رفع خوردگی در نواحی ساحلی در سازه های بتنی

 علاقه به ســـاخت و ســــاز و توسعه سازه ها در مناطق ساحلی، مشکلات فرسایش و پدیده خوردگی در سازه ها را افزایش داده است. خوردگی تخریب یک ماده در اثر واکنش با محیط آن می باشد  و یکی از عوامل اساسی تخریب سازه های بتن مسلح را تشکیل می دهد. با توجه به شدت پیامدهای زیست محیطی ساحلی بر یکپارچگی سازه های بتن مسلح، ارتقاء تحقیقات علمی در این مناطق خاص از اهمیت بالایی برخوردار شده است.

این امر منجر به تلاش‌های عمده برای مدیریت بحران مشکلات فرسایش و احیای ظرفیت ساحلی برای سازگاری با تغییرات کوتاه‌مدت و بلندمدت ناشی از فعالیت‌های انسانی، رویدادهای شدید و افزایش سطح دریا شده است. مشکل فرسایش ، زمانی حاد می‌شود که اقدامات متقابل (یعنی گزینه‌های سازه‌ای سخت یا نرم) اعمال‌شده، طراحی، ساخت، یا نگهداری نامناسب باشند و اثرات آن در سواحل مجاور به دقت ارزیابی نشود.

سازه های در معرض محیط های ساحلی :

وجود یون های کلر و اکسیژن در نواحی ساحلی  باعث تشدید شرایط تهاجمی در مناطق ساحلی به ویژه در مناطقی که در معرض پاشش آب دریا هستند می گردد.

سازه های بتنی با نفوذپذیری بسیار  بالا، طراحی بسیار ضعیف و عیوب ساختمانی مانند عمق نامناسب پوشش، اجازه نفوذ نمک و رطوبت به بتن را می دهد و باعث تسریع خوردگی در سازه ها می گردد. بنابر دلایل ذکر شده و در جهت جلوگیری از خوردگی می بایست اقدامات لازم برای حفاظت از سازه های بتنی در مناطق ساحلی اندیشیده شود. 

اثرات آب دریا بر روی بتن :

بتن عملکرد ساختاری و دوام بسیار خوبی دارد، اما زمانیکه یک سازه بتنی در معرض محیط های دریایی قرار می گیرد، تحت تأثیر  و زوال شایع ترین علل خرابی و خوردگی آرماتورهای فولادی قرار خواهد گرفت بنابراین  انتخاب مواد، طراحی اختلاط و جزئیات مناسب آرماتورها پارامترهای اساسی در تولید بتن سازه دریایی بادوام هستند.

دوام بتن به طور کلی به عنوان توانایی و مقاومت آن در برابر تأثیرات محیطی و مواد شیمیایی مانند یون های کلرید،سدیم، منیزیم، کلسیم و پتاسیم در نظر گرفته خواهد شد.

تمام زیرساخت ‌های بتنی که در محیط‌های دریایی یا نزدیک آن‌ها یافت می‌شوند، با کاهش طول عمر مواجه خواهند شد، مگر اینکه اقداماتی برای محافظت از آنها انجام شود. سازه ها به دلیل چرخه ثابت مرطوب – خشک - تر که آب را از طریق مجراهای مویرگی و ریز منافذ موجود در بتن وارد می کند، در خطر خوردگی بیشتری قرار دارند.  هنگام اضافه کردن شرایط آب و هوایی شدید  و سیکل ذوب و یخبندان  که در محیط های ساحلی تجربه می شود، حفاظت از این سازه ها از اهمیت بالایی برخوردار می باشد.

