Aços patináveis e conceção para corrosão atmosférica

O que é o aço patinável — e o que não é

O aço patinável como aço de baixa liga deliberadamente ligado

O aço patinável não corresponde a uma única classe nem é simplesmente aço estrutural comum deixado sem pintura. Trata-se de uma família de aços de baixo teor de carbono e baixa liga, cujas composições químicas são ajustadas para alterar a forma como se desenvolve a corrosão atmosférica. O cobre, o crómio, o níquel, o fósforo, o silício e o manganês estão entre as adições tradicionais. Também pode ser utilizado molibdénio, enquanto a investigação tem analisado adições de tungsténio, titânio, alumínio e elementos de terras raras. A revisão de 2009 da Federal Highway Administration identifica Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo e P como o foco histórico da liga.

O aço patinável desenvolve resistência condicional à corrosão atmosférica, em vez de se tornar imune à corrosão. Strong evidence

Corrosão eletroquímicaCorrosão eletroquímica Corrosão causada pela dissolução anódica acoplada do metal e por reações catódicas através de uma película de eletrólito.

Estas adições não interrompem a corrosão eletroquímica. Alteram a composição, a estrutura, a aderência e a permeabilidade da camada de ferrugem que se forma durante a exposição. Quando o aço fica molhado, as áreas anódicas libertam ferro para um eletrólito, enquanto as áreas catódicas favorecem reações de redução do oxigénio. Os produtos de corrosão resultantes podem tornar-se relativamente densos e aderentes, reduzindo o acesso posterior da água e do oxigénio. No entanto, as reações continuam. «Patinável» descreve um comportamento de corrosão, não uma imunidade.

Entre as designações comuns incluem-se ASTM A242/A242M, para aço estrutural de alta resistência e baixa liga; ASTM A588/A588M, para aço estrutural de alta resistência e baixa liga com resistência melhorada à corrosão atmosférica; e os aços para pontes ASTM A709/A709M, que incluem classes patináveis como Grade 50W e Grade HPS 50W, quando especificadas pela norma do material e pelos documentos do projeto. Os aços estruturais europeus resistentes à corrosão atmosférica são designados ao abrigo da EN 10025-5, incluindo S355J0WP, S355J2WP, S355J0W e S355J2W. O sufixo e a classe são importantes: os limites químicos, as propriedades mecânicas, as disposições relativas à soldabilidade e a condição de fornecimento não são intermutáveis apenas porque cada produto é designado por «aço patinável».[1][1] Improved Corrosion-Resistant Steel for Highway Bridges. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration research publication, 2011.

Os índices de corrosão baseados na composição da ASTM G101 são ferramentas de triagem ou de comparação e não podem substituir a avaliação específica da exposição e dos pormenores construtivos do local. Limited evidence

[2][2] ASTM G101-04(2010), Standard Guide for Estimating Atmospheric Corrosion Data. ASTM International. ASTM International standard, 2010.

Por conseguinte, a liga é apenas uma parte da decisão de projeto. A ASTM G101-04(2010) fornece métodos para estimar perdas devidas à corrosão atmosférica a longo prazo a partir de dados de exposição mais curta e para estimar a resistência atmosférica relativa à corrosão de um aço de baixa liga com base na sua composição química. Esse índice é uma ferramenta de triagem, não um certificado relativo ao local. Uma investigação da FHWA publicada em 2011 concluiu que a maioria dos aços patináveis apresentava valores do índice de corrosão ASTM G101 entre 6 e 7; o estudo procurou valores próximos de ou superiores a 9,5 para obter uma resistência substancialmente melhorada em atmosferas contendo cloretos. Um número baseado na composição não consegue ter plenamente em conta uma aba de ponte que retenha detritos húmidos ou uma fachada lavada por água salgada pulverizada.

Formação da pátina versus um revestimento aplicado em fábrica

A pátina do aço patinável forma-se à superfície após o fabrico e a montagem. Não é tinta, galvanização, pulverização térmica nem uma película aplicada em oficina com espessura fixa e cobertura garantida. A superfície inicial corrói normalmente com relativa rapidez quando há humidade. Com a exposição repetida, os produtos de corrosão alteram a sua composição e disposição, e uma parte da camada de ferrugem torna-se mais aderente e menos permeável. A cor pode evoluir através de tonalidades laranja, castanho-avermelhado, castanho-escuro e quase preto, mas a cor, por si só, não prova que tenha ocorrido estabilização.

A National Steel Bridge Alliance afirmou, no seu manual introdutório de 2010, que o desenvolvimento de uma pátina protetora exige ciclos repetidos de molhagem e secagem. Esse requisito é fundamental. A chuva seguida de secagem pode promover uma camada de ferrugem diferente daquela produzida por condensação contínua, água estagnada ou uma fresta que nunca drena. Uma superfície protegida da chuva pode permanecer suja e húmida, em vez de desenvolver o ciclo pretendido. Inversamente, a lavagem frequente pela chuva não garante proteção se os depósitos retiverem cloretos ou contaminantes ácidos.

A formação da pátina também requer tempo, e esse período varia consoante o clima, a orientação, a composição do aço, o estado da superfície e a carga de poluentes. A carepa de laminação, os resíduos de fabrico, os salpicos de soldadura e os óleos podem criar diferenças locais de molhagem e corrosão. As manchas de ferrugem no betão, na pedra ou no aço revestido adjacente constituem uma preocupação de projeto distinta: mesmo quando a perda de metal é limitada, a escorrência pode causar danos visuais permanentes. A continuidade de um revestimento aplicado em fábrica pode ser inspecionada, a sua espessura de película seca pode ser especificada e os defeitos identificados podem ser reparados. Uma pátina não pode ser aceite com base nesses mesmos pressupostos. Desenvolve-se de forma desigual, é afetada por todas as juntas e drenos e pode ser alterada por limpeza, abrasão ou reparações posteriores.

[3][3] Guidance Note 1.07: Weather Resistant Steel. Steel Construction Institute. SCI Guidance Note 1.07, 2015.

Os projetistas devem também distinguir uma face exposta estável de uma fresta. Sobreposições aparafusadas, folgas estreitas entre enrijecedores, detalhes em caixa, chapas de emenda, assentos de apoio e bolsas na face inferior podem reter água e detritos. A SCI Guidance Note 1.07, publicada pelo Steel Construction Institute em 2015, identifica os ambientes continuamente molhados ou húmidos, a exposição elevada a cloretos ou à pulverização de água salgada, os fumos industriais concentrados e as condições enterradas como aplicações inadequadas ou sujeitas a restrições para aço resistente à corrosão atmosférica não revestido. Essas condições podem impedir que a superfície atinja um estado de menor corrosão ou podem provocar um ataque local grave, apesar de uma cor geral atrativa.

Resistência à corrosão atmosférica versus imunidade à corrosão[4][4] ISO 9223:2012 Corrosivity of Atmospheres. International Organization for Standardization. International Standard, 2012.

«Resistência melhorada à corrosão atmosférica» é uma afirmação de desempenho condicional. Não significa que o aço seja adequado para qualquer exposição exterior, nem que a perda de espessura se torne negligenciável. A ISO 9223:2012 classifica a corrosividade atmosférica utilizando as taxas de corrosão no primeiro ano de provetes normalizados e identifica a influência da temperatura e da humidade, a poluição por dióxido de enxofre e a salinidade transportada pelo ar como fatores fundamentais. A classificação descreve a atmosfera; não transforma uma classe de aço patinável num material universalmente seguro.[5][5] Uncoated Weathering Steel in Bridges. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration guidance, 2003.

A mesma distinção aplica-se à seleção para um projeto. As orientações da FHWA de 2003 exigem que se considerem especificamente para o local o tempo de humedecimento, a exposição a cloretos, os poluentes industriais, a drenagem, a geometria e a manutenção antes de se selecionar aço patinável não revestido. Um local interior seco, com drenagem livre, pode favorecer o comportamento de corrosão pretendido. Uma estrutura costeira exposta à pulverização de água salgada, uma estrada sobre a qual seja projetada salmoura descongelante ou um local industrial com fumos concentrados podem não o fazer. A molhagem repetida é necessária para o desenvolvimento da pátina, mas a molhagem com presença de cloretos e a humidade persistente podem manter a corrosão ativa e promover picadas de corrosão.

A corrosão por picadas é reconhecida no tratamento AASHTO citado através da atribuição ao metal de base de aço patinável simples sem revestimento de uma categoria de fadiga inferior à do aço não patinável comparável. Strong evidence

[6][6] Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue. Federal Highway Administration. Federal Highway Administration handbook, 2016.

A corrosão por picadas é importante do ponto de vista estrutural, e não apenas estético. As orientações da FHWA relativas à fadiga explicam que o aço patinável forma a sua pátina através de ciclos alternados de molhagem e secagem, referindo também que a AASHTO atribui ao metal de base de aço patinável simples não revestido uma categoria de fadiga inferior à do aço não patinável comparável, devido à corrosão por picadas. Esta consideração reconhece que a corrosão localizada pode criar concentrações de tensões mesmo quando a perda média de secção parece modesta. As verificações de fadiga, os detalhes de soldadura, o acesso para inspeção e as margens de corrosão devem, portanto, continuar a fazer parte do projeto estrutural.

A descrição correta é simples: uma superfície de aço patinável não revestida é um sistema de corrosão gerido. A composição da liga pode favorecer uma camada de ferrugem mais protetora em condições de exposição atmosférica adequadas, mas a drenagem, a ventilação, a geometria das juntas, os contaminantes, o controlo dos cloretos, a inspeção e a manutenção determinam se esse potencial se concretiza. Trata-se de aço resistente às condições atmosféricas — não de aço à prova de corrosão nem de aço com um revestimento permanente já fornecido pela fábrica.

O Ambiente de Corrosão Atmosférica

O aço patinável não é imune à corrosão atmosférica. Trata-se de um aço de baixo teor de carbono e baixa liga, formulado para desenvolver uma camada de ferrugem relativamente densa e aderente quando as condições de exposição permitem que os produtos de corrosão se formem, sequem e se reorganizem sem serem repetidamente removidos pela água ou mantidos continuamente húmidos. O cobre, o crómio, o níquel, o fósforo, o silício e outros elementos de liga alteram as reações eletroquímicas e a estrutura da ferrugem, mas a composição química não consegue compensar todas as condições de exposição.

A ISO 9223:2012 fornece o principal enquadramento para a descrição da corrosividade atmosférica. Classifica os ambientes utilizando as taxas de corrosão do primeiro ano, medidas em provetes normalizados, e identifica três influências determinantes: o regime de temperatura e humidade, a poluição por dióxido de enxofre e a salinidade transportada pelo ar. Estes fatores interagem com a superfície do aço. Por conseguinte, o mesmo grau nominal pode apresentar diferentes taxas de corrosão, cores de ferrugem, profundidades de picagem e níveis de desenvolvimento da pátina num ambiente rural interior, junto de um estuário sujeito à maré, sob uma pluma industrial ou no interior de um pormenor protegido de uma ponte.

Esta distinção é importante durante a conceção. Uma viga de aço patinável em ar limpo, com drenagem livre e secagem regular, pode desenvolver uma camada protetora estável. Uma viga nominalmente idêntica sob uma junta de tabuleiro com fugas pode permanecer em corrosão ativa na fresta, enquanto as superfícies expostas aparentam estar maturadas. A classificação atmosférica é um ponto de partida, não um substituto da análise do local real e da geometria que controlará a retenção de humidade.

Tempo de humedecimento e ciclos repetidos de humidificação e secagem

Tempo de humidadeTempo de humidade Período durante o qual uma superfície metálica permanece coberta por uma película de humidade suficientemente condutora para sustentar a corrosão atmosférica.

A corrosão eletroquímica requer um eletrólito. A chuva, o nevoeiro, o orvalho, a condensação e os sais depositados fornecem esse eletrólito na superfície do aço. O período durante o qual permanece uma película superficial suficientemente condutora é geralmente descrito como tempo de humedecimento. Períodos de humidade mais longos permitem, em geral, uma maior dissolução anódica do metal e uma maior redução catódica do oxigénio, embora a relação não seja uma simples questão de tempo: a concentração de sais, a temperatura, o fornecimento de oxigénio, a contaminação da superfície e a permeabilidade da camada de ferrugem também se alteram durante a exposição.

A molhagem e a secagem repetidas são uma condição ambiental necessária para o desenvolvimento de uma pátina protetora. Strong evidence

A secagem não é simplesmente uma pausa na corrosão. No caso do aço patinável, a alternância entre períodos húmidos e secos ajuda a transformar produtos de corrosão inicialmente soltos numa pátina mais aderente e menos permeável. O manual introdutório da National Steel Bridge Alliance, publicado em 2010, afirma que o desenvolvimento de uma pátina protetora requer ciclos repetidos de humidificação e secagem. Durante a humidificação, o ferro dissolve-se e os produtos de corrosão precipitam; durante a secagem, a camada de ferrugem contrai-se, oxida-se adicionalmente e pode tornar-se mais compacta. Os ciclos repetidos podem reduzir gradualmente a velocidade a que a água e o oxigénio chegam ao aço.

Este processo falha quando a água fica retida. Uma aba horizontal, uma sobreposição apertada, um dreno obstruído, a extremidade de um rigidificador, um alojamento de parafuso ou uma fresta selada podem permanecer húmidos depois de as superfícies circundantes terem secado. A célula de arejamento diferencial resultante pode produzir ataque localizado, enquanto os depósitos de cloretos aumentam a condutividade do eletrólito. O escoamento superficial também pode transportar água rica em ferro para betão, pavimentos ou superfícies arquitetónicas, provocando manchas mesmo quando a perda de secção é moderada.

Por conseguinte, o historial de exposição é mais importante do que o valor da precipitação anual, por si só. Episódios de chuva curtos e frequentes, seguidos de secagem, podem favorecer a formação da pátina. Períodos prolongados de humidade podem manter a corrosão ativa. A deposição cíclica de sais e a evaporação podem ser particularmente prejudiciais, porque a evaporação concentra os cloretos na superfície e o período húmido seguinte reativa o eletrólito concentrado.

As orientações da FHWA publicadas em 2003 recomendam uma avaliação específica do local relativamente ao tempo de humedecimento, à exposição a cloretos, aos poluentes industriais, à drenagem, à geometria e à manutenção antes de se selecionar aço patinável não revestido. Este requisito é de natureza prática, não burocrática. Uma ponte num clima interior seco pode conter microambientes continuamente húmidos, enquanto uma estrutura costeira húmida pode ter faces expostas que secam rapidamente e juntas protegidas que não secam.

Temperatura, humidade e condensação

A humidade relativa influencia a possibilidade de persistência de uma película superficial. À medida que o ar arrefece em direção ao seu ponto de orvalho, a água condensa-se no aço, mesmo quando não caiu chuva. O arrefecimento noturno, as faces à sombra, as secções ocas fechadas e o metal frio sob ar quente e húmido são causas comuns. Assim, uma superfície pode permanecer húmida durante muitas horas num local que recebe pouca precipitação mensurável.

A temperatura altera tanto as velocidades de reação como a evaporação da água. Temperaturas mais elevadas aceleram frequentemente as reações eletroquímicas, mas também podem reduzir o período de humidade ao aumentar a evaporação. Próximo do ponto de orvalho, uma variação modesta da temperatura pode provocar condensação e prolongar o período de presença do eletrólito. A temperatura também altera a solubilidade do oxigénio, a cristalização dos sais, as transformações da ferrugem e a viscosidade ou mobilidade das películas superficiais. A ISO 9223:2012 integra estes efeitos através da sua influência da temperatura e da humidade, em vez de tratar a humidade como uma garantia independente da taxa de corrosão.

A humidade torna-se mais significativa quando estão presentes poluentes solúveis. Os sais higroscópicos podem absorver água do ar com humidades relativas inferiores ao nível em que o aço limpo permaneceria seco. Uma superfície que contenha cloreto de sódio, cloreto de magnésio ou cloreto de cálcio pode, assim, manter-se eletroliticamente ativa durante períodos húmidos repetidos. As poeiras e os depósitos industriais podem ter um efeito semelhante, sobretudo quando se acumulam em superfícies horizontais ou protegidas.

O desenvolvimento da pátina depende deste equilíbrio. É necessária alguma humidade para iniciar e manter as reações de corrosão que produzem a camada de ferrugem. Uma humidade excessiva ou persistente impede a secagem da camada e pode manter os poros e as fissuras eletroquimicamente ativos. Uma ventilação deficiente agrava a situação ao retardar a evaporação. A SCI Guidance Note 1.07, emitida pelo Steel Construction Institute em 2015, identifica os ambientes continuamente húmidos ou molhados como aplicações inadequadas ou sujeitas a restrições para aço resistente às condições atmosféricas não revestido, juntamente com a exposição elevada a cloretos ou a névoa salina, os fumos industriais concentrados e as condições enterradas.

A composição da liga continua a ser importante. Historicamente, os aços patináveis utilizaram manganês, silício, crómio, níquel, cobre, molibdénio e fósforo para influenciar os produtos de corrosão e a sua aderência. A investigação da FHWA publicada em 2009 também analisou adições de tungsténio, titânio, alumínio e elementos de terras raras. No entanto, uma adição de liga não consegue eliminar a condensação numa secção oca nem drenar uma zona de retenção de água. O ambiente e o pormenor construtivo continuam interligados.

