تا آنجا که به سازه های بتن مسلح مربوط می شود، اغلب آیین نامه های اجرایی جدید، حدود سخت گیرانه ای را برای مقادیر حداکثر کلرید مجاز در مصالح بتن، تعیین نموده اند، در نتیجه مشکلات آینده خوردگی که به طور خالص از این منبع ناشی می شوند، باید بسیار اندک باشند، چنانکه کربناسیون نمی تواند به داخل پوشش بتن نفوذ نماید. البته اجتناب از کربناسیون اضافی، ضروری می باشد، زیرا مشخص شده است که حتی سطوح پایین کلرید در بتن کربناته، نرخ خوردگی فولاد داخلی را به میزان قابل ملاحظه ای تشدید می نماید. اما در مواردی که احتمال تهدید جدی کربناسیون وجود داشته باشد، همچنان مسئله چگونگی اجتناب از خوردگی ناشی از کلرید برای سازه های در معرض کلرید خارجی حاصل از آب دریا یا نمک های یخ زدایی، باقی میماند. از این رو، تحقیق درباره عواملی که نرخ نفوذ یون های کلرید به داخل بتن را تعیین می کنند، موضوع بسیاری از فعالیت ها در سراسر دنیا بوده است به طوری که در سال های اخیر، یک سری کارگاه های بین المللی درباره این موضوع برگزار شده است.

آزمایش یون کلر در بتون

راه هایی که از طریق آنها یون ها به داخل بتن نفوذ می کنند (و یا از آن خارج می شوند) اغلب پیچیده بوده و تا حد زیادی به شرایط رطوبتی مصالح در زمان قرارگیری در معرض محیط، بستگی دارند. برای توصیف فرآیندهای مختلف موجود با دقتی منطقی، حتی با فرض اعمال شرایط مرزی و اولیه ایده آل، بررسی چندین نوع مختلف از مکانیزم های انتقال (انتشار، همرفت/مکش، مویینه و مهاجرت) به همراه اثرات اندرکنشی یون/یون و یون/سطح حفره ای، ضروری می باشد. ضرورتا باید ببینیم که چگونه دانش کنونی، کافی یا ناکافی، ما را قادر می سازد تا ورود کلرید به داخل بتن را با نگرشی بر پیش بینی زمان های آغاز خوردگی در بتن مسلح با دقتی منطقی، مدلسازی نماییم.
در یک بررسی اخیر، بونفلند مدل های پیش بینی آسیب بتن را تحت سه عنوان، تجربی، نیمه تجربی و مکانیزمی، طبقه بندی نموده ااست. مدل های مکانیزمی، مدل هایی هستند که هر یک از فرآیندها و واکنش های شیمیایی انتقال را به صورت ریاضی و براساس ضرایب قابل اندازه گیری، ارائه نموده و اثرات آنها را با یکدیگر ترکیب می کنند تا یک پیش بینی کلی را ایجاد نمایند. مدل های نیمه تجربی، به صورت مدل هایی توصیف می شوند که آسیب را به آنچه که ضرایب «شبه-انتقال» نامیده می شوند، مربوط می سازند که بسیار وابسته به خصوصیات بتن می باشند (اما نشان دهنده اثرات ترکیبی فرآیندهای انتقال، واکنش های شیمیایی، زمان قرارگیری در معرض شرایط محیطی و غیره می باشند). مدل های تجربی، مدل هایی هستند که پیش بینی های آنها به طور خالص بر پایه رفتار مشاهده قبلی می باشد، بدون آنکه فرآیندهای موجود در ایجاد آسیب را در نظر بگیرند.
با وجود سیستم های گسترده محاسباتی کم هزینه، علاقه روزافزونی به ایجاد روش های مکانیزمی جهت مدلسازی انتقال کلرید (و دیگر یون ها) در بتن سخت شده در معرض شرایط محیطی مختلف، ایجاد شده است. این روش ها معمولا از حالت های اصلاح شده معادله نرنست- پلانک بهره می برند، که یک رابطه کلی برای انتقال جرم یون ها در الکترولیت های رقیق می باشد، تا جریان های (Ji) گونه های مختلف یون های موجود در الکترولیت حفره ای بتن را برحسب ضرایب انتشار هر یک از آنها (Di)، غلظت ها (Ci)، و شماره های بار (Zi)، ارائه نمایند. این روش در ابتدا توسط یو در تلاشی به منظور شبیه سازی نتایج برخی از بررسی های آزمایشگاهی قبلی مربوط به انتشار چندین یون (OH-, Cl-, Na+) در نمونه های خمیر سیمان سخت شده به کار گرفته شد که در معرض یک محلول نمک قرار گرفته و تجزیه و تحلیل های دقیق محلول حفره ای از موقعیت های مختلفی در امتداد مسیر انتشار، بر روی آنها صورت گرفته بود.

