Uma zona de imunidade para a liga, a valores de potencial eléctrico, E, abaixo dos ‑800 mV, relativamente a um eléctrodo de Ag/AgCl, na qual o processo preponderante é a redução do metal.
  • Uma zona de dissolução activa, acima dos ‑800mV até cerca de -400 mV vs. Ag/AgCl. A dissolução nesta zona verifica-se quando ocorre um processo de carbonatação e/ou quando se está perante estágios muito avançados de cloratação.
  • Um zona de passivação, acima dos -400 mV até ao potencial de picada no meio. O potencial de picada varia com a concentração de iões agressivos no interior do betão, nomeadamente, iões cloreto presentes em ambientes marítimos.
  • Um zona de transpassivação/picada, acima do potencial de picada.
A introdução de um sistema de protecção catódica visa garantir que o material metálico se encontra dentro de um dos dois domínios onde a corrosão é desprezável, ou seja, ou no domínio de passivação ou de imunidade. O sistema PCCI deve obrigar a que o potencial da estrutura, esteja dentro de um desses domínios.
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Para valores de potencial da armadura muito abaixo dos -1100mV  vs. Ag/AgCl há a possibilidade de formação do hidrogénio molecular, resultado da redução da água, com aumento da probabilidade da ocorrência da fragilização pelo hidrogénio que representa sérios riscos de fracturação do aço.
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Os critérios de protecção que tem vindo a ser adoptados, impõem que:
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o potencial da estrutura, 0,1-1 segundos após se desligar o rectificador, deva ser inferior a -720 mV, vs. Ag/AgCl (0,5 M KCl),
o potencial do aço apresente superior uma variação superior a 100 mV 24 horas depois de se ter desligado o sistema.
Uma outra abordagem da protecção catódica é o que se designa por prevenção catódica. A prevenção catódica, aplicando-se essencialmente, a obras novas, tem como objectivo garantir que o sistema se mantenha na zona de passivação, referida anteriormente, a um potencial inferior ao potencial de picada. Nesta situação o gasto de corrente é muito menor que na protecção catódica e garante-se protecção uniforme ao aço da armadura.
  • Immunity zone for the alloy with electric potential, below ‑800 mV, relatively to an Ag/AgCl electrode, where the preponderant process is metal reduction.
  •  An active dissolution zone between ‑800mV and   -400 mV vs. Ag/AgCl. The dissolution in this area happens when carbonation and/or last stage chlorination.
  • A passivity zone above -400 mV up to potential pique. The potential pique varies with the aggressive ion concentration within the concrete, namely chloride ions that are present in sea areas.
  • A transpassivity/pique zone above the pique potential.
The cathodic protection system is meant to guarantee that the metallic material finds itself inside one of the two domains where corrosion is insignificant. In other words, in a passivity domain or an immunity domain therefore the PCCI system influence the structure potential to locate itself in one of these two domains.

For structure potential below -1100mV vs. Ag/AgCl there is a possibility of molecular hydrogen formation, which results from water reduction increasing the probability of fragilization caused by the hydrogen which represents serious risk of steel fracture.

The adopted protection criteria impose that:
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After turning off the rectifier 0.1-1 second later the structures potential should be below -720 mV, vs. Ag/AgCl (0,5 M KCl),
 24 hours after the system is turned off the steels potential should be above  100 mV.
Another approach to cathodic protection is designated by cathodic prevention. Cathodic prevention applies basically to new structures which objective is to guarantee that the new system stays in the passivity zone with a potential lower than the pique potential. In this situation the used current is much lower than the cathodic protection and also guarantees total protection to the steel structure

Figura 3 - Pormenor da montagem de um sistema de PCCI.
Figure 3 - PCCI system  set up.

ÂNODOS

Redes de titânio activadas com revestimentos de óxidos metálicos são os ânodos que mais se tem vindo a instalar, tanto pelas suas características de durabilidade como pelo facto de permitirem passagens de correntes de protecção significativas (ver figura 3). As redes são instaladas na camada de recobrimento, a cerca de 2 a 3 cm da primeira fiada de armaduras, e recobertas com material cimentício.

Revestimentos orgânicos com elevadas quantidades de grafite e projecções metálicas de zinco e titânio fundidos, termicamente ou por arco, têm, também, vindo a ser aplicadas como ânodos para sistemas de PCCI, com bons desempenhos e com relativa facilidade de aplicação.

ANODES​

Active titanium nets covered with metallic oxides are the most used anodes, not only because of their durability but also because they are capable of significant current flow.(see figure 3) these nets are installed in the cover layer about 2 to 3 cm from the steel structure and is covered with concrete material.
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Organic cover layers with huge quantities of graphite, zinc metallic projectors and thermal melted or arc titanium have been used recently as PCCI system anods with excellent results.
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