خوردگی بتن آرمه
خوردگی بتن آرمه در نتیجه اکسیژن، رطوبت، یون‌های خورنده و شرایط محیطی پیچیده بتن است که باعث شکسته شدن فیلم اکسیدی در سطح فولاد می‌شود. بتن مسلح شده با آرماتورهای فولادی، جزء پرمصرف‌ترین مصالح کاربردی در صنایع بزرگ از قبیل عمران و شهرسازی، راه‌سازی، اسکله‌ها و بنادر، تیرهای انتقال برق هستند. در متالوژی، بتن مسلح به عنوان یک ماده کامپوزیت مطرح است. زمینه و ماتریس این کامپوزیت بتن بوده و نقش فایبر یا مسلح کننده را آرماتورهای فولادی به عهده دارند.
فولاد در برابر مشکلات ناشی از خوردگی خسارت پذیر بوده و تمامی سازه‌های فولادی مدفون در خاک، غوطه ور در آب، سازه‌های فولادی در تماس با محیط‌های خورنده ازاین معضل رنج برده‌اند. آرماتورهای فولادی بکار رفته در بتن مسلح نیز از این امر مستثنی نبوده و همواره با این مشکل گریبان گیر بوده‌اند. جهت کاهش خسارات ناشی از مسائل خوردگی در تخریب بتن، لازم است تا عوامل خورنده تحت کنترل درآیند. روش‌های مختلف جلوگیری از خوردگی و نفوذ یون‌های مزاحم و خورنده، جزء این عوامل هستند که بکارگیری هر یک از آنها، صنعت را در مقابله با مشکل خوردگی بتن یاری خواهد کرد. در اجراي يك قطعه بتنی می‌توان به نحوی عمل نمود كه از خوردگی زودرس ميلگردها جلوگيری كرد و به عبارتی شروع خوردگی را به تأخير انداخت و شدت (آهنگ) خوردگی را كند نمود. هم چنين با انجام برخی اقدامات ممكن است باعث تسريع در خوردگی و كاهش زمان شروع فعاليت خوردگی شد.
بتن آرمه (Reinforced concrete structures)
بتن آرمه یک ماده کامپوزیت است که در آن استحکام کششی و انعطاف پذیری پایین بتن از طریق گنجاندن آرمه (تقویت کننده‌ها) خنثی است. آرمه، میله‌های فولادی تقویت کننده (میلگرد) هستند. طرح‌های کلی آرمه، به طور کلی به منظور مقاومت در برابر تنش‌های کششی در مناطق خاصی از بتن که ممکن است موجب شکست غیر قابل قبول در بتن یا شکست ساختاری شود، طراحی شده است. بتن مسلح مدرن می‌تواند شامل مواد تقویت‌کننده مختلفی از جنس فولاد، پلیمرها و مواد کامپوزیت متناوب برای ایجاد پیوستگی باشد. همچنین بتن آرمه به منظور بهبود رفتار ساختار نهایی تحت فشار کار است. یکی از عوامل اصلی تخریب سازه‌های بتن آرمه، خوردگی آرماتورهای مسلح کننده آن است.
ویژگی بتن آرمه برای یک ساخت و ساز قوی، انعطاف پذیر و با دوام
- قدرت نسبی بالا
- تحمل بالای فشار کششی
- پیوستگی خوب با بتن، صرف نظر از pH، رطوبت و عوامل مشابه
- سازگاری حرارتی، عدم ایجاد تنش غیر قابل قبول در پاسخ به تغییر درجه حرارت
- دوام در محیط بتن، صرف نظر از خوردگی یا تنش ثابت
دلیل خوردگی بتن آرمه
خوردگی باعث کاهش سطح مقطع مفید میلگرد شده، ناپیوستگیهای مقطعی در میلگرد ایجاد کرده و در نتیجه مقاومت کششی و مقاومت فشاری میلگرد و چسبندگی میلگرد به بتن را کاهش می‌دهد. در اثر خوردگی میلگرد، اضافه حجمی تا چند برابر حجم اولیه فولاد ایجاد می‌شود. تنش‌های ناشی از نیروهای مولکولی حاصل از این اضافه حجم منجر به ترک خوردگی بتن، افزایش نرخ نفوذ عوامل خورنده، تسریع خوردگی و نهایتاً تخریب کامل سازه بتنی می‌شود. زمان شروع خوردگی، شدت خوردگی و سن تخريب بتن ناشی از خوردگی ميلگردها بستگی به عوامل مختلفی از قبیل:
