با توجه به افزایش بی‌رویه مصرف منابع آب شیرین و تشدید بحران جهانی کم‌آبی، به‌ویژه در مناطق خشک و نیمه‌خشک، ضرورت استفاده از منابع جایگزین برای کاربردهای صنعتی و عمرانی بیش از پیش احساس می‌شود. یکی از حوزه‌های پرمصرف آب، صنعت بتن‌سازی است که در آن آب نه تنها به‌عنوان ماده‌ای برای اختلاط، بلکه برای عمل‌آوری (Curing) نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این راستا، استفاده از آب دریا به‌عنوان جایگزینی پایدار برای آب شیرین در ساخت بتن، به‌ویژه در مناطق ساحلی، مورد توجه پژوهشگران و مهندسان عمران قرار گرفته است.
آب دریا با دارا بودن ترکیبات یونی فعال نظیر کلریدها (Cl⁻)، سولفات‌ها (SO₄²⁻) و منیزیم (Mg²⁺) می‌تواند تأثیرات قابل توجهی بر فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی بتن داشته باشد. این تأثیرات هم در مرحله‌ی بتن تازه (شامل نرخ هیدراسیون، زمان گیرش و روانی) و هم در بتن سخت‌شده (شامل مقاومت فشاری، مدول الاستیسیته، جمع‌شدگی و دوام) قابل مشاهده است. اگرچه مطالعات اولیه نشان می‌دهد که بتن ساخته‌شده با آب دریا می‌تواند مقاومت اولیه بالاتری داشته باشد، اما دوام آن به‌ویژه در برابر حمله کلریدی و سولفاتی، کاهش می‌یابد. این موضوع به‌ویژه در بتن‌های مسلح، به‌دلیل افزایش خطر خوردگی آرماتورها، از اهمیت بیشتری برخوردار است.
برای مقابله با این چالش‌ها، تحقیقات گسترده‌ای پیرامون استفاده از آرماتورهای مقاوم به خوردگی مانند فولاد زنگ‌نزن، الیاف پلیمری تقویت‌شده (FRP) و آلومینیوم آلیاژی انجام شده است. همچنین به‌کارگیری مواد مکمل سیمانی (SCMs) نظیر خاکستر بادی، سرباره کوره بلند، متاکائولن و خاک رس کلسینه‌شده به‌منظور بهبود ریزساختار بتن، کاهش نفوذپذیری، افزایش مقاومت در برابر یون‌های مهاجم، و اصلاح pH محیط قلیایی بتن، مورد توجه قرار گرفته‌اند.
این مقاله با بررسی جامع مطالعات تجربی و تحلیلی صورت‌گرفته در زمینه بتن ساخته‌شده با آب دریا، ضمن تحلیل عملکرد آن در شرایط محیطی مختلف، به معرفی راهکارهای بهینه برای افزایش دوام، ایمنی و پایداری این نوع بتن در کاربردهای عمرانی به‌ویژه در مناطق دریایی و ساحلی می‌پردازد. در نهایت، خلأهای پژوهشی موجود شناسایی شده و مسیرهای آتی تحقیقاتی برای توسعه‌ی بتن‌های مقاوم در برابر محیط‌های مهاجم حاوی آب دریا پیشنهاد می‌گردد.
آب دریا به‌عنوان یکی از پیچیده‌ترین محلول‌های طبیعی، حاوی ترکیب متنوعی از نمک‌ها، گازهای محلول، مواد معلق و آلی، و ترکیبات معدنی است. شوری میانگین آب دریا در حدود ۳.۵٪ (۳۵ گرم نمک در هر لیتر) است، هرچند این میزان بسته به موقعیت جغرافیایی، دما، عمق و نزدیکی به رودخانه‌ها یا منابع صنعتی ممکن است متغیر باشد. برای مثال، آب دریای مرده شوری بالاتر از ۵٪ دارد، در حالی که آب دریای بالتیک ممکن است به کمتر از ۱٪ برسد.
