بارگذاری بیش از حد بر روی سازه بتنی

آسیب دیدگی بتن بر اثر بارگذاری بیش از حد بر روی آن معمولاً بسیار واضح و تشخیصش آسان است. اضافه بار ایجاد شده بر روی سازه، ترک‌ها و نشانه‌هایی ایجاد می‌کند که حتی نقطه‌ی بارگذاری نیز مشخص می‌شود. عموماً ایجاد این نوع اضافه بارها اتفاقاتی یک باره است و تکرار نمی‌شود، بنا بر این ترمیم با پیش‌فرض که این اتفاق دوباره رخ نخواهد داد، صورت می‌گیرد.

باید توجه داشت که تخریب بتن در اثر بارگزاری بیش از حد معمولا بسیار واضح است و به سادگی قابل شناسایی ست. رویداد هایی که در اثر بارگزاری بیش از ظرفیت سازه بوجود می آیند قابل توجه و قابل ذکر اند. تنش تولید شده در اثر بارگزاری زیاد به بروز ترک های متمایزی منجر شده که بارگزاری بیش از حد و نقاط باربر را نمایان می کنند. غالبا بارگزاری بیش از حد یکبار اتفاق می افتد و یک بار هم اثرات آن مشخص می شود و لذا در صورت ترمیم می توان انتظار داشت آثار تخریب بتنمجددا بر روی بتن تعمیری عود نکند.باید انتظار داشت در چنین آسیب هایی به دانش و کمک یک مهندس سازه ی باتجربه، برای انجام تجزیه و تحلیل ساختاری برای مشخص ساختن و ارزیابی علل منجر به تخریب سازه در اثر بارگزاری بیش از ظرفیت بطور کامل ، و نیز کمک برای تعیین میزان ترمیم و تعمیر ات لازم ، نیاز خواهد بود. این آنالیز باید تعیین میزان بارپذیری سازه در هنگام طراحی و تعیین اندازه ظرفیت طراحی شده برای بارگزاری بیش از حد را شامل شود. از ابتدا تا انتهای بازبینی بتن آسیب دیده باید تمامی اثرات بارگزاری بر روی سازه مشخص شود. جابجایی ها باید مشخص شوند و در درجه ی دوم خرابی ها ، در هر جایی که باشند. باید توجه داشت که اطمینان حاصل شود که خرابی هایی شناسایی شوند که ظرفیت بار پذیری سازه را پایین می آورند چون برخی از آسیبها برای اولین باربتن را تضعیف نمی کند. ترمیم بتن آسیب دیده در اثر بارگزاری زیاد، میتواند به احتمال فراوان، بهترین عملکرد را بابتن جایگزین متداول داشته باشد. در صورت نیاز به تعمیر یا جایگزینی شبکه ی آرماتور بتن آسیب دیده می بایست این عملیات در پروسه تعمیراتی پیش بینی و تعبیه گردد.

ترک خوردگی بتن

دلایل زیادی برای ایجاد ترک خوردگی در بتن وجود دارد. ترک خوردگی خود معمولا معلول نوعی آسیب دیدگی دیگر است، اما می‌تواند باعث گسترش آسیب دیدگی و به وجود آمدن انواع دیگر آسیب دیدگی بتن نیز شود.

چرخه‌ی انجماد و ذوب شدن آب، واکنش‌های قلیایی و حمله‌ی سولفاتی می‌تواند باعث ترک خوردن بتن شود. همچنین بتنی که بتن‌ریزی‌اش به شکل استاندارد انجام نشده است، می‌تواند در زمان عمل‌آوری دچار ترک خوردگی شود.

تمامی سیمان‌های پرتلند هنگام هیدراسیون و عمل‌آوری دچار جمع شدگی (هر چند کوچک) می‌شوند. جمع شدگی شکل‌های مختلفی از جمله جمع شدگی حرارتی، جمع شدگی پلاستیک، جمع شدگی بر اثر خشک شدن و جمع شدگی اتوژنیک دارد. بسیاری از متخصصین بتن عقیده دارند که فولاد تقویت شده مانع جمع شدگی و ترک خوردن بتن بر اثر حرارت می‌شود. اما فولاد به طور کامل جلوی جمع شدگی و ترک خوردن بتن را نمی‌گیرد، اگر چه سایز و میزان آن را کاهش می‌دهد. جمع شدگی بر اثر خشک شدن به خاطر اثرات منفی و ترک‌های بسیاری که به جای می‌گذارد، مشهور است (تصویر پایین). این نوع جمع شدگی در زمان تبخیر آب و در هنگام گرفتن بتن و سفت شدن آن رخ می‌دهد. در برخی موارد، ترک‌های به جای مانده از جمع شدگی بر اثر خشک شدن بسیار کوچک هستند و نیازی به ترمیم ندارند.