Dióxido de enxofre, cloretos e salinidade transportada pelo ar

O dióxido de enxofre é importante porque se dissolve na humidade superficial e forma espécies de ácido sulfuroso e, após oxidação, de ácido sulfúrico. Estas películas ácidas aumentam a condutividade e podem perturbar a estabilização da camada de ferrugem. Historicamente, as fontes de combustão industrial produziram ambientes com níveis severos de dióxido de enxofre, embora as emissões variem significativamente consoante a região e a fonte. Uma superfície de aço próxima de uma refinaria, fundição, central elétrica ou corredor de tráfego intenso pode receber uma carga de poluentes diferente da medida numa estação rural próxima.

Os cloretos são frequentemente mais persistentes e localmente mais severos. A pulverização marítima, as ondas rebentadas, o aerossol marinho transportado pelo vento, os sais de degelo e o escoamento contaminado depositam iões cloreto no aço. Os cloretos penetram nos poros e defeitos da ferrugem, promovem a dissolução anódica localizada e tornam a secagem menos protetora, uma vez que os resíduos higroscópicos reabsorvem humidade. A direção do vento, a altitude, a distância à linha de costa, a exposição a salpicos e a lavagem pela chuva influenciam a deposição. «Costeiro» não é uma descrição de exposição suficiente; um pormenor protegido que acumule sal pode ser mais agressivo do que uma superfície totalmente exposta mais afastada do mar.

A ISO 9223:2012 trata a salinidade transportada pelo ar como um fator principal de corrosividade, e a avaliação do local deve considerar tanto a deposição como a retenção. A investigação da FHWA de 2011 sobre a melhoria dos aços resistentes à corrosão indicou que a maioria dos aços patináveis apresentava valores do índice de corrosão ASTM G101 entre 6 e 7, enquanto a investigação procurava valores próximos de 9,5 ou superiores para obter uma resistência substancialmente melhorada em atmosferas contendo cloretos. A ASTM G101-04(2010) fornece métodos para estimar perdas de corrosão atmosférica a longo prazo a partir de dados de exposição de curta duração e para estimar a resistência relativa à corrosão atmosférica de aços de baixa liga com base na composição química; não converte um índice de composição em imunidade.

Os poluentes e os sais também afetam as consequências estruturais. A picagem cria concentrações de tensão, e as orientações da FHWA relativas à fadiga explicam que a AASHTO atribui ao metal de base de aço patinável simples não revestido uma categoria de fadiga inferior à do aço não patinável comparável, devido à picagem. A conceção para a corrosão atmosférica deve, por conseguinte, relacionar a exposição definida pela ISO 9223, as estimativas baseadas na composição segundo a ASTM G101, a drenagem e o acesso para inspeção com os pormenores de fadiga. Um aço nominalmente idêntico não está exposto a uma única atmosfera. O seu ambiente de corrosão real resulta da combinação do clima, dos depósitos, do historial de humidificação e da geometria em cada metro quadrado da estrutura.

Como se desenvolve a pátina do aço patinável

O aço patinável não chega com uma superfície à prova de corrosão. A sua resistência atmosférica desenvolve-se após a exposição, e o resultado depende da composição química do aço, do ar circundante e da forma como a água chega à superfície e dela se escoa. Classes como a ASTM A588 e as classes de aço patinável especificadas na ASTM A709 são aços de baixo teor de carbono e baixa liga, contendo adições deliberadas que alteram a formação dos produtos de corrosão. As composições tradicionais dão destaque a Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo e P; a investigação da Federal Highway Administration também analisou adições de W, Ti, Al e terras raras.

Esses elementos não interrompem as reações anódicas e catódicas que constituem a corrosão atmosférica. Em vez disso, sob condições de exposição adequadas, influenciam quais óxidos e oxi-hidróxidos se formam, a densidade com que a camada de ferrugem se desenvolve e a força com que permanece ligada ao substrato. A pátina é, portanto, um produto de corrosão em evolução, não um revestimento aplicado nem uma garantia de proteção permanente.

Corrosão inicial e transformação da camada de ferrugem

Uma superfície acabada de fabricar apresenta normalmente carepa de laminação, contaminação proveniente da oficina, óxidos resultantes do corte térmico ou resíduos do manuseamento e da montagem. Assim que a humidade forma um eletrólito contínuo ou sem contínuo sobre o aço exposto, as áreas anódicas locais libertam iões de ferro:

$$\mathrm{Fe}\to {\mathrm{Fe}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$$

As reações catódicas consomem oxigénio e água, produzindo iões hidróxido. Os produtos iniciais incluem oxi-hidróxidos de ferro pouco ordenados e óxidos hidratados. O seu aspeto pode passar de laranja vivo ou amarelo-acastanhado para vermelho-acastanhado mais escuro e, em algumas exposições, para zonas quase negras. A cor não é uma medida fiável da proteção. Uma superfície escura pode ainda apresentar corrosão localizada ativa sob depósitos, enquanto uma camada mais clara pode conter regiões relativamente aderentes.

À medida que a exposição prossegue, a ferrugem inicial é repetidamente dissolvida, reprecipitada, desidratada e reorganizada. Entre os produtos de corrosão comuns encontram-se a lepidocrocite, frequentemente representada como γ-FeOOH, a goethite, α-FeOOH, e a magnetite, Fe₃O₄. As proporções e a disposição física variam em função da duração da molhagem, do acesso ao oxigénio, dos contaminantes, da temperatura e do teor de elementos de liga do aço. As adições ao aço patinável podem promover uma camada de corrosão mais fina e compacta do que a formada no aço estrutural comum de carbono, mas não conseguem impor uma estrutura mineral idêntica em todos os locais.

Estabilização da pátinaEstabilização da pátina Condição em que a camada de ferrugem e o ambiente produzem uma taxa de corrosão relativamente consistente, geralmente mais baixa, durante um período definido; não significa que a corrosão tenha terminado.

A distinção é importante na superfície do aço. Uma camada solta, fissurada ou mal aderente permite que a água e o oxigénio alcancem repetidamente o metal novo. Uma camada mais densa restringe o transporte e reduz a área de metal facilmente acessível, pelo que a velocidade de corrosão pode diminuir. Trata-se de uma alteração das condições de reação, não da conversão da superfície numa barreira impermeável. Fissuras, danos por impacto, bordos cortados, frestas e zonas sob detritos acumulados podem continuar a sofrer corrosão mesmo quando as faces amplas adjacentes parecem maduras.

A ASTM G101-04(2010) reflete este comportamento dependente do tempo ao fornecer métodos para estimar perdas de corrosão atmosférica a longo prazo a partir de dados de exposição mais curta e para estimar a resistência relativa à corrosão atmosférica de aços de baixa liga com base na composição química. A sua utilização não elimina a necessidade de uma avaliação específica da exposição. A composição química pode indicar uma tendência, mas, por si só, não consegue ter em conta uma junta com fugas, um depósito de cloretos ou uma face inferior permanentemente húmida.

Exposição alternada à molhagem e à secagem

A pátina desenvolve-se através da repetição. Durante um período húmido, a chuva, a condensação, a projeção de água ou a humidade depositada criam um eletrólito. O movimento dos iões e a redução do oxigénio sustentam a corrosão, enquanto os compostos de ferro solúveis podem migrar através da camada húmida. Durante a secagem, a evaporação aumenta a concentração dos sais remanescentes e altera o acesso ao oxigénio. Alguns produtos precipitam no interior dos poros e defeitos; outros são arrastados pela água. Esta dissolução e precipitação repetidas ajudam a transformar um depósito de ferrugem inicialmente solto numa camada mais estruturada quando a exposição é adequada.

A palavra «alternada» é importante. Uma superfície que permanece continuamente molhada não passa pelas mesmas fases de secagem que ajudam a consolidar a camada de corrosão. A Nota de Orientação 1.07 do SteelConstruction Institute identifica as condições continuamente molhadas ou húmidas, a exposição elevada a cloretos ou à pulverização salina, os fumos industriais concentrados e as condições enterradas como aplicações inadequadas ou sujeitas a restrições para aço patinável não revestido. A National Steel Bridge Alliance afirma igualmente que o desenvolvimento de uma pátina protetora exige ciclos repetidos de molhagem e secagem.

A secagem não significa que a corrosão cesse permanentemente. Após uma face parecer seca, podem permanecer películas finas de humidade nos poros, nas juntas e nas zonas rugosas. Os cloretos podem atrair humidade e prolongar o tempo de humidade, permitindo que a corrosão seja retomada a uma humidade relativa inferior à que ocorreria numa superfície limpa. O dióxido de enxofre e outros poluentes industriais podem acidificar a humidade superficial ou produzir depósitos que alteram as reações de corrosão. A ISO 9223:2012 classifica a corrosividade atmosférica utilizando as velocidades de corrosão no primeiro ano de provetes padrão e identifica os efeitos da temperatura e da humidade, a poluição por dióxido de enxofre e a salinidade atmosférica como principais fatores ambientais. Estas variáveis ajudam a explicar por que razão duas estruturas fabricadas com a mesma designação podem desenvolver camadas de ferrugem visualmente diferentes.

A geometria controla o ciclo de molhagem e secagem tanto quanto o clima. Rebordos horizontais, chapas de emenda, almas ou vãos junto a rigidificadores, pormenores de parafusos e cavidades parcialmente seladas podem reter água e sedimentos. Uma face protegida pode secar lentamente, enquanto uma face exposta ao vento recebe episódios curtos de chuva e sofre uma evaporação rápida. O escoamento de uma superfície de aço pode transportar água rica em ferro para outra, criando manchas sem necessariamente proporcionar uma proteção equivalente. O escoamento proveniente de betão, de componentes galvanizados ou de superfícies contaminadas também pode introduzir substâncias que alteram a corrosão local.

Por conseguinte, as orientações da FHWA exigem a avaliação do tempo de humidade, da exposição a cloretos, dos poluentes industriais, da drenagem, da geometria e da manutenção antes de selecionar aço patinável não revestido. Não se pode presumir que uma pátina formada numa viga de ponte bem drenada se forme da mesma maneira sob uma junta do tabuleiro com fugas ou no interior de uma ligação cheia de detritos.

Estabilização da pátina e corrosão em regime estacionário

«Estabilizada» não significa que a corrosão tenha terminado. Descreve uma condição na qual a camada de ferrugem e o ambiente produzem uma velocidade de corrosão relativamente consistente, geralmente inferior, durante um período definido. A camada pode continuar a engrossar, a fissurar, a compactar-se e a alterar a sua forma mineral, enquanto a perda média de metal se aproxima de uma tendência em regime estacionário. O tempo de estabilização não corresponde a um valor universal. Varia em função da composição da liga, da preparação da superfície, da orientação, da precipitação, da humidade, da poluição, da salinidade, da temperatura, da drenagem e da frequência dos ciclos de molhagem e secagem.

As análises da corrosão atmosférica dão especial importância à distinção entre os tempos de estabilização e as velocidades de corrosão em regime estacionário. Exposições curtas podem captar a fase inicial agressiva, antes de a camada de ferrugem se ter reorganizado. Podem também coincidir com uma estação excecionalmente húmida ou com um episódio temporário de poluição. Os modelos de previsão a longo prazo devem, por isso, separar a corrosão transitória da velocidade posterior e indicar as condições de exposição em que a previsão se baseia. A ASTM G101-04(2010) fornece métodos de estimativa, mas a inspeção no local continua a ser necessária quando as consequências de subestimar a perda são graves.

A composição da liga estabelece parte do limite superior do desempenho alcançável. A investigação da FHWA de 2011 sobre a melhoria da resistência à corrosão dos aços refere que a maioria dos aços patináveis apresentava valores do índice de corrosão ASTM G101 entre 6 e 7, enquanto a investigação visava valores próximos de 9,5 ou superiores para uma resistência substancialmente melhorada em atmosferas contendo cloretos. Este resultado não estabelece uma vida útil independente do local; demonstra por que razão os índices baseados na composição e os ensaios específicos para cloretos são importantes.

Uma pátina com aspeto maduro também não elimina as obrigações relativas ao dimensionamento estrutural. A corrosão localizada provoca perda localizada de secção e concentrações de tensão. As orientações da FHWA relativas à fadiga indicam que a AASHTO atribui ao metal de base de aço patinável simples não revestido uma categoria de fadiga inferior à do aço não patinável comparável, devido à corrosão localizada. Consequentemente, a inspeção deve examinar zonas de retenção de água, frestas, bordos, zonas de elementos de fixação e áreas onde a carepa de ferrugem ou os detritos ocultam o aço. Se a molhagem permanecer contínua, se os cloretos se acumularem ou se a drenagem falhar, a velocidade inferior esperada em regime estacionário pode nunca desenvolver-se. A pátina só é protetora como resultado condicional de uma composição química, exposição e pormenorização compatíveis — não como um revestimento automático e permanente.

Química das Ligas e Mecanismos de Corrosão

O aço patinável é um aço de baixo teor de carbono e baixa liga cujo desempenho atmosférico depende da camada de ferrugem que se desenvolve após a exposição. Essa camada não é um revestimento aplicado em fábrica e não torna o metal de base imune à corrosão. Em condições adequadas, os produtos de corrosão tornam-se relativamente densos, aderentes e menos permeáveis do que a ferrugem solta formada no aço-carbono comum. O resultado é uma taxa de corrosão a longo prazo mais baixa, não uma corrosão nula.

A composição da liga afeta a composição, a estrutura e a aderência dessa camada de ferrugem, mas a química não pode ser dissociada da exposição. A ISO 9223:2012 classifica a corrosividade atmosférica utilizando as taxas de corrosão, no primeiro ano, de provetes-padrão e identifica as condições de temperatura e humidade, a poluição por dióxido de enxofre e a salinidade transportada pelo ar como influências principais. Um aço que estabilize numa atmosfera rural pode continuar a perder espessura numa zona de salpicos marinhos, sob detritos ou no interior de uma junta que permaneça húmida.

Elementos de liga tradicionais: Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo e P

A abordagem convencional ao aço patinável combina várias adições moderadas de elementos de liga, em vez de depender de um único elemento. A investigação da FHWA descreve como foco tradicional o manganês (Mn), o silício (Si), o crómio (Cr), o níquel (Ni), o cobre (Cu), o molibdénio (Mo) e o fósforo (P). Os seus efeitos sobrepõem-se através da limpeza do aço, da segregação, da formação de fases e da química dos produtos de corrosão.

O manganês está normalmente presente como elemento de aumento da resistência e de processamento, ligando o enxofre sob a forma de inclusões de sulfureto de manganês. Essas inclusões podem afetar a atividade eletroquímica localizada e a formação de picadas, sobretudo quando a sua forma e distribuição são desfavoráveis. O silício atua principalmente como desoxidante e contribui para a resistência; pode também influenciar os componentes que contêm sílica e a compacidade dos produtos de corrosão. Nenhum dos dois elementos, considerado isoladamente, permite prever se uma viga principal de uma ponte formará uma pátina estável.

O crómio está associado a produtos de corrosão mais compactos e menos solúveis e pode promover o enriquecimento de fases protetoras de óxido ou oxi-hidróxido na interface aço-ferrugem. O seu efeito depende da concentração e da exposição. O níquel é especialmente importante em muitas composições de aços patináveis, pois pode melhorar a resistência atmosférica sem produzir as mesmas preocupações adversas de soldabilidade ou fragilização que podem acompanhar adições excessivas de alguns outros elementos de liga. Em condições com cloretos, foram estudados aços que contêm níquel pela sua capacidade de reduzir a gravidade do ataque localizado e de alterar a composição da camada de ferrugem.

O cobre é uma adição característica dos aços patináveis. Tende a enriquecer-se junto da fronteira metal-ferrugem à medida que a corrosão progride e pode promover uma camada mais aderente e menos permeável. O cobre não impede a primeira fase da oxidação; a humidade continua a iniciar a dissolução anódica do ferro. A sua contribuição torna-se relevante à medida que os produtos de corrosão se acumulam e os ciclos repetidos de humedecimento e secagem alteram a sua estrutura.

O molibdénio pode melhorar a resistência à corrosão localizada, incluindo o ataque associado a cloretos, influenciando os oxi-hidróxidos de ferro e a química das picadas. Não constitui uma garantia contra a formação de picadas quando os depósitos de sal permanecem húmidos. Historicamente, o fósforo foi utilizado em alguns aços patináveis porque pode aumentar a resistência à corrosão atmosférica e favorecer a formação de uma camada de ferrugem compacta. Contudo, um teor elevado de fósforo pode prejudicar a tenacidade, a soldabilidade ou o desempenho à fratura, pelo que a quantidade permitida é limitada pela especificação do aço e pelos requisitos de projeto.

O mecanismo é, portanto, sequencial. Durante o humedecimento, uma película de eletrólito permite a dissolução do ferro e a redução catódica do oxigénio. Durante a secagem, os iões dissolvidos concentram-se, os produtos de corrosão transformam-se e a ferrugem pode tornar-se menos condutora e menos permeável. Os elementos de liga alteram a velocidade e os produtos destas reações. Os ciclos repetidos são essenciais: a National Steel Bridge Alliance afirma que o desenvolvimento de uma pátina protetora requer humedecimento e secagem, enquanto o aço continuamente húmido pode continuar a sofrer corrosão ativa, porque a ferrugem nunca passa pela fase de secagem necessária para a estabilização.

Esta distinção também afeta a fadiga. As picadas constituem concentradores de tensões, mesmo quando a perda média de material por corrosão é moderada. As orientações da FHWA relativas à fadiga indicam que a AASHTO atribui ao metal de base de aço patinável simples e não revestido uma categoria de fadiga inferior à do aço não patinável comparável, devido à formação de picadas. A composição da liga pode reduzir os danos de corrosão, mas não elimina a necessidade de verificar os pormenores de fadiga, inspecionar as picadas e controlar a água nas soldaduras, ligações e bordos dos banzos.