در آب دریا، ترکیبات یونی اصلی که بیشترین سهم را در شوری و خواص شیمیایی آن دارند، به‌طور کلی شامل کاتیون‌ها و آنیون‌های زیر هستند. بر اساس استاندارد ASTM D1141-98 (که ترکیب آب دریای مصنوعی را نیز تعریف می‌کند) و مطالعات اقیانوس‌شناسی، ترکیبات یونی غالب عبارت‌اند از:
| یون | نام | غلظت تقریبی (میلی‌گرم در لیتر) | درصد از مجموع یون‌ها |
|---|---|---|---|
| Na⁺ | سدیم (Sodium) | ~10,800 | ≈ 30.6٪ |
| Mg²⁺ | منیزیم (Magnesium) | ~1,300 | ≈ 3.7٪ |
| Ca²⁺ | کلسیم (Calcium) | ~400 | ≈ 1.1٪ |
| K⁺ | پتاسیم (Potassium) | ~390 | ≈ 1.1٪ |
| Sr²⁺ | استرانسیوم (Strontium) | ~8 | <0.1٪ |
| یون | نام | غلظت تقریبی (میلی‌گرم در لیتر) | درصد از مجموع یون‌ها |
|---|---|---|---|
| Cl⁻ | کلرید (Chloride) | ~19,400 | ≈ 55.0٪ |
| SO₄²⁻ | سولفات (Sulfate) | ~2,700 | ≈ 7.7٪ |
| HCO₃⁻ | بی‌کربنات (Bicarbonate) | ~140 | ≈ 0.4٪ |
| Br⁻ | برمید (Bromide) | ~65 | ≈ 0.2٪ |
| F⁻ | فلوراید (Fluoride) | ~1 | <0.01٪ |
| B(OH)₄⁻ | بورات (Borate) | ~26 | <0.1٪ |
استفاده از آب دریا به‌دلیل حضور یون‌های کلرید (به‌ویژه NaCl و MgCl₂) منجر به تسریع فرآیند آب‌گیری سیمان می‌گردد. مطالعات متعدد (Younis et al., 2018; Li et al., 2021; Sikora et al., 2020) نشان داده‌اند که آب دریا نرخ آزادسازی حرارت اولیه را به‌طور چشمگیری افزایش داده و موجب ارتقاء نرخ تشکیل فاز C–S–H در مراحل اولیه هیدراسیون می‌شود.
به‌طور خاص:
این فرآیند منجر به تولید سریع‌تر ژل C–S–H شده که عامل اصلی استحکام اولیه بتن است.
\text{Ca(OH)}_2 + 2NaCl \rightarrow CaCl_2 + 2Na^+ + 2OH^- ]
کلرید کلسیم (CaCl₂) تولیدشده خود به‌عنوان کاتالیزور در افزایش نرخ آب‌گیری C₃S و C₂S عمل می‌کند.
طبق گزارش‌های آزمایشگاهی (Ghorab et al., 1990; Katano et al., 2013; Wang et al., 2023)، استفاده از آب دریا منجر به کاهش محسوس در زمان گیرش اولیه و نهایی سیمان می‌شود. این پدیده عمدتاً ناشی از تأثیر کلریدها بر تسریع هیدراسیون ترکیبات آلومیناتی سیمان است.
این ویژگی می‌تواند در شرایطی که گیرش سریع مورد نیاز است (مانند بتن‌ریزی در دمای پایین یا محیط‌های دریایی متغیر) مفید باشد. در عین حال، می‌توان با استفاده از کندگیرکننده‌ها (retarders) این اثر را کنترل نمود.
یکی از آثار جانبی استفاده از آب دریا، کاهش روانی و کارایی بتن تازه است. این پدیده عمدتاً به افزایش سرعت واکنش‌های هیدراسیون و افزایش چسبندگی درون مخلوط بازمی‌گردد.
با این حال، افزودن مقدار مناسب روان‌کننده‌ها و فوق روان‌کننده‌ها (Superplasticizers) می‌تواند بخشی از افت کارایی را جبران نماید و همچنین جلوگیری از شُره کردن آب را تسهیل کند.
یکی از شاخص‌ترین تأثیرات استفاده از آب دریا در اختلاط بتن، تغییر در الگوی رشد مقاومت فشاری در دوره‌های زمانی مختلف است. طبق مطالعات متعدد (Zhang et al., 2022; Wegian, 2010; Younis et al., 2018; Kaushik & Islam, 1995):
نکته مهندسی:
با ترکیب آب دریا و مواد مکمل سیمانی نظیر سرباره یا خاکستر بادی می‌توان بخشی از افت مقاومت بلندمدت را جبران کرد و مقاومت فشاری بتن را در مقایسه با بتن مرسوم به سطح قابل قبولی رساند.
