همانگونه که قبلا ذکر شد، واکنش های میان CO2 هوا و اجزاء قلیایی بتن، لایه سطحی کربناته ای را ایجاد می نمایند که در آن، مقدار pH محلول حفره ای تا سطوح نسبتا خنثی، کاهش می یابد. یک اثر ثانویه کربناسیون که از نظر تاثیر آن برخوردگی قابل ملاحظه می باشد، آن است که این پدیده می تواند موجب آزاد شدن یون های کلرید پیونددار به داخل فاز محلول حفره ای بتن شده، که حاوی مقدار نسبتا کمی از نمک کلرید به عنوان یک آلاینده می باشد، و در نتیجه ماهیت خورنده الکترولیت را تشدید نماید. عمق کربناسیون را می توان به کمک چند روش اندازه گیری نمود که ساده ترین و پرکاربردترین آنها، استفاده از محلول معرف فنول فتالئین برای مقطعی است که به تازگی تحت شرایط محیطی قرار گرفته است که در این شرایط، مرز تقریبی میان مصالح کربناته و غیرکربناته از طریق تغییر رنگ معرف از حالت بی رنگ تا صورتی رنگ مشخص می شود و این تغییر رنگ، نشان دهنده تغییر pH به اندازه حدود 10 واحد می باشد با در نظر گرفتن فرضیات زیر، می توان نشان داد که عمق کربناسیون (x) برحسب میلیمتر از طریق یک رابطه سهمی شکل، با زمان قرارگیری در معرض شرایط محیطی (t) برحسب سال، مربوط می شود:

(1) نرخ کربناسیون بتن به سادگی توسط انتشار CO2 در امتداد یک لایه کربناته با ضریب انتشار ثابت (D)، کنترل می شود.
(2) مقدار CO2 مورد نیاز جهت خنثی نمودن اجزاء قلیایی (a) موجود در واحد حجم بتن ثابت می باشد.
(3) غلظت CO2 به صورت خطی میان مقادیر مرزی ثابت c1 در سطح خارجی و c2 در جبهه کربناسیون، تغییر می کند.

(5-1)                                                                               x = {(2D(c_1- c_2) )/a}^1/2t^1/2 = kt^1/2  

که ثابت تناسب (mm/y1/2) K، «ضریب کربناسیون» برای یک سیستم به خصوص می باشد. بزرگی این ضریب نشان دهنده اثر عوامل مختلف تاثیرگذار بر پارامترهای D، a و (c1-c2) می باشد که به شرح زیر می باشند:
D، بستگی دارد به: تخلخل، توزیع اندازه حفرات، پیوستگی و پیچ و خم های حفرات، درجه اشباع، رطوبت نسبی و دما.
a، بستگی دارد به: مقدار سیمان بتن و مقدار CaO چسباننده
c1-c2، بستگی دارد به: غلظت CO2 هوا
اگر چه فرضیات موجود در بالا تا حدی ساده شده می باشند، اما مشخص شده است که رابطه سهمی شکل اغلب برای توصیف فرآیند کربناسیون در بتنی که در برابر باران محافظت شده است، نسبتا دقیق می باشد. این رابطه همچنین برای مشخص نمودن نقش برخی عوامل مهم مربوط به کیفیت بتن و محیط اطراف که بر نرخ کربناسیون اثر می گذارند، مفید می باشد. برای مثال، متغیرهایی که با کنترل ساختار حفره ای بتن بر D اثر می گذارند، عبارتند از نسبت آب به سیمان، تراکم و عمل آوری. به طور مشابه، اثرات متغیرهای محیطی که بر درجه اشباع حفرات اثر می گذارند، می تواند مورد بررسی و تفسیر قرار گیرد، زیرا در عین حال که کربناسیون مستلزم وجود مقداری رطوبت داخلی جهت تبدیل «درون محلولی» پرتلندیت به کربنات کلسیم و انجام دیگر واکنش ها می باشد، رو به افزایشی از حفرات پر شده از آب، از انتشار گاز CO2 جلوگیری نموده و در نتیجه کربناسیون را به تاخیر می اندازد. همانگونه که در شکل 5-8 نشان داده شده است، نتیجه خالص آن است که بیشترین نرخ کربناسیون هنگامی مشاهده می شود که بتن در معرض هوایی قرار گیرد که در آن رطوبت نسبی در یک سطح متوسطی باقی بماند، معمولا در محدوده 70-50% RH، که متناظر خواهد بود با مقادیری که اغلب در هوای داخلی ساختمان های موجود در نواحی معتدل، اتفاق می افتد.

