تعمیرو بازسازی سازه های دریایی بتنی

تعمیرو بازسازی  سازه های دریایی بتنی
700 1397/11/16

تعمیر سازه های دریایی بتنی

سازه های دریای در یک محیط نامساعد و خشنی قرار دارند به نوعی که در جدول 5 آیین نامه BS 5328 در زمره "شدیدترین" قرار گرفته اند. در این آیین نامه در قسمت بتن، بخش 1، تعریف زیر آمده است:

سطوح بتنی که پیوسته در معرض آب دریا قرار دارند ... بتن در منطقه جزر و مدی آب دریا تا 1 متر زیر پایین ترین آب کم عمق می بایست قرار داشته باشد.

از این رو اینکه تجربه نشان داده چنین سازه هایی  نسبت به اغلب سازه های خشکی بیشتر در معرض خسارت و فرسایشند، تعجب برانگیز نیست.

نشریه های فنی در خصوص سازه های دریایی حاکی از آن است که طیف وسیعی از مصارفی که این سازه ها برای آنها بکار گرفته می شوند، وجود دارد که این مورد در فهرست زیر شرح داده می شود:

  • دیوارهای دریایی (دیوارهای اسکله، دیوارهای حفاظتی گردشگری و ساحلی)
  • باراندازها
  • لنگرگاه های خشک
  • سرسره ها
  • موج شکن ها
  • سازه های غیرساحلی برای صنعت پتروشیمی

کد عملی BS 6349 برای سازه های دریایی در هفت قسمت تنظیم شده که بخش 1 آن برآوردهای را در خصوص عمر مفید سازه های زیر بیان می نماید:

دیوارهای اسکله             60 سال

باراندازها                     45 سال

کارهای حفاظت ساحلی    60 سال

1-1-طرح مسأله

محیط دریا ترم بسیار وسیعی است به نوعی که موقعیت سازه ها می تواند از گرمسیری به
قطبی/ غیرقطبی تغییر کرده و جزذیات مربوط به شرایط تعرض نیز به همان میزان متفاوت می باشد.

در قالب یک فصل، تنها می توان پیرامون مفاهیم اساسی موجود در تعمیرسازه های دریایی بحث نمود.

1-1-1-نمکها (سولفات ها و کلریدها) در آب دریا

یک فاکتور رایج در بازه وسیعی از شرایط زیست محیطی این است که سازه ها در تماس دائم یا متناوب و یا به حالت غرقابی با غلظت نسبتاً بالایی از نمکهای محلول، عمدتاً کلریدها و سولفاتها قرار دارند. ارقامی که در جدول 9-2 آمده اند، توسط لی در شیمی سیمان و بتن، چاپ سوم، صفحه 65، ارائه شده است:

جدول ‏9‑2

 

اقیانوس اطلس

دریای مدیترانه

کلریدها

83/17

38/21

سولفات ( به صورت )

54/2

06/3

 

 

ارقام بالا در واحد لیتر هستند که در صورت تبدیل به ppm یا میلی گرم در لیتر تقریباً به صورت جدول 9-3 در می آیند:

 

 

جدول ‏9‑3

 

اقیانوس اطلس

دریای مدیترانه

کلریدها

18000

21000

سولفات ( به صورت )

2500

3000

 

 

می بایست خاطر نشان ساخت که عدد مربوط به سولفاتهادر جداول بالا، بر حسب  بیان شده در حالیکه در استانداردها و کدهای آیین نامه ای، سولفات معمولاً بر حسب  بیان می شود. برای تبدیل  به می توان از رابطه زیر استفاده نمود:

 

 

محاسبه فوق بر پایه وزن اتمی می باشد: گوگرد: 32 و اکسیژن: 16.

 

 

 

از روابط بالا دیده می شود که بیان سولفات به صورت  در آب اقیانوس اطلس تقریباً برابر با
 ppm 2100 و در آبهای مدیترانه ای تقریباً ppm 2500 می باشد.  هر دوی این آبها در کلاس 3 آب
زیر زمینی با هدف ارزیابی امکان حمله سولفات به بتن قرار دارند (در این خصوص، BS 5328، بخش 1، جدول a7 و b7 را ببینید).

