بتن مقاوم در برابر خوردگی

بتن ضد خوردگی، بتنی است با دانه بندی معمولی و سیمان پرتلند که برای جلوگیری از خوردگی و زنگ زدگی میلگردها و مقاومت آنها استفاده میشود. در پروژه‌های احداث و ترمیم سازه های بتنی هزینه عمده مربوط به تخریب بتن روی آرماتورهای خورده شده و جایگزینی آن با ملات های ترمیمی است. در روشهای معمول ترمیم جهت ایجاد پوششهای حفاظتی بر روی آرماتورهای خورده شده و در زیر پوشش بتنی، ناچاراً بتن تخریب و سپس بعد از حفاظت آرماتور، مجدداً با ملات های ترمیمی پوشش داده میشوند که این امر هزینه زیادی را در بر دارد. بهتر است از ابتدا جلوی خوردگی میلگردها گرفته شود.

واکنش های خوردگی میلگردها در بتن

ظرفیت سازه ای یک عضو بتنی تحت تاثیر خوردگی میلگرد ها و ترک های بتن محصور کننده آنها تغییر میکند. تحقیقات نشان داده که در تیرهای خمشی با ۱/۵% خوردگی فولاد، ظرفیت گسیختگی عضو شروع به کاهش میکند. در ۴/۵% خوردگی ظرفیت گسیختگی عضو ۱۲٪ کاهش می یابد که به احتمال زیاد نتیجه کاهش سطح مقطع میلگردها است.

به همین ترتیب در اعضای فشاری، ترک و کنده شدگی بتن، مقطع عرضی موثر بتن را کاهش می‌دهد. بنابراین باعث کاهش ظرفیت نهایی فشاری میشود. در اعضای قاب خمشی بتنی مسلح مانند قاب‌های ساختمان‌ها و پایه پلها که به صورت (تیر-ستون) رفتار میکنند علاوه بر کاهش ظرفیت نهایی فشاری در اثر کم شدن مقطع عرضی موثر بتن و میلگردها، ظرفیت خمشی عضو نیز در اثر کاهش سطح مقطع میلگردها کاسته میشود. بنابراین ظرفیت سازه ای موجود عضو تیر-ستون باید بر اساس نمودار جدید اندرکنش (نیروی محوری – لنگر خمشی) محاسبه شود.

واکنشهای اصلی خوردگی میلگردها در بتن، شامل کلریداسیون و کربناسیون است:

واکنش کلریداسیون

در واکنشهای خوردگی فولاد در مجاورت آب و اکسیژن یا بتن مرطوب در مجاورت هوا، یون کلرید نقش مهمی دارد. آب منفذی بتن که در تماس با میلگرد است، نقش الکترولیت را داشته و فاصله نیمه سلول آندی و نیمه سلول کاتدی در حد یک یا دو بلور فلزی آهن تقریباً برابر با یک نانومتر است. یون کلرید در واکنش فقط نقش کاتالیزور یا پیش برنده را دارد. بطوریکه از ناحیه آندی یعنی اتم آهن دو الکترون جدا کرده و در ناحیه کاتدی به آب و اکسیژن میدهد که از این واکنش هیدروکسید آهن دو ظرفیتی و سپس هیدروکسید آهن سه ظرفیتی متبلور بوجود می آید. در این مرحله در سطح بتن تراوش و شوره زدگی سفید کرم رنگ مایل به نارنجی مشاهده می شود که نشان دهنده خوردگی میلگردها است.

واکنش کربناسیون

کربناته شدن بتن، واکنشی بین گازهای اسیدی موجود در اتمسفر و محصولات ناشی از هیدراته شدن سیمان است. هوای معمولی شامل گاز دی اکسید کربن CO2، با غلظت نسبی اندک برابر ۰/۰۳ درصد است. گاز دی اکسید کربن از طريق خلل و فرج موجود در بتن نفوذ کرده و با هیدروکسید کلسیم محلول در آب منفذی بتن واکنش حاصل میشود. در نتیجه واکنش فوق درجه قلیایی بودن بتن کاهش یافته و به مقدار PH برابر با ۱۰ یا کمتر می رسد. در این وضعیت بتن اطراف میلگردها از حالت قلیایی به اسیدی نزدیکتر شده. در نتیجه نمیتواند نقش خود را به عنوان محافظ میلگردها در مقابل خوردگی ایفا کند. هنگامیکه میلگردها بدون محافظ بمانند و محیط اسیدی یا قلیایی متوسط باشد، به شرط وجود آب و اکسیژن در بتن، خوردگی میلگرد آغاز میگردد.

