بتن به عنوان یکی از مقاومترین مصالح ساختمانی در جهان شناخته میشود که برای اجرای صحیح در سازهها، نیاز به تقویت کنندهای به نام میلگرد دارد. استفاده از میلگرد فولادی سال هاست که به یک استاندارد جهانی تبدیل شده است؛ اما نکته اینجاست که فولاد به شدت تحت تاثیر محیط قرار میگیرد و میتواند به سرعت زنگ بزند. در این شرایط است که خوردگی میلگرد اتفاق افتاده و شاهد افزایش حجم میلگردهای داخل بتن در اثر زنگ زدگی هستیم. خوردگی آرماتور نه تنها باعث کاهش مقاومت آرماتور میشود، بلکه میتواند به مرور زمان ضعفهای زیادی را در بتن و کل سازه به وجود آورد. از این هت شناخت این فرآیند و نحوه پیشگیری و کنترل خوردگی آرماتور اهمیت زیادی دارد.
تعریف خوردگی میلگرد در بتن
خوردگی میلگرد (Rebar Corrosion) در بتن، یک فرآیند الکتروشیمیایی است که در آن فلز فولاد میلگرد در واکنش با محیط اطراف خود تخریب شده و به ترکیبات پایدارتری مانند اکسید آهن تبدیل میشود. سطح فولاد مقاوم سازی نشده، به شدت تحت تاثیر رطوبت قرار میگیرد و میتواند به محض در تماس بودن با هوای بیرون، با اکسیژن و رطوبت واکنش بدهد و یک لایه زنگ زدگی روی آن ایجاد شود.
بتن در حالت عادی دارای محیطی به شدت قلیایی (با pH حدود ۱۲ تا ۱۳) است. این خاصیت قلیایی باعث ایجاد یک لایه محافظ و غیرفعال روی سطح میلگرد میشود که از زنگزدگی آن جلوگیری میکند؛ اما زمانی که این لایه محافظ به دلایل مختلفی (مانند نفوذ یون کلر یا کاهش pH بتن در اثر کربناتاسیون) از بین برود، فرآیند خوردگی آغاز میشود. خوردگی آرماتورها باعث افزایش حجم آنها شده و به مرور زمان روی استحکام بتن نیز تاثیر منفی میگذارد.
آشنایی با مکانیزم شیمیایی خوردگی میلگرد
خوردگی آرماتور یک فرآیند الکتروشیمیایی است. برای اینکه این اتفاق بیفتد، چهار عنصر اساسی یعنی آند، کاتد، الکترولیت و یک رسانای الکتریکی که خود میلگرد است، نیاز است. پس از آن فرآیند الکتروشیمیایی اتفاق افتاده و خوردگی میلگرد در چند مرحله زیر رخ میدهد:
- واکنش آندی (اکسیداسیون): بخشی از میلگرد که لایه محافظ ندارد به عنوان آند عمل میکند. در این مرحله، اتمهای آهن الکترون از دست میدهند و در آب حل میشوند. این اتفاق به معنای اکسیداسیون میلگرد است.
- واکنش کاتدی (احیا): الکترونهای آزاد شده از طریق میلگرد به قسمت دیگری که لایه محافظ هنوز سالم دارد حرکت میکنند. این بخش سالم در واقع بخش کاتدی میلگرد محسوب میشود. در این بخش از میلگرد، حضور آب و اکسیژن باعث ایجاد واکنشهای جدی میشود.
- تشکیل زنگ آهن: یونهای آهن تولید شده در آند با یونهای هیدروکسید تولید شده در کاتد واکنش داده و هیدروکسید آهن را میسازند که در نهایت با اکسیژن بیشتر به اکسید آهن هیدراته تبدیل میشود. محصول نهایی همان زنگ آهن تشکیل شده روی فولاد است که حجم 2 تا 4 برابر بیشتر از فولاد اولیه دارد.
