خوردگی آرماتور( میلگرد ) در بتن

خوردگی آرماتور( میلگرد ) در بتن
6327 1394/09/05

آنچه از خوردگی فولاد حاصل می شود (عموماً به زنگ معرف است)، شامل اکسیدهای آهن است. برای زنگ زدن، وجود دو عامل رطوبت و اکسیژن ضروری است که در رابطه با فولاد تعبیه شده در بتن یا بالای کف، هر دو عامل حضور دارند.

در اینجا به جزئیات فعالیت اسیدها بر آرماتور فولادی نمی پردازیم، اما اگر اسیدها با آرماتورها واکنش دهند، باعث گسیختگی در پوشش بتنی شده و خوردگی شدیدی رخ خواهد داد. برخی ترکیبات شیمیایی که در تصفیه خانه آب استفاده می شوند، اسید محلول مانند سولفات آهن و سولفات سدیم هیدروژن
می باشد.

طراحی و ساخت معمول بتن آرمه تضمین می کند که آرماتورها در معرض تخریبهای فیزیکی قرار
نمی گیرند. این واکنش های الکتروشیمیایی در سطح آرماتورهاست که منجر به خوردگی یا زنگ زدن فولاد می شود.

فولاد هنگامی که با بتن یا ملاتی که pH آن کمتر از حدود 5/12 نباشد، احاطه شود، دچار خوردگی نمی شود. قلیاییت بالا به دلیل شکل گیری یک لایه محافظ حاصل از فرانید اکسیداسیون نظیر اکسید آهن، فولاد را اثر ناپذیر می کند.

یکپارچگی این لایه با افزایش میزان قلیاییت خمیر سیمان که آرماتور را احاطه نموده حفظ می شود. این حالت ماندگار ادامه داشته و اکسیداسیون بیشتر متوقف شده و فولاد دچار خوردگی نمی شود.

از این رو اگر در ادامه، خوردگی صورت گیرد، در نتیجه عدم اثرناپذیری سطح فولادی بوده است.

عدم یکپارچگی سطح اکسید به عوامل متعددی بستگی دارد که عمده آنها در زیر آمده اند:

1.      خسارت فیزیکی به بتن اطراف فولاد در اثر تماس، سایش یا فرسایش

2.       در اثر جمع شدگی یا تنش، شکاف هایی در بتن توسعه یافته که به سمت پایین تا فولاد گسترش می یابد

3.      نفوذپذیری و تخلخل بالای بتن احاطه کننده فولاد

4.      ضخامت ناکافی پوشش بتن یا ملات به منظور مقاومت سطح یکپارچه اکسید در برابر عوامل خورنده در دوره مورد نیاز (عموما عمر طراحی سازه یا مولفه های سازه ای). کدهای احرایی برای شکل های متعارف عمق پوشش موجودند.

5.      وجود کلیریدها با غلظت متجاوز از مقدار آیین نامه ای آن.

شرایط 1 تا 4 موارد فوق، یکپارچگی لایه اکسید را در اثر رطوبت و مواد شیمیایی از بین می برد.
دی اکسید کربن موجود در هوا باعث کربناته شدن بتن و کاهش pH
آن تا حدود 5/9 می گردد.

اطلاعات تکمیلی در زیر پیرامون تمامی آیتم های بالا به استثنا خسارت فیزیک مورد (1) بوده که احساس می کنم نیاز  به بحث خاصی ندارد.

1-1-1-   توسعه شکافها در بتن

در سرتاسر بتن شکاف های ریزی وجود دارد که تاثیر نامطلوبی بر عملکرد آن نمی گذارد. اما، همین شکاف های ریز و باریک در اثر جمع شدگی و تنشهای مازاد می تواند تا فولاد گسترس یابد و منجر به افت اثر ناپذیری و در نتیجه خوردگی آرماتورها گردد.

شکافهای ناشی از جمع شدگی می توانند در اثر نسبت بالای آب به سیمان یا کاربرد سنگدانه های انقباض پذیر (نظرات فصل 2، بخش 2-5 را ببینید)  و/ یا عمل آوری ناکافی بتن رخ دهد.

اختلاف نظرهایی پیرامون حداکثر نسبت آب به سیمان وجود دارد.

