هنگامی که مقدار یون کلر در سطح آرماتورگذاری به حد بحرانی رسید یا جبهه حرکت کربناسیون به آرماتورها برخورد نمود، لایه محافظ به سمت بیرون شکسته شده و فرآیند خوردگی آغاز می شود. فرآیند خوردگی یک فرآیند الکترو شیمیایی است. در این فرآیند یک ولتاژ ضعیف بین نواحی زنگ زده (آندها، جایی که لایه محافظ شکسته است) و ناحیه زنگ نزده (کاتدها یا جایی که لایه محافظ نشکسته است) جریان پیدا می کند. آندها و کاتدها قسمت های ضعیف و قوی محلول کلرید هستند که می توانند بعنوان مثال در یک میله فولادی قرار داشته باشند.
این جریان در نتیجه رفتار طبیعی فلزات در مایعات و بتن ناشی می شود. اگر 2 فلز با پتانسیل الکترو شیمیایی متفاوت بصورت الکتریکی به یکدیگر متصل شوند، خوردگی احتمالا در فلزی که پتانسیل ضعیف تری دارد رخ خواهد داد. بنابراین خطر خوردگی را می توان با اندازه گیری پتانسیل ها ارزیابی نمود.
هنگامی که لایه محافظ بصورت موضعی شکسته شود نتیجه ارتباط الکتروشیمیایی، افزایش خاصیت اسیدی در این نواحی خواهد بود. این عمل باعث ایجاد اختلاف پتانسیلی خواهد بود که باعث تشکیل جریان خوردگی می شود. در محلی که لایه محافظ شکسته است، واکنش آندیک اتفاق می افتد.
واکنش آندیک (Anodic Reaction):
تولید الکترون Fe Fe++ + 2e-
اگر رطوبت و اکسیژن در سطح فولاد وجود داشته باشد، واکنش کاتدیک اتفاق خواهد افتاد.
واکنش کاتدیک (Cathodic Reaction):
O2 + 2H2O + 4e- 4OH-
آند و کاتد ممکن است در فاصله زیادی از یکدیگر قرار گرفته باشند ولی تا زمانی که یک ارتباط الکتریکی بین آنها وجود دارد، خوردگی حادث می شود. این ارتباط (حالت اسیدی شدن) بواسطه رطوبت ایجاد شده و عمل الکترولیت با خود میلگرد شروع می شود. واکنش آندیک تولید الکترون نموده و واکنش کاتدیک آن را مصرف می کند. فرآیند خوردگی در شکل 179 تشریح شده است.
شکل 179- فرآیند خوردگی در آرماتور
Fe++ با اکسیژن، OH- و آب واکنش داده و فرآیند خوردگی را شکل می دهند. نوع خوردگی اولیه بستگی به مقدار آب و اکسیژن قابل دسترس دارد.
1) اگر مقدار اکسیژن قابل دسترس کم باشد، اولین محصول Fe(OH)2 سفید رنگ می باشد.
2) این محصول سفید رنگ ممکن است به FeO سیاه رنگ و آب تغییر شکل دهد. این محصول خوردگی نوعی زغال است (خوردگی مقدماتی).
3) اگر اکسیژن به FeO اضافه شود، ممکن است Fe3O4 سیاه رنگ شکل گیرد که حجیم نبوده بنابراین هیچ علائم ثانویه ای در این حالت خوردگی وجود ندارد.
4) اگر آب و اکسیژن برای Fe(OH)2 سفید رنگ در دسترس باشد، محصول خوردگی توسط یک مرحله میانی به Fe(OH)3 قهوه ای رنگ تبدیل می شود.
5) اگر آب اضافی در دسترس باشد nH2O، Fe(OH)3 در رنگ های زرد، قرمز و قهوه ای ایجاد می شود.
6) البته اگر اکسیژن به وفور در دسترس باشد این ماده در حجم زیاد و بدون هیچ مرحله میانی ایجاد می شود. این نوع خوردگی، نوعی خوردگی مقدماتی کربناسیون در بتن متخلخل است.
