خطر خوردگی ناشی از مقاوم سازی با CFRP در بتن

خطر خوردگی ناشی از مقاوم سازی با CFRP در بتن یکی دیگر ازمسئلی‌ست که ممکن است در ساختمان سازی اتفاق بی‌افتد. پدیده های گالوانیکی در سازه های بتن مسلح اغلب هنگامی اتفاق می افتند که میلگردهای فولادی در حال خورده شدن در بتن آلوده به کلرید، در تماس با میلگردهای فولادی مقاوم (دارای لایه محافظ) موجود در داخل بتن با مقدار کلرید کمتر قرار می گیرند. آزماتور مقاوم، کاتد این ماکروکوپل است، درحالی که آرماتور فعال، به طور آندی قطبیده شده و افزایش نرخ خوردگی را تجربه می کند. در ادامه این مقاله از کلینیک بتن، بیشتر با خطر خوردگی ناشی از مقاوم سازی با CFRP در بتن آشنا خواهید شد.

جفت شدگی گالوانیکی

جفت شدگی گالوانیکی همچنین ممکن است هنگام ترمیم سازه دچار خوردگی از طریق جایگزینی بتن آسیب دیده با ملات قلیایی بدون کلرید، اتفاق بیفتد. اگر بتن در ناحیه اطراف وصله ترمیمی حاوی مقدار زیادی کلرید باشد، یک ماکروکوپل بین میلگردهای با تشکیل مجدد لایه محافظ در تماس با ملات ترمیم و میلگردهای بدون لایه محافظ در بتن اولیه آلوده به کلرید، اتفاق می افتد. بنابراین، آسیب خوردگی اولیه می تواند در ناحیه اطراف وصله ترمیمی اتفاق بیفتد. به همین دلیل، در بهسازی سازه های آسیب دیده بر اثر خوردگی ناشی از کلرید، توصیه می شود که حتی بتنی که از نظر مکانیکی سالم است نیز در صورتی که حاوی مقدار زیادی کلرید باشد، باید برداشته شود.

خطر خوردگی گالوانیکی ممکن است هنگام استفاده مصالح جدید برای ترمیم نیز اتفاق بیفتد. برای مثال، در گذشته نگرانی زیادی درباره استفاده از میلگردهای فولادی ضدزنگ ابراز می شد. در حال حاضر، به وضوح نشان داده شده است که میلگردهای فولادی ضد زنگ؛ خطر خوردگی جفت شدگی گالوانیکی در سازه های بتن مسلح را افزایش نمی دهند. در حقیقت، به دلیل ولتاژ بالای واکنش کاتدی تکامل اکسیژن، فولاد ضد زنگ در مقایسه با فولاد کربنی معمولی، کاتد ضعیفی محسوب می گردد.

مواد غیر فلزی

حتی مواد غیر فلزی نیز می توانند محیط هایی را برای وقوع واکنش کاتدی فراهم نمایند و در نتیجه می توانند ماکروکوپل هایی با فولاد کربنی در حال خورده شدن را تولید نمایند. این حالت، برای مواد مرکب الیاف کربن (پلاستیک های مسلح به الیاف کربن، CFRP) صدق می کند. نشان داده شده است که میلگردهای ااز جنس CFRP می توانند یک ماکروکوپل را بر روی آرماتور فولادی، در بتن آلوده به کلرید ایجاد نمایند. به چندین دلیل که اساسا مربوط به نگرانی هایی درباره دوام و عملکرد بلندمدت است، میلگردهای CFRP و میلگردهای پیش تنیدگی به ندرت استفاده می شوند، درحالی که CFRP اغلب برای مقاوم سازی سازه ای (مثلا برای مقاوم سازی لرزه ای) و بهسازی سازه های آسیب دیده، مورد استفاده قرار می گیرد. بافت الیاف کربنی مقاومت بالا، به صورت لایه ها یا صفحاتی به سطح بتن چسبانده می شوند و چسب های اپوکسی معمولا برای چسباندن، مورد استفاده قرار می گیرند. وزن پایین و انعطاف پذیری طراحی بالای مواد مرکب، این فناوری را بسیار محبوب ساخته است. با این وجود، دوام این سیستم پیچیده، شامل ترکیب ماده مرکب، چسب و بتن مسلح، باید مورد مطالعه قرار گیرد. به علاوه هنگام بکارگیری مواد مرکب برای سازه های آسیب دیده بر اثر خوردگی، باید مشخص شود که هدف از این مواد تنها مقاوم سازی سازه بوده و ترمیم مناسب باید پیش از کاربرد مواد مرکب، صورت گیرد تا از خوردگی بعدی میلگرد جلوگیری نماید.

