ترمیم علاج بخشی خوردگی در بتن مسلح

ترمیم علاج بخشی مشکلات خوردگی در بتن مسلح، در سال های اخیر به حوزه فعلیت مهمی تبدیل شده است، به گونه ای که هنگام مواجهه با روش های مربوط به چگونگی تعمیر و نگهداری اقتصادی یک سازه برای باقیمانده عمر بهره برداری مورد نظر آن، اغلب باید گزینه های بسیاری توسط مهندسین مورد بررسی و توجه قرار گیرند. این مطلب، منجر به طرح و توسعه توصیه های گزیده ای در رابطه با راهکارهای ترمیم سازه های آسیب دیده بر اثر خوردگی، مانند موارد تدوین شده توسط کمیته تخصصی RILEM در طول دهه گذشته به عنوان مطالب تشکیل دهنده مقدمه ای تدریجی برای سری جدید استانداردهای اروپا در زمینه ترمیم بتن به صورت عام، شده است. هدف از این استانداردهای جدید، کمک به استانداردهای مربوط به انتخاب راهکارهای ترمیمی در جهت تعیین روش ها و تکمیل آنها می باشد. مروری بر قابلیت کاربرد آنها برای سازه های در معرض آسیب خوردگی، در نشریه BRE (BRE، 2000C) ارائه شده و خلاصه ای مفید از اهداف آنها، از نقطه نظر یک مهندس مشاور فعال در زمینه مدیریت زیرساخت ها، توسط روبری تهیه شده است. مقدمه استانداردهای جدید نیز از طریق وب سایت انجمن ترمیم بتن، قابل دسترسی می باشد.
برخی از پیشرفت های جالب تر در زمینه روش های علاج بخشی به منظور برطرف نمودن مشکلات خوردگی در بتن مسلح طی سال های اخیر، شامل ارائه روش های جدید الکتروشیمیایی می باشد که عمده مباحث باقیمانده در این بخش، به آنها اختصاص می یابد. اما پیش از پرداختن به این روش ها، باید اشاره گردد که برای خوردگی ناشی از کربناسیون، روش های سنتی موثری نیز برای انجام ترمیم های با دوام در بلند مدت، وجود دارند. اما برای خوردگی ناشی از کلرید، شرایط بسیار نامطمئن می باشد، خصوصا اگر سازه در مورد نظر دچار آلودگی نمکی بالایی باشد.

ترمیم سطوح بتنی

عبارت ترمیم سنتی در اینجا و موارد دیگر، به منظور نشان دادن فرآیندی استفاده می شود که شامل حذف فیزیکی و جایگزینی بتن غیر محافظ (یعنی مصالح کربناته و آلوده به کلرید) توسط یک مصالح سیمانی مناسب می باشد که هدف از آن ارزیابی یک محیط قلیایی محافظ به دور آرماتور می باشد. گام های مهم دیگر نیز مانند تمیز نمودن آرماتور خورده شده سپس برداشتن بتن غیر محافظ، انجام بهسازی های سطحی مناسب در سازه به منظور بهبود ظاهر سازه و مقاومت آن در برابر ورود عوامل خورنده و غیره به همراه مهارت اجرا، مورد نیاز می باشد.
در صورتی که سازه دچار آلودگی شدید نمک های کلریدی باشد، ترمیم موثر خوردگی آرماتور از طریق روش سنتی توصیف شده در بالا، ممکن است مشکل بوده و یا اقتصادی نباشد. در این مورد، نه تنها حذف فیزیکی ترک خورده و پوسته کرده از بتن الزامی است، بلکه شاید حذف مقادیر زیادی از مصالح سالم اما آلوده به کلرید نیز ضروری باشد. اگر این کار به طور کامل انجام نشود، زمینه سازی انجام یک ترمیم بادوام، بسیار ضعیف می باشد، زیرا حذف قوی ترین نواحی آندی فولاد (از نواحی وصله در سازه)، منجر به تشکیل نواحی آندی جدید در بخش های آلوده به کلرید که آنها را احاطه نموده، می گردد. این به اصطلاح آندهای اولیه با کاتدهای فولادی دارای لایه محافظ موجود در نواحی تازه ترمیم شده جفت شده و بر اثر ایجاد حالت قطبی، محدوده ای از پتانسیل ها را ایجاد می نمایند که در این محدوده، حفره ای شدن می تواند آغاز شود، در حالی که آنها قبلا از طریق جریان های کاتدی تامین شده توسط فولاد در حال خورده شدنی که پیش از تعمیر با آنها جفت بودند، در برابر حفره ای شدن، حفاظت می شدند.
راهکار الکتروشیمیایی برای مسئله آند اولیه هنگامی به وجود آمد که سیستم های حفاظت کاتدی موجود، برای استفاده در سازه های بتن مسلح دچار خوردگی کلریدی، توسعه یافتند. این روش اولین بار توسط استراتفول در ایالات متحده ارائه گردید و بررسی ها و اصلاحات متعددی طی 30 سال گذشته بر روی آن صورت گرفته است. مهم ترین مزیت این روش آن است که می توان آن را برای سازه های شامل سطوح بالای کلرید باقیمانده پس از ترمیم نواحی ترک خورده و پوسته کرده، به کار برد. با این وجود، این روش مستلزم یک منبع تغذیه با جریان مستقیم و نیز یک شکل مناسب آند به منظور توزیع جریان از میان بتن به سمت آرماتور فولادی داخلی و یک سیستم پایش به منظور کنترل عملکرد در فواصل، می باشد. هدف از این کار، قطبی نمودن فولاد تا یک پتانسیلی است که در آن، فرآیند جدید حفره ای شدن متوقف شده و رشو فرآیند حفره ای شدن موجود، به میزان قابل ملاحظه ای به تاخیر افتاده و یا از آن جلوگیری می شود (شکل 5-16).