شکل 5-8- اثرات معمول رطوبت نسبی بر نرخ کربناسیون بتن

اگرچه مدل ساده x = Kt1/2 ارائه شده در بالا، روش تقریبی مفیدی را برای پیش بینی عمق کربناسیون ارائه نموده و اغلب در عمل جهت ارزیابی سازه ها مورد استفاده قرار گرفته است، اما این مدل دارای محدودیت هایی می باشد، خصوصا برای بتنی که در معرض رطوبت های نسبی بالا و خیس شدن های متوالی برای دوره های طولانی، قرار دارد. در این شرایط، مدل، عمق های کربناسیون بیشتری را نسبت به مقادیر واقعی مشاهده شده، پیش بینی می نماید. مطالعات تجربی متعددی درباره عوامل تاثیرگذار بر سرعت کربناسیون بتن ها هم در آزمایشگاه و هم در نواحی ساخت و ساز صورت گرفته و عموما مشخص شده است که برای یک نوع مشخص بتن که در معرض یک شرایط محیطی مشخص قرار گرفته است، عمق متوسط کربناسیون (x) به صورت تابعی از زمان را می توان با تقریب نسبتا خوب توسط روابطی به شکل زیر تخمین زد:

(5-1-الف)                                                                                                          x = Atn

که A و n ثابت هایی هستند برای شرایط بخصوص و n اغلب کوچک تر از 5/0 می باشد. مثلا در شرایط محیطی خارجی محافظت شده در انگلستان، که مقادیر رطوبت نسبی 85-80% را می توان انتظار داشت، اشاره شده است که توان 4/0~ n محتمل بوده و در رطوبت های نسبی بالاتر یا محل های محافظت نشده که خیس شدن های متناوب صورت می گیرد، حتی مقادیر کمتر n نیز ممکن است به دست آید.
در بررسی خطر خوردگی ناشی از کربناسیون، مهم است که میان شرایطی که برای نرخ های بالای کربناسیون مساعد بوده و شرایطی که موجب خوردگی سریع فولاد در بتن کربناته می شوند، تمایز قائل شویم، زیرا خوشبختانه این دو دسته شرایط عموما همزمان اتفاق نمی افتند.
در عین حال که نرخ های بالای کربناسیون، به قرارگیری در محیط های داخلی ساختمان ها و نرخ های پایین آن، به محیط های محافظت نشده خارج از ساختمان ها مربوط می شوند، نرخ های خوردگی فولاد در بتن کربناته، اساسا به رسانایی الکترولیتی مصالح بستگی دارد، که با افزایش نسبت حفراتی که (به جای هوا) توسط آب پر شده اند، افزایش می یابد. این پدیده موجب افزایش رابطه میان نرخ خوردگی ناشی از کربناسیون و رطوبت نسبی از نوع نشان داده شده در شکل 5-9 می گردد. این مطلب، مشخص می نماید که نرخ های خوردگی اندازه گیری شده برای میله هایی که به طور ثابت در معرض ملات کربناته بدون آلودگی کلریدی در هوای با 70% > RH قرار داشته اند، بزرگ تر از نرخ های خوردگی فولاد دارای لایه محافظ در بتن غیرکربناته نمی باشد 1^(mA⁄m^2 )>). همچنین این موضوع نشان می دهد که حضور سطوح متوسطی از آلودگی کلریدی (4/0 تا 1 درصد جرمی سیمان)، می تواند تاثیر عمده ای بر نرخ های خوردگی داشته باشد که ممکن است در بتن کربناته ایجاد شوند. این نشان دهنده مشکلی است که در صورت وجود بیش از یک عامل ایجاد کننده خوردگی در شرایط محیطی مهاجم، بروز می نماید.

