خوردگی در بتن: نحوه محافظت، علل و روش های ترمیم بتن

بتن یکی از پرمصرف‌ترین مصالح ساختمانی در جهان است که دارای مزایای کلیدی بسیاری مانند شکل‌پذیری و دوام بالا است. همچنین بتن دارای مقاومت فشاری بالایی است که به عنوان حداکثر بار فشاری تعریف می‌شود که یک جسم می‌تواند قبل از شکست تحمل کند. با این حال، بتن در واقع از نظر استحکام کششی کاملا ضعیف است، به این معنی که اگر سازه تحت کشش قرار گیرد، بتن ماده ایده آلی نیست. از طرف دیگر، خوردگی در بتن و راه‌های محافظت از آن بسیار مهم است.

با توجه به این ضعف ذاتی در بتن، برای تقویت مقاومت کششی و جلوگیری از ترک خوردن و حتی شکست غیرقابل قبول، به ماده دیگری نیاز است. میلگردهای تقویت کننده فلزی را می‌توان برای مقاومت در برابر تنش اضافه کرد که بار می‌تواند برای سازه ایجاد کند. با این حال، با مواد اضافه شده، مشکلات جدیدی مانند خوردگی در بتن و میلگرد فولادی ایجاد می‌شود که می‌تواند مجموعه‌ای از مسائل جدید را برای یک پروژه ساختمانی و عمرانی ایجاد کند.

به طور کلی، خوردگی یک فرآیند تخریب طبیعی و پرهزینه است، درست مانند زلزله، سیل و تخریب‌های گاه به گاه ناشی از گردباد می‌باشد. متخصصان خوردگی را اینگونه تعریف می‌کنند: «واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی بین یک ماده و محیط‌های آن که باعث زوال ماده می‌شود. در همین راستا، خوردگی یک فرآیند طبیعی است و همه فرآیندهای طبیعی به سمت پایین‌ترین حالت‌های انرژی ممکن گرایش دارند.»

خوردگی فولاد تقویت کننده در بتن یک مشکل جهانی است و سازه‌ها را با سرعت بسیار بالایی تخریب می‌کند. این مشکل بیش از ۸۰ درصد از کل آسیب‌های وارده به سازه‌های بتن مسلح را تشکیل می‌دهد و همچنان هزینه‌های تعمیر را برای کشورها افزایش می‌دهد. گزارشی در سال ۲۰۱۱ در ژورنال تغییرات آب و هوایی اشاره کرد که هزینه سالانه خوردگی بتن در سراسر جهان بیش از ۱.۸ تریلیون دلار تخمین زده می‌شود. .

خوردگی در بتن چگونه اتفاق می افتد؟

خوردگی در بتن مسلح یکی از نگرانی‌های اصلی هنگام صحبت در مورد سازه‌های بتن مسلح است. به طور معمول، آرماتورهای تعبیه شده در بتن توسط محیط با pH بالای سیمان پرتلند در اطراف آرماتورها محافظت می‌شوند که از وقوع خوردگی جلوگیری می‌کند (معمولا با سطوح pH در حدود ۱۲.۵ یا بالاتر). با این حال، زمانی که کلریدها و سایر آلاینده‌ها از طریق ترک‌ها و منافذ به بتن نفوذ می‌کنند، وضعیت pH (PH ۱۰ یا کمتر) را تغییر می‌دهد و آن را به سطوحی کاهش می‌دهد که در آن خوردگی روی آرماتورها ایجاد شود.

آشنایی بیشتر با خوردگی در بتن

سه جزء ضروری برای خوردگی در بتن مسلح وجود دارد: فولاد، آب و اکسیژن. حذف هر یک از این موارد از واکنش شیمیایی و آسیب ناشی از خوردگی جلوگیری می‌کند. به همین دلیل است که در بتن خشک خوردگی وجود ندارد و همچنین به همین دلیل است که بتن کاملا غوطه‌ور در آب دارای خوردگی محدود است.

