اگرچه آرماتور فولادی (میلگرد) در بتن تعبیه شده است، امّا همچنان در برابر خوردگی آسیب پذیر است. این خوردگی بتن باعث آسیب میلگردها می‌شود. بنابراین ظرفیت باربری کلی سازه کاهش می یابد و احتمال شکست، خرابی یا ریزش سازه افزایش می یابد.
در حالی که بتن ساده از دوران روم باستان به عنوان مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار گرفته است، مفهوم استفاده از آرماتور تا اواخر دهه 1850 معرفی نشد، تا زمانی که صنعتگر فرانسوی، فرانسوا کنیه، استفاده از میلگردهای تقویت کننده آهن را معرفی کرد. سپس، در دهه 1880، مهندس عمران آلمانی، G. A. Wayss پیشنهاد کرد که میله‌های آهنی به نفع آرماتورهای فولادی جایگزین شوند.
بتن مسلح یکی از پرکاربردترین مصالح در ساخت و سازهای مدرن است. اساساً بتنی است که میله‌ها یا شبکه‌های فولادی در آن به گونه‌ای تعبیه شده است که به عنوان یک ماده عمل کنند. بتن ساده، در حالی که از نظر فشاری قوی است، از نظر کشش نسبتاً ضعیف است و آن را برای بسیاری از سازه های ساختمانی نامناسب و غیراقتصادی می کند. آرماتورهای فولادی این ضعف را با اتصال به بتن جبران می‌کند و در کنار هم قرار گرفتن این دو ماده باعث می‌شود تا در برابر تنش‌های کششی اعمال شده مقاومت کنند. همچنین می‌توان از آرماتورهای فولادی برای افزایش توانایی مقاومت بتن در برابر نیروهای برشی و فشاری استفاده کرد.
مقاله مرتبط: سازه قاب بتن مسلح (آرمه)
در حالی که بتن ممکن است مانند یک ماده جامد به نظر برسد، اما به طور طبیعی متخلخل است. این ویژگی، بتن را مستعد نفوذ مواد ناخواسته مختلف در داخل بتن می‌کند که ممکن است خوردگی میلگرد تعبیه شده را تسریع کند. بعلاوه، با خشک شدن بتن تازه، حجم آن تغییر می‌کند و باعث ایجاد چندین ترک ریز می‌شود که که این ترک‌ها می‌توانند به‌عنوان منفذ دیگری برای عوامل ایجاد کننده خوردگی عمل کند.
یکی از گسترده‌ترین دلایل خراب شدن آرماتورها، خوردگی ناشی از حضور یون‌های کلرید است. این آلاینده‌ها معمولاً از نمک‌های یخ زدا، آب دریا یا مواد افزودنی حاوی کلرید وارد بتن می‌شوند. یون‌های کلرید از طریق منافذ یا ترک‌های بتن نفوذ می‌کنند تا زمانی که به آرماتور فولادی برسند. در حضور اکسیژن و رطوبت، این یون‌ها یک سری واکنش‌های خوردگی را آغاز می‌کنند در حالی که مکانیسمی که توسط آن کلریدها خوردگی میلگرد را تسریع می‌کنند به‌طور کامل شناخته نشده است و اعتقاد بر این است که یون‌های کلرید در لایه‌های اکسید محافظ راحت‌تر از سایر یون‌ها نفوذ کرده و آنها را حل می‌کنند. در صورت کاهش pH بتن، خوردگی در بتن مسلح نیز ممکن است رخ دهد.
PH طبیعی بالای بتن، که معمولاً بین 12 تا 13 است، محیطی را ایجاد می‌کند که باعث تشکیل و رشد لایه‌های اکسید محافظ می‌شود که از تجزیه یون‌های فلزی جلوگیری می‌کند. کاهش مقدار pH بتن به 8/5 می‌تواند باعث ناپایدار شدن لایه پسیو (غیرفعال/منفعل) شود و آرماتور را در برابر حمله خوردگی آسیب‌پذیر کند.