در واقع، در صورت استفاده از مواد مرکب الیاف کربن، احتمال اثر مضر این مواد مرکب ناشی از اثرات گالوانیکی احتمالی، می تواند وجود داشته باشد.

در این مطالعه، پیامدهای استفاده از CFRP تجاری از نظر خوردگی آرماتور در سازه های آلوده به کلرید، مورد بررسی قرار می گیرد. اثرات جفت شدگی گالوانیکی ایجاد شده توسط این مواد، بررسی شده و با اثرات معمول ایجاد شده بر اثر تماس میان آرماتور فعال (درحال خورده شدن) و میلگردهای غیرفعال (که در حال خورده شدن نیستند) از جنس فولاد کربنی معمولی و فولاد ضدزنگ، مقایسه شده است.

روش آزمایش

آزمایش ها با استفاده از لایه ها (Sika Carbodur) و صفحات (Sikawrap HEX230C) تجاری از الیاف کربن یک جهته صورت پذیرفت. به منظور بررسی خطرات احتمالی جفت شدگی گالوانیکی ناشی از مواد مرکب، یکسری آزمایش ها بر روی نمونه نشان داده شده است. در یک بخش از نمونه، میله ای از جنس فولاد کربنی (به قطر mm10) در داخل بتن حاوی کلرید به مقدار 3% جرم سیمان قرار داده شد و یک لایه CFRP (به عرض mm15 و ضخامت mm 4/1) در داخل بتن بدون کلرید در بخش مجاور قرار گرفت. بتن با نسبت آب به سیمان 55/0، سیمان پرتلند به مقدار kgm-3350 و سنگدانه های آهکی به مقدار kgm-31900 مخلوط گردید و کلرید به صورت CaCl2 به آب اختلاط اضافه گردید. میله از جنس فولاد کربنی به صورت الکتریکی به لایه اتصال یافت. جریان ماکروسل توسط افت اُهمی بر روی یک مقاومت موازی Ω100 مورد ارزیابی قرار گرفت؛ پتانسیل های فولاد و لایه CFRP در برابر الکترودهای مرجع داخلی از جنس تیتانیوم فعال اکسید فلز مخلوط (MMO)، اندازه گیری گردید. آزمایش ها در یک اتاقک محیطی صورت پذیرفت؛ رطوبت 95% و رطوبت نسبی (rh) 65% و دما (°C 60، 40 و 20) در گام های حداقل 15 روزه تغییر داده شد. آزمایش های مقایسه نیز با استفاده از میله های mm10 گرافیت، فولاد کربنی یا فولاد ضد زنگ L316 (EN 1.4401) در محل لایه CFRP انجام گرفت.

تصویر شماتیک نمونه ها (ابعاد برحسب cm). یک میله از جنس فولاد کربنی در داخل بتن حاوی 3% کلرید برحسب وزن سیمان قرار داده شده و با موارد زیر کوپل گردید: (a) لایه قرار گرفته در داخل بتن بدون کلرید (نمونه های دیگر دارای میله ای از جنس فولاد کربنی، فولاد ضد زنگ یا گرافیت در محل لایه CFRP بودند)، (b) لایه یا صفحات چسبانده شده به دو سطح مقابل، (c) صفحه CFRP دورپیچ شده