در مرز بین بتن کربناته شده و بتن کربناته نشده PH حدود ۱۰ خواهد بود و سالم است. بتنی که از آب اشباع یا کاملاً زیر آب است کربناته نمیشود زیرا گاز CO2 قبل از آنکه بتواند از طريق نفوذ به داخل بتن راه پیدا کند. ابتدا باید در آب حفره ای حل شود، در نتیجه سرعت نفوذ آن آهسته میگردد.

بتن کاملاً خشک در این واکنش

بتنی که کاملاً خشک است، حتی در صورت وجود CO2 خیلی کربناته نشده و میلگرد آن خورده نمیشود، زیرا آب اکتیو برای واکنش خوردگی فولاد وجود ندارد. البته در این حالت CO2 کمی بتن را کربناته میکند، زیرا بتن خود اندکی آب منفذی در لوله های مویینه اش وجود دارد، اما میلگرد خورده نمیشود، چون الکترولیت و پیل شیمیایی بوجود نمی آید. در نتیجه بتن در شرایط رطوبت متوسط (نه اشباع – نه خشک) خصوصاً تحت شرایط تر و خشک شدن های متوالی، مستعد جذب CO2 کربناته شدن و خوردگی میلگرد است. پس از تشکیل کربنات کلسیم محلول در آب واکنش پیشرفت کرده و بی کربنات کلسیم تشکیل میشود که با شوره های سفید رنگی همراه بوده و به مراتب مخرب تر است.

حفاظت میلگردها

وقتی فولادهای سازه بتنی بوسیله بتن با کیفیت خوب و تازه اجرا شود، به دلیل قرارگیری در محیط قلیایی بطور طبیعی از خوردگی محفوظ می ماند. در بعضی شرایط خاص، بهتر است از فولاد مسلح کننده محافظت بیشتری بعمل آید.

سیستم های محافظت قدیمی میلگردهای داخل بتن به چهار گروه تقسیم میشوند:

• پوشاندن میلگرد
• محافظت کاتدی / آند قربانی
• محافظت کاتدی
• پوشش دوغاب قلیایی

بازدارنده های آلی

امولسیون آمینواستر آمینه کربوکسیلات یک بازدارنده خوردگی مهاجر در بتن از نوع آلی است. در صورت اختلاط با بتن یا ملات، به طرف آرماتورها حرکت کرده و باعث ایجاد یک لایه حفاظت مولکولی بر روی آن میگردد و پایه آن آمینه کربوکسیلات است.

این ماده هم آرماتور و هم بتن را محافظت میکند و بر دو قسمت آند و کاتد موثر است. از این مواد در پروژه‌های متعددی در دنیا استفاده شده است. از جمله در ایران ۱۵ دستگاه پل راه آهن و دهها دستگاه تونل، سد و ساختمان با این روش احداث، ترمیم و حفاظت شده‌اند. استفاده از آن از طرف دفتر فنی سازمان برنامه و بودجه در چند پروژه به تصویب رسیده است. برای ساخت بتن ضد خوردگی، ۶۰۰ گرم از ماده را در یک متر مکعب بتن هنگام اختلاط آن اضافه میکنند. بعد از ۵ دقیقه اختلاط با میکسر این بتن قابل استفاده در بتن ریزی‌ها، بصورت پمپ و یا شاتکریت می‌باشد.