جمع شدگی بر اثر خشک شدن به خاطر اثرات منفی و ترک‌های بسیاری که به جای می‌گذارد، مشهور است

جمع شدگی پلاستیک زمانی رخ می‌دهد که سطح بتن تازه در معرض شرایطی باشد که نرخ تبخیر را بالا می‌برد؛ به طور مثال وزش باد، دمای بالا و رطوبت کم. این جمع شدگی باعث  ترک خوردن بتن در زمانی که هنوز نرم است می‌شود.جمع شدگی پلاستیک می‌تواند ترک‌های عمیق‌تری نسبت به جمع شدگی بر اثر خشک شدن ایجاد کند. در بعضی موارد، این نوع از آسیب دیدگی پیش از پایان عمل‌آوری بتن، با بستن ترک‌ها ترمیم می‌شود.

جمع شدگی حرارتی بر اثر آزاد شدن گرمای زیاد در هنگام سخت شدن بتن و بعد به سرعت سرد شدن آن رخ می‌دهد.بتن بر اثر تغییر دما، خصوصاً تغییر دمای سریع، تغییر اندازه می‌دهد. اگر این‌ها در طراحی محاسبه نشده باشند، منجر به آسیب دیدگی (ترک خوردن) خواهد شد.

فنداسیون نامناسب یکی دیگر از دلایل متداول ایجاد ترک در بتن‌ها می‌باشد. مقاومت کششی بتن معمولاً بین 200 تا 400 psi است. نشست زمین و جابه‌جایی هر چند کوچک فنداسیون می‌تواند منجر به تغییر شرایط بتن و افزایش تنش کششی در بتن شود؛ که نتیجه‌ی آن ترک خوردن بتن است.

ترمیم ترک‌های به وجود آمده در بتن کار آسانی نیست. از این رو توصیه می‌شود پیش از شروع مطالعه تمامی حرکات ترک‌ها با دقت ثبت و ضبط شود. پیش از این با روش‌های سنتی و قدیمی این کار صورت می‌گرفت؛ اما امروزه وسایل جدید و الکترونیکی ما را در این امر یاری می‌کنند. حتی گوشی‌های هوشمند نیز این قابلیت را پیدا کرده‌اند که ترک‌ها را ثبت و تحیل کنند. برای این کار، به صورت منظم تصاویری از ترک‌ها تهیه می‌شود تا حرکت و تغییرات آن مورد بررسی قرار گیرد.

بیاد داشته باشید جهت تعیین عمق ترک در بتن و میزان ترک بهتر است از تست های غیر مخرب به خصوص تست های اولتراسونیک بتن استفاده نمایید 

همانگونه که در تصویر زیر می بینید اپراتور در حال تست کردن سازه و تعیین عمق ترک به وسیله این دستگاه می باشد.

حرکات باید در یک بازه‌ی زمانی نسبتاً طولانی بررسی شوند تا مشخص شود که ترک‌ها صرفاً به دلیل تغییر دمای فصل باز و بسته می‌شوند یا دلایل اساسی دیگری وجود دارد که هر لحظه ترک‌ها را بازتر می‌کند. ترمیم بایستی پس از شناسایی دلیل و رفتار ترک‌ها آغاز شود.