به طور کلی، بتن میزبان عالی برای میلگرد است. به دلیل قلیائیت بالای بتن، میلگردهای تقویت کننده فولادی توسط یک فیلم اکسید آهن (Fe2O3) غیرفعال می‌شوند که یک لایه محافظ برای فولاد فراهم می‌کند. در این حالت، بتن به طور معمول فولاد تقویت کننده با محافظت در برابر خوردگی را فراهم می‌کند. با این حال، بتن در حین سخت شدن، منافذ کوچکی را ایجاد می‌کند که به منبعی بالقوه برای نفوذ عوامل خورنده به بتن تبدیل می‌شود. این عوامل خورنده که از طریق حفره‌ها وارد بتن می‌شوند، منجر به شکسته شدن لایه محافظ غیرفعال در اطراف بتن می‌شود. بدون لایه اکسید آهن غیرفعال که از فولاد محافظت می‌کند، خوردگی می‌تواند با سرعت بسیار بالاتری شروع شود.

لایه غیرفعال می‌تواند در طول زمان به دلیل دی اکسید کربن اتمسفر (CO2) خراب شود که از طریق فرآیندی به نام کربناته کردن، pH بتن را تا زمانی که لایه غیرپایدار ناپایدار شود، کاهش می‌دهد. همچنین لایه غیرفعال می‌تواند به سرعت توسط مواد شیمیایی تهاجمی مانند کلرید تجزیه شود که در محیط‌های ساحلی وجود دارد یا در مواد شیمیایی یخ‌زدایی استفاده می‌شود. هنگامی که لایه غیرفعال در معرض خطر قرار می‌گیرد و رطوبت و اکسیژن در سطح فولاد وجود دارد، آرماتور فولادی خورده می‌شود.

شرایط آب و هوایی یک منطقه تاثیر زیادی بر میزان خوردگی در بتن دارد. در شرایط آب و هوایی شدید در مناطق ساحلی، میزان خوردگی بالا خواهد بود. به عنوان مثال، ساحل خلیج فارس دارای یک محیط بسیار تهاجمی است که با شرایط محیطی با درجه حرارت و رطوبت بالا، شوری شدید زمین با سطوح بالای کلریدها و سولفات‌ها در آب‌های زیرزمینی مشخص می‌شود. سایر عوامل تسریع کننده سرعت خوردگی کیفیت پایین مصالح ساختمانی به ویژه سنگدانه‌ها و وجود غلظت بالای نمک‌های سولفات در محیط سرویس است.

بررسی علت خوردگی لوله های بتنی

 چه چیزی باعث خوردگی در بتن می شود؟

دلایل زیادی وجود دارد که چرا خوردگی در بتن؛ کربناته شدن، الکترولیز، واکنش‌های قلیایی-سنگدانه‌ها، نفوذ رطوبت بیش از حد، آلودگی شیمیایی و ترکیب واقعی سیمان پرتلند اطراف رخ می‌دهد. در ادامه به برخی از این انواع خوردگی در بتن به تفصیل نگاه می‌کنیم.

• نشت آب به داخل بتن: اگر بتن نفوذپذیری بالایی داشته باشد، آب اضافی موجود در محیط از لوله‌های نشتی، طبیعت یا محیط‌های با رطوبت بالا می‌تواند منجر به نشت آب به داخل بتن شود که به عنوان یک الکترولیت در بتن عمل می‌کند و خوردگی را تسریع می‌کند.
• کربناته شدن: با گذشت زمان، هیدروکسید آزاد داخل بتن با دی اکسید کربن اتمسفر واکنش داده و کربنات کلسیم را تشکیل می‌دهد که منجر به ترک‌های انقباض می‌شود. این ترک‌های انقباض، بتن را نسبت به نفوذ رطوبت مشکوک‌تر می‌کند. این رطوبت و قرار گرفتن در معرض، قلیایی بودن بتن را تغییر می‌دهد و آن را به سطحی می‌رساند که امکان خوردگی آرماتورهای فولادی را فراهم می‌کند.
• ناخالصی در اختلاط: زمانی که آبی که برای اختلاط بتن استفاده می‌شود دارای ناخالصی باشد، می‌تواند نتیجه را تحت تاثیر قرار دهد. طبق استاندارد IS:456، اگر کل ترکیبات آلی بیش از ۳۰۰۰ میلی گرم در لیتر، سولفات‌ها بیش از ۵۰۰ میلی گرم در لیتر و یا کلریدها بیش از ۱۰۰۰ میلی گرم در لیتر باشند، منجر به خوردگی فولاد در بتن می‌شود.
• قرار گرفتن در معرض آب دریا: هنگامی که بتن در معرض آب دریا قرار می‌گیرد، اگر نفوذپذیری بتن به ویژه بالا باشد، تأثیرات آن تعیین کننده است. آب دریا حاوی سطوح بالای کلرید است که باعث تسریع خوردگی در بتن می‌شود.
• واکنش قلیایی-سنگدانه: مواد قلیایی مانند اکسید سدیم (Na2O) و اکسید پتاسیم (K۲O) در سیمان وجود دارند که با ترکیبات سیلیسی سنگدانه واکنش داده و باعث ایجاد ترک در بتن می‌شوند. از این رو، کاهش قلیاییت باعث افزایش خوردگی فولاد در حضور رطوبت می‌شود.