Investigações emergentes sobre adições de W, Ti, Al e terras raras

A investigação examinou o tungsténio (W), o titânio (Ti), o alumínio (Al) e adições de terras raras como formas de modificar a nucleação da camada de ferrugem, o transporte iónico e o desenvolvimento de picadas. Estas investigações não estabelecem uma substituição universal para a composição química convencional dos aços patináveis. Cada adição pode afetar as inclusões, a precipitação, o comportamento da soldadura, a tenacidade e a prática de fabrico, além da corrosão.

O tungsténio foi estudado pela sua possível contribuição para uma camada de ferrugem mais densa e quimicamente estável, sobretudo sob exposição a cloretos. O titânio pode refinar os grãos e formar partículas estáveis de carboneto, nitreto ou carbonitreto; esse refinamento pode influenciar a uniformidade da corrosão, embora inclusões mal controladas possam criar células eletroquímicas locais. O alumínio pode alterar os produtos de desoxidação e a química dos óxidos. Os elementos de terras raras podem modificar a forma e a distribuição das inclusões, melhorar a limpeza do aço ou alterar a adesão e a morfologia dos produtos de corrosão. O seu efeito depende fortemente do elemento específico, da concentração e do processo de fabrico.

O programa da FHWA sobre aço com resistência melhorada à corrosão estabelece claramente a distinção prática. O aço patinável tradicional foi desenvolvido com base em Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo e P, enquanto a investigação posterior examinou adições de W, Ti, Al e terras raras para melhorar o desempenho em atmosferas que contêm cloretos. Em 2011, a FHWA comunicou que a maioria dos aços patináveis apresentava valores do índice de corrosão ASTM G101 entre 6 e 7, enquanto a investigação visava valores próximos de 9,5 ou superiores. Esse objetivo representa um critério de investigação para uma resistência aos cloretos substancialmente melhorada, não um limiar geral que prove que um elemento não revestido é adequado em qualquer local costeiro ou sujeito a sais de degelo.

A distinção é importante porque a composição química convencional dos aços patináveis e a investigação sobre aços com resistência melhorada à corrosão abordam limites de exposição diferentes. As orientações da FHWA para a seleção de locais exigem a avaliação do tempo de humedecimento, da exposição a cloretos, dos poluentes industriais, da drenagem, da geometria e da manutenção. A SCI Guidance Note 1.07, publicada em 2015, identifica os ambientes continuamente molhados ou húmidos, a elevada exposição a cloretos ou à pulverização salina, os fumos industriais concentrados e as condições enterradas como aplicações inadequadas ou restritas para aço resistente à corrosão atmosférica não revestido. Nenhuma adição de liga compensa um pormenor construtivo que retenha indefinidamente água e sal rodoviário.

Índices de corrosão baseados na composição segundo a ASTM G101

A ASTM G101-04(2010) fornece um quadro de estimativa com duas utilizações distintas: estimar as perdas de corrosão atmosférica a longo prazo a partir de dados de exposição de curta duração e estimar a resistência atmosférica relativa à corrosão de aços de baixa liga a partir da sua composição química. O índice de corrosão baseado na composição converte os teores especificados dos elementos de liga numa medida empírica destinada à comparação entre aços. Não constitui um cálculo direto da vida útil de um elemento de uma ponte.

O índice é útil porque relaciona a composição química com uma expectativa mensurável. Um valor mais elevado indica geralmente uma maior resistência à corrosão atmosférica dentro do intervalo e das condições para os quais a relação foi desenvolvida. Os valores da FHWA — aproximadamente 6 a 7 para a maioria dos aços patináveis existentes e próximos de 9,5 ou superiores para as composições resistentes aos cloretos investigadas — demonstram como o índice pode orientar o desenvolvimento de ligas. Não significam que todos os aços acima de 9,5 formarão uma pátina estável numa fresta com presença de sal, nem que todos os aços abaixo de 9,5 falharão numa atmosfera interior seca.

A ASTM G101 também tem limitações impostas pelos seus dados de entrada. A composição química não descreve os percursos de escoamento, a geometria das frestas, os depósitos, o tempo de secagem, a concentração de dióxido de enxofre, a exposição a salpicos ou a manutenção. Não consegue representar a face inferior de um banzo que permanece húmida devido a uma junta de dilatação com fugas. A ISO 9223:2012 fornece o quadro da corrosividade atmosférica, enquanto as orientações da FHWA fornecem as questões relativas ao local e aos pormenores construtivos; nenhuma das normas permite que a composição química substitua a avaliação da exposição.

No caso dos aços utilizados na construção de pontes, a especificação do material continua a ser relevante. A ASTM A709/A709M abrange o aço estrutural para pontes, incluindo os graus de aço patinável, enquanto as verificações de projeto devem abranger a perda de espessura, as ligações, as soldaduras, a tenacidade à fratura e a fadiga. A conclusão correta da ASTM G101 é limitada, mas útil: a composição da liga pode aumentar ou diminuir a probabilidade de estabilização da camada de ferrugem e pode apoiar a comparação entre composições candidatas. A pátina continua a ter de ser obtida através de humedecimento e secagem adequados, protegida de contaminação persistente e verificada por meio de inspeção.

ASTM G101 e os Limites da Previsão Baseada na Composição

A ASTM G101-04(2010) aborda duas tarefas relacionadas, mas distintas. Fornece métodos para estimar perdas por corrosão atmosférica a longo prazo a partir de dados de exposição de curta duração e fornece um método para estimar a resistência atmosférica relativa à corrosão de um aço de baixa liga com base na sua composição química. Nenhum dos métodos transforma uma designação de aço num valor garantido de vida útil.

Essa distinção é importante no caso de aços patináveis, como o ASTM A588, e dos graus de aço patinável abrangidos pela ASTM A709. A sua resistência depende da formação e retenção de uma camada de ferrugem relativamente densa e aderente. A liga não se torna imune à corrosão, e a pátina não é um revestimento permanente que se mantenha protetor em todas as condições de exposição. A ASTM G101 pode apoiar uma avaliação de engenharia; não pode substituir a caracterização do local, a revisão dos pormenores construtivos, os ensaios de exposição ou o planeamento das inspeções.

Estimativa da perda a longo prazo a partir de uma exposição de curta duração

Uma exposição curta pode fornecer um ponto de partida para estimar um registo de corrosão mais longo, mas a estimativa depende de a exposição representar o ambiente e a fase da corrosão que está a ser modelada. A corrosão inicial pode ser relativamente rápida enquanto a superfície se molha, seca, enferruja e perde repetidamente produtos de corrosão soltos. Mais tarde, a corrosão pode diminuir à medida que se desenvolve uma camada de ferrugem mais estável. A transição não é instantânea nem idêntica em todos os locais.

Por conseguinte, a ASTM G101 trata a perda a longo prazo como um problema de estimativa baseado em dados de exposição e no comportamento da corrosão, e não como uma conversão fixa de meses para décadas. Uma medição de perda de massa a curto prazo, obtida num painel exposto ao ar livre, pode dizer pouco sobre uma chapa de união de uma ponte que permaneça húmida sob uma junta com fugas. Um suporte de ensaio com boa circulação de ar também pode produzir um resultado diferente do de uma aba de uma viga coberta por detritos de aves, gravilha da estrada ou sais acumulados.

A incerteza aumenta quando o período de exposição não inclui as condições sazonais importantes. O sal descongelante utilizado no inverno, a condensação no verão, o aerossol marinho e as emissões industriais podem provocar episódios de corrosão que uma campanha curta não deteta. Inversamente, um período de construção com forte contaminação pode exagerar uma média a longo prazo se o contaminante não for representativo da operação normal.

A ISO 9223:2012 fornece o quadro mais amplo da corrosividade atmosférica. Classifica a corrosividade utilizando as taxas de corrosão do primeiro ano de provetes normalizados e identifica a influência da temperatura e da humidade, a poluição por dióxido de enxofre e a salinidade transportada pelo ar como fatores fundamentais. As suas categorias descrevem uma atmosfera, não a perda exata de um determinado componente de aço patinável. A classe do local pode orientar a seleção, mas fendas, ressaltos e trajetos de drenagem locais podem criar microambientes mais severos do que o sugerido pela classificação nominal.

Por conseguinte, a previsão a longo prazo deve utilizar, sempre que possível, registos de exposição, dados de corrosão comparáveis e a geometria real do componente. Os ensaios com provetes podem aumentar a confiança, sobretudo em ambientes industriais, costeiros ou sujeitos a sais descongelantes pouco usuais. Mesmo assim, a perda de secção medida é apenas uma parte da questão de projeto. Picadas, exposição de laminações, alargamento de furos de parafusos e entalhes sensíveis à fadiga podem ser determinantes antes de a perda média de espessura se tornar significativa.

Resistência relativa à corrosão com base na composição química

O método de composição da ASTM G101 calcula um índice de corrosão a partir de elementos de liga especificados. O índice é comparativo. Ajuda a indicar como um aço de baixa liga pode comportar-se relativamente a outro em exposição atmosférica; não prevê a taxa de corrosão de um projeto, em milímetros por ano, com a precisão de um modelo específico do local.

A composição química tradicional dos aços patináveis centra-se no manganês, silício, crómio, níquel, cobre, molibdénio e fósforo. Estes elementos afetam a camada de ferrugem, as reações eletroquímicas e a tendência para que os produtos de corrosão se tornem menos porosos e mais aderentes. A investigação de 2009 da Federal Highway Administration sobre aços resistentes à corrosão também analisou adições de tungsténio, titânio, alumínio e terras raras. Essa investigação reflete um ponto importante: a composição pode ser concebida para melhorar a resistência, mas o índice é apenas um indicador indireto do mecanismo de corrosão resultante.

Em 2011, a Federal Highway Administration comunicou que a maioria dos aços patináveis apresentava valores do índice de corrosão ASTM G101 entre 6 e 7, enquanto a sua investigação visava valores próximos de 9,5 ou superiores para obter uma resistência substancialmente melhorada em atmosferas contendo cloretos. Estes valores são úteis para comparar composições químicas candidatas. Não significam que um índice de 9,5 garanta um desempenho aceitável sem revestimento junto a uma estrada sujeita a aplicação de sal, nem que um aço com um índice de 6 falhe em qualquer local do interior.

Um índice mais elevado pode indicar um equilíbrio mais favorável entre elementos de liga; contudo, a composição não descreve a contaminação superficial, as zonas soldadas, o estado da carepa de laminagem, o escoamento superficial ou a duração da humidade. Também não capta todas as interações entre os elementos de liga e a atmosfera. Dois lotes que cumpram os mesmos limites de uma classe podem apresentar um desenvolvimento diferente da camada de ferrugem devido a pequenas diferenças de composição, ao historial de processamento, à preparação da superfície e à orientação durante a exposição.

O índice também deve ser mantido separado da designação de uma classe de aço. A ASTM A588 especifica um produto de aço patinável com requisitos químicos e mecânicos definidos; não garante uma única curva de perda por corrosão para todos os ambientes. A ASTM A709 inclui classes de aços para pontes e requisitos associados, mas a seleção de uma classe conforme não elimina a necessidade de avaliar a exposição e os pormenores construtivos. A conformidade do material é uma condição necessária para o aço especificado, não um substituto do projeto de proteção contra a corrosão.

Por que razão as condições de exposição continuam a controlar o resultado

O aço patinável necessita de ciclos alternados de molhagem e secagem para desenvolver a sua pátina protetora. Se uma superfície permanecer continuamente húmida, os produtos de corrosão podem manter-se porosos e ativos em vez de estabilizarem. A SCI Guidance Note 1.07 identifica os ambientes continuamente molhados ou húmidos, a exposição elevada a cloretos ou à pulverização salina, os fumos industriais concentrados e as condições enterradas como aplicações inadequadas ou restringidas para aço resistente às condições atmosféricas sem revestimento. Essas condições podem anular o benefício sugerido por um índice de composição favorável.

Os cloretos são especialmente prejudiciais porque podem concentrar-se nos depósitos e degradar as camadas protetoras de ferrugem. A pulverização marinha, o sal descongelante transportado pelos veículos, as juntas de tabuleiro com fugas e o escoamento superficial contaminado podem produzir uma exposição local severa mesmo quando a atmosfera geral parece moderada. O dióxido de enxofre e outros poluentes industriais podem aumentar a acidez do eletrólito ou alterar a química da ferrugem. As superfícies abrigadas podem corroer mais rapidamente do que as faces expostas porque recebem menos lavagem pela chuva e secam mais lentamente.

A drenagem e a geometria determinam frequentemente se a pátina pode estabilizar. Retentores de água em chapas de união, extremidades de rigidizadores, zonas de ligação, sobreposições não seladas e ressaltos horizontais criam uma molhagem repetida ou contínua. Os detritos retêm humidade e cloretos. A ventilação deficiente sob os tabuleiros ou no interior de secções em caixão produz o mesmo efeito. Os pormenores construtivos devem conduzir a água para longe do aço, em vez de permitirem que esta escorra sobre uma ligação sensível e se acumule abaixo.

A consequência para o projeto estende-se para além da perda atmosférica média. A corrosão por picadas cria concentrações de tensão, e as orientações da FHWA relativas à fadiga indicam que a AASHTO atribui ao metal de base de aço patinável simples, sem revestimento, uma categoria de fadiga inferior à do aço não patinável comparável devido à formação de picadas. Assim, uma estrutura pode exigir atenção à fadiga mesmo quando a sua perda geral de corrosão calculada parece moderada.

A ASTM G101 é valiosa quando o seu resultado é interpretado como evidência, e não como uma garantia. Uma decisão credível combina o índice de composição com a informação atmosférica da ISO 9223, a avaliação dos cloretos e poluentes, o tempo de humidade, a análise da drenagem, a geometria, o acesso para manutenção e as disposições relativas à inspeção. Quando essas condições não conseguem assegurar ciclos repetidos de secagem e o desenvolvimento de uma camada de ferrugem estável, pode ser necessário aplicar pintura, proteção contra as condições atmosféricas ou outra medida de controlo da corrosão, independentemente do índice calculado do aço.

Classes de corrosividade da ISO 9223 nas decisões de projeto

A ISO 9223:2012 proporciona uma linguagem comum para a corrosividade atmosférica, mas não constitui um certificado de aprovação para aço patinável sem revestimento. A norma classifica uma atmosfera utilizando a taxa de corrosão no primeiro ano de provetes normalizados e relaciona esse resultado com parâmetros ambientais, nomeadamente a temperatura e a humidade relativa, a poluição por dióxido de enxofre e a salinidade transportada pelo ar. Esses dados descrevem a agressividade da atmosfera relativamente a metais de referência. Por si só, não permitem prever o estado de todas as ligas, ligações, frestas, soldaduras ou pormenores de drenagem de uma estrutura.

Taxas de corrosão no primeiro ano de provetes normalizados

Limite superior da taxa de corrosão no primeiro ano (μm/year)

Para provetes normalizados de aço-carbono comum, a ISO 9223:2012 estabelece os seguintes intervalos de taxa de corrosão no primeiro ano:

Estes valores são limites de classificação, não perdas garantidas de espessura do aço estrutural ao longo da vida útil. O primeiro ano constitui também um período particular. O aço nu sofre normalmente uma corrosão mais rápida no início da exposição, enquanto se desenvolve uma camada de ferrugem que altera o acesso do oxigénio, da água e dos poluentes à superfície metálica. O aço patinável é concebido para formar uma camada de corrosão relativamente densa e aderente, pelo que a sua taxa posterior pode diferir substancialmente da taxa de um provete de referência de aço-carbono simples.

Essa diferença não torna a classe ISO irrelevante. Ela estabelece o ponto de partida ambiental. Uma atmosfera C3, por exemplo, não é automaticamente inadequada para aço patinável, mas exige uma avaliação diferente da de uma atmosfera C2 no interior do território. Do mesmo modo, uma classificação CX indica condições em que a deposição de cloretos, o aerossol marinho, a humidade persistente ou a contaminação industrial agressiva podem impedir a estabilização da camada de corrosão.

A ISO 9223 utiliza o comportamento de provetes normalizados em conjunto com medições e estimativas ambientais. Na prática, um local pode receber inicialmente uma classe com base nas condições de temperatura-humidade e nos dados de poluição, sendo-lhe depois atribuída uma severidade prática superior ou inferior após a consideração das características locais de exposição. Superfícies abrigadas, pormenores na face inferior e locais próximos de estradas podem estar sujeitos a um microambiente mais prejudicial do que um suporte de ensaio exposto. Uma zona de salpicos carregada de cloretos pode continuar agressiva mesmo quando uma classificação regional geral parece moderada.

Por conseguinte, as taxas estabelecidas pela norma devem ser interpretadas como um parâmetro de referência atmosférico. Não substituem a medição da deposição, a inspeção de estruturas comparáveis ou a análise da geometria proposta.

Utilização da classificação de corrosividade como dado de entrada

A classe é útil na fase de triagem. Ajuda a determinar se um conceito de aço patinável sem revestimento merece uma avaliação mais aprofundada, se deve ser considerado desde o início um sistema de revestimento protetor e se a equipa de projeto necessita de dados de exposição específicos do local. A classe deve ser registada juntamente com a fonte e a base da classificação: taxa de corrosão medida, cálculo climático, dados de poluição, distância ao mar ou juízo de engenharia.

Uma classe, por si só, não pode determinar se o aço patinável sem revestimento é aceitável. As orientações da Federal Highway Administration exigem a avaliação do tempo de humedecimento, da exposição a cloretos, dos poluentes industriais, da drenagem, da geometria e da manutenção antes da seleção de aço patinável sem revestimento. Essa lista é importante porque a pátina depende da alternância entre ciclos de humedecimento e secagem. Uma superfície que permaneça húmida sob uma junta com fugas pode continuar a sofrer corrosão mesmo numa atmosfera nominalmente moderada.

