آزمایش هافسل بتن یا پتانسیل خوردگی در بتن

آزمایش هافسل بتن یا پتانسیل خوردگی در بتن

روش آزمون غیرمخرب تست خوردگی فولاد در بتن نیازمند استفاده از سیستم نیم پیل و ولت متر با مقاومت ظاهری –امپدانس- بالا است. این سیستم قابلیت شناسایی جریان یون متحرک در بتن بین بخش های کاتدیک و آندیک را با اندازه گیری خطوط هم پتانسیل را دارا می باشد. بتن مانند یک الکترولیت عمل می کند و خطر خوردگی به اختلاف پتانسیل اندازه گیری شده بستگی دارد. تست پتانسیل خوردگی (آزمون هافسل) روشی برای شناسایی محل های فعال و محتمل برای خوردگی است. توصیه می شود تست کربناتاسیون و یون محلول کلرید برای کسب نتایج دقیق و همچنین ممکن است به جهت تعرق در بتن و ایجاد ترک های ناشی از این امر از آزمون التراسونیک بتن و تست اسکن آرماتور به جهت تعیین خوردگی در شبکه ها در بتن صورت پذیرد.

به طور کلی خوردگی آرماتورها در بتن مسلح بیشتر در محیط های مرطوب و پهنه های ساحلی کشور به مانند شهر های ماشهر و عسلویه و همچنین در مناطق شمالی کشور مشکل ایجاد می کند که عمر مفید سازه ها را کاهش می دهد. دو عامل مهم در وقوع این پدیده، استفاده از بتن با کیفیت نامناسب و عدم توجه به شرایط محیطی رویارویی می باشد.

1-تخریب و خوردگی بتن در مناطق مرطوب2-نمونه ای از خوردگی بتن3-تخریب و خوردگی در ستون ها4-خوردگی پایه پل ها

مقاومت بتن در برابر خوردگی به طور خلاصه به دو عامل بستگی دارد:

1- مقاومت بتن در مقابل نفوذ یون کلر که به ضخامت گوشته ی بتن و نفوذپذیری آن بستگی دارد.

2- مقاومت میلگرد در مقابل خوردگی که به نوع فولاد مورد استفاده، قلیائی محیط داخلی بتن و واکنش های انجام شده روی فولاد که ممکن است منجر به از بین رفتن پیوند بین فولاد و بتن شود، بستگی دارد.

برای اطلاع از استانداردها و دستورالعمل های مربوط به تست خوردگی فولاد یا نیم پیل می توانید به منبع زیر مراجعه نمایید:

ASTM C876-91 استاندارد آزمایش هافسل برای آرماتور بدون روکش در بتن های مسلح و همچنین جهت دریافت اطلاعات بیشتر در این زمینه می توانید با واحد آزمایشگاهی کلینیک بتن ایران تماس حاصل فرمایید.

پتانسیل خوردگی فولاد در بتن مسلح را می توان با اندازه گیری اختلاف ولتاژ بین فولاد و یک الکترود مرجع در سطح بتن مسلح به دست آورد. اندازه گیری با روش نیم پیل روش ساده ایست که با کاربرد یک ولت متر با مقاومت بالا و یک الکترود مرجع استاندارد نظیر مس- سولفات مس صورت می گیرد. ولت متر فولاد را به الکترود مرجع به نحوی متصل می سازد که فولاد به قطب مثبت ولت متر وصل گردد. باید دقت کرد که اتصال بین الکترود مرجع و بتن برقرار گردد. این روش در سالهای اخیر توسعه یافته و وقتی خوردگی آرماتور محتمل باشد با موفقیت بطور گسترده بکار می‌رود و معمولاً شامل اندازه‌گیری پتانسیل فولاد آرماتور تعبیه شده نسبت به یک نیم پیل (هافسل) مرجع واقع در سطح بتن است.