شکل 5-9- اثرات رطوبت نسبی بر نرخ خوردگی فولاد مدفون در ملات های کربناته با سطوح مختلف کلرید

در استاندارد جدید بتن اروپا که نسخه انگلیسی آن با عنوان 1-206B S EN منتشر شده است، تلاشی در جهت دسته بندی انواع شرایط محیطی، صورت گرفته است، به گونه ای که انواع مختلف عوامل مهاجمی که انتظار می رود موجب خوردگی یا دیگر حالت های آسیب شوند، به روشنی مشخص شوند. بنابراین، برای بتن شامل آرماتور یا هر نوع فلز داخلی کهب ه طور دائمی در یک محیط بسیار خشک قرار دارد، مانند داخل ساختمان هایی که رطوبت هوا در سطح بسیار پایینی نگه داشته می شود، اعتقاد بر آن است که خطر قابل اغماض بوده و نوع شرایط محیطی با علامت X0 نشان داده می شود. اما برای بتن شامل آرماتور یا هر نوع فلز داخلی که در معرض هوا و رطوبت قرار دارد، شرایط به گونه ای است که خوردگی ناشی از کربناسیون باید مورد توجه قرار گیرد و انواع شرایط محیطی با علائم XC3, XC2, XC1 یا XC4 با توجه به توضیف ارائه شده در جدول 5-1 (الف) معرفی شده اند. یک ضمیمه توضیحی در 1-206 BS EN، حدود مشخص شده برای نسبت حداکثر آب به سیمان، حداقل سیمان و رده با حداقل مقاومت را برای هر یک از این انواع شرایط محیطی براساس بتن (سیمان پرتلند) CEM1 با یک عمر کاری مورد نظر 50 ساله، ارائه می نماید. باید توجه گردد که این حدود مشخص شده دارای قابلیت کاربرد عمومی نبوده و در تعیین آنها باید از توصیه های مربوط به مقادیر محدود کننده ارائه شده در ضمیمه های ملی یا استانداردهای تکمیلی مانند 8500BS در انگلستان، استفاده نمود.
علاوه بر کیفیت بتن، مقادیر اسمی ضخامت پوشش بتن (بیان شده به صورت مقادیر حداقل به علاوه یک رواداری فرضی برای در نظر گرفتن دقت قطعی) نیز باید برای انواع مختلف شرایط محیطی، مشخص شوند. تا آنجا که به کشور انگلستان مربوط می شود، توصیه های استاندارد تکمیلی انگلستان 8500 BS به گونه ای است که حداقل الزامات مربوط به عمر کاری 50 و 100 سال را برآورد نموده و در عین حال، با توجه به استاندارد اجرایی مصوب انگلستانف امکان توازن میان کیفیت بتن و ضخامت پوشش را فراهم نماید. اساس و بنیان توصیه های استاندارد تکمیلی انگلستان د ارتباط با رده های XC3, XC2, XC1 و XC4 توسط هابز و همکاران تنظیم شده است که تحلیل های ایشان براساس داده های منتشر شده بتن های با تراکم خوب ساخته شده از CEM1 (سیمان پرتلند) و چسباننده های حاوی خاکستر بادی، سرباره و میکروسیلیس می باشد.