- نفوذ پذيری بتن در برابر يون كلر (به ويژه بتن سطحی در منطقه پوشش روی ميلگردها)
- ضخامت بتن روی ميلگردها
- وجود درزها و ترك‌ها در پوشش بتن روی ميلگردها
- نوع ميلگردها و شرايط سطحی آن
- پوشش سطحی روی بتن
- پوشش حفاظتی روی ميلگردها
- شرايط محيطی (دما، اكسيژن، رطوبت، ميزان يون كلر، وزش باد، تری و خشكی مكرر)
- وجود يون كلر در بتن اوليه و مصالح مصرفی
خوردگی بتن آرمه در برابر يون كلر
یون‌های کلراید (Clˉ) معمولاً در محیط‌های دریایی و همچنین در املاح نمک بکار رفته در یخ زدائی جادهها، پلها و … موجود است. طبق تئوری غشا اکسید، یون‌های کلراید آسانتر از یون‌های دیگر در لایه اکسید محافظ نفوذ کرده و باعث آسیب پذیری فولاد در مقابل خوردگی بتن آرمه می‌شوند. گرچه کلرایدها مستقیماً عامل آغاز خوردگی هستند، ولی به نظر میرسد که تنها نقش غیر مستقیمی در نرخ خوردگی بتن آرمه پس از آغاز آن دارند. عوامل اصلی کنترل نرخ خوردگی خوردگی بتن آرمه، حضور اکسیژن، مقاومت الکتریکی و رطوبت نسبی بتن، PH و دما است. وجود كلريد آزاد در بتن می‌تواند به لايه‌ی حفاظتی غير فعالی كه در اطراف آرماتورها قرار دارد آسيب وارد نموده و آن را از بين ببرد.
خوردگی كلريدی وقتی حاصل می‌شود كه مقدار كلريد موجو در بتن بيش از ۰/۶ كليوگرم در هر متر مكعب بتن است. ولی اين مقدار به كيفيت بتن نيز بستگی دارد. خوردگی آبله رویی حاصل از كلريد موضعی و عميق است كه اين عمل در صورت وجود يك سطح بسيار كوچك آندی و يك سطح بسيار وسيع كاتدی به وقوع می‌پيوندد كه خوردگی آن نيز با شدت بسيار صورت می‌گيرد.
عوامل موثر بر خوردگی بتن آرمه در برابر يون كلر
نفوذ پذيری بتن به واسطه حفرات و لوله‌های موئينه و ريز موجود در خمير سيمان آن است. هر چند نفوذ از طريق سنگدانه‌ها نيز امكان پذير است اما عمدتاً نفوذ از طريق خمير سيمان و وجه مشترك خمير سيمان و سنگدانه (ناحيه انتقالی) صورت می‌پذيرد. نفوذ پذيری يون كلر و يون‌های مختلف ديگر كمي متفاوت است و به تحرك يونی وابسته است و صرفاً به تخلخل و حفرات موجود (مقـدار و اندازه آنها) وابستگی ندارد.
نفوذ قلیا‌ها
خاصیت قلیایی بتن می‌تواند به دلیل واکنش بتن با گازهای اسیدی مانند دی اکسیدکربن (CO₂) از بین برود. هنگامی که دی اکسیدکربن هوا به داخل بتن نفوذ کرده و با هیدروکسیدها (مانند هیدروکسید کلسیم) واکنش دهد، کربناتها (مانند کربنات کلسیم) شکل می‌‌گیرد. این واکنش سبب کاهش PH تا ٨/٥ می‌شود که در این شرایط، لایه اکسید آهن منفعل پایدار نمیماند. کربناتاسیون بتن همچنین سبب کاهش مقدار یون‌های کلراید لازم جهت خوردگی بتن آرمه می‌شود.
بتن تازه دارای محیطی مرطوب و قلیایی با PH بین ١٢ تا ١٣ است. این محیط قلیایی باعث ایجاد یک لایه اکسید آهن محافظ (لایه منفعل) پیرامون میلگرد شده که مانع از پیشرفت خوردگی بتن آرمه است. زمانی که لایه اکسید آهن پا برجا است، میلگرد به لحاظ شیمیایی تقریباً غیرفعال میماند.
