خوردگی میلگرد یا آرماتور در بتن یکی از چالشهای اصلی در طول عمر سازههای بتن آرمه است که میتواند مقاومت، دوام و ایمنی سازه را تحت تأثیر قرار دهد. این پدیده عمدتاً ناشی از واکنشهای الکتروشیمیایی فولاد در حضور آب، اکسیژن و یونهای مهاجم مانند کلرید است. شناخت مکانیزم این نوع خوردگی، عوامل مؤثر، روشهای تشخیص و راهکارهای پیشگیری، نقش مهمی در طراحی، اجرا و نگهداری سازهها دارد.
خوردگی میلگرد یا آرماتور در بتن چیست؟
خوردگی به فرایند اکسید شدن یک ماده در تماس با هوا، معمولاً هوای مرطوب، گفته میشود. بهبیان دیگر، میتوان خوردگی را واکنش یک ماده با اکسیژن در حضور آب دانست. بهطور کلی، خوردگی فولاد پدیدهای بسیار پیچیده است که عوامل متعددی بر آن اثر میگذارند. با این حال، میتوان گفت مهمترین مؤلفههای مؤثر بر خوردگی، ترکیب شیمیایی فولاد و شرایط محیطی اطراف فلز هستند.
زنگزدگی میلگرد در بتن نیز اغلب حاصل یک واکنش الکتروشیمیایی است. در این فرآیند، نواحی کوچکی بهعنوان آند (الکترود مثبت) و کاتد (الکترود منفی) روی سطح میلگرد فولادی شکل میگیرند. جابهجایی یونها میان این الکترودها باعث ایجاد زنگزدگی شده و در نهایت، به تضعیف و تخریب میلگرد منجر میشود.
مکانیزم شیمیایی خوردگی آرماتور در بتن مسلح
همانطور که پیشتر اشاره شد، خوردگی در فولاد، پدیدهای الکتروشیمیایی است که در نتیجه شکلگیری پیلهای آندی و کاتدی رخ میدهد. میلگرد فولادی در بتن از نظر فیزیکی و شیمیایی تا حدی محافظت میشود؛ اما هنگامی که میلگرد در معرض شرایط شیمیایی مهاجم مانند کربناتهشدن یا حضور یونهای کلرید قرار میگیرد، pH محیط کاهش یافته و زمینه تشکیل پیل الکتروشیمیایی فراهم میشود.
زمانی که به خاطر خوردگی آرماتور مدفون در بتن، اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد شود، یک پیل الکتروشیمیایی همراه با نواحی آندی و کاتدی شکل میگیرد که از طریق یک الکترولیت به یکدیگر متصل هستند. در این حالت، آب نفوذکرده به خمیر سیمان، نقش الکترولیت را ایفا میکند. در ناحیه آند، یونهای آهن با بار مثبت (++Fe) وارد محلول میشوند و الکترونهای آزاد با بار منفی در امتداد میلگرد حرکت کرده و به سمت کاتد میروند.
سپس این الکترونها وارد الکترولیت شده و با آب و اکسیژن واکنش داده و یونهای هیدروکسید (OH⁻) را تشکیل میدهند. این یونها درون الکترولیت حرکت کرده و با یونهای آهن ترکیب میشوند و هیدروکسید آهن را به وجود میآورند که در ادامه و طی فرآیند اکسیداسیون، به زنگ آهن تبدیل میشود.
دسته بندی انواع خوردگی میلگرد و آرماتور
انواع خوردگی را میتوان به دو دسته زیر تقسیم کرد که عبارتاند از خوردگی شیاری و خوردگی حفرهای. هر یک از این نوع خوردگیها دارای شرایط مختص به خود هستند.
