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 اجرای یک قطعه بتنی می‌توان به نحوی عمل نمود که از خوردگی زودرس میلگردها جلوگیری کرد و به عبارتی شروع خوردگی را به تأخیر انداخت و شدت (آهنگ) خوردگی را کند نمود. هم چنین با انجام برخی اقدامات ممکن است باعث تسریع در خوردگی و کاهش زمان شروع فعالیت 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 تخریب بتن ناشی از خوردگی میلگردها بستگی به عوامل مختلفی از قبیل:

• نفوذ پذیری بتن در برابر یون کلر (به ویژه‌ بتن سطحی در منطقه پوشش روی میلگردها)
• ضخامت بتن روی میلگردها
• وجود درزها و ترک‌ها در پوشش بتن روی میلگردها
• نوع میلگردها و شرایط سطحی آن
• پوشش سطحی روی بتن
• پوشش حفاظتی روی میلگردها
• شرایط محیطی (دما، اکسیژن، رطوبت، میزان یون کلر، وزش باد، تری و خشکی مکرر)
• وجود یون کلر در بتن اولیه و مصالح مصرفی

خوردگی بتن‌ آرمه در برابر یون کلر

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 کلرید آزاد در بتن می‌تواند به لایه‌ی حفاظتی غیر فعالی که در اطراف آرماتورها قرار دارد آسیب وارد نموده و آن را از بین ببرد. ‌

خوردگی کلریدی وقتی حاصل می‌شود که مقدار کلرید موجو در بتن بیش از ۰/۶ کلیوگرم در هر متر مکعب بتن است. ولی این مقدار به کیفیت بتن نیز بستگی دارد. خوردگی آبله رویی حاصل از کلرید ‌موضعی و عمیق است که این عمل در صورت وجود یک سطح بسیار کوچک آندی و یک سطح بسیار وسیع کاتدی به وقوع می‌پیوندد که خوردگی آن نیز با شدت بسیار صورت می‌گیرد.

عوامل موثر بر خوردگی بتن‌ آرمه در برابر یون کلر

نفوذ پذیری بتن به واسطه حفرات و لوله‌های موئینه و ریز موجود در خمیر سیمان آن است. هر چند نفوذ از طریق سنگدانه‌ها نیز امکان پذیر است اما عمدتاً  نفوذ از طریق خمیر سیمان و وجه مشترک خمیر سیمان و سنگدانه (ناحیه انتقالی) صورت می‌پذیرد. نفوذ پذیری یون کلر و یون‌های مختلف دیگر کمی متفاوت است و به تحرک یونی 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 ۸/۵ 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 ۱۲ تا ۱۳ 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 نمک‌ها (INGRESS OF SALTS)

نمک‌های ته نشین شده حاصل تبخیر و جریان آب‌های دارای املاح است. نمک‌هایی که توسط باد در خلل و فرج و ترک‌ها جمع می‌شوند‌. هنگام کریستالیزه شدن می‌توانند فشار مخربی به سازه‌ها وارد کنند که این عمل علاوه بر تشدید زنگ زدگی باعث خوردگی بتن‌ آرمه می‌شود. ‌تر و خشک شدن متناوب نیز می‌تواند تمرکز نمک‌ها را شدت بخشد زیرا آب املاح‌دار، پس از تبخیر، املاح خود را به جا می‌گذارد.

حملات سولفاتی (SULPHATE‌ ATTACK)

حمله سولفات‌ها به بتن عبارت است از حرکت یون‌های سولفات SO₃  (سولفات‌های سدیم و منیزیم) 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

1. ‌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.
2. ‌در اثر حمله سولفات‌ها به بتن واکنش شیمیایی سولفات‌ها با هیدرواکسید کلسیم آزاد Ca‌OH₂‌، محصول هیدراتاسیون ترکیب شده ساختار منافذ بتن را تخریب می‌نماید.
3. ‌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، یک خرابی سطحی است که در اثر یخ زدن یک محلول حاوی نمک روی سطوح سیمانی ایجاد می‌شود. این خرابی پیش‌رونده 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 نتیجه افزایش مقاومت سطح می‌شود. بنابراین حباب هوا در بتن، مقاومت بتن در برابر پوسته پوسته شدن در مجاورت نمک را بهبود می‌بخشد.