از پتانسیل اندازه گیری شده در روش نیم پیل می توان برای بررسی احتمال خوردگی فولاد در بتن مسلح استفاده نمود. با حرکت الکترود مرجع روی سطح بتن می توان منحنی های پتانسیل را رسم نمود و محل های احتمالی خوردگی فعال در سازه بتنی را معین کرد. این روش بخصوص برای برنامه ریزی تعمیر و یا پایش حفاظت کاتدیک روش مناسبی است که از این رو پس از آزمایش های مورد نظر می توان جهت مقایسه با بت شاهد و همچنین آزمایشهای دیگیری همچون التراسونیک بتن و غیره طرح ریزی جهت مقاوم سازی و ارائه پیشنهادات جهت سطوح بتنی اقدام نمود.

تصاویری از انجام تست و آزمون هافسل مجموعه کلینیک بتن ایران(مهندسین مشاور مهرازان پایدار)

• روند و روش:

ابزار و روند کار نیم پیل (هافسل)

وقتی یک فلز در یک محلول غوطه ور می‌شود، در سطح بین مایع و جامد بدلیل توزیع غیر یکنواخت بار در فاز‌های مایع و جامد، اختلاف پتانسیل بوجود می‌آید. تعیین اختلاف پتانسیل ثابت در سطح بین میلگرد و بتن غیر ممکن می‌باشد بنابراین لازم است که الکترود دیگری برای تکمیل مدار الکتریکی تعریف شود. پتانسیل اندازه‌گیری شده بین این دو الکترود پتانسیل پیلی نامیده می‌شود که مجموع پتانسیل دو نیم پیل است. با رجوع به یک الکترود مرجع که دارای یک پتانسیل نیم پیل است، همیشه یک اختلاف پتانسیل ثابت بدست خواهد آمد.

آزمایش هافسل بصورت گسترده در محل سازه بکار می رود و می تواند بسیار سریع و نسبتاً کم هزینه نواحی را که نیاز به بررسی بیشتر و یا تعمیر دارد مشخص نماید.

نتایج آزمایش می تواند تحت تأثیر عوامل زیر قرار بگیرد:

• درجه رطوبت بتن: این اندازه گیری به میزان رطوبت بتن بسیار حساس است. پتانسیل منفی بیشتر در بتن هایی با درجه اشباع بالاتر بدست می آید. نتایج گمراه کننده ای درخصوص درصد احتمال خوردگی ممکن است در یک سازه و در بخش های یکسان که تحت شرایط خشک و یا مرطوب قرار می گیرد و اندازه گیری می شود حاصل شود.
• میزان اکسیژن نزدیک آرماتور: فقدان اکسیژن نزدیک آرماتور منجر به ثبت اندازه گیری پتانسیل منفی بیش تر نسبت به نواحی هوادار می گردد. بایستی توجه داشت که فقدان اکسیژن معمولا به میزان قابل ملاحظه ای نرخ خوردگی را کاهش می دهد هرچند ممکن است پتانسیل منفی بیشتری را باعث گردد. بنابراین بایستی دقت نمود که در هنگام تعیین میزان احتمال خوردگی در سازه های بتن مسلح  درجاییکه فقدان اکسیژن در نزدیکی آرماتور وجود دارد نظیر قسمت های مغروق یا زیر زمین سازه تحلیل دچار اشکال نگردد.
• ریزترک ها: ریز ترک ها می توانند خوردگی موضعی ایجاد نمایند و مقاومت الکتریکی بتن را تغییر دهند و در اندازه گیری پتانسیل خوردگی تاثیر بگذارند از این رو به این شکل مستندات می تواند تکمیل شود که آزمایش های دیگر غیر مخرب و حتی مخرب به ماننده مغزه گیری از بتن یا پتروگرافی می تواند به جهت طراحی مقاوم سازی و برسی سازه مفید عمل آید.
• جریانات پراکنده و غیر دائم: وجود جریانات پراکنده و غیر دائم بر اندازه گیری به روش نیم پیل تاثیر می گذارد.

 به دلایل فوق ASTM C876  مشخص می نماید که این استاندارد در شرایط محیطی معینی نظیر زمانی که بتن خیلی خشک، کربناته شده، دارای یک پوشش سطحی و یا هنگامی که آرماتور دارای یک پوشش فلزی ست کاربردی ندارد. اگر چه روش نیم پیل روش مناسب و مورد توجهی است، لیکن نمی تواند بصورت کمی خوردگی را بیان کند.

