افزودنی های بازدارنده خوردگی

در کشورهایی که ریزش سنگین برف داریم و شرایط زمستانی شدیدی حاکم است، مقادیر زیادی نمک برای برداشتن و رفع یخ ها و برف از روی کف ها و روسازی ها استفاده می شود. استفاده مکرر از نمک موجب تخریب هزاران پل و دیگر سازه های بزرگ راه ها و عرشه های پارکینگ ها شده است. تهاجم یون کلرید از طریق ترک ها رخ می دهد، همزمان با اینکه آب مملو از نمک به نمک وارد می شود و بسیار سریع به آرماتور فولادی می رسد؛ خوردگی فعال هم ایجاد زنگ زدگی حجیم می کند که موجب تنش های کششی می شود و سبب ترک خوردگی بیشتر بتن می شود. ترک خوردگی های انبساطی هم زمان با پوسته پوسته شدن به دلیل این خوردگی و فعالیت چرخه ذوب انجماد منجر به پ.سته پوسته شدن بتن و جداشدگی ذرات آن از هم می شود.

ژل سیلیکافیوم آب بندی

چندین روش پیش گیرانه همچون پوشش بتنی با کیفیت بالا، میل گردهای با پوشش اپوکسی، پوشش دادن سطح با غشاءها و پوسته های الاستومتریک مقاوم در برابر رطوبت، ایجاد روپوش لایه ای با بتن با چگالی بالا و نفوذپذیری پایین با روکش (topping) اصلاح شده با لاتکس برای کنترل خوردگی استفاده شده است. بسیاری از این تدابیر پیشگیرانه خوردگی بتن را با کاهش نفوذپذیری و کربوناسیون کاهش و مقاومت بتن را افزایش می دهد. علیرغم کاربرد این تدابیر در وهله اول بتن ترک می خورد، پوشش ها و پوسته ها کنار می روند و به آب مملو از نمک اجازه ورود داده می شود. مواد افزودنی مانع از خوردگی معمولا در وهله دوم برای جلوگیری از خوردگی هایی که به دلیل ترک خوردگی ممکن است اتفاق بیفتد، به کار گرفته می شود. بنابراین، حفاظت فراهم شده برای آرماتورها توسط بتن با قلیایی بالا ممکن می وشد که با کاربرد مواد افزودنی مانع از خوردگی زیاد شود.

پارامترهای مواد

مواد به کار برده شده به عنوان موانع خوردگی نباد سمی باشند یا خطرات زیست محیطی ایجاد نمایند و باید:

1. در PH و دمای محیطی که در آن استفاده می شوند، موثر باشد.
2. خصوصیات الکترون گیرندگی یا دهندگی قوی داشته باشد.
3. ویژگی های انحلال پذیری خوبی داشته باشد.
4. به سرعت سطح فولاد را اشباع کند.
5. قطبی شدن را در الکترون های متوالی در مقادیر جریان نسبتا پایین مربوط به خود القاء کند.
6. با دیگر مواد مورد استفاده در بتن سازگار باشد.
7. به طور معکوس بر دوام بتن تاثیر نگذارد.
8. خیلی به خمیر سیمان جذب نگردد، بنابراین مقدار اصلی ماده افزودنی اضافه شده برای ممانعت از خوردگی در دسترس باشد.
9. سرعت هیدراتاسیون را چندان تغییر ندهد.
   

متوقف کننده های خوردگی بتن

یک ماده افزودنی مانع (مقاوم کننده) خوردگی ترکیبی شیمیایی است که وقتی در غلظت های اندک به بتن یا ملات اضافه شود، به طور موثری خوردگی را کنترل کند یا به تعویق بیندازد. این مواد افزودنی می توانند به سه دسته بزرگ تقسیم شود: آندی، کاتدی و مخلوط. شش نوع مکانیسم، یعنی آندی (کنش کننده اکسید کننده)، آندی (کنش کننده غیر اکسید کننده)، کاتدی، ته نشینی (اثرات آندی و کاتدی)، اکسیژن زدایی و فرم دهی لایه ای (جذب روی سطح فولاد) از سوی انجمن ملی مهندسین خوردگی (NACE) شناخته شده است.
مقاوم کننده های آندی همچون نیتریت ها، کرومات ها و مولیبدات ها کنش کننده های اکسید کننده قوی هستند. آنها لایه اکسیدی محافظی را روی فولاد تقویت می کنند وگرنه حضور یون های کلریدی را می شکند. این مکانیسم مستلزم یک واکنش ریدوکس (redox) بوده که در آن یون های کلرید و نیتریت مربوط به واکنش های رقابتی است؛ این مقاوم کننده کاهش یافته و فولاد به صورت زیر به اکسید آهن، اکسید می شود:

2Fe+2OH-+2NO222NO+Fe2O3+H2O

مقاوم کننده های خوردگی کاتدی نرخ خوردگی را به صورت غیر مستقیم، توسط به تاخیر انداختن در فرآیند کاتدی که مرتبط یا محلول آندی است، کاهش می دهند. در این فرآیند، دسترسی به گونه های کاهش پذیر همچون پروتون ها به منظور الکترواکتیو کردن ناحیه روی فولاد محدود می شود. فرآورده های واکنش مقاومت کننده های کاتدی ممکن است به آن شدتی که فرآورده های واکنش که به عنوان مقاوم کننده های آندی استفاده می شدند، به سطح فلزی پیوند نخورده باشند. بازدهی مقاوم کننده ها یکاتدی مربوط به ساختار مولکولی آن است. چگالی کلی الکترون زیاده شده و توزیع فضایی گروه ها، حد جذب روی فلز و در نتیجه بازدهی آن را تعیین می کند. مواد مقاوم کننده کاتدی که معمولا مورد استفاده هستند، برمبنای موادی همچون NaOH، Na2OH3 یا NH4OH، معمولا PH را از حد متوسط بالا می برند و در نتیجه انحلال پذیری یون فروس را پایین می آورد. دیگر مواد از جمله آنیلاین و فرم های جایگزین شده کلروآکلیل و نیترو به همراه گروه آمینواتانل، در سطح پیمانه مصرفی %2-1 وزن سیمان در حضور %2-1 CaCl2 موثر می باشند. قسمت اعظم کار روی آنیلان و فرم های جایگزین شده کلرو، آکلیل نیترو و مرکاپتوبنزو و تیازل انجام گرفته است. نمک های غیر معدنی همچون NaOH، Na2CO3 و NH4OH معمولا در پیمانه مصرفی %4-2 استفاده می شوند.

پربازدیدترین مطالب ما را دنبال کنید!
ژئوتکستایل چیست و چه کاربردی دارد؟
روش های تخصصی ترمیم بتن
بتن ریزی در هوای سرد چگونه انجام می شود

مقاوم کننده ها ممکن است به طور همزمان بر هر دو فرآیندهای آندی و کاتدی اثر بگذارد. یک مقاوم کننده مخلوط معمولا بیشتر مطلوب می باشد، چرا که اثر آن همه جانبه است و همچنین خوردگی ناشی از حمله کلریدی و ریز سلول ها روی سطح فلزی را پوشش می دهد. مقاوم کننده های مخلوط حاوی مولکول هایی هستند که در آن توزیع چگالی الکترون سبب می گردد که مقاوم کننده به هر دو محدوده کاتدی و آندی جذب شود. آنها مولکول های آروماتیک یا اولیفینیک هستند که هر دو گروه کاری شکل ��رفته پروتونی و دهنده الکترون همچون NH2 یا SH، همانند آمینوبنزن تیول می باشند. مقاوم کننده های مخلوط به طور مشابه در نرخ اضافه شدگی %2-1 استفاده می شوند.
چندین نوع مقوم کننده خوردگی در 20 سال اخیر مورد بررسی قرار گرفته است که شامل نیتریت های کلسیم و سدیم، سدیم بنزوت، سدیم یا پتاسیم کرومات، نمک های سدیم سیلیکات ها و فسفات ها، کلرید قلعدار، هیدرازین هیدرات، سدیم فلروفسفات، پرمنگنات، آنیلاین وترکیبات مربوط، قلیایی ها، آزیدها، فروسیانید، EDTA و بسیاری ترکیبات دیگر می شوند. با این وجود، به لحاظ رویه اجرایی در کارگاه های اجرایی و داده های تحقیقاتی، ترکیبات با پایه نیتریتی جایگاه ویژه ای را دارا می باشد. فرمولاسیون های افزودنی حاوی دو یا چند ترکیب است (چند مولفه ای) که در آن هر مولفه ای نقش ویژه ای را به عهده دارد یا اینکه ظرفیت های مقاوم کنندگی نسبت به خوردگی سایر اجزاء مورد استفاده را تکمیل و جبران می کند. مثلا، خوردگی فولاد در طی عمل آوری به وسیله بخار استفاده می گردد.

