واکنش خوردگی در هنگام تماس با مصالح ساختمانی حاوی سیمان

واکنش خوردگی در هنگام تماس با مصالح ساختمانی حاوی سیمان از مسائلی است که در مقوله ساخت سازه ها اهمیت بسیار بالایی دارد. به دلیل اهمیت بالای این مساله در این مقاله از کلینیک بتن مطلبی در این باره آماده کردیم. با ما همراه باشید.

آهن و فولاد

در محیط های آبی حاوی اکسیژن و رطوبت کافی که تقریبا خنثی یا دارای خاصیت بازی (قلیایی) ضعیفی هستند، آهن با کمک آب و اکسیژن ابتدا به هیدروکسید آهن (II) و سپس به هیدروکسید آهن (III) (زنگ، FeOOH) اکسید می‌شود. این لایه های زنگ به هیچ وجه دارای ویژگی بازدارندگی از خوردگی نیستند. بنابراین آهن و فولاد در ناحیه با pH متوسط از سیستم آهن- آب، به شدت در برابر خوردگی آسیب پذیر هستند .

اثر pH بر نرخ خوردگی فلزات؛ داده های مرجع از نقطه نظر سازه ای

در بتن های برپایه سیمان پرتلند، فولاد به دلیل تماس با آب حفره ای بتن که به شدت قلیایی است، در برابر خوردگی محافظت می شود. به دلیل واکنش قلیایی شدید حین هیدراسیون سیمان، بتن دارای مقدار زیادی اجزاء قلیایی است. مقدار pH فاز آبی بتن معمولی با توجه به مقدار اجزاء موجود در سیمان که دارای ویژگی های بازی (قلیایی) قوی هستند، (K₂O, Na₂O) در حدود 6/12 تا 8/13 است. در ناحیه 5/11 ≤pH، در صورت عدم وجود اجزاء مهاجم نسبت به فولاد که لایه محافظ را نابود می کنند ( و موجب خوردگی حفره شونده می شوند)، سطح فولاد مقاوم است؛ بنابراین، یک بازدارندگی کامل در برابر واکنش جزئی آندی وجود دارد. لایه محافظ اکسید آهن هیدراته دارای ضخامت mm 20-2 است. اگر pH از مقدار بیان شده در بالا کمتر شود، اثر حفاظت در برابر خوردگی بتن برای فولاد داخلی از بین می رود. با این وجود، این حالت تا pH زیر 9 که در آن خوردگی شدید آغاز می شود،  اتفاق نمی افتد (یعنی مثلا پس از کربناسبونبتن و خنثی شدن کلیه اجزاء قلیایی). علاوه بر این، سیمان باید تا حد امکان حاوی مقدار زیادی آب آزاد در حفرات خود باشد و اکسیژن در اطراف عضو سازه ای باید بتواند از طریق انتشار به داخل بتن و سپس به فولاد راه یابد.

آلومینیم

رفتار خوردگی عموما خوب آلومینیم با پتانسیل الکترود استاندارد بسیار منفی آن (-1066 V_H) ناشی از تشکیل لایه های سطحی محافظ هیدروکسید و اکسید است. در محدوده pH 4 تا 9، این لایه ها بسیار نامحلول ستند. به همین دلیل، مصالح آلومینیومی به دلیل مقاومت خوب در برابر خوردگی در محیط های آبی تقریبا خنثی تا اسیدی ضعیف و همچنین در شرایط جوی مربوط، ممتاز می شوند. این امر، کاربرد گسترده آلومینیم در ساخت و ساز مهندسی را نشان می دهد.

آلومینیم یک فلز بی تفاوت است. به همین دلیل،  اثر حفاظتی لایه پوششی در نتیجه گسستگی آن در محیط های شدیدا اسیدی و قلیایی از بین می رود. آلومینیم و آلیاژهای آن اساسا در این محدوده های pH مورد هجوم خوردگی عمومی قرار می گیرند و پرسشی در ارتباط با بکارگیری این مصالح در چنین مواردی وجود ندارد. با این وجود، گسستگی قابل توجهی می تواند حتی در ناحیه قلیایی ضعیف تر در pH بالای 9 اتفاق بیفتد (شکل 1-1). در این صورت، مصالح آلومینیمی همانگونه که از موقعیت آنها در سری های الکتروشیمیایی انتظار می رود، حتی در غیاب اکسیژن، فعال شده، هیدروژن آزاد نموده و آلومینات های محلول تشکیل می دهند:

(1-1)   2Al+6NaOH+6H₂O 2Na₃[Al(OH)₆]+3H₂

بنابراین، در صورت تماس بلندمدت با مصالح ساختمانی مرطوب بر پایه سیمان پرتلند، آلومینیم و آلیاژهای آن از طریق واکنش با هیدروکسیدهای قلیایی ازاد محلول سیمانی در داخل حفرات، بر اثر خوردگی عمومی دچار حمله می شوند.

