انواع خرابیهای بتن
انواع خرابیهای بتن را میتوان به دو گروه شیمیایی و فیزیکی تقسیم نمود. در گروه خرابیهای شیمیایی، خرابیهای ناشی از حمله سولفاتها و کلرورها، کربناتی شدن و واکنش قلیایی سنگ دانهها با اهمیتتر هستند. در گروه خرابیهای فیزیکی مسئله یخ زدن و آب شدن، سایش، فرسایش و خلازایی قابل ذکر است.
به طور کلی تمامی این خرابیها تحت اثر عوامل بیرونی و درونی حادث میشوند. در گروه عوامل بیرونی میتوان از درجه حرارت زیاد محیط و کاهش و افزایش متناوب رطوبت نسبی آن، آب و خاک موجود در اطراف بتنهای ساخته شده که اغلب حاوی املاح مهاجم برای بتن هستند، انتقال یونها توسط جریان هوا، طوفانهای ماسه و حملات بیوشیمیایی نام برد.
در گروه عوامل دورنی میتوان از مصالح تشکیل دهنده بتن یعنی مصالح سنگی نامناسب دارای املاح و غبار زیاد، آب زیاد، آب نامناسب و حاوی املاح برای بتن، سیمانهای غیر استاندارد و نامناسب برای شرایط محیطی مختلف، فولاد نامناسب و همچنین از نگهداری غیر صحیح مصالح یاد شده، طرح اختلاط نادرست، عدم رعایت پوشش کافی روی آرماتور و عمل آوری نامناسب نام برد.
دلایل خرابی سریع ساختمانهای بتنی در مناطق گرمسیر
| عوامل موثر | تاثیر بر بتن | |
|---|---|---|
|
عوامل بیرونی
|
درجه حرارت زیاد و تغییرات متناوب میزان رطوبت | کاهش قابلیت کاربرد بتن هنگام بتن ریزی
ترک ناشی از جمع شدگی در اثر خشک شدن نفوذ سریع یونهای خورنده حاصل از کلرورها و سولفاتها و اسید کربنیک آغاز سریع خوردگی و افزایش سرعت آن |
| آب موجود در اطراف بتن، آب زیرزمینی، آب دریا و آبهای سبک | آغاز خوردگی توسط یون کلر موجود در آبهای زیرزمینی و آب دریا
خرابی سطح به علت رسوب نمکهای منبسط شونده شسته شدن عمقی بتن به وسیله آبهای سبک در نواحی گرم و مرطوب |
|
| حملات بیوشیمیایی ناشی از وجود نرم تنان روی سازههای دریایی | آغاز سریعتر خوردگی توسط یون کلر به علت کاهش پوشش موثر | |
| توفان ماسه | سایش
ترک خوردگی |
|
| عوامل درونی و انتخاب مصالح نامناسب
|
سیمان پرتلند ضد سولفات | مقاومت کم در قبال نفوذ یون کلر |
| شن و ماسه متخلخل | کاهش قابلیت کاربرد یون کلر
نفوذ بیشتر یونهای خورنده افزایش میزان جمع شدگی در اثر خشک شدن و خزش بتن پایداری ظاهری کمتر در اثر خرابی سریع سطح بتن ناشی از رسوب نمکها |
|
| مصالح سنگی غبارآلود (آلوده به خاک رس ، لای و گرد و خاک) | افزایش مقدار آب مورد نیاز که نتیجه آن عبارت است از:
افزایش میزان جمع شدگی در اثر خشک شدن افزایش میزان خزش، کاهش مقاومت و نفوذپذیری زیاد |
|
| خطاهای اجرایی | شن و ماسه حاوی کلراید و سولفات | آغاز خوردگی در اثر یون کلر
خرابس سطوح در اثر رسوب نمکهای منبسط شونده |
| شن و ماسه تیز گوشه با دانه بندی یکنواخت | از دست رفتن شیره بتن
جمع شدگی در اثر خشک شدن (خمیری) نیاز به آب فراوان که نتیجه آن تخلخل بیشتر بتن است. |
|
| مصالح سنگی حساس در برابر قلیاییها | ترک، طبله کردن و در نیتجه کاهش پوشش موثر فولاد | |
| انبار کردن ناصحیح مصالح | چنانچه مصالح سنگی و فولاد قبل از مصرف در معرض سولفاتهای و کلرایدها قرار گیرد پس از جاگذاری آن در بتن علاوه بر خورده شدن فولاد، املاح خود را به سطح بتن رسانده موجب بروز خرابی میشود. | |
| تراکم نامناسب | وجود حفرهها و فضاهای خالی که موجب نفوذ سریعتر عوامل خورنده میشود | |
| عمل آوردن نامناسب | نفوذپذیری زیاد
عمل آوردن با آب حاوی املاح کلراید که خود موجب نفوذ سریع یون کلر میشود. |
|
| مسائل دیگر مانند خرابکاری در ساختن بتن | ||
مسائل خاص مناطق گرمسیر
کنترل دما و میزان تبخیر بتن، از مهمترین عوامل در ساخت بتن مقاوم و پایا در مناطق گرمسیر است.