از این رو مطابق استاندارد، سیمان پرتلند معمولی خودش به تنهایی منطبق با استاندارد نیست.

در خصوص خلیج فارس، هیچ رقمی که توسط نهادی ارائه شده باشد را ندیده ام، گرچه در طی 40 سال گذشته، حج زیادی از ساخت و سازها در آنجا انجام شده است. زمانی که من در کویت کار می کردم، ارقامی که در جدول 9-4 ارائه شدند، به طور کلی قابل قبول بود.

 

جدول ‏9‑4

 

خلیج فارس

کلریدها

25000 ppm

سولفات ( به صورت )

3000 ppm

 

 

می دانیم که در بسیاری از سازه های دریایی که در اقیانوس اطلس ساخته شده از OPC استفاده شده و مشاهدهد گردید که هیچ گونه حمله سولفاتی را تجربه نکرده اند. کیفیت بتن بکار رفته در سازه های دریایی خیلی بالاست و برای بتن آرمه، حداکثر نسبت آب به سیمان برابر با 45/0 و حداقل میزان سیمان   با مقاومت مخشصه فشاری  معمولاً بکار می رود. بتن با چنین کیفیتی، مقاومت در برابر بر حمله سولفات را در زمانی که از OPC ساخته شود، تضمین می کند. مگر اینکه غلظت سولفات در آب دریا به مراتب بیشتر باشد.

1-1-2-کلریدهای آب دریا در بتن

یک فاکتور مهم، حضور کلریدها با غلظت ppm 18000، ppm 21000 و ppm 25000  می باشد. حضور یونهای کلرید در بتن می تواند محرک خوردگی آرماتور فوالادی حتی زمانی که قلیاییت(pH) است، باشد. تاثیر یونهای کلرید در زمان ترکیب با تری کلسیم آلومینات (C3A) موجود در سیمان بسیار پیچیده خواهد بود که ترکیبات حاصله به طور موثری یونهای کلرید را از حمله به فولاد باز می دارند.

درصد بالاتر C3A باعث خنثی سازی یونهای کلرید بیشتری می شود.

سیمان پرتلند مقاوم به سولفات میزان C3A کمی دارد. BS 4027، مقدار C3A را به 3 % محدود
می کند. این در حالی است که OPC احتمالاً حاوی 6 تا 12 % C3A می باشد.

من معتقدم که استفاده از سیمان با C3A بهتر از سیمان مقاوم به سولفات با  C3A پایین است. مگر اینکه دلیل خاصی باشد که نتوان از آن استفاده کرد.

چنین پیشنهاد می شود که بتنی که حاوی روبازه آهن گدازی دانه ای خاکی (GGBS) مطابق با BS 6699 یا خاکستر نرم (pfa) طبق BS 3892) می باشد، نسبت به OPC یا SRPC حفاظت بهتری از میلگردها در برابر حمله کلریدی صورت می دهد.

تا آنجا که من اطلاع دارم، این موضوع هنوز برای برخی مهندسان با تجربه جای بحث دارد.

1-2-دلایل فرسایش

خسارت و فرسایش می تواند به طرق بسیاری در سازه های دریایی روی دهد که می توان آنها را در سه دسته اصلی زیر قرار داد:

  1. خسارت فیزیکی
  2. حمله شیمیایی
  3. ترکیبی از موارد (1) و (2)

هر یک از بندهای فوق می تواند از دلایل متعددی ناشی شود. علت واقعی مشکل را می بایست قبل از اتخاذ روشی رضایتبخش جهت تعمیر تعیین نمود.

1-2-1-خسارت فیزیکی

نوع و علت کلی خسارت فیزیکی اساساً به نوع سازه، کاربرد و موقعیت آن بستگی داشته که در زیر به طور خلاصه شرح داده می شود.