(در سمت چپ)، واکنش خوردگی آلومینیوم با فلزات سازه ای دیگر در ملات سیمان مرطوب مقایسه شده است.

کاهش جرم فلزات پس از دوازده ماه نگهداری در مصالح ساختمانی مرطوب (بلوک های ملات حین آزمایشات تا عمق cm² در آب فرو برده شدند) و در ملات سیمان مایع (داده های عددی)

در ملات سیمان و بتن اندازه خوردگی با افزایش رطوبتف بیشتر می شود. کاهش جرم قابل ملاحظه ای به ویژه در حالت نگهداری مرطوب اتفاق می افتد (شکل 1-3). مقدار زیادی محصولات خوردگی حجیم تولید می شود که می تواند موجب شکافته شدن و تورق پوشش بتن گردد. باید توجه نمود که بسته به زمان سپری شده برای قالب گیری و عمل آوری و شرایط خشک شدن، با سخت شدن مصالح ساختمانی، اغلب آب اضافی بسیار آهسته خارج می گردد، به طوری که آسیب خوردگی قابل ملاحظه ای ممکن است در بتن تازه، پیش از رسیدن به یک سطح رطوبت تعادلی پایین، اتفاق بیفتد. با توجه به اطلاعات ارائه شده در مرجع 5، حد نسبی خوردگی در ملات سیمان پرتلند برای حالت های خشک، مرطوب و خیس به ترتیب به نسبت 1، 6 و 25 است. شکل نشان می دهد که شدت حمله با زمان کاهش می یابد، زیرا محصولات تولید شده در اثر خوردگی، مانع از انتقال مواد قلیایی به سطح مربوطه می شوند.

رفتار خوردگی آلیاژهای آلومینیوم در مصالح ساختمانی قلیایی به ترتیب محیط
محیط خیس: بتن، بطور جزئی غرقاب شده در آب، محیط مرطوب: بتن با رطوبت نسبی 95%، محیط خشک: بتن در رطوبت نسبی 65%.

همچنین، لایه های آندی تولید شده (الوکسال) از سوی مصالح ساختمانی قلیایی مرطوب واکنش دهنده، مورد هجوم واقع می شوند و در این شرایط، نقش حفاظتی موثری نخواهند داشت. برای جلوگیری از آسیب خوردگی از طریق تماس با مصالح ساختمانی قلیایی مرطوب، آلومینیم باید توسط پوشش های آلی مناسب نیز حفاظت گردد.

در فلزاتی که نسبت به مواد قلیایی آسیب پذیر هستند، مانند آلومینیم و آلیاژهای آن، خطر خوردگی با افز��یش مقدار pH مصالح ساختمانی، افزایش می یابد. یعنی خوردگی آلومینیم می تواند از طریق یک عامل تماسی مناسب، محدود گردد .

کاهش جرم فلزات پس از نگهداری در ملات خیس با عوامل پیوستگی مختلف (ترتیب آزمایش مطابق شکل 1-2 می باشد)

بتن هایی که بسته به روش تولیدشان تنها دارای خاصیت قلیایی متوسطی هستند، مانند بتن متخلخل عمل آوری شده با اتوکلاو (بتن گازی)، در دسته انواع مهاجم به فلزات سازه ای که نسبت به مواد قلیایی آسیب پذیر هستند (مانند آلومینیم)، قرار نمی گیرند. برای آلومینیم، کربناسیون مصالح ساختمانی نیز دارای یک اثر حفاظتی در برابر خوردگی خواهد بود.

مس

می توان گفت مقاومت خوردگی بسیار خوب مصالح بر پایه مس، به ماهیت «نجیب» آنها (پتانسیل الکترود استاندارد مس برابر است با +0.34V_H)، عدم توانایی آنها در تشکیل لایه های محافظ در بسیاری از محیط های معمولی و تماس با مصالح ساختمانی بستگی دارد.

در آب و محلول های نمک خنثی، مصالح بر پایه مس دارای مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی در یک محدوده گسترده از pH هستند .همچنین، در اسیدهای رقیق (غیراکسیدکننده) و در ناحیه قلیایی، مس نسبت به دیگر فلزات غیرآهنی دارای برتری است. مس و آلیاژهای آن را تنها در صورتی نمی توان استفاده کرد که تشکیل لایه های محافظ مختل شده باشد و مصالح از طریق تشکیل نمک های پیچیده، به شدت در معرض حمله قرار گیرند، مانند شرایط تماس با آمونیاک و محلول های حاوی آمونیاک.

