Reparação de Fendas em Elementos Construtivos de Betão Armado Caso de Estudo: Reparação de Túnel em Betão Armado David de Almeida Araújo Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil Orientadores: Professor Doutor João Pedro Ramôa Ribeiro Correia Engenheiro João António Crisóstomo Farinha Júri Presidente: Professor Doutor Augusto Martins Gomes Orientador: Professor Doutor João Pedro Ramôa Ribeiro Correia Vogal: Professora Doutora Inês dos Santos Flores Barbosa Colen Maio de 2016 Agradecimentos Ao Professor Doutor João Ramôa Correia, por toda a disponibilidade e amizade ao longo tanto destes meses da dissertação, como das cadeiras que me leccionou. Pela forma motivante com que sempre orientou o meu trabalho e pela prontidão na resposta a todas as dúvidas que surgiram. À HTecnic, em particular ao Eng.º João Farinha pela oportunidade de integrar a empresa e pela abertura para visitar a obra de reparação de um túnel em betão armado, e pela prontidão para a resolução de alguns problemas que foram surgindo. Ao Eng.º Nuno Cerqueira pela ajuda em todo o processo. À Eng.ª Alexandra Batista e ao Eng.º António Domingues pelo acompanhamento nas suas frentes de obra, pela disponibilidade para a realização, no estaleiro de obra, de ensaios dos produtos utilizados, por todas as dúvidas esclarecidas e conhecimentos que me transmitiram. Aos fornecedores e representantes das marcas de produtos e equipamentos de injecção, Paulo Portugal (MAPEI), Pedro Sousa (SIKA), Nicolau Giovanetti (Pires&Giovanetti) e à BASF pela rápida e eficiente resposta às questões colocadas e por todos os documentos fornecidos. Aos meus colegas, e grandes amigos, António Rebello de Andrade, Lopo Salgado, Jaime Olazabal, Martim Mello, Luís Mello e Pedro Abreu, que me acompanharam ao longo de todo o curso, pela amizade e companheirismo durante todos estes anos. Aos meus colegas e amigos, Martim Eiró pela amizade, companhia de estudo nos últimos anos e por toda a ajuda na formatação deste documento, e Carolina Figueiredo, companheira de estudo durante os anos de curso e de trabalho ao longo da dissertação, por toda a motivação. À Sara Ruivo pela importante ajuda na revisão dos textos em inglês. A Nossa Senhora de Fátima que me ajudou a levantar nas etapas mais difíceis ao longo de todo o curso. Por último mas não menos importantes, À minha família por toda a confiança que sempre depositaram em mim. Aos meus pais agradeço toda a compreensão e paciência e o permanente incentivo nos momentos mais difíceis. Aos meus avós a força que sempre me deram com o seu exemplo de vida. À Catarina por todo o apoio ao longo dos últimos três anos. Por estar sempre presente nos bons e maus momentos, pelos conselhos, constante incentivo e motivação, por toda a força que me transmitiu, e pela muito importante ajuda na revisão de todos os textos da dissertação. i ii Resumo Presentemente, diversas estruturas de betão armado apresentam anomalias devido às mais diversas causas, sendo frequente a ocorrência de fendilhação excessiva. Este problema pode afectar apenas a aparência ou a funcionalidade dos elementos em betão ou, pelo contrário, indicar problemas estruturais e/ou de durabilidade significativos, daí ser relevante a sua reparação. Actualmente, a utilização de resinas, nomeadamente epoxídicas, por injecção ou apenas por enchimento superficial (selagem), constitui a solução mais frequente para a reparação de fendas, por ser uma solução expedita, económica e eficaz. Contudo, os produtos à base de resinas epoxídicas, sendo rígidos, não são a solução mais adequada para fendas activas, bem como para fendas com humidade, visto não aderirem a superfícies na presença de água. Para tal, o uso de produtos de injecção à base de resinas de poliuretano e resinas acrílicas constitui a solução mais indicada. Não obstante a recente publicação da norma EN1504 (Produtos e Sistemas para Protecção e Reparação de Estruturas de Betão), a informação sobre injecções para reparação de fissuras em betão armado encontra-se dispersa. Tendo em conta esta limitação, o objectivo da presente dissertação é desenvolver um documento que sintetize toda a informação acerca dos materiais, equipamentos, técnicas e procedimentos construtivos a utilizar na reparação de fendas em elementos de betão, com particular enfoque na tecnologia de injecção. Neste documento começa-se por descrever sumariamente as principais anomalias em estruturas de betão armado e a respectiva metodologia de intervenção, sendo detalhada a fendilhação, as suas causas, as características das fendas e as técnicas de inspecção e monitorização das mesmas. Apresenta-se, de seguida, uma revisão da norma EN 1504, nomeadamente no que diz respeito aos requisitos de desempenho dos produtos utilizados na protecção e reparação de fendas e vazios por injecção em estruturas de betão e os métodos de ensaio e avaliação de conformidade dos produtos a utilizar. À luz desse enquadramento normativo, descrevem-se os materiais e os equipamentos utilizados nos sistemas de injecção de fendas, bem como os métodos e procedimentos mais adequados. Na parte final da dissertação, apresenta-se um caso de estudo sobre o acompanhamento de uma obra de reabilitação de um túnel, que envolveu a reparação de fendas em elementos de betão armado, recorrendo a diferentes técnicas e materiais. Palavras-chave: betão; reparação; fendilhação; fendas; injecção; resinas; EN1504. iii iv Abstract Nowadays, several reinforced concrete structures contain anomalies due to different causes, with frequent occurrence of excessive cracking. This problem affects not only concrete elements appearance or functionality but can also indicate significant structural and/or durability problems, which makes the repair extremely relevant. Currently, the use of resins, namely epoxy resins, by injection or only by surface filling (sealing) processes, is the most frequent solution for cracking repair, as it is the most prompt, economic and efficient resolution. However, epoxy products, being rigid, are not the most appropriate solution to active cracking, as well as for cracks with water presence, since they do not adhere to moist surfaces. For this purpose, the most suitable solution is the use of polyurethane or acrylic resins injection. Despite the recent publication of EN1504 (Products and systems for the protection and repair of concrete structures), the information about injection systems for cracking repair in reinforced concrete structures is often disperse. Given this constraint, this document’s purpose is to develop a document about all materials, equipment, methods and construction processes to use in reinforced concrete structures cracking repair, with particular emphasis on injection technology. In the first place, the main anomalies in reinforced concrete structures and the action methodology are briefly described, emphasizing the cracking problem (causes, cracks characteristics, and inspection and monitoring techniques). Then, a