  1. در مناطق قطبی، خسارت ناشی از یخ کاملاً مرسوم بوده و می بایست مد نظر قرار گیرد
  2. قرار گرفتن در معرض انجماد و ذوب، در و بالای منطقه جزر و مدی در شرایط اقلیمی خاص
  3. قرار گرفتن در معرض فعالیت امواج
  4. احتمال خسارت از پهلو گرفتن کشتی ها در دیوارهای بارانداز و اسکله
  5. باراندازها و مشابه آنها که بخشی از یک ترمینال نفتی را تشکیل می دهند، ممکن است به طور جدی در اثر اشتعال هیدروکربنی آسیب ببینند. شکل 9-8 بخش کوچکی از خسارت کلی بسیار عظیم را نشان می دهد و خسارت وارده به بتن تا بیش از 300 میلیمتر پشت آرماتورهای با قطر 32 میلیمتر گسترش یافته است
  6. دیوارهای مربوط به مناطق گردشگری و دیوارهایی که به منظور جلوگیری از تجاوز آب دریا ساخته می شوند احتمال دارد که در اثر خسارت و سایش ناشی از ماسه و توفالهایی که در چندین نوبت توفان بر روی بتن پرتاب می شوند، آسیب ببینند. شکل 9-9 سایش شدید پی ستون بتنی را که در اثر ماسه و توفال  حاصل شده، نشان می دهد.

 

  1. شکل دیگری از خسارت فیزیکی بتن در منطقه جزر و مدی (از پایین ترین تراز تا یک ارتفاع متغیر در بالای تراز بلندترین مد) رخ می دهد. علت این خسارت، تبلور نمک های محلولی است که جذب لایه های سطحی بتن در تعرض می شوند.

شکل گیری و رشد بلورها در لایه های سطحی بتن منجر به خرد شدن و سوراخ شدگی کم عمق
می شود که سطح را تضعیف نموده و اجازه نفوذ بیشتر را می دهد. بتن، برخلاف فلز و پلاستیک، مصالح متخلخلی است چرا که دارای ساختار حفره های می باشد و حفره ها بسیار ریز دارد. بر اساس اف. ام. لی، نسبتا تفاوتی بین حفره های ژل و حفره های موئینه در هیدراسیون خمیر سیمان وجود ندارد و تفاوت واقعی بین حفره های ریز و درشتی است که در بازه شان هم پوشانی دارند.

1-2-2-خوردگی آرماتور فولادی

نوع مهمی از خسارت فیزیکی به بتن آرمه در یک محیط دریایی، ترک خوردگی و خرد شدن در اثر  خوردگی/ زنگ زدن آرماتورها می باشد.

 

هنگامی که  فولاد زنگ می زند، خوردگی، فضایی حدود 3 تا 5 برابر حجم فولاد اصلی را اشغال
می کند و این انبساط بتن را گسیخته می کند. دلیل اصلی خوردگی آرماتورها نفوذ آب دریا حاوی یونهای کلریدی است که اکسیژن و رطوبت را فراهم می کند. با افزایش عمق در زیر تراز پایین آب، دسترسی به اکسیژن کاهش می یابد.

در دهه 1970 میلادی، یک برنامه تحقیقات مهم توسط موسسه انرژی تحت حمایت قرار گرفت که عنوان آن " بتن در اقیانوسها" بود. هدف، فراهم نمودن دانشی پیرامون عملکرد دراز مدت سکوهای استخراج نفت بتن آرمه، بخصوص در دریای شمال بوده که در عمق 250 متری از بستر دریا مهار شده اند.

من سه مورد از این گزارشها را پیدا کرده ام که حاوی اطلاعاتی است که خاص مشکلات فرسایش
سازه های دریای معمولی می باشدند.  گزارشها عبارتند از:

گزارش شماره 2/11/1976: ترک و خوردگی، ای. وی. بیبی؛

گزارش شماره 5:1980: پیمایش دوام پذیری دریایی برج تانگوز سندز، آزمایشگاه های تحقیقاتی تیلور وودراو؛

گزارش شماره 6:1980: مکانیسم اساسی خوردگی آرماتور فولادی در بتن مستغرق در آب دریا، ان. جی. ام. ویکینز و پی. پی. لاورنس.