نفوذ نمك‌ها (INGRESS OF SALTS)
نمك‌های ته نشين شده حاصل تبخير و جريان آب‌های دارای املاح است. نمك‌هایی كه توسط باد در خلل و فرج و ترك‌ها جمع می‌شوند. هنگام كريستاليزه شدن می‌توانند فشار مخربی به سازه‌ها وارد كنند كه اين عمل علاوه بر تشديد زنگ زدگی باعث خوردگی بتن آرمه می‌شود. تر و خشك شدن متناوب نيز می‌تواند تمركز نمك‌ها را شدت بخشد زيرا آب املاح‌دار، پس از تبخير، املاح خود را به جا می‌گذارد.
حملات سولفاتی (SULPHATE ATTACK)
حمله سولفات‌ها به بتن عبارت است از حرکت یون‌های سولفات SO3 (سولفات‌های سديم و منيزيم) به داخل بتن و ترکیب آنها با آلومینات‌ها و در نتیجه تورم و ترکیدگی بتن در جایی که واکنش‌های شیمیایی مضر اتفاق می‌افتد. در اثر حمله سولفات‌ها به بتن، خرابی بتن به بار می‌آید. همچنین می‌تواند در اثر سفیدک زدن (Leaching) مداوم، سولفات کلسیم و گچ بوجود آید.
اثرات حمله سولفات‌ها به بتن آرمه
- حمله سولفات‌ها به بتن مکانیزم فیزیکی داشته که در اثر از دست دادن رطوبت در منافذ موئینه، نمک‌ها غلیظ و کریستاله شوند، که همانند مکانیزم عمل انجماد و ذوب شدن مکانیزم فیزیکی حمله سولفات‌ها به بتن سبب ترک خوردگی می‌شود.
- در اثر حمله سولفات‌ها به بتن واکنش شیمیایی سولفات‌ها با هیدرواکسید کلسیم آزاد CaOH2، محصول هیدراتاسیون ترکیب شده ساختار منافذ بتن را تخریب می‌نماید.
- در اثر حمله سولفات‌ها به بتن، واکنش یـون سولفـات با فـاز C3A سیمان تولیـد اترینگایت حجیم می‌نماید و سبب ترک خوردگی می‌شود.
عوارض حمله سولفات‌ها به بتن آرمه
بتنی که توسط سولفات‌ها مورد حمله قرار گرفته، دارای ظاهری سفیدرنگ است . معمولا” خرابی در اثر حمله سولفات‌ها به بتن از لبه‌ها و گوشه‌ها شروع شده و با ترک خوردن و تجزیه بتن ادامه می‌یابد. دلیل بروز این علائم آن است که حمله سولفات‌ها باعث تشکیل سولفات کلسیم (گچ) و سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت) می‌شود. هر دوی این محصولات نسبت به ترکیباتی که جایگزین آنها شده اند، دارای حجم بیشتری بوده و باعث انبساط و ریختن بتن سخت شده می‌شوند.
دلیل این واکنش‌ها در اثر حمله سولفات‌ها به بتن وجود عنصر C3A (سه کلسیم آلومینات) در ترکیب اصلی سیمان مصرفی در بتن است. در پروسه تولید سیمان مقداری گچ به کلینکر سیمان اضافه می‌شود تا از گیرش آنی که در نتیجه هیدراتاسیون C3A ایجاد است، جلوگیری شود. گچ به سرعت با C3A واکنش انجام داده و اترینگایت (سولفو آلومینات کلسیم) بی‌ضرری را ایجاد می‌کند. زیرا در این مرحله بتن تولیدی هنوز در حالت نیمه خمیری است و می‌تواند افزایش حجم را در خود جای دهد.
نوعی از محلول‌های سولفاتی، آب‌های زیرزمینی داخل بعضی رس‌ها هستند که حاوی سولفات‌های سدیم ، کلسیم و منیزیم هستند. این سولفات‌ها با Ca(OH)2 و C3A هیدراته شده، و در اثر حمله سولفات‌ها به بتن واکنش انجام داده و به ترتیب گچ و اترینگایت تشکیل می‌دهند.
سولفات منیزیم دارای تاثیر مخرب بیشتری نسبت به سولفات‌های دیگر است زیرا به تجزیه شدن سیلیکات‌های کلسیم (C2S و C3S) هیدراته شده و همچنین Ca(OH)2 و C3A هیدراته شده منتهی می‌شود. سپس در اثر حمله سولفات‌ها به بتن سیلیکات منیزیم هیدراته شده که دارای هیچ خاصیت چسبندگی نیست، تشکیل می شود.