جدول 5-1- (الف) رده بندی انواع شرایط محیطی به خوردگی ناشی از کربناسیون

(ب) رده بندی انواع شرایط محیطی مربوط به خوردگی ناشی از کلریدها غیر از آب دریا

(پ) رده بندی انواع شرایط محیطی مربوط به خوردگی ناشی از کلریدهای آب دریا

به طور خلاصه، باید توجه شود که برای آب و هوای معتدل مانند آب و هوای انگلستان، معمولا هیچگونه مشکل بخصوصی در طراحی سازه هایی که انتظار رود برای عمر کاری 50 یا 100 سال، از مشکلات خوردگی عمده ناشی از کربناسیون مصون بمانند، وجود ندارد. در جایی که مشکلات بروز نموده است، اغلب به طور یکنواختی ناشی از عدم کنترل کافی بر فعالیت های اجرای بتن (تراکم، عمل آوری و غیره) و یا عدم رعایت ضخامت پوشش مشخص شده، بوده اند. مورد اخیر، از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد، چرا که با فرض یک رابطه سهمی وار ساده میان عمق کربناسیون و زمان، عدم دستیابی به یک پوشش حداقل مشخص شده، مثلا کمبود mm5 در ضخامت پوشش mm25 (یعنی 20%)، زمان مورد انتظار در نظر گرفته شده برای کربناسیون جهت رسیدن به فولاد داخلی را تا حدود 36% کاهش خواهد داد. چنانکه آمار مربوط به دقت ضخامت پوشش نشان داده است، رواداری منفی تعیین شده mm5 برای پوشش اسمی، معمولا در واقعیت حاصل نشده است. با توجه به BRE، در حالی که برای بتن پیش ساخته با کیفیت خوب، تنها محدوده mm5± برای متوسط پوشش ممکن است به دست آید، این حالت برای بتن درجا به ندرت اتفاق می افتد، چرا که برای این نوع بتن با اجرای مناسب، محدوده mm10± برای متوسط پوشش عموما به دست می آید؛ با این وجود در مواردی که نظارت کمی وجود دارد، این محدوده ممکن است 20± بوده و انحراف های ویزه ای در پوشش نیز ممکن است اتفاق بیفتد، مثلا در دال های سقف و تیرها یا ستون ها با جابجا شدن قفس های آرماتور.

کربوناتاسیون در بتن

پیش از نتیجه گیری از این بخش در رابطه با کربناسیون و اثرات آن، باید توجه نمود که تلاش ها و تحقیقات در حال انجام در حدی فراتر از مشخصات و توصیه های آیین نامه ای موجود درباره دوام بتن، منجر به ابداع روش های آزمایش مناسب سریع تری به منظور فراهم نمودن داده های لازم در مدل های خوردگی ناشی از کربناسیون شده است که می توانند به عنوان پایه ای برای مشخصات عملکردی، مورد استفاده قرار گیرند. خلاصه یکی از این روش ها اخیرا توسط (سکیسل و لی 2005) ارائه شده است. مشکلات وابسته به فرآیندی مانند کربناسیون، که معمولا سالها طول می کشد تا به داخل پوشش بتنی قرار گرفته در معرض شرایط محیطی نفوذ کند، محتمل است که در مدت زمان نسبتا کوتاهی کامل گردند. چنانکه در تحقیقات اخیر درباره مدلسازی اثرات کربناسیون طبیعی و تسریع شده نشان داده شده است، اینکه این آزمایشات بتوانند تاثیر مطلوبی در ایجاد درجه ثابتی از تسریع فرآیند در زمان به کارگیری در مورد انواع مختلف بتن های شامل اجزاء تشکیل دهنده مختلف، سیستم های عمل آوری مختلف و غیره را بوجود آورند، همچنان غیر قطعی باقی می ماند. چندین مورد از مشکلات اجرایی مربوط به ایجاد یک روش آزمایش استاندارد جهت ارزیابی مقاومت کربناسیون انواع مختلف بتن ها تحت شرایط مختلف نیز توسط جونز و همکاران، مورد بررسی قرار گرفته است. روش دیگری برای مدلسازی خوردگی ناشی از کربناسیون که به داده های ورودی به دست آمده از آزمایش کربناسیون تسریع شده بستگی نداشته، بلکه به تجزیه شیمیایی اجزاء سیمانی بتن بستگی دارد، در گزارش اخیر انجمن بتن، مورد حمایت قرار گرفته است. در این مدل، مفهوم «ظرفیت میانگیری معادل» (یعنی مقدار معادلی از یک سیمان پرتلند شاخص) جهت بررسی اثرات وجود مواد افزودنی معدنی مانند سرباره آسیاب شده کوره ذوب آهن، خاکستر بادی، میکروسیلیس و متاکائولین، در سیمان های مخلوط شده و مرکب، مورد استفاده قرار می گیرد.