این گزارشها اثبات می کنند که شدیدترین شرایط از نظر فرسایش در منطقه جزر و مدی و نیز آرماتورهای تعبیه شده در بتن که پیوسته تا عمق معینی مستغرق هستند رخ می دهد.

این امر ناشی از کاهش اساسی اکسیژن در دسترس می باشد. میزان غیرفعال سازی که توسط خمیر سیمان موجود در بتن اطراف آرماتورها تامین می شود، تنها به آهستگی کاهش می یابد و پس از آن، خوردگی فعال در مقایسه با بتنی که که حاوی غلظت مشابهی از کلریدها بوده و در معرض هوا قرار دارد (منطقه جزر و مدی و کمی بالاتر از آن) بسیار آهسته پیش می رود.

اگر کلریدهای موجود در بتن عامل خوردگی بوده و بتن نیز در تماس با آرماتورها باشد، خوردگی موضعی احتمال دارد (سوراخ شدگی) رخ دهد که نسبت به خسارت کلی می تواند موجب خسارت جدی تری به آرماتورها شود. این سوراخ شدگی ممکن است تا بیش از 50 % قطر میلگرد به فولاد نفوذ نماید.

1-2-3- حمله شیمیایی

من گزارشی در خصوص فرسایش سازه های دریایی که دریاهای آزاد واقع شده اند توسط حمله شیمیایی به بتن ندیده ام.

بهرحال، من با نمونه ای از حمله شیمیای به سازه ای که در مصب رود جزر و مدی واقع شده بود، برخورده ام.

تحلیل شیمیای بتن خسارت دیده نشان داد که حمله سولفاته رخ نداده و آزمایشهای صورت گرفته بر روی بتن حاکی از آن بود که حمله احتمالاً در اثر فضولات صنعتی اتفاق افتاده است. چنین نتیجه گیری شد که حمله در طی چندین سال به تناوب اتفاق افتاده بود. در زمان بررسی تحلیل مصب رود، مواد شیمیای خورنده به میزانی که غلظت کافی جهت خسارت زدن داشته باشند، یافت نشد. این خسارت در زیر تراز پایین آب و در محدود منطقه جزر و مدی اتفاق می افتد.

1-3-بررسیها

اگر بگوییم که 90 % خسارت وارده به سازه های دریایی بتن آرمه مستقیماً یا غیر مستقم ناشی از خوردگی آرماتورهای فولادی است، اغراق نکرده ایم و به همین دلیل یک بررسی دقیق همواره مطلوب خواهد بود.

برای مثال، یک سازه دریایی در دریای مدیترانه علائم فرسایش جدی در کمتر از 10 سال پس از تکمیل نشان می دهد. یک بررسی نشان داد که علت اصلی، واکنش قلیا با سنگدانه بود. اگرچه کاربرد قابل توجه از بتن در ساختمانهای موجود در خشکی بکارگرفته شده است، اما این موضوع کاملاً غیر قابل انتظار است چرا که هیچ نمونه قبلی ثبت نشده است.

در خلیج فارس، اغلب سنگدانه های بتنی یافت شده، با کلرید، سولفات و آب اختلاط که تا حدودی شور است، آغشته می باشد.

یک تغییر رویه به سوی استفاده از سیمان پرتلند مقاوم به سولفات، نسبت به حالت معکوسش، به هیچ پیشرفتی ختم نمی گردد. علت آن هم در بخش 9-14-2 ارائه شده است.

