اثرات آلودگی کلریدی در بتن

یون های کلرید ممکن است از طریق آلاینده های مخلوط و یا از منابع خارجی مانند آب دریا و نمک های یخ زدایی، وارد بتن شوند. این یون ها در صورت رسیدن به غلظت کافی می توانند لایه محافظ فولاد را از بین برده و حتی تحت شرایط وجود pH الکترولیت حجمی بالا برای محلول های حفره ای بتن، موجب وقوع خوردگی حفره ای گردند. اما پرسش درباره اینکه چه چیزی «سطح آستانه» آلودگی کلریدی در بتن که موجب خوردگی حفره ای شدن تحت شرایط مختلف می گردد را مشخص می سازد، یکی از موضوعاتی است که در حوزه تحقیقات دوام بتن، از آن اجتناب می شود. این، موضوعی است که 30 سال پیش مورد بحث بوده و در سال های اخیر نیز، توجه بسیاری را به خود جلب نموده است. این موضوع دارای چند علت می باشد.

ترمیم سازه های صنعتی بتنی

اول آنکه آیین نامه های اجرایی باید حدودی را برای سطوح مجاز کلرید در مصالح بتن، تعیین نمایند که در عین ایمن بودن، بی جهت سخت گیرانه نباشند، و دوم آنکه، زمان تا لحظه آغاز خوردگی یا «عمر ایمن» بتن مسلح در معرض یک محیط مملو از کلرید، زمانی است که برای نفوذ کلرید به داخل پوشش تا رسیدن به سطح آستانه در سطح فولاد داخلی، در نظر گرفته می شود.

پرطرفدارترین مطالب مارا از دست ندهید!
مبانی طرح اختلاط بتن
جدول عیار بتن چیست؟
سیمان چیست

در بررسی عواملی که ممکن است بر سطوح آستانه کلرید اثر بگذارند، برشمردن برخی از خصوصیات اصلی حفره ای شدن فولاد بر اثر کلرید، هم در محیط های قلیایی به صورت کلی و هم در بتن تحت شرایط مختلف، مفید می باشد. نکاتی که در این رابطه مهم به نظر می رسند، عبارتند از:

• خوردگی حفره ای شدن، شامل یک فرآیند آسیب موضعی لایه محافظ است که موجب افزایش تدریجی یون های کلرید و کاهش یون های هیدروکسیل، ناشی از هیدرولیز محصولات آندی، در ترکیب الکترولیت موجود در یک حفره در حال شکل گیری و گسترش، می گردد. این ویژگی ها به صورت شماتیک در شکل 5-10 نشان داده شده اند.
  
• حفره ای شدن، یک فرآیند تصادفی است و با فرض یکسان بودن دیگر پارامترها، با افزایش غلط یون کلرید نسبت به غلظت یون هیدرکسیل در فاز الکترولیت حجمی در تماس با فولاد، خطر افزایش می یابد. دلیل این مطلب توسط مطالعات اولیه رفتار فولاد در محیط های آبی قلیایی جهت شبیه سازی محلول های حفره ای بتن، به دست آمده است. این دلیل، توسط بررسی های رفتار فولاد در نمونه های آزمایشگاهی بتنی در معرض ورود کلرید و تجزیه و تحلیل محلول حفره ای، تایید گردید که نتایج آن در شکل 5-11 نشان داده شده است.

شکل 5-10- تغییرات ترکیب الکترولیت در یک حفره در حال ایجاد

شکل 5-11- رابطه میان نرخ خوردگی آرماتورهای فولادی مدفون و سبت غلظت یون کلرید: هیدروکسیل در مایع حفره ای مجاور آنها در بتن

اما توجه کنید که نسبت بحرانی 3 [Cl-]/[OH-]~، که در آن احتمال آغاز خوردگی در نمونه های آزمایشگاهی نشان داده شده توسط داده های موجود در شکل 5-11، شروع به افزایش می نماید، براساس مطالعات مربوط به محیط های قلیایی آبی جهت شبیه سازی محلول های حفره ای بتن، بسیار بیشتر از نسبت های بحرانی متناظر با مقدار 1> می باشد.

