خوردگی آرماتور فولادی در بتن

دوام بتن یکی از مهمترین مخصه های آن است که باید در هنگام طراحی و ساخت بتن ، تمهیدات لازمی برای تامین آن در نظر گرفته شود . علاوه بر آن ، می باید با روشهای مناسب علمی ، طول عمر خدمت دهی سازه های مختلف بتنی ، نحوه رفتار آن ها در شرایط مختلف محیطی ، وجود خوردگی ها و تخریب های احتمالی و علل ان ها و نحوه تعمیر و زمان انجام آنها را مشخص سازیم .

خوردگی فولاد مدفون در داخل بتن بر اثر نفوذ یون کلراید و پیامد های آن ، یکی از مهمترین انواع خرابی های سازه های بتن مسلح است که بویژه به دلیل کثرت میزان آن ، هر ساله خسارات بسیار زیادی را بر ابنیه بتنی وارد می آورد . علی رغم تحقیقات فراوانی که در این زمینه صورت گرفته است ، معهذا به دلیل اهمیت فنی و اقتصادی موضوع ، هنوز هم بخش عمده ای از تحقیقات مربوط به دوام بتن در این زمینه انجام می گیرد .

این موضوع در کشور ما نیز ، به دلیل جدی بودن مسئله ، بویژه در مناطق حاشیه سواحل و جزایر خلیج فارس و دریای عمان از اهمیت زیادی برخوردار است .

سازه و کارخوردگی فولاد بر اثر تهاجم کلراید

در این قسمت ، ابتدا در مورد ساز و کار خوردگی فولاد و سپس در مورد نقش کلراید بر آن بحث می کنیم . در واقع می توان گفت که سازه های بتن مسلح از نقطه نظر خوردگی ، یک نوع سازه بسیار مناسب به شمار می آیند ، زیرا محیط قلیایی بتن موجب حفاظت از لایه غیر فعال (Passive ) فولاد می شود. لایه مذکور آرماتور را در برابر خوردگی محافظت کرده و به آرماتور برسد ، آنگاه لایه مزیبور صدمه خورده و یا از بین می رود و لذا فولاد مستعد خوردگی می شود .

یون کلراید اساسا بر روی میلگرد فولادی موجود در بتن تاثیر می گذارد . این تاثیر به صورت خوردگی فولاد است . خوردگی فولاد د اصل یک نوع واکنش الکترو شیمیایی است. مکانیسم خوردگی فولاد در حالت کلی ناشی یونیزه شدن محیط و تشکیل پیل شمیایی است. البته ، تمامی واکنش های شمیایی اساساً ماهیت الکتریکی دارند ، زیرا الکترون ها در تمامی انواع پیوندهای شمیایی یک نوع پدیده اکسایش – کاهش (یا اکسیداسیون و احیاء) است. د اینگونه واکنش ها ، دو الکترود فلزی ، موسوم به آند و کاتد ، وجود دارند که اختلاف پتانسیلی بین آنها  برقرار ست . اگر این دو الکترود در داخل یک محلول الکترولیت قرار گیرند ، رسانایی الکتریکی باعث آن می شود که یک جریان الکترولیتی بین آند وکاتد برقرار شود. روند خوردگی معمولی فولاد، که به زنگ زدن آن می انجامد، بر تشکیل پیل خوردگی است. شرایط بروز این امر، وجود سه عامل آهن، آب و اکسیژن است.

انجام واکنش خوردگی نیازمند وجود آب و اکسیژن است. نتیجه این عمل، ایجاد ناحیه سلول یا پیل ولتایی کوچک است، الکترون های تولید شده در ناحیه آندی، به سوی ناحیه کاتدی حرک می کنند. کاتیون ها ، یعنی یونهای Fe++ ، که در آند تولید شده اند از طریق الکترولیت به سوی  کاتد می روند. آنیون ها ، یعنی OH- که در کاتد تولید شده اند به طرف آند حرکت می کنند.

این یون ها، در جایی، میان این دو ناحیهبه هم می رسند و 2(OH) Fe را بوجود می آورند. این هیدروکسید، نیز  خود در حضو اکسیژن و رطوبت پایدار نیست و به 3(OH) Feتبدیل می شود که دراصل همان اکسید آبپوشیده یا زنگ آهن، O 2H x و O3 Fe2است.

در شکل 2-2-1، فرایند خوردگی فولاد در داخل بتن، نشان داده شده است.

نکته شایان ذکر این است که برای تشکیل پیل و انجام واکنش فوق ، به دو فلز به عنوان الکترود ، که با هم اهتلاف پتانسیل دارند ، نیاز داریم . در حالتهای خوردگی فولاد ، معمولا نقاط مختلف یک قطعه فلز به عنوان دو الکترود مزبور  یعنی کاتد و آند ، رفتار می کنند . علل وجود اختلاف پتانسیل بین نقاط مختلف یک قطعه فلز را می توانیم به صورت زیر بیان کنیم :

-         غیر یکنواختی ویژگیهای فلزی نظیر غیر یکنواختی سطح فلز ، غیر یکنواختی لایه های حفاظتی و یکسان نبودن کرنش ها و تنش های داخلی .

-         غیر یکنواختی مایع الکترولیت اطراف فولاد نظیر یکنواخت نبودن غلظت ها و یونهای مختلف .

-         غیر یکنواختی شرایط فیزیکی نظیر دما و میدان الکتریکی .

لذا بر اثر این شرایط ، قسمتی از فلز که نقش آند را بازی می کند ، بر اثر واکنش الکترو شیمیایی خورده می شود . در شکلهای 2-2-2 و 2-2-3 ، فرآیند خوردگی فولاد به صورت شماتیک نشان داده شده است . 

شرایط مورد نیاز برای انجام یا تسریع واکنش خوردگی فولاد

برای انجام فعل و انفعالات خوردگی فولاد، حتماً باید مطابق شکل 2-2-4 سه عامل آهن، اکسیژن، و الکترولیت آب حضور داشته باشند.

همانگونه که مشاهده میکنیم، آب باید حتماً به صورت الکترولیت باشد و لزمه این امر وجود املاح یا گازها در آن است. آب مقطر الکترولیت نیست، لذا فولاد در آب مقطر زنگ نمی زند.

آهن د هوا نیز زنگ می زند و این امر ناشی از وجودO2و بخار آب در هوا است و در نتیجه ، پیل در هوا تشکیل می شود، البته بخار آب موجود در هوا نیز معمولاً املاح ندارد و مانند آب مقطر است، ولی گرد و غبار و کثیفی های روی آهن و نیز گازهای موجود در هوا، نظیر co , so آب را الکنرولیت می کنند و موجب فراهم آوردن شرایط زنگ زدگی فولاد می شوند . به همین دلیل کثیفی فولاد و نیز آلودگی هوا موجب تسریع فرآیند خوردگی می شوند . وجود املاح گوناگون در خام و بتن موجب تسریع خوردگی فولاد داخل آنان می شود .

از سوی دیگر ، فرآیند خوردگی نیازمند وجود اکسیژن به عنوان قطبی کننده است . لرا خوردگی فولاد مستغرق در آب ، که حاوی اکسیژن ، به عنوان قطبی کننده است . لدا خوردگی فولادهای مستعرق در آب ،که حاوی اکسیژن بسیار کمی است ، معمولا بسیار ناچیز است .

نکته شایان ذکر دیگر این است که هر چه اختلاف پتانسیل بین ند و ماتد بیشتر باشد . شدت خوردگی نیز بیشتر است .

هر گاه فاصله بین آند و کاتد بسیار کم باشد ، میکرو پیل و هرگاه این فاصله زیاد باشد ماکرو پیل تشکیل می شود . در شکل 2_2_5 ،میکرو پیل و ماکرو پیل به صورت شماتیک نشان داده شده اند .

خوردگی یک تکدمیلگرد داخل بتن نمونه ای از میکرو پیل و خوردگی دو میلگرد طولی ، که با خاموت به هم متصل شده اند ، نمونه ای از ماکرو پیل است . در ماکرو پیل اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد بیشتر است .

ناخالصی موجود در آهن نیز سبب پیشترفت زنگ زدگی می شوند . آهن بسیار خالص به سرعت زنگ نمی زند ، بعصی از انواع ناخالصی ها ، کشیدگی ها و نقصهای بلوری موجود در آهن ، الکترون ها را جذب کرده و آنها را از ناحیه هایی که موقعیت آندی پیدا می کنند دور می کنند .

می شود . افزایش حجم ناشی از زنگ زدن ، موجب تضعیف مقطع و حتی خرابی آن و نیز گسترش و تسریع پدیده خوردگی می شود . زیرا بر اثر افزایش حجم مزبور ، ترک هایی ، عمدتا در امتداد طول فولاد ، ایجاد شده که به تدریج و با گسترش خوردگی ، عرض ترک ها بیشتر شده و ترک ها بازتر می شوند . این امر ، علاوه بر وارد آوردن صدمه به بتن و تخریب آن ، که موجب تضعیف مقطع می شود ، باعث آن می گردد که محیط خورنده و مهاجم از طریق ترک ها و درزهای ایجاد شده بهتر و سریعتر بتوانند وارد محیط شده و لذا خوردگی فولاد از این طریق نیز تسریع شود .

نقش یون کلراید در فرآیند زنگ زدن فولاد

 کلر ، جزء هالوژنها است . هر اتم هالوژن ، از گاز نجیبی که پس از آن در جدول تناوبی عناصر قرار گرفته است یک الکترون کمتر دارد . بنابراین ، هر اتم هالوژن تمایل زیادی دارد که با تشکیل یک یون با یک بار منفی و یا یک پیوند کووالانسی ، آرایش الکترونی یک گاز نجیب را به خود بگیرد . هر یک از هالوژن ها واکنش پذیرترین نافلز در دوره خود در جدول تناوبی است و کلر ، پس از فلوئور ، واکنش پذیرترین نافلزات است . الکترونگاتیویته کلر نیز پس از فاوئور ، بیش از هر عنصر دیگری است و لذا یکی از قوی ترین عوامل اکسید کننده ای است که تا کنون شناخته شده است . توانایی اکسید کنندگی هال.ژن ها و از جمله کلر را می توان در واکنش های جانشینی آن ها مشاهده کرد . کلر حتی می تواند جانشین هالوژن ها ی پتیین تر از خود ، برم و ید ، در نمکهای آن ها گردد.

نکته ای که باید متذکر گردیم این است که کلر اثر منفی و بدی بر روی بتن ساده ندارد و حتی به دلیل ترکیب کلر با  C A  موجود در بتن ، نمک نسبتا پایدار فریدل یا کلرو آلومینات کلسیم { C A CacI ( OH)  } تشکیل می شود که باعث افزایش تراکم بتن و ریزش شدن منافذ آن می شود . تاثیر منفی کلر در هنگامی است که بتن همراه با فولاد ، یعنی به صورت بتن مسلح باشد . زیرا به طوری که خواهیم گفت ، کلر موجب تسریع خوردگی فولاد می شود .

یون کلراید  C I  نیز همانند یون (  O H  ) ، البته با شدت بسیار بیشتر ، موجب واکنش الکترو شیمیایی می شود .

در شکل 2-2-6- ، فرآیند خوردگی فولاد داخل بتن بر اثر نفوذ یون کلراید نشان داده شده است .

از سوی دیگر ، همان گونه که گفتیم ، وجود قلیائیت زیاد محلول منفذی بتن باعث آن می شود که لایه اکسید غیر فعال واقع بر روی آرماتور ( به ویژه لایه مگنتیت  Fe O  و مگهمیت   ( Y-Fe o  به نحو مطلوبی محافظت بشود و از خوردگی بیشتر آن تا حد زیادی جلوگیری شود . تهاجم کلر باعث آن می شود که قلیائیت بتن کاهش یافته و با کم شدن  PH ، محیط به سمت اسیدی بودن میل کند و لذا لایه نازک اکسید محافظ فولاد ار بین رفته و روند زنگ زدگی تسریع شود . تهاجم اسید ها و کربناسیون بتن نیز تاثیر مشابهی را دارد .

شایان ذکر است که خوردگی فولاد بر اثر تهاجم یون کلراید به صورت حفره ای شدن است . مکانیسم خوردگی از نوع حفره ای آرماتور داخل بتن بر اثر تهاجم یون کلراید در شکل 2-2-7 نشان داده شده است .  

طراحی در برابر خوردگی بتن

 گرچه امروزه در ایین نامه ها به طراحی سازه های بتن مسلح در برابر خوردگی ناشی از قرار گیری ان ها در محیط های مهاجم توجه می شود و برخی از ضوابط و دستورالعمل های فنی بدین منظور تدوین شده اند . ولی بسیاری از سوالات دخیل در تصمیم گیری طراح وجود دارند که در آیین نامه ها بطور مشخص به آن اشاره نمی شود و طراح باید براساس تجربه خود و مبتنی بر نتایج آزمایشگاهی تصمیم گیری نماید .

پایایی سازه های بتن مسلح در یک محیط تهاجمی کلرایدی عمدتا با پارامترهای زیر تعیین می شود :

-         ضخامت پوشش بتن روی آرماتور

-         نقشه های جزئیات سازه ای در سازه مورد نظر و طرحهای عملی مناسب به منظور تسهیل امکان بازرسی ، نگهداری و تعمیر

-         قابلیت انشار یون کلراید در پوشش بتن روی آرماتور ؛ این ویژگی را عمدتا بر اساس نشبت آب به مواد سیمانی ، تراکم بتن و شدت و عرض ترکها تعیین می کنند .

-         نوع و ترکیبات مواد سیمانی بتن

-         نوع آرماتور های مصرفی

دوده  سیلیس

دوده سلیس ، که به نام میکروسیلیس ، یا silica fume  نیز خوانده می شود ، یکی از مهمترین پوزولان های مصنوعی است .

این فراورده پودری که به رنگ خاکستری روشن تا تیره تا به رنگ خاکستری شبز گون متمایل به آبی ، محصولی از عملیات احیای کوارتز ناخالص در یک کوره قوس الکتریکی در کارخانه های تولید فلز سیلیسیم ، آلیاژ های سیلیسیم ، بویژه آلیاژ فرو سلیس است .

دوده سیلیس به شکل غباری اکسید شده از کوره با دمای 2000 درجه سانتیگراد به هوا بر می خیزد . این غبار سرد را متراکم کرده و جمع آوری می کنند . سپس عملیات فرآوری به منظور زدودن ناخالصی ها و کنترل ابعاد ذرات ، بر روی دوده سلیس متراکم شده انجام می گیرد .

بیش از 90 درصد ار دوده سیلیس متراکم شده ، از دی اکسید سیلیسیم غیر بلورین تشکیل شده است .

هدف استفاده از دوده سیلیس در بتن عمدتا می تواند تامین یک یا چند ویژگی بادش :

-  ساخت بتن با مقاومت زیاد

- افزایش پایایی بتن از طریق کاهش نفوذ پذیری

- جایگیزینی با سیمان بشرط وجود توجیه اقتصادی

هر چند کاربرد دوده سلیس در بتن ، کیفیت آن را بهبود می بخشد اما دست یابی به چنین کیفیتی مستلزم شناخت برخی ویژگیهای دوده سیلیس و در عین حال مراعات برخی اصول علمی و ضوابط فنی است . قطر ذرات دوده سیلیس همواره کمتر از 1 میکرون ، میانگین قطر ذرات آن 1/0 میکرون ، و سطح مخصوص متوسط آن  m/kg  20000 است . در جدول 2-1-1 ، سطح مخصوص دوده سیلیس ، خاکستر بادی ، روباره اهن گدازی و سیمان به صورت مقایسه ای ارائه شده است . 

با میکروسیلیس یا ژل میکروسیلیس با پودر ذرات سیلیسی بلورین تفاوت اساسی دارد و نباید این دو را با یکدیگر اشتباه گرفت .

دوده سیلیس بر اثر واکنش پوزولانی ، با هیدروکسید کلسیم حاصل از هیدراسیون سیمان ، ترکیب شده و سیلیکات کلسیم هیدراته یا  CHS تشکیل می دهد .
با استفاده از دوده سیلیس می توان بتنی با مقاومت زیاد ، با نفوذ پذیری کم و پایانی زیاد در برابر عوامل مخرب شیمیایی ساخت . مقدار وزنی دوده سیلیس بعنوان جایگزین سیمان معمولا حدود 7 درصد وزن سیمان است .
دوده سیلیس موجب کاهش کارایی و در نتیجه افزایش نیاز به آب اختلاط بتن می شود . برای جلوگیری از افزایش میزان آب نخلوط ، باید از روان کننده ها و بویژهفوق روان کننده ها ، همراه با دود سیلیس استفاده کرد .
مدت زمان اختلاط بتن حاوب دوده سیلیس به درصد دوده سیلیس مصرفی و شرایط اختلاط بستگی دارد که در صورت لزوم باید افزایش یابد .
مصرف افزودنی های شیمیایی کاهنده قوی آب ، توزیع یکنواخت دوده سیلیس در بتن را تامین می کند .
بتن تازه حاوی دوده سیلیس ، در مقایسه بل بتن معمولی از چسبندگی بیشتر و گرایش کمتر به جداشدگی و نیز کاهش آب انداختن و افزایش قابلیت پمپ شدن برخوردار است .
بتنی که درصد وزنی دوده سیلیس آن نسبت به وزن کل مواد سیمانی بیش از 10 درصد باشد چسبنده و خمیری است . برای حفظ کارایی مورد نظر برای چنین بتنی در موقع بتن ریزی و جادادن ، توصیه می شود که اسلامپ آن ، در حدود 50 میلیمتر بیشتر از بتن فاقد دوده سیلیس در نظر گرفته شود .
مصرف انواع متفاوت افزودنی های شیمیایی فوق کاهنده آب در بتن حاوی دوده سیلیس می توانند بر زمان گیرش بتن تاثیر بگذارد . تجربه نشان داده است که دوده سیلیس نقشی در این امر ندارد . تغییرات زمان گیرش را باید باتوجه به نوع و کیفیت و مقدار مصرف مواد افزودنی مصرفی کنترل کرد .
دوده سیلیس ، آب آزاد موجود در بتن را به سرعت جذب می نماید و بروز ترک های ناشی از نشست خمیری و خشک شدن سطح بتن را تشدید و تسریع می کند . بدین علت ، بتن حاوی دوده سیلیس را باید بلافاصله پس از جای دادن و پرداخت سطح ، سیلیس را با بخش از آب اختلاط بتن مخلوط کرده و آن را به صورت دوغاب در آورد ، سپس مخلوط دوغاب را به تدریج به سایر اجزا افزود . این امر موجب آن می شود که دوده سیلیس به صورت همگن تری در داخل بتن توزیع شود .