گروت اپوکسی

وقتی فولاد تقویت شده در بتن خورده می شود چه اتفاقی می افتد؟

هنگامی که فولاد تقویت شده خورده می‌شود، زنگ زدگی که در اطراف فولاد انباشته می‌شود، فشار بیرونی بر روی بتن اطراف آرماتور ایجاد می‌کند. از آنجایی که زنگ ماده جدیدی است که در داخل بتن شکل می‌گیرد، فضای بیشتری را نسبت به میلگرد اصلی اشغال می‌کند. از این فشار ناشی از ماده جدید، بتن شروع به ترک خوردگی و تخریب می‌کند.

اثرات منفی

همانطور که قبلا ذکر شد، خوردگی یک فرآیند طبیعی است. فولاد ماده‌ای است که از اکسید آهن یا سنگ آهن تولید می‌شود. متأسفانه انرژی اضافه شده در فرآیند پالایش نیز به بی‌ثباتی آن کمک می‌کند. هنگامی که یک محیط یا شرایط مناسب ایجاد می‌شود، فولاد انرژی آزاد می‌کند و خود را به اکسید آهن تبدیل می‌کند. این حالت طبیعی آهن یک ماده ترمودینامیکی پایدار است.

میلگرد فولادی مورد استفاده در بتن با ایجاد مقاومت کششی جامدی که بتن معمولا فاقد آن است، سازه را تقویت می‌کند. هنگامی که فولاد شروع به زنگ زدگی می‌کند و حفره‌ها یا سوراخ‌هایی در سطح خود ایجاد می‌کند، ظرفیت مقاومت کاهش یافته مشاهده می‌شود که تأثیر منفی بر دوام سازه می‌گذارد.

خوردگی زمانی روی یکپارچگی سازه بتنی تأثیر می‌گذارد که محصولات خوردگی (یعنی مخصوص زنگ زدگی) حجم کلی بیشتری را نسبت به فولاد اصلی اشغال کنند. این انبساط سپس تنش‌های کششی در بتن ایجاد می‌کند که باعث لکه دار شدن، ترک خوردن و ریزش بتن می‌شود. تا زمانی که علائم آسیب از بیرون نمایان شود، مانند قسمت بیرونی سازه بتنی، میزان خوردگی فولاد آرماتور به مرحله پیشرفته‌ای رسیده است. در این مرحله، صرف نظر از اینکه سایت در کجا واقع شده است، هزینه‌های بازسازی گران خواهد بود و فرآیند تعمیر پیچیده خواهد بود.

مراحل متعددی در مسیر خوردگی در بتن وجود دارد که با عناصر تهاجمی مانند یون‌های کلرید یا دی اکسید کربن شروع می‌شود که در محیط اطراف وجود دارند و به بتن نفوذ می‌کنند. مرحله دوم پس از «شروع»، «تکثیر» است که زمانی اتفاق می‌افتد که این اجسام تهاجمی در غلظت‌های نسبتا بالایی در سطح تقویت شوند. لایه غیرفعال از بین رفته و خوردگی با سرعت بسیار بیشتری به سازه آسیب می‌رساند.

پس از خوردگی، ترک‌هایی در سطح خارجی بتن ظاهر می‌شود. ترک‌ها مسیر مستقیمی برای نفوذ عوامل خورنده و رسیدن به فولاد هستند. این ترک‌ها بیشتر پیشرفت می‌کنند و به شکاف‌هایی تبدیل می‌شوند تا جایی که عمر مفید آن به‌طور زودرس به پایان می‌رسد. بنابراین، آب باید از نفوذ به بتن مسلح جلوگیری شود و از حمله به میلگرد فولادی در داخل منحرف شود.