A revisão do projeto deve questionar o que a classe ISO oculta. O elemento está exposto à pulverização marítima, a sais descongelantes ou a cloretos transportados pelo vento? A água pode escoar-se das abas e das chapas de ligação, ou irá acumular-se atrás de uma emenda, de um rigidificador ou de um apoio? Existem frestas estreitas, saliências horizontais, bolsas de ferrugem estratificada ou pormenores que retêm detritos? O dióxido de enxofre industrial, o condensado ácido ou o contacto entre metais incompatíveis poderão criar uma célula local? O acesso para inspeção é suficiente para detetar picadas antes de estas afetarem o desempenho à fadiga?

A composição da liga também deve ser considerada nesta decisão. Os aços patináveis dependem de adições deliberadas, incluindo Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo e P; a investigação também analisou adições de W, Ti, Al e terras raras. A ASTM G101-04(2010) fornece métodos para estimar as perdas de corrosão atmosférica a longo prazo a partir de dados de exposição de curta duração e para estimar a resistência relativa à corrosão atmosférica de aços de baixa liga com base na composição química. O seu índice baseado na composição pode apoiar a comparação, mas continua a ser uma estimativa e não uma garantia específica para o local. A investigação da FHWA comunicou que a maioria dos aços patináveis apresentava valores do índice ASTM G101 entre 6 e 7, enquanto o objetivo de investigação para uma resistência substancialmente melhorada em atmosferas com cloretos se situava próximo de 9,5 ou acima desse valor.

A norma do produto selecionado deve continuar a reger os requisitos do material. No caso de obras de pontes, o Steel Bridge Design Handbook inclui as disposições relativas ao aço patinável entre as considerações de materiais e de projeto aplicáveis aos aços para pontes ASTM A709. A composição química, as propriedades mecânicas, a soldabilidade e os controlos de fabrico não podem ser inferidos a partir de uma classe de corrosividade ISO.

A fadiga merece um tratamento separado. A corrosão por picadas reduz a resistência efetiva à fadiga mesmo quando a perda média de espessura parece pequena. As orientações da FHWA relativas à fadiga indicam que a AASHTO atribui ao metal de base de aço patinável simples sem revestimento uma categoria de fadiga inferior à de um aço não patinável comparável devido à corrosão por picadas. Por conseguinte, a classificação de corrosividade deve alimentar a avaliação da fadiga, e não apenas o cálculo da margem de corrosão.

Margens de espessura e interpretação da classe de exposição

Uma classe ISO pode contribuir para a definição de uma margem de espessura, mas essa margem deve corresponder à exposição efetiva, à vida útil de projeto, ao modelo de corrosão e ao número de faces expostas. Multiplicar uma taxa nominal do primeiro ano pelo número de anos de serviço é normalmente demasiado simplista: as taxas de corrosão alteram-se à medida que a ferrugem se desenvolve, as superfícies abrigadas comportam-se de forma diferente das superfícies livremente expostas e a corrosão localizada por picadas pode determinar o desempenho antes de a perda uniforme se tornar crítica.

A SCI Guidance Note 1.07 relaciona as margens de espessura para aço resistente às condições atmosféricas com a classe de exposição e as condições na superfície do aço. A sua abordagem de projeto exige que o engenheiro identifique se o elemento está exposto externamente, abrigado ou sujeito a condições que inibem a formação de pátina, aplicando depois a margem relevante para o período de serviço previsto. A classe de exposição não é uma designação meramente decorativa. Altera a solicitação de corrosão assumida e, consequentemente, a espessura residual disponível para as verificações de resistência.

A margem deve também ser compatível com o pormenor construtivo. Um milímetro adicional não compensa uma aba que retenha água salgada durante anos. Do mesmo modo, não torna o aço enterrado, o aço continuamente húmido ou uma superfície sujeita a pulverização salina equivalente a uma superfície exposta com drenagem livre. A SCI Guidance Note 1.07 identifica os ambientes continuamente molhados ou húmidos, a exposição elevada a cloretos ou à pulverização salina, os fumos industriais concentrados e as condições enterradas como aplicações inadequadas ou condicionadas para aço resistente às condições atmosféricas sem revestimento. Nesses locais, poderá ser necessário um sistema de revestimento, uma drenagem alterada, um pormenor selado ou uma estratégia de materiais diferente, em vez de uma margem de corrosão maior.

Os projetistas devem distinguir a margem utilizada para preservar a resistência estrutural do material necessário para tolerâncias de fabrico, danos de montagem ou incerteza na inspeção futura. As chapas devem ser verificadas na condição de espessura reduzida, e as ligações devem ser examinadas quanto à ferrugem estratificada, à perda de secção e às zonas de retenção de água. Os orifícios de drenagem devem continuar funcionais após a acumulação de detritos e produtos de corrosão.

A sequência prática é clara: estabelecer a classe ISO 9223, verificar os parâmetros ambientais, identificar os modificadores locais da exposição, selecionar e verificar o grau de aço patinável, aplicar as regras de espessura dependentes da exposição constantes das orientações de projeto aplicáveis e, em seguida, verificar a drenagem, a fadiga, a inspeção e a manutenção. A ISO 9223 dá início à decisão. Não a conclui.

Seleção do Local: Onde o Aço Patinável sem Revestimento se Torna Arriscado

O aço patinável sem revestimento não é adequado apenas por uma estrutura se encontrar ao ar livre. A sua resistência à corrosão atmosférica depende de um padrão de exposição específico: a superfície tem de ficar húmida e, em seguida, secar repetidamente, enquanto a liga desenvolve uma camada de ferrugem relativamente densa e aderente. Essa camada pode reduzir a corrosão posterior, mas não constitui um revestimento automático e permanente. Um local que mantenha o aço húmido, forneça cloretos, retenha água contaminada ou concentre fumos industriais pode impedir a estabilização da pátina.

A avaliação ambiental é, por conseguinte, um pré-requisito para a seleção de um sistema sem revestimento. A Federal Highway Administration (FHWA) orienta os projetistas a avaliarem o tempo de humidade, a exposição a cloretos, os poluentes industriais, a drenagem, a geometria e as condições de manutenção antes de escolherem aço patinável sem revestimento. Essas verificações devem ser realizadas na fase de projeto preliminar, e não depois de surgirem manchas de ferrugem, perda de secção ou fissuração.

A ISO 9223:2012 fornece um quadro útil para essa avaliação. Classifica a corrosividade atmosférica utilizando as taxas de corrosão, no primeiro ano, de provetes normalizados e considera os efeitos da temperatura e da humidade, a poluição por dióxido de enxofre e a salinidade transportada pelo ar como influências principais. A classificação, por si só, não aprova uma aplicação de aço patinável. Fornece dados ambientais que têm de ser interpretados em conjunto com a composição da liga, a geometria da exposição e as consequências da corrosão no local.

Atmosferas marítimas, com projeção de sal e com cloretos

A exposição marítima é uma das condições de risco mais evidentes. A maresia, a rebentação das ondas, o sal transportado pelo vento e os sais descongelantes depositam iões cloreto no aço. Os cloretos tornam a camada de ferrugem mais condutora e quimicamente ativa, retêm a humidade e promovem ataques localizados sob os depósitos. Em vez de desenvolver uma pátina relativamente uniforme e aderente, a superfície pode desenvolver picadas e produtos de corrosão soltos. Uma camada de ferrugem pode parecer escura e madura enquanto a corrosão continua por baixo.

A exposição ao sal não se limita à linha costeira. Os tabuleiros e as rampas de pontes podem receber aplicações repetidas de cloreto de sódio ou cloreto de cálcio, sendo a projeção transportada para vigas, aparelhos de apoio, estruturas transversais e banzos inferiores. O vento pode transportar o sal para o interior. Os locais industriais costeiros podem combinar salinidade transportada pelo ar com compostos de enxofre e humidade persistente. A questão relevante não é apenas a distância ao mar, mas também a quantidade de cloretos que chega ao aço, a frequência da deposição e a possibilidade de a chuva os remover.

As restrições da FHWA abordam diretamente os ambientes marítimos e carregados de cloretos. O aço patinável sem revestimento não deve ser selecionado quando a contaminação por cloretos é severa ou quando a humidade carregada de sal molha repetidamente a superfície sem lavagem e secagem suficientes. A Steel Construction Institute, na sua SCI Guidance Note 1.07, identifica a exposição elevada a cloretos ou à projeção de sal como uma condição inadequada ou sujeita a restrições para aço resistente à corrosão atmosférica sem revestimento. Uma zona de salpicos é particularmente problemática: o aço que é alternadamente imerso, salpicado e exposto ao oxigénio não recebe a sequência estável de humedecimento e secagem necessária à formação normal de uma pátina atmosférica.

A química do grau de aço é importante, mas não pode eliminar uma exposição agressiva. Uma investigação da FHWA publicada em 2011 indicou que a maioria dos aços patináveis apresentava valores do índice de corrosão ASTM G101 entre 6 e 7, enquanto a investigação visava valores próximos de 9,5 ou superiores para obter uma resistência substancialmente melhorada em atmosferas com cloretos. A ASTM G101-04(2010) fornece métodos para estimar perdas de corrosão atmosférica a longo prazo a partir de dados de exposição de curta duração e para estimar a resistência relativa à corrosão atmosférica de aços de baixa liga com base na composição química. Estes índices apoiam a comparação; não constituem uma isenção relativa ao local.

O dimensionamento à fadiga acrescenta outra razão para tratar seriamente a exposição a cloretos. As picadas produzem concentrações locais de tensão e a perda de material por corrosão pode variar acentuadamente em distâncias curtas. A orientação da FHWA sobre fadiga indica que a AASHTO atribui ao metal de base de aço patinável simples sem revestimento uma categoria de fadiga inferior à de um aço não patinável comparável, devido às picadas. Assim, uma ponte exposta a sais deve ser avaliada tanto quanto à perda de material como ao efeito das picadas na resistência à fadiga. Pode ser necessário pintar as superfícies vulneráveis, melhorar a drenagem ou selecionar um sistema diferente de proteção contra a corrosão.

Locais continuamente húmidos, enterrados e com ventilação deficiente

A pátina requer ciclos alternados de humedecimento e secagem. A National Steel Bridge Alliance (NSBA) afirma que o desenvolvimento de uma pátina protetora requer humedecimento e secagem repetidos. A humidade contínua interrompe esse processo. A água retida contra o aço limita o transporte de oxigénio em algumas zonas, ao mesmo tempo que sustenta a corrosão eletroquímica noutras; os depósitos podem criar células de arejamento diferencial e os produtos de corrosão resultantes podem permanecer moles, porosos e pouco aderentes.

Os pormenores construtivos criam frequentemente esta condição, mesmo quando o clima regional é moderado. Saliências horizontais, secções em caixa, folgas junto a rigidizadores, chapas de emenda, cantoneiras dispostas costas com costas e drenos obstruídos podem reter água da chuva ou sedimentos contaminados. Uma fenda estreita pode secar na sua extremidade exposta, mantendo-se húmida na sua raiz. Esta exposição desigual favorece a corrosão localizada, em vez da alteração superficial amplamente uniforme pressuposta num projeto atmosférico.

A orientação da FHWA exige uma análise específica do local relativamente à drenagem e à geometria. A água deve abandonar rapidamente a estrutura e os pormenores devem impedir a formação de bolsas húmidas por acumulação de detritos. A ventilação é igualmente importante. Os espaços fechados ou protegidos podem permanecer húmidos depois de as superfícies expostas terem secado, sobretudo quando a circulação de ar é reduzida e ocorre condensação. A SCI Guidance Note 1.07 identifica os ambientes continuamente molhados ou húmidos e a ventilação deficiente como condições sujeitas a restrições ou inadequadas para aço resistente à corrosão atmosférica sem revestimento.

O aço enterrado constitui um aviso distinto, e não uma aplicação atmosférica normal. O solo fornece humidade persistente, sais dissolvidos e, em alguns locais, condições ácidas ou microbiologicamente ativas. O contacto com o solo também impede a sequência de humedecimento e secagem ao ar livre da qual depende a meteorização atmosférica. O mesmo problema se aplica ao aço parcialmente embebido em betão, pavimento, aterro ou sedimentos acumulados quando a interface permanece húmida. Secções abaixo do nível do solo, pormenores de muros de suporte, contraventamentos enterrados e aço junto às fundações requerem uma estratégia de proteção concebida para exposição ao solo ou por imersão, em vez da simples confiança numa pátina atmosférica.

A água também pode ficar retida nas transições entre materiais. Selantes, membranas, proteção contra incêndio, metais incompatíveis e coberturas mal ajustadas podem criar fendas que permanecem húmidas. O escoamento de um elemento pode descarregar sobre outro, concentrando cloretos e produtos de corrosão numa linha estreita. As zonas de salpicos sob juntas de dilatação ou drenos do tabuleiro com fugas merecem especial atenção, porque o aço pode ser molhado repetidamente por água contaminada, recebendo, ao mesmo tempo, pouca secagem benéfica.

Fumos industriais e concentração de poluentes

As atmosferas industriais podem ser corrosivas mesmo sem projeção de sal visível. O dióxido de enxofre proveniente da combustão e de instalações de processamento dissolve-se na humidade superficial e forma compostos ácidos, incluindo ácidos sulfuroso e sulfúrico à medida que ocorre a oxidação. Outros poluentes, como o sulfureto de hidrogénio, cloretos, óxidos de azoto, aerossóis ácidos e poeiras de processo, podem alterar a química da camada de ferrugem. A poeira depositada pode absorver água do ar húmido, prolongando o tempo de humidade depois de terminada a precipitação.

A ISO 9223:2012 identifica especificamente a poluição por dióxido de enxofre como um fator na classificação da corrosividade atmosférica. A concentração e o padrão de deposição são importantes. Um local próximo de uma chaminé, fundição, fábrica de produtos químicos, instalação de produção de fertilizantes, operação de tratamento de resíduos ou porto fortemente industrializado pode receber uma carga de poluentes muito superior à sugerida por uma estação de monitorização regional. Plumas locais, reentrâncias protegidas e faces voltadas para o vento podem produzir microambientes severos no interior de uma única estrutura.

As restrições da FHWA incluem, por conseguinte, os poluentes industriais concentrados entre as condições que exigem cautela ou exclusão. A SCI Guidance Note 1.07 identifica igualmente os fumos industriais concentrados como inadequados ou sujeitos a restrições para aço resistente à corrosão atmosférica sem revestimento. A questão não é saber se a liga contém cobre, crómio, níquel, fósforo ou outras adições intencionais. Os aços patináveis são aços de baixo teor de carbono cujo comportamento à corrosão é modificado pela adição de elementos de liga; a FHWA regista o enfoque tradicional em Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Mo e P, tendo estudos posteriores analisado adições de W, Ti, Al e terras raras. O projeto da liga melhora a resistência em condições de exposição adequadas, mas não transforma uma superfície carregada de ácidos e continuamente húmida numa superfície protegida.

Uma decisão sobre o local que possa ser devidamente fundamentada combina dados atmosféricos com um levantamento físico: deposição de cloretos, fontes de poluentes, ventos predominantes, condensação, trajetos de drenagem, zonas de salpicos, espaços fechados, contacto com o solo e acesso para inspeção. Os cálculos segundo a ASTM G101 e a classificação segundo a ISO 9223 podem contribuir para a avaliação, enquanto a utilização de provetes de exposição ou a monitorização local da corrosão pode justificar-se em locais de características incertas. Se a estrutura não puder secar, não puder ser inspecionada ou estiver sujeita a cloretos concentrados ou fumos industriais, o aço patinável sem revestimento deve ser rejeitado ou sujeito a restrições antes de se fixarem os pormenores construtivos.

Pormenorização estrutural: drenagem, detritos e ventilação

Prevenção de retenção de água e acumulação de detritos

O aço patinável não compensa uma geometria deficiente. Uma liga adequada só pode formar uma camada de ferrugem relativamente densa e aderente quando a superfície é sujeita a ciclos repetidos de humedecimento e secagem; uma junta que permanece húmida, retém sedimentos ou recebe escoamento concentrado pode corroer-se mais rapidamente do que uma superfície exposta constituída por um aço menos resistente à corrosão. O manual da National Steel Bridge Alliance (2010) identifica os ciclos alternados de humidade e secagem como uma condição necessária ao desenvolvimento de uma pátina protetora. A implicação prática é direta: a pormenorização pode controlar a corrosão com a mesma intensidade que a seleção nominal do material.

A SteelConstruction.info e a SCI Guidance Note 1.07 incluem a acumulação de água e detritos entre as principais causas de desempenho insatisfatório em estruturas de aço resistente à corrosão atmosférica não revestido. As saliências horizontais são especialmente problemáticas. Uma projeção do banzo, um rigidificador, um suporte, uma prateleira de apoio ou um retorno arquitetónico podem reter folhas, gravilha e materiais de nidificação de aves, mantendo depois a água da chuva contra o aço. Os detritos também prolongam o tempo de humidade e podem reter cloretos provenientes da projeção de água das estradas ou de aerossóis marinhos depois de a superfície visível parecer seca. Uma saliência estreita não se torna segura apenas por ser estreita; as forças capilares podem manter húmidos o seu lado inferior e a soldadura adjacente.

Por conseguinte, os pormenores devem escoar a água, em vez de a armazenar. Superfícies superiores inclinadas, transições arredondadas ou afuniladas, canais abertos nas extremidades e faces acessíveis reduzem a retenção. Quando uma saliência é estruturalmente necessária, a sua largura, inclinação e tratamento do bordo devem impedir a permanência de sedimentos, e o seu lado inferior deve ser visível para inspeção. Os rigidificadores não devem terminar em pequenos compartimentos fechados. As interseções entre chapas devem dispor de folga suficiente para permitir a saída da água e a observação, pelo inspetor, das soldaduras e do metal de base relevantes.

