پدیده خوردگی در بتن

اگرچه پدیده و فرآیند خوردگی در این بخش معرفی می شود، اولین هدف، ایجاد درک کاملی از این مکانیزم بصورت دقیق می باشد. طرح این موضوع در قالب مباحث زیر تشریح می گردد:

- مقدمه

- کربناسیون

- کلریدها

- کربناسیون و کلریدها

- انتشار خوردگی و فرآیند آن

- انواع حالت های خوردگی متداول در پلها

- ترکیب اثرات سولفاتها با خوردگی

- کنترل خوردگی

- سایر انواع خوردگی

استفاده از بتن با کیفیت بالا با پوشش کافی آرماتور مهمترین راه جلوگیری از خوردگی است. این محافظت بدلیل درصد بالای خاصیت قلیایی بتن است (PH نزدیک به 13)، که در لایه نازک خاکستری رنگ و محافظی که بر روی سطح میلگرد است، ایجاد می گردد. اما باید بدانیم محافظت از خوردگی، حل مساله بصورت دائمی نخواهد بود. محیط اطراف همیشه تمایل به تاثیر بر روی بتن و نهایتا تخریب این لایه محافظ خواهد داشت. همچنین تخریب این لایه ممکن است ناشی از یون های آزاد کلر در اطراف آرماتورها و کربناسیون لایه پوششی بتن باشد. این مکانیزم و فرآیند آن در قسمت بعد تشریح می شود.

مدت زمانی که سپری می شود تا این لایه تاثیر پذیر تخریب معمولا به «دوره شروع» معروف است. این مدت زمان به عوامل زیر وابسته است:

1- ضخامت لایه پوشش بتن که هر چه کمتر باشد این زمان کوتاه تر است.

2- کیفیت لایه پوشش بتن (وابسته به نسبت آب به سیمان) که این زمان با کم شدن کیفیت بتن کوتاه تر شده و همچنین با افزایش با افزایش نسبت آب به سیمان کوتاهتر می شود. در حالت های ویژه و کیفیت ضعیف در اجرای این لایه، فرآیند خوردگی می تواند تسریع شود.

3- شرایط محیطی، درجه حرارت، رطوبت سطح، آلودگی سولفات ها، کلریدها و نفوذ دی اکسید کربن

4- نوع واکنشی که باعث زوال می گردد (نفوذ کربناسیون و یون کلر بطور بسیار شدیدتری باعث خرابی و زوال می شود).

در طی زمان «دوره شروع»، فرآیند خوردگی با علائم غیر قابل روئیت به سوی زوال بتن پیش رفته و نه فقط در سطح بتن، بلکه در محل آرماتور گذاری گسترش می یابد. بنابراین از خطر خسارت ناشی از خوردگی در آینده فقط با ارزیابی و انجام بررسی های ویژه می توان جلوگیری نمود.

کربناسیون

فرآیند کربناسیون از دی اکسید کربن موجود در هوا ناشی می شود. واکنش های دی اکسید کربن با هیدروکسید کلسیم در خمیر سیمان باعث کم شدن میزان قلیایی و رسیدن به حد بحرانی در سیمان می گردد. مقدار PH به حدود 9 کاهش یافته که معمولا برای محافظت از آرماتور در برابر خوردگی کافی نیست. این امر باعث شکسته شدن لایه تاثیر پذیر در اطراف میلگرد می شود.

عمق کربناسیون که با زمان افزایش می یابد را می توان با رابطه زیر نشان داد:

شکل 164- خوردگی بتن در انتهای شاهتیر بتنی

شکل 165- تخریب بتن سر ستون پل ناشی از خوردگی

شکل 166- خوردگی بتن در محل تکیه گاه

شکل 167- اضمحلال شدید بتن ناشی از خوردگی

شکل 168- خوردگی شدید در بتن سرستون پل

شکل 169- خوردگی شدید بتن در محل تکیه گاه

شکل 170- تخریب بتن ناشی از استعمال مواد یخ زدا

شکل 171- تخریب بتن پیاده رو ناشی از سیکل های یخ زدن- آب شدن متوالی

شکل 172- جدا شدن بتن بدلیل خوردگی آرماتور

شکل 173- خوردگی فولادهای اصلی شاهتیر و تخریب بتن رویه

کربناسیون

فرآیند کربناسیون از دی اکسید کربن موجود در هوا ناشی می شود. واکنش های دی اکسید کربن با هیدروکسید کلسیم در خمیر سیمان باعث کم شدن میزان قلیایی و رسیدن به حد بحرانی در سیمان می گردد. مقدار PH به حدود 9 کاهش یافته که معمولا برای محافظت از آرماتور در برابر خوردگی کافی نیست. این امر باعث شکسته شدن لایه تاثیر پذیر در اطراف میلگرد می شود.

عمق کربناسیون که با زمان افزایش می یابد را می توان با رابطه زیر نشان داد:

که در آن:

x: عمق کربناسیون (mm)

K: ضریب تجربی

T: زمان (سال)

مقدار ضریب K را می توان بصورت زیر برآورده نمود:

که در آن f_c مقاومت فشاری نمونه استوانه ای بتن برحسب  است.