مقدار تاثیر حمله سولفات‌ها به بتن به غلظت آنها و نفوذپذیری بتن بستگی دارد. اگر بتن خیلی نفوذپذیر باشد، آب به راحتی در داخل آن نفوذ کرده و Ca(OH)2 شسته خواهد شد. تبخیر در سطح بتن رسوبات کربنات کلسیم را که از واکنش Ca(OH)2 با دی اکسید کربن تشکیل شده ، باقی می‌گذارد. این رسوب در اثر حمله سولفات‌ها به بتن با ظاهری سفید رنگ به نام سفیدک شناخته می شود. معمولا” سفیدک بی ضرر است. هر چند شستشوی زیاد Ca(OH)2 تخلخل را افزایش خواهد داد، طوری که بتن به طور مستمر ضعیف‌تر و در مقابل حملات شیمیایی سولفات‌ها به بتن مستعدتر می‌شود. تبلور نمک‌های دیگر هم باعث سفیدک می‌شود.
جلوگیری از اثرات مخرب حمله سولفات‌ها به بتن آرمه
از آنجا که C3A توسط سولفات‌ها مورد حمله قرار می‌‌گیرد، با مصرف سیمان‌هایی با C3A کم نظیر سیمان‌های ضد سولفات (نوع V)، می‌توان آسیب پذیری بتن در مقابل حمله سولفات‌ها به بتن را کاهش داد. همچنین می‌توان با استفاده از سیمان پرتلند روباره آهنگدازی ( نوع IS ) و سیمان پرتلند پوزولانی ( نوع IP ) مقاومت بتن را در برابر حمله سولفات‌ها به بتن افزایش داد. مکانیزم دقیقی که توسط آن این سیمان‌ها باعث تاثیر مثبت می‌شوند، نا مشخص است. هر چند باید تاکید نمود که نوع سیمان در مقاومت بتن در برابر حمله سولفات‌ها به بتن در مرتبه دوم اهمیت و یا حتی بی اهمیت می باشد ، مگر اینکه بتن خود متراکم شونده و دارای نفوذپذیری پایین، یعنی دارای نسبت آب به سیمان پایین است. نسبت آب به سیمان عامل اساسی است، اما مصرف سیمان زیاد هم متراکم نمودن بتن در نسبت‌های آب به سیمان پایین را ساده می‌کند.
پوسته پوسته شدن بتن به علت خوردگی میلگرد
پوسته پوسته شدن در مجاورت نمک، يک خرابی سطحی است که در اثر يخ زدن يک محلول حاوی نمک روی سطوح سيمانی ايجاد می‌شود. اين خرابی پيش‌رونده بوده و شامل جدا شدن پولک‌ها و ذرات کوچک از سطح بتن است. حباب هوای وارد شده در بتن باعث کاهش آب انداختگی و در نتيجه افزايش مقاومت سطح می‌شود. بنابراين حباب هوا در بتن، مقاومت بتن در برابر پوسته پوسته شدن در مجاورت نمک را بهبود می‌بخشد.
روش‌های مقابله با خوردگی بتن آرمه
- پوشش‌های پایه سیمانی یا رزینی برای محافظت بیشتر آرماتور و کم کردن نفوذپذیری سطحی روی بتن، به کار گرفته شده است. عملکرد دوام این پوشش به شرایط محیطی وابسته بوده و در بعضی محیط‌ها عمر کوتاهی داشته و نیاز به تجدید پوشش بوده است. ولی روی هم رفته پوشش‌های با پایه سیمانی هم ارزان‌تر بوده و هم به علت سازگاری با بتن پایه، پیوستگی و دوام بهتری در محیط‌های خورنده و گرم نشان می‌دهند.
- حفاظت کاتدیک در بتن که با استفاده از جریان معکوس با آند قربانی شونده می‌توان محافظت خوبی برای آرماتورها ایجاد نمود. این روش نیاز به مراقبت دائم دارد و نسبتا پرخرج ولی روش مطمئنی است.
- استفاده از آرماتورهای ضدزنگ و آرماتورهای با الیاف پلاستیکی FRP یکی از این روش‌هایی است که به علت گرانی کاملا توسعه نیافته است.
- با پیشرفت روزافزون تکنولوژی به ویژه در تولید بتن‌های خاص برای مناطق و شرایط خاص می‌توان از این بتن ها در ساخت و سازهای آینده استفاده نمود. دانش استفاده صحیح از مصالح، اجرای مناسب و عمل آوری کافی می‌تواند به دوام بتن‌ها در مناطق خاص بی‌افزاید. تحقیقات گسترده و دامنه داری برای بررسی دوام بتن‌های خاص در شرایط ویژه و در دراز مدت بایستی برنامه ریزی و به صورت جهانی به اجرا گذاشته شود.