علائم اصلی خوردگی میلگرد در سازههای بتن آرمه
از آنجایی که میلگرد در داخل بتن فرو رفته و مدفون شده، نمیتوان تشکیل یک سطح زنگ زدگی روی آن را مشاهده کرد. بنابراین، علائم خوردگی میلگرد و آرماتور بیشتر از اینکه از طریق میلگردها قابل مشاهده باشند، از طریق بتن تشخیص داده میشوند. به طور کلی، خوردگی آرماتور باعث افزایش حجم 4 برابری آن شده و به مرور زمان ترکهای سطحی روی سطح بتن ایجاد میکند و میتواند باعث بروز مشکل در ساختار آن شود. علائم زیر، مهمترین نشانههای شروع خوردگی میلگردها در سازههای بتن آرمه هستند:
ترکهای سطحی در بتن
اولین و بارزترین نشانه خوردگی، ایجاد ترکهای سطحی در امتداد مسیر میلگردها است. زمانی که میلگرد زنگ میزند، حجم آن افزایش مییابد. این افزایش حجم، تنشهای کششی شدیدی از داخل به بتن وارد میکند و از آنجا که بتن مقاومت کششی پایینی دارد، دچار ترک خوردگی میشود. مشاهده ترکهای سطحی در بتن حتما باید جدی گرفته شود تا در صورت نیاز بتوان با اقدامات پیشگیرانه و کنترلی، مشکل را برطرف کرد.
پوسته پوسته شدن سطح بتن
اگر به ترکهای سطحی در بتن کم توجهی شود، ترکها گسترش مییابند و روند خوردگی افزایش پیدا میکند. در این حالت سطح بتن پوسته پوسته شده و تکههایی از آن از سازه جدا میشوند و میریزند. به این پدیده در اصطلاح مهندسی پوسته پوسته شدن یا Spalling گفته میشود. این اتفاق آنقدر پیش میرود که میلگردها از داخل بتن نمایان میشوند و در تماس با رطوبت و هوای بیرون قرار میگیرند. این اتفاق خود باعث پیشروی بیشتر خوردگی و زنگ زدگی میلگرد شده و نیاز به اقدامات فوری دارد.
افزایش حجم بتن به دلیل واکنشهای شیمیایی
واکنش خوردگی میلگرد با رطوبت و هوای آزاد، میتواند باعث ایجاد یک لایه زنگ زدگی آهن روی سطح آن شود. خوردگی میلگرد باعث ایجاد یک واکنش شیمیایی و افزایش حجم معادل 3 تا 6 برابر فولاد اولیه میشود. این افزایش حجم ناشی از واکنشهای شیمیایی است که باعث تورم موضعی در سطح بتن میگردد. معمولا با لمس کردن و یا مشاهده دقیق بتن، میتوان برآمدگیها و افزایش حجم را نیز مشاهده کرد.
زنگ زدگی و تغییر رنگ در نقاط خاص
خروج شیرابههای قهوهای، قرمز یا نارنجی رنگ از درون ترکهای بتن به بیرون، نشانه قطعی زنگ زدگی و خوردگی آرماتورهاست. این تغییر رنگ معمولا در نمای ساختمانها، زیر پلها و سازههای مجاور آب به وضوح دیده میشود. به محض مشاهده این علائم، حتما باید برای ترمیم و کنترل خوردگی بتن اقدام شود.
تقسیم بندی انواع خوردگی میلگرد و آرماتور
خوردگی آرماتور و میلگرد به دو صورت بیرونی و داخلی اتفاق میافتد. هر یک از این خوردگیها دارای علائم مشخصی هستند که در جدول زیر دقیقتر در مورد آنها صحبت کردهایم. علاوه بر آن، مکانیسم خوردگی میلگرد بیرونی و داخلی را در ادامه توضیح میدهیم.