توسعه و انتشار خوردگی و سرعت فرآیند اولیه آن به عوامل زیر بستگی دارد:
- درجه حرارت
- نسبت بتن موجود در نواحی خورده شده به خورده نشده
- درصد رطوبت
توضیح اینکه برای اکثر واکنش های شیمیایی، نرخ خوردگی با افزایش درجه حرارت زیاد می شود. همچنین اگر سطح آند در مقایسه با کاتد کوچک باشد، نرخ خوردگی بالا خواهد بود، زیرا خوردگی در یک ناحیه کوچک اتفاق می افتد (خوردگی محلی).
فرآیند خوردگی محلی (موضعی) معمولا به سمت تولید محصولات خوردگی بصورت سیاه رنگ، رو به رشد و به شکل مایع می باشد. این بدین معنی است که خوردگی محلی را نمی توان با علائم قابل روئیت بر روی سطح بتن انتظار داشت. خوردگی محلی، خوردگی مخفی است و اثرات مخفی آن می تواند بدون هیچ علائم ظاهری توسعه یافته و خطر شکست و فرو ریختگی غیر منتظره را افزایش دهد. در خصوص اثرات کلر، یون های کلر تبدیل Fe++ را تسهیل می کنند، بنابراین نرخ خوردگی افزایش می یابد. چون خوردگی اولیه کلر معمولا خوردگی موضعی است، بنابراین ممکن است در مدت زمان کوتاه و بدون هیچ علائم قابل روئیت در سطح بتن، کاهش محسوسی در سطح مقطع آرماتور فولادی رخ دهد.
هنگامی که سطوح آند و کاتد تقریبا برابر باشند، این حالت خوردگی را خوردگی کلی (General) می نامند. این نوع خوردگی با علائم زرد، قرمز و قهوه ای رنگ شناخته می شود که خیلی سریع با علائم قابل روئیت خوردگی، پوسته شدن بتن، ایجاد ترک های ناشی از فشار، ترکیدن بتن و زنگ زدن در حجم زیاد و آلودگی ناشی از زنگ زدگی افزایش می یابد.
نرخ خوردگی بستگی به درصد رطوبت اطراف میلگرد دارد. در رطوبت نسبی کمتر از 80%، نرخ خوردگی معمولا قابل صرف نظر کردن است. این نکته نیز حائز اهمیت است که رطوبت نسبی اشاره شده، رطوبت موجود در منافذ بتن در ناحیه کاتد می باشد. میانگین رطوبت نسبی در منافذ بتن در طول یک سال می تواند با رطوبت نسبی موجود در هوا متفاوت باشد، مخصوصا در حالتی که کلریدها نیز در بتن حضور دارند.
معمولا نرخ خوردگی در رطوبت نسبی بیشتر از 95% افت کرده و در رطوبت نسبی 100% مینیموم است (شکل 180). اما اگر یک ارتباط الکتریکی بین نواحی با درصد رطوبت پایین وجود داشته باشد، ممکن است یک کاتد در این ناحیه شکل گرفته و نرخ خوردگی را افزایش دهد. این امر ممکن است در حالی که قسمتی از یک ستون در خاک مرطوب فرو رفته باشد روی دهد. همچنین خوردگی ممکن است در ناحیه یک آندو در زیر زمین (با رطوبت نسبی بالا) ایجاد شود. زیرا کاتد در بالای زمین، جایی که رطوبت نسبی پایین تر است، شکل می گیرد. این دو نوع خوردگی معمولا می توانند در مناطق دیگری از سازه نیز ایجاد شوند.