نقش ترک خوردن بتن در خوردگی و زنگ زدن میلگردها همیشه مشخص نیست. تحقیقات نشان داده که ترک‌های با عرض کم‌تر از 0٫3 میلی‌متر تاثیر چندانی روی خوردگی فولاد ندارند (Atimay and Ferguson, 1974). با این حال، تحقیقات دیگری (Darwin et al., 1985) (Oesterle, 1997) نشان داده‌اند که خوردگی میلگردها، ارتباط مستقیمی با عرض ترک خوردگی‌ها ندارد؛ احتمالا به این خاطر که بین ترک‌های سطح بتن با عرض ترک‌های نزدیک میلگردها ارتباطی وجود ندارد. ترک‌هایی که در طول میلگردها بر روی بتن به وجود می‌آیند، خرابی بیشتری به بار می‌آورند؛ زیرا خوردگی میلگرد در طول آن، مقاومت بتن را بیشتر کاهش می‌دهد. با وجود تحقیقات مختلفی که در این امر صورت گرفته است، هنوز مشخص نیست که چه ارتباطی بین عرض ترک‌های بتن و خوردگی میلگردها وجود دارد. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که کیفیت بتن، مخلوط کردن صحیح و استاندارد بتن و پوشش مناسب برای بتن، نقش مهمی در مقاومت بتن در برابر خوردگی در هنگام ترک خوردن ایفا می‌کنند.

از دیگر تحقیقاتی که نشان می‌دهند بین عرض ترک و خوردگی ارتباطی وجود ندارد می‌توان به (Beeby, 1978) (Tremper, 1947) (Martin and Schiessel, 1969) (Raphael and Shalon, 1971) اشاره کرد. مباحث مفصل‌تر در رابطه با ترک خوردگی بتن در ACI 224 (ACI 224, 2013) آمده است.

ترمیم موفقیت‌آمیز ترک‌های بتن غالباً کار دشواری است. نوع ترمیم مورد نیاز، به مقدار خیلی زیادی وابسته به نوع و عامل ترک خوردگی‌هاست. برای ترمیم ترک خوردگی، لازم است که بدانیم ترک‌ها در حال گسترش‌اند یا از گسترش باز ایستاده‌اند. اگر ترک‌ها مرتباً در حال باز شدن و بسته شدن باشند یا همیشه در حال باز شدن باشند، عملیات ترمیمبسیار پیچیده می‌شود و احتمالاً برای رفع آن نیاز به مواد تقویت کننده داریم. انتخاب و به کار بردن روش اشتباه درترمیم ترک خوردگی به مراتب از ترمیم نکردن بتن زیان‌بار تر است. اشتباه در انتخاب روش، شرایط اولیه‌ی بتن را بدتر و پیچیده‌تر می‌کند.

برای ترمیم برخی از ترک خوردگی‌ها، از تزریق رزین اپوکسی یا پلی‌اورتان استفاده می‌شود. رزین اپوکسی معمولاً برای بازگیری بتن به کار می‌رود. اگر صرفاً بخواهیم جلوی نشت آب را بگیریم و ترمیم سازه‌ای مد نظرمان نباشد، بایستی ازتزریق پلی‌اورتان استفاده کنیم. از رزین اپوکسی برای بستن ترک خوردگی‌ها و نشتی‌های آب کوچک‌تر استفاده می‌شود. رزین پلی‌اورتان نسبت به اپوکسی، انعطاف‌پذیرتر است؛ با این حال از هیچ کدام برای ترمیم سازه‌ای استفاده نمی‌شود.

همچنین جمع‌شدگی و ترک خوردن مواد ترمیمی بتن نیز محتمل است. این ترک خوردگی می‌تواند بسیار سریع‌تر از ترک خوردگی در خود بتن اتفاق بیفتد و ممکن است با ایجاد فشار کششی، به خود بتن نیز آسیب بزند. البته در بیشتر اوقات این ترک‌ها بسیار کوچک‌اند و تاثیر چندانی بر روی ترمیم و عمر آن ندارند. تنها راه پیشگیری از آن، استفاده از مواد ترمیمی مقاوم در برابر جمع شدگی است.

آسیب بتن به وسیله حمله ی اسیدی به بتن

معمولاً حمله‌ی اسیدی در سازه‌هایی رخ می‌دهد که در نزدیکی معادن زیرزمینی ساخته شده‌اند. آب زهکشی شده و خارج شده از این معادن می‌توانند حاوی اسیدهای با pH بسیار پایین باشند. اگر pH محلولی 7 باشد آن محلول خنثی است. بزرگ‌تر از 7 قلیایی است و کوچک‌تر از آن اسیدی. 15 تا 20 درصد محلول‌های سولفوریک اسید دارای pH نزدیک 1 هستند. چنین محلولی به سرعت به بتن آسیب می‌زند. محلول‌های اسیدی دارای pH 5 تا 6 نیز به بتن آسیب می‌زنند، اما به زمان بیشتری احتیاج دارند.