نفوذ یون کلر در سازه

اما، فراهم نمودن داده های آزمایشگاهی کافی جهت صحت سنجی چنین مدل های (چندگونه ای) معمولا مشکل ساز بوده و تخمین برخی از ضرایب «قابل اندازه گیری» که در آنها وجود دارد، با اطمینان و دقت منطقی، بسیار دشوار می باشد. این ضرایب شامل ضرایب فعالیت هر یک از گونه ها در الکترولیت های مخلوط شده با مقاومت یونی بالا، و ضرایب موجود در روابط «هم دمای پیوندی» میان غلظت های یونی آزاد و محدود شده، و غیره می باشد. بنابراین تاکنون مدل های تجربی و نیمه تجربی بیشتر به کار گرفته شده اند و پرکاربردترین (و نه همیشه مناسب ترین) مدل مربوط به عمر بهره برداری از هر نوعی، براساس یک حل تحلیل استاندارد از قانون دوم انتشار فیک بوده است که معادله دیفرانسیلی است که تغییرات زمانی و مکانی را در غلظت (C) از یک ماده منتشر شونده از طریق یک «ضریب انتشار» (D) به یکدیگر مربوط می سازد. راه حل مورد نظر معمولا به نام معادله «تابع خطا» معروف بوده و حالتی از آن که اغلب برای پیش بینی نفوذ یک طرفه کلرید به داخل بتن استفاده می شود، به صورت زیر می باشد:

(5-2)                                                                  C(x,t) = C_i + (C_s – C_i)erfc [x/(〖4D〗_app t )]     

که پارامترها عبارتند از:

• C(x,t) مقدار کلرید بتن در عمق x پس از زمان t
  
• C_i مقدار یکنواخت اولیه کلرید بتن
  
• C_s مقدار کلرید سطحی بتن
  
• D_app «ضریب انتشار ظاهری» یون کلرید در بتن
  
• erfc مکمل تابع خطا (erf-1).