معمولاً یک  پیل ( هافسل ) سولفات مس / مس یا کلرید نقره / نقره است اما ترکیبات دیگری بکار می‌رود. انواع مختلف پیل (هافسل ) مقادیر مختلفی از پتانسیل سطح تولید کرده و اصلاح نتایج در یک پیل ( هافسل ) استاندارد مناسب ممکن است در هنگام تفسیر ضروری باشد. بتن مانند یک الکترولیت عمل می کند و منطقه آند خوردگی آرماتور فولادی در مجاورت نزدیک نقطه آزمون را می‌توان از نظر تجربی با اختلاف احتمالی اندازه گیری شده با ولت‌سنج دارای امپدانس بالا ارتباط داد.

جدا کردن پوشش بتن برای ایجاد تماس الکتریکی با آرماتور فولادی معمولاً ضروری است. این اتصال بسیار مهم است و یک پیچ self-tapping توصیه می شود اما پیوستگی الکتریکی کافی معمولاً در یک تور یا قفس آرماتور وجود دارد تا از نیاز به اتصالات مکرر جلوگیری کند. آماده‌سازی سطح از جمله مرطوب کردن نیز احتمالاً برای تضمین تماس مناسب ضروری خواهد بود. روش های دو پیل ( هافسل )ی، با اجتناب از نیاز به اتصالات الکتریکی به آرماتور را می توان برای آزمون مقایسه‌ای بکار برد اما چندان مورد اطمینان تصور نمی‌شود.

این ابزار پایه بسیار ساده بوده و بررسی غیرمخرب سطح یک عضو بتن را برای تهیه نقشه های کانتر ایزو پتانسل میسر می‌کند. طیف وسیعی از ابزار که به لحاظ تجاری در دسترس است از جمله دستگاه های تک خوانشی دیجیتالی  و همچنین دستگاه های چندپیل (هافسل) و چرخشی با ورود خودکار داده ها و امکانات چاپی که برای آزمون سریع و اقتصادی نواحی بزرگ طراحی شده است.کلینیک بتن ایران مفتخر است دستگاه این آزمون را به اختراع و ثبت نموده است و بیش یکصد پروژه بزرگ عمرانی از جمله پتروشیمی ها،صنایع فولاد و غیره را در سازه های مربوطه آزمون و دستورالعمل های مقاوم سازی و سپس تیم اجرایی مقاوم سازی کلینیک بتن ایران به جهت این امر ارسال و تعمیرات آن نیز توسط این مجموعه انجام گرفته است.

قابلیت اطمینان، محدودیت ها و کاربردها

آزمون Half Cell آزمایش هافسل ( اختلاف پتانسیل الکتریکی) یکی از روش های الکتروشیمیایی آزمون خوردگی می باشد. خوردگی میلگرد های درون بتن یک واکنش الکتروشیمیایی می باشد. در بتن تازه که در آن مقدار PH بالاتر از ۱۲ می باشد میلگردها به طور طبیعی توسط بتن محافظت می شوند. هنگامی که غلظت یون های کلر در اطراف میلگردها افزایش می یابد و یا زمانی که کربناسیون به سطح میلگرد می رسد خوردگی آغاز می شود. سلول های خوردگی الکتروشیمیایی بیشماری بر سطح آرماتورها تشکیل می شود. نیرویی که باعث پیشرفت خوردگی می شود انرژی نهفته دورن فولاد می باشد که در طول پروسه تولید فولاد ذخیره شده است.

آزمایش پتانسیل خوردگی هافسل بر روی بتن هایی که دارای آرماتورهای بدون پوشش می باشند قابل انجام است. این آرماتورها از نظر الکتریکی پیوسته بوده و هیچ مانعی بین سطح آرماتور و محل قرارگیری الکترود هافسل وجود نداشته باشد. همچنین دستگاه پتانسیل هافسل نیاز به الكترود اشباع سولفات مس دارد به گونه ای که به منظور اطمینان از قرائت ها باید در پایین الکترود کریستال های سولفات مس مشاهده شود. مفتول مسی متصل به دستگاه هافسل نیز باید به وسیله محلول رقیق اسیدی مرتباً تمیز شود. با توجه به استاندارد ASTM C876 سطح بتن را باید با محلولی که هادی الکتریسیته باشد کاملاً مرطوب نموده و تمام آب های اضافی را از روی آن جمع آوری نمود. همچنین باید زمان مناسبی را بین مرطوب کردن سطح و شروع آزمایش سپری کرد تا محلول هادی الکتریکی به درون بتن نفوذ کند.