شناسایی بتنی که به وسیله‌ی اسید آسیب دیده است بسیار آسان است. اسیدها با سیمان پرتلند موجود در بتنواکنش می‌دهند و نمک‌های کلسیم را به وجود می‌آورند. آب‌های جاری به آسانی این نمک‌ها را شسته و با خود حمل می‌کند. به مرور سنگدانه‌های موجود در بتن در معرض دید قرار می‌گیرند. ظاهر بتنی که به وسیله‌ی اسید آسیب دیده است، بسیار شبیه به آسیب دیدگی به وسیله‌ی سایش است، با این تفاوت که سنگدانه‌هایی که در معرض دید قرار گرفته‌اند، صاف و صیقلی نیستند. تصویر پایین، شکل عمومی بتن آسیب دیده به وسیله حمله‌ی اسیدی را نشان می‌دهد. آسیب دیدگی بر اثر حمله‌ی اسیدی، معمولاً بر روی سطح بتن آغاز می‌شود و ادامه می‌یابد، با این حال می‌تواند به لایه‌های دیگر بتن نیز نفوذ کند. زمانی که اسید به سطح بتن می‌رسد یا به داخل آن نفوذ می‌کند با سیمان داخل مخلوط بتن واکنش می‌دهد. این واکنش باعث می‌شود تا اسید خنثی شود. اگر اسید محلول در آب جاری باشد، آسیب دیدگی می‌تواند به سرعت پیشروی کند؛ چرا که بتن آسیب دیده به وسیله آب جاری شسته و برده می‌شود و اسید تازه به قسمت‌های آسیب ندیده راه می‌یابد. برای ترمیم بتن آسیب دیده به وسیله‌ی اسید، معمولاً باید کمی بیشتر از جایی که بتن آسیب دیده پاکسازی شود. اگر چنین نشود، احتمال ضعیف شدن و شکست مواد ترمیمی بالاست.

مانند بقیه‌ی آسیب دیدگی‌ها، پیش از آغاز ترمیم بایستی منبع اصلی ایجاد آسیب دیدگی از بین برود. متداول تکنیک برای حمله‌ی اسیدی، رقیق کردن اسید به وسیله‌ی آب است. با این کار، pH اسید بالاتر می‌رود و پتانسیل آن برای آسیب زدن به بتن کم‌تر می‌شود. اگر اسید خیلی قوی باشد، معمولاً از یک لایه‌ی پوششی برای محافظت از مواد ترمیمیاستفاده می‌شود.

ترمیم بتن آسیب دیده با اسید، می‌تواند با جایگزینی بتن با بتن پلیمری صورت گیرد. بتن پلمیری و ملات اپوکسی (که در آن سیمان پرتلند وجود ندارد) مقاومت بالای در برابر حملات اسیدی دارد. همچنین ملات‌ها و موادهای ترمیمی دیگری نیز وجود دارد که در آن‌ها سیمان پرتلند استفاده نشده و در برابر اسید مقاوم‌اند.

شستشوی بتن به وسیله‌ی اسید، زمانی راه حلی برای آماده‌سازی بتن پیش از شروع ترمیم بود. اما بعدها متوجه شدند که بعد از شستشو، خود اسید نیز باید به صورت کامل از بتن پاک شود؛ برای همین امروزه این کار ممنوع است.

در نهایت باید این نکته نیز ذکر شود که آسیب دیدگی بتن به وسیله‌ی آب خالص خیلی شبیه حمله‌ی اسیدی است. این نوع آسیب دیدگی معمولاً در ارتفاعات زیاد و در جایی که آب کاملاً خالص است رخ می‌دهد. آب خالص حلالیت بالایی برای مواد مورد استفاده در بتن دارد؛ آن‌ها را در خود حل می‌کند و به بتن آسیب می‌زند.

خوردگی بتن تقویت شده

خوردگی بتن تقویت شده می‌تواند هم عامل و هم نشانه‌ی بتن آسیب دیده باشد. به عبارت دیگر، بتن می‌تواند به دلایل دیگری ترک بخورد و باعث خوردگی فولاد شود.