|
نوع خوردگی |
تعریف | شرایط |
| خوردگی شیاری (Crevice Corrosion) | خوردگی شیاری نوعی از خوردگی است که در شیارها و سایر نواحی فلزی در تماس با مایعات خورنده رخ میدهد و از رایجترین شکلهای تخریب ناشی از خوردگی بهشمار میآید. برخی محلولها ممکن است در شیارهای ریز موجود در سازههای بتنی بدون حرکت باقی بمانند. در محلولهای راکد، میزان حلالیت اکسیژن بسیار کم است؛ بنابراین مایعی که درون شیار محبوس شده، از تماس با هوا دور مانده و بهتدریج دچار کمبود اکسیژن میشود. |
کاهش اکسیژن در این ناحیه، شرایط تشکیل یک ناحیه آندی روی سطح فلز را برای خوردگی میلگرد فراهم میکند. در مقابل، سطح فلزی که با رطوبت محبوس در تماس است اما به هوا دسترسی دارد، نقش کاتد را ایفا میکند. شکلگیری این آند و کاتد در کنار یکدیگر، منجر به آغاز واکنش خوردگی میشود. مؤثرترین روش برای جلوگیری از خوردگی شیاری، دور نگه داشتن آب از محل اتصالها و فضاهای تنگ است. |
|
خوردگی حفرهای (Pitting Corrosion) |
خوردگی حفرهای نوعی خوردگی موضعی است که در اثر آن، سوراخها یا حفرههایی روی سطح میلگرد ایجاد میشود. علت اصلی این پدیده، نرسیدن اکسیژن به بخش کوچکی از سطح فلز است. در چنین شرایطی، ناحیهای که با کمبود اکسیژن مواجه است، بهعنوان آند عمل میکند و بخشهایی که اکسیژن بیشتری دریافت میکنند، نقش کاتد را بر عهده دارند. |
ایجاد حفره نسبت به خوردگی یکنواخت خطرناکتر است؛ زیرا شناسایی آن و طراحی راهکار مناسب برای پیشگیری از آن دشوارتر است. حتی یک حفره کوچک و باریک، با وجود از بین رفتن مقدار اندکی از جرم فلز، میتواند موجب از کار افتادن یک سیستم مهندسی بزرگ و کامل شود. |
خوردگی میلگرد و تکنیک های اندازه گیری آن
روشهای شناسایی خوردگی در بتن بهطور کلی به دو دسته مخرب و غیرمخرب تقسیم میشوند. روشهای غیرمخرب مانند آزمونهای الکتروشیمیایی، اندازهگیری مقاومت الکتریکی و روش اولتراسونیک، این امکان را فراهم میکنند که وضعیت میلگرد بدون وارد شدن آسیب به سازه بررسی شود. همچنین مشاهده ظاهری سطح بتن و بررسی ترکها یا تغییر رنگ آن، روشی ساده اما کاربردی برای تشخیص اولیه خوردگی بهشمار میآید.
در روشهای مخرب، با نمونهبرداری از بتن و انجام آزمایشهای شیمیایی روی میلگرد، میتوان اطلاعات دقیقتری از میزان و شدت خوردگی به دست آورد. استفاده همزمان از چند روش تشخیصی، دقیقترین نتایج را برای پایش وضعیت سازه و برنامهریزی اقدامات تعمیراتی فراهم میکند. آشنایی درست با این روشها و بهکارگیری مناسب آنها در مقابل خوردگی آرماتور، نقش مهمی در جلوگیری از آسیبهای جدی و افزایش عمر مفید سازه دارد.
حفاظت از آرماتور در بتن در برابر خوردگی: معرفی آیین نامه ACI 222R‑19
پیشگیری از خوردگی، مجموعهای از اقدامات در حوزه طراحی، انتخاب مصالح و نگهداری را در بر میگیرد. استفاده از بتن باکیفیت مناسب و نسبت آب به سیمان کنترلشده، نخستین گام برای کاهش نفوذپذیری بتن محسوب میشود. بهکارگیری افزودنیهای ضدخوردگی و اعمال پوششهای محافظ روی میلگرد نیز میتواند به افزایش عمر مفید سازه کمک کند.
کنترل شرایط رطوبتی محیط و جلوگیری از تماس مستقیم میلگرد با یونهای مهاجم مانند کلرید، از دیگر راهکارهای مؤثر در کاهش خوردگی است. همچنین طراحی صحیح ضخامت پوشش بتن روی میلگرد و اجرای دقیق آن مطابق با استانداردهای فنی، نقش مهمی در کاهش سرعت پیشرفت خوردگی دارد. انجام بازرسیهای دورهای و ترمیم بهموقع ترکها و نواحی آسیبدیده، مانع از گسترش خوردگی شده و ایمنی و دوام سازه را تضمین میکند.
آییننامه ACI 222R‑19 به عواملی میپردازد که بر خوردگی فولاد تقویتی (میلگرد) در بتن تأثیر میگذارند. همچنین اقدامات لازم برای حفاظت از میلگردهای جاسازیشده در سازههای جدید، روشهای شناسایی خوردگی در سازههای در حال بهرهبرداری و روشهای ترمیم و اصلاح را مورد بررسی قرار میدهد. توجه به این عوامل و بهکارگیری اقدامات، روشها و فرآیندهای مطرحشده، میتواند به کاهش وقوع خوردگی کمک کند.