• به صورت کلی می توان گفت آزمایش هافسل:

مطالعات اولیه در مورد پتانسیل نیم پیل ( هافسل ) در درجه اول مربوط به عرشه های پل مرتفع در آمریکا است که در هر زمستان مقدار زیادی نمک ضد یخ به بتن‌های غیر ضد آب اضافه می‌شود. در شرایطی که دسترسی فراوانی  به اکسیژن وجود دارد و آلودگی کلریدی از سطح وارد می شود، دستورالعمل های تفسیری را می توان برای ارزیابی خطر وقوع خوردگی ارائه کرد. در اعمال این دستورالعمل‌ها در شرایط محیطی مختلف باید دقت کرد. مطالعات بر روی عرشه پل اروپایی  که در آن غشاءهای ضد آب بکار رفته یا نمک های ضد یخ اغلب کمتر بکار می‌رود، مجموعه متفاوتی از دستورالعمل های تفسیری را در پی دارد.

با اینکه تماس مرطوب بین نیم پیل (هافسل) و بتن مورد نیاز است، مرطوب کردن کامل سطح بتن می تواند نتایج بالقوه بسیار منفی تری تا 200 میلی ولت به بار آورد در حالی که بتن کاملاً اشباع از آب ممکن است قحطی اکسیژن را در پی داشته به مقادیر احتمالی منفی‌تر از 200- میلی ولت منجر شود.

مطالعات بر روی بتن کربناته نشان داده است که خوردگی معمولاً با خوانش پتانسیل نیم پیل ( هافسل ) در محدوده 200 میلی ولت تا 500 میلی ولت ارتباط دارد اما با گرادیان احتمالی از گرادیان مشاهده شده با آلودگی خارجی کلریدی بسیار کم عمق‌تر است.

وقتی کلریدها در بتن وجود دارد، به دلیل استفاده از شتاب دهنده کلرید کلسیم در ترکیب اصلی، خوردگی معمولاً با خوانش احتمالی نیم پیل در محدوده 100+ میلی ولت تا 400- میلی ولت ارتباط دارد و طیف پتانسیل هایی که نواحی به سرعت در حال خوردگی و ظاهرا بدون خوردگی را از هم جدا می‌کند اغلب بسیار محدود است. گرادیان‌های احتمالی نیم پیل  اغلب به دلیل مجاورت نزدیک میکرو پیل ( هافسل ) های خوردگی مجاور روی سطح آرماتور فولادی غالباً کم عمق است.

در پرتو این معیارهای تفسیری متناقض، در حال حاضر استفاده از مقادیر احتمالی مطلق به عنوان وسیله ارزیابی احتمال وقوع خوردگی رایج‌تر است. رسم نقشه های کانتور ایزو پتانسیل ترجیح داده می شود. ریسک خوردگی محلی با «نواحی ویژه» از مناطق آند منفی‌تر و گرادیان احتمالی شیب دار مشخص می شود که با خطوط ایزو پتانسیل با فاصله نزدیک مشاهده می شود. مناطق منفی‌تر از 200 میلی ولت از «پتانسیل زمینه‌ای» اغلب نشان دهنده فعالیت خوردگی است.

در انجام یک نظرسنجی بالقوه، شبکه اولیه 0.5 متر تا 1 متر معمولاً برای نمونه‌برداری پتانسیل‌های سطحی بکار می‌رود. در مناطق مورد توجه خاص، یا وقتی فعالیت خوردگی ریز پیل ( هافسل ) محتمل است، شبکه ریز 0.1 متری را می توان بکار برد. باید اذعان کنیم روش نیم پیل ( هافسل ) نمی تواند نشان دهنده میزان واقعی خوردگی باشد یا حتی نمی‌تواند نشان دهد خوردگی قبلا آغاز شده است. این آزمون فقط مناطقی را نشان می دهند که نیازمند بررسی بیشتر است و ارزیابی احتمال وقوع خوردگی را می توان با اندازه‌گیری مقاومت ویژه در این مناطق بهبود بخشید.