قلیایی بودن سیمان پرتلند (pH در حدود 12) معمولاً باعث ایجاد لایه‌ای رویینه (غیر فعال در برابر خوردگی) در نزدیکیفولاد تقویت شده می‌شود. وقتی آن لایه آسیب ببیند یا از بین برود و یا بتن به شکلی آسیب ببینید که آب و هوا وارد آن شوند، خوردگی فولاد رخ می‌دهد. همچنین لایه‌ی غیر فعال به وسیله یون‌های کلرید جدا شده از نمک‌ها یاکربناتاسیون بتن نیز می‌تواند از بین برود. کربنتاسیون واکنشی طبیعی در بتن است که در آن دی‌اکسید کربن موجود در جو با مواد بتن واکنش می‌دهد تا کلسیم کربنات به وجود آید. این واکنش، pH بتن را تا 9 پایین می‌آورد و بدین ترتیب خاصیت لایه‌ی غیر فعال از بین می‌رود و فولاد می‌تواند دچار خوردگی شود. آهن با اکسید شدن در پروسه‌یخوردگی فولاد (به وجود آمدن اکسید آهن) دچار افزایش حجم می‌شود. این افزایش حجم، باعث به وجود آمدن تنش کششی در بتن و در نتیجه ترک خوردن آن می‌شود. که نتیجه‌ی آن می‌تواند سرعت بخشیدن به روند خوردگی فولادباشد.

تحقیقات نشان داده که آسیب دیدگی‌های متداولی که منجر به خوردگی فولاد می‌شوند شامل: چرخه‌ی انجماد و ذوب شدن آب، حمله‌ی سولفاتی، واکنش‌های قلیایی، حمله‌ی اسیدی و پایین آمدن قلیاییت بتن بر اثر کربنتاسیون می‌باشد.

به علاوه، در معرض کلراید بودنِ بتن نیز می‌تواند منجر به خوردگی فولاد شود. کلرایدها می‌توانند تغییراتی در لایه‌ی غیر فعال ایجاد کنند و شتاب بیشتری به روند خوردگی بدهند. کلرایدها از چندین راه مختلف می‌توانند به بتن وارد شوند. اضافه کردن سدیم کلراید یا منیزیم کلراید به بتن، برای جلوگیری از یخ زدن آب یا ذوب کردن برف‌ها، متداول‌ترین راه ورود کلرایدها به بتن است. همچنین کلرایدها می‌توانند در ماسه، سنگدانه‌ها و آب مورد استفاده در مخلوط بتن نیز موجود باشند. سازه‌های واقع شده در محیط‌های نزدیک به دریا نیز در معرض کلراید موجود در آب دریا قرار دارند. همچنین در گذشته مرسوم بود که برای بالا بردن سرعت هیدراسیون و سفت شدن بتن در مناطق سردسیر، به آن کلراید اضافه می‌کردند.

میزان کلراید بسیار بالا در آب، منجر به خوردگی فولاد تقویت شده شده است.

وقوع خوردگی فولاد معمولاً (نه همیشه) با دیده شدن زنگ آهن بر روی سطوح خارجی بتن یا شنیده شدن صدای پوکی در هنگام ضربه زدن به بتن با پتک شناسایی می‌شود. همچنین دستگاه‌های مختلف الکترونیکی بدین منظور طراحی شده‌اند که می‌توان برای شناسایی خوردگی فولاد از آن‌ها استفاده نمود. زمانی که آسیب دیدگی به وسیله خوردگی فولاد تایید شد، بسیار حیاتی است که عامل یا عوامل خوردگی نیز تعیین گردند تا بر اساس آن مشخص گردد که چه روش ترمیمی بایستی در دستور کار قرار گیرد. بعد از پیدا کردن دلیل خوردگی و جلوگیری از آن، عملیات ترمیم بتن و فولاد آغاز می‌شود. فولاد خورده شده می‌تواند به قسمت‌های دیگری از بتن نیز نفوذ کنند. بسیار مهم است که در طول ترمیم، تمامی این نواحی شناسایی و به طور کلی پاکسازی شوند.