لایه های اکسید مس (I) با حلالیت جزئی که در هوا تشکیل می شوند، در واقع در قلیاها نامحلول هستند. بنابراین مس و آلیاژهای آن هنگام قرارگیری در داخل بتن مرطوب یا ملات سیمان، دچار خوردگی یکنواخت ناچیزی می شوند . مس و به ویژه برنج ها که از نظر مقدار روی غنی هستند، (مانند CuZu37)، هنگام استفاده در سیمان های با خاصیت قلیایی بالاتر (مقدار pH محلول حفره ای سیمان بیشتر از 3/13)، به اندازه کافی در برابر خوردگی مقاوم نیستند.

روی

پتانسیل الکترود استاندارد روی نیز مانند آلومینیوم منفی است (-0.76V_H) و آن را از نظر ترمودینامیکی نسبت به خوردگی آسیب پذیر می سازد. با این وجود، روی نیز لایه های محافظتی از محصولات خوردگی جامد را از طریق واکنش با محیط اطراف خود در بسیاری محیط ها از جمله مصالح ساختمانی، تشکیل می دهد.

روی همچنین یک فلز بی تفاوت بوده و بنابراین در هر دو ناحیه اسیدی (pH<5) و قلیایی (pH>12) در براب رخوردگی مقاوم نیست (شکل 1-1). در بیشتر محلول های قلیایی، هیدروکسید روی تتشکیل می گردد که از طریق واکنش با ترکیب قلیایی به همراه تولید هیدروژن، به زینکات محلول و غیر محافظ تبدیل می شود. در بتن قلیایی با مقادیر pH محلول حفره ای بین 6/12 تا 8/13، برای سیمان های مملو از قلیا، احتمال آسیب پذیری پوشش گالوانیزه در برابر خوردگی به دلیل واکنش بی تفاوت (آمفوتریک)، وجود دارد. با این وجود، مشخص شده است که نرخ انحلال روی تحت تشکیل هیدروژن حداقل برای pH با مقادیر کمتر از 3/13، به دلیل تشکیل لایه محافظ به سرعت کاهش می یابد. اگر Ca(OH)₂ به همراه Zn(OH)₂ وجود داشته باشد، یعنی یک محصول خوردگی اضافی، کمی هیدروکسوزینکات کلسیم Ca[Zn(OH)₃]₂.2H₂O محلول تولید می گردد که از نظر برخی پژوهشگران می تواند امل حفاظت از روی در بتن باشد. به همین دلیل، روی در مصالح ساختمانی قلیایی به صورت یکنواخت مورد هجوم قرار می گیرد که میزان این هجوم تا حدی بیشتر از مصالح مسی بوده، اما بسیار کمتر از آلومینیم و سرب است . در pH بیشتر از 3/13 با افزایش خاصیت قلیایی، میزان حفاظت باز هم کمتر و خوردگی روی تا حد زیادی بیشتر می شود. در بتن کربناته، نرخ خوردگی روی می تواند کمی بیشتر از بتن قلیایی باشد، اما این نرخ باز هم به میزان قابل ملاحظه ای کمتر از مثلا فولاد است. به همین دلیل، فولادهای مسلح سازی گالوانیزه ممکن است در جایی که کربناسیون زودهنگام انتظار می رود، استفاده شوند. افزایش مقادیر کروم در سیمان ها دارای اثر مثبتی بر خوردگی روی در ناحیه قلیایی است، زیرا این مقایدر حفاظت سریع اولیه از روی را بهبود می بخشند.

سرب

سرب به دلیل موقعیت آن در سری های الکتروشیمیایی (پتانسیل الکترود استاندارد -0.13V_H)، نسبتب ه خوردگی نسبتا «نجیب» است. با این وجود، سرب مقاومت خوب خود نسبت به خوردگی را مدیون توانایی تشکیل پوشش های ناتراوا، چسبنده و با حلالیت جزئی ترکیبات سرب، بسته به محیط خورنده است. سرب در میان فلزات بی تفاوتی طبقه بندی می شود که نه تنها می توانند در اسیدها، بلکه در قلیاها نیز حل می شوند (شکل 1-1). در الکترولیت های قلیایی، سرب در pH بالای 9 به شدت مورد هجوم واقع می شود.