review of EN1504 is presented, in particular as regards the injection products performance requirements, test methods and conformity assessment. Under this normative framework, the materials and the equipment used in injection systems are described, as well as the most appropriate methods and procedures. In the end, a case study is presented, that includes a case study of a rehabilitation work in a concrete tunnel that involved cracking repair in reinforced concrete elements, using different techniques and materials. Keywords: concrete; repair; cracking; cracks; injection; resins; EN1504. v vi Índice Agradecimentos.............................................................................................................................. i Resumo ......................................................................................................................................... iii Abstract ......................................................................................................................................... v Índice ............................................................................................................................................ vii Índice de figuras ............................................................................................................................ ix Lista de tabelas ............................................................................................................................. xi 1 Introdução .............................................................................................................................. 1 1.1 Enquadramento ............................................................................................................. 1 1.2 Motivação e objectivos .................................................................................................. 2 1.3 Metodologia ................................................................................................................... 3 1.4 Organização do documento .......................................................................................... 3 2 Fendilhação em Elementos de Betão Armado ...................................................................... 5 2.1 Considerações iniciais ................................................................................................... 5 2.2 Anomalias em estruturas de betão e metodologias de intervenção ............................. 5 2.2.1 Principais anomalias em estruturas de betão armado .......................................... 6 2.2.2 Fases de intervenção numa estrutura de betão armado ...................................... 8 2.3 Fendilhação do betão .................................................................................................. 10 2.3.1 Causas das fendas em betão .............................................................................. 11 2.3.2 Caracterização das fendas em betão .................................................................. 13 2.3.3 Técnicas de inspecção e monitorização de fendas em betão ............................ 16 2.4 Considerações finais ................................................................................................... 20 3 Enquadramento Normativo ................................................................................................. 21 3.1 Considerações iniciais ................................................................................................. 21 3.2 Requisitos de desempenho ......................................................................................... 22 3.2.1 Metodologias, sistemas e produtos de reparação .............................................. 22 3.2.2 Características de desempenho dos produtos de injecção ................................ 24 3.2.3 Classificação dos produtos de injecção .............................................................. 29 3.3 Avaliação de conformidade ......................................................................................... 33 3.3.1 Requisitos de identificação .................................................................................. 33 3.3.2 Controlo da produção em fábrica ........................................................................ 35 3.4 Considerações finais ................................................................................................... 35 4 Tecnologia da Reparação de Fendas por Injecção ............................................................ 37 4.1 Considerações iniciais ................................................................................................. 37 4.2 Técnicas de reparação ................................................................................................ 38 4.2.1 Injecção ............................................................................................................... 38 4.2.2 Selagem .............................................................................................................. 39 4.2.3 Revestimento superficial ..................................................................................... 39 4.3 Sistemas de injecção................................................................................................... 40 4.3.1 Sistemas rígidos .................................................................................................. 40 vii 4.3.2 Sistemas flexíveis ................................................................................................ 40 4.4 Caracterização geral dos materiais para produtos de injecção .................................. 41 4.4.1 Materiais resinosos .............................................................................................. 42 4.4.2 Materiais cimentícios ........................................................................................... 49 4.5 Equipamentos de injecção .......................................................................................... 51 4.5.1 Bombas de injecção ............................................................................................ 51 4.5.2 Bicos de injecção ................................................................................................. 56 4.6 Métodos de injecção.................................................................................................... 57 4.6.1 Injecção sob pressão directamente na fenda ..................................................... 58 4.6.2 Injecção sob pressão através de furos feitos com brocas .................................. 58 4.7 Procedimentos e controlo de qualidade da injecção................................................... 59 4.7.1 Procedimento de injecção ................................................................................... 59 4.7.2 Controlo de qualidade da injecção ...................................................................... 