کلمه «ظاهری» که در اینجا و قبلا در جای دیگری در عبارت «ضریب انتشار ظاهری»، (D)، استفاده شده است، باید مورد توجه قرار گیرد، زیرا مفهوم آن مهم می باشد (یعنی آنچه ظاهرا دیده می شود و با مقدار واقعی متفاوت است). این مفهوم بیانگر این حقیقت است که D_app، نه یک خاصیت اصلی ماده و نه حتی شاخصی از مقاومت انتشار برای بتن در یک محیط بخصوص می باشد. این ضریب، تنها یک پارامتر رگرسیونی است که از طریق برازش دلخواه نمودارهای اندازه گیری شده نفوذ کلرید در بتن، به معادله 5-2، مطابق شکل 5-13 به دست می آید. تاکید بیان شده بر این نکته خالی از فایده نمی باشد، چرا که ادبیات فنی و واژه شناسی به کار رفته در این موضوع توسط نویسندگان مختلف برخی اشتباهات در فهم تمایز میان D_app و ضرایب انتقال دیگر مانند ضرایب به دست آمده از اندازه گیری های انتشار کلرید در حالت پایدار با عنوان «ضریب انتشار موثر» ابهاماتی را به وجود آورده است. بحث پیرامون روابط میان حالت های مختلف «ضریب انتشار» که برای تعیین مشخصات انتقال کلرید در بتن به کار رفته است، توسط تانگ ارائه گردیده و تغییرات گسترده موجود در مقادیر محاسبه شده پارامترهای رگرسیون، D_app و Cs، که ممکن است در صورت اعمال روش های مختلف دلخواه انتحابی جهت برازش منحنی به مجموعه مشخصی از داده های ورود کلرید، اتفاق بیفتد، توسط نیلسون مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
در رابطه با استفاده از «ضرایب انتشار ظاهری» همچنین باید توجه شود که حل تابع خطای قانون دوم فیک برای انتشار یک طرفه (تحت شرایط مرزی و اولیه ثابت) یک ماده بدون بار به داخل یک دال نیمه بینهایت از مصالح، انجام شده که ضریب انتشار برای آن مستقل از زمان و عمق فرض شده است. نفوذ کلرید به داخل بتن به هیچ وجه فرآیند ساده ای از این نوع نمی باشد. حتی اگر مصالح از ابتدا کاملا اشباع بوده (که اغلب در واقعیت اینگونه نیست) و خواص آن، تغییر عمده ای با زمان و عمق نداشته باشد (که در عمل بسیار غیرمحتمل است)، یون های کلرید ذراتی با بار منفی بوده و در نتیجه حرکت آنها همواره متاثر از انتقال دیگر یون ها می باشد؛ همچنین برخی از یون های کلرید که وارد بتن می شوند، بر محصولات جامد هیدراسیون سیمان اثر متقابل داشته و توسط آنها به صورت شیمیایی یا فیزیکی محدود می شوند. بنابراین «ضریب انتشار ظاهری» ممکن است ضریب «شبه انتقال» نیز نامیده می شود که نه تنها به آنچه که دیاموند در فصل 2 آن را «ظرفیت نفوذ» بتن می نامد، بستگی دارد، بلکه به «ظرفیت پیوند کلرید» آن نیز وابسته می باشد. تا آنجا که به انتشار یونی مربوط می شود، «ظرفیت نفوذ» تا حد زیادی به پیوستگی و پیچ و خم های حفرات درشت تر موجود در مصالح بستگی دارد و از تحلیل ساده داده های انتشار حالت پایدار کلرید مشخص می گردد که یون های کلرید در داخل خمیرهای سیمان هیدراته، با سرعت های قابل ملاحظه ای انتقال نمی یابند، مگر آنکه حفراتی درشت تر از nm30 وجود داشته باشد.

شکل 5-13- نیمرخ معمول نفوذ کلرید پس از یک سال و نیم قررگیری در محیط که به طور دلخواه با معادله 5-2 برازش داده شده و از نزدیکترین دو نقطه به سطح صرف نظر شده است Dapp=1.7×10-Cs= 5.45% Cl-, 13 m2/s برحسب جرم سیمان). روش های دیگر برازش منحنی مقادیر متفاوتی از D_app و Cs را نتیجه می دهند.