ضریب K تجربی است. این رابطه برای درصد رطوبت در حدود 50% معتبر است (با فرض x برحسب میلیمتر و T برحسب سال).

اگر نسبت رطوبت در خلل و فرج بتن با مقدار 50% متفاوت باشد، مقدار K را باید در ضریب کمتر از یک که به مقدار رطوبت بستگی دارد ضرب نمود (نمودار زیر را ببینید).

شکل 174- عمق نسبی کربناسیون در رطوبت نسبی 50% 

اگر عمق واقعی کربناسیون و پوشش بتن در محل اندازه گیری شود، برآوردی از دوره شروع خوردگی را می توان بصورت زیر بدست آورد:

با فرض عمق نفوذ کربناسیون برابر با پوشش بتن C در زمان T سال داریم:

که در آن:

در این دو رابطه:

x: عمق واقعی کربناسیون برحسب میلیمتر اندازه گیری شده در محل

C: پوشش بتن (mm)

T_l: دوره شروع (سال) کربناسیون در نفوذ به پوشش بتن تا رسیدن به آرماتور

کلریدها

کلریدها راه یافته در بتن ممکن است از منابع متفاوت زیر حادث شوند:

- آب اختلاط

- سنگدانه ها

- آب عمل آوری بتن

- خاک محیط

- نمک یخ زدا (در مناطق سردسیر)

- مناطق ساحلی در کنار آب دریا

در حالت کلی اکثر کلریدها معمولا در بتن تازه وارد چرخه ی خوردگی می شوند (کلریدهای اولیه ناشی از آب اختلاط، سنگدانه ها و آب عمل آوری) و زمینه رادر حین سخت شدن بتن برای واکنش های شیمیایی مهیا می سازند.

کلریدها تا زمانی که به صورت مقید شده باقی بماند مضر نیستند، زیرا نمی توانند باعث شکستن لایه محافظ روی فولاد شوند. بعنوان یک تخمین می توان گفت 60% کلریدهای اولیه به صورت مقید و 20 تا 30% آنها از داخل جسم سخت یتن نفوذ کرده و سپس مقید می شوند (این نکته حائز اهمیت است که فقط براساس این برآورد نمی توان به یک استراتژی تعمیراتی دست یافت). تست های آزمایشگاهی می تواند کلریدهای آزاد و مقید را مشخص کند. بعنوان یک برآورد اولیه، مقدار کلریدهای آزاد را می توان با انجام اندازه گیری هایی در آب مقطر بجای اسید انجام داد. این نوع کلریدها خیلی سریع در آب حل می شوند در حالی که کلریدهای مقید به صورت مقید باقی می مانند.

انتشار یون کلر درون بتن را می توان با 2 رابطه زیر توصیف نمود:

که در آنها:

x: عمق سطح بحرانی کلرید (mm)

K_x: ضریب تجربی

T: عمر بتن (سال)

C_x: میزان کلرید در عمق x

C_s: میزان کلرید در محیط اطراف

C_i: میزان کلرید اولیه

erf: تابع خطا

D: ضریب انتشار

که مقادیر تابع erf در جدول زیر آورده شده است.

جدول مقادیر تابع خطا

براساس اندازه های مندرج روی نمودار کلرید (نیمرخ کلرید) در بتن، پارامترهای متفاوتی را می توان به منظور پیش بینی زمان تا شروع خوردگی محاسبه نمود. سایر محاسبات مشابه روابطی است که برای کربناسیون ارائه گردید. یک نمودار نمونه میزان کلرید در شکل 175 نشان داده شده است.

شکل 175- نیمرخ کلرید

اثر متقابل کربناسیون و کلریدها

در بتنی که حاوی مقدار زیادی یون کلر می باشد، واکنش شیمیایی کلریدهای محدود پیش از کربناسیون آغاز خواهد شد و به فعالیت خوردگی تسریع خواهد بخشید. چون بتن کربنات شده مقاومتی در مقابل نفوذ یون کلر ندارد، کلریدها پیش از کربناسیون، شکست های درونی را سبب خواهند شد. بنابراین مقدار کلرید بطور ثابت افزایش خواهد یافت. هنگامی که جبهه نفوذ کربناسیون در حال حرکت درون بتن بوده و به فرآیند خوردگی شتاب می دهد، حد بحرانی مقدار کلرید نیز سریع تر به آرماتور گذاری خواهد رسید. یک نمونه نیمرخ کلرید در بتنی که عمق کربناسیون در آن حدود 30 میلیمتر می باشد در شکل 176 نشان داده شده است.

شکل 177- نفوذ کربناسیون به آرماتورها

شکل 178- نمونه ای از خوردگی با نفوذ حدود 70 میلیمتر کربناسیون

اگر این مکانیزم با تر و خشک شدن متوالی در محیط آلوده به کلر اتفاق بیافتد، فرآیند خوردگی می تواند خیلی سریع رشد پیدا کند. یک روش ساده برای ارزیابی نفوذ کلر از خارج این است که از لایه بتنی کربنات شده چشم پوشی شود. ضخامت لایه کربنات شده را می توان بطور تقریبی از معادلات قبل برآورده نمود.