خوردگی فولاد در بتن و علت خوردگی| خوردگی میلگرد در بتن

خوردگی فولاد در بتن و علت خوردگی : هنگامی که فولاد مدفون در بتن ، با نفوذپذیری کم به وسیله یک پوشش با ضخامت مناسب ، در برابر هوا محافظت می شود تا خوردگی فولاد و مسائل آن به وجود نیاید. این انتظار می رود که در عمل کاملا به دلیل نوسانات غیرمعمول زیاد در کاربرآورده نشود. به گونه ای که بر اثر خسارات ناشی از خوردگی فولاد ، سازه های بتن آرمه و پیش تنیده که به طور صحیح ساخته شده اند هم به طور مداوم زیان خواهند دید. در سازه هایی که در محیط دریایی و مواد شیمیایی یخ زدا ، میزان آسیب دیدگی زیاد است.

آسیب بتن به شکل انبساط و در نتیجه ی خوردگی فولاد مدفون ، ترک خورده و در نهایت پکیدن پوشش بتن روی میلگرد ها ظاهر می شود.

خوردگی میلگرد در بتن

میلگرد از فولاد ساختمانی ساخته می شود این نوع از فولاد در برابر اکسیژن و رطوبت دچار خوردگی و زنگ زدگی می شود. بیشترین کاربرد میلگرد در بتن بوده که شرایط مساعد برای زنگ زدگی دربتن برای میلگرد فراهم است. زنگ زدگی در میلگرد باعث می شود جرم میلگرد از دست برود و این کاهش جرم از استحکام میلگرد کم می کند که بر روی استحکام سازه نیز تاثیر می گذارد.

هنگامی که آهن زنگ می زند تبدیل به اکسیدآهن می شود حجم بیشتر اکسید آهن نسبت به خود آهن باعث ایجاد فشار به بتن می شود که این فشار باعث می شود به مرور بتن ترک خورده و از هم بپاشد. به کمک ایجاد پوشش روی میلگرد از تماس میلگرد با اکسیژن و آب جلوگیری می شود و مانع زنگ زدگی می شود. برای بدست آوردن اطلاعات بیشتر در زمینه ی کاربرد میلگرد یا آرماتور در ساختمان سازی و بتن و انواع میلگرد ها به صفحه مورد نظر مراجعه کنید.

 

خوردگی فولاد در بتن یک مشکل چند میلیارد دلاری در ایالات متحده و سایر کشورها است (FHWA- RD-01-156). مطالعات هزینه خوردگی انجام شده در ایالات متحده (NACE)، انگلستان و ژاپن نشان داده است که رقم هزینه 3 تا 4 درصد از تولید ناخالص ملی آنها را می توان به هزینه مستقیم و غیرمستقیم خوردگی کلی، از جمله سازه های بتن مسلح نسبت داد.

در سال 2002، گزارش هزینه خوردگی FHWA/NACE رقمی بین 1 تا 3 تریلیون دلار را به عنوان هزینه بازسازی تمام سازه های بتنی مسلح در ایالات متحده که از آسیب ناشی از خوردگی رنج می برند، پیشنهاد کرد (FHWA-RD-01-156).  نمونه هایی از آسیب خوردگی آرماتور به تیر تکیه گاه پل و زیره یک پارکینگ در شکل 1-1 و 1-2 نشان داده شده است.

به دلیل بزرگی این مشکل، هر دو بخش دولتی و خصوصی فعالیت‌های مستمری با هدف کاهش یا حذف آسیب خوردگی سازه‌های بتنی دارند. بسیاری از فناوری ها و مواد برای پیشگیری و ترمیم آسیب های ناشی از خوردگی توسعه یافته اند. چالش انتخاب فناوری ها و مواد بادوام و مقرون به صرفه از بین گزینه های متعدد موجود است.

فرآیند خوردگی فولاد در بتن

هدف این راهنما ارائه شرح مفصلی از علم فرآیند خوردگی نیست، بلکه در عوض ارائه یک نمای کلی از مسائلی است که معمولاً در سازه های بتن مسلح با آن مواجه می شوند. برای اطلاعات بیشتر در مورد خوردگی فولاد در بتن، به ACI 222.2R مراجعه کنید.

pH بالا که معمولاً در بتن اطراف فولاد تقویت کننده وجود دارد، به طور طبیعی سطح فولاد را منفعل می کند تا ماده ای بادوام و همه کاره را فراهم کند. سطح غیرفعال شده می تواند توسط عوامل متعددی مانند کلرید یا کربناته شدن، که باعث شروع خوردگی می شود، در معرض خطر قرار گیرد. برای شروع خوردگی روی سطح فولاد، اکسیژن و آب برای ایجاد یک واکنش کاتدی باید وجود داشته باشد.

