از آنجا که ایجاد لایه محافظ بتن، مکانیزم اصلی است که توسط آن فولاد موجود در بتن در برابر خوردگی محافظت می شود، ضروری است که عوامل مختلفی را که ممکن است موجب صدمه به این عامل محافظ شوند، مورد برسی قرار دهیم. برخی تغییرات در ترکیب شیمیایی بتن ممکن است به وجود بیاید که موارد شاخص آن عبارتند از:
- کاهش و از بین رفتن اکسیژن
- کاهش و از بین رفتن خاصیت قلیایی ناشی از کربوناسیون
- ورود یون های کلرید
خوردگی میلگرد در بتن سازه
کاهش اکسیژن
سازه های بتنی که در معرض هوا قرار دارند، دارای یک منبع فراوان اکسیژن می باشند که هم به عنوان یک واکنش دهنده کاتدی در سطح فولاد داخل بتن مل نموده و هم موجب تبدیل یون های Fe+2 به وجود آمده از آند، به زنگ آهن می شوند. بنابراین، وقوع علل کاهش کلی اکسیژن، غیر متحمل می باشد مگر در جایی که ماده کاملا در زیر آب بوده، در زیر خاک اشباع مدفون باشد و یا توسط یک پوشش مشابه کاملا خیس، احاطه شده باشد. اثرات کاهش پیش رونده مقدار کلی اکسیژن بر روی منحنی های قطبش کاتدی برای واکنش زیر در شکل 5-5 نشان داده شده است.
O2+2H2O+4e- 4O(-H)
در این شکل، همچنین بخشی از منحنی قطبش آندی برای فولاد در بتن قلیایی که به نمودار ایوانس معروف می باشد، مجددا ارائه شده است (cf که در شکل 5-4 نشان داده شده است). با فرض عدم استفاده از منبع تغذیه الکتریکی خارجی به منظور ایجاد جریان در یک آرماتور فولادی (یعنی ادامه رفتار خوردگی طبیعی)، جریان های خوردگی عبوری از آندها و کاتدها در سطح آن باید با یکدیگر در حال تعادل باشند. تحت این شرایط، در صورتی که «پتانسیل خوردگی» فلز (Ecorr) نسبت به نیم پیل مرجع اندازه گیری شود (یک الکترود کالومل اشباع، SCE، یا مشابه آن)، به تدریج که منبع اکسیژن موجود برای فولاد به طور پیوسته کاهش می یابد، متناظر با نقاط نشان داده شده در شکل 5-5، از دقت مقادیری که ثبت می شوند، کاسته می گردد (یعنی مقادیر منفی تر می شوند).
شکل 5-5- نمودارهای ایوانس که نشان می دهند رفتار الکتروشیمیایی فولاد در بتن در غلظت های مختلف اکسیژن چگونه می تواند از یک حالت عادی «مقاوم» به حالت «پیش مقاوم مقید شده کاتدی» در سطوح بسیار پایین اکسیژن تغییر نماید.