 چگونه از خوردگی در بتن جلوگیری کنیم؟

بهترین راه برای جلوگیری از خوردگی در بتن، استفاده از مواد افزودنی بازدارنده خوردگی است. افزودنی‌های بازدارنده خوردگی یا خواص بازدارندگی طبیعی سیمان پرتلند را افزایش می‌دهند یا سرعت خوردگی فلز جاسازی شده را کاهش می‌دهند و برخی از افزودنی‌ها وجود دارند که هر دو مزیت را دارند.

روش های سنتی برای جلوگیری از خوردگی در بتن

روش‌هایی برای کنترل خوردگی بتن مسلح وجود دارد. یک سیستم کنترل خوردگی موثر باید زمان شروع خوردگی را افزایش دهد یا نرخ خوردگی فولاد تعبیه شده را کاهش دهد یا هر دو را انجام دهد. برخی از اقدامات سنتی مورد استفاده برای مبارزه با خوردگی در بتن مسلح عبارتند از:

• حفاظت کاتدی؛
• مواد افزودنی بازدارنده خوردگی؛
• پوشش ضد خوردگی.

متأسفانه، این روش‌های سنتی که برای مقابله با خوردگی در بتن طراحی شده‌اند، با توجه به وضعیت فعلی زیرساخت‌های رو به زوال، کمتر از حد مطلوب مؤثر هستند. پوشش بتنی ضخیم یا متراکم روی فولاد تقویت‌کننده کمک خواهد کرد، اما همچنان بتن را در برابر ترک خوردن و مجموعه‌ای کاملا جدید آسیب‌پذیر می‌کند. بازدارنده‌های خوردگی فقط محافظت موقتی را ارائه می‌دهند. حفاظت کاتدی گران است و جنبه‌های منفی خود را دارد و روش‌های تعمیر اغلب عمر کوتاهی دارند و ممکن است به طور مداوم مجددا نصب شوند.

تعمیر مداوم زیرساخت‌های بتن مسلح منجر به هزینه‌های بالای چرخه عمر در طول عمر مورد نیاز سازه می‌شود. به طور کلی، کمبود اقدامات سنتی پیشگیری از خوردگی این است که آن‌ها به اندازه کافی از ایجاد شرایط خورنده در بتن جلوگیری یا خنثی نمی‌کنند.

همانطور که گفته شد، آب یکی از سه عنصر مورد نیاز برای وقوع خوردگی است. همچنین آب به عنوان یک حامل برای یون‌های کلرید عمل می‌کند، که علت اصلی خراب شدن لایه غیرفعال است که در غیر این صورت از میلگرد محافظت می‌کند. از این رو، عامل مهم در خوردگی آرماتورهای فولادی و همچنین زوال بتن در مجموع، نفوذ آب و کلریدهای موجود در آب به داخل بتن است. بنابراین اولین خط دفاعی در برابر خوردگی در بتن مسلح جلوگیری از نفوذ آب است. استفاده از بتن با نفوذپذیری کم و استفاده از مقدار مناسب پوشش بتنی برای کاربرد مهم است.

چرا بتن ترک می خورد؟ انواع ترک در بتن

راه های محافظت از بتن در برابر خوردگی چیست؟

راه‌های مختلفی برای محافظت از بتن در برابر خوردگی وجود دارد. افزودنی‌های بازدارنده خوردگی که در بالا در مورد آن‌ها صحبت شد، یکی از بهترین راه‌ها برای جلوگیری از وقوع خوردگی در بتن شما هستند. یکی دیگر از راه‌های فوق العاده برای محافظت از بتن در برابر خوردگی استفاده از محصولات پارتاک است. ثابت شده است که محلول‌های ضدخوردگی به سطوح بتنی نفوذ می‌کنند تا خواص فاز سیمانی را برای دوام و سختی و همچنین مقاومت در برابر سایش و ضربه افزایش دهند.

مقاومت شیمیایی بتن از طریق خنثی کردن اجزای سیمانی راکتیو و خنثی کردن آن‌ها از نظر شیمیایی بهبود می‌یابد. افزودنی بازدارنده خوردگی سطوح بتنی را در برابر محلول‌های شیمیایی غیرقابل نفوذ می‌کند و از نشت‌های شیمیایی اتفاقی محافظت می‌کند. ملات ترمیمی سطح بتن از نظر شیمیایی واکنش‌پذیر هستند و یک محلول دائمی که به طور کامل در ریزساختار بتن وجود دارد را نمی‌توان کنده یا خراش داد. اجزای ضد آب بسته به نیاز پروژه به راه حل‌های موجود اضافه می‌شوند.