مهم است که توجه داشته باشید دو واکنش مجزا وجود دارد: آندی (جایی که خوردگی در واقع اتفاق می افتد) و کاتدی (جایی که از خوردگی جلوگیری می شود). تا زمانی که اکسیژن در سایر نواحی (کاتدی) وجود داشته باشد، فولاد می تواند و اغلب در نواحی دارای کمبود اکسیژن خورده می شود. واکنش های معمولی که در نواحی آندی و کاتدی فولاد در بتن رخ می دهد به شرح زیر است: در آند، آهن حل می شود و یون های آهن را تشکیل می دهد.

در کاتد، اکسیژن با آب و الکترون ها ترکیب می شود و یون های هیدروکسیل را تشکیل می دهد (لوونشتاین 1995).

فرآیند خوردگی توسط عوامل منفعل کننده مانند کلرید، سایر یون های خورنده و کاهش pH تسهیل می شود. کلرید و سایر یون های خورنده تشکیل لایه اکسید آهن غیر فعال را مختل می کنند که به طور کلی در شرایط قلیایی پایدار است. این وضعیت می‌تواند منجر به خوردگی شود که در شرایط عادی اکسیژن، محصولات خوردگی را تشکیل می‌دهد که هشت تا 10 برابر حجم فولاد اصلی را اشغال می‌کند.

این تغییر حجم باعث ایجاد نیروهای انبساطی می شود که از مقاومت کششی بتن فراتر می رود و در نتیجه پوسته پوسته شدن، لایه لایه شدن و ترک خوردن پوشش بتن می شود.

کیفیت بتن مسلماً یک عامل اصلی در فرآیند خوردگی فولاد در بتن است، زیرا بتن با کیفیت پایین می‌تواند زمان شروع خوردگی را کاهش دهد و ممکن است پس از شروع فرآیند خوردگی، حفاظت کمی ایجاد کند یا اصلاً محافظت نکند. ایجاد ترک به دلیل انقباض مهار شده، بارگذاری یا عوامل دیگر نیز می تواند با ایجاد مسیرهایی برای رسیدن عوامل خورنده به فولاد تقویت کننده، زمان شروع خوردگی را کاهش دهد.

روش‌های کاهش خوردگی موفق حداقل یکی از فرآیندهایی را که باعث غیرفعال شدن آرماتورهای فولادی می‌شود و در نتیجه انتشار خوردگی را کاهش می‌دهد، مورد توجه قرار می‌دهد.

 شرایط محیطی

محیط بیرونی و داخلی از عوامل مهم تاثیرگذار بر عملکرد سازه های بتن مسلح هستند. خرابی ساختاری در محیطی با رطوبت بیش از حد، دماهای بالا، مواد شیمیایی تهاجمی یا بارگذاری بیش از حد محتمل تر است. هر یک از این عوامل می تواند به زوال و الزامات برای توانبخشی با یا بدون استفاده از تکنیک های کاهش خوردگی کمک کند. هنگام تجزیه و تحلیل علت تخریب یک سازه، بررسی و ارزیابی شرایط محیطی پیرامون سازه ضروری است. برای یک بازسازی موفق و برای تعریف انتظارات عملکرد آینده، تأثیرات محیطی بر زوال باید در نظر گرفته شود.

 اکسپوز شدن خارجی

آب و هوای بیرونی، به ویژه قرار گرفتن در معرض رطوبت، تغییرات دمایی گسترده، یون های کلرید و مواد شیمیایی تهاجمی، باید در نظر گرفته شود. انجماد بتن اشباع بحرانی می تواند منجر به آسیب انجماد و ذوب شود. دما و رطوبت بالا می تواند منجر به تسریع خوردگی شود و انبساط حاصل می تواند منجر به ترک زودرس شود. قرار گرفتن در معرض باران اسیدی و دی اکسید کربن می تواند منجر به کربناته شدن و خوردگی شود.

 اکسپوز شدن داخلی

یک آب و هوای داخلی کنترل شده معمولاً نسبت به یک محیط بیرونی و غیر کنترل شده با آب و هوا تهاجمی کمتری دارد. با این حال، رطوبت و تراکم ممکن است منجر به خوردگی زودرس و خراب شدن آرماتورهای فولادی شود و در نتیجه یکپارچگی ساختاری سازه از بین برود.