پارامترهای تاثیرگذار بر خوردگی آرماتور در بتن
یکی از اساسیترین عواملی که در طراحی سازه باید مورد توجه قرار گیرد، ضخامت پوشش بتن روی میلگرد است. در صورتی که این ضخامت کمتر از مقدار تعیینشده در استانداردها باشد، عوامل خورندهای مانند کلریدها، اکسیژن و رطوبت در زمان کوتاهتری به سطح خوردگی میلگرد نفوذ میکنند. این مسئله بهویژه در محیطهایی که سازه در معرض آبهای سطحی، پاشش آب شور یا آلودگیهای صنعتی قرار دارد، اهمیت و خطر بیشتری پیدا میکند.
آییننامهها و استانداردهای ساختمانی برای شرایط محیطی مختلف، حداقل ضخامت مجاز پوشش بتن را مشخص کردهاند و بیتوجهی به این الزامات یا اجرای نادرست آنها میتواند دوام سازه را بهشدت کاهش دهد. همچنین در اجرای اجزایی مانند ستونها، تیرها و فونداسیونها، استفاده صحیح از اسپیسرها برای حفظ فاصله یکنواخت میان قالب و آرماتور نقش بسیار مهمی دارد.
استفاده از میلگرد زنگزده یا آلوده در زمان اجرا
میلگردها پیش از مصرف باید از نظر کیفیت، وضعیت سطح و نبود زنگزدگی یا آلودگی بررسی شوند. انبارکردن نامناسب آرماتور در فضای باز، تماس با باران، مجاورت با خاک یا مواد شیمیایی میتواند موجب تشکیل لایهای از زنگ روی سطح آن شود. اگر این زنگزدگی پیش از اجرا برطرف نشود، پس از بتن ریزی بهجای ایجاد محیط محافظ، فرآیند خوردگی از همان ابتدا آغاز خواهد شد.
علاوه بر این، آلودگیهایی نظیر روغن، گل، شن، سیمان خشکشده یا مواد شیمیایی، مانع ایجاد چسبندگی مناسب بین بتن و میلگرد میشوند و شرایط را برای ایجاد حفرههای ریز، نفوذ آب و شروع خوردگی فراهم میکنند. به همین دلیل، تمیزکاری و کنترل سطح آرماتور پیش از بتن ریزی، یکی از مراحل ضروری و غیرقابلحذف در عملیات اجرایی است.
نسبت بالای آب به سیمان (w/c) در طرح اختلاط بتن
یکی از معیارهای تعیینکننده کیفیت بتن، نسبت آب به سیمان آن است. افزایش بیش از حد آب در ترکیب بتن باعث بالا رفتن تخلخل و کاهش مقاومت بتن در برابر نفوذ آب، یونهای مهاجم و گازهای خورنده میشود. هرچه میزان آب مصرفی بیشتر باشد، فضای بیشتری برای ایجاد حفرههای ریز و ترکهای میکروسکوپی روی خوردگی آرماتور به وجود میآید.
بتنی که نسبت آب به سیمان بالایی دارد، حتی اگر از نظر ظاهری مناسب به نظر برسد، در برابر شرایط محیطی عملکرد ضعیفی خواهد داشت و احتمال خوردگی را در کوتاهمدت و بلندمدت افزایش میدهد. برای پیشگیری از این مشکل، کنترل دقیق طرح اختلاط، استفاده از افزودنیهای روانکننده و مدیریت رطوبت مصالح ضروری است.
ایجاد ترکهای زودرس در بتن
ترکهای سطحی و ریز ممکن است در روزهای ابتدایی پس از بتن ریزی ایجاد شوند که دلایلی مانند تبخیر سریع آب، عملآوری نامناسب یا انقباض بتن در زمان گیرش دارند. این ترکها، هرچند در ظاهر کوچک و کماهمیت به نظر میرسند، اما در عمل میتوانند مسیرهای مستقیمی برای نفوذ رطوبت، یونهای کلرید و اکسیژن به داخل بتن و تا سطح میلگرد ایجاد کنند.