As frestas merecem particular atenção. Chapas sobrepostas, soldaduras descontínuas, juntas de sobreposição aparafusadas, barras de apoio e bordos dobrados não selados podem formar estreitas células de diferença de concentração de oxigénio. A água entra pela abertura, enquanto a evaporação fica restringida no interior da junta. A corrosão local resultante pode ser mais grave do que a corrosão generalizada da superfície e produzir picadas na entrada da fresta. Uma composição nominalmente resistente à corrosão não elimina este problema eletroquímico.

O mesmo princípio aplica-se às tolerâncias de construção. Um pormenor que assegura a drenagem no papel pode reter água após uma deformação da chapa, a contração da soldadura, um assentamento ou o entupimento de uma saída. Os orifícios de drenagem devem ser posicionados de modo a permanecerem eficazes dentro das tolerâncias de fabrico e montagem previstas, e não simplesmente representados no ponto mais baixo de um desenho idealizado. Os orifícios pequenos podem ficar obstruídos por carepa de ferrugem ou sedimentos; a sua dimensão e acessibilidade devem ter em conta os detritos suscetíveis de os alcançar. O registo do projeto deve identificar os locais onde uma obstrução provocaria um humedecimento prolongado, devendo ser garantido o acesso para inspeção antes da conclusão da estrutura.

O dimensionamento à fadiga não pode ser separado desta pormenorização. A orientação da FHWA relativa à fadiga (2016) refere que a AASHTO atribui ao metal de base de aço patinável liso não revestido uma categoria de fadiga inferior à do aço não patinável comparável, devido às picadas. Uma fresta ou uma zona de retenção de detritos pode intensificar essa corrosão localizada e criar um concentrador de tensões mais acentuado do que o considerado num cálculo relativo a uma chapa lisa. Os pés de soldadura, os cantos de recortes, os furos para parafusos e as zonas adjacentes às saídas de drenagem exigem, por isso, tanto categorias de pormenor à fadiga adequadas como um plano de inspeção da corrosão.

Garantia de drenagem e ventilação

Os percursos de drenagem devem ser contínuos, visíveis e protegidos contra obstruções acidentais. A água que entre numa viga-caixão, num parapeito, num suporte de sinalização, num rebaixo de uma junta de dilatação ou num painel rigidificado deve dispor de um percurso definido até uma saída. Um dreno que descarregue sobre outra superfície de aço limita-se a transferir o problema. A localização das saídas deve evitar o humedecimento dos banzos inferiores, apoios, juntas, percursos pedonais e superfícies de betão vulneráveis a manchas de ferrugem. Quando uma descarga tiver de atravessar uma face estrutural, a geometria deve impedir que o escoamento se espalhe ao longo de uma junta ou entre numa fresta.

Os compartimentos fechados constituem um ponto recorrente de falha. Uma cavidade selada pode impedir a entrada da chuva, mas ainda conter humidade de fabrico, condensação ou uma pequena fuga difícil de detetar. Uma cavidade que não esteja selada contra a água nem ventilada para permitir a secagem é particularmente perigosa. A SteelConstruction.info e a SCI Guidance Note 1.07 dão ênfase à drenagem e à ventilação porque o tempo de secagem, e não apenas a precipitação, afeta a corrosão atmosférica. As aberturas de ventilação devem ser dispostas de modo a permitir a circulação do ar e a inspeção, evitando simultaneamente a recolha direta de chuva e de projeções salinas. Devem também ter dimensões adequadas e ser protegidas contra ninhos, insetos e detritos acumulados.

A ventilação não substitui a drenagem. A circulação do ar não consegue remover uma poça retida atrás de uma chapa sobreposta, e uma abertura pode admitir ar húmido ou projeções contendo cloretos. O mecanismo pretendido deve ser claro: a água deve sair por gravidade, enquanto a ventilação deve reduzir a condensação e favorecer a secagem. Nas secções em caixão, podem ser necessárias aberturas superiores e inferiores para promover a renovação do ar e a drenagem, mas a sua disposição deve ter em conta a chuva impulsionada pelo vento e a possibilidade de uma das aberturas ficar obstruída.

A avaliação da exposição deve seguir as condições do local, e não o rótulo «aço patinável». A ISO 9223:2012 classifica a corrosividade atmosférica utilizando as taxas de corrosão do primeiro ano de provetes normalizados e identifica as condições de temperatura e humidade, a poluição por dióxido de enxofre e a salinidade transportada pelo ar como fatores essenciais. A orientação da FHWA (2003) exige a avaliação do tempo de humidade, dos cloretos, dos poluentes industriais, da drenagem, da geometria e da manutenção antes da seleção de aço patinável não revestido. A SCI Guidance Note 1.07 (2015) identifica os locais continuamente molhados ou húmidos, a exposição elevada a cloretos ou a projeções salinas, os fumos industriais concentrados e as condições enterradas como aplicações inadequadas ou sujeitas a restrições.

Isto é importante nos pormenores que alteram o ambiente local. Um tabuleiro de ponte pode expor uma face à chuva, mantendo simultaneamente outra face húmida devido a juntas com fugas. Um parapeito costeiro pode receber projeções salinas no lado voltado para o mar e reter depósitos de sal sob o seu corrimão superior. Uma estrutura industrial pode ficar exposta a dióxido de enxofre concentrado ou a outros fumos numa saída de processo. Em cada caso, o mesmo grau de aço pode comportar-se de forma diferente em diferentes partes da estrutura. A drenagem, a proteção e a ventilação devem ser analisadas em conjunto com o mapa de exposição ambiental, e não apenas depois do aparecimento da corrosão.

A inspeção deve incluir os locais menos visíveis a partir do nível do solo: o lado inferior das saliências, as zonas atrás das chapas de ligação, o interior das secções em caixão, as imediações dos orifícios de drenagem, as juntas sobrepostas e as zonas sob depósitos acumulados. Os intervalos de inspeção devem permitir corrigir saídas obstruídas e humidade persistente antes de a perda de secção se tornar significativa. O registo deve distinguir manchas, carepa superficial, picadas ativas e perda de espessura; uma aparência castanha, por si só, não prova que a pátina se tenha estabilizado.

Prevenção do contacto entre metais incompatíveis e de percursos de manchas

Não se deve presumir que o aço patinável seja eletroquimicamente compatível com todos os materiais adjacentes. O contacto com um metal mais nobre na presença de um eletrólito pode provocar corrosão galvânica do aço patinável, especialmente quando o material catódico possui uma grande área exposta e a zona de contacto com o aço é pequena. Acessórios de aço inoxidável, componentes contendo cobre, acessórios de bronze e algumas configurações em alumínio exigem uma avaliação específica do contacto, do isolamento, da retenção de água e da drenagem. O problema não reside apenas no contacto seco. Reside na película húmida condutora ou na solução retida que estabelece a ligação entre os metais.

Os pormenores devem evitar, sempre que possível, pares de metais dissimilares, ou separar eletricamente os materiais e impedir que o escoamento de um metal seja dirigido para outro. Parafusos, anilhas, calços, componentes de apoio, acessórios de corrimãos e elementos de drenagem devem ser analisados como parte da ligação, em vez de serem tratados como acessórios de menor importância. Os materiais de isolamento podem, por si próprios, reter água ou criar uma fresta; por isso, o pormenor deve continuar a ser inspecionável e drenável depois de assegurada a separação.

O escoamento também cria percursos de manchas. A água carregada de ferrugem proveniente de uma superfície de aço patinável não revestido pode manchar betão, pedra, reboco, pavimentos e aço pintado. A mancha pode ser inaceitável mesmo quando a taxa de corrosão estrutural é tolerável. As gotas provenientes de recortes, parapeitos e bordos expostos de chapas devem ser desviadas das superfícies visíveis através de inclinações deliberadas, pingadeiras e pontos de descarga controlados. Uma pingadeira que lance a água sobre um banzo inferior limita-se a concentrar aí a corrosão; deve ser considerado todo o percurso, desde a superfície de humedecimento até à saída final.

As interfaces com o betão exigem cuidado, porque as fissuras, juntas e superfícies porosas podem reter água contaminada contra o aço. Os bordos enterrados ou sujeitos a aterro são candidatos particularmente inadequados para aço patinável não revestido, em conformidade com as restrições da SCI Guidance Note 1.07. O pormenor deve manter o aço exposto a condições que permitam a secagem ou proporcionar uma estratégia de proteção adequada ao ambiente oculto.

Por fim, os desenhos devem identificar as zonas propensas à corrosão para permitir o acesso e futuras inspeções. Uma geometria que oculte uma junta, bloqueie um dreno ou canalize o escoamento para uma ligação aumenta a dependência da manutenção. O aço patinável continua a ser uma opção condicional de projeto para corrosão atmosférica; o seu desempenho é determinado conjuntamente pela liga, pela exposição e pelo pormenor. (1 047 palavras)

Conceção de Pontes, Corrosão por Picadas e Fadiga

O aço patinável não está isento dos requisitos de conceção relacionados com a durabilidade das pontes. Uma ponte pode utilizar ASTM A709/A709M Grade 50W ou outra designação de aço patinável e, ainda assim, sofrer corrosão prejudicial se permanecerem no aço água, cloretos, detritos ou depósitos industriais. A resistência à corrosão atmosférica reduz a velocidade e altera a forma da corrosão em condições de exposição adequadas; não confere imunidade nem elimina a necessidade de conceber pormenores de fadiga, garantir o acesso para inspeção ou controlar a drenagem.

A corrosão por picadas como problema estrutural e de fadiga

As orientações da FHWA relativas à fadiga descrevem a formação esperada de uma pátina através de períodos alternados de humidade e secagem. A oxidação inicial produz uma camada de ferrugem e a exposição repetida pode transformar essa camada numa película superficial relativamente densa e aderente, que abranda o ataque subsequente. O processo depende da secagem. Uma superfície que permaneça continuamente húmida, receba salpicos de água salgada ou acumule escoamento contaminado não fica sujeita à mesma sequência de exposição que uma chapa aberta e com drenagem livre.

Esta distinção é importante porque a corrosão no aço patinável nem sempre corresponde a uma redução uniforme da espessura. A corrosão por picadas pode produzir depressões locais com alterações mais acentuadas do perfil superficial do que as sugeridas pela perda média de material. A perda média de espessura pode parecer moderada, enquanto o aço remanescente contém pequenas áreas com uma penetração substancialmente maior. Numa zona sensível à fadiga, a picada atua como um entalhe: aumenta a tensão local, altera o gradiente de tensões e pode constituir um ponto de iniciação de uma fissura de fadiga.

Corrosão por picadasCorrosão por picadas Corrosão localizada que forma cavidades ou depressões com uma penetração superior à da corrosão geral circundante.

Uma fissura que se inicia numa picada pode crescer sob amplitudes de tensão que não teriam provocado uma fissura num metal de base liso e nominalmente com a espessura total. O risco é maior nas extremidades dos banzos, nos furos, nos pés de soldadura, nas superfícies de contacto intermitente, nas ligações de diafragmas, nas zonas de emenda e noutros pormenores onde já existam concentrações geométricas de tensão. A corrosão por picadas também dificulta as medições ultrassónicas de espessura, uma vez que uma única leitura pode não detetar a parte mais profunda de uma cavidade irregular. Por conseguinte, as medições devem identificar a distribuição e a profundidade máxima do ataque, e não apenas calcular uma perda média.

A advertência do manual da FHWA é direta: a corrosão por picadas afeta o tratamento da fadiga do aço patinável. É por isso que uma pátina não deve ser descrita como um revestimento permanente com espessura ou desempenho garantidos. Trata-se de um produto ambiental cuja qualidade depende da liga, do historial de exposição, da geometria da superfície e do tempo de humedecimento. Os depósitos de cloretos são especialmente importantes porque podem permanecer higroscópicos, prolongando a humidade superficial e perturbando as condições necessárias para uma camada de ferrugem estável.

A composição química da liga influencia o resultado, mas, por si só, não consegue compensar um pormenor construtivo deficiente. A investigação da FHWA publicada em 2009 descreve a utilização tradicional de manganês, silício, crómio, níquel, cobre, molibdénio e fósforo em aços patináveis, analisando também adições de tungsténio, titânio, alumínio e elementos de terras raras. A investigação de 2011 sobre aços com resistência à corrosão melhorada indicou que a maioria dos aços patináveis apresentava valores do índice de corrosão ASTM G101 entre 6 e 7; o estudo procurou valores próximos ou superiores a 9,5 para obter uma resistência substancialmente melhorada em atmosferas contendo cloretos. Esses valores são indicadores comparativos, não uma autorização para ignorar a exposição da ponte.

A ASTM G101-04(2010) fornece métodos para estimar perdas de corrosão atmosférica a longo prazo a partir de dados de exposições mais curtas e para estimar a resistência relativa à corrosão atmosférica de aços de baixa liga com base na composição química. A ISO 9223:2012 classifica a corrosividade atmosférica utilizando as taxas de corrosão do primeiro ano de provetes normalizados e identifica os efeitos da temperatura e da humidade, a poluição por dióxido de enxofre e a salinidade transportada pelo ar como fatores fundamentais. Nenhuma das normas transforma uma hipótese de formação de pátina independente do local numa base de conceção estrutural.

Tratamento das categorias de fadiga segundo a AASHTO

A categoria de fadiga atribuída a um pormenor de uma ponte descreve a resistência a ciclos repetidos de tensão, mas a categoria não é determinada apenas pela classe nominal do aço. A geometria da soldadura, o tipo de ligação, os furos, os acessórios, o estado da superfície, as tensões residuais e a exposição à corrosão influenciam o desempenho à fadiga. O aço patinável introduz uma preocupação específica, uma vez que a corrosão localizada pode alterar o estado da superfície utilizado para estabelecer a hipótese de dimensionamento à fadiga.

O Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue da FHWA explica que, no âmbito do tratamento AASHTO nele citado, o metal de base de aço patinável simples, sem revestimento, recebe uma categoria de fadiga inferior à do aço não patinável comparável, devido à corrosão por picadas. Trata-se de uma redução de dimensionamento aplicável ao estado do material, e não da afirmação de que todas as ligações em aço patinável possuem uma categoria universal. A categoria de fadiga AASHTO LRFD aplicável continua a depender do pormenor efetivo e da amplitude de tensão que o governa.

Esta distinção evita dois erros opostos. É incorreto atribuir o desempenho à fadiga de um aço comum sem revestimento simplesmente porque a camada de ferrugem parece madura. É igualmente incorreto reduzir todos os pormenores soldados ou aparafusados por um valor arbitrário sem verificar a classificação do pormenor segundo a AASHTO. Uma chapa de ASTM A709/A709M Grade 50W utilizada como metal de base simples é tratada de forma diferente de um acessório soldado fabricado segundo a mesma especificação, porque o pormenor de soldadura tem o seu próprio comportamento à fadiga e a sua própria concentração de tensões.

A conceção à fadiga deve ter em conta a amplitude de tensão produzida pelo tráfego, pelo vento, pelos efeitos térmicos, pelas deformações secundárias e pelos impedimentos à deformação. A amplitude nominal de tensão pode ser calculada corretamente, enquanto a amplitude local numa picada, num pé de soldadura, num entalhe, num furo ou numa ranhura de corrosão é muito superior. Quando a corrosão reduziu a espessura, a mesma força também produz uma tensão nominal mais elevada. Estes efeitos podem combinar-se: a perda de secção aumenta a tensão nominal, enquanto a corrosão por picadas aumenta o fator de concentração local.

As considerações relativas à fratura devem integrar a mesma avaliação. Uma pequena fissura de fadiga pode permanecer estável durante algum tempo e depois crescer rapidamente quando a secção líquida remanescente é reduzida ou quando uma zona crítica à fratura frágil apresenta uma capacidade limitada de travagem da fissura. As baixas temperaturas, as tensões residuais de tração e uma orientação desfavorável da fissura podem reduzir ainda mais a margem de segurança. Por conseguinte, o aço patinável deve ser selecionado e pormenorizado tendo em consideração, em conjunto, os requisitos de controlo da fratura da ponte, a especificação de tenacidade, a categoria de fadiga e o plano de inspeção.

Interação entre corrosão, amplitude de tensão e inspeção

A decisão relativa ao local começa antes da especificação do aço. As orientações da FHWA de 2003 recomendam avaliar o tempo de humedecimento, a exposição a cloretos, os poluentes industriais, a drenagem, a geometria e as condições de manutenção antes de selecionar aço patinável sem revestimento. Uma ponte sobre uma estrada onde são utilizados sais de descongelamento, uma estrutura costeira exposta à salinidade transportada pelo ar e uma ponte rural com secagem rápida não partilham o mesmo ambiente de corrosão. A ISO 9223:2012 fornece um quadro de classificação, mas continuam a ser necessários dados de exposição do projeto e pormenores construtivos locais.

Os pontos de retenção de água são simultaneamente pormenores de fadiga e de corrosão. Prateleiras horizontais, extremidades de reforços, folgas estreitas, interfaces de emendas mal vedadas, bolsas de detritos e sumidouros obstruídos podem manter o aço húmido muito depois de as superfícies adjacentes terem secado. O escoamento proveniente de um elemento pode concentrar cloretos noutro. A SteelConstruction.info e a SCI Guidance Note 1.07 identificam os ambientes continuamente húmidos ou molhados, a exposição elevada a cloretos ou a salpicos de água salgada, os fumos industriais concentrados e as condições enterradas como aplicações inadequadas ou restringidas para aço resistente à corrosão atmosférica sem revestimento. O contacto entre metais diferentes e uma ventilação deficiente podem criar células locais de corrosão adicionais.