63 4.8 Considerações finais – Tabela síntese ....................................................................... 64 5 Caso de Estudo – Reparação de Túnel em Betão Armado ................................................ 67 5.1 Considerações iniciais ................................................................................................. 67 5.2 Caracterização geral da obra ...................................................................................... 67 5.2.1 Patologia .............................................................................................................. 68 5.2.2 Condicionantes .................................................................................................... 69 5.3 Metodologia de intervenção e soluções de reparação................................................ 70 5.3.1 Soluções de reparação de fendas por injecção .................................................. 71 5.3.2 Outros trabalhos de reparação ............................................................................ 76 5.4 Considerações finais ................................................................................................... 81 6 Conclusões .......................................................................................................................... 83 6.1 Considerações finais ................................................................................................... 83 6.2 Perspectivas de desenvolvimentos futuros ................................................................. 86 Referências bibliográficas ........................................................................................................... 88 ANEXO A ..................................................................................................................................... 93 ANEXO B ..................................................................................................................................... 94 ANEXO C .................................................................................................................................... 95 ANEXO D .................................................................................................................................... 96 ANEXO E ..................................................................................................................................... 97 viii Índice de figuras Figura 1 - Principais causas e mecanismos da deterioração do betão armado (adaptado de [5]) ....................................................................................................................................................... 6 Figura 2 - Fendilhação de pilar de uma ponte devido a deformações excessivas impostas pelo tabuleiro [6] .................................................................................................................................... 7 Figura 3 - Descasque de elemento em betão armado devido à corrosão das armaduras [6] ...... 8 Figura 4 - Fendilhação em "craquelet" de muro em betão armado devido a reacção alcális-sílica [8] ................................................................................................................................................... 8 Figura 5 - Origem da fendilhação em função da causa (adaptado de [11]) ............................... 10 Figura 6 - Fissuras devidas à retracção plástica na lâmina de compressão de uma laje aligeirada [12] .............................................................................................................................. 11 Figura 7 - Esquema de fendilhação associada a flexão circular [12].......................................... 14 Figura 8 - Esquema de fendilhação por flexão simples com esforço transverso [16] ................ 14 Figura 10 - Esquema de fendilhação associada à compressão simples [12] ............................. 14 Figura 9 - Esquema de fendilhação associada à torção [12] ...................................................... 14 Figura 11 - Esquema de fendilhação por tracção simples [12] ................................................... 15 Figura 12 - Fendilhação associada ao esforço transverso [12] .................................................. 15 Figura 13 - Fendas superficiais [15] ............................................................................................ 15 Figura 14 - Fenda profunda [15].................................................................................................. 15 Figura 15 - Comparador de fendas [18] ...................................................................................... 17 Figura 16 - Lupa de fendas [18] .................................................................................................. 17 Figura 17 - Métodos expeditos de monitorização da actividade das fendas [19] ....................... 18 Figura 18 - Fissurómetro [18] ...................................................................................................... 18 Figura 19 - Ensaio de ultra-sons - métodos de disposição dos transdutores (adaptado de [18]) ..................................................................................................................................................... 19 Figura 20 - Técnicas de diagnóstico para a avaliação da fendilhação - parâmetros avaliados (adaptado de [4]) ......................................................................................................................... 19 Figura 21 - Principais razões para a reparação de fendas (adaptado de [15]) .......................... 37 Figura 22 - Selagem de fenda (adaptado de [15]) ...................................................................... 39 Figura 23 - Revestimento superficial de fenda (adaptado de [15]) ............................................. 39 Figura 24 - Resina de espuma de poliuretano após expansão (sem confinamento) [35] .......... 46 Figura 25 - Injecção de resina acrílica em cortina de impermeabilização [15] ........................... 48 Figura 27 - Pistola de injecção manual [15] ................................................................................ 52 Figura 26 - Bomba de injecção manual [15] ............................................................................... 52 Figura 28 - Bomba eléctrica monocomponente comum para injecção de resinas [15] .............. 53 Figura 29 - Bomba eléctrica monocomponente de "pequena dimensão" para injecção de resinas [15] .................................................................................................................................. 53 Figura 30 - Bomba eléctrica monocomponente para injecção de grouts [15] ............................ 53 Figura 32 - "Cabeça" do misturador coloidal [15] ........................................................................ 53 Figura 31 - Misturador coloidal [15] ............................................................................................. 53 ix