مطالعات تجربی (Goyal & Karade, 2020; Xiao et al., 2019) نشان داده‌اند که رفتار مکانیکی بتن در برابر تنش کششی و تغییرشکل الاستیک نیز در حضور آب دریا دستخوش تغییراتی می‌شود:
در مورد مقاومت کششی:
🔧 در کاربردهای سازه‌ای حساس به خزش یا انبساط حرارتی، باید طراحی مخلوط بتن آب دریا به‌گونه‌ای باشد که کاهش دیرهنگام مدول الاستیسیته جبران گردد (مثلاً با الیاف، SCMها، یا بتن‌های پرمقاومت).
یکی از مهم‌ترین شاخص‌های دوام بتن، میزان تخلخل و نفوذپذیری آن در برابر عوامل مهاجم است. در بتن‌هایی که با آب دریا ساخته می‌شوند، به دلیل وجود نمک‌ها و ترکیبات یونی مختلف، در سنین اولیه کاهش قابل‌توجهی در تخلخل مشاهده می‌شود. این پدیده عمدتاً به دلیل پر شدن خلل و فرج خمیر سیمان توسط نمک‌هایی همچون کلرید سدیم و ترکیبات ثانویه‌ای نظیر نمک فریدل (Friedel’s salt) است. این ساختار فشرده‌تر، در کوتاه‌مدت موجب کاهش نفوذپذیری و بهبود مقاومت بتن در برابر نفوذ یون‌های مهاجم می‌شود. اما در بلندمدت، در اثر تداوم حضور یون‌های سولفات و کلرید، محصولات متورمی همچون اتترینژیت (Ettringite) و بروسیت (Brucite) تشکیل می‌شوند که منجر به بروز میکروترک‌ها در ساختار بتن و افزایش تدریجی نفوذپذیری آن می‌گردند.
رفتار جمع‌شدگی بتن، به‌ویژه در سنین اولیه، نقش مهمی در دوام آن ایفا می‌کند. مطالعات نشان می‌دهد که بتن‌های تهیه‌شده با آب دریا دارای مقادیر بالاتری از جمع‌شدگی خشک و جمع‌شدگی خودزا هستند. علت اصلی این موضوع، سرعت بالای هیدراسیون و متراکم‌تر شدن ساختار ژل C–S–H در حضور یون‌های کلرید است. در چنین شرایطی، فشارهای کششی ناشی از کاهش حجم داخلی و تبخیر آب، بیشتر شده و احتمال بروز ترک‌های سطحی افزایش می‌یابد. طبق تحقیقات، جمع‌شدگی خشک بتن آب دریا می‌تواند تا ۱۰٪ بیشتر از بتن ساخته‌شده با آب شیرین باشد که در صورت عدم کنترل، منجر به کاهش دوام و انسجام سطحی بتن خواهد شد.
یکی از نکات مثبت استفاده از آب دریا در بتن، کاهش نرخ کربناته شدن (Carbonation) در آن است. کاهش تخلخل مؤثر در سنین اولیه، همراه با قلیایی‌تر بودن محیط داخلی بتن به‌واسطه‌ی حضور یون‌های Na⁺ و K⁺، موجب محدود شدن نفوذ گاز دی‌اکسید کربن (CO₂) به درون بتن می‌شود. در نتیجه، فرآیند کربناته شدن آهک آزاد (Ca(OH)₂) و کاهش pH در بتن کندتر صورت می‌گیرد. این ویژگی، به‌ویژه در مناطق صنعتی که خطر نفوذ گازهای اسیدی زیاد است، می‌تواند مزیتی مهم تلقی شود.
بزرگ‌ترین تهدید دوام بتن ساخته‌شده با آب دریا، حمله یون‌های سولفات (SO₄²⁻) و واکنش آن‌ها با فازهای آلومیناتی سیمان (C₃A) است. این واکنش‌ها منجر به تشکیل فاز اتترینژیت می‌شوند که با انبساط حجمی بالا، ترک‌های داخلی در ساختار بتن ایجاد می‌کند. همچنین، حضور یون‌های منیزیم (Mg²⁺) موجب تولید فاز بروسیت می‌شود که با کاهش pH داخلی بتن، ژل C–S–H را به فاز ضعیف‌تر M–S–H تبدیل کرده و انسجام شیمیایی بتن را کاهش می‌دهد. این پدیده‌ها در کنار هم، در بلندمدت باعث افت دوام، افزایش نفوذپذیری، و کاهش مقاومت بتن در برابر شرایط محیطی مهاجم، به‌ویژه در سازه‌های دریایی و ساحلی می‌گردند.