O historial de tensões deve ser relacionado com o padrão de corrosão provável. Um pormenor sujeito a poucos ciclos, mas com tensões elevadas, pode ser governado por alguns eventos severos, enquanto uma viga de ponte sujeita a milhões de ciclos de carga de veículos pesados é sensível a pequenas alterações na resistência à fadiga. Se for esperada corrosão por picadas numa ligação, a conceção não deve basear-se numa margem nominal de corrosão como se a perda fosse uniforme. Poderão ser mais adequados melhorias da drenagem, selagem de frestas, componentes substituíveis, aplicação de revestimento protetor em zonas selecionadas ou uma estratégia diferente para o aço e a manutenção.

A inspeção verifica então se as hipóteses de conceção continuam válidas. Os inspetores devem registar a ferrugem ativa, a calamina solta, a profundidade das picadas, a retenção de água, os depósitos de cloretos, a ferrugem de empolamento, a perda de secção, as indicações semelhantes a fissuras e as alterações nas soldaduras e nos acessórios. A cor visível, por si só, constitui uma evidência pouco fiável. Uma superfície escura ou estratificada pode indicar uma pátina em desenvolvimento, mas não estabelece a profundidade máxima das picadas nem a segurança relativamente à fadiga.

Os intervalos e os métodos de inspeção devem refletir as consequências, a categoria do pormenor, as cargas de tráfego, a severidade da exposição e a dificuldade de acesso. A inspeção visual próxima poderá ter de ser complementada por mapeamento ultrassónico de espessuras, medidores de profundidade de picadas, ensaios por partículas magnéticas, ensaios por líquidos penetrantes ou outros métodos de deteção de fissuras em zonas sensíveis à fadiga. Os resultados devem ser integrados no modelo estrutural: a perda de secção medida pode alterar a amplitude de tensão, e uma fissura detetada pode alterar a avaliação da fratura e da capacidade de carga.

A conceção para a corrosão atmosférica faz, portanto, parte da conceção à fadiga. A pátina pode reduzir a corrosão contínua nas condições adequadas de humedecimento e secagem, mas a ponte continua a ser um sistema resistente de cargas, com concentradores locais de tensão, ciclos repetidos de tráfego e obrigações de inspeção. Uma conceção sólida em aço patinável especifica a liga e o tratamento da fadiga segundo a AASHTO, controla a água e os contaminantes, prevê a corrosão por picadas e mantém um percurso prático desde os resultados da inspeção até à reparação ou ao reforço.

Aço patinável na prática relativa ao aço para pontes ASTM A709

Considerações sobre os materiais e o projeto segundo a ASTM A709

A ASTM A709/A709M é a norma relativa aos materiais de aço para pontes, não uma designação geral para estruturas patináveis sem revestimento. As suas classes incluem ASTM A709 Grade 36, Grade 50, Grade 50W, HPS 50W e HPS 70W, entre outras especificadas pela edição aplicável. A designação “W” identifica requisitos relativos ao aço patinável, mas, por si só, não estabelece que uma ponte possa permanecer sem pintura em qualquer local. A seleção da classe, os requisitos suplementares, a soldabilidade, a tenacidade, o controlo da fratura, o fabrico e a resistência estrutural continuam a ter de ser considerados no âmbito do projeto.

O Steel Bridge Design Handbook integra a resistência à corrosão atmosférica e os requisitos aplicáveis ao aço patinável no quadro mais amplo dos materiais e do projeto de pontes de aço segundo a ASTM A709. Essa integração é importante. Um engenheiro de pontes não seleciona primeiro uma classe patinável para depois tratar a corrosão como uma decisão independente relativa ao revestimento. A designação deve corresponder à resistência e à tenacidade exigidas, enquanto a avaliação da exposição determina se as disposições relativas à corrosão atmosférica podem funcionar como previsto. O dimensionamento das ligações, a resistência à fadiga, os pormenores de soldadura e o acesso para inspeção continuam a ser questões estruturais, mesmo quando não é especificado qualquer sistema de pintura.

O aço patinável é um aço ligado de baixo teor de carbono, concebido para formar uma camada de ferrugem relativamente densa e aderente quando sujeito a ciclos repetidos de humidificação e secagem. Essa camada não constitui um revestimento impermeável, e a resistência à corrosão atmosférica não equivale a imunidade à corrosão. A oxidação inicial ocorre quando a humidade atinge o aço. Uma pátina pode abrandar a perda subsequente quando a superfície seca entre períodos húmidos, mas esse resultado depende da composição da liga, da carga de poluentes, da deposição de cloretos, da temperatura, da humidade e da geometria do elemento.

A composição química deve, por conseguinte, ser tratada através dos requisitos da classe ASTM A709/A709M aplicável e da especificação do projeto, e não com base numa fórmula genérica presumida. A investigação da FHWA descreve como elementos historicamente considerados o manganês, o silício, o crómio, o níquel, o cobre, o molibdénio e o fósforo; estudos posteriores sobre corrosão investigaram também adições de tungsténio, titânio, alumínio e elementos de terras raras. A ASTM G101-04(2010) fornece métodos para estimar perdas devidas à corrosão atmosférica a longo prazo a partir de dados de exposição de curta duração e para estimar a resistência atmosférica relativa à corrosão de um aço de baixa liga com base na sua composição química. Esses métodos apoiam a comparação e a previsão. Não eliminam a necessidade de analisar o ambiente real da ponte.

O programa da FHWA relativo a aços melhorados resistentes à corrosão indicou que a maioria dos aços patináveis apresentava valores do índice de corrosão ASTM G101 entre 6 e 7, enquanto a sua investigação procurava valores próximos de 9,5 ou superiores, para obter uma resistência substancialmente melhorada em atmosferas contendo cloretos. Este resultado alerta para o risco de considerar equivalentes, em serviço, todas as designações de aço patinável. A composição influencia o desempenho, mas um índice favorável não pode compensar um banzo permanentemente húmido, uma ligação que retenha sais ou um percurso de drenagem contaminado.

Resistência à corrosão atmosférica nas especificações de pontes

A exposição atmosférica deve ser classificada antes de se aceitar aço patinável ASTM A709 sem revestimento. A ISO 9223:2012 baseia a classificação da corrosividade nas taxas de corrosão, durante o primeiro ano, de provetes normalizados, e identifica a influência da temperatura e da humidade, a poluição por dióxido de enxofre e a salinidade transportada pelo ar como fatores fundamentais. A classificação constitui um quadro ambiental, não uma garantia da vida útil de um determinado elemento de ponte. A exposição local pode ser mais severa do que o sugerido por uma descrição geral do local, especialmente nas proximidades de vias onde são utilizados sais de descongelação, zonas costeiras marinhas, instalações industriais e faixas de rodagem que geram projeções carregadas de sal.

As orientações da FHWA exigem uma avaliação específica do local relativamente ao tempo de humidade, à exposição a cloretos, aos poluentes industriais, à drenagem, à geometria e à manutenção antes da seleção de aço patinável sem revestimento. Estes fatores interagem entre si. Uma viga sob um tabuleiro aberto pode secar rapidamente, enquanto uma chapa de união sob uma junta com fugas pode permanecer húmida durante longos períodos. Uma ponte situada numa atmosfera rural geralmente moderada pode, ainda assim, desenvolver corrosão prejudicial onde os detritos bloqueiam um dreno ou onde o escoamento se concentra na extremidade de um rigidificador.

A SCI Guidance Note 1.07 identifica os ambientes continuamente molhados ou húmidos, a exposição elevada a cloretos ou à pulverização salina, os fumos industriais concentrados e as condições enterradas como aplicações inadequadas ou sujeitas a restrições para aço resistente às condições atmosféricas sem revestimento. O sal é particularmente problemático, uma vez que os depósitos de cloretos podem manter a humidade eletrolítica e perturbar a estabilização da pátina. O dióxido de enxofre e outros poluentes industriais também podem aumentar as taxas de corrosão. Quando a exposição não pode ser controlada, pode ser necessário um sistema de revestimento protetor, um pormenor resistente à corrosão, um material alternativo ou uma combinação de medidas; a designação de aço patinável, por si só, não constitui uma especificação adequada.

O manual introdutório da National Steel Bridge Alliance afirma que o desenvolvimento de uma pátina protetora exige ciclos repetidos de humidificação e secagem. Isto explica por que razão uma ponte pode apresentar um óxido castanho visualmente atrativo nas superfícies expostas da alma, enquanto a corrosão continua em ressaltos protegidos, interfaces de chapas de união ou banzos inferiores. A literatura de revisão sobre dados de corrosão atmosférica identifica também o tempo de estabilização, a taxa de corrosão em regime estacionário, as condições de exposição e a incerteza da previsão a longo prazo como questões distintas. Uma camada de ferrugem que pareça uniforme após várias estações não prova que a corrosão tenha cessado, e a cor observada não estabelece uma sobreespessura de projeto para a corrosão.

O projeto à fadiga acrescenta outra questão específica do material. As orientações da FHWA relativas à fadiga explicam que o aço patinável forma a sua pátina através de ciclos alternados de humidificação e secagem, mas referem também que a AASHTO atribui ao metal de base de aço patinável simples, sem revestimento, uma categoria de fadiga inferior à de um aço não patinável comparável, devido à formação de picaduras. Essa redução reconhece os danos superficiais localizados e a concentração de tensões. Significa que a seleção relativa à corrosão não pode ser separada dos cálculos dos intervalos de tensão, da classificação dos pormenores e do planeamento das inspeções.

Coordenação entre a seleção dos materiais e o pormenor estrutural

Uma ponte de aço patinável funciona com êxito através da seleção compatível dos materiais e de uma geometria que favoreça o escoamento da água. O pormenor deve impedir a acumulação de água e detritos, assegurar a drenagem de espaços fechados ou parcialmente fechados e permitir que os elementos sequem e que os inspetores observem as superfícies críticas. Frestas, ressaltos estreitos, sobreposições não seladas e bolsas mal ventiladas podem impedir as condições ambientais necessárias à formação da pátina. O projeto deve também controlar as manchas provocadas pelo escoamento, quando a drenagem com coloração ferruginosa possa afetar o betão, os aparelhos de apoio, as juntas de dilatação ou propriedades adjacentes.

Os orifícios de drenagem devem permanecer acessíveis e descarregar a água sem molhar outra superfície de aço. As juntas do tabuleiro exigem particular atenção, uma vez que as fugas podem criar uma fonte concentrada de cloretos nas extremidades das vigas e nas ligações das vigas transversais. Os diafragmas de extremidade, os pormenores dos rigidificadores e as zonas de união devem ser analisados quanto à retenção de água, à acumulação de sais e ao acesso para limpeza. Os metais incompatíveis podem produzir efeitos galvânicos, enquanto as superfícies de aço enterradas ou parcialmente embebidas ficam sujeitas a um regime de humidade diferente do das superfícies livremente expostas à atmosfera.

A mesma análise deve considerar a manutenção futura. Um pormenor que não possa ser lavado, inspecionado ou reparado pode transformar uma exposição controlável num local de corrosão persistente. Os intervalos de inspeção devem refletir a utilização de cloretos, a contaminação industrial, o desempenho da drenagem e a perda de espessura observada, em vez de dependerem do pressuposto fixo de que a pátina é permanente.

O quadro mais amplo do Steel Bridge Design Handbook conduz, portanto, a uma posição de projeto clara: a designação da classe ASTM A709/A709M, os requisitos dos materiais, a classificação da exposição, a previsão da corrosão, o tratamento da fadiga e o pormenor estrutural devem ser coordenados. O aço patinável sem revestimento é um sistema condicionado. Pode reduzir a dependência da pintura quando a liga, a atmosfera, a drenagem e as disposições relativas à inspeção favorecem a formação de uma pátina, mas não substitui a avaliação ambiental nem um projeto de ponte adequado.

Estratégias de Corrosão com Revestimento, sem Revestimento e Híbridas

O aço patinável não elimina a necessidade de conceber a proteção contra a corrosão. Altera a forma como essa proteção é proporcionada: em vez de depender principalmente de um revestimento aplicado, o projetista pode basear-se numa camada de ferrugem dependente da liga, que se desenvolve durante ciclos repetidos de humedecimento e secagem. Essa escolha é condicional. Quando o ambiente não consegue sustentar uma pátina estável, pode ser necessário utilizar um sistema de revestimento, proteção localizada contra a corrosão, alteração da geometria ou uma combinação destas medidas.

As três estratégias não são designações intermutáveis. Um projeto sem revestimento impõe maiores exigências à composição química do aço, à avaliação da exposição e à drenagem. Um projeto com revestimento impõe maiores exigências à preparação da superfície, à especificação do revestimento, ao tratamento das arestas, à reparação e à inspeção. Um projeto híbrido distribui essas exigências, deixando sem revestimento as superfícies adequadas e protegendo as zonas onde a água, os sais ou os poluentes criam um risco de corrosão inaceitável.

Quando se está a considerar aço patinável sem revestimento

A utilização de aço patinável sem revestimento só é razoável depois de o ambiente de serviço e os pormenores propostos terem sido avaliados em conjunto. O aço deve estar sujeito a uma exposição atmosférica com períodos alternados de humedecimento e secagem suficientes para que se forme uma camada de ferrugem relativamente densa e aderente. O guia introdutório da National Steel Bridge Alliance (2010) identifica os ciclos repetidos de humedecimento e secagem como condição para o desenvolvimento de uma pátina protetora; a humidade persistente não proporciona a mesma sequência de exposição.

A designação do material também é relevante. A resistência à corrosão atmosférica depende da composição da liga, e não apenas da designação “aço patinável”. As composições tradicionais de aços patináveis centram-se no manganês, silício, crómio, níquel, cobre, molibdénio e fósforo. A investigação da Federal Highway Administration também analisou adições de tungsténio, titânio, alumínio e elementos de terras raras. A ASTM G101-04(2010) fornece métodos para estimar a resistência atmosférica relativa à corrosão a partir da composição química e para estimar perdas a mais longo prazo com base em registos de exposição mais curtos. Trata-se de um método de avaliação, não de uma garantia de que uma determinada estrutura desenvolverá uma pátina aceitável.

A ISO 9223:2012 proporciona um enquadramento ambiental útil. As suas classes de corrosividade atmosférica utilizam as taxas de corrosão do primeiro ano de provetes normalizados e têm em conta os efeitos da temperatura e da humidade, a poluição por dióxido de enxofre e a salinidade transportada pelo ar. Assim, um local classificado apenas pelo clima geral pode ocultar diferenças locais importantes: a face inferior protegida, uma zona sujeita a projeções da estrada, uma fachada voltada para o mar e uma pluma industrial podem estar sujeitas a condições de corrosão diferentes no âmbito de um mesmo projeto.

As orientações da FHWA (2003) exigem uma análise específica do tempo de humedecimento, da exposição a cloretos, dos poluentes industriais, da drenagem, da geometria e da manutenção antes de selecionar aço patinável sem revestimento. Estes fatores devem ser analisados ao nível dos pormenores construtivos. A água retida atrás de uma chapa de emenda, no interior de um rigidificador, sob detritos acumulados ou numa aba com drenagem deficiente pode manter o aço húmido muito depois de as superfícies adjacentes terem secado. A corrosão resultante pode permanecer concentrada, em vez de evoluir para a oxidação superficial relativamente uniforme pressuposta por um modelo geral de exposição atmosférica.

A geometria pode determinar o resultado. Superfícies inclinadas, extremidades abertas, prateleiras acessíveis e trajetos de drenagem corretamente dimensionados ajudam a água a sair da estrutura. Frestas estreitas, bolsas horizontais, espaços vazios selados com trajetos de fuga e locais onde se acumulam gravilha ou folhas dificultam a estabilização da pátina. Os contactos entre metais incompatíveis também exigem atenção, uma vez que os efeitos galvânicos podem alterar o comportamento da corrosão local.

A seleção sem revestimento deve incluir as consequências estruturais. A corrosão localizada por picadas pode criar uma concentração de tensões superior à de uma perda de espessura relativamente uniforme. As orientações da FHWA sobre fadiga referem que a AASHTO atribui ao metal base de aço patinável simples, sem revestimento, uma categoria de fadiga inferior à do aço comparável não patinável, devido à corrosão por picadas. Por conseguinte, os pormenores sensíveis à fadiga não podem ser justificados com base numa redução presumida da taxa geral de corrosão. As ligações soldadas, os acessórios, os furos para parafusos e as regiões sujeitas a tensões repetidas necessitam da sua própria avaliação da fadiga e da inspeção.

A liga pode ser inadequada mesmo quando o ar circundante parece limpo. A investigação da FHWA publicada em 2011 relatou que a maioria dos aços patináveis apresentava valores do índice de corrosão ASTM G101 entre 6 e 7, enquanto a investigação tinha como objetivo valores próximos de ou superiores a 9,5, para obter uma resistência substancialmente melhorada em atmosferas contendo cloretos. Esta conclusão sustenta uma posição clara de projeto: a composição química comum dos aços patináveis não deve ser tratada como uma resposta universal para exposições contaminadas por sais.

Quando as limitações ambientais favorecem uma proteção adicional

A aplicação de um revestimento é mais justificável quando o ambiente impede uma formação fiável da pátina ou quando as consequências da corrosão localizada são graves. A SCI Guidance Note 1.07 (2015) identifica as condições continuamente húmidas ou molhadas, a elevada exposição a cloretos ou à pulverização salina, os fumos industriais concentrados e as condições enterradas como aplicações inadequadas ou sujeitas a restrições para o aço resistente à corrosão atmosférica sem revestimento. Estas limitações abrangem mais do que a exposição marítima em espaços abertos. O sal descongelante rodoviário, as projeções provocadas pelo tráfego, as instalações com fugas, a condensação em espaços fechados e o escoamento superficial contaminado podem produzir problemas semelhantes.