(1-2) O₂+Ca(OH)₂   CaPbO₂+H₂OPb +

بنابراین، هیدروکسیدهای سرب ایجاد شده اولیه پلمبیت ساده محلول، عموما به پلمبیت کلسیم تبدیل می شوند. به همین دلیل، سرب در مقایسه با آلومینیم، نسبت به خوردگی در مصالح ساختمانی قلیایی مرطوب، بسیار آسیب پذیر است .با افزایش مقدار pH فاز آبی مصالح ساختمانی، شدت هجوم بیشتر می گردد . نرخ بالای هجوم خوردگی اساسا یکنواخت، با زمان و بافت سطح رطوبت مصالح ساختمانی کاهش می یابد.

در بتن با ملات خیس، سرب را می توان مثلا از طریق عایق کاری با آسترهای قیری، صفحات پلاستیکی و پوشش های مشابه، محافظت نمود.

واکنش در حالت تماس با محلول های سیمانی آبی و آب های قلیایی

گاهی در ساخت و سازهای اجرایی اتفاق می افتد که فلزات توسط محلول های سیمانی آبی (بتن تازه) یا محلول های آبی که برای یک مدت طولانی تر در تماس با بتن یا ملات سخت بوده اند، مرطوب می شوند. محلول های اخیر ممکن است شامل اجزاء سیمان در یک حالت محلول بوده و به صورت قلیایی رفتار نمایند. در چنین محیط هایی، مصالح آلومینیمی و به خصوص سرب، دچار هجوم بسیار شدیدتری نسبت به محیط مرطوب، یعنی مصالح ساختمانی جامد می شوند (داده های عددی شکل 1-2 را ملاحظه نمایید)، به گونه ای که در دروره مربوطه، نرخ خوردگی به ندرت کند می گردد. در روی و مس نیز یک هجوم بسیار شدیدتر نسبتب ه مصالح ساختمانی جامد مرطوب، قابل تعیین است. بنابراین واکنش خوردگی در محلول های قلیایی با حالت فازهای جامد یک مصالح ساختمانی قابل مقایسه نیست. در حالت تماس فلزات با الکترولیت های واکنش دهنده با قلیا، تغییرات نامنظمی در رنگ حتی پس از هجوم کوتاه مدت تحت شرایط خاص، می تواند روی دهد که این امر به شدت می تواند ظاهر اجزاء ساختمانی را تغییر دهد.

عملکرد خوردگی در مصالح ساختمانی قلیایی حاوی یون کلرید

یون های کلرید در بتن/ملات با رطوبت کافی معمولا از نفوذ نمک ناشی شده و با مقدار 5/0 تا 1 درصد جرمی (برحسب مقدار سیمان)، منجر به خوردگی حفره شونده گسترده فولاد در داخل بتن و در یک حالت مقاوم می شوند. علاوه بر مقدار کلرید، شدت خوردگی ناشی از کلرید به پارامترهای دیگر بتن (مقدار pH و نوع فولاد، هوادهی و مقدار آب) بستگی دارد.

در اعضای سازه ای ساخته شده از روی یا اعضای گالوانیزه با رفتار تقریبا غیرمقاوم، در صورت تجاوز مقدار کلرید از حدود 5/1% وزن سیمان، افزایش اندک خوردگی در مصالح ساختمانی قلیایی باید انتظار رود. مقدار بحرانی بالاتر برای کلرید در اعضای سازه ای ساخته شده از روی یا گالوانیزه در مقایسه با فولاد، از این حقیقت ناشی می شود که یون های کلرید به صورت کلریدهای روی بازی به طور جزئی محلول هستند، تا حدی مقید هستند.

با حضور کلریدها در بتن/ملات، احتمال آسیب پذیری جدی نسبت به حفره ای شدن گسترده برای آلومینیم وجود دارد که در هر مورد به هجوم خوردگی حساس است. حضور کلرید می تواند خوردگی در مصالح ساختمانی قلیایی را تا چندین برابر تشدید نماید . حتی کوچک ترین افزایشی در میزان کلرید، تسریع کننده خوردگی است.

سرب نیز که در مصالح ساختمانی مرطوب به شدت قابلیت خوردگی دارد، امکان خوردگی بیشتر در حضور کلریدهای اضافی را نخواهد داشت . این پدیده از طریق تشکیل محصولات واکنش با حلالیت جزئی با یک اثر حفاظتی، قابل توضیح است.

مس تا حد زیادی در برابر اثر نمک های کلرید مقاوم است، زیرا کلرید مس (I) که در ابتدا ایجاد می شود تنها به طور جزئی انحلال پذیر است.