مفاهیم اساسی ارائه شده در فصل 4 را می بایست به طور کلی رعایت نمود. بهرحال، بعید به نظر
می رسد که کربناته شدن بتن نقشی در خوردگی آرماتورها داشته باشد به جز در تعداد کمی از اعضا که به کلی خارج از منطقه جزر و مدی قرار دارند. عوامل زیر را می بایست بررسی نمود:

  1. طراحی اصلی سازه و هر تغییر عمده ای از آن زمان به بعد
  2. تغییرات اقلیمی
  3. شرایط تعرض مربوط به جهت طوفانها
  4. مشخصه های موج
  5. بازه جزر و مد
  6. هر تاثیر مخرب به بتن ناشی از آبزیان
  7. داده های کشتیرانی و شیوه پهلوگیری (اگر عملی باشد)
  8. مشخصات دمایی و شیمیایی آبی که از سازه خارج می شود، نظیر آب خنک کننده از یک ایستگاه برق،
  9. مشخصات شیمیایی آب دریا که در آن سازه با هر گونه فضولات صنعتی ساخته می شود.

برای بررسی خسارت یا خسارت محتمل در زیر تراز پایین آب، یک تلویزیون مدار بسته می تواند جهت تامین اطلاعات برای سنجش اولیه اوضاع بسیار مفید باشد. برای بررسی دقیق تر، آزمایشی توسط غواصان معمولاً ضروری به نظر می رسد.

سازه های موجود معمولاً با رشد گیاهان دریایی نظیر جلبک، صدف های دریایی و ... پوشانده می شود. و اینها را می بایست به منظور تعیین میزان خسارت وارده به بتن حذف نمود. رشد گیاهان دریایی از هر نوع که باشند را می توان با جت های آب فوق سریع، که در نازل های تحت فشار حدود 400 اتمسفر حذف نمود.

1-4-روشهای تعمیر

1-4-1-کلیات

همان اصول تعمیری که در فصل 5 و 6 در خصوص سازهای موجود در خشکی ارائه شد را برای
سازه های دریایی به کار می بریم، با این تفاوت که روشهای تعمیر احتمالا متفاوت بوده و نیز شدیداً متأثر از اطلاعات بدست آمده از بررسیهای انجام شده در بخش قبل می باشد.

میزان فرسایش معمولاً بسیار جدی تر بوده و نواحی تعمیر شده می بایست ظرفیت تحمل شرایط بسیار سختی را داشته باشند. شرایطی که تحت آن کارهای تعمیر می بایست انجام شود، معمولاً بسیار دشوار است. تعمیرات در بازه جزر و مد می بایست در یک زمان بندی محدود انجام شود. همچنین کاری که در زیر تراز پایین آب می شود، مشکلات بسیاری را به همراه دارد.

اکثر تعمیرات سازه ای که در بالای تراز فوقانی مد قرار دارد احتمالاٌ تحت تمیرات کلی "قطعه ای"
می باشند.

استفاده از پوشش با کیفیت در فصل های 5 و 6 توصیه شده و اطلاعات دقیق در خصوص پوششهای مناسب در فصل 7 آمده است.

حتی بهترین پوششها نیز ممکن است عملکرد دراز مدت خوبی را در محیط دریایی از خود ارائه ندهند. هر زمان که ممکن باشد، توصیه من این است که از بتن تگری بر روی کل سطح تمامی عضوهای تعمیر شده با ضخامت حداقل 50 میلیمتر اجرا شده و آرماتور بندی نیز با تور فولادی گالوانیزه که به طور ایمن به پی بتنی نصب شده، انجام گیرد. "بتن پاششی" که در قالب ملات تحت فشار اجرا می شود، گاهی نیز به صورت شاتکریت استفاده شده و در صورت استفاده از مصالح درشت دانه (10 میلیمتر و بیشتر) به بتن به صورت افشانه ای خواهد بود. تاثیر افزایش بار مرده می بایست بررسی گردد.

نمای کلی بالا از تعمیرات "قطعه ای" تقریباً حضور حتمی غلظت هایی از یون های کلریدی را در تماس با آرماتورها به حساب نمی آورد. تنها روش معمول و موثر برخورد با چنین شرایطی، اعمال یک سیستم حفاظت کاتدی بوده که در بخش بعدی بحث می شود.