| نوع خوردگی از نظر منشاء | علت خوردگی | مکانیسم خوردگی | علائم رایج | نحوه ترمیم و کنترل | میزان خطر |
| خوردگی بیرونی | رطوبت و اکسیژن | نفوذ آب و هوا به داخل بتن و ایجاد واکنش کاتدی | زنگزدگی عمومی سطح میلگرد، ترکخوردگیهای سطحی بتن | عایقکاری رطوبتی سطح بتن، ترمیم بخشهای آسیبدیده با ملات پایه سیمانی | متوسط تا بالا |
| غلظت کلر | نفوذ یون کلر و شکستن لایه پسیو میلگرد | خوردگی حفرهای پنهان، کاهش شدید قطر میلگرد، ترکهای موضعی | حفاظت کاتدی، استفاده از بازدارندههای خوردگی، خارج کردن بتن آلوده | بسیار بالا | |
| حمله سولفات ها | واکنش یون سولفات موجود در خاک/آب با خمیر سیمان و سپس میلگرد | تورم، ترکخوردگی موزاییکی و متلاشی شدن بافت بتن، زنگزدگی آرماتور | استفاده از سیمان ضد سولفات در ساخت، اعمال پوششهای محافظتی روی بتن | بالا | |
| کاهش محیط قلیایی و کربناتاسیون | نفوذ گازهوا و کاهش pH بتن به زیر ۹ | از بین رفتن یکپارچه لایه محافظ میلگرد، پوستهپوسته شدن سطح بتن | استفاده از پوششهای ضد کربناتاسیون، برداشتن کاور فرسوده و اجرای کاور جدید | بالا | |
| دما | افزایش دما که باعث تسریع واکنشهای الکتروشیمیایی میشود | تسریع روند ظاهر شدن ترکها و خروج شیرابه زنگ آهن در فصول و مناطق گرم | کنترل دمای بتنریزی، استفاده از رنگهای روشن بازتابنده در نمای سازه | متوسط | |
| درونی
|
مقاومت مشخصه و کیفیت مصالح پایین | استفاده از سیمان نامرغوب، آب شور یا تخلخل بالای بتن | تخریب و فرسایش زودهنگام، ضعف باربری سازه، نفوذپذیری بالا | استفاده از ژاکت بتنی و فلزی برای تقویت سازه، شاتکریت ترمیمی | بالا |
| ضخامت کم کاور بتن روی میلگرد | عدم استفاده صحیح از اسپیسرها و مجاورت میلگرد با سطح | نمایان شدن زودهنگام شبکه میلگردها، خطوط زنگزدگی ممتد روی سطح | اجرای لایههای ترمیمی پلیمری یا سیمانی برای افزایش ضخامت پوشش | بسیار بالا | |
| ترک خوردگی بتن | ترکهای ناشی از جمعشدگی (Shrinkage)، نشست سازه یا بارهای مازاد | ایجاد مسیر مستقیم برای ورود آب، خروج زنگاب از درون ترکها | درزگیری و تزریق رزین اپوکسی به داخل ترکها جهت آببندی | بالا | |
| عمل آوری و حمل نامناسب بتن | خشک شدن سریع بتن، جداشدگی دانهها حین حمل | پوک شدن و پودر شدن سطح بتن، ترکهای مویی شبکهای در سطح | استفاده از سیلرها و مواد نفوذگر برای متراکم کردن سطح | متوسط |
1. خوردگی میلگرد ناشی از عوامل بیرونی
خوردگی میلگرد ناشی از عوامل بیرونی تحت تاثیر شرایطی رخ میدهد که سازه در آن قرار دارد. قرارگیری در معرض رطوبت، افزایش دما، بالا رفتن غلظت کلر و حمله سولفاتها از اصلیترین دلایل خوردگی ناشی از عوامل بیرونی هستند. در بسیاری از مواقع دی اکسید کربن هوا با هیدروکسید کلسیم موجود در بتن واکنش داده و کربنات کلسیم میسازد. این کار pH بتن را از ۱۳ به حدود ۹ کاهش داده و لایه محافظ میلگرد را از بین میبرد که به مرور زمان خوردگی شدید میلگرد را به همراه خواهد داشت.
2. خوردگی میلگرد ناشی از عوامل درونی
خوردگی میلگرد ناشی از عوامل درونی مربوط به کیفیت مصالح و نحوه اجرای بتن ریزی است. به طور کلی، بتنهایی که مقاومت پایین و تخلخل بیشتری دارند، بیشتر در معرض خوردگی ناشی از میلگرد قرار میگیرند. پایین بودن کیفیت مصالح بتن، ترک خوردگی بتن و عمل آوری غیر اصولی، میلگرد در معرض عوامل درونی خورنده قرار میگیرد و دچار آسیب دیدگی میشود. برای جلوگیری از این نوع خوردگی آرماتور، میبایست حتما به کیفیت مصالح استفاده شده و عمل آوری صحیح آنها توجه ویژهای داشت.