مقاومت کننده های با مبنای نیتریت

پرکاربردترین مقاوم کننده آندی عبارتند از کلسیم و سدیم نیتریت، سدیم بنزوات و سدیم کرومات می باشند. به جز کلسیم نیتریت، هیچ ماده شیمیایی دیگری در آمریکای شمالی به عنوان یک فرآورده اختصاصی در دسترس نیست. نیتریت ها به مدت بیش از 14 سال در ایالات متحده و به مدت 40 سال در اروپا مورد استفاده بوده است. کلسیم نیترات به عنوان یک تسریع کننده غیر کلریدی و همچنین یک مقاومت کننده برای خوردگی در بازار عرضه می شود. بسته به نوع کاربرد، در %30-25 جامدات در محلول، پیمانه مصرفی در محدوده 2 تا %4 وزن سیمان قرار می گیرد. کلسیم نیتریت در پل ها، پارکینگ ها و عرشه های سقف، سازه های دریایی و دیگر سازه های بتنی پیش تنیده که در معرض حمله کلریدی قرار دارند، مورد استفاده قرار گرفته است. سدیم نیتریت NaNO3 که یک پودر با روانی بالاست، به هنگام عدم حضور کلریدها در بتن های عادی و بتن های عمل آوری شده با بخار به صورت موثر با پیمانه مصرفی معادل با %2-1 وزن سیمان استفاده شده است. چندین پژوهشگر هم بازدهی سدیم نیتریت را در مورد مقاومت یا به تاخیر انداختن خوردگی تایید کرده اند. یکی از مسائل مرتبط با کاربرد NaNO3 تاثیرات مخربی است که بر مقاومت بتن می گذارد. همچنین نگرانی هایی در زمینه افزوده شدن سدیم نیتریت به بتن حاوی سنگدانه مستعد قلیایی شدن، مبنی بر اینکه امکان دارد انبساط سنگدانه های قلیایی بیشتر شود وجود دارد. چنانچه به میزان ناکافی از آن استفاده شود یا اینکه نسبتب ه مقاومت کننده به میزان کلرید کم باشد، خوردگی به شدت در یک منطقه متمرکز می شود که سبب ایجاد حفره های نامطلوب می گردد. بنابراین، به دلیل چنین محدودیت هایی کاربرد آن ها هم مقید می شود.
یک مطالعه 6 ساله (از 1200 نمونه با پوشش بتنی 3.1 اینچی (CM 3.3) که مربوط به 15 طرح اختلاط با پیمانه های مصرفی مختلف نیتریت که تا قسمتی در سدیم کلرید %3 غوطه ورند) نشان داد که کلسیم نیترات شروع خوردگی را به تاخیر انداخته و هنگامی هم که آغاز می شود، سرعت خوردگی به نسبت اعضایی که محافظت نشده اند، پایین تر باقی می ماند. مقاومت به خوردگی در بتن با نسبت آب به سیمان پایین تر بهتر و بیشتر می باشد. خوردگی توسط تکنیک مقاومت قطبی سازی، القاء شیمیایی و بازرسی چشمی توسط حذف دورهای نمونه ها اندازه گیری شد. نتایج داده می شود. مزیت های ادعا شده برای کلسیم نیتریت به نسبت سدیم نیتریت ها، شامل نشست پذیری کاهنده، شوره زدگی و پتانسیل برا یکاهش واکنش سنگدانه های قلیایی می شود.