A proteção adicional pode abranger todo o elemento ou apenas zonas selecionadas. Um revestimento integral pode ser adequado quando a deposição de cloretos, o dióxido de enxofre ou a condensação persistente afetam a maioria das superfícies expostas. Pode aplicar-se um revestimento localizado em zonas de salpicos, trajetos de drenagem do tabuleiro, extremidades de vigas, reentrâncias das ligações, faces ocultas e áreas próximas de juntas de dilatação. A transição entre o aço revestido e o aço sem revestimento deve ser pormenorizada de modo a impedir que a água seja dirigida para uma aresta desprotegida ou fique retida na terminação do revestimento.

Uma estratégia híbrida pode também combinar elementos de aço patinável com componentes de ligação revestidos, interfaces seladas ou fixadores resistentes à corrosão, desde que sejam asseguradas a compatibilidade galvânica e a conformidade com as normas aplicáveis aos materiais. Não se deve presumir que uma chapa revestida elimina todos os riscos em torno de uniões aparafusadas, frestas ou arestas danificadas. O sistema de proteção continua a ter de ser inspecionável e reparável.

A alteração do pormenor construtivo pode proporcionar um benefício tão grande como a aplicação de um revestimento. Melhorar a drenagem, eliminar locais de retenção de detritos, abrir um compartimento ventilado, separar metais dissimilares ou impedir o escoamento direto de água carregada de sais pode restabelecer condições nas quais o aço sem revestimento apresenta um desempenho mais previsível. Inversamente, uma superfície visualmente exposta pode continuar a exigir revestimento se a sua localização receber contaminação concentrada. A aparência não constitui uma classificação de exposição.

A seleção do revestimento deve estar associada ao intervalo de inspeção, aos danos previstos e ao método de reparação. A preparação da superfície, o perfil das soldaduras, as arestas vivas, os parafusos, as juntas executadas em obra e a espessura do revestimento influenciam o desempenho em serviço. Quando não for possível alcançar os danos no revestimento em condições de segurança, uma solução sem revestimento ou com pormenorização diferente pode resultar numa carga de manutenção mais fácil de gerir. A comparação correta não é, portanto, entre “pátina e tinta”, mas entre sistemas completos de controlo da corrosão ao longo do período de serviço previsto.

Pressupostos de manutenção e possibilidade de inspeção

Todas as estratégias implicam um pressuposto de manutenção. O aço patinável sem revestimento pressupõe que os inspetores conseguem verificar se a camada de ferrugem se desenvolve uniformemente, identificar a retenção de água e remover os detritos antes de a corrosão localizada acelerar. Pressupõe também que as manchas de escorrência, as escamas de ferrugem e o acesso para um exame próximo são consequências aceitáveis do projeto.

Um sistema de revestimento pressupõe inspeções programadas para detetar fissuração, formação de bolhas, descolamento, danos mecânicos e corrosão nas arestas ou nos defeitos. As reparações exigem materiais compatíveis, condições meteorológicas adequadas e acesso para limpeza e reaplicação do revestimento. Se for improvável que essas operações possam ser realizadas, a vida útil nominal do revestimento não deve ser utilizada como única base do projeto.

O acesso para inspeção deve ser estabelecido antes de os elementos serem encerrados ou colocados sobre vias de circulação, água ou equipamentos. As saídas de drenagem devem permanecer visíveis e desimpedidas. As faces ocultas, as zonas de apoio, o interior das emendas e as extremidades dos rigidificadores podem exigir aberturas de acesso específicas ou procedimentos de inspeção próprios. A monitorização deve registar não só a perda de secção, mas também a sua causa: água estagnada, acumulação de sais, falha do revestimento, detritos, fugas ou um pressuposto de exposição inadequado.

O planeamento da manutenção também afeta o dimensionamento à fadiga. A corrosão por picadas e a corrosão nas concentrações de tensões podem exigir um exame mais frequente do que uma superfície ampla ligeiramente enferrujada. Um projeto que dependa da deteção precoce deve especificar quem realiza a inspeção, que estado desencadeia a reparação e como esta será executada. Sem essas disposições, “sem revestimento” não corresponde a uma categoria isenta de manutenção; trata-se de um projeto que transfere as funções de proteção para a drenagem, o controlo da exposição e a inspeção.

Ensaios, dados de exposição e previsão da corrosão a longo prazo

Ensaios laboratoriais e de exposição atmosférica

O aço patinável não é ensaiado perguntando se aparece ferrugem. O aço carbono comum também enferruja. A questão relevante é saber se a liga forma uma camada de ferrugem suficientemente aderente e relativamente pouco permeável, sob a sequência real de molhagem, secagem, contaminação e limpeza existente no local. Os ensaios laboratoriais podem medir essa tendência, mas nenhum ensaio acelerado reproduz todas as condições de exposição atmosférica.

A composição é a primeira variável. Os aços ASTM A242, ASTM A588 e os aços para pontes especificados segundo ASTM A709/A709M contêm adições deliberadas que alteram os produtos de corrosão e a sua aderência. A liga tradicional tem-se concentrado em manganês, silício, crómio, níquel, cobre, molibdénio e fósforo. A investigação da Federal Highway Administration publicada em 2009 também analisou adições de tungsténio, titânio, alumínio e terras raras. O objetivo não é simplesmente aumentar o teor de elementos de liga; é modificar as reações eletroquímicas e a estrutura da camada de ferrugem sem comprometer a soldabilidade, a tenacidade, a resistência ou o desempenho à fadiga.

A ASTM G101-04(2010) fornece dois métodos relacionados. Permite estimar a perda por corrosão atmosférica a longo prazo a partir de resultados de exposição de curta duração e permite estimar a resistência relativa à corrosão atmosférica de um aço de baixa liga com base na sua composição química. O seu índice de corrosão baseado na composição é útil para comparar corridas ou qualidades de aço, mas não constitui um certificado de aprovação para um determinado local. A investigação da FHWA comunicou que a maioria dos aços patináveis apresentava valores do índice ASTM G101 entre 6 e 7, enquanto um programa posterior de desenvolvimento de ligas tinha como objetivo valores próximos de 9,5 ou superiores, para obter uma resistência substancialmente melhorada em atmosferas contendo cloretos. Esses valores descrevem um índice, e não milímetros de vida útil garantida.

O capítulo Corrosion of Weathering Steels do ASM Handbook aborda os ensaios de exposição como uma ligação entre a metalurgia e as condições de serviço. Abrange as adições de elementos de liga, os índices baseados na composição, a formação da camada de ferrugem e os ensaios de corrosão, salientando igualmente problemas de conceção como frestas, detritos retidos e humidade persistente. Um provete laboratorial pode revelar se uma determinada composição química tende a desenvolver uma camada de ferrugem compacta. Não pode determinar se uma ligação de uma ponte permanecerá suficientemente seca para se comportar da mesma forma.

Os ensaios de exposição atmosférica fornecem a dimensão ambiental em falta. Os provetes são colocados em locais representativos, pesados, limpos e novamente pesados em intervalos definidos, registando-se também o aspeto da ferrugem, o escorrimento e o ataque local. A ISO 9223:2012 classifica a corrosividade atmosférica utilizando as taxas de corrosão do primeiro ano de provetes normalizados. O seu enquadramento considera a influência combinada da temperatura e da humidade, da poluição por dióxido de enxofre e da salinidade transportada pelo ar. Essa classificação é útil para descrever uma exposição, mas não substitui a inspeção da estrutura proposta. Uma aba de uma viga protegida da chuva, uma alma lavada pela chuva e uma ligação que retém sal podem estar sujeitas a condições de corrosividade diferentes dentro da mesma ponte.

Os ensaios de névoa salina ou de corrosão cíclica podem classificar rapidamente os materiais, sobretudo quando a contaminação por cloretos faz parte do caso de projeto. São substitutos inadequados da exposição natural quando fornecem continuamente eletrólito ou omitem a secagem. O aço patinável necessita de ciclos repetidos de molhagem e secagem para desenvolver a sua pátina característica. Um provete mantido continuamente molhado pode sofrer um ataque que não ocorreria numa posição atmosférica com drenagem livre; um provete seco de forma excessivamente intensa pode não representar um microclima costeiro ou industrial. A duração do ensaio, a composição química da solução, a temperatura, o ciclo de molhagem e a orientação do provete devem, por conseguinte, ser indicados juntamente com o resultado de corrosão.

Dados de curta duração versus comportamento a longo prazo

A perda de massa inicial pode sobrestimar ou subestimar o desempenho posterior. Durante a exposição inicial, o aço nu reage rapidamente em zonas anódicas, e a camada de ferrugem pode ser porosa, fissurada ou estar mal aderida. Com ciclos adequados, os produtos de corrosão podem tornar-se mais compactos e protetores, reduzindo a taxa posterior. Essa redução não é automática. Os cloretos podem permanecer nos poros, o dióxido de enxofre pode acidificar a humidade superficial e a abrasão ou o escorrimento repetidos podem remover a ferrugem em formação.

A revisão sobre corrosão atmosférica citada neste artigo descreve o tempo de estabilização e a taxa de corrosão posterior em regime estacionário como grandezas distintas. Um provete pode apresentar uma taxa de corrosão decrescente após vários anos, mas o tempo necessário para atingir essa condição depende do clima, da carga de poluentes, da orientação, da proteção e da composição da liga. Uma exposição curta que termine antes da estabilização não pode estabelecer uma taxa a longo prazo. Inversamente, um ensaio curto que imponha molhagem por cloretos pode produzir uma taxa de perda inadequada para uma superfície interior lavada pela chuva.

A ASTM G101 aborda este problema utilizando informações de exposição de curta duração para estimar perdas a mais longo prazo, mas a estimativa incorpora pressupostos sobre a forma como a taxa varia com o tempo. Essa extrapolação é mais defensável quando o historial de exposição se assemelha ao ambiente de serviço previsto e quando vários intervalos de exposição revelam a tendência. Torna-se frágil quando o local está a mudar. Pode ser introduzido sal de descongelamento após anos de exposição relativamente limpa. Uma estrada pode receber uma nova solução de drenagem. As emissões industriais podem diminuir ou uma fonte próxima pode começar a funcionar. Um modelo calibrado antes dessa alteração não pode simplesmente ser prolongado sem modificações.

Por conseguinte, as orientações da FHWA exigem uma análise específica do local relativamente ao tempo de humidade, à exposição a cloretos, aos poluentes industriais, à drenagem, à geometria e à manutenção. A SCI Guidance Note 1.07 identifica os locais continuamente molhados ou húmidos, a exposição elevada a cloretos ou à névoa salina, os fumos industriais concentrados e as condições enterradas como aplicações inadequadas ou restritas para aço resistente às condições atmosféricas sem revestimento. A SteelConstruction.info salienta igualmente a drenagem, a ventilação e a prevenção da acumulação de água ou detritos. Não se trata de preferências secundárias de pormenorização. Estes fatores determinam se a exposição utilizada numa previsão de corrosão continua válida na superfície do aço.

A perda por corrosão deve também ser distinguida da descoloração visível. Uma pátina escura e uniforme pode ocultar picadas locais, enquanto o escorrimento alaranjado pode parecer grave sem corresponder a uma perda significativa de secção. As medições devem incluir a perda de massa ou leituras de espessura, a profundidade das picadas, o ataque em frestas e o estado das arestas, ligações e superfícies de contacto. Num elemento sensível à fadiga, as picadas locais são importantes mesmo quando a perda média de espessura parece modesta. As orientações da FHWA relativas à fadiga registam a consequência para o projeto: a AASHTO atribui ao metal de base de aço patinável simples, sem revestimento, uma categoria de fadiga inferior à de um aço não patinável comparável devido à formação de picadas. Um modelo de corrosão que preveja apenas a perda média é, por conseguinte, incompleto no caso de pormenores sujeitos a carregamentos cíclicos.

Estabilização da camada de ferrugem e modelos preditivos

Uma previsão útil trata a formação da pátina como uma resposta dependente do tempo, e não como um revestimento permanente aplicado durante o fabrico. A alternância entre ciclos de molhagem e secagem permite que os produtos de oxidação se transformem e se consolidem; a drenagem e a ventilação limitam a duração do contacto com o eletrólito. A camada pode então reduzir a taxa de ataque posterior. O seu desempenho continua condicionado pelo mesmo equilíbrio ambiental que lhe deu origem.

Os modelos preditivos exprimem habitualmente a perda por corrosão em função do tempo de exposição, frequentemente com uma perda inicial acentuada seguida de uma taxa inferior após uma estabilização parcial. Os coeficientes devem provir de dados de campo comparáveis. Um modelo desenvolvido a partir de painéis rurais não deve ser transferido diretamente para uma ponte costeira carregada de cloretos, e uma classe de corrosividade ISO 9223 do primeiro ano não deve ser tratada como uma constante ao longo da vida útil. A ISO 9223 descreve a carga atmosférica inicial através de provetes normalizados; não prevê todas as frestas protegidas da chuva nem futuras alterações de manutenção.

A previsão a longo prazo deve, consequentemente, utilizar um intervalo e não um único valor atraente. Deve indicar o padrão de molhagem e secagem assumido, os níveis de poluentes e cloretos, a limpeza ou lavagem, os percursos de escorrimento, os intervalos de inspeção e o momento em que se procederia à repintura ou reparação. Provetes de campo, painéis de referência e levantamentos programados de espessura podem verificar se a estabilização assumida está efetivamente a ocorrer. Se a corrosão permanecer ativa, se as picadas se aprofundarem ou se persistirem depósitos húmidos, a resposta de projeto poderá consistir na correção da drenagem, na lavagem, na aplicação de um revestimento local ou na alteração do sistema de proteção contra a corrosão.

A distinção fundamental para a engenharia é simples: o aço patinável pode reduzir a corrosão atmosférica em condições adequadas, mas a sua perda futura é condicional e pode exigir revisão. A composição química estabelece uma capacidade para formar pátina. O historial de exposição, a pormenorização e a manutenção determinam se essa capacidade se concretiza.

Inspeção, Manutenção e Modos de Falha

O aço patinável não é isento de manutenção. A sua resistência à corrosão atmosférica depende de a camada de ferrugem se manter relativamente densa e aderente, o que requer uma composição química adequada da liga e ciclos repetidos de humidificação e secagem. Se a água ficar retida, se se acumularem depósitos de cloretos ou se a poluição industrial alterar o ambiente de corrosão, a pátina pode tornar-se porosa, fissurada ou apresentar pouca aderência. A corrosão prossegue então por baixo da superfície visível.

A inspeção faz, por isso, parte do projeto. O objetivo não é confirmar que todas as superfícies são castanhas, mas determinar se as condições de exposição assumidas durante a seleção do material e o pormenor construtivo ainda se mantêm.

Reconhecer a corrosão anómala e a retenção de água

Uma pátina estável desenvolve-se geralmente através de períodos alternados de humidade e secagem. O manual da NSBA, publicado em 2010, identifica a humidificação e a secagem repetidas como necessárias para o desenvolvimento de uma pátina protetora. Uma superfície que permanece molhada não está sujeita ao mesmo ciclo ambiental que uma superfície exposta e com drenagem livre. Pode apresentar ferrugem alaranjada solta, manchas escuras de humidade, camadas descamadas, tubérculos de corrosão ou corrosão localizada por picadas, em vez de uma pátina relativamente uniforme e aderente.

A retenção de água é frequentemente mais importante do que o aspeto médio do elemento. Os inspetores devem procurar escorrências de ferrugem sob as juntas, bandas contínuas de humidade nas sobreposições, água estagnada em chapas horizontais, bolsas de parafusos preenchidas com lama e zonas húmidas atrás das chapas de ligação. Uma fuga estreita pode produzir uma condição local grave, enquanto o resto do elemento parece estar em bom estado. Ferrugem recente após um período seco, especialmente em torno de uma fissura, de uma saída de drenagem ou de um elemento de fixação, indica corrosão ativa e não uma simples variação inofensiva de cor.

Os percursos de drenagem requerem uma atenção especial. Pequenas aberturas podem ficar obstruídas por folhas, sedimentos, material de nidificação de aves, gelo, salpicos de soldadura ou produtos de corrosão. Uma vez obstruído, um pormenor concebido para uma exposição intermitente pode transformar-se num reservatório permanente de humidade. O mesmo tipo de falha ocorre quando uma junta do tabuleiro deixa cair água sobre uma viga principal, quando um parapeito direciona escorrências carregadas de sal para um banzo, ou quando uma junta selada se separa e permite a entrada de água por trás de uma chapa.

A atmosfera envolvente também pode sofrer alterações. A ISO 9223:2012 classifica a corrosividade atmosférica utilizando as taxas de corrosão do primeiro ano de provetes normalizados e identifica a temperatura e a humidade, a poluição por dióxido de enxofre e a salinidade transportada pelo ar como fatores fundamentais. Um local que era aceitável quando a estrutura foi construída pode tornar-se mais agressivo depois de uma estrada passar a ser mais intensamente salgada, de um porto ser ampliado, de um processo industrial ser alterado ou de o tráfego aumentar a deposição de poluentes. A ASTM G101-04(2010) fornece métodos para estimar perdas devidas à corrosão atmosférica a longo prazo a partir de dados de exposição de curta duração e para estimar a resistência relativa à corrosão atmosférica de aço de baixa liga com base na composição química; não transforma uma estimativa da composição numa garantia para todos os pormenores de uma estrutura.