علاوه بر این، اختلاف فشار بین پوشش های بیرونی و داخلی ساختمان ها می تواند منجر به نفوذ آب شود. به طور معمول، بررسی کامل، از جمله دهانه های اکتشافی در سازه، ممکن است برای تعیین مسائل احتمالی ساختاری و قابلیت سرویس در این نوردهی ها مورد نیاز باشد.

 اکسپوز شدن در محیط صنعتی

محیط های صنعتی ممکن است باعث خرابی زودرس سازه های بتن مسلح شوند. مواد شیمیایی تهاجمی، رطوبت بالا و سطوح بالای دی اکسید کربن می تواند منجر به زوال زودرس بتن و فولاد تقویت کننده شود. کاهش خوردگی سازه ها در یک محیط صنعتی مستلزم درک کامل فرآیندها و مواد شیمیایی و پتانسیل آنها برای ایجاد زوال زودرس اجزای سازه است.

 اکسپوز شدن در محیط های شهری و روستائی

محیط های شهری و روستایی معمولاً نسبت به محیط های صنعتی تهاجمی کمتری دارند. در نتیجه، سیستم‌های کاهش خوردگی معمولاً می‌توانند برای به حداقل رساندن الزامات چگالی جریان برای حفاظت کاتدی جریان تحت تأثیر (ICCP)  و سیستم‌های حفاظت کاتدی گالوانیکی (GCP)  طراحی شوند تا طول عمر و یک راه‌حل اقتصادی مناسب بهینه‌سازی شده را ارائه دهند.

 اکسپوز شدن در محیط های ساحلی

محیط های ساحلی به طور کلی بسیار خورنده هستند. محیط های ساحلی در معرض باد و باران همراه با قرار گرفتن مستقیم در معرض آب شور و غبار مملو از نمک هستند. ترکیب رطوبت و نمک می تواند باعث خوردگی شدید فولاد تقویت کننده شود. بنابراین ارزیابی سازه ها در مناطق ساحلی باید ماهیت بسیار خورنده محیط ساحلی را در نظر بگیرد.

تکنیک های کاهش خوردگی:تعمیرات الکتروشیمیایی

 

بخش زیر تکنیک های مختلف الکتروشیمیایی را که معمولاً برای محافظت از آرماتورهای فولادی در برابر خوردگی استفاده می شود، توضیح می دهد. این شامل:

• حفاظت کاتدی جریان تحت تاثیر (ICCP) .
• حفاظت کاتدی گالوانیک (GCP).
• استخراج الکتروشیمیایی کلرید (ECE). و
• واقعی سازی الکتروشیمیایی (ERA).

این دستورالعمل مکانیسم های حفاظت را مشخص می کند و از هیچ تکنیک خاصی حمایت نمی کند. همانطور که قبلاً گفته شد، مکانیسم‌های مورد استفاده توسط شایستگی‌های فنی و اقتصادی دیکته می‌شوند، زیرا به مشکل خاص با یک ساختار خاص مربوط می‌شوند. علاوه بر این، یک سیستم پوشش ممکن است یک جزء مفید از یک روش کاهش به عنوان یک نیاز فنی سیستم یا به عنوان یک ملاحظات زیبایی شناختی باشد.

انتخاب یک پوشش باید با دقت انجام شود تا از سازگاری با تکنیک الکتروشیمیایی و دوام کل سیستم اطمینان حاصل شود. یک نمودار جریان انتخاب سیستم معمولی در شکل 5-1 نشان داده شده است. این فصل همچنین راهنمایی هایی در مورد ویژگی های عملکرد هر تکنیک و الزامات مدیریتی پس از استفاده از آنها ارائه می دهد.

مکانیسم عمومی و الزامات مشترک

حفاظت کاتدی و عملیات الکتروشیمیایی شامل عبور جریان مستقیم از یک آند به فولاد تقویت کننده داخل بتن است. مقدار جریان و مدت زمانی که جریان به سازه اعمال می شود بسته به نوع سیستم متفاوت است. تعدادی الزامات کلی وجود دارد که برای تمام تکنیک های الکتروشیمیایی مورد استفاده برای کاهش خوردگی فولاد در بتن اعمال می شود. برخی از الزامات عمومی در ادامه توضیح داده شده است.