با باقیماندن و گسترش تدریجی این ترکها، فرآیند خوردگی با سرعت بیشتری آغاز و تشدید میشود. بهکارگیری روشهای صحیح عملآوری، حفظ رطوبت بتن در سنین اولیه، استفاده از الیاف یا مواد کاهنده ترک و طراحی مناسب ابعاد مقاطع، میتواند تا حد زیادی از ایجاد این ترکها و پیامدهای منفی آنها جلوگیری کند.
پیامدهای خوردگی میلگرد در سازه های بتن آرمه
خوردگی باعث کمشدن سطح مقطع مؤثر فولاد میشود و این کاهش مستقیماً مقاومت کششی آن را تحتتأثیر قرار میدهد. از آنجا که میلگرد در بتن برای تحمل نیروهای کششی بهکار میرود، کاهش سطح آن به معنای افت محسوس کارایی عضو بتنی است.
این مسئله در تیرها، دالها و ستونها میتواند به افزایش خیز، بروز ترکهای زودرس و حتی شکست نهایی منجر شود. در سازههای حساس مانند پلها، تونلها و ساختمانهای بلندمرتبه، چنین افتی در ظرفیت باربری میتواند تهدیدی جدی برای ایمنی عمومی باشد.
افزایش ترکخوردگی و ورقهشدن بتن اطراف آرماتور
محصولات حاصل از خوردگی میلگرد حجم بسیار بیشتری نسبت به فولاد اولیه دارند. این افزایش حجم در فضای محدود بتن، فشار داخلی ایجاد میکند که نتیجه آن بروز ترک در بتن است. این ترکها در ابتدا محدود و موضعی هستند، اما بهتدریج توسعه یافته و حتی باعث جداشدن لایههایی از بتن (ورقهشدن) میشوند. چنین آسیبهایی علاوه بر کاهش انسجام سازه، مسیر نفوذ رطوبت و هوا را هموار کرده و خود به تسریع فرآیند خوردگی منجر میشوند.
کاهش پیوستگی بین فولاد و بتن
یکی از شرایط اساسی عملکرد مناسب بتن مسلح، وجود چسبندگی کافی میان آرماتور و بتن است. خوردگی با ایجاد محصولات زنگزده، این پیوستگی را تضعیف میکند. کاهش اصطکاک، تغییر زبری سطح میلگرد و تخریب بتن اطراف آن، موجب افت مقاومت لغزشی و جداشدن آرماتور از بتن میشود. در چنین وضعیتی، میلگرد دیگر قادر به انتقال صحیح نیرو نیست و عضو بتنی کارایی سازهای خود را از دست میدهد.
تغییر رفتار دینامیکی و سازهای در طول زمان
خوردگی یک پدیده آنی نیست، بلکه فرایندی تدریجی و پیوسته بهشمار میرود. به همین دلیل، سازه در طول زمان رفتاری متفاوت از آنچه در طراحی اولیه پیشبینی شده، از خود نشان میدهد. کاهش سختی، افزایش خیز، افت فرکانس طبیعی نوسان و تغییر پاسخ سازه به بارهای دینامیکی مانند زلزله، از پیامدهای این فرآیند است. این موضوع در پایش سلامت سازه و تحلیل عملکرد آن در دوره بهرهبرداری اهمیت ویژهای دارد.
افزایش نفوذپذیری بتن و تسریع چرخه تخریب
ترکهای ایجادشده بر اثر خوردگی و تخریب سطح بتن، مسیرهای تازهای برای نفوذ آب، اکسیژن و یونهای خورنده به داخل بتن فراهم میکنند. این افزایش نفوذپذیری، شرایط را برای تشدید خوردگی مهیا کرده و یک چرخه تخریبی خودتقویتشونده به وجود میآورد. در گذر زمان، نهتنها میلگرد آسیب میبیند، بلکه به خاطر خوردگی آرماتور کیفیت بتن نیز افت کرده و کل اجزای سازهای در معرض خطر قرار میگیرند.
کاهش دوام و عمر مفید سازه
خوردگی سبب میشود سازهها بسیار زودتر از عمر پیشبینیشده دچار افت عملکرد شوند. سازهای که با فرض عمر مفید ۵۰ سال طراحی شده، ممکن است به دلیل خوردگی شدید، در حدود ۲۰ سال نیازمند بازسازی اساسی یا حتی تخریب کامل شود. این کاهش دوام، بهویژه در زیرساختهای حیاتی مانند پلها، سدها و ایستگاههای حملونقل عمومی، ریسک قابلتوجهی ایجاد میکند.