• برای فولاد داخل بتن، خظر ایجاد خوردگی حفره ای شدن در یک غلظت مشخص کلرید در نمونه های آزمایشگاهی به دقت ساخته شده، اغلب بسیار پایین تر از خطر خوردگی متناظر در ساختمان های واقعی با همان غلظت کلرید می باشد. بنابراین، نرخ های خوردگی در شکل 5-11، هنگام ترسیم در برابر مقدار کل کلریدی که به صورت ساده تری اندازه گیری شده است (بیان شده برحسب جرم سیمان)، رابطه ای را به دست می دهد که نشان می دهد که خطر خوردگی قابل ملاحظه تا رسیدن به یک سطح آستانه برای کلرید به اندازه حدود 5/1%، قابل اغماض می باشد. با این وجود، همانگونه که در جدول 5-2 نشان داده شده است، آمارهای اولیه مربوط به پل های بتن مسلح بزرگراه انگلستان نشان داده بود که سطوح کلرید کاملا پایین تر از این حد (در محدوده 2/0 تا 4/0 درصد وزنی سیمان) می توانند خطر خوردگی قابل ملاحظه ای را ایجاد نمایند، و نتایج مشابه بسیاری نیز از آمارهای ساختمان انگلستان به دست آمد.

سرطان بتون

پیشنهاد گردید که اختلاف عملکردی میان سازه های واقعی و نمونه های آزمایشگاهی، لااقل تا حدی ناشی از تفاوت های موجود در یکپارچگی و سالم بودن لایه میانی محصولات هیدراسیون سیمان بوده است که در مجاورت لایه محافظ بر روی فولاد داخل بتن تشکیل می شوند. این لایه میانی که به نظر می رسد هم الکترولیت را در مجاورت محل های اولیه آندی، بافر (میانگیری) نموده (و در نتیجه از اسیدی شدن موضعی مورد نیاز برای رشد پیوسته حفرات، جلوگیری می نماید) و هم مجاورت یون های کلرید به سمت آندهای موضعی را محدود می سازد، در برابر قطع و گسیختگی توسط حفرات بزرگ تر، ترک ها و غیره، بسیار آسیب پذیرتر می باشد. اخیرا شواهی در دفاع از این فرضیه ارائه شده است که این شواهد از طریق اندازه گیری های اثر حفرات میانی عمدا ایجاد شده، بر روی آستانه کلرید در نمونه های آزمایشگاهی و نیز بررسی اثرات نقص های میانی ایجاد شده بر اثر آب انداختگی به وجود آمده در ستون های بتن مسلح، به دست آمده اند.

• تاثیر پتانسیل فولاد بر خطر خوردگی که در مقالات وب سایت رسمی کلینیک بتن یران(مهندسین مشاور اثر مهرازان پایدار) به آن اشاره گردید، موجب ایجاد افزایش در حوزه های رفتاری مختلفی برای فولاد داخل بتن می گردد که نمودار آن در شکل 5-12 نشان داده شده است.

جدول 5-2- رابطه میان مقدار کلرید و میزان ترک خوردگی ناشی از خوردگی در پل بتن مسلح بزرگراه در انگلستان

شکل 5-12- محدوده های تقریبی رفتار الکتروشیمیایی فولاد در بتن با سطوح مختلف آلودگی کلریدی

کاهش متوسط پتانسیل فولاد در اثر محدودیت وجود اکسیژن یا اعمال پیشگیری کاتدی (A تا B)، پیش از 
آنکه نفوذ قابل توجه کلرید در پوشش بتن اتفاق بیفتد (B تا C) منجر به حالت «حفاظت ناقص» شده و 
موجب توقف حفره شوندگی می گردد.

تحت شرایط محیطی طبیعی اشباع از آب که در آن دسترسی به اکسیژن محدود شده است، پتانسیل فلز تا مقادیری که اغلب منفی تر از mV500- (مقیاس SCE) و معمولا زیر Ep می باشند، کاهش می یابد؛ اگر این اتفاق بیفتد، آنگاه فرآیند حفره ای شدن در آغاز متوقف می شود، اگر چه که بتن عاری از اکسیژن ممکن است پس از آن، با غلظت های نسبتا بالای کلرید آلوده گردد که این شرایط الکتروشیمیایی ، «شرایط ناقص تشکیل لایه محافظ» نامیده می شود. اگر پتانسیل فولاد باز هم تا مقادیر زیر Er کاهش یابد، سرانجام ممکن است یک حالت حفاظتی پایدارتر به نام «شرایط ایده آل تشکیل لایه محافظ» به وجود بیاید که در آن شرایط تشکیل مجدد لایه محافظ برای حفات موجود قبلی، ایجاد می گردد.