هوای گرم و درجه حرارت زیاد میتواند مشکلاتی را در بتن تازه و بتن سخت شده ایجاد نماید. افزایش نیاز به آب، کاهش سریع اسلامپ و کارایی بتن، افزایش سرعت گیرش که منجر به مشکلاتی در تهیه، پرداخت و عمل آوری بتن شده و موجب کاهش مقاومت و پایایی آن میشود. افزایش امکان پیدایش ترک خوردگیهای خمیری در اثر تبخیر آب از سطح، بروز اشکال در کنترل مقدار حبابهای هوا و نیاز شدید به عمل آوری سریع از جمله مشکلاتی است که در ارتباط با بتن تازه بروز میکند. سه عامل یعنی دمای زیاد بتن، رطوبت کم و سرعت زیاد باد، شدت مشکلات یاد شده را افزایش میدهند.
تاثیر درجه حرارت بر مقاومت بتن
معمولاً دمای زیاد بتن در مرحله بتن ریزی سرعت کسب مقاومت اولیه را فزونی میبخشد، در صورتی که این امر به طور نسبی و در درازمدت منجر به حصول مقاومت کمتر خواهد شد.
ترکهای جمع شدگی خمیری
در مناطق گرم و خشک، تبخیر سریع آب بتن تازه، در صورتیکه کاملاً محافظت نشده باشد، اغلب ایجاد ترکهای موسوم به ترکهای جمع شدگی خمیری میشود. علاوه بر این، تبخیر سریع سبب توقف فرایند آبگیری سیمان شده و افزایش نفوذپذیری بتن و کاهش مقاومت دراز مدت را نیز در پی خواهد داشت. چنانچه سرعت تبخیر آب که به دما، رطبت محیط، دمای بتن و سرعت باد بستگی دارد از یک کیلوگرم در متر مربع در ساعت تجاوز نماید احتمال بروز ترکهای خمیری وجود دارد. و باید اقدامات موثری برای جلوگیری از وقوع آن به عمل آورد. در مناطق گرم و خشک باید همواره در انتظار سرعت تبخیر بیش از حد مجاز بود.
تاثیر حرارت بر روند تخریب بتن سخت شده
کاهش مقاومت بتن در اثر مصرف آب بیشتر در حرارت زیاد
از آنجا که در حرارت زیاد برای حفظ کارایی آب بیشتری هنگام اختلاط بتن مصرف میشود، نسبت آب به سیمان افزایش یافته و این امر موجب کاهش مقاومت بتن سخت شده میشود.
افزایش نفوذپذیری
در این مورد نیز مصرف آب بیشتر برای حصول کارایی در دمای بالا، نفوذپذیری بتن سخت شده را در اثر تبخیر آب اضافی افزایش داده که این امر ورود املاح مضر را به درون بتن سخت شده، تسهیل نموده و سبب ایجاد خرابیهای گوناگون خواهد شد.
انواع خرابیهای بتن
اصولاً خرابیهای بتن را میتوان به دو نوع فیزیکی و شیمیایی تقسیم نمود. هر دو نوع خرابی ناشی از تاثیر عوامل درونی یا بیرونی بتن هستند.
خرابیهای فیزکی
غیر از خرابیهای ناشی از یخ زدن و آب شدن که مخصوص مناطق با آب و هوای سرد است، پدیدههای سایش و فرسایش و خلازایی نیز میتوانند در بتن خرابی ایجاد کنند.