من معتدقم که برای هر نوع بتن با آرماتور فولادی، نسبت آب به سیمان نباید از 5/0 تجاور نماید و برای بتن با کیفیت بالا این نسبت بایستی برابر با 4/0 باشد. برای محصولات پیش ساخته، مثلاً لوله های بتنی، حتی نسبت کمتر آب به سیمان نیز اغلب استفاده می شود. که در برخی موارد به 35/0 هم می رسد. سنگدانه های با دانه بندی ضعیف (نسبت مصالح ریز خیلی بالا باشد)، احتمالاً منجر به افزایش نیاز آب اختلاط و متعاقب آن افزایش انقباض ناشی از خشک شدگی می گردد.

1-1-2-  نفوذ پذیزی و یا تخلخل بالا

برای نفوذپذیری کم، حفره های موینه در بتن می بایست در طی دوره حداکثر 14 تا 28 روزه بعد از شروع هیدراسیون، از هم گسیخته شود.

اگر نسبت های w/c توصیه شده فوق، آنچنان پایین باشند که نتوان کارایی کافی را برای تراکم کامل بتن فراهم نمود، آنگاه می بایست به منظور رسیدن به حداکثر تراکم مورد نیاز در نفوذپذیری کم، از مواد
روان کننده استفاده کرد.

تراکم بالای بتن در اطراف میله های آرماتور به منظور حفاظت از فولاد ضروری است، که این امر با کاهش نفوذپذیری و تخلخل، به افزایش مقاومت نیز کمک می کند.

عمل آوری صحیح بتن نیز ضروری است چرا که این موضوع خطر شکست های ناشی از جمع شدگی حاصل از خشک شدن را کاهش داده و هیدراته شدن سیمان را ارتقا می بخشد.

1-1-3- غلاف پوششی بتن یا ملات

واضح است که به منظور حفاظت کافی از میله های آرماتور، پوشش آنها می بایست حداقل ضخامتی را داشته که این مقدار حداقل به کیفیت بتن و شرایطی که در معرض آن قرار می گیرد، بستگی دارد. ضخامت "حداقل" معمولا به صورت پوشش "اسمی" بیان می شود که در حد قابل قبولی اجازه اختلاف و خطای عملی در نصب آرماتورها و فاصله گذاری جهت بتن ریزی و تراکم آن را می دهد. پوشش اسمی آرماتورها در کدهای عملی موجودند و به شرایطی که در معرض آن قرار دارد و نیز کیفیت بتن مربوط می باشند. کیفیت بتن نیز به صورت حداقل مقدار سیمان و حداکثر نسبت آب به سیمان بیان می شود. میزان خطای مجاز در کدهای مربوطه موجود است.

1-1-4-  کربناته شدن بتن

دی اکسید کربن موجود در هوا با هیدروکسید کلسیم موجود در خمیر سیمان در حال هیدراسیون واکنش داده و کربنات کلسیم را تشکیل می دهد:

 

این واکنش منجر به کاهش قابل توجه pH بتن (از حدود 13 به 5/9) شده که به کربناته شدن معروف است. هنگامی که بتنی پوشانده آرماتورها کربناته می شود، قلیاییت بالای خمیر سیمان (که برای حفط اثر ناپذیری فولاد بدان نیاز است)، از بین رفته که در نتیجه، فولاد نسبت به خوردگی آسیب پذیر می گردد.

برای وقوع خوردگی می بایست اکسیژن و رطوبت نیز علاوه بر شکل گیری یک سلول خوردگی مثلا یک آند یا کاتد، بر روی سطح فولاد وجود داشته باشد. یک جریان الکتریکی از آند به کاتد از طریق الکترولیتی که رطوبت موجود در خمیر سیمان در حال هیدراسیون است (مثلاً آب موجود در حفره های موئینگی)، به وجود می آید. شکل گیری سلول خوردگی نیز در اثر اختلال پتانسل در طول میله است. از این رو خوردگی فولاد در بتن یک پدیده الکترو شیمیایی است.

سطح بتنی که در معرض هوا قرار دارد، تقریباً فوری کربناته شده و یک لایه کربناته با ضخامت میکرونی بر روی آن بوجود می آید.

