اگرچه آرماتور فولادی یا میلگرد در بتن تعبیه گشته، اما همچنان در برابر خوردگی آسیب پذیرند. این خوردگی بتن سبب آسیب میلگردها خواهد شد. درنتیجه ظرفیت باربری کلی سازه کم شده و احتمال شکست، خرابی یا ریزش سازه بالا می رود.
درباره ی تاریخچه بتن مسلح چه می دانید؟
در حالی که بتن ساده از زمان روم باستان به عنوان مصالح ساختمانی به کار گرفته شده است، مفهوم استفاده از آرماتور تا پایان دهه ی 1850 معرفی نشد، تا هنگامی که صنعتگر فرانسوی، فرانسوا کنیه، استفاده از میلگردهای تقویت کننده آهن را به جهان معرفی نمود. بعد از آن، در دهه ی 1880، مهندس عمران آلمانی، G. A. Wayss پیشنهاد داد که میله‌های آهنی به نفع آرماتورهای فولادی جایگزین گردند.
بتن مسلح از جمله پرکاربردترین مصالح در ساخت و سازهای نوین به شمار می رود. اساساً بتنی بوده که میله ها یا شبکه های فولادی در آن به شیوه‌ای تعبیه شده تا به عنوان یک ماده عمل نمایند. بتن ساده، در حالی که از نظر فشاری قوی می باشد، از نظر کشش نسبتاً ضعیف بوده و آن را برای بسیاری از سازه های ساختمانی نامناسب و غیراقتصادی نموده است. آرماتورهای فولادی این ضعف را با متصل نمودن به بتن جبران می‌نماید و در کنار هم قرار گرفتن این دو ماده سبب می‌شود تا در برابر تنش‌های کششی اعمال شده مقاومت نمایند. همچنین می‌توان از آرماتورهای فولادی به جهت بالا بردن توانایی مقاومت بتن در برابر نیروهای برشی و فشاری استفاده نمود.
چرا بتن آرمه یا مسلح خورده می شود؟
امکان دارد بتن مانند یک ماده جامد به نظر برسد، اما به صورت طبیعی متخلخل می باشد. این ویژگی، بتن را مستعد نفوذ مواد ناخواسته گوناگون در درون بتن می‌کند که امکان دارد خوردگی میلگرد تعبیه شده را سرعت بخشد. علاوه بر این، با خشک شدن بتن تازه، حجم آن تغییر کرده و سبب ایجاد چندین ترک ریز خواهد شد که این ترک‌ها می‌توانند به عنوان منفذ دیگری به جهت عوامل ایجاد کننده خوردگی عمل نماید. یکی از شایع ترین علل خراب شدن آرماتورها، خوردگی ناشی از حضور یون‌های کلرید می باشد. به طور معمول، این آلاینده‌ها از نمک‌های یخ زدا، آب دریا یا مواد افزودنی که متشکل از کلرید است، وارد بتن می گردد.
یون‌های کلرید به کمک منافذ یا ترک‌های بتن نفوذ می نماید تا زمانی که به آرماتور فولادی برسند. در حضور اکسیژن و رطوبت، این یون‌ها واکنش‌های خوردگی را آغاز خواهند کرد؛ در حالی که مکانیسمی که به وسیله ی آن کلریدها خوردگی میلگرد را سرعت می بخشند، به صورت کامل شناخته نشده و اعتقاد بر این است که یون‌های کلرید در لایه‌های اکسید محافظ راحت‌تر از دیگر یون‌ها نفوذ نموده و آن ها را حل می‌نمایند. در صورت کم شدن pH بتن، امکان دارد خوردگی در بتن مسلح نیز رخ می دهد.
به طور معمول،PH طبیعی بالای بتن میان 12 تا 13 می باشد، محیطی را ایجاد می نماید که سبب تشکیل و رشد لایه‌های اکسید محافظ می گردد که از تجزیه یون‌های فلزی جلوگیری خواهد کرد. کم شدن مقدار pH بتن به 5/8 می‌تواند سبب ناپایدار شدن لایه پسیو (غیرفعال/منفعل) گردد و آرماتور را در برابر حمله خوردگی آسیب‌پذیر نماید.