سایش اغلب در اثر اصطکاک بین اجسام سخت و چرخها روی روسازیهای بتنی و کفهای صنعتی اتفاق میافتد. سیمان سخت شده مقاومت کمی در مقابل سایش، به خصوص زیر اثر بارهای متناوب دارد. بتنهای با تخلخل زیاد و مقاومت کم نیز در مقابل سایش، بسیار ضعیف هستند. رابطه مشخصی بین نسبت آب به سیمان و مقاومت بتن در برابر سایش وجود دارد. انتخاب نسبت آب به سیمان کم دانه بندی مناسب شن و ماسه (حداکثر ۲۵ میلیمتر)، کارایی مناسب و حداقل منافذ در بتن میتوانند مقاومت بتن را نسبت به سایش بالا برده و آثار ناشی از آن را کاهش دهند.
فرسایش بتن اغلب در اثر تماس ذارت معلق و مواد ریز جامد داخل آب با بتن کانالها، سرریزها، لولههای انتقال آب و فاضلاب ایجاد میشود. میزان فرسایش به تخلخل، مقاومت فشاری بتن، اندازه، شکل، چگالی، سختی و بالاخره سرعت مواد جامد در کانال بستگی دارد. به عنوان مثال وجود لای در کانالهای بتنی آبیاری در سرعتهای تا ۱/۸ متر بر ثانیه فرسایش قابل ملاحظهای ایجاد نمیکند. در مواردی که سایش و فرسایش شدید مطرح باشد توصیه میشود علاوه بر استفاده از سنگدانههای سخت، بتن به کار رفته دارای مقاومت فشاری ۲۸ روزهای حداقل معادل ۴۲ مگاپاسکال بوده و حداقل ۷ روز تحت عمل آوری مرطوب قرار گیرد. به منظور مقاوم نمودن سطوح بتمی در مقابل سایش و فرسایش بهتر است پرداخت بتن بعد از آب انداختن و تبخیر ان صورت گیرد.
خلازایی سطح بتن
در اثر خلازایی سطح بتن دچار خوردگیهای موضعی و کندگی نامنظم میشود. که از خرابی ناشی از فرسایش که صاف است کاملاً متمایز است. بر خلاف خرابی ناشی از سایش و فرسایش، حتی بتنهای قوی و با مقاومت زیاد نمیتوانند در مقابل خرابی ناشی از پدیده خلازایی مقاومت نمایند. بهترین راه حل حذف عوامل ایجاد کننده خلا زایی یعنی جلوگیری از ایجاد سطوح ناصاف یا تغییرات شدید در مسیر آب است. استفاده از بتن با مقاومت فشاری زیاد و به کار بردن ستگدانههایی با قطر حداکثر ۲۰ میلیمتر تا حدی به مقاومت بتن در مقابل خلازایی کمک مینماید. استفاده از پلیمرهای مختلف یا بتن الیافی نیز تا حدودی مقاومت بتن را در مقابل پدیده خلازایی بالا خواهد برد. پوششهای نئوپرن و پلی یورتین که محکم به بتن چسبیده نیز میتوانند موجب افزایش مقاومت پدیده خلازایی شوند.
نفوذ نمکها در بتن
این پدیده در اثر نفوذ و ته نشین شدن نمکها در خلل و فرج و ترکهای سطح بتن توسط رطوبت، آبهای زیرزمینی یا باد ایجاد میشود. نمکها در داخل بتن به علت تشکیل بلور و افزایش حجم، فشار زیادی را ایجاد نموده و موجب خرابی سطح بتن میشوند. در اثر این پدیده غیر از خرابی سطح بتن خوردگی میلگرد و زنگ زدگی داخل بتن نیز ایجاد میشود.
خرابیهای شیمیایی
خرابیهای شیمیایی عموماً بر اثر واکنش اجزای متشکله بتن با عوامل بیرونی یا بین خود آنها پدیدار میشود. به طور کلی برای بروز خرابیهای مزبور، سه عامل رطوبت، اکسیژن و حرارت لازم است. البته حضور دو عامل اصلی رطوبت و اکسیژن برای انجام واکنشها ضروری بوده و حرارت موجب تسریع واکنشهای شیمیایی میشود. خرابیهای عمده شیمیایی بتن شامل موارد زیر است.