این روش هنگام ارزیابی شرایط نگهداری و تعمیر کاربرد وسیعی دارد و به ویژه در یافتن مقایسه‌ای مناطقی که خوردگی در آن ممکن است سبب مشکلات آتی شود و مناطقی که خوردگی بدون شواهد قابل مشاهده در سطح قبلا در آن روی داده است مفید است. به علاوه، این روش اغلب برای تأیید این مساله کاربرد دارد که پس از ترمیم سازه بتن مسلح آسیب دیده ناشی از خوردگی، انفعال بازگردانده می‌شود.

این آزمایش مطابق با استاندارد ASTM C876 و با استفاده از الکترود مرجع Calomel SCE انجام شد.

اندازه گیری پتانسیل خوردگی آرماتور، شامل تعیین اختلاف ولتاژ بین آرماتور و یک الکترود مرجع در تماس با بتن است. بسته به نوع الكترود مصرفی ، ولتاژ قرائت شده متفاوت خواهد بود و قابل تبدیل به یکدیگر می باشند.

دستور استاندارد ASTM C876  برای تعیین پتانسیل خوردگی میلگردهای قطعات بتنی سازه ها در کارگاه (در محل) ارائه شده است مشروط بر اینکه میلگرد بتن دارای پوشش خاصی مانند اپوکسی یا روی نباشد. با این حال می توان در آزمایشگاه نیز این آزمایش را با تغییراتی انجام داد. برای این منظور از یک ولت متر و یک الکترود استفاده می شود و قطب مثبت مدار به الکترود و قطب منفی به میلگرد متصل می شود و ولتاژ (اختلاف پتانسیل) بین میلگرد و سطح بتن تعیین می گردد. معمولا محل تماس الکترود با سطح بتن به خوبی با مواد مرطوب کننده، مرطوب می شود تا اتصال برقرار گردد. در این آزمایش طبق دستور استاندارد از الکترود مس- سولفات مس استفاده می شود، اما می توان از الکترود کالومل اشباع یا الکترود نقره-کلرید نقره نیز استفاده کرد و نتایج بدست آمده را طبق استاندارد ASTM G3تبدیل نمود.

ASTM C876 شروع فعالیت خوردگی را به صورت احتمالی و بشرح ذیل مشخص کرده است:

احتمال شروع فعالیت خوردگی

شروع فعالیت خوردگی

در آزمایش هافسل باید میلگردها بصورت متصل تداوم داشته باشند و قطع در آنها باعث اختلال در نتایج می گردد. باید دانست که این آزمایش فقط اختلاف پتانسیل موجود را به دست می دهد که پتانسیل خوردگی نام دارد و به هیچ وجه آهنگ خوردگی یا میزان خوردگی میلگرد را به نمایش نمی گذارد. درهنگام اجرای این تست به صورت آزمایشگاهی میلگرد را داخل یک استوانه بتنی قرار می دهند و بخش عمده ای از بتن را در داخل آب دریا یا آب نمک ( با غلظت های متفاوت) می گذارند و یک سر سیم را به میلگرد خارج از آب و الکترود را داخل آب دریا یا آب نمک قرار می دهند و ولتاژ را قرائت می کنند این آزمایش مستقیماً کیفیت بتن را بدست نمی دهد فقط می توان کیفیت بتن را در مقایسه با یکدیگر ارزیابی کرد و نشان داد کدام نمونه زودتر و کدام یک دیرتر فعالیت خوردگی را آغاز می نمایند.

آزمایش هافسل و ارقام ذکر شده فقط برای میلگردهای بدون پوشش گالوانیزه ، اپوکسی و … کاربرد و مفهوم دارند و برای میلگردهای پوشش دار و صنعت متفاوت خواهد بود. آزمون هافسل مستقیماً كیفیت بتن را بدست نمی دهد فقط می توان کیفیت بتن را در مقایسه با یکدیگر ارزیابی کرد و نشان داد کدام نمونه زودتر و کدام یک دیرتر فعالیت خوردگی را آغاز می نمایند . جهت بررسی این آنالیز کانتورهای دو بعدی ترسیم گردیده است.