شکل 6-9 خوردگی کلی انداره گیری شده از بتن با 2% کلسیم نیتریت

به منظور مقابله با خوردگی فولادهای تسلیح کننده به هنگامی که در معرض نمک قرار می گیرند، باید از اینکه چه میزان پیمانه مصرفی از مقاوم کننده بایستی افزوده شود آگاه باشیم. پیمانه مصرفی لازم به مقدار کلرید در بتن مربوط می باشد و توسط نسبت های کلرید نیتریت که خوردگی را کنترل خواهند کرد تعیین می گردد. براساس داده هایی که از مطالعات مختلف جمع آوری شده، Berke و Rosenberg نسبت هایی از کلرید- نیتریت را که د رآن خوردگی رخ می دهد، با استفاده از یک محلول کلسیم نیتریت %30 شناسایی کرده اند. اثر مقاوم کننده در برابر خوردگی ایجاد شده توسط کلسیم نیتریت در بتن در حضور کلریدها در شکل 10-6 نشان داده می شود. چنانکه می بینیم کنترل اثرات خوردگی وابسته به میزان یون کلرید حاضر در ناحیه آرماتورها و پیمانه مصرفی افزودنی ها می باشد. مطالعات صورت گرفته بر روی عرشه پل ها که روزانه در معرض نمک ها می باشند نشان داده شده که کلسیم نیتریت قادر است حفاظت در برابر خوردگی به عمل آورد (به شرطی که نسبت وزن کلسیم نیتریت (CL-/NO-2) فراتر از 5/1 نرود. برمبنای این نتایج برخی دستورالعمل ها برای الزامات مربوط به پیمانه مصرفی کلسیم نیتریت شکل می گیرد. این مقادیر در جدول 8-6 ارائه می شود.
کلسیم نیتریتی که با الزامات 494ASTM C همخوانی داشته باشد، دو نقش تسریع کننده مقاوم کننده خوردگی را دارد. این ماده زمان گیرش و همچنین سرعت رشد مقاومت در قیاس با بتن های عاری از مواد افزودنی را تسریع می کند (جدول 9-6). تسریع در زمان گیرش و سرعت رشد مقاومت هم زمان با اینکه پیمانه مصرفی افزایش می یابد، زیاد می گردد اماتاثیر اندکی بر میزان هوای موجود و اسلامپ دارد. کلسیم نیتریت هم با بتن فوم سیلیکا و خاکستر بادی سازگار است. در بتن های با کارایی بالا که حاوی یک فوم سیلیکا و خاکستر بادی سازگار است. در بتن های با کارایی بالا که حاوی یک فوم سیلیکا است، این ماده نقش برجسته ای در کنترل نفوذ کلریدی بازی می کند.

شکل 6-10 خوردگی در مقابل زمان در Nacl %3 به عنوان تابعی از نسبت آب به سیمان (w/c) و میزان کلسیم نیتریت موجود

جدول 6-8 الزامات پیمانه مصرفی برای کلسیم نیتریت در سطوح کلرید گوناگون

دو نوع از مقوم کننده های در برابر خوردگی با مبنای کلسیم نیتریتی هم اکنون در بازار عرضه می شوند. اولین نوع تسریع کننده مقاومت و گیرش است و نوع دیگر زمان گیرش عادی دارد. نوع اول توسعه مقاومت اولیه در بتن را افزایش می دهد و این تاثیر به همراه پیمانه مصرفی افزایش می یابد. اگرچه هر دوی آنها تا حدی می توانند میزان هوای محبوس کاهش دهند، هر دو مورد این افزودنی ها با همه تیپ های سیمان پرتلند و دیگر افزودنی ها سازگار هستند. انجماد هر دوی این افزودنی ها حدودا در دمای -15°C رخ می دهد، ولی خصوصیات مقاوم کنندگی در برابر خوردگی توسط فرآیند ذوب و هم زدن دقیق ذخیره می گردد. تعدیل (اصلاح) آب اختلاط (با استفاده از فاکتور اصلاح برابر 0.635 کیلوگرم آب در لیتر است) به هنگام کاربرد این مواد افزودنی ضروری می باشد.