به طور کلی، پیچیده ترین نوع تعمیر یک سازه، زمانی است که در منطقه جزر و مدی یا در زیر تراز پایین آب اجرا می شود.

روش واقعی تعمیر به شرایط هر نمونه بستگی داشته و ممکن است مستلزم بتن ریزی توسط یک لوله مستغرق انجام شود. مرجع این موضوع گزارش فنی انجمن بتن، TR 035 با عنوان بتن ریزی زیر آب
می باشد.

به منظور اقدام احتیاطی جهت  جلوگیری از گسیختگی بتن، ترکیب اختلاط ویژه ای نیار می باشد. در خصوص بتن ریزی زیر آب تضمین اینکه پیوند خوبی بین بتن موجود و بتن تازه ریخته شده باشد، بسیار دشوار است.

نتایج خوبی در خصوص استفاده از تکنیکی که شامل پر کردن قالب یا سنگدانه های دانه بندی شده و سپس تزریق دوغاب با پایه سیمانی و فرمولاسیون ویژه گزارش شده است.

تعمیرات زیر آب نیازمند تخصص بوده و می بایست تنها به کادری با سابقه موفق کاری محول گردد تا نتیحه قابل اعتمادی بدست آید. بررسی افرادی با چنین تخصصی در زمینه تعمیرات واقعی زیر آب خود امری دشوار بوده چرا که آماده بازبینی نمی باشند. این فرض منطقی است که افرادی که مسئولیت تعمیر را برعهده گرفته اند، سیستم های تعمیر خاصی را که پبشنهاد نموده اند، قبل از اینکه تکنیک را در اصل استفاده نمایند، آزمایش کنند. این امر برای سازه های موجود در خشکی هم از لحاظ عملی متداول بوده و اغلب شامل گواهی تضمین کیفیت بورد بریتانیا می باشد.

1-4-2-حفاظت کاتدی

اطلاعات کلی پیرامون حفاظت کاتدی در فصل 6، بخش 6-6 داده شده اما نظرات اضافی در مورد
سازه های دریایی، مطلوب قلمداد می شود.

در اثر پخش غیر قابل اجتناب کلرید در بتن سازه های دریایی، خوردگی آرماتورهای فولاد کربنی
رخ می دهد. اینکه این خوردگی فوراً پس از ساخت رخ می دهد یا چند سال بعد، به عوامل متعددی بستگی دارد. عمده این عوامل عبارتند از:

  1. نفوذپذیری بتن، که اساساً نرخ پخش یونهای کلرید و رسیدن به آرماتورها و تخریب اثرناپذیری حاصل از خمیر سیمان را تعیین می نماید.
  2. عمق زیر تراز پایین آب که می بایست در آن تعمیر انجام گیرد. هر چه عمق بیشتر باشد، نرخ خوردگی به دلیل کاهش دسترسی اکسیژن کندتر خواهد شد.

تا آنجا که من اطلاع دارم، تنها راه عملی متوقف نمودن این خوردگی ، نصب یک سیستم حفاظت کاتدی با طراحی صحیح می باشد.

هزینه نصب یک سیستم حفاظت کاتدی جامع، بالا بوده و احتمالاً چهار برابر تعمیرات "قطعه ای"
می باشد. در صورتی که آرماتورهای بکار رفته در سازه دریایی بیشتر و بیشتر خورده شده و موجب ترک و خرد شدن بتن گردد، چنین سیستمی احتمالاً به صورت عملیات پیوسته ای مد نظر قرار گیرد و هر دو سیستم اساسی حفاظت کاتدی معمولاً با شرایط موجود سازگارند.

اطلاعات بیشتر در خصوص استفاده از حفاظت کاتدی  در مقالاتی که در بخش "منابع برای مطالعه بیشتر" آمده، ارائه می شود.