در نمونه های ��الا، میله در حال خورده شدن فولاد کربنی که در بتن با 3% کلرید برحسب جرم سیمان قرار گرفته بود، به طور همزمان با یک لایه و یک صفحه چسبانده شده به سطح بتن کوپل گردید. هر دو لایه و صفحه دارای عرض mm 25 بودند. دو سیستم ویژه اپوکسی نیز برای اعمال به لایه و صفحه، با توجه به دستورالعمل سازنده، مورد استفاده قرار گرفت. آزمایش های اپوکسی نیز برای اعمال به لایه و صفحه، با توجه به دستورالعمل سازنده، مورد استفاده قرار گرفت. آزمایش های ماکروسل در محیطی مشابه محیط نمونه های حاوی لایه داخلی قرار گرفته در داخل نمونه ها، انجام شدند. سپس، لایه ای از ملات به ضخامت cm 5/1 برای پوشش دادن لایه و صفحه اعمال گردید و تغییرات در چگالی جریان ماکروکوپل، کنترل و ثبت گردید. آزمایش های جفت شدگی گالوانیکی همچنین بر روی نمونه نشان داده شده که با صفحه CFRP برای طول cm 10 دورپیچ شده بود، صورت گرفت.

رفتار کاتدی مواد در محیط های قلیایی با آزمایش های قطبش در محلول اشباع Ca(OH)2 (Hp برابر 5/12) مورد مطالعه قرار گرفت. نمونه ها پیش از آزمایش، برای مدت 48 ساعت در محلول غرقاب شدند. آزمایش های پتانسیودینامیکی با یک نرخ روبش کاتدی mV min 120-  از پتانسیل خوردگی آزاد تا VVS.SCE 2/1- انجام شدند.

لایه CFRP قرار گرفته در داخل بتن

نتایج جفت شدگی گالوانیکی بین یک میله فولادی در حال خورده شدن در بتن آلوده به 3% کلرید برحسب جرم سیمان و مواد کاتدی مختلف را نشان می دهد. پیش از جفت شدگی، در دمای °C20 و رطوبت نسبی 95%، میله های فولاد کربنی در حال خورده شدن، دارای پتانسیل های خوردگی آزاد در حدود mVVS.MMO 500- و نرخ های خوردگی بالاتر از mA m 220- بودند (ارزیابی شده با اندازه گیری های مقاومت قطبش).

فولاد کربنی مقاوم در بتن بدون کلرید دارای یک پتانسیل خوردگی آزاد در حدود mVVS.MMO50- بود؛ پتانسیل اندازه گیری شده مربوط به میله فولادی ضدزنگ، لایه CFRP و میله گرافیت در حدود mVVS.MMO 100- بود.

با ایجاد اتصال الکتریکی، یک جریان ماکروکوپل از میله با جنس فولاد کربنی در حال خورده شدن در بتن با 3% (آند)، به سمت میله مقاوم با لایه CFRP (کاتد) برقرار گردید. تغییراتی در پتانسیل و چگالی جریان ماکروکوپل به زودی پس از 15 روز در رطوبت نسبی 95-98% اتفاق افتاد. چگالی جریان از مقادیر اولیه بالاتر از mA m-2100 به مقادیر کمتر و پایدارتر در مدت چند ساعت کاهش یافت. تغییرات ایجاد شده در پتانسیل و ماکروکوپل اساسا محدود به کاتد بودند که کاهشی از حدود mVVS.MMO 100- به مقادیر 300- تا mVVS.MMO 400- را نشان دادند. برعکس، پتانسیل فولاد کربنی در حال خورده شدن، تنها افزایش کوچکی را نشان داد.

تصاویر نشان می دهد که جریان ماکروکوپل ایجاد شده بر اثر جفت شدگی میان فولاد کربنی فعال و فولاد کربنی مقاوم، در مدت دوره قرارگیری در معرض دمای °C20 و رطوبت نسبی 95% در حدود mA m2 10 بود. با یک کاتد فولاد ضد زنگ 316L، جریان ماکروکوپل به میزان قابل ملاحظه ای کمتر بود (mA m-2 2). برعکس، لایه CFRP، منجر به یک چگالی جریان بالاتر به اندازه 35 تا mA m-2 40 گردید. بنابراین، به نظر می رسد که کوپلینگ (جفت شدگی) با ماده مرکب، خطرناک تر از کوپلینگ با فولاد کربنی مقاوم باشد.