از جمله رایج ترین عللی که سبب کم شدن pH بتن می گردد، نفوذ دیاکسیدکربن می باشد. این فرآیند که به عنوان کربناته شدن شناخته می گردد، هنگامی اتفاق می‌افتد که دیاکسیدکربن موجود در جو با هیدروکسیدها یا هیدروکسید کلسیم، در بتن واکنش داده و کربنات‌های کاهش دهنده ی PH بتن را تشکیل خواهند داد.
کربناته شدن نیز سبب کاهش مقاومت بتن در برابر یون‌های کلرید می شود. در بتن تازه، مقدار یون کلرید مورد نیاز به جهت شروع خوردگی به طور معمول میان 7000 تا 8000 بخش در میلیون (ppm) می باشد. با این حال، اگر PH میان 10 و 11 کم شده، آستانه یون کلرید می تواند به 100 ppm یا کمتر کم شود.
چگونه بتن آرمه یا مسلح خورده می شود؟
زمانی که لایه اکسید اطراف میلگردهای تقویت کننده به علت حمله کلرید، کربناته شدن یا دیگر موارد تجزیه می شود، قسمت هایی از فولاد واکنش‌پذیر می گردند و یک سلول یا پیل خوردگی را تشکیل خواهند داد.
مکان‌های فعال بر روی میلگرد به آند تبدیل می‌شوند و الکترون‌های بتن اطراف را به شکل یون‌های آهن از دست خواهند داد. معادله ی شیمیایی این واکنش اکسیداسیون نیمه سلولی به شکل زیر است:
2Fe → 2Fe2+ + 4e-
در صورتی که واکنش های کم شدن نیمه سلولی مخالف در جاهای کمتر واکنش‌پذیر (کاتد) به شکل زیر نشان داده می شوند:
2H2O + O2 + 4e- → 4OH-
یون‌های Fe2+ و OH-ترکیب می‌شوند و محصولات خوردگی از هیدروکسیدهای جامد آهن (II)یا زنگزدگی متشکل اند:
2Fe2+ + 4OH- → 2Fe(OH)
با خوردگی و زنگزدگی فولاد، فلز حل شده و در نتیجه سطح مقطع آرماتور و استحکام کلی کم خواهد شد. مواد حاصل از خوردگی و زنگزدگی که در اطراف میلگرد متشکل اند، حجم بیشتری نسبت به فولاد اشغال می نمایند. این انبساط حجمی سبب ایجاد تنش کششی در اطراف بتن می گردد که همین امر می‌تواند سبب ایجاد ترک بتن در مجاورت میله خورده شده، گردد. ادامه انبساط در آخر می‌تواند سبب بیرون راندن تکه های بتن از سازه در نوعی تخریب با عنوان ریزش و پوسته پوسته شدن، گردد.
روش‌های بهبود مقاومت در برابر خوردگی بتن مسلح:
روش های گوناگونی به جهت افزایش مقاومت در برابر خوردگی سازه‌های بتن مسلح وجود دارد. به طور معمول، اولین روش محافظت و جلوگیری از خوردگی بتن شامل اصلاح خواص مخلوط بتن می باشد. بتن متراکم با تخلخل و نفوذپذیری کم، توانایی نفوذ آلاینده‌ها را تا سطح آرماتور فولادی کم می شود.
مخلوط‌های بتن با نفوذپذیری کم معمولاً به کمک پوزولان‌ها و سرباره مانند خاکستر بادی، به دست خواهد آمد. زمانی که این ترکیبات به بتن افزوده شود، نسبت آب به مواد سیمانی را کم کرده و ترکیبات اضافی تولید می شوند که تعامل منافذ بتن را کم کرده که این امر از نفوذ سولفات و کلرید به درون بتن جلوگیری می نماید. برخی از مواد پوزولان و سرباره به جهت کاهش ترک‌های انقباضی شناخته شده تا به عنوان منفذی برای آلاینده‌های ایجادکننده خوردگی و زنگزدگی عمل نمایند.