شکل 5-16- محدوده های تقریبی رفتار الکتروشیمیایی فولاد در بتن با سطوح مختلف آلودگی کلریدی. 
کاهش پتانسیل فولاد در اثر اعمال حفاظت کاتدی پس از نفوذ قابل توجه کلرید در پوشش بتن منجر به حفره شوندگی گردیده (A تا B) که ممکن است حالت «حفاظت ناقص» اتفاق بیفتد (B تا C) که در آن تشکیل 
حفره های جدید متوقف گردیده و رشد حفره های موجود با تاخیر می افتد و یا حالت «حفاظت کامل» اتف��ق 
بیفتد (B تا D) که در این صورت حفره شوندگی کاملا محدود می شود.

این کار، معمولا از طریق اعمال چگالی های جریان کاتدی در محدوده mA/m220> (یعنی مقداری بیشتر از مقادیر لازم جهت پیشگیری کاتدی) و تنظیم آنها در حدود لازم در کل مدت عمر بهره برداری باقیمانده سازه، صورت می گیرد. در سال های اخیر، تعدادی از مقالات بازنگری و مروری در زمینه حفاظت کاتدی بتن مسلح، به چاپ رسیده و استانداردهایی در اروپا و آمریکای شمالی، تهیه شده است. حوزه های مهم توسعه مربوط می شود به سیستم های آند جریان متاثر که در حال حاضر چندین نوع آن برای کاربردهای مختلف، وجود دارد (نمونه آن در شکل 5-17 نشان داده شده است).

شکل 5-17- (a) آند گسترش یافته با رنگ رسانا برای اعمال حفاظت کاتدی به یک سازه بتنی. (b) آند 
شبکه ای تیتانیوم فعال (نشان داده شده پیش از آنکه با یک رویه بتنی پوشش داده شود) برای اعمال حفاظت کاتدی به یک سازه بتن مسلح

همچنین علاقه روزافزونی به استفاده از آندهای قربانی در شرایطی نشان داده شده است که در آنها ممکن است فراهم نمودن یک منبع تغذیه برق و سیستم پایش دشوار باشد، مانند حفاظت در سازه های دریایی ویژه در نواحی جزر و مدی و پاشش آب و نیز به منظور تامین کنترل موضعی خوردگی (از طریق پیشگیری کاتدی) در مجاورت وصله های ترمیم. دیگر روش های علاج بخشی الکتروشیمیایی که به حفاظت کاتدی مربوط شده و شامل اعمال جریان مستقیم میان یک آند خارجی قرار گرفته (در الکترولیت های مناسب) بر روی سطح بتن و آرماتور خارجی به عنوان یک کاتد می باشند، با عنوان «بازقلیاسازی الکتروشیمیایی» (ER) و استخراج الکتروشیمیایی کلرید (ECE) معروف می باشند (شکل 5-18).

شکل 5-18- مشخصات ضروری (a) قلیایی شدن مجدد الکتروشیمیایی و (b) استخراج کلرید 
الکتروشیمیایی اعمال شده به بتن مسلح