A corrosão por picadas é particularmente preocupante, porque a perda média de espessura pode ocultar uma secção local muito menor. As orientações da FHWA relativas à fadiga indicam que a AASHTO atribui ao metal de base de aço patinável simples e não revestido uma categoria de fadiga inferior à do aço não patinável comparável, devido à corrosão por picadas. Essa redução é relevante em elementos sujeitos a tensões repetidas, mesmo quando a corrosão geral parece moderada. As picadas profundas junto aos pés de soldadura, aos furos, às extremidades dos rigidificadores ou às linhas de ligação devem ser medidas e avaliadas, e não apenas fotografadas.

Inspecionar pormenores ocultos e sujeitos a corrosão

Um plano de inspeção deve seguir o percurso da água, dos detritos e dos contaminantes através da estrutura. As juntas, emendas, zonas de apoio, transições dos banzos, terminações dos rigidificadores, atravessamentos da alma e ligações aparafusadas devem ter prioridade, porque interrompem a drenagem ou criam frestas. Deve observar-se por baixo das chapas de emenda e das cantoneiras de ligação, atrás das chapas de nó, em torno das cabeças e porcas dos parafusos e nas extremidades de elementos selados ou parcialmente selados. Uma superfície oculta não pode ser avaliada a partir da face exposta.

Os rigidificadores podem formar canais estreitos que acumulam detritos e impedem a secagem. As suas extremidades devem ser examinadas quanto à presença de água retida, soldaduras incompletas, frestas de soldadura e levantamento provocado pela corrosão. As soldaduras descontínuas e as linhas de contacto não soldadas podem reter eletrólito por ação capilar. As saliências horizontais devem ser verificadas quanto à presença de sedimentos e crescimento vegetal, ambos capazes de prolongar o tempo de humidade. Quando o acesso é limitado, a inspeção pode exigir espelhos, videoscópios, medições ultrassónicas de espessura ou uma limpeza local cuidadosamente selecionada. A limpeza não deve remover as evidências antes de o mecanismo de corrosão ter sido registado.

As ligações que envolvem metais diferentes requerem atenção. Os efeitos galvânicos podem concentrar o ataque quando um componente de aço patinável contacta com aço inoxidável, aço galvanizado, alumínio ou outro metal sob uma película húmida condutora. Os elementos de fixação devem ser compatíveis com o aço especificado e com a exposição, e qualquer sistema de revestimento ou isolamento deve manter-se eficaz na interface. A presença de uma pátina de aço patinável não protege um par de metais incompatíveis.

As localizações enterradas, imersas ou continuamente húmidas devem ser tratadas como condições de exposição distintas e não como superfícies atmosféricas comuns. O contacto com o solo, as fugas de infraestruturas, a condensação no interior de secções em caixa e as zonas sujeitas a salpicos podem impedir o ciclo de secagem do qual depende a formação da pátina. A SCI Guidance Note 1.07, publicada em 2015, identifica os ambientes continuamente molhados ou húmidos, a exposição elevada a cloretos ou à pulverização salina, os fumos industriais concentrados e as condições enterradas como aplicações inadequadas ou restritas para aço resistente às intempéries não revestido.

A inspeção deve comparar as condições atuais com a base de projeto original. Os registos devem identificar a forma de corrosão, a profundidade das picadas, a área afetada, o estado da drenagem, as fontes de poluentes ou cloretos e qualquer alteração na fissuração ou na deformação. Um levantamento visual uniforme é insuficiente quando existem pormenores sensíveis à fadiga.

Condições de manutenção como parte do projeto original

O acesso para manutenção e as disposições de limpeza devem ser especificados antes do fabrico, e não acrescentados depois de a corrosão surgir. Os projetistas devem prever orifícios de drenagem que possam ser inspecionados e desobstruídos, inclinações que não criem bolsas planas de água, folgas suficientemente largas para evitar pontes de detritos e ventilação onde os espaços fechados possam acumular condensação. Os desenhos de pormenor devem mostrar como a água sai de uma junta e onde é descarregada; uma abertura nominal não constitui uma estratégia de drenagem se o escoamento for direcionado para outra superfície sujeita a corrosão.

A classe de aço selecionada e a classificação da exposição também devem permanecer associadas. As orientações da FHWA exigem uma avaliação específica do local relativamente ao tempo de humidade, à exposição a cloretos, aos poluentes industriais, à drenagem, à geometria e às condições de manutenção antes da seleção de aço patinável não revestido. A composição química tradicional do aço patinável centra-se no manganês, silício, crómio, níquel, cobre, molibdénio e fósforo. Uma investigação da FHWA publicada em 2011 indicou que a maioria dos aços patináveis apresentava valores do índice de corrosão da ASTM G101 entre 6 e 7, enquanto o seu estudo sobre aço melhorado resistente à corrosão procurava valores próximos de ou superiores a 9,5, para um desempenho substancialmente melhor em atmosferas contendo cloretos. Esse resultado apoia a triagem e a seleção dos materiais, mas não justifica uma drenagem deficiente.

Um plano de manutenção deve indicar quem ficará responsável por desobstruir os drenos, remover os detritos, examinar as fugas, registar as medições das picadas e reparar os pormenores danificados. Deve também definir os critérios para uma revisão de engenharia: humidade persistente, nova exposição a cloretos, ferrugem solta ou exfoliante, perda de secção inesperada, corrosão em pormenores sensíveis à fadiga ou alteração de uma exposição atmosférica para uma exposição enterrada ou sujeita a salpicos. As reparações podem envolver a reposição da drenagem, o isolamento de um par galvânico, a substituição do aço danificado, a selagem de uma fuga ou a aplicação de um revestimento numa área local. Pintar uma superfície visivelmente enferrujada sem eliminar a fonte de humidade normalmente oculta a falha, em vez de a interromper.

As hipóteses originais de projeto podem deixar de se verificar durante a vida útil. Uma pátina é um produto de corrosão dependente das condições, e não um revestimento permanente. A inspeção e a manutenção mantêm as condições ambientais dentro do intervalo para o qual foram selecionados o aço, a geometria e o projeto à fadiga.

Um Fluxo de Trabalho Prático para o Projeto face à Corrosão Atmosférica

O aço patinável não revestido deve ser selecionado através de uma sequência de decisões relativas ao local, ao material e ao pormenor construtivo, e não com base na designação da classe ou na cor de pátina esperada. A liga foi concebida para formar uma camada de ferrugem relativamente densa e aderente sob condições adequadas de exposição alternada a períodos húmidos e secos. Essa camada pode reduzir a corrosão posterior, mas não constitui um revestimento automático e permanente. A humidade contínua, os depósitos de sal, a poluição industrial, a drenagem deficiente ou as fendas protegidas podem manter a corrosão ativa sob uma película superficial irregular.

O fluxo de trabalho deve começar antes da seleção da classe do aço e prosseguir até ao planeamento das inspeções. A ISO 9223:2012 fornece o enquadramento da corrosividade atmosférica; as orientações da FHWA acrescentam as questões específicas do local que uma classificação, por si só, não consegue responder.

Classificar a atmosfera e identificar os contaminantes

Em primeiro lugar, deve estabelecer-se o padrão de temperatura e humidade na superfície do aço, em vez de se recorrer apenas aos dados climáticos regionais. Registe a temperatura sazonal, a humidade relativa, a precipitação, a condensação, o nevoeiro, os ciclos de gelo-degelo e os períodos durante os quais as superfícies permanecem visivelmente ou microscopicamente molhadas. A ISO 9223:2012 considera a influência da temperatura e da humidade, a poluição por dióxido de enxofre e a salinidade transportada pelo ar como os principais fatores atmosféricos, classificando a corrosividade com base nas taxas de corrosão do primeiro ano medidas em provetes normalizados. A categoria resultante é útil para comparação, mas não descreve todas as abas, juntas ou trajetórias de drenagem protegidas existentes numa estrutura.

O tempo de permanência da humidade constitui a ligação prática entre o clima e a corrosão. Um elemento que seca no prazo de uma hora após a chuva está sujeito a uma exposição diferente da de um elemento que retém água sob uma chapa de cobrejunta durante vários dias. Analise os mecanismos prováveis de humidificação: chuva direta, salpicos, condensação, nevoeiro, juntas com fugas, acumulação de neve e água de lavagem. Em seguida, identifique se a secagem é favorecida ou dificultada pelo vento, pelo aquecimento solar, pelo confinamento ou pelas superfícies adjacentes.

A salinidade exige mais do que a indicação de que um local se situa “perto da costa”. Determine a distância à linha de costa, a direção predominante do vento, a exposição à ondulação ou à rebentação, os salpicos transportados pelo vento, a utilização de sais de degelo e a possibilidade de escoamento contaminado. Os cloretos podem acumular-se em ressaltos horizontais e fendas, mesmo quando a concentração média no ar é moderada. Uma ponte sobre uma via onde são utilizados sais pode enfrentar um problema de cloretos mais grave nas abas inferiores do que nas superfícies superiores.

O dióxido de enxofre e outros poluentes também exigem uma avaliação baseada nas fontes. Cartografe o tráfego intenso, os equipamentos de combustão, o processamento químico, o tratamento de metais, o armazenamento de fertilizantes e as emissões industriais confinadas. O dióxido de enxofre pode aumentar a acidez do eletrólito e alterar o desenvolvimento da camada de ferrugem. As poeiras podem reter humidade e poluentes; a fuligem e os depósitos resultantes de processos industriais podem criar células localmente agressivas. Determine se as emissões são contínuas, sazonais ou episódicas, uma vez que um pulso curto, mas repetido, de contaminantes pode ser relevante num pormenor protegido.

A categoria ISO deve, portanto, ser registada juntamente com a deposição de cloretos medida ou estimada, a concentração de dióxido de enxofre, o tempo de permanência da humidade e as fontes locais de contaminantes. A ASTM G101-04(2010) pode estimar as perdas de corrosão atmosférica a longo prazo a partir de dados de exposição de curta duração e pode estimar a resistência relativa à corrosão com base na composição química do aço de baixa liga. Trata-se de um método de cálculo, não de um substituto para dados de exposição nem de uma garantia de que um elemento selecionado desenvolverá uma pátina protetora.

Avaliar a combinação entre material, geometria e exposição

Em seguida, reveja a designação exata do material, a forma do produto e a norma aplicável. “Aço patinável” é uma descrição de uma família de materiais, não uma especificação completa. As obras de arte podem aplicar classes da ASTM A709/A709M, enquanto outras estruturas podem utilizar designações estabelecidas por uma norma nacional de produto. Os limites químicos, as propriedades mecânicas, o intervalo de espessuras, os requisitos de soldadura e a condição de fornecimento devem corresponder à edição aplicável da norma. Confirme o certificado do fabricante e a composição química da corrida, em vez de presumir que uma designação de classe conhecida apresenta o mesmo desempenho atmosférico em todas as normas.

A conceção da liga é importante. A composição química tradicional do aço patinável tem-se concentrado em manganês, silício, crómio, níquel, cobre, molibdénio e fósforo. A investigação da FHWA publicada em 2009 também analisou adições de tungsténio, titânio, alumínio e elementos de terras raras. Os valores do índice ASTM G101 permitem uma comparação preliminar: a FHWA comunicou, em 2011, que a maioria dos aços patináveis apresentava valores entre 6 e 7, enquanto a sua investigação procurava valores próximos ou superiores a 9,5 para obter uma resistência significativamente melhorada em atmosferas contendo cloretos. Estes valores não definem um limiar universal de aceitação. Demonstram por que motivo a composição, a exposição a poluentes e as condições de cloretos devem ser consideradas em conjunto.

Em seguida, avalie a geometria enquanto sistema de gestão da água. Todas as superfícies devem dispor de uma trajetória de secagem credível. Elimine bolsas, sobreposições não seladas, ressaltos voltados para cima, fendas estreitas, orifícios de drenagem obstruídos e pormenores que retenham folhas, lama ou detritos de aves. Preveja uma drenagem eficaz e ventilação suficiente nos espaços confinados. Vede ou proteja de outro modo as juntas onde a água possa entrar, mas não consiga evaporar. Preste especial atenção aos rigidificadores, às chapas de cobrejunta, às zonas de apoio, às secções em caixão, às chapas de nó, às cantoneiras de ligação e às interfaces com o betão.

Uma pátina visualmente atraente não prova que uma superfície oculta esteja protegida. As manchas de ferrugem podem indicar o escoamento proveniente de uma zona estável, mas também podem assinalar perda de secção numa junta húmida. Do mesmo modo, diferentes tonalidades de laranja, castanho e preto podem refletir o historial de exposição, a contaminação, a retenção de humidade ou uma estabilização incompleta, e não uma fase de desempenho fiável.

Rejeite ou modifique as aplicações sujeitas a exposição continuamente molhada ou húmida, contacto com o solo, salpicos persistentes de água salgada, fumos industriais concentrados ou salpicos não controlados de sais de degelo. A SCI Guidance Note 1.07 identifica estas condições como inadequadas ou sujeitas a restrições para o aço patinável não revestido. Quando não for possível alterar a exposição, poderá ser necessário um sistema de revestimento, a reformulação da drenagem, uma margem de corrosão ou outra estratégia de seleção de materiais.

Nesta fase, verifique também os materiais adjacentes. O cobre, o latão, o aço inoxidável, os componentes galvanizados e o alumínio podem produzir efeitos galvânicos quando um eletrólito estabelece ligação entre metais diferentes. O risco depende da relação entre áreas, da ligação elétrica, da concentração de contaminantes e da drenagem. Isole os metais incompatíveis quando necessário, impeça o escoamento proveniente de um metal mais nobre para o aço patinável e especifique elementos de fixação e anilhas compatíveis.

Por fim, avalie as consequências estruturais, em vez de tratar a corrosão apenas como uma questão visual. A corrosão localizada por picadas reduz a secção líquida e cria concentrações locais de tensão. As orientações da FHWA relativas à fadiga indicam que a AASHTO atribui ao metal de base de aço patinável simples não revestido uma categoria de fadiga inferior à do aço não patinável comparável, devido à corrosão por picadas. Assim, as pontes suscetíveis à fadiga, os elementos de gruas, os suportes sujeitos a vibração e os elementos delgados necessitam de pressupostos explícitos relativos à corrosão por picadas, da classificação das ligações, de margens de corrosão e de acesso para inspeção.

Documentar os pressupostos de inspeção e manutenção

O registo do projeto deve indicar o que tem de permanecer válido para a utilização sem revestimento: a classe de corrosividade prevista, as condições relativas aos cloretos e ao dióxido de enxofre, os pressupostos relativos ao tempo de permanência da humidade, o desempenho da drenagem, a ventilação, o período de estabilização da pátina e as zonas de exposição excluídas. Deve também identificar as superfícies que não se prevê que estabilizem, como juntas continuamente húmidas ou zonas sujeitas a salpicos da estrada.

Defina a primeira inspeção após a montagem e o intervalo das inspeções posteriores em função das consequências, da exposição e da incerteza. As inspeções iniciais devem procurar retenção de água, depósitos de sal inesperados, manchas de escoamento, danos de construção, zonas soldadas, fendas e corrosão irregular — e não apenas a cor geral. Meça a profundidade das picadas e a perda de secção em locais representativos e suspeitos, conservando fotografias e pontos de referência fixos para permitir a comparação das alterações.

As instruções de manutenção devem especificar a remoção de detritos, a desobstrução dos drenos, a reparação de juntas com fugas e a remoção de depósitos de contaminantes. Não prescreva lavagens indiscriminadamente: a água retida pode transportar cloretos para novas fendas, salvo se a drenagem e a secagem forem controladas. Qualquer revestimento de reparação deve ser selecionado para o ambiente real e para o estado da superfície, devendo ser documentados os limites da reparação e os requisitos de preparação.

O registo deve também definir níveis de atuação. Entre os exemplos contam-se a humidade persistente, a contaminação recorrente por sais, a corrosão por picadas mensurável que exceda a margem de projeto, a fissuração nas picadas de corrosão, a drenagem obstruída ou os danos por fadiga junto de pormenores corroídos. Nessa altura, a resposta pode envolver a correção da drenagem, a limpeza localizada, a aplicação de um revestimento, a medição da espessura, a avaliação da capacidade de carga ou a substituição.

Nenhum índice, designação de classe, categoria de corrosividade ou cor de pátina substitui esta avaliação. A resistência à corrosão atmosférica é um desempenho condicionado. O projeto só é aceitável quando a composição química, a exposição, a geometria, as exigências estruturais e as inspeções futuras se apoiam mutuamente.

Referências

1. [1]Federal Highway Administration. Improved Corrosion-Resistant Steel for Highway Bridges. Federal Highway Administration research publication, 2011. https://www.fhwa.dot.gov/publications/research/infrastructure/bridge/11062/001.cfm
2. [2]ASTM International. ASTM G101-04(2010), Standard Guide for Estimating Atmospheric Corrosion Data. ASTM International standard, 2010. https://store.astm.org/g0101-04r10.html
3. [3]Steel Construction Institute. Guidance Note 1.07: Weather Resistant Steel. SCI Guidance Note 1.07, 2015. https://www.steelconstruction.info/images/a/aa/GN_1-07.pdf
4. [4]International Organization for Standardization. ISO 9223:2012 Corrosivity of Atmospheres. International Standard, 2012. https://www.iso.org/standard/53499.html
5. [5]Federal Highway Administration. Uncoated Weathering Steel in Bridges. Federal Highway Administration guidance, 2003. https://www.fhwa.dot.gov/bridge/t514022.cfm
6. [6]Federal Highway Administration. Steel Bridge Design Handbook: Design for Fatigue. Federal Highway Administration handbook, 2016. https://www.fhwa.dot.gov/bridge/steel/pubs/nhi16016.pdf