خوردگی فولاد در بتن

خوردگی فولاد در بتن و سایر فلزات تعبیه شده عامل اصلی زوال بتن است. در هنگام خوردن فولاد ، زنگار حاصل شده حجم بیشتری از فولاد را اشغال می کند. این انبساط تنش های کششی را در بتن ایجاد می کند که در نهایت می تواند باعث ترک خوردگی ، لایه لایه شدن و پاشش شود. فولاد دچار خوردگی می شود زیرا این ماده طبیعی نیست. در عوض ، سنگ آهن برای تولید فولاد ذوب و پالایش می شود. مراحل تولید که سنگ آهن را به فولاد تبدیل می کند ، انرژی لازم را به این فلز می بخشد.

فولاد ، مانند اکثر فلزات به جز طلا و پلاتین ، در شرایط عادی جوی از نظر ترمودینامیکی ناپایدار است و انرژی را آزاد می کند و به حالت طبیعی خود باز می گردد – اکسید آهن یا زنگ زدگی. این فرایند خوردگی نامیده می شود.

برای وقوع خوردگی ، این موارد باید حضور داشته باشند:

• حداقل باید دو فلز (یا دو مکان در یک فلز واحد) در سطح انرژی مختلف داشته باشید.
• یک الکترولیت
• یک اتصال فلزی

در بتن مسلح ، میلگرد ممکن است دارای مناطق جداگانه زیادی در سطوح مختلف انرژی باشد. بتن به عنوان الکترولیت عمل می کند و اتصال فلزی توسط اتصالات سیم ، پایه های صندلی یا خود میلگرد فراهم می شود.

خوردگی یک فرایند الکتروشیمیایی است که شامل جریان بارها (الکترون ها و یون ها) می شود. در مکانهای فعال در نوار که آند نامیده می شوند ، اتمهای آهن الکترونها را از دست می دهند و به عنوان یونهای آهنی به داخل بتن اطراف حرکت می کنند. این فرآیند به عنوان یک واکنش اکسیداسیون نیمه سلولی یا همان واکنش آندی نامیده می شود و به شرح زیر است:

^–۲Fe → ۲Fe²⁺ + 4e

الکترونها در نوار باقی مانده و به مکانهایی به نام کاتد می روند که در آنجا با آب و اکسیژن موجود در بتن ترکیب می شوند. واکنش در کاتد یک واکنش کاهش نامیده می شود. یک واکنش کاهش معمولی است:

^–۲H₂O + O₂ + ۴e^– → ۴OH

برای حفظ خنثی بودن الکتریکی ، یون های آهن از طریق آب منافذ بتونی به این مکان های کاتدی که در آن ترکیب می شوند برای تشکیل هیدروکسید آهن یا زنگ زدگی مهاجرت می کنند:

(۲Fe²⁺ + ۴OH^– → ۲Fe(OH

این هیدروکسید رسوبی اولیه تمایل به واکنش بیشتر با اکسیژن برای تشکیل اکسیدهای بالاتر دارد. افزایش حجم به دلیل واکنش بیشتر محصولات واکنش دهنده با اکسیژن محلول باعث ایجاد فشار داخلی در بتن می شود که ممکن است برای ایجاد ترک خوردگی و پاشیدگی پوشش بتنی کافی باشد.

خوردگی فلزات تعبیه شده در بتن را می توان با قرار دادن بتن بدون ترک با نفوذپذیری کم و پوشش بتونی کافی تا حد زیادی کاهش داد. با کاهش آب نسبت به مواد سیمانی بتن و استفاده از پوزولان ها و سرباره می توان به بتن کم نفوذ پذیری دست یافت. پوزولان ها و سرباره مقاومت مقاومت در برابر بتن را افزایش می دهد و باعث کاهش سرعت خوردگی حتی پس از شروع کار می شود. ACI 318-11 ، الزامات کد ساختمان برای بتن سازه حداقل الزامات پوشش بتنی را فراهم می کند که به محافظت از فلزات تعبیه شده از مواد خورنده کمک می کند. اقدامات اضافی برای کاهش خوردگی آرماتورهای فلزی در بتن شامل استفاده از مواد افزودنی مهار کننده خوردگی ، پوشش آرماتور (به عنوان مثال با رزین اپوکسی) و استفاده از سیلرها و غشاهای سطح بتن می باشد. در صورت استفاده ، مهر و موم ها و غشاها مجدداً مجدداً استفاده می شوند.

بتن و لایه پسیو (منفعل)

گرچه تمایل طبیعی فولاد در معرض واکنشهای خوردگی است ، محیط قلیایی بتن (pH 12 تا ۱۳) از فولاد محافظت در برابر خوردگی را فراهم می کند و خوردگی فولاد در بتن اتفاق می افتد. در pH بالا ، یک لایه اکسید نازک روی فولاد شکل می گیرد و از حل شدن اتم های فلز جلوگیری می کند. این فیلم غیرفعال در واقع جلوی خوردگی را نمی گیرد. میزان خوردگی را تا حد ناچیزی کاهش می دهد. برای فولاد در بتن ، میزان خوردگی غیرفعال به طور معمول ۰٫۱ میکرومتر در سال است. بدون فیلم منفعل ، فولاد با سرعت حداقل ۱۰۰۰ برابر بیشتر خوردگی می کند (ACI222 2001).