رفتار خوردگی حین تماس با مصالح ساختمانی حاوی سیمان منیزیمی

شماری از مصالح ساختمانی مانند چوب سنگ (برای کف سازی) و تخته های ساختمانی سبک، از تراشه های چوب ساخته می شوند که حاوی سیمان منیزیمی به عنوان یک عامل چسباننده هستند. خمیر سیمان منیزیمی از طریق مخلوط کردن کربنات منیزیم سوخته و محلول تغلیظ شده کلرید منیزیم ساخته می شود و از طریق تشکیل ترکیبی با قابلیت حل شدن پایین سخت (احتمالا 3MgO.MgCl₂.11H₂O) می گردد. حفرات مصالح ساختمانی با یک محلول کلرید منیزیم پر می شوند. اگر مصالح ساختمانی که حاوی سیمان منیزیمی هستند در تماس با فلزات قرار گیرند، امکان هجوم شدید وجود دارد. علاوه بر این، آهن (فولاد)، آلومینیم و روی، شامل فولاد گالوانیزه، و تا میزان کمتری مس و سرب مورد هجوم قرار می گیرند.

حالت مهاجم متمایز چنین مصالح ساختمانی را از یک سو می توان از طریق ماهیت نمگیر کلرید منیزیم (حفرات حاوی کلرید منیزیم در رطوبت های نسبی بالاتر 32% خشک نمی شوند) و از سوی دیگر با ویژگی های تسریع کننده خوردگی محلول های کلرید تغلیظ شده، توضیح داد. بنابراین، خوردگی حتی در یک محیط نسبتا خشک نیز امکان پذیر است.

در حالت واکنش میان رطوبتی که همواره در کف های چوب سنگی وجود دارد و کلرید منیزیم، مانند جداره لوله های گرم، اسید هیدروکلریک تولید شده و مقدار pH کاهش می یابد. در این حالت، شرایط خوردگی بسیار مهاجمی برای لوله های فولادی به وجود می آید. بنابراین بهتر است که لوله های ساخته شده از فولادهای غیر آلیاژی یا فولادهای گالوانیزه را بدون حفاظت خارجی در کف های چوب سنگی قرار نداد.

رفتار خوردگی حین تماس با محصولات گچی

گچ سازه ای (مثلا ملات گچ) که با آب مخلوط می گرددف ترکیبی از کریستال های دی هیدرات سوزنی شکل CaSo₄.2H₂O را به محض واکنش دادن خمیر مایع، تشکیل می دهد. به دلیل آب اضافی به طور غیر معمول زیاد ناشی از گچ تازه، تخلخل مصالح ساختمانی سخت شده تقریبا زیاد است. اگر محصولات گچ سخت شده (خمیرهای اندود گچی، صفحات نازک گچی، صفحات گچی برای اجرای دیواره ها) مرطوب نگه داشته شوند، حفرات با یک محلول سولفات کلسیم اشباع پر می شوند. از آنجا که این نمک دارای یک اثر شبیه خوردگی در مصالحساختمانی خنثی است، گچ و ملات گچ در حالت ترکیب با رطوبت، روی و آهن (یا فولاد) را به شدت مورد هجوم قرار می دهند (شکل 1-2 سمت راست و شکل 1-4). لوله های فولادی و لوله های گالوانیزه ای ک�� در تماس با گچی که برای مدت طولانی مرطوب می ماند قرار می گیرند، با ایجاد محصولات زنگ زدگی ضخیم مورد هجوم قرار گرفته و ممکن است حتی پس از چند سال از بین بروند. در رطوبت های نسبی کمتر از 99%، ملات گچ با گذشت زمان زهکشی شده و دیگر موجب خوردگی روی و فولاد نمی شود.

به طور کلی احتمال نمی رود که مصالح آلومینیمی و سرب توسط مصالح ساختمانی گچی که واکنش پذیری خنثی تری دارند، مورد هجوم واقع شوند. در مورد سرب، گچ موجب تشکیل سولفات های سرب با حلالیت جزئی می شود که از خوردگی سطحی ممانعت می نمایند. در آلومینیمی که فاقد مس باشد، گچ مرطوب موجب تسریع خوردگی حفره شونده محدود می گردد. با این وجود، آلیاژهای آلومینیمی حاوی مس هستند و گاهی اوقات در گچ مرطوب به شدت خورده می شوند.

مصالح مسی نیز تا حد زیادی در برابر گچ مقاوم هستند، زیرا سطوح آنها با یک لایه نازک اکسید پوشیده می شود که در برابر سولفات پایدار است.