 تداوم الکتریکی

برای اینکه فولاد محافظت شود، باید به طور الکتریکی به سیستم الکتروشیمیایی متصل شود. عناصر فلزی متصل نشده (ناپیوسته) هیچ گونه حفاظتی از سیستم نصب شده دریافت نخواهند کرد. علاوه بر این، بخش های فلزی ناپیوسته، اگر در منطقه نفوذ سیستم قرار گیرند، ممکن است به طور ناخواسته توسط سیستم عامل مجبور به خوردگی شوند. از این حالت به عنوان “خوردگی جریان سرگردان” یاد می شود و باید از آن اجتناب شود.

به طور کلی، تایید این امر مطلوب است که همه هادی های فلزی (فولادی) تعبیه شده در ناحیه نفوذ تکنیک الکتروشیمیایی به صورت الکتریکی به هم متصل هستند. هر فلز غیر پیوسته (ناپیوسته) باید به طور الکتریکی به بقیه فولاد متصل شود تا محافظت شود.

اتصالات الکتریکی به فولاد تقویت کننده

سیستم الکتروشیمیایی باید به طور الکتریکی به فولاد تقویت کننده متصل شود تا محافظت شود. اتصالات الکتریکی به فولاد تقویت کننده باید بادوام باشد و باید با آزمایش میدانی تأیید شود. تعداد و محل اتصالات الکتریکی به فولاد تقویت کننده باید مطابق با توصیه های سازنده باشد یا بیشتر از آن باشد.

اتصالات الکتریکی به آندها

سیستم الکتروشیمیایی باید به طور الکتریکی به آند(های) نصب شده متصل باشد. این اتصالات الکتریکی در مقایسه با اتصالات فولادی تقویت کننده خطر خوردگی بیشتری دارند. بنابراین، باید دقت بیشتری برای تعیین و نصب اتصالات الکتریکی بادوام به آندها انجام شود. برای اتصالات آند جریان تحت تاثیر، اگر سیم اتصال به طور کامل از محیط آب بندی نشده باشد یا از مواد مقاوم در برابر خوردگی ساخته نشده باشد، خطر خوردگی وجود دارد.

برای اتصالات آند سیستم گالوانیکی، آند با گذشت زمان در حال خوردگی است، بنابراین باید در جزئیات اتصال آند دقت کرد تا اطمینان حاصل شود که اتصال بین آند و سیم اتصال به دلیل خوردگی خود ماده آند از بین نمی رود. استفاده از اتصالات متعدد برای اطمینان از افزونگی در سیستم نصب شده توصیه می شود.

اتصال کوتاه

در مورد ICCP و عملیات الکتروشیمیایی، مهم است که هیچ اتصال کوتاه الکتریکی بین آند و فولاد تقویت کننده وجود نداشته باشد. در صورت وجود اتصال کوتاه، برق رسانی به سیستم امکان پذیر نخواهد بود و فولاد تقویت کننده محافظت نمی شود.

5.2.5. تردی هیدروژنی ( تردی هیدروژنی به انگلیسی Hydrogen Embrittlement ) )که به عناوین ترک ناشی از هیدروژن (به انگلیسی: hydrogen assisted cracking ) و ترک القایی توسط هیدروژن (به انگلیسی: hydrogen-induced cracking ) نیز شناخته می‌شود، پدیده‌ای است که ترد شدن یک فلز را توسط هیدروژن نفوذکننده توصیف می‌کند.مترجم)

برخی از تکنیک‌های الکتروشیمیایی که پتانسیل‌های بالاتر را اعمال می‌کنند، می‌توانند منجر به هیدرولیز (تجزیه) آب شوند. اگر این اتفاق بیفتد، هیدروژن ممکن است در فصل مشترک فولاد/بتن تولید شود. تکنیک های الکتروشیمیایی که احتمالاً بالاتر از این پتانسیل عمل می کنند عبارتند از ECE، ERA و ICCP.

انواع خاصی از فولاد، از جمله برخی از فولادهای با کشش بالا و کربن بالا که برای تاندون های پس کششی و پیش تنیده در بتن استفاده می شوند، به حضور هیدروژن حساس هستند به طوری که ممکن است شکل پذیری خود را از دست داده و شکننده شوند. به همین دلیل، استفاده از تکنیک‌های الکتروشیمیایی که ممکن است منجر به تولید هیدروژن شود، معمولاً در بخش‌هایی از سازه‌هایی که ممکن است حاوی فولاد پرکربن باشند، مانند فولاد پیش تنیده یا پس کشنده توصیه نمی‌شود. تحت تأثیر شکنندگی هیدروژنی قرار گیرد( Enos و همکاران 1996) . فولاد تقویت کننده معمولی تحت تأثیر وجود هیدروژن قرار نمی گیرد و شکنندگی را تجربه نمی کند.