- کربناتی شدن
- خوردگی کلروری
- حمله سولفاتی
- واکنش قلیایی و کربناتی سینگدانهها
کربناتی شدن
بر اثر نفوذ گاز دی اکسید کربن به جسم بتن و ترکیب آن با هیدروکسید کلسیم فعل و انفعال شیمیایی زیر صورت میگیرد و که حاصل آن کربنات کلسیم است. در اثر این فعل و انفعال بتن کربناتی شده و PH آن کمتر از ۹ میرسد.
Ca(OH)2+ CO2→CaCO3 + H2O
در صورتیکه بتن روی آرماتورها تماماً کربناتی شده و کربنات به سطح میلگردها برسد، لایه محافظ روی میلگرد از بین رفته و زنگ زدگی میلگرد در مجاورت رطوبت و اکسیژن آغاز خواهد شد.
برای جلوگیری از پدیده کربناتی شدن بتن، همانند سایر خرابیهای شیمیایی لازم است. بتن دارای نفوذپذیری کم باشد، که این امر با سخت بتن با نسبت آب به سیمان کم، تراکم خوب آن و عمل آوردن مناسب امکانپذیر است. از عوامل مهم دیگر، ضخامت پوشش روی میلگردها است. از آنجا که هر یک میلیمتر افزایش ضخامت پوشش، ممکن است سالها صدمات ناشی از کربناتی شدن را به تاخیر اندازد، تامین پوشش کافی امری ضروری است.
خوردگی کلروری
مکانیزم نفوذ کلر و عملکرد آن
خوردگی فولاد در ساختمانهای بتنی، پلها و سازههای بتنی مجاور و نزدیک سواحل دریا به عنوان مهمترین مسائل سازههای بتن آرمه در سالهای اخیر شناخته شده است. مهمترین عامل زنگ زدگی و خوردگی آرماتور وجود یا نفوذ یون کلراید به داخل بتن است. بتن از نظر شیمیایی محیطی قلیایی با PH تا ۱۲/۵ است. در این وضعیت فولاد حالت رویین داشته و یک غشا محافظ اکسید آهن در اطراف آن شکل میگیرد. این عمل باعث حفاظت فولاد در مقابل خوردگی میشود.
غیر از دی اکسید کربن، در ایجاد پدیده کربناتی شدن یون کلرید نیز عامل دیگری است که باعث از بین رفتن لایه محافظ فولاد میشود و دفاع میلگردها را در مقابل عوامل مخرب از بین میبرد. این خوردگی دارای خصلت الکتورشیمیایی است. بدین صورت که نقطهای از فولاد که پوشش خود را از دست داده به قطب مثبت (آند) تبدیل و بقیه قسمتها به صورت قطب منفی (کاتد) باقی میمانند. اختلاف پتانسیل موجود در مخلوط بتن که عامل آن احتلاف تمرکز یونها در نقاط مختلف بتن است، با توجه به محیط قلیایی آن به عنوان الکترولیت، جریان الکتریسیته را بین این دو قطب ایجاد و رابطه الکتروشیمیایی بین دو قطب برقرار میشود.
عوامل موثر در خوردگی بتن
به طور کلی عوامل زیر در شدت بخشیدن به خوردگی فوق موثرند.
- استفاده از تسریع کنندههای گیرش حاوی کلر مانند کلراید سدیم یا کلراید کلسیم در بتن که غلظت یون کلرید اطراف آرماتور را افزایش میدهند.
- نفوذپذیری زیاد بتن در مقابل آب و یون کلراید
- پایین بودن درجه قلیایی بتن به علت مصرف سیمان با ترکیبات قلیایی کم و یا ایجاد پدیده کربناتی شدن
- پوشش نلزک بتن روی میلگرد
- وجود ترک در بتن به علل حرارتی
- تقلیل میزان تری کلسیم آلومینات در سیمان که سبب نفوذپذیری بیشتر خمیر سیمان میشود.