عمل آوری

عمل آوری این نوع بتن مانند به بتن های معمولی است. این بازدارنده را مهاجر می نامند. زیرا در داخل بافت خلل و فرج بتن و لوله های مویین و منافذ میکرومتری آن چند سانتیمتر حرکت کرده و خود را به مجاورت سطح میلگرد می‌رسانند. با واکنش شیمیایی، حدود ۷۵ الی ۸۵ نانومتر به داخل جسم و شبکه بلوری سطح فولاد نفوذ می‌نمایند. بنابراین پوشش، اندود و یا حتی فیلم نیز محسوب نمی‌شوند.

وقتی یک بازدارنده آلی در مجاورت فلز قرار میگیرد، از طریق جذب یونی جسم فلزی و ایجاد زنجیره غیرقطبی ضد آب، مولکول بازدارنده در جهت عمود بر فلز تشکیل میشود. زنجیره‌های ضد آب با آب گریز Hydrophobic نه تنها آلایندهای مهاجم آبی را دفع میکنند، بلکه با یکدیگر واکنش داده و لایه‌های محافظ قوی‌تری بر روی سطح فلز بوجود می آورند. در نتیجه امکان افزایش ضخامت لایه محافظ در محیط خورنده ایجاد میشود. این لایه محافظ همچنین در مقابل نفوذ کلرید به داخل بتن غیر قابل نفوذ خواهد بود. زیرا یون کلر بیشتر از ۶۰ نانومتر نمی تواند داخل پوسته میلگرد نفوذ کند.

مواردی که بازدارنده های آلی مهاجر ضد خوردگی بر پایه آمینه کربوکسیلات به کار می روند

بازدارنده های آلی مهاجر ضد خوردگی بر پایه آمینه کربوکسیلات هستند. این مواد پیشرفته‌ترین روش کنترل خوردگی میلگردها در داخل سازه‌های بتن مسلح به شمار می‌روند. و در موارد زیر بکار می روند:

1. لاینینگ آب بندی تونل‌ها با خاصیت ضد خوردگی آرماتور، بدون نیاز به هر گونه پوشش مانند ژئوممبران.
2. پایه و عرشه پل‌ها و ابنیه فنی راه‌ها.
3. فونداسیون سازه ها در خاکهای مرطوب.
4. مجاری و مخازن آب و سازه‌های دریایی.
5. پوشش فضاهای زیرزمینی و دیوارهای حائل در گودبرداری ها

در صورت افزودن بازدارنده خوردگی مهاجر به اختلاط بتن چه اتقاقی رخ می دهد؟

بازدارنده خوردگی مهاجر بر پایه آمینه کربوکسیلات در صورت افزودن به اختلاط بتن با اسپری بر روی سازه به سمت میلگرد حرکت می‌کند. یک لایه حفاظت مولکولی بر روی آن بوجود آورده و میلگرد در مقابل نفوذ Co2 و یون CI و آب حفاظت می‌شود. ضمن آنکه دوست دار محیط زیست هم هست. باعث کاهش نفوذ پذیری بتن نیز خواهد شد. آب بندهای سنتی مانند سیلیکات سدیم و با سیلیکات کلسیم بدلیل عدم نفوذ پیوسته و نداشتن عمق زیاد و ناپایداری در برابر فشار هیدرواستاتیک (هد آبی) گسسته و شکننده است. در نتیجه نمی تواند نقش ضد خوردگی موثری ایفا کند.

بازدارنده آلی مهاجر ضد خوردگی با نفوذ به داخل جسم فولاد ۸۵-۷۵ نانومتر به دلیل نفوذ زیاد و پیوستگی کافی عملکرد خوبی دارند. بازدارنده های مهاجر خوردگی از نوع آلی در فاز مهاجرتی داخل بتن برای حفاظت میلگردها و همچنین فاز بخاری که بصورت مستقیم بر روی میلگرد اسپری میشود عمل میکنند.

در قدیم برای جلوگیری از خوردگی میلگرد در داخل بتن از بازدارنده های معدنی مانند نیتریت کلسیم استفاده میگردید. این بازدارنده ها باعث ترکهای انقباضی زیادی در بتن میگردید، لذا در حال حاضر استفاده از آن توصیه نمیشود.