شکل 180- جریان الکتریکی از میان میلگرد
خوردگی محلی (موضعی)
این خوردگی علائم قابل روئیت کمی در سطح بتن دارد (زیرا زنگ زدگی در نقاطی در زیر بتن و در محل غیر قابل روئیت واقع می شود، جایی که یک نیروی فشاری در جهت پوسته شدن بتن وجود داشته و متمایل به رشد نیز می باشد) و معمولا در محل های زیر واقع می شود:
- در مقاطع گیردار (مناطق با لنگر خمشی منفی حداکثر)، براکتها و عرشه های طره ای
- در درزهای ساختمانی و در محل ترک های بتن با حجم بالایی از کلر و رطوبت
- در بتن با حجم کلر اولیه بالا
خوردگی کلی
این خوردگی علائم قابل روئیتی در سطح بتن دارد و معمولا در حالت های زیر اتفاق می افتد:
- در بتن های با کیفیت ضعیف
- در بتن با پوشش ناکافی
- در بتن با شرایط تر و خشک شدن های متوالی از قبیل سطوح افقی و سطوح قائمی که نزدیک سطح زمین بوده و یا با آب در تماس مداوم باشند.
انواع خوردگی متداول در پل های بتن مسلح
سه حالت ممکن خوردگی در پل ها عبارتند از:
1- در عرشه پلها 2- در پایه ها و ستونها 3- در کوله ها و دیوارهای برگشتی
خوردگی در عرشه پلها
در شکل 181 عرشه یک پل و اجزاء آن نشان داده شده است. با توجه به این شکل و تقسیم بندی آن به نواحی مختلف، خوردگی را می توان بصورت زیر بررسی نمود:
شکل 181- عرشه یک پل و نواحی مختلف آن
ناحیه A: ترکها در این نقطه بدلیل لنگرهای خمشی منفی بوجود می آیند. این خوردگی، محلی است و با رشدی سریع توسعه یافته و در نتیجه سطح مقطع عرضی کاهش می یابد.
ناحیه B: در این نقطه و در فاز اول، خوردگی محلی بوده و در فاز دوم باعث ایجاد خوردگی کلی و در نهایت با فروپاشی بتن همراه خواهد بود. انتشار خوردگی به میزان رطوبت اجزاء و همچنین به مدت زمان دوره تر و خشک شدن بستگی دارد. در عرشه های بدون لایه روکش (ایزولاسیون)، در آب و هوای گرم و تحت اثر آب، خوردگی به سرعت و همانند خوردگی های معمول توسعه می یابد. معمولا زمان نمایان شدن خوردگی در سطح بتن نسبت به عرشه در معرض رطوبت بالا، کوتاه تر است ولی خرابی قسمت مسلح کمتر است. (بدین معنی که در جایی که ایزولاسیون ضد آب وجود ندارد آب نفوذ نکرده اما نمی تواند به سرعت بخار شود).
در عرشه پل های دارای لایه ضد آب، معمولا خوردگی بعد از ترک خوردن این لایه قابل مشاهده است. همچنین خوردگی با نرخ بالا ممکن است زمانی رخ دهد که اکسیژن مورد نیاز در لایه بالای آرماتورها وجود نداشته باشد. این مساله بدلیل آن است که تجمع اکسیژن به شکل کاتد ممکن است در زیر لایه آرماتور قرار گرفته باشد که بدلیل اینکه در این قسمت فقط لایه پوشش بتن وجود دارد، حفاظ خوبی وجود ندارد.
ناحیه C: خطر خوردگی در این قسمت به زیر عرشه محدود می شود، مگر اینکه آب نفوذ کننده دارای املاح یون کلر باشد که در این حالت خوردگی در همه سطح نمایان خواهد شد. اگر سطح بزرگتری تحت تاثیر آب و یون کلر قرار گرفته باشد، مکانیزم خرابی مشابه حالتی خواهد بود که در ناحیه B رخ می دهد و در نتیجه باعث افزایش فروپاشی پوشش بتنی خواهد شد.
خوردگی در پایه ها و ستون ها
در شکل 182 پایه یک پل و اجزاء آن نشان داده شده است. با توجه به این شکل و تقسیم بندی آن به نواحی مختلف، خوردگی را می توان بصورت زیر بررسی نمود:
ناحیه A:در این ناحیه هطر خوردگی محلی (موضعی) مخصوصا زمانی که بتن در معرض رطوبت و یون کلر بصورت ثابت باشد وجود دارد. در بتن هایی که در معرض سیکل تر و خشک شده متوالی هستند، خوردگی توسعه یافته و باعث فروپاشی و ترک خرودگی پوشش بتن می شود.