میزان نفوذپذیری آب در بتن درصد زوال و خرابی بتن را تعیین می کند، برخی از مکانیسم های زوال که زیرساخت های بتن دریایی را تهدید می کند عبارتند از :

• خوردگی سازه های فولادی
• حمله کلرید
• حمله سولفات
• واکنش دانه های قلیایی (AAR) 
• سیکل های  انجماد/ ذوب

خوردگی آرماتورهای فولادی:

سه جزء اصلی جهت  وقوع خوردگی در بتن مسلح  عبارتند از :

• الکترولیت برای انتقال یون به عنوان مثال آب
• هادی برای انتقال الکترون 
• اکسیژن

لازم به ذکر است حذف یکی از این اجزا باعث کاهش خسارات ناشی از خوردگی می شود. به همین دلیل در بتن خشک خوردگی وجود ندارد و همچنین داشتن بتن کم نفوذ برای جلوگیری از حرکت آب و مواد شیمیایی مضر موجود در محلول از رسیدن به آرماتورهای فولادی مهم است. به طور کلی، بتن به عنوان یک میزبان عالی برای میلگرد عمل می کند. و به دلیل خاصیت قلیایی بالای ماده اول، ماده دوم یک لایه غیرفعال ایجاد می کند که یک مانع محافظ برای فولاد ایجاد می کند. در این حالت، بتن به طور معمول محافظت در برابر خوردگی عالی را ارائه می دهد، اما لایه غیرفعال می تواند در طول زمان به دلیل دی اکسید کربن اتمسفر شکسته شود. این امر باعث کربناته شدن شده و باعث کاهش PH بتن و بی ثباتی لایه غیرفعال می گردد بتن بادوام با نفوذپذیری کم باعث کاهش سرعت کربناته شده و علاوه بر آن سرعت نفوذ آب لازم برای وقوع خوردگی را نیزکاهش می دهد.

بروز مشکلات رایج در سازه های بتنی

اثر کلرید ها

بتن بی کیفیت دارای منافذ متصل بیشتر و مویرگ های بزرگتر است. این امر پتانسیل ورود مواد مضر به بتن را افزایش می دهد . موادی مانند کلریدها می توانند از طریق شبکه منفذی وارد بتن شده که منجر به شکسته شدن لایه محافظ غیرفعال اطراف میلگرد می شود. در صورت عدم وجود  لایه اکسید آهن غیرفعال که از فولاد محافظت می کند، خوردگی با سرعت بسیار بالاتری شروع می گردد.

اثر سولفات ها

رایج ترین نوع حمله سولفات از طریق راه های خارجی است که در آن آب حاوی سولفات در بتن نفوذ می کند. این معمولاً نتیجه خاک‌ها و آب‌های زیرزمینی با سولفات بالا است، اما می‌تواند ناشی از آلودگی اتمسفر یا آب صنعتی، باکتری‌های موجود در فاضلاب یا حتی فقط آب معمولی دریا باشد.  حمله سولفات معمولاً ترکیب و ریزساختار بتن را تغییر می‌دهد و منجر به ترک‌خوردگی، انبساط و از بین رفتن پیوند بین خمیر سیمان و سنگدانه می‌شود. 

واکنش قلیایی

گاهی اوقات، سنگدانه‌ها با هیدروکسیدهای قلیایی بتن واکنش داده  و از طریق انبساط و ترک خوردگی باعث تخریب آهسته بتن می گردد. ترک‌های مویی که ایجاد می‌شوند دعوتی برای آب و ایجاد خوردگی میلگرد حتی در سازه‌های درجه بالاتر هستند.

دو شکل واکنش قلیایی-دانه وجود دارد:

• واکنش قلیایی سیلیس (ASR) 
• واکنش قلیایی کربنات (ACR)

واکنش قلیایی سیلیسی نسبت به کربناتی نگران‌کننده‌تر است، زیرا یافتن سنگدانه‌های حاوی مواد سیلیسی واکنش‌پذیر رایج‌تر بوده و سیلیس موجود در این سنگدانه ها با هیدروکسید قلیایی موجود در بتن واکنش داده و ژلی را تشکیل می دهد که با جذب آب خمیر سیمان اطراف، یا هر آبی که به داخل بتن راه پیدا