استراتژی های ضد آب

بتن ماده‌ای سخت با شبکه‌ای از روزنه‌ها مانند مویرگ‌ها، منافذ، ترک‌ها و ریز ترک‌ها است. آب می‌تواند از بتن محافظت نشده عبور کند و به عنوان حامل مواد شیمیایی تهاجمی مانند کلرید عمل کند که میلگردهای فولادی تقویت شده را خورده می‌کند.

به استثنای آسیب‌های مکانیکی، تمام تأثیرات نامطلوب بر دوام بتن شامل انتقال سیالات از طریق بتن می‌شود. نفوذپذیری آب میزان زوال را تعیین می‌کند، به این معنی که اگر بتن در برابر نفوذ آب محافظت شود، دوام خواهد داشت. سازه افزایش می‌یابد و در پایان عمر مفید آن افزایش می‌یابد. در نتیجه کاهش نفوذپذیری بتن کلیدی است. متأسفانه، مانند حفاظت از بتن مسلح، اقدامات سنتی انتظارات را برآورده نمی‌کند.

غشاهای سطحی یا غشاهای ورقه‌ای یکی از گزینه‌هایی است که باید در نظر گرفته شود. این غشاء مانعی در برابر نفوذ آب در قسمت بیرونی بتن می‌سازد. گزینه دیگر یک غشای مایع است. مانند غشای ورقه‌ای، غشای اعمال شده با سیال مانعی را روی سطح بتن ایجاد می‌کند تا نفوذ آب را متوقف کند.

در هر دو شرایط، سیستم عایق رطوبتی سنتی مانعی برای بتن ایجاد می‌کند. با این حال، غشاهای عایق رطوبتی سطحی دارای محدودیت‌هایی هستند و در معرض آسیب سوراخ شدن و خرابی هستند. با دور شدن از سنت، موفقیت با جایگزینی نیاز به غشای خارجی و جایگزینی آن با غشای داخلی حاصل شده است و در نتیجه بتن را به سد ضد آب تبدیل می‌کند.

افزودنی ضد آب کریستالی یکپارچه

یک افزودنی کاهنده نفوذپذیری مناسب برای شرایط هیدرواستاتیک (PRAH) مانند افزودنی ضد آب کریستالی یکپارچه (نفوذگر بلورساز پودری) همراه با مخلوط بتن در بچینگ یا مستقیما به کامیون آماده مخلوط می‌شود. یک افزودنی به جای اضافه کردن نصب یک غشای ورقه‌ای یا استفاده از یک غشای سیال، این نیاز را با تبدیل شدن به بخشی از مخلوط بتن برطرف می‌کند. افزودنی در کاهش نفوذپذیری بتن بدون مواد پرهزینه، کار یا زمان لازم برای نصب روش‌های خارجی موثر است.

ویژگی‌های یک افزودنی آب‌بندی مزایای منحصر به فرد بسیاری را برای بتن فراهم می‌کند که باعث افزایش دوام برای خواص بتن می‌شود که در طول تاریخ منجر به دوام ضعیف شده است. از طریق استفاده از فناوری کریستالی، افزودنی آب‌بندی نفوذ آب و مواد شیمیایی موجود در آب را از طریق سه مکانیسم اصلی کاهش می‌دهد:

1. تبلور و کاهش نفوذپذیری بتن؛
2. کاهش اندازه و مقدار ترک در بتن؛
3. ترک‌های خود آب‌بندی و ریز ترک‌هایی که در مراحل بعدی عمر سازه ایجاد می‌شوند.

چگونه خوردگی در بتن را ترمیم کنیم؟

افزودنی‌های بتن می‌توانند با ممانعت از ایجاد شرایط خورنده ناشی از نفوذ رطوبت، خوردگی در بتن مسلح را کنترل کنند. نتیجه ساختاری با دوام افزایش یافته، طول عمر بیشتر و هزینه‌های تعمیر و نگهداری کمتر در طول عمر سازه است. همه موارد ضروری در شیوه‌های ساختمانی پایدار امروزی رعایت می‌شود.

پارتاک گروهی از محصولات و افزودنی‌های بتن را ارائه می‌دهد که برای بازیابی خواص سازه‌های بتنی در حال زوال بدون تلاش‌های گسترده حذف و تعویض استفاده می‌شود. همچنین محصولات ما از سطوح جدید محافظت می‌کنند.