در خصوص عوامل یاد شده نفوذپذیری بتن از همه مهمتر موثرتر است. برای مثال چنانچه بتن متخلخل غیر متجانس یا ترکدار باشد در این حال نوع سیمان مصرفی تاثیر بسزایی در جلوگیری از نفوذ یون کلرید به داخل بتن نداشته و نیز پوشش زیاد روی میلگرد در صورت نفوذپذیری زیاد بتن به تنهایی تاثیری قابل توجه در جلوگیری از خورگی نخواهد داشت.
به طور کلی عامل مهم در ارتباط با خوردگی و حفاظت میلگرد (کیفیت پوشش بتن روی آرماتور) است و این کیفیت بستگی مستقیم به نفوذپذیری و ضخامت پوشش دارد. البته تر و خشک شدن متناوب سطح بتن در تمرکز یون کلرید اثر زیادی دارد بدین ترتیب که بر اثر پدیده مکش مویینگی مقدار زیادی آب حاوی یون کلرید به داخل بتن وارد و بر اثر خشک شدن و تبخیر آن، تمرکز یون کلرید به شدت افزایش مییابد.
یکی دیگر از عوامل موثر در نفوذپذیری بتن، مقدار سیمان است. با افزایش میزان سیمان ظرفیت جذب یون کلرید و دی اکسید کربن افزایش مییابد. با این وجود برای مقادیر متعارف سیمان در بتن، درجه نفوذ یون کلرید یا دی اکسید کربن، به نسبت آب به سیمان کیفیت تراکم و عمل آوری بتن بیشتر از میزان سیمان بستگی دارد.
درصد بحرانی یون کلر
درصد بحرانی یون کلر که نشاندهنده آستانه خوردگی میلگرد در بتن است به عوامل متعددی بستگی دارد. بنابراین نمیتوان مقدار مشخص را برای درصد بحرانی یون کلر تعیین کرد. اگر بتن کربناتی نشده باشد، ۰/۴ درصد وزن سیمان برای درصد بحرانی یون کلر، فرض مناسبی است. حداکثر مجاز یون کلرید در بتن در آیین نامه بتن ایران بر حسب نوع قطعه بتنی مشخص شده است.
حمله سولفاتها
خرابی سولفاتی بر اثر ترکیب یون سولفات و تری کلسیم آلومینات در بتنهای ساخته شده با سمیان پرتلند به وجود میآید. و مکانیزم آن بدین ترتیب است که بر اثر واکنش مذکور (سولفو آلومینات کلسیم آبدار) حاصل میشود که از نمکهای مضاعف اسید آلومینک است. این نمک مضاعف حجیم حاوی مقدار زیادی آب است که سبب انبساط و در نتیجه ترک خوردگی بتن و انهدام آن میشود.
شدت اثر سولفان بستگی به غلظت محلول آن دارد. تر و خشک شدن سطح بتن این اثر را شدت میبخشد. بتنهایی که در معرض حمله سولفاتها قرار میگیرد، معمولاً با سطحی سفید رنگ مشخص میشوند. در این موارد خرابی بتن معمولاً از لبهها و گوشهها شروع شده و با پیشرفت خرابی ترک و پکیدن حادث میشود.
واکنش قلیایی و کربناتی سنگدانهها
یعضی سنگها و مواد معدنی مانند برخی سنگ آهکهای دولومیتی با قلیاییهای سیمان از خود واکنش نشان میدهند. این واکنشها با انبساط همراه هستند و موجب ترک خوردگی سطح بتن میشوند. غیر از دو عامل مهم واکنش قلیایی سنگدانهها و زیاد بودن قلیاییت سیمان، رطوبت بتن و دمای محیط (بین ۱۰ تا ۳۰ درجه سلسیوس) نیز به ترتیب برای وقوع و شدت بخشیدن به این واکنشها ضروری است.
تر و خشک شدن متناوب نیز سرعت و شدت فعل و انفعالات را افزایش میدهد. پدیده مذکور باعث خرابیهای وسیع سازههای بتنی به ویژه پلها شده است.
سنگدانههایی که از سنگهای کربناتی فعال تشکیل شده باشند، با قلیاییهای سیمان ترکیب میشوند. گر چه این واکنش منحصر به مناطق گرمسیر نیست ولی در این مناطق آثار تخریبی انبساط به علت درجه حرارت زیاد محیط سریعتر و مشخص تر ظاهر میشود.