جدول 6-9 خصوصیات مکانیکی بتن حاوی کلسیم نیتریت

ترکیبات شیمیایی نیتریتی یا دیگر ترکیبات شیمیایی

اگر چه ترکیبات مولیبدات برای اهداف مقاوم کنندگی برای خوردگی توصیه شده اند، اما این مواد تاکنون به عنوان مقاوم کننده ها در کارهای بتنی استفاده نشده است. آزمایش ها در مورد اثر سینرجیک یک ترکیب کلسیم- نیتریت- سدیم- مولیبدات (5/4 قسمت به 1 قسمت) روی خوردگی فولاد در بتن نشان می دهد که در نسبت مقاوم کننده به کلرید 1:11 مواد افزودنی مرکب فولاد را مقابل خوردگی حفاظت می کنند و از زمانی که کلسیم نیتریت به تنهایی استفاده شود، موثرتر عمل می کند.
سدیم بنزوات به تنهایی در سازه های بتنی که در معرض حمله خوردگی شدید هستند و همچنین در ترکیب با سدیم نیتریت در دوغاب های سیمانی برای رنگ کاری آرماتور فولادی پیش از قرار دادن در بتن مورد استفاده قرار گرفته است. تحقیقی که Lewis و همکارانش انجام دادند، نشان داد که بتنی که به آن %2 بنزوات اضافه شود، زمان های گیرش مشابهی با بتن های کنترلی داشته، اما مقاومت های فشاری تا %40 کاهش یافت. با این وجود Lewis و همکارانش نتیجه گیری کرده اند که سدیم بنزوات دارای تاثیر مقاوم کنندگی پایدارتری از کلسیم نیتریت است.

مقاوم کننده های فسفاتی

خصوصیات مقاوم کننده در برابر خوردگی ترکیب Na2PO3F، توسط Andrade مورد آزمایش قرار گرفت. اولین کار را با لحاظ کردن این ماده در یک ملات به عنوان ماده نفوذی انجام داد. این ترکیب در حال حاضر به عنوان یک فرآورده اختصاصی در دسترس می باشد. حداقل نسبت لازم فسفات به کلرید به اندازه 1:1 مطرح شده است. مکانیسم عملکرد این افزودنی پایدار کردن لایه غیرفعال اکسید آهن می باشد و همچنین چگالی بتن را افزایش می دهد. بنابراین کاهش دادن زیری یون های کلرید، در مخلوط هایی که بیشتر مگر هستند به نوعی تاخیر را صورت می دهد. این ماده با دیگر مواد افزودنی سازگار ست و به خصوص در بتن های ��اوی مواد پزولانی موثر می باشد.

مواد معدنی با آبی

مواد با مبنای آبی شامل مواردی همچون آمین، استر و آلکیل سیلان ها می باشند. آمین هایی با مبنای ابی و استرها هیچ اثری بر اسلامپ و سرعت سخت شدگی بتن ندارد. این مواد خوردگی فولاد را در اعضای ترک خورده و ترک نخورده به تاخیر می اندازد. بازدهی ماده افزودنی به یک مکانیسم دوگانه مقاوم در برابر خرودگی، یعنی جلوگیری از حمله کلریدی و رطوبت و تشکیل یک لایه محافظ روی سطح فولاد نسبت داده می شود. مولکول های استر حاصل از مواد افزودنی به خطی سازی حفره های موجود رد بتن گفتهمی شود، بنابراین مقاومت به رطوبت و نفوذ کلریدی را افزایش می دهد. حال آنکه ویژگی های فرم دهی لایه ای آمین جذب مولکول ها روی سطح فولاد را ارتقاء می دهد، که موجب فراهم آمدن یک لایه محافظ شده که رطوبت و کلریدها را بیرون نگه می دارد.

دومزیت خاص که تولیدکنندگان این مواد ادا می کنند عبارتست از:

1- در همه کیفیت های بتن موثر می باشد و 2- از «حدس زدن» درباره بارگذاری کلریدی در "تعیین پیمانه مصرفی لازم" بی نیاز می گردیم. 
پیمانه بهینه مصرفی توصیه شده برای حفاظت در برابر خوردگی به میزان یک گالن در هر یارد مکب (5lit/m3) است. طبق گزارشات این ماده افزودنی به افزایش در مقدار عامل هوازا نیاز خواهد داشت تا به یک میزان هوای مشخص برسد. همچون اغلب امولسیون ها، لازم است تا ماده افزودنی در مقابل یخ زدگی و حرارت محافظت شود و در دمای بالاتر از 1/7°C و کمتر از 52°C ذخیره گردد.
مواد افزودنی مقاوم کننده برابر خوردگی همچنین گیرش بتن را تسریع می کنند. لذا هنگامی که دماهای محیطی و اختلاط فراتر از 35°C می رود، احتمالا نیاز است که یک افزودنی دیرگیرکننده به ترتیب اضافه گردد. از طرفی ممکن است نیاز باشد تا به مقاوم کننده های در برابر خوردگی دیرگیر کننده یک تسریع کننده افزوده شود تا تاخیر در رشد مقاومت اولیه را جبران نماید (مثلا، کاربرد سدیم نیتریت به همراه سدیم بنزوات).