یکی از رایج‌ترین دلایلی که باعث کاهش pH بتن می‌شود، نفوذ دیاکسیدکربن (CO2) است. این فرآیند که به‌عنوان کربناته شدن شناخته می‌شود، زمانی اتفاق می‌افتد که دیاکسیدکربن موجود در جو با هیدروکسیدها (هیدروکسید کلسیم) در بتن واکنش داده و کربنات‌های کاهش دهنده PH بتن را تشکیل می‌دهد. کربناته شدن نیز مقاومت بتن در برابر یون‌های کلرید را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. در بتن تازه، مقدار یون کلرید مورد نیاز برای شروع خوردگی معمولاً بین 7000 تا 8000 قسمت در میلیون (ppm)است. با این حال، اگر PH بین 10 و 11 کاهش یابد، آستانه یون کلرید می‌تواند به 100 ppm یا کمتر کاهش یابد.
چگونه بتن آرمه (مسلح) خورده می شود؟
هنگامی که لایه اکسید اطراف میلگردهای تقویت کننده به دلیل حمله کلرید، کربناته شدن یا موارد دیگر تجزیه می‌شود، بخش‌هایی از فولاد واکنش‌پذیر می‌شوند و یک سلول/پیل خوردگی را تشکیل می‌دهند.
مکان‌های فعال روی میلگرد تبدیل به آند می‌شوند و الکترون‌های بتن اطراف را به صورت یون‌های آهن از دست می‌دهند.
این واکنش اکسیداسیون نیمه سلولی با معادله شیمیایی زیر نشان داده می شود:
2Fe → 2Fe2+ + 4e–
در حالی که واکنش‌های کاهش نیمه سلولی مخالف در جاهای کمتر واکنش‌پذیر (کاتد) به صورت زیر نشان داده می‌شود:
2H2O + O2+ 4e– → 4OH–
یون‌های +Fe2 و –OH ترکیب می‌شوند و محصولات خوردگی متشکل از هیدروکسیدهای جامد آهن (II) یا زنگزدگی را تشکیل می‌دهند:
2Fe2+ + 4OH– → 2Fe(OH)
با خوردگی و زنگزدگی فولاد، فلز حل می‌شود و در نتیجه سطح مقطع آرماتور و استحکام کلی کاهش می‌یابد. مواد حاصل از خوردگی و زنگزدگی که در اطراف میلگرد تشکیل می‌شوند، حجم بیشتری نسبت به فولاد اشغال می‌کنند. این انبساط حجمی باعث ایجاد تنش کششی در اطراف بتن می‌شود که همین امر می‌تواند باعث ایجاد ترک بتن در مجاورت میله خورده شده، شود. ادامه انبساط در نهایت می‌تواند باعث بیرون راندن تکه‌های بتن از سازه در نوعی تخریب به نام ریزش و پوسته پوسته شدن، شود.
شکل 1. واکنش های شیمیایی در طول خوردگی میلگرد.
روش های مختلفی برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی سازه‌های بتن مسلح وجود دارد. اولین روش محافظت و جلوگیری از خوردگی بتن معمولاً شامل اصلاح خواص مخلوط بتن است. بتن متراکم با تخلخل و نفوذپذیری کم، توانایی نفوذ آلاینده‌ها را تا سطح آرماتور فولادی کاهش می‌دهد.
مخلوط‌های بتن با نفوذپذیری کم معمولاً با استفاده از پوزولان‌ها و سرباره (مانند خاکستر بادی) به دست می‌آیند. هنگامی که این ترکیبات به بتن اضافه می‌شوند، نسبت آب به مواد سیمانی را کاهش می‌دهند و ترکیبات اضافی تولید می‌کنند که تعامل منافذ بتن را کاهش می‌دهند. که این امر از نفوذ سولفات و کلرید به داخل بتن جلوگیری می‌کند. برخی از مواد پوزولان و سرباره برای کاهش ترک‌های انقباضی شناخته شده‌اند که به‌عنوان منفذی برای آلاینده‌های ایجادکننده خوردگی و زنگزدگی عمل می‌کنند.
روش دیگر محافظت بتن در برابر حمله خوردگی آرماتورها در بتن مسلح، اطمینان از تامین پوشش بتنی کافی است. پوششی که فاصله آرماتور فولادی تا لبه بیرونی بتن را پوشش می‌دهد، معمولاً در شرایط عادی بسته به اندازه میلگرد، 2/1 اینچ تا 4/3 اینچ (19 تا 38 میلی‌متر) است. با این‌حال، در محیط‌های بسیار خورنده، مانند نزدیک آب دریا، پوشش می‌تواند به اندازه 3 اینچ (76 میلی‌متر) باشد.