آسیب دیدگی بتن در اثر فرسایش یا سایش و کاویتاسیون

سازه‌های بتنی که در نزدیکی آب‌های جاری با محتوای لای، ماسه، شن یا سنگ و یا آب‌های جاری با سرعت بالا قرار دارند، احتمال وقوع فرسایش در آن‌ها وجود دارد. هر چه اندازه‌ی ذرات بزرگ‌تر باشد، آسیب دیدگی شدت بیشتری به خود خواهد گرفت.

سطوح بتنی که تحت سایش با ذرات ریز هستند، به شکل صیقلی و صاف درمی‌آیند. هم‌چنین سنگدانه‌های درشتبتن، بر اثر فرسایش بتن بیرون می‌زنند و آن‌ها هم تحت سایش قرار می‌گیرند. میزان آسیب دیدگی به وسیله‌ی فرسایش یا سایش، به متغیرهای زیادی وابسته است؛ مدت زمان تحت تاثیر بودن، شکل سطوح بتنی، سرعت جریان آب و شکل و جهت آن. بنا بر این، ارائه‌ی نظریه‌های عمومی برای پیش‌بینی این گونه خسارت‌ها، بسیار سخت و تقریباً غیر ممکن است. اگر شرایطی که باعث به وجود آمدن آسیب دیدگی شده، به صورت کامل شناسایی نشود، ترمیم نیز دچار مشکل و آسیب دیدگی خواهد شد. استفاده از مواد ترمیمی با مقاومت بالا می‌تواند آسیب دیدگی را کاهش دهد.

بنا بر تجربه‌های مختلف، دیده شده که بتن‌های با کیفیت بالا، دارای مقاومت بیشتری در برابر سایش هستند (Smoak, 1991). بنا بر این می‌توان گفت که افزایش مقاومت فشاری بتن، باعث افزایش مقاومت آن در برابر سایش می‌شود.

بهترین ترمیم برای بتن آسیب دیده بر اثر سایش، اضافه کردن بتن با دوده‌ی سیلیس یا بتن پلیمری می‌باشد. این مواد در آزمایش‌های میدانی و آزمایشگاهی، بیشترین مقاومت را در برابر این نوع آسیب دیدگی نشان داده‌اند. در تصویر پایین، جایگزینی بتن با دوده‌ی سیلیسی در سازه‌ای در کلرادوی آمریکا را نشان می‌دهد. برای ترمیم، بتن به وسیله فشار آب (هایدرو دیمولیشن) پاکسازی شده است.

آسیب دیدگی برا اثر کاویتاسیون

کاویتاسیون زمانی رخ می‌دهد که سیال جاری با سرعت بالا به سطوح ناهموار بتن برخورد می‌کند. در فشار معمولی محیط، کاویتاسیون با سیالی با سرعت کم‌تر از 40 فیت بر ثانیه (ft/s) رخ نمی‌دهد.

در سرعت‌های بالاتر، نا همواری باعث ایجاد مناطق فشار منفی و در نتیجه ایجاد حباب بخار هوا در آب می‌شود. این حباب‌ها حرکت کرده و به سطح بتن برخورد می‌کنند و می‌ترکند. این برخورد می‌تواند باعث جدایی اجزای بتن از آن و در نتیجه آسیب دیدن بتن شود. 

تاکنون آزمایش‌ها و تحقیقات بسیاری برای کشف مواد مقاوم در برابر کاویتاسیون صورت گرفته است. اما تا به امروز هیچ ماده‌ای که صد در صد در برابر این پدیده مقاوم باشد، پیدا نشده است. بنابراین نخستین اقدام در ترمیم بتنآسیب دیده، رفع عوامل به وجود آورنده‌ی کاویتاسیون می‌باشد.

ترمیم موفق بتن آسیب دیده به وسیله‌ی کاویتاسیون، به تغییرات گسترده‌ای در بتن برای از بین بردن شانس مجدد رخ دادن آن نیاز دارد. همچنین در برخی موارد، عملیات ترمیم خود باعث به وجود آوردن این پدیده می‌شود. مطالعات دقیقی بر روی ویژگی‌های هیدرولیکی سازه باید پیش از ترمیم صورت گیرد. همچنین در ترمیم بتن آسیب دیده بر اثرکاویتاسیون، معمولاً از جایگزینی بتن استفاده می‌شود. زیرا هیچ بتن خاص یا ماده‌ی ترمیمی‌ ای وجود ندارد که در برابرکاویتاسیون کاملا و صد در صد مقاوم باشد.