علیرغم اعتراض های اساسی که ممکن است در مورد استفاده از ضرایب «شبه انتقال» مانند D_app جهت توصیف نفوذ کلرید به داخل بتن وجود داشته باشد، هم اکنون چندین دهه است که این ضرایب توسط بسیاری از نویسندگان در این زمینه، به کار برده می شوند. این مطلب، به تحقیقات اولیه بر روی نفوذ نمک های یخ زدایی به داخل خمیرهای سیمان یا بتن و حتی تحقیقات پیش از آن درباره انتشار کاتیون ها و آنیون های نشانه گذاری شده به صورت رادیواکتیو به داخل سیمان های هیدراته باز می گردد که در آنها حل تابع خطا برای قانون دوم فیک، به کار گرفته شد. این ضرایب به طور مرسوم در مدل های پیش بینی عمر خدمت دهی به کار گرفته شده اند که اغلب شامل ضرایب تصحیح تجربی می باشند که به منظور برطرف نمودن و تصحیح تفاوت های آشکاری که هنگام درونیابی و برازش داده های اندازه گیری شده نفوذ کلرید به معادله (5-2) ظاهر می شوند، مورد استفاده قرار می گیرند. بنابراین، انحراف و تفاوت های مشاهده شده نسبت به رابطه تابع خطا، اغلب در نزدیکی سطح بتنی که از خارج در معرض شرایط مهاجم قرار دارد، از طریق روش های دلخواه مختلفی، مورد بررسی قرار گرفته است مانند نادیده گرفتن داده های مربوط به این ناحیه و برونیابی بهترین منحنی برازش یافته به نقاط باقیمانده به منظور یافتن مقادیر D_app و مقدار «ظاهری» کلرید سطحی (Cs). به طور مشابه، بررسی این حقیقت که مقادیر اندازه گیری شده D_app برای نوع مشخصی از بتن ثابت نیستند، اما تا حد زیادی وابسته به زمان می باشند (خصوصا بتن های ساخته شده از چسباننده های سیمانی مخلوط شده یا مرکب که مقاومت انتشار افزایشی را در دوره های بسیار طولانی در محیط های مرطوب، از خود نشان می دهند)، با وارد نمودن یک «ضریب انتشار ظاهری وابسته به زمان» تجربی (D_app(t)) در معادله (5-2)، صورت گرفته است؛ رابطه مربوطه معمولا به صورت زیر بیان می شود:

(5-3)                                                                                              D_app(t) = D_app(0) [t/t₀ ]   

که D_app(0) ضریب انتشار ظاهری اندازه گیری شده در سن (t₀) و n یک «عامل سن» تجربی برای یک بتن بخصوص می باشد.

درحالی که به نظر می رسد این رابطه، روش ساده ای را برای بررسی و توجیه تفاوت های موجود در نرخ های ایجاد ریزساختارها و تغییر تدریجی مقاومت نفوذ کلرید برای انواع مختلف بتن ها فراهم می نماید اما روش های دقیق تعیین مقادیر n، هنوز به خوبی مشخص نشده است. این موضوع، همانگونه که در بررسی اخیر جهت آزمودن این سه روش موجود نشان داده شده است، می تواند منجر به تغییرپذیری عمده ای در پیش بینی های عمر خدمت دهی گردد که این پیش بینی ها براساس مقادیر مختلف اندازه گیری شده n، استوار می باشند. بنابراین، لزوم وجود داده های بلندمدت به منظور فراهم نمودن اطلاعات معتبر درباره «عوامل سن»، کاملا محسوس می باشد. همچنین باید توجه نمود که چنین داده هایی باید تحت شرایط تاریخچه رطوبتی تا حد کافی واقعی به دست آمده باشند، چراکه انواع مختلف بتن حساسیت متفاوتی را نسبت به این متغیر نشان می دهند، ویژگی که ممکن است در مقاومت بلندمدت بتن ها در برابر نفوذ کلرید دیده شود، ماهیت و خواص فازهای C-S-H در سیستم های مختلف چسباننده های سیمانی، بسیار متغیر می باشد و در نتیجه این نگرانی وجود دارد که افزایش حساسیت و آسیب پذیری نسبت به ترک خوردگی در سنین اولیه برای برخی از انواع بتن ها با نسبت آب به سیمان بسیار پایین که شامل انواع ویژه ای از سیمان های آمیخته یا ترکیبی می باشند، اثر نامطلوبی بر دوام آنها بگذارد. این یکی از حوزه های اصلی است که مستلزم تحقیق در آینده می باشد، چنانکه روابط تعریف شده ضعیفی که اغلب میان توزیع ترک، عرض ترک، عمق پوشش و شدت خوردگی کلریدی فولاد داخل بتن های مختلف وجود دارد، بحث های بسیاری را به وجود آورده است اما دستیابی به مفهوم اصلی، کار آسانی نمی باشد.
حوزه دیگری که ضورت تحقیق در آن کاملا احساس می شود، مربوط می شود به ایجاد داده های موثر کاهش عدم قطعیت موجود مربوط به سطوح آستانه کلرید برای انواع مختلف بتن ها تحت شرایط محیطی مختلف، چرا که عمرهای بهره برداری پیش بینی شده نسبت به مقدار فرضی آستانه کلرید (C_crit)، حساس می باشند. بنابراین، در صورتی که حل تابع خطا از قانون دوم فیک (معادله 5-2) جهت تخمین نمودارهای نفوذ کلرید برای بتن با مقادیر قراردادی مثلا D_app=10-12m2/s، Cs=2%Cl-1 برحسب جم سیمان، C_i=0%Cl- برحسب جرم سیمان، مورد استفاده قرار گیرد، زمان آغاز خوردگی (t₀) به صورت تابعی از مقدار فرضی آستانه کلرید (C_crit)، مطابق شکل 5-14 تغییر می نماید. این رابطه نشان می دهد در صورتی که بتوان به افزایش های تقریبا متوسطی در C_crit به گونه ای مطمئن در سازه های بتن مسلح دست یافت، بهبودهای اساسی را در t₀ می توان انتظار داشت (به گونه ای متمایز از نمونه های آزمایشگاهی).