به دلیل محافظت ذاتی بتن ، فولاد مسلح در بیشتر عناصر و سازه های بتنی دچار خوردگی نمی شود. اگرچه ، لایه غیرفعال از بین می رود. تخریب لایه منفعل هنگامی اتفاق می افتد که قلیایی بتن کاهش یابد یا غلظت کلرید موجود در بتن به میزان معینی افزایش یابد و خوردگی فولاد در بتن رخ می دهد.

نقش یونهای کلرید در خوردگی فولاد در بتن

قرار گرفتن در معرض بتن مسلح در برابر یونهای کلرید دلیل اصلی خوردگی زودرس آرماتورهای فلزی است. نفوذ یون های کلرید ، موجود در نمک های آب شیرین کن و آب دریا ، در بتن آرمه باعث می شود در صورت وجود اکسیژن و رطوبت نیز برای حفظ واکنش ، باعث خوردگی فولاد شود. کلریدهای حل شده در آب می توانند از طریق بتن صوتی نفوذ کرده و از طریق ترک به فولاد برسند. ترکیبات حاوی کلرید همچنین می تواند باعث خوردگی شود.

هیچ آلودگی دیگری در ادبیات به عنوان دلیل خوردگی فلزات در بتن نسبت به یونهای کلرید وجود ندارد. مکانیسمی که توسط آن کلریدها باعث خوردگی می شوند ، کاملاً درک نشده است ، اما معروف ترین نظریه این است که یون های کلرید به راحتی در مقایسه با یون های دیگر به فیلم اکسید محافظ نفوذ می کنند و فولاد را در معرض خوردگی قرار می دهند.

با افزایش مقدار کلرید بتن ، خطر خوردگی بیشتر می شود. هنگامی که مقدار کلرید در سطح فولاد از حد مشخصی فراتر رود ، به نام مقدار آستانه ، در صورت موجود بودن آب و اکسیژن ، خوردگی نیز رخ می دهد. مطالعات فدرال بزرگراه فدرال (FHWA) نشان داد که حد آستانه ۰٫۲۰ درصد کل (محلول اسید) کلرید با وزن سیمان می تواند باعث خوردگی فولاد در بتن در عرشه های پل شود (Clear 1976). با این حال ، تنها کلریدهای محلول در آب باعث خوردگی می شوند. برخی از کلریدهای محلول در اسید ممکن است درون سنگدانه ها محدود شده و بنابراین برای ارتقاء خوردگی در دسترس نباشند. کار در FHWA (Clear 1973) نشان داد که فاکتور تبدیل از کلریدهای محلول در اسید به آب در محلول بسته به ترکیبات و تاریخ بتن می تواند از ۳۵/۰ تا ۹۰/۰ متغیر باشد. به طور خودسرانه ، ۰٫۷۵ انتخاب شد و در نتیجه مقدار کلرید محلول در آب ۱۵/۰ درصد از وزن سیمان بود.

اگرچه کلریدها مستقیماً مسئول شروع خوردگی هستند ، اما به نظر می رسد آنها فقط نقش غیرمستقیمی در میزان خوردگی بعد از شروع بازی دارند. عوامل اصلی کنترل کننده سرعت در دسترس بودن اکسیژن ، مقاومت الکتریکی و رطوبت نسبی بتن و pH و دما است.

کربنه شدن

کربنه شدن وقتی رخ می دهد که دی اکسید کربن از هوا وارد بتن شود و با هیدروکسیدها مانند هیدروکسید کلسیم واکنش نشان می دهد و کربنات ها را تشکیل می دهد. در واکنش با هیدروکسید کلسیم ، کربنات کلسیم تشکیل می شود:

 Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

این واکنش pH محلول منافذ را به حداقل ۸٫۵ کاهش می دهد ، در این سطح فیلم منفعل روی فولاد پایدار نیست.

کربن سازی عموماً روندی کند است. در بتن با کیفیت بالا ، تخمین زده شده است که کربن سازی با سرعت تا ۰٫۰۴ اینچ در سال انجام می شود. میزان کربناسیون در بتن با نسبت آب به سیمان زیاد ، میزان سیمان کم ، دوره پخت کوتاه ، استحکام کم و رب بسیار نفوذ پذیر یا متخلخل به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

کربنات کاملاً به رطوبت نسبی بتن بستگی دارد. بیشترین میزان کربناسیون زمانی اتفاق می افتد که رطوبت نسبی بین ۵۰ تا ۷۵ درصد حفظ شود. کمتر از ۲۵ درصد رطوبت نسبی ، درجه کربناتی که صورت می گیرد ناچیز تلقی می شود. رطوبت نسبی بالای ۷۵ درصد ، رطوبت موجود در منافذ نفوذ CO2 را محدود می کند. خوردگی ناشی از کربنات اغلب در مناطقی از نمای ساختمان که در معرض بارندگی قرار گرفته اند ، در معرض سایه خورشید قرار گرفته و پوشش بتنی کمتری نسبت به فولاد تقویت کننده دارد ، ایجاد می شود.

کربناته کردن بتن همچنین میزان یونهای کلرید مورد نیاز برای تقویت خوردگی را کاهش می دهد. در بتن جدید با pH 12 تا ۱۳ ، حدود ۷۰۰۰ تا ۸۰۰۰ ppm کلرید برای شروع خوردگی فولاد در بتن مورد نیاز است. اما اگر pH به دامنه ۱۰ تا ۱۱ کاهش یابد ، آستانه کلرید برای خوردگی به طور قابل توجهی پایین تر است – در یا زیر ۱۰۰ قسمت در میلیون. با این حال ، مانند یون های کلرید ، کربن شدن فیلم منفعل تقویت را از بین می برد ، اما بر میزان خوردگی تأثیر نمی گذارد.