افزایش هزینههای نگهداری، ترمیم و مقاوم سازی
پیامدهای خوردگی در نهایت به افزایش چشمگیر هزینههای بهرهبرداری سازه منجر میشود. انجام بازرسیهای مداوم، استفاده از روش های مقاوم سازی نظیر ژاکت بتنی یا FRP، و حتی تخریب و بازسازی بخشهایی از سازه، فشار مالی زیادی بر پروژه تحمیل میکند. در پروژههای بزرگ، این هزینهها گاه از هزینه اولیه ساخت نیز فراتر میروند.
روش های و تکنیک های جلوگیری از خوردگی آرماتور
یکی از متداولترین و کارآمدترین راهکارها برای محافظت از آرماتور در برابر خوردگی، بهکارگیری پوشش اپوکسی است. در این شیوه، لایهای نازک از رزین اپوکسی بهطور یکنواخت روی سطح میلگرد قرار میگیرد. این لایه نقش یک مانع فیزیکی را ایفا کرده و مانع تماس مستقیم فولاد با رطوبت، اکسیژن و یونهای خورندهای مانند کلرید میشود.
میلگردهای دارای پوشش اپوکسی از مقاومت نفوذپذیری بالایی برخوردارند و استفاده از آنها در پروژههای شهری، ساختمانهای مسکونی و زیرساختهایی با سطح رطوبت متوسط، از نظر اقتصادی کاملاً بهصرفه است. باوجوداین، باید در نظر داشت که در صورت ایجاد خراش یا آسیب به پوشش اپوکسی هنگام حملونقل یا اجرا، این نقاط میتوانند به محل شروع خوردگی تبدیل شوند.
پوشش گالوانیزه
پوشش گالوانیزه با ایجاد لایهای محافظ از فلز روی (Zn) روی سطح میلگرد، از طریق واکنشهای الکتروشیمیایی مانع خوردگی آرماتور و فولاد زیرین میشود. در این فرآیند، میلگرد داخل وان حاوی روی مذاب قرار داده میشود و پس از آن، پوششی یکنواخت و مقاوم بر سطح آن شکل میگیرد. این نوع میلگرد برای سازههایی که بهطور مداوم در معرض رطوبت، مه نمکی یا مواد شیمیایی قرار دارند، مانند مناطق ساحلی و اسکلهها، انتخابی بسیار مناسب است.
فولاد ضدزنگ نیز به دلیل داشتن عناصر آلیاژی نظیر کروم، نیکل و مولیبدن، بهصورت ذاتی مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد. این نوع میلگرد در پروژههایی با طول عمر طراحی بالا یا شرایط محیطی سخت مانند تصفیهخانهها، نیروگاهها و تونلهای مترو کاربرد دارد. هرچند هزینه آن نسبت به سایر انواع آرماتور بیشتر است، اما دوام و عمر مفید بسیار بالاتری ارائه میدهد.
افزایش ضخامت بتن برای جلوگیری از خوردگی میلگرد
پوشش مناسب بتن، همچون یک سد طبیعی، از رسیدن عوامل خورنده به سطح آرماتور جلوگیری میکند. میزان این ضخامت باید با توجه به شرایط محیطی، نوع سازه و میزان تماس با رطوبت تعیین شود. در مناطق خشک، ضخامت ۲۵ تا ۳۰ میلیمتر کفایت میکند، اما در نواحی مرطوب یا برای اجزایی که با زمین یا آب در تماس هستند، افزایش آن تا ۵۰ میلیمتر نیز توصیه میشود. استفاده از اسپیسرهای استاندارد در زمان نصب میلگرد، برای حفظ این فاصله نقش بسیار مهمی دارد.
سخن آخر
خوردگی تأثیر مستقیمی بر دوام و عملکرد سازههای بتن آرمه دارد و میتواند باعث کاهش مقاومت، ترکخوردگی و افزایش هزینههای نگهداری شود. پیشگیری مؤثر شامل انتخاب مصالح باکیفیت، رعایت ضخامت پوشش بتن، استفاده از پوششهای حفاظتی و کنترل محیط است. پایش دورهای و ترمیم بهموقع ترکها و نواحی آسیبدیده، نقشی کلیدی در جلوگیری از گسترش خوردگی دارد. رعایت این روشهای مقابله با خوردگی آرماتور، ایمنی سازه را تضمین کرده و طول عمر مفید آن را افزایش میدهد.