روش‌های مقابله با خوردگی بتن‌ آرمه

1. 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.
2. 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.
3. استفاده از آرماتورهای ضدزنگ و آرماتورهای با الیاف پلاستیکی FRP یکی از این روش‌هایی است که به علت گرانی کاملا توسعه نیافته است.
4. 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 دریا  

سازه‌های ساحلی (Coastal Structures‌) در مناطق گرم و خورنده از سازه‌های بتن آرمه هستند ‌و استفاد از آنها روز به روز در حال افزایش است. عمر مفید سازه‌های بتن آرمه اهمیت زیادی دارد، که پس از گذشت مدت زمان اندکی از بهره برداری، خوردگی هزینه‌های هنگفتی به سازه وارد می‌نماید. حتی در برخی موارد ساخت مجدد سازه از ترمیم آن اقتصادیتر است. این قضیه در مورد سازه‌های ساحلی مناطق گرم و خورنده مانند‌ منطقه عسلویه بحرانی‌تر است و عمر مفید سازه‌های این منطقه مهر تاییدی بر این امر است. با این حال بهترین کار انجام تحقیقات لازم برای شناخت عوامل خوردگی بتن‌ آرمه و پیشنهاد راهکارهای علمی اجرایی در کاهش آن است، که بتوان با استفاده از این روش‌ها هزینه‌های بعدی که جهت ترمیم به وجود می‌آید را کاهش داد.

ترمیم و تعمیر بناهای بتنی سازه‌های دریایی

در سازه‌های دریایی که قسمتی از اسکلت و ستون‌های  آنها در ارتفاع جذر و مد آب قرار دارد ترک‌های ریز و در اثر گذشت زمان ترک‌های عمیق پدید می‌آید. ترک‌ها از املاح آب دریا بوجود می‌آیند و فولاد را در بتن دچار خوردگی می‌کنند. در این حالت اسکلت بتنی صدمه می‌بیند و به علت سرایت ضایعات به نواحی دیگر سازه، خرابی به سطوح بالا نیز کشیده می‌شود. وجود نمک‌ها و املاح مختلف در آب دریا سبب انباشته شدن عناصر مذکور بر سطوح بتن می‌شود که پس از معیوب ساختن بعضی از نواحی مشخص بر عمق قطعات بتنی نیز اثر می‌گذارد و باعث‌ ترک‌های عمیق می‌شود. ذرات آب به صورت پودر به علت وزش باد بر بناهای بتنی که پیش از یک کیلومتر از دریا فاصله دارند نیز اثر می‌گذارد. این نفوذ به مرور زمان حفره‌های ریزی در بتن به وجود می‌آورد در شرایط حاد این حفره به حدی می‌شود که شاید گنجشک در آن پناه گیرد و به این دلیل به نام حفره‌های گنجشکی مرسوم شده است.

آسیب دیدگی بناهای بتنی سازه‌های دریایی

آب دریا بر سطوح قطعات اثر و پس از تبخیر آب نمک در حفره‌های ریز و درشت اثر می‌گذارد و سبب پیدایش بلورهای نمک مییشود. این بلورها در اثر گرما و حرارت در روز و اختلاف درجه محیط به واسطه سایه و در شب تنش‌هایی را بوجود می‌آورد که بتن را ترک می‌دهد.

نمک‌ها نفوذ کلرید‌ها و سولفات‌ها را به داخل قطعات بتنی شدت می‌دهند. در مجموع گاز کربنیک که در واقع یک اسید انیدریدی است با آهک آزاد در بتن ترکیب می شود این حالت باعث کاهش قلیایی آهک می‌شود این فعل و انفعالات کربونیزاسیون نام دارد. پیشرفت کربونیزاسیون در بتن به کیفیت آن بستگی دارد که در مراحل اول سریع، اما بعد کند است یعنی بعد از ۴ سال حدود ۲۰ میلی‌متر و پس از گذشت ۵ سال حدود ۱۰ میلی‌متر و بعد از ۲۵ سال تا ۲۵ میلی‌متر در عمق بتن پیشروی می‌کند و در نتیجه در سطوح و حجم بتن ترک‌هایی بوجود می آورد. علت دیگر ترک‌های عمیق در بتن وجود اکسیژن در کلرید‌ها و همچنین آب در اطراف میلگرد‌ها است که پس از نفوذ بر فولاد زنگ آهن را به وجود می‌آورد که بسیار خطرناک است زنگ حاصله تا قطر تقریبی ۱۰ برابر میلگرد اطراف خود را پر می‌کند و باعث پیدایش تنش‌های درونی بتن و در نتیجه ترک‌های سریع طولی در مسیر میلگرد‌ها می‌شود که این امر خطر نا‌پایداری ستون و اسکلت‌های بتنی را در پی خواهد داشت.