ساخت بتن با خاصیت ضد خوردگی

ساخت بتنی که بصورت ضد خوردگی عمل نماید، در هر دو حالت احداث و مقاوم سازی امکان پذیر است:

1. ساخت بتن در هنگام احداث

در این حالت بتن از نوع معمولی با سیمان پرتلند و مطابق طرح اختلاط پروژه است که در آن از مواد زیر استفاده میشود:

1. بازدارنده مهاجر خوردگی بر پایه آمینو کربوکسیلات ۶۰۰ گرم در متر مکعب
2. پلیمرهای ویژه مانند پلیمرهای اکریلیک ۰/۵ الی ۱ درصد وزن سیمان
3. ژل میکروسیلیس همراه با فوق روان کننده ۵ الی ۱۰ کیلوگرم در متر مکعب

2. مقاوم کردن بتن موجود در مقابل خوردگی

1. شناسایی نقاط میلگردهای خورده شده با تست های NDT
2. اسپری کردن مواد بازدارنده مهاجر بر روی بتن مهاجرت. این بازدارنده بر پایه فاز بخاری vapor phase است که باعث میشود در داخل منافذ مویین بتن حرکت کند.

حالت های مختلف کنترل خوردگی میلگرد در بتن مسلح

حالت اول

بتن تازه ریخته شده و مقاومت الکتریکی پوشش بتنی بر روی آرماتورها بیشتر از ۲۰ کیلو اهم سانتیمتر است.

وضعیت سازه

• محیط مهاجم
• پوشش بتنی بر روی میلگردها ناکافی

اهداف و الزامات

• افزایش عمر مفید سازه
• جلوگیری از خوردگی زودرس، با ایجاد لایه محافظ دور میلگرد
• محافظت از ظاهر طبیعی بتن

افزودن مواد بازدارنده مهاجر خوردگی به مخلوط بتن زمان شروع خوردگی را دو تا سه برابر حالت عادی به تاخیر می‌اندازد. در صورتیکه خوردگی شروع شود، میتوانند سرعت رشد آن را تا پنج برابر شرایط عادی کاهش دهند. مطابق با استاندارد بنیاد ملی ایمنی NTS بند ۶۱ این مواد بر خواص بتن اثری ندارند. بلکه عمر بهره برداری سازه را حداقل دو برابر میکند.

حالت دوم

بتن موجود است و R<20 و خرابی ناشی از خوردگی میلگرد مشاهده نمیشود.

وضعیت سازه

• سازه های بتنی بدون پوشش و اندود محافظ
• محیط مهاجم
• شروع شدن خوردگی، خوردگی میلگردها کم تا متوسط است
• ترک و خرابی سطح بتن ناشی از خوردگی میلگردها قابل مشاهده نیست

اهداف و الزامات

• کاهش رشد خوردگی میلگردها
• محافظت از خرابی های احتمالی بتنپ
• محافظت از خوردگی های بیشتر در اثر کربناته شدن بتن و یا نفوذ کلرید

محافظت با مواد بازدارنده مهاجر خوردگی

این مواد را میتوان بر روی سطح بتن پاشید. یا با غلتک و برس اعمال نمود تا در جسم بتن نفوذ کرده و خود را به میلگرها برسانند. از طریق جذب یونی با شبکه بلوری فولاد واکنش نموده و میلگرد را در مقابل خوردگی محافظت کنند.

حالت سوم

بتن موجود است و R<20 و خرابی ناشی از خوردگی میلگرد مشاهده میشود وضعیت سازه در سطح بتن، خرابی ناشی از خوردگی میلگردها مانند کنده شدگی بتن و ترک خوردگی قابل مشاهده است. درصد بالایی از کلریدها در عمق پوسته میلگردها نفوذ کرده، خوردگی میلگردها شدید است.

پس از تمیز کردن سطح زنگ زده میلگردها با محلول حاوی اسید سولفوریک و اسید کلریدریک، بازدارنده آلی مهاجر خوردگی اجرا میشود. سپس با گروت ترمیمی الیافی، بتن های کنده شده جایگزین می شوند. در مرحله آخر پوشش نهایی بصورت اندود حاوی مواد بازدارنده خوردگی با خاصیت آب بندی کریستالیزه شونده اجرا میگردد.