بررسی خوردگی بتن آرمه در سواحل دريا
سازه‌های ساحلی (Coastal Structures) در مناطق گرم و خورنده از سازه‌های بتن آرمه هستند و استفاد از آنها روز به روز در حال افزايش است. عمر مفيد سازه‌های بتن آرمه اهميت زيادی دارد، كه پس از گذشت مدت زمان اندكی از بهره برداری، خوردگی هزينه‌های هنگفتی به سازه وارد می‌نمايد. حتی در برخی موارد ساخت مجدد سازه از ترميم آن اقتصادیتر است. اين قضيه در مورد سازه‌های ساحلی مناطق گرم و خورنده مانند منطقه عسلويه بحرانی‌تر است و عمر مفيد سازه‌های اين منطقه مهر تاييدی بر اين امر است. با اين حال بهترين كار انجام تحقيقات لازم برای شناخت عوامل خوردگی بتن آرمه و پيشنهاد راهكارهای علمی اجرایی در كاهش آن است، كه بتوان با استفاده از اين روش‌ها هزينه‌های بعدی كه جهت ترميم به وجود می‌آيد را كاهش داد.
ترميم و تعمير بناهای بتنی سازه‌های دریایی
در سازه‌های دریایی كه قسمتی از اسكلت و ستون‌های آنها در ارتفاع جذر و مد آب قرار دارد ترك‌های ريز و در اثر گذشت زمان ترك‌های عميق پديد می‌آيد. ترك‌ها از املاح آب دريا بوجود می‌آيند و فولاد را در بتن دچار خوردگی می‌كنند. در اين حالت اسكلت بتنی صدمه می‌بيند و به علت سرايت ضايعات به نواحی ديگر سازه، خرابی به سطوح بالا نيز كشيده می‌شود. وجود نمك‌ها و املاح مختلف در آب دريا سبب انباشته شدن عناصر مذكور بر سطوح بتن می‌شود كه پس از معيوب ساختن بعضی از نواحی مشخص بر عمق قطعات بتنی نيز اثر می‌گذارد و باعث ترك‌های عميق می‌شود. ذرات آب به صورت پودر به علت وزش باد بر بناهای بتنی كه پيش از يك كيلومتر از دريا فاصله دارند نيز اثر می‌گذارد. اين نفوذ به مرور زمان حفره‌های ريزی در بتن به وجود می‌آورد در شرايط حاد اين حفره به حدی می‌شود كه شايد گنجشك در آن پناه گيرد و به اين دليل به نام حفره‌های گنجشكی مرسوم شده است.
آسيب ديدگی بناهای بتنی سازه‌های دریایی
آب دريا بر سطوح قطعات اثر و پس از تبخير آب نمك در حفره‌های ريز و درشت اثر می‌گذارد و سبب پيدايش بلورهای نمك ميیشود. اين بلورها در اثر گرما و حرارت در روز و اختلاف درجه محيط به واسطه سايه و در شب تنش‌هایی را بوجود می‌آورد كه بتن را ترك می‌دهد.
نمك‌ها نفوذ كلريد‌ها و سولفات‌ها را به داخل قطعات بتنی شدت می‌دهند. در مجموع گاز كربنيك كه در واقع يك اسيد انيدريدی است با آهك آزاد در بتن تركيب می شود اين حالت باعث كاهش قليایی آهك می‌شود اين فعل و انفعالات كربونيزاسيون نام دارد. پيشرفت كربونيزاسيون در بتن به كيفيت آن بستگی دارد كه در مراحل اول سريع، اما بعد كند است يعني بعد از ۴ سال حدود ۲۰ ميلی‌متر و پس از گذشت ۵ سال حدود ۱۰ ميلی‌متر و بعد از ۲۵ سال تا ۲۵ ميلی‌متر در عمق بتن پيشروی می‌كند و در نتيجه در سطوح و حجم بتن ترك‌هایی بوجود می آورد. علت ديگر ترك‌های عميق در بتن وجود اكسيژن در كلريد‌ها و همچنين آب در اطراف ميلگردها است كه پس از نفوذ بر فولاد زنگ آهن را به وجود می‌آورد كه بسيار خطرناك است زنگ حاصله تا قطر تقريبی ۱۰ برابر ميلگرد اطراف خود را پر می‌كند و باعث پيدايش تنش‌های درونی بتن و در نتيجه ترك‌های سريع طولی در مسير ميلگردها می‌شود كه اين امر خطر نا‌پايداری ستون و اسكلت‌های بتنی را در پی خواهد داشت.