یکی از چالش‌های اساسی در استفاده از آب دریا در ساخت بتن، خوردگی آرماتورهای فولادی است. در شرایط عادی، آرماتورهای تعبیه‌شده در بتن توسط یک لایه پسیو (Passive Film) از جنس اکسید آهن محافظت می‌شوند که در محیط قلیایی بتن تشکیل می‌شود. اما حضور یون‌های کلرید (Cl⁻) که به‌وفور در آب دریا وجود دارند، می‌تواند این لایه را تخریب کرده و باعث آغاز فرآیند خوردگی موضعی شود. کلریدها به راحتی از طریق منافذ و کانال‌های مویینه در بتن نفوذ کرده و به سطح آرماتور می‌رسند. پس از شکسته شدن لایه پسیو، فرآیند خوردگی گالوانیکی با تولید یون‌های آهن، گاز هیدروژن و ترکیبات زنگ آهن آغاز می‌شود که با افزایش حجم همراه بوده و منجر به ترک خوردن بتن اطراف آرماتور می‌شود.
مطالعات نشان داده‌اند که نرخ خوردگی آرماتورهای معمولی در بتن‌هایی که با آب دریا ساخته شده‌اند، ۲ تا ۳ برابر بیشتر از نرخ خوردگی در بتن‌های ساخته‌شده با آب شیرین است. این موضوع به‌ویژه در مناطق دریایی، سواحل، بنادر، اسکله‌ها و پل‌های دریایی که بتن مستقیماً در معرض آب شور یا مه نمکی قرار دارد، اهمیت ویژه‌ای دارد. بنابراین در چنین شرایطی، استفاده از آرماتورهای جایگزین یا تکنیک‌های مقاوم‌سازی ضروری است.
یکی از مؤثرترین روش‌ها برای مقابله با خوردگی ناشی از کلرید، استفاده از آرماتورهای فولاد زنگ‌نزن است. این نوع فولادها دارای ترکیباتی از نیکل، کروم و مولیبدن هستند که مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر خوردگی موضعی دارند. فولاد زنگ‌نزن حتی در صورت نفوذ کلرید نیز لایه محافظ پسیو خود را حفظ کرده و از اکسیداسیون داخلی جلوگیری می‌کند. با این حال، هزینه بالای آن (حدود ۴ تا ۹ برابر فولاد معمولی) استفاده گسترده را محدود کرده و آن را به گزینه‌ای برای سازه‌های بسیار حیاتی تبدیل کرده است.
آرماتورهای FRP شامل الیاف تقویت‌شده پلیمری مانند GFRP (الیاف شیشه‌ای)، BFRP (بازالتی) و CFRP (کربنی) هستند که به دلیل غیر فلزی بودن، کاملاً غیرخورنده محسوب می‌شوند. این نوع آرماتورها سبک، مقاوم در برابر محیط قلیایی و کلریدی، و دارای مقاومت کششی بالا هستند. از طرف دیگر، معایبی نیز دارند از جمله رفتار شکننده (brittle failure)، عدم قابلیت خم‌پذیری یا جوش‌پذیری، و حساسیت بیشتر به ضربه نسبت به فولاد. با این حال، در بسیاری از سازه‌های دریایی و پل‌های معلق از این آرماتورها با موفقیت استفاده شده است.
آرماتورهای آلومینیومی نیز به‌عنوان گزینه‌ای سبک‌وزن و مقاوم به خوردگی در محیط‌های حاوی کلرید پیشنهاد شده‌اند. سطح این نوع آرماتورها با لایه نازکی از اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) به‌صورت طبیعی پوشیده شده که همچون فولاد زنگ‌نزن عمل می‌کند و مانع خوردگی می‌شود. با این حال، آلومینیوم در محیط‌های بسیار قلیایی مانند بتن معمولی دچار تخریب شیمیایی می‌شود. بنابراین، برای استفاده از آرماتور آلومینیومی در بتن، باید محیط داخلی بتن با استفاده از مواد مکمل سیمانی (SCMs) نظیر سرباره یا خاکستر بادی اصلاح شده و pH آن کنترل شود. این روش در ترکیب با افزودنی‌های تثبیت‌کننده می‌تواند پتانسیل بالایی برای کاربردهای پایدار و اقتصادی در پروژه‌های دریایی داشته باشد.