آزمایش هافسل-مکانیزم خوردگی

مکانیزم خوردگی

بتن های حاوی میکرو سیلیس اختلاف پتانسیل کمتری نسبت به بتن های فاقد ذرات میکرو سیلیس دارند. همچنین با افزایش حباب هوا نفوذ محلول بیشتر شده و رسانایی بیشتر نماید و اختلاف پتاسیل افزایش می یابد که این امر سبب خوردگی بیشتر می شود. حالت بهینه زمانی اتفاق می افتد که بتن حاوی میکروسیلیس و فاقد حباب هوا می باشد که در طرح اختلاط شماره ۱۲ دیده می شود و در این حالت بهینه کمترین اختلاف پتانسیل وجود دارد که موجب کاهش میزان خوردگی می شود.

نتایج آزمایش هافسل (half cell)

افزایش مقاومت باعث ایجاد روند کاهشی در اختلاف پتانسیل می شود. همچنین با کاهش حباب هوا ،میزان مقاومت افزایش می یابد. نمونه ای با میزان حباب هوای کمتر در مقاومت معین دارای اختلاف پتانسیل کمتری نسبت به سایر نمونه ها می باشد در نتیجه میزان خوردگی در این نمونه کمتر خواهد بود.افزایش نسبت آب به سیمان باعث کاهش مقاومت و همچنین افزایش اختلاف پتانسیل می شود که خود زمینه ساز افزایش خوردگی می شود. در نتیجه در نمونه هایی با نسبت آب به سیمان کمتر مقدار خوردگی کمتر است.

در کارگاه با ایجاد شبکه ای به فواصل 0.5 تا یک متر بر روی سطح بتن، اندازه گیری ها انجام می شود و خطوط تراز هم پتانسیل رسم می گردد. نتیجه آزمایش نمایانگر وجود فعالیت های خوردگی میلگردها در هنگام آزمایش می باشد. در ASTM C876 زمانی که از الکترود مس- سولفات مس استفاده می شود. باید توجه داشت که با انجام این آزمایش نمی توان مستقیما شدت خوردگی میلگرد و یا میزان خوردگی آن را تعیین نمود.

بر اساس نتیجه آزمایش هافسل ، نمی توان در کارگاه در مورد کیفیت بتن ها از نظر نفوذپذیری در برابر یون کلرید یا CO2 به راحتی اظهارنظر نمود. در آزمایشگاه معمولا میلگردی را درون بتن به نحوی قرار می دهند که ضخامت بتن روی آن دقیقا مشخص و یکسان باشد. در صورتی که میلگردها کاملا مدفون در بتن باشد، باید سیمی را به آن وصل کرد و به بیرون انتقال داد. در صورتی که سر میلگرد بیرون از بتن باشد باید قسمت بیرونی و بخشی از قسمت درونی آن را (به میزان بیش از کاور) با اپوکسی پوشاند. معمولا نمونه های استوانه ای تهیه شده را تا دو سوم ارتفاع درون آب نمک قرار داده و در زمان های مختلف اختلاف پتانسیل قرائت می شود. هنوز دستور استانداردی غلظت آب نمک، نحوه تهیه نمونه، سن قرارگیری در آب نمک و غیره را مشخص نکرده است و پژوهشگران روش مشابهی را برای بتن های مختلف بکار می برند. در صورتی که میلگرد نمونه بتنی کاملا مدفون باشد می توان آن را کاملاً درون آب نمک غرقاب کرد.

اعضای بتنی مانند اسکله ها، پایه های پل و … که در معرض خوردگی قرار دارند و با استفاده از آزمایش های غیر مخرب مجموعه کلینیک بتن ایران می توان با توجه به نتایج آزمون و برسی های آن نسبت به طراحی مقاوم سازی اقدام نمود که این مجوعه با بیش از 17 آزمایش غیر مخرب درسراسر کشور می تواند خدمت رسانی نماید به جهت دریافت اطلاعات بیشتر نیز می توانید با مجموعه کلینیک بتن ایران تماس حاصل فرمایید.