بتن دارای خلل و فرج است و در گروه مصالح متخلخل طبقه بندی می شود. به همین دلیل است که مایعات و گازها قادرند به آرامی در آن نفوذ نمایند. نرخ نفوذ به عوامل متعددی بستگی دارد که یکی از مهمترین آنها میزان تخلخل، نفوذپذیری و رطوبت بتن می باشد. تشکیل بتن کربناته نرخ نفوذ
دی اکسید کربن را کم می کند علت آن هم این است که کربنات کلسیم به عنوان یک پرکننده حفره در خمیر سیمان در حال هیدراسیون عمل می نماید. کربناته شدن بتن مقاومتش را کاهش نمی دهد. سرعت تشکیل سلول های خوردگی به دسترسی به رطوبت و اکسیژن بستگی دارد.

مطالب بسیاری پیرامون کربناته شدن بتن و تاثیر آن بر زنگ زدن آرماتورها موجود است. در فصل 7 به بحث پیرامون پوشش ها و سیستم های مانع پرداخته می شود.

1-1-5-  خوردگی کلریدی آرماتور

خوردگی آرماتورها می تواند در بتن غیر کربناتی و در اثر حضور کلریدها اتفاق بیافتد که به آن خوردگی کلریدی اطلاق می گردد. حضور کلریدها یا به دلیل افزوده شدن به مخلوط بتن و یا حضور در سنگدانه ها و یا آب اختلاط و یا ممکن است به دلیل نفوذ از منبع بیرونی به بتن سخت شده صورت گیرد.

آنها سپس در آب موجود در حفره ها حل می شوند. هنگامی که نمکی در آب حل می شود، سریعاً به ذرات باردار الکتریکی به نام یون تجزیه می شود: . یون های کلرید با بار منفی اثر ناپذیری (لایه اکسید آهن) بر روی سطح آرماتورها را از بین می برند.

در عمل، یون های کلرید موجود در بتن به دو شکل هستند، یون های کلرید آزاد و  مرکب. یون های مرکب با مواد حاصل از هیدراسیون موجود در خمیر سیمان علی الخصوص تری کلسیم آلومینات
 (
) ترکیب می شوند. در اصل، یونهای کلرید آزاد هستند که به لایه اثرناپذیر موجود بر آرماتورها خسارت وارد کرده و موجب خوردگی فولاد می شوند. 

درصد بالای کلرید موجود در زمان اختلاط بتن ممکن است با مواد حاصل از هیدراسیون ترکیب شده  و "محبوس" شده و جهت فعال سازی در دسترس نباشند. در سویی دیگر، کلرید وارد شده به بتن سخت شده ممکن است در مقیاس وسیعی تبدیل یه یون های آزاد شده و جهت فعال سازی در دسترس قرار گیرند.

تاثیرات متفاوت یون های ترکیب شده و آزاد بر فولاد، در رابطه با نوع سیمان بکار رفته برای شرایط مختلف مهم بوده که در فصل دوم، بخش 2-2-3 بدان پرداخته شد.

کلریدهای موجود در بتن مگر در غلظت های خیلی بالا به بتن حمله نمی کنند. تشکیل زنگ در اثر حمله کلریدی می تواند موجب گسیختگی و خرد شدن بتن به دلیل افزایش قابل توجه حجم فولاد در زمات تبدیل به زنگ گردد. متعاقب آن افزایش سه تا 4 برابری ضخامت اصلی فولاد نیز وجود دارد.

1-1-6-  جریان های الکتریکی پراکنده

در حال حاضر، پیرامون خوردگی آرماتورهای فولادی در بتن به واسطه جریان های الکتریکی پراکنده شناخت چندانی نداشته و مطلبی نیز بدان صورت گزارش نشده است. با مروری بر تحقیقات بسیار محدودی که در گذشته بر روی این موضوع انجام شده، به نظر می رسد که جریان متناوب تاثیری بر آرماتورها نداشته و تنها جریان مستقیم است که احتمالاً خرابی آرماتورها را به دنبال دارد. منبع محتمل جریان مستقیم، نصب یک سیستم حفاظت کاتدی با استفاده از جریان مستقیم موثر می باشد. این سیستمها می بایست توسط کادر مجرب، به دقت طراحی گردند. 

اینطور تصور می شود که فولاد پیش‌تنیده بیش از آرماتورهای معمولی در خطر شکست هیدروژنی قرار داشته باشد. مفتول های پیش‌تنیده به دلیل قطر کمی که دارند، در برابر خوردگی بسیار آسیب پذیرند.

 

بهرحال، بتن و ملات با کیفیت بالا و عاری از کلرید می بایست به حد کفایت، تضمین نماید که لایه اثرناپذیر سطح فولاد، سالم باقی بماند.