شکل 5-14- رابطه میان زمان های تخمینی آغاز خوردگی و مقادیر آستانه کلرید (برای فرضیات مدلسازی، متن را ملاحظه نمایید)

در جمع بندی و نتیجه گیری این بخش باید گفت که دلایل خوبی برای رعایت احتیاط در زمان استفاده از روش شناسی های موجود برای پیش بینی زمان آغاز خوردگی فولاد در بتن قرار گرفته در معرض اغلب محیط های کلریدی مهاجم، وجود دارد. این مطلب تا حدی ناشی از عدم وجود مدل های مکانیزمی قوی برای ورود کلرید می باشد که با داده های کافی صحت سنجی شده باشند، و شاید مهم تر از آن ناشی از عدم قطعیت های موجود درباره سطوح آستانه کلرید می باشد. با این وجود، پیشرفت مفیدی در راستای تدوین راهنمایی اصلاح شده برای مشخصات بتن مسلح مناسب برای محیط های کلریدی مختلف، متناظر با انواع رده های شرایط محیطی توصیف شده در استاندارد اروپا 206 BS EN و استانداردهای ملی تکمیلی مانند 8500 BS، صورت گرفته است. این انواع رده ها که در جدول 5-1 (ب) و (پ) و در مبانی پایه مربوط به مقادیر محدود کننده پوشش اسمی، حداقل مقدار سیمان و حداکثر نسبت آب به سیمان مشخص شده اند، برای بتن مسلح ساخته شده از چسباننده های مختلف سیمانی قابل استفاده بوده و توسط چندین نویسنده، مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند. در 8500 BS، توصیه های مربوط به مقادیر محدود کننده برای بتن مسلح در معرض خطر خوردگی کلریدی (شرایط محیطی XD و XS)، برای عمر کاری هدف حداقل 50 سال می باشد. این استاندارد، هیچ توصیه دقیقی برای یک عمر کاری هدف حداقل 100 ساله در شرایط محیطی XD و XS ارائه نمی نماید، زیرا برطبق آن، پراکندگی داده های حاصل از تحقیقات و آمار سازه های واقعی نشان می دهد که هنوز شناخت کافی برای ارائه چنین توصیه هایی وجود ندارد.