ناحیه B: در این ناحیه، خوردگی کلی بدلیل پدیده کربناسیون رخ می دهد. گسترش خوردگی به آرامی صورت گرفته ولی خرابی های قابل روئیت در اولین مرحله پدیدار می شود.
ناحیه C: در این ناحیه خطر خوردگی موضعی وجود دارد و فقدان اکسیژن مانع خوردگی نخواهد بود زیرا فرآیند کاتدی در ناحیه فلزی بالاتر از سطح زمین رخ می دهد. رشد خوردگی در این ناحیه نیز می تواند بسیار سریع باشد.
شکل 182- پایه یک پل و اجزاء آن
خوردگی در کوله ها و دیوارهای برگشتی
در شکل 183 کوله یک پل و اجزاء آن نشان داده شده است. با توجه به این شکل و تقسیم بندی آن به نواحی مختلف، خوردگی را می توان بصورت زیر بررسی نمود:
ناحیه A:در سطح زمین و در زیر آن، وضعیت مشابه ناحیه A در پایه های پل می باشد.
ناحیه B: نزدیک بالای دیوار، خطر یون کلر ناشی از آب های جاری در سطح زمین وجود دارد. این مواد با عبور از سطح شیب ها به سمت بالا و پایین در قسمت پشت دیوارها جاری می شوند. به واسطه تر و خشک شدن های متوالی، علائم قابل روئیتی از خوردگی در نواحی مسلح بصورت جداشدگی به نظر می رسد. این جدا شدگی باعث نفوذ آسانتر آب و نهایتا تسریع فرآِند خوردگی می شود.
ناحیه C: در قسمت پشت دیوار امکان وجود رطوبت و یون کلر بصورت دائمی وجود دارد. لذا اگر اکسیژن وجود نداشته باشد خوردگی شدیدی ممکن است با شکل ظاهری مشابه آنچه در پایه ها و ستون ها بیان شد رخ دهد.
ناحیه D: در جلوی دیوار، میزان یون کلر ممکن است بدلیل نفوذ آب شور از پشت دیوار و بخار آب و نهایتا باقی ماندن کلریدها در بتن، بسیار زیاد باشد.
شکل 183- کوله یک پل و نواحی مختلف آن
7-4- اثرات متقابل سولفات ها و خوردگی
حالت خاصی از خوردگی و حمله سولفاتها در قسمت های مدفون سازه، مخصوصا در سازه های بزرگ وجود دارد. شکل های 184 تا 186 را مشاهده نمایید.
شکل 184- اثرات سولفات و کلر بر روی فونداسیون یک پل بتن مسلح در دریا و در یک ناحیه آلوده |
شکل 185- اثرات سولفات و کلر در پایه یک
پل بتن مسلح |
|---|
شکل 186- ترکیب اثر سولفات و کلرید در دریا که با تاثیر متوالی خشک شدن و تر شدن وخیم تر می شود
تمرکز سولفاتها بطور ثابت در ناحیه ای که آب همراه با کلر در حال تبخیر است افزایش یافته و این عمل باعث تسریع خرابی خواهد شد. مکش سولفات ها می تواند باعث حمله سولفات به بتن در مقاطع سوراخ دار شود. مخصوصا در سازه های مدفون مشکلات بزرگتری وجود دارد. به هر حال، اگر پوشش بتنی سازه در زیر سطح دریا بواسطه حمله سولفاتها از بین رود، یک آند بزرگ در زیر سطح دریا تشکیل می شود. در این فرآیند، کاتد در قسمت بالای سطح دریا تشکیل خواهد شد. در سازه های بزرگ، قسمت اعظمی از این نواحی باعث خوردگی شدید اعضای زیر آب می شود.