این نشان می دهد که لایه محافظ در طول محدوده گسترده ای از غلظت های اکسیژن می تواند حفظ شود، اما سرانجام مرحله ای فرا می رسد که در آن Ecorr به زیر یک مقدار بحرانی رسیده، کوچکتر از -700mV (مقیاس SCE)، و ایجاد یک لایه محافظ بر روی فولاد ضروری می باشد، در نتیجه فلز دیگر به روش معمول محافظت نمی شود. اما در این لحظه چون اکسیژن برای حفظ واکنش کاتدی با نرخ قابل ملاحظه وجود ندارد، نرخ کلی خوردگی بسیار کوچک می شود، شرایطی که با عناوین گوناگونی مانند «خوردگی فعال با پتانسیل پایین» یا «پیش حفاظت مقید شده کاتدی» نامیده می شود. استفاده از عنوان اخیر، از ایجاد درک اشتباه درباره مفهوم عملی این شرایط که در صورت افزایش مقدار اکسیژن در سطح فلز می تواند به آسانی تبدیل به شرایط لایه محافظ شود، جلوگیری می نماید. باید تاکید گردد که اثرات نسبتا ملایم و بی خطر «کاهش کلی اکسیژن» که در بالا تشریح گردید، باید از پیامدهای مخرب «کاهش موضعی اکسیژن در ماکروسل های (ماکروپیل های) خوردگی» که می تواند موجب تشدید حالتی از خوردگی موضعی به نام زنگ سیاه یا سبز شود، تفکیک شده و متمایز گردد. شرایط محیطی که در آن، این نوع غیر معمول خوردگی ممکن است ایجاد شود، عبارتند از شرایطی که در آن نواحی آندی و کاتدی در طول مقاطع مشخص از آرماتور به خوبی تفکیک می شوند که از تماس مستقیم ناحیه آندی با کسیژن جلوگیری می شود. نواحی آندی تمایل دارند در موقعیت هایی واقع شوند که بتن متخلخل و دارای درز و شکاف بدی بوده و از آب شور عاری از اکسیژن که مواد قلیایی را شسته و میزان حلالیت یون های Fe2+ را بالا می برد، اشباع باشد. تحت این شرایط، تشکیل معمول اکسید آهن هیدراته قهوه ای رنگ منبسط شونده متوقف شده و حل شدن آندی فلز، منجر به تولید ترکیبات آهن می گردد که در ابتدا سبز رنگ هستند، اما پس از قرارگیری در معرض هوا به سرعت تیره می شوند. این شرایط بدون نشان دادن علائم معمول ترک خوردگی سطحی و لکه های زنگ زدگی در بتن، می تواند موجب کاهش سطح مقطع فلز گردد. خصوصا در محل های حساس سازه ای، بسیار مهم است که از ایجاد جزئیات اجرایی نامناسب که احتمال تجمع محلی آب شور عاری از اکسیژن در تماس با آرماتورهای مسلح سازی را فراهم می نمایند، اجتناب نمود. نمونه هایی از چنین جزئیات نامطلوب شامل اتصالات با طراحی و اجرای نامناسب یا غشاء های ضدآب گسیخته شده می باشد.
کاهش خاصیت قلیایی ناشی از کربناسیون
کاهش خاصیت قلیایی معمولا نتیجه قرارگیری بلند مدت بتن در معرض هوایی است که در آن نسبت های متغیری از دی اکسید کربن (و مقادیر کمتری از گازهای اسیدی دیگر) وجود دارند. این حالت چنانکه در زیر برای پرتلندیت نشان داده شده است، موج�� کربناسیون اجزاء قلیایی سیمان و تشکیل کربنات کلسیم و C-S-H و پس از آن تشکیل کربنات کلسیم و ژل سیلیکا هیدراته می گردد:
Ca(OH)2+CO2 CaCO3+H2O
C-S-H+CO2 CaCO3+SiO2.xH2
حذف نسبت بالایی از هیدرکسیدهای فلز قلیایی محلول از فاز محلول حفره ای و وجود یون های آنها در داخل ژل سیلیکا هیدراته، pH را در ناحیه سطحی بتن تحت تاثیر تا مقدار کوچکتر از 10 کاهش می دهد که این شرایط برای تثبیت لایه محافظ بر روی فولاد، کافی نمی باشد. بنابراین، اگر لایه سطحی کربناته بتن تا حدی نفوذ کند که به خارجی ترین آرماتور داخل بتن برسد، مکانیزم معمول حفاظت در برابر خوردگی از طریق تشکیل لایه محافظ، دیگر عملی نخواهد بود، و در شرایط ویژه ای، خوردگی کلی قابل ملاحظه ای ممکن است در ناحیه متاثر فولاد، آغاز گردد. خوشبختانه، کربناسیون معمولا فرآیند بسیار آهسته ای، حداقل در مناطق با آب و هوای معتدل، می باشد و می توان توسط اقدامات پیشگیرانه ساده ای، از آثار آن جلوگیری نمود. با این وجود، این پدیده می تواند علت از بین رفتن قابلیت بهره دهی سازه های قدیمی باشد.