با مقایسه نتایج به دست آمده از لایه CFRP با یک میله گرافیت با سطح معادل، یک شباهت اساسی قابل مشاهده است . جریان ها همواره مقادیر مشابهی را در کل مدت شرایط حاکم نشان دادند. این مطلب می تواند نشنگر آن باشد که خمیر اپوکسی لایه CFRP نمی تواند الیاف را از بتن جدا کند و امکان ایجاد فرآیند کاتدی را همانند یک جزء گرافیت با سطح مشابه، فراهم می نماید.

تفاوت های موجود درچگالی جریان ماکروکوپل برای نمونه های با هندسه و شرایط محیطی یکسان که در مشاهده می شود، تنه از طریق رفتار کاتدی متفاوت مواد کوپل شده با فولاد کربنی درحال خورده شدن قابل توضیح است. نتایج آزمایش های قطبش پتانسیودینامیکی در محلول اشباع Ca(OH)2 را نشان می دهد.

می توان مشاهده نمود که منحنی قطبش کاتدی فولاد ضد زنگ نسبت به منحنی فولاد کربنی، به سمت پتانسیل های منفی تر جابجا شده است، درحالی که منحنی های لایه CFRP و گرافیت به سمت پتانسیل های مثبت تر جابجا شده اند. این مطلب تایید می نماید که فولاد ضد زنگ نسبت به فولاد کربنی دارای ولتاژ بیشتری برای واکنش کاتدی کاهش اکسیژن است و در نتیجه هنگام قطبیده شدن کاتدی، برای یک پتانسیل مشخص می تواند یک چگالی جریان کاتدی کمتری را ایجاد نماید. با این وجود، لایه CFRP و گرافیت دارای ولتاژهای پایین تری بوده و چگالی جریان کاتدی آنها برای یک پتانسیل مشخص، بیشتر است. درحقیقت، لایه CFRP یک ماده کاتدی نسبتا موثر بوده و هنگام قطبیده شدن به صورت کاتدی از طریق کوپلینگ با فولاد در حال خورده شدن، می تواند جریان های ماکروسل بزرگی را تولید نماید.

آزمایش های ماکروکوپل بین میله های فولاد کربنی در حال خورده شدن در بتن با 3% کلرید و (a) فولاد کربنی مقاوم در بتن بدون کلرید، (b) فولاد ضد زنگ L316، (c) لایه، (d)CFRP گرافیت. پتانسیل فولاد کربنی در حال خورده شدن (Δ)، پتانسیل ماده کاتد (O)، و جریان ماکروکوپل (-)

منحنی های قطبش کاتدی در محلول اشباع Ca(OH)2 برای مواد بررسی شده در این مطالعه

به روشنی می توان دریافت که جریان ماکروسل تحت تاثیر مقاومت الکتریکی بتن و در نتیجه مقدار رطوبت آن است. تصاویر نشان می دهد که با کاهش رطوبت نسبی از 95% به 65%، چگالی جریان ماکروسل به طور پیوسته با زمان کاهش یافته و پتانسیل ها افزایش یافته اند. با این وجود، تفاوت رفتار ماکروکوپل برای مواد کوپل شده با فولاد کربنی فعال، قابل تایید است.

صفحه و لایه CFRP چسبانده شده

حالتی که تا اینجا مورد بررسی قرار گرفت، یعنی حالتی که مواد مرکب در داخل بتن قرار گیرند، در واقع تنها در صورتی اتفاق می افتد که CFRP به صورت میلگردهای مسلح سازی استفاده شود. وقتی این مواد مرکب برای مقاوم سازی سازه های موجود آسیب دیده بر اثر خوردگی استفاده می شوند، معمولا به سطح سازه بتنی چسبانده می شوند. با این وجود، حتی در این حالت نیز این مصالح ممکن است در تماس با آرماتور قرار گرفته و کوپلینگ گالوانیکی اتفاق بیفتد.