شیوه ی دیگر محافظت بتن در برابر حمله خوردگی آرماتورها در بتن مسلح، اطمینان از تامین پوشش بتنی کافی می باشد. پوششی که فاصله ی آرماتور فولادی تا لبه بیرونی بتن را می پوشاند، به طور معمول در شرایط عادی بسته به اندازه ی میلگرد، 3/4 اینچ تا 1/2 اینچ (19 تا 38 میلی‌متر) می باشد. با این وجود، در محیط های بسیار خورنده، همانند نزدیک آب دریا، پوشش می تواند به اندازه ی 3 اینچ (76 میلی‌متر) باشد.
هر چه این پوشش بزرگتر باشد، آرماتور عمیق‌تر در بتن تعبیه می گردد و در نتیجه سطح حفاظت بهتری ایجاد خواهد شد. بالا رفتن پوشش آرماتور به طور معمول با استفاده از بتن با نفوذپذیری کم، تکمیل می گردد. روش دیگر به جهت افزایش مقاومت در برابر خوردگی بتن مسلح این است که خود میلگردهای تقویت کننده موجود در بتن مسلح در برابر حمله خوردگی مقاوم هستند.
این روش شامل استفاده از پوشش‌های محافظ، گالوانیزه یا انتخاب میلگردهای تقویتی ویژه با مقاومت بهبود یافته در مقابل خوردگی نسبت به میلگردهای فولاد کربن معمولی می باشد. زمان انتخاب مواد 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 نمود. دیگر اقداماتی که به طور معمول به جهت کاهش خوردگی استفاده می گردد شامل استفاده از افزودنی‌های بازدارنده و درزگیرهای سطح بتن می باشد.
نتیجه گیری:
در حالی که بتن مسلح یک مصالح ساختمانی همه کاره، بادوام و تطبیق‌پذیر می باشد، اما میله‌های تقویت‌کننده فولادی آن در مقابل حمله خوردگی آسیب‌پذیر می باشند. فرسودگی پیشرفته می تواند سبب کاهش استحکام، پوسته پوسته شدن و در موارد حاد باعث شکست ساختاری گردد. به طور معمول، این خوردگی با نفوذ یون کلرید یا کم شدن pH به علت کربناته شدن آغاز می گردد. با این حال، اقدامات متعددی از جمله استفاده از بتن با نفوذپذیری کم، ارائه ی پوشش کافی و استفاده از آرماتورهای مقاوم در برابر خوردگی سبب بهبود عملکرد سازه‌های بتن مسلح در محیط‌های تهاجمی و چالش‌برانگیز کمک نماید.
پوشش های سطحی نفوذگر:
حفاظت از بتن برای طول عمر سازه‌های بتنی و بازگرداندن سطوح آسیب دیده به شکل اولیه و عملکرد طراحی بسیار مهم می باشد. سیستم پوشش‌های سطحی نفوذگر حفاظت و دوام طولانی مدت سازه‌ها را ارائه می نماید و از آن ها به جهت سال‌های آینده محافظت خواهد کرد. سیستم پوشش های سطحی نفوذگر شامل الاستومری و ضد‌کربنات ساخت بالا، طیف وسیعی از مواد دافع آب با کارایی بالا و پوشش‌های مقاوم در برابر مواد شیمیایی بوده که با شرایط آب و هوایی چالش برانگیز، آلاینده‌های محیطی و عناصر خورنده مقابله می نماید. این مجموعه شامل طیف ویژه‌ای از بازدارنده‌های خوردگی همانند آندهای گالوانیکی و بازدارنده‌های خوردگی اعمال شده در سطح می باشد که به جهت نفوذ در بتن و کنترل خوردگی مستقیماً در آرماتور فولادی فرموله شده‌اند.