هرچقدر این پوشش بزرگتر باشد، آرماتور عمیق‌تر در بتن تعبیه شده و در نتیجه سطح حفاظت بهتری ایجاد می‌شود. افزایش پوشش آرماتور معمولاً با استفاده از بتن با نفوذپذیری کم، تکمیل می‌شود.
روش دیگر برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی بتن مسلح این است که خود میلگردهای تقویت‌کننده موجود در بتن مسلح در برابر حمله خوردگی مقاوم شوند. این روش شامل استفاده از پوشش‌های محافظ، گالوانیزه (HDG)[1]
یا انتخاب میلگردهای تقویتی ویژه با مقاومت بهبود‌یافته در برابر خوردگی نسبت به میلگردهای فولاد کربن معمولی است. هنگام انتخاب مواد/متریال منحصر به فرد برای میله بتن مسلح، باید به سطح مقاومت در برابر خوردگی مورد نیاز و همچنین هزینه و در دسترس بودن آن توجه شود. سایر اقداماتی که معمولاً برای کاهش خوردگی استفاده می‌شود شامل استفاده از افزودنی‌های بازدارنده و درزگیرهای سطح بتن است.
[1] :Hot-dip galvanizing (HDG) غوطه‌ور کردن قطعه در حمامی از روی مذاب
نتیجه
در حالی که بتن مسلح یک مصالح ساختمانی همه کاره، تطبیق‌پذیر و بادوام است، امّا میله‌های تقویت‌کننده فولادی آن در برابر حمله خوردگی آسیب‌پذیر هستند. فرسودگی پیشرفته می‌تواند منجر به کاهش استحکام، پوسته پوسته شدن و در موارد شدید منجر به شکست ساختاری شود.
این خوردگی معمولاً با نفوذ یون کلرید یا کاهش pH به دلیل کربناته شدن آغاز می‌شود. با این‌حال، اقدامات متعددی از جمله استفاده از بتن با نفوذپذیری کم، ارائه پوشش کافی و استفاده از آرماتورهای مقاوم در برابر خوردگی می‌تواند به بهبود عملکرد سازه‌های بتن مسلح در محیط‌های تهاجمی و چالش‌برانگیز کمک کند.
پوشش‌های سطحی نفوذگر
حفاظت از بتن برای طول عمر سازه‌های بتنی و بازگرداندن سطوح آسیب دیده به ظاهر اولیه و عملکرد طراحی بسیار مهم است. سیستم پوشش‌های سطحی نفوذگر حفاظت و دوام طولانی مدت سازه‌ها را ارائه می‌کند و از آنها برای سال‌های آینده محافظت می‌کند.
سیستم پوشش‌های سطحی نفوذگر شامل طیف وسیعی از مواد دافع آب با کارایی بالا، الاستومری و ضد‌کربنات ساخت بالا، و پوشش‌های مقاوم در برابر مواد شیمیایی است که با شرایط آب و هوایی چالش‌برانگیز، آلاینده‌های محیطی و عناصر خورنده مقابله می‌کند.
این مجموعه همچنین شامل طیف ویژه‌ای از بازدارنده‌های خوردگی مانند آندهای گالوانیکی و بازدارنده‌های خوردگی اعمال شده در سطح است که برای نفوذ در بتن و کنترل خوردگی مستقیماً در آرماتور فولادی فرموله شده‌اند.
پوشش‌های ضد کربناته
حفاظت پیشرفته و طولانی مدت از سازه‌های بتنی و آرماتورهای فولادی در برابر نفوذ دیاکسیدکربن، کلریدها و آب را فراهم می‌کند.
پوشش‌های مقاوم در برابر مواد شیمیایی
حفاظت غیر قابل نفوذ و انعطاف‌پذیر برای سازه‌های بتنی و آرماتورهای فولادی که در معرض آلاینده‌های شیمیایی قرار دارند.
هیدروفوبیزاسیون و اشباع
این محصولات برای بتن معمولی و بتن مسلح به‌عنوان دافع آب عمل می‌کنند و ظاهر اصلی زیرلایه را حفظ می‌کنند و اجازه می‌دهند بخار رطوبت از آن خارج شود و در عین حال بتن را برای سال‌های آینده آب‌بندی و محافظت می‌کند.
حفاظت کاتدی
حفاظت در برابر خوردگی لبه‌های آرماتورهای فولادی بتن.
M.Gh.
مقاله مرتبط: خوردگی میلگرد ها
ویدئو مرتبط با این مقاله: مقاومت در برابر خوردگی در سازه های بتنی مسلح