تصاویر چگالی های جریان ماکروسلی را نشان می دهد که از طریق کوپل نمودن یک میله فعال فولاد کربنی در بتن حاوی 3% کلرید با لایه و صفحه CFRP چسبانده شده به صورت خارجی به سطح بتن، اندازه گیری شده اند. برای مقایسه، نتایج مربوط به لایه CFRP قرار گرفته در داخل بتن نیز گزارش شده است. آزمایش ها در دماهای 20، 40 و °C60 و رطوبت نسبی 95% انجام شد. هنگامی که لایه در داخل بتن مدفون بود ، چگالی جریان ماکروکوپل در دمای °C20 دارای مقادیری در حدود mA m2 40 است؛ با افزایش دما به °C40، یک افزایش جزئی مشاهده گردید. در پایان مرحله قرارگیری در دمای °C40، بر اثر خوردگی آرماتور فولاد کربنی، پوشش بتن دچار ترک گردید. این ترک حتی در مدت آزمایش در دمای °C60 که مقادیر 10 تا mA m-2 14 اندازه گیری شدند، موجب کاهش چگالی جریان گردید.

لایه CFRP چسبانده شده به سطح بتن منجر به جریان ماکروسلی بسیار کمتر از جریان اندازه گیری شده با لایه قرار گرفته در داخل بتن گردید. در دمای °C20، این جریان به کمتر از mA m-2 1 و در یکی از دو نمونه مشابه، حتی به مقدار mA m-2 1/0 رسید. صفحه چسبانده شده به صورت خارجی نیز یک جریان ماکروکوپل به اندازه mA m-2 1/0 را تولید نمود .

چگالی جریان ماکروکوپل اندازه گیری شده با زمان برای نمونه های قرارگیری در معرض رطوبت نسبی 95% و دماهای مختلف که در آنها یک میله فولاد کربنی در بتن با 3% کلرید با مواد زیر کوپل گردید: (a) لایه CFRP قرار گرفته در بتن بدون کلرید، (b) لایه CFRP چسبانده شده به صورت خارجی، (c) صفحه CFRP چسبانده شده به صورت خارجی، (d) صفحه CFRP پیچیده شده به دور نمونه بتنی

افزایش دما تا 40 و °C60 منجر به نتایج مبهمی در هر دو مورد لایه و صفحه چسبانده شده به موازات میله فولادی گردید. در حقیقت، اغلب با افزایش دما، کاهشی در جریان مشاهده گردید . این کاهش در واقع بر اثر ترک خوردگی نمونه ناشی از خوردگی میله فولادی در بتن با 3% کلرید برحسب جرم سیمان در مدت قرارگیری در معرض دمای بالا، رخ داده بود. اثر دما در نمونه دورپیچ شده با صفحه CFRP واضح تر بود، زیرا هندسه این نمونه، امکان برقراری جریان ماکروکوپل حتی پس از ترک خوردگی پوشش بتنی را فراهم می ساخت. به علاوه دورپیچ نمودن با CFRP می توانست عرض ترک را نیز محدود سازد.

تصاویر نتایج چگالی جریان ماکروپل در طول آزمایش های مختلف را به صورت تابعی از  دما نشان می دهد. لایه قرار گرفته در داخل بتن منجر به چگالی جریانی بیشتر از mA m-2 10 حتی پس از ترک خوردگی نمونه های بتنی گردید. چگالی جریان تولید شده توسط لایه CFRP چسبانده شده به سطح بتن، با بزرگی توان دوم کوچکتر بود، چنانکه برای صفحه چسبانده شده نیز همین حالت برقرار بود . با وجود چندین افت در چگالی جریان ماکروکوپل ناشی از ترک خوردگی نمونه، می توان مشاهده نمود که به طور کلی جریان با افزایش دما از 20 به °C60 افزایش یافته است. با این وجود، جریان برای ماده مرکب چسبانده شده به سطح بتن همواره قابل صرف نظر بود؛ تنها در دمای °C60 مقادیر چگالی جریان برای نمونه دورپیچ شده به mA m-21 رسید.

اثرات دما بر چگالی جریان ماکروکوپل (مقادیر پایدار) تولید شده در رطوبت نسبی 95% توسط: (a) لایه CFRP قرارگرفته در داخل بتن و چسبانده شده به سطح خارجی؛ صفحه CFRP چسبانده شده به یک طرف و پیچیده شده به دور نمونه بتنی. علائم خاکستری، نتایج به دست آمده پس از ترک خوردگی پوشش بتنی را نشان می دهند.