هدف از مورد اول، بازگرداندن خاصیت قلیایی بتن پوششی کربناته است، درحالی که هدف از مورد دوم، حذف یون های کلرید از ناحیه پوشش بتن آلوده به نمک می باشد. تمایز مهم میان این دو روش و حفاظت کاتدی آن است که هر دو شامل چگالی های جریان بسیار بزرگ تری می باشند (A/m22-1 ~) که تنها به صورت موقت اعمال می شوند، یعنی معمولا حدود 1 تا 2 هفته برای ER و 6 تا 10 هفته برای ECE. این نشان می دهد که الزامی برای انجام پایش در کل عمر باقیمانده بهبره برداری سازه های مورد نظر وجود ندارد، اما ارائه معیارهای قابل قبول برای نقاط پایانی ترمیم ها، موضوع بسیار بحث برانگیزی بوده است. همچنین خصوصا برای ECE، عبور چگالی های بالای جریان برای دوره های نسبتا طولانی، تغییراتی را در ترکیب بتن پوشش منجر می گردد که به صورت پیش رونده ای با مدت زمان و بزرگی چگالی جریان اعمال شده، افزایش می یابند که این اثرات به صورت آزمایشگاهی و از طریق مدلسازی مورد بررسی قرار گرفته اند. در نتیجه، احتمال ایجاد اثرات جانبی نامطلوب مانند واکنش سیلیسی قلیایی و آسیب به پیوند میان فولاد/بتن باید در صورت پیشنهاد ECE برای ترمیم سازه های بخصوص، مورد توجه و بررسی قرار گیرد. برخی بازنگری ها و مقالات در دهه گذشته در ارتباط با ER و ECE به چاپ رسیده است که خوانندگان جهت اطلاعات بیشتر و دقیق تر، می توانند به آنها مراجعه نمایند.

ترمیم بتن مسلح

طی 10 تا 20 سال گذشته، تلاش های متعددی برای دستیابی به راهکارهای علاج بخشی جایگزین و اقتصادی به منظور رویارویی با خوردگی در سازه های بتن مسلح صورت گرفته که شامل استفاده از بازدارنده های خوردگی در بهسازی های اعمال شده به سطوح خارجی سازه هایی می باشد که خوردگی قبلا در آنها آغاز شده است. این اقدام، موضوع متفاوتی از به کارگیری بازدارنده ها به عنوان مواد افزودنی بتن می باشد که نقش مورد نظر آنها در درجه اول، تاخیر آغاز هجوم خوردگی می باشد. این مطلب، برخی پرسش ها در زمینه های زیر را مطرح می سازد:

الف) توانایی بازدارنده های مورد نظر در به تاخیر انداختن خوردگی از قبل آغاز شده در بتن کربناته و یا بتن آلوده به کلرید
ب) قابلیت حمل و جابجایی بازدارنده ها (به سمت داخل و خارج) درون پوشش بتن با کیفیت و ضخامت های مختلف
پ) غلظت هایی که باید در مجاورت آرماتورهای فولادی داخلی ایجاد شوند تا جلوگیری موثر از خوردگی بدون بروز اثرات جانبی نامطلوب، حاصل شود. این موضوعات در مقالات بازنگری متددی مورد بحث واقع شده و تحقیقات آزمایشگاهی به منظور روشن نمودن برخی موارد مربوط به بازدارنده های بخصوص، صورت گرفته است. در مورد بازدارنده های خوردگی برپایه مواد آلی نیز تلاش هایی به منظور ارائه روش های الکتروشیمیایی تزریق  آنها به طور سریع به داخل بتن سخت شده، صورت پذیرفته است. اما این مطالعات با مبنای ازمایشگاهی، محدودیت هایی را نشان داده اند که اگر بخواهیم مزایا و معایب بازدارنده های مختلف خوردگی را در این کاربردها و موارد دیگر در حوزه ترمیم بتن بهتر درک نماییم، انجام آزمایشات به دقت طراحی و پایش شده در محل، کاملا ضروری می باشد. این موضوع می تواند محور مناسبی برای تلاش های تحقیقاتی آینده، محسوب گردد.

مراجع موجود جهت دریافت راهکارها و اطلاعات بیشتر

اطلاعات بیشتر درباره موضوع این مقاله را می توان در کتاب های مختلفی یافت که به طور ویژه، خوردگی فولاد در بتن را مورد بررسی قرار می دهند. شماری از کنفرانس های مهم که چندین مورد از آنها قبلا ذکر شده است نیز به این موضوع اختصاص یافته اند و یک مرجع تحقیقاتی که اخیرا اضافه شده، عبارت است از گزارش نهایی عملکرد سازمانی اروپا، 521COST، خوردگی فولاد در سازه های بتن مسلح.
موضوع مرتبطی که در محدوده این مقاله مورد بررسی قرار نگرفت، عبارت است از استفاده از کامپوزیت های مسلح به الیاف، خصوصا پلیمرهای مسلح به الیاف شیشه، به عنوان جایگزین آرماتورهای فولادی برای مسلح سازی بتن. اینگونه مواد در طول دو دهه گذشته، توسعه یافته اند، اما مشکلات حل نشده مربوط به دوام، خصوصا تحت شرایط محیطی شدید، مانع بزرگی در برابر پذیرش گسترده تر آنها در مهندسی عمران محسوب می گردد. خوانندگان علاقه مند می توانند اطلاعات بیشتر در این زمینه را از یک مقاله مروری اخیر، دریافت نمایند.