مواد مکمل سیمانی (Supplementary Cementitious Materials) که شامل خاکستر بادی، سرباره کوره بلند، متاکائولن، و خاک رس کلسینه‌شده می‌باشند، نقش کلیدی در ارتقاء خواص دوام‌پذیری بتن ساخته‌شده با آب دریا ایفا می‌کنند. این مواد، با دارا بودن ترکیبات پوزولانی و فعالیت هیدرولیکی، وارد واکنش ثانویه با هیدروکسید کلسیم [Ca(OH)₂] حاصل از هیدراسیون سیمان می‌شوند و به تولید فازهای اضافی ژل C–S–H منجر می‌گردند. این فرآیند نه تنها موجب مصرف آهک آزاد و در نتیجه کاهش pH می‌شود، بلکه ساختار ریزمنافذ بتن را نیز متراکم‌تر می‌کند.
یکی از مهم‌ترین آثار SCMها، کاهش نفوذپذیری بتن و در نتیجه افزایش مقاومت در برابر حمله کلریدی است. یون‌های کلرید با ترکیبات آلومیناتی حاصل از SCMها واکنش داده و نمک فریدل (Friedel’s salt) تولید می‌کنند که به‌صورت پایدار در ساختار ماتریس سیمانی باقی می‌ماند و از مهاجرت آزاد یون‌ها جلوگیری می‌کند. این مکانیزم به‌ویژه در بتن‌های قرارگرفته در محیط دریایی یا حاوی آب دریا، نقشی مؤثر در کنترل خوردگی آرماتورها دارد.
از منظر مکانیکی، استفاده از SCMها می‌تواند مقاومت فشاری بتن را نیز بهبود ببخشد. تحقیقات نشان داده‌اند که با جایگزینی ۱۵ تا ۳۰ درصد از سیمان با خاکستر بادی یا سرباره، افزایش مقاومت فشاری تا حدود ۱۰٪ در سنین ۲۸ تا ۹۰ روز حاصل می‌شود. همچنین، دوام بتن در برابر حملات سولفاتی، کربناته شدن، انقباض خشک و حمله اسیدها نیز به‌صورت چشمگیری ارتقاء می‌یابد.
در مجموع، SCMها به‌عنوان یکی از ارکان اصلی طراحی پایدار بتن، خصوصاً در حضور آب دریا، توصیه می‌شوند و می‌توانند در کنار استفاده از آرماتورهای مقاوم به خوردگی، یک سیستم بتن پایدار و بادوام ایجاد کنند.
استفاده از آب دریا در فرآیند ساخت بتن، به عنوان پاسخی نوآورانه به بحران جهانی کم‌آبی و افزایش هزینه‌های تأمین آب شیرین، از منظر پایداری و منابع زیست‌محیطی، گزینه‌ای قابل قبول و عملیاتی محسوب می‌شود. با این حال، این راهکار مستلزم درک دقیق از رفتار شیمیایی یون‌های مهاجم موجود در آب دریا و مدیریت صحیح ریسک‌های ناشی از آن است. مهم‌ترین چالش‌ها در این حوزه، مربوط به کاهش دوام در بلندمدت، افزایش خوردگی آرماتورها، و افت نسبی مقاومت فشاری است که در صورت طراحی مهندسی‌شده، قابل کنترل خواهند بود.
مطالعات نشان داده‌اند که با اصلاح طرح اختلاط بتن از طریق استفاده از SCMها، کاهش نسبت آب به سیمان، استفاده از افزودنی‌های شیمیایی و همچنین انتخاب صحیح نوع آرماتور (نظیر فولاد زنگ‌نزن، FRP، یا آلومینیوم اصلاح‌شده)، می‌توان عملکرد بتن در محیط‌های شور و مهاجم را به سطح قابل قبولی رساند. از سوی دیگر، کنترل عمل‌آوری، مدیریت ترک‌زایی، و نظارت‌های میدانی دقیق در پروژه‌های واقعی نیز در تضمین موفقیت این سیستم مؤثر هستند.
برای تحقیقات آتی، بررسی رفتار بتن آب دریا در شرایط درازمدت، به‌ویژه در چرخه‌های متناوب خیس و خشک، تغییرات دمایی بالا و پایین، و اثر ترکیب‌های نوین سیمانی نظیر سیمان‌های ژئوپلیمری یا کم‌کربن پیشنهاد می‌شود. همچنین توسعه مدل‌های عددی پیش‌بینی خوردگی و رفتار مکانیکی نیز می‌تواند ابزار مهمی در طراحی سازه‌های بادوام در آینده‌ای مبتنی بر استفاده از منابع جایگزین آبی باشد.
منابع منتخب