این نتایج نشان می دهد هنگامی که لایه ها و صفحات CFRP به سطح بتن چسبانده می شوند، حتی در صورت تماس اتفاقی آنها با فولاد در حال خورده شدن، باید جریان های ماکروسل قابل اغماضی تولید شود. اپوکسی مورد استفاده جهت چسباندن کامپوزیت به سطح بتن، هرچند جداسازی بن و لایه ها را کاملا انجام نمی دهد، اما تا حد زیادی پیوستگی الکترولیتی با بتن را کاهش می دهد. با این وجود، پیوستگی الکترولیتی در صورتی که یک پوشش ملات سیمان (مثلا یک اندود) به سیستم مقاوم سازی CFRP اعمال شود، ممکن است مجددا برقرار گردد. درحقیقت، در این حالت ممکن است CFRP در تماس با لایه ملات و در نتیجه در تماس با بتن زیرین قرار گیرد. اثر ایجاد شده توسط اعمال یک لایه cm1 از ملات بر روی نمونه های از نوع نشان داده شده در تصاویر را نشان می دهد. لایه ملات ابتدا به یک وجه نمونه ها، یعنی محل چسبانده شدن لایه CFRP و پس از 6 روز بر وجه مقابل، یعنی محل چسبانده شدن صفحه CFRP اعمال شده است.

تغییرات در چگالی جریان ماکروکوپل در دو نمونه یکسان قرار گرفته در معرض رطوبت نسبی 95%
و دمای °C20، که بر روی آنها یک لایه ملات بر روی (a) لایه و (b) صفحه چسبانده شده خارجی CFRP اعمال شده است

اعمال لایه ملات منجر به افزایش قابل توجهی در جریان ماکروسل به ویژه در لایه گردید، یعنی جایی که مقادیر 2 تا mA m-2 4 مشاهده شدند با این وجود، این مقادیر هرگز به مقادیر مشاهده شده برای لایه قرار گرفته در داخل بتن نرسیدند .

در مورد صفحه CFRP، این افزایش کمتر بود و چگالی جریان به مقادیر 2/0 تا mA m-2 3/0 نزدیک شد؛ در این حالت، الیاف در داخل رزین اپوکسی قرار گرفته و در نتیجه حتی از تماس با یک لایه ملات اعمال شده بعدی نیز، جداسازی و عایق شده بودند.

نتیجه

مواد مرکب الیاف کربن، امکان تولید کوپلینگ گالوانیکی با فولاد در حال خورده شدن در بتن را دارا هستند. CFRP، مانند گرافیت، دارای ولتاژهای بسیار پایینی برای واکنش کاتدی کاهش اکسیژن است. یک لایه CFRP قرار گرفته در داخل بتن و کوپلشده با یک میله فولادی در بتن آلوده به کلرید، می تواند یک جریان ماکروکوپل چندین برابر بیشتر نسبت به فولاد کربنی مقاوم و بیشتر از بزرگی توان یک نسبت به فولاد ضد زنگ را تولید نماید.

CFRP چسبانده شده به سطح بتن، به شکل لایه یا صفحات، منجر به جریان ماکروکوپل ناچیزی (کمتر از mA m-21) حتی در دماهای بالاتر از °C20 گردید. هنگامی که یک سازه موجود از طریق اعمال لایه ها یا صفحات CFRP به سطح بتن با یک چسب اپوکسی، ترمیم می شود، حتی در صورت تماس تصادفی CFRP با مسلح سازی در حال خورده شدن، اثرات کوپلینگ گالوانیکی ناچیز است. با این وجود، هنگامی که یک اندود سیمانی اعمال می گردد، پیوستگی الکترولیتی با بتن ممکن است تا حدی برقرار شده و جریان ماکروکوپل می تواند قابل ملاحظه باشد. در هر حالت، تقویت CFRP خارجی باید تنها پس از انجام ترمیم مناسب اعمال شود تا حالت مقاوم (لایه محافظ) مجددا در آرماتور در حال خورده شدن ایجاد شود. حتی در غیاب کوپلینگ گالوانیکی، انتشار خوردگی در بتن آلوده به کلرید می تواند منجر به ترک خوردگی پوشش بتن شده و پیامدهای جدی را بر میزان تاثیر و کارآمدی مقاوم سازی در پی داشته باشد.