تفاوت خوردگی شیاری و خوردگی حفرهای میلگرد
به غیر از منشاء خوردگی میلگرد، ظاهر خوردگیهای آرماتور و میلگرد نیز با یکدیگر متفاوتاند. به طور کلی، خوردگی شیاری و خوردگی حفرهای میلگرد، جزو انواع این آسیبها هستند که بسته به نوع حملات، ایجاد میشوند.
- خوردگی شیاری: این نوع خوردگی در فضاهای تنگ، شکافها و شیارهایی که دسترسی اکسیژن به آنها محدود است اتفاق میافتد. برای مثال در محل تلاقی دو میلگرد یا زیر آلودگیهای چسبیده به میلگرد، احتمال مشاهده خوردگی شیاری وجود دارد. به دلیل افت غلظت اکسیژن در این شیارها، محیط اسیدی شده و خوردگی با سرعت بالایی در آن ناحیه رخ میدهد.
- خوردگی حفرهای: خوردگی حفرهای یکی از مخربترین و پنهانترین انواع خوردگی میلگرد است که معمولا به دلیل حمله متمرکز یونهای کلر به یک نقطه خاص از لایه محافظ میلگرد ایجاد میشود. در این حالت، سطح کلی میلگرد ممکن است سالم به نظر برسد، اما سوراخها و حفرههای عمیقی در نقاط خاص ایجاد میشود که سطح مقطع موثر میلگرد را به شدت کاهش داده و باعث شکست ناگهانی سازه میگردد.
بنابراین، خوردگی حفرهای میلگرد اتفاقی شدیدتر و نیاز به ترمیم سریعتر است؛ اما خوردگی شیاری معمولا در اثر ایجاد یک ساختار فیزیکی خاص در محل کاشت میلگرد رخ میدهد و سرعت تشدید آن بسیار بالاست. در هر صورت، تشخیص هر یک از این خوردگیها نیازمند ترمیم و درمان به موقع است تا آسیب کمتری به کل سازه وارد شود.
خوردگی میلگرد و آرماتور و تاثیر آن روی مقاومت سازه بتن آرمه
خوردگی میلگرد و آرماتور، میتواند برای یک سازه بتن آرمه بسیار ویرانگر باشد. از آنجایی که زنگ زدگی میلگرد، باعث افزایش قطر موثر آن میشود، مقاومت کششی و برشی المان بتنی را به شدت تحت تاثیر قرار میدهد. از طرفی، این زنگ زدگی، درگیری و پیوند مکانیکی میان بتن و میلگرد را تحت تاثیر قرار میدهد و باعث ایجاد ساختار سست میلگرد در داخل بتن خواهد شد.
با پوسته پوسته شدن کاور بتنی در اثر انبساط زنگ آهن، ابعاد موثر مقطع بتنی نیز به مرور زمان کاهش مییابد و ظرفیت باربری فشاری ستونها و دیوارها نیز به خطر میافتد. کاهش سختی مقطع منجر به ایجاد خیز غیرمجاز در تیرها و دالهای بتنی میشود و همه این موارد، میتوانند منجر به کاهش مقاومت سازه در بتن آرمه گردند.
روشهای پیشگیری و کنترل خوردگی میلگرد و آرماتور در بتن
با توجه به اثر زیان بار خوردگی میلگرد در مقاومت سازه، میبایست تا حد ممکن از آن پیشگیری کرد. خوردگی میلگرد در بتن میتواند به علت نبود پوشش یا همان کاور نهایی روی میلگرد رخ دهد و در اکثر مواقع، قابل پیشگیری است. در ادامه به روشهای پیشگیری و کنترل خوردگی آرماتور و میلگرد در بتن اشاره میکنیم.
1. استفاده از مواد ضد خوردگی در بتن
افزودنیهای شیمیایی بتن، نقش بسیار مهمی در کنترل و پیشگیری از خوردگی میلگرد دارند. این مواد شیمیایی به صورت افزودنی با آب به بتن اضافه میشوند و پس از اینکه میلگرد درون بتن کاشته میشود، یک فیلم محافظ روی میلگرد ایجاد میگردد. در نهایت این موضوع باعث به تاخیر انداختن واکنشهای کاتدی و آندی شده و از خوردگی میلگرد در بتن جلوگیری میکند.
2. کاشت میلگرد با روکشهای اپوکسی
اپوکسی مادهای پلیمری است که روی میلگرد و آرماتور قرار میگیرد و مقاومت آن را در برابر خوردگی افزایش میدهد. در واقع اپوکسی سبز رنگ غیر سمی، با ایجاد یک لایه محافظ روی میلگرد، اجازه نفوذ یونها، رطوبت و واکنش دادن میلگرد با هوای آزاد را نمیدهد. از همین جهت، دیگر عوامل خورنده بیرونی و داخلی نمیتوانند تاثیر زیادی روی عملکرد میلگرد بگذارند و این موضوع دوام نهایی میلگرد را کاهش میدهد.
3. استفاده از روکش رنگ ضد زنگ برای میلگرد
خوردگی میلگرد در اثر تماس مستقیم با هوا، آب و مواد شیمیایی است. یک روکش رنگ ضد زنگ برای میلگردهای فلزی، میتواند یک لایه محافظتی ایجاد کند که باعث افزایش طول عمر مفید فولاد میشود. این رنگها دارای انواع مختلفی هستند و باید با غلظت مناسب روی آرماتور قرار بگیرند تا بتوانند کل سطح را پوشش دهند.
4. اجرای بتن با شرایط مناسب
طراحی مخلوط بتن با نفوذپذیری کم، بهترین راه برای پیشگیری از خوردگی میلگرد است. بدین منظور باید نسبت آب به سیمان کاهش پیدا کند. با استفاده از مواد افزودنی مانند میکروسیلیس، خاکستر بادی یا سرباره، ساختار منافذ بتن را متراکم میشود و نفوذپذیری برای آب و یون کلر کاهش پیدا خواهد کرد.
5. پوشش دهی زینک روی میلگرد در بتن
پوشش زینک ریچ، یکی از بهترین پوششها برای افزایش مقاومت میلگرد در بتن است. اگر بودجه کافی برای پوشش دهی آرماتور با اپوکسی وجود نداشته باشد، میتوان یک لایه زینک ریچ را روی سطح میلگرد اجرا کرد که باعث افزایش مقاومت میلگرد فولادی در محیطهای خورنده خواهد شد. این پوشش به ضربه و خراش حساسیت زیادی دارد، ولی میتواند با قیمت مناسب و اقتصادی برای بسیاری از پروژهها مناسب باشد.
6. عایقکاری و پوششهای سطحی بتن
از آنجایی که در بسیاری از مواقع منشاء خوردگی میلگرد از بخشهای بیرونی است، میتوان با عایق کاری و پوشش سطحی بتن از ورود رطوبت و اکسیژن به درون شبکه بتنی جلوگیری کرد. در این حالت، رنگهای ضد آب، رزینها و پوششهای پلیمری روی سطح خارجی بتن قرار میگیرند و یک پوشش مقاوم را به وجود میآورند.
کلام پایانی
خوردگی میلگرد در بتن یک اتفاق غیر قابل مشاهده، اما بسیار مخرب است که میتواند عمر مفید سازههای گران قیمت را کاهش دهد. شناخت مکانیزمهای شیمیایی این پدیده و توجه به علائم ظاهری مانند ترک خوردگی بتن و پوسته پوسته شدن آن، اهمیت زیادی برای تشخیص به موقع و رفع آن دارد. پیشگیری از خوردگی آرماتور با اجرای صحیح کاور، پوشش دهی خود میلگرد و افزودنیهای ضد خوردگی بتن، همگی میتوانند از آسیب جدی به سازه جلوگیری کنند.