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 .  

تاثیر تعمیر و ترمیم بتن و عوامل آسیب رسان

تاثیر تعمیر و ترمیم بر روی عمر مفید بتن

تعمیر و ترمیم اصولی خرابی ها و اسیب دیدگی های بتن ، از جمله موجب تاثیرات زیر می شود :

-         افزایش عمر مفید در کوتاه مدت

-         افزایش عمر مفید در بلند مدت

-         فراهم آوردن امکان بهره برداری از سازه

-         کاهش زمان معطل ماندن استفاده از سازه

-         کاهش هزینه تعمیر و نگهداری سازه

نکته مهمی که باید بدان توجه داشت این است که نعمیر باید در زمان مناسب و به صورت  

اصولی انجام شود تا هر چه بیشتر موثر واقع شود . به تاخیر انداختن زمان تعمیرات ، از جمله موجب تبعات زیر می شود :

-         افزایش هزینه ها ی تعمیرات

-         امشکل تر شدن بازسازی و بهسازی

-         ناممکن شدن دستیابی به برخی از اهداف بازسازی

-         کاهش عمر مفید نهایی سازه

 عوامل آسیب رسان به بتن

عوامل آسیب رسان به بتن را از نظر عامل آسیب ، به دو دسته زیر تقسیم بندی می کنند :

-         عوامل داخلی

-         عوامل خارجی

همچنین ، عوامل آسیب رسان به بتن را از نظر زمان آسیب رسانی و شرایط بتن به دو دسته زیر تقسیم بندی می کنند :

-         عوامل آسیب رسان به بتن تازه

-         عوامل آسیب رسان به بتن سخت شده

انواع عوامل موثر بر آسیب رسانی به بتن

عوامل موثر بر آسیب رسانی به بتن ، عبارتند از :

الف ) مواد شیمیایی مهاجم و مضر . این مواد عموما ناشی از محیط یا ناشی از  بهره برداری خاص از سازه می باشند . از جمله این مواد ، می توان موارد زیر را برشمرد :

-         مواد شیمیایی موجود در محیط های صنعتی ( گازهای اسیدی ،  اکسید های گوگرد ، گاز کربنیک و...9

-         مواد مهاجم موجود در خاک ها ( مثل مواد موجود در خاک های شور یا سولفاتی )

-         مواد موجود در اجزای تشکیل دهنده بتن

ب ) اجرای بتن در نواحی با آب و هوای نامساعد و شرایط محیطی مهاجم

ج ) نفوذ پذیری ( تراوایی ) بتن

د) کیفیت نامناسب بتن ، که می تواند ناشی از عوامل متعددی نظیر مصالح نامناسب طرح اختلاط نا مناسب باشد .

و) کیفیت نامناسب اجرا ، از جمله اختلاط ، انتقال ، ریختن ، تراکم ، پرداخت و عمل آوری نامناسب . 

دوام بتن

پایایی یا دوام بتن ساخته شده از سیمان پر تلند ، به توانایی بتن برای مقتبله باع عموامل جوی ، حملات شیمیایی ، سایش ، فرسایش و هرگونه فرآیند منجر به تخریب اطلاق می شود .

عمر خدمت دهی طولانی ف مترادف با دوام در نظر گرفته می شود . از آنجا که دوام ، تحت یک مجموعه شرایط ، لزوما به معنای دوام تحت مجموعه شرایط دیگری نمی باشد ، به همین دلیل متداول است که هنگام تعریف دوام ، اشاره ای کلی به محیط نیز می شود  .

برطبق تعریف کمیته 201 انستیتوی بتن آمریکا {2}، دوام بتن با سیمان پرتلند به توانایی آن برای مقاومت در برابر عوامل هوازدگی ، حمله شیمیایی ، سایش و با هر فرایندی که موجب آسیب دیدگی آن بشود . گفته می شود . بنابراین ، بتن با دوام ، بتنی است که شکل اولیه ، کیفیت و قابلیت خدمت دهی خود را در شرایط اش حفظ کند .

هیچ مصالحی بطور ذاتی بادوام نیست ، در نتیجه عوامل محیطی ، ریز ساختار مصالح و متعاقب آن ، خواص این مصالح با گذشت زمان تغییر می کند . یک ماده ، وقتی به انتهای عمر خدمت دهی خود می رسد که خواص آن ، تحت شرایط مفروض استفاده از آن ، به حدی آسیب دیده باشد که ادامه استفاده از آن ، ناایمن یا غیر اقتصادی شناخته شود .

در حال حاضر ، در طراحی سازه ها، مشخصات دوام مصالح مورد نظر ، همانند سایز مشخصات و ویژگی های آن ، نظیر ، همانند سایر مشخصات و ویژگی های آن ، نظیر خواص مکانیکی و هزینه و قیمت اولیه ، مورد ارزیابی قرار می گیرد . دوام ، علاوه بر ابعاد فنی ، از نقطه نظر تاثیرات اقتصادی و اجتماعی آن نیز مد نظر قرار می گیرد . افزایش روز افزون هزینه های تعمیر یا جایگزینی سازه ها ، ناشی از خرابی مصالح بخش عمده ای از کل هزینه ساخت و ساز را به خود اختصاص می دهد و لذا لازم است مه به مسئله دوام توجه کافی شود .

برای برسی دوام بتن و سازه های بتنی باید به نکته توجه شود که اغلب معلومات ما درباره فرآیند های فیزیکی – شیمیایی مسبب آسیب دیدگی بتن از روی تاریخچه خای سازه های واقعی به دست می آید ، زیرا شبیه سازی ترکیب اثرات دراز مدتی که معمولا در واقعیت وجود دارند در آزمایشگاه مشکل می باشد . با این وجود ، در عمل بندرت آسیب دیدگی بتن ، ناشی از یک علت منحصر به فرد است . گاهی ، علل فیزیکی و شیمیایی خرابی آن قدر با هم تداخل دارند و موجب تشدید یکدیگر می شوند که اغلب ، حتی جداکردن علت از معلول نیز اکان پذیر نیست .

با این توضیحات می توان گفت ، دوام بتن عبارت است از توانایی و پتانسیل آن برای مقاومت بیشتر ، چه به لحاظ کمی  و چه به لحاظ کیفی ، در برابر عواملی که می توانند موجب آسیب رسانی ، از بین بردن امکان بهره برداری و یا کاهش بهره برداری و یا کاهش بهره برداری از آن بشوند .

به عبارت دیگر ، دوام بتن به معنای حفظ و تداوم کیفیت ها و توانایی ها و ویژگی های بتن در طی زمان و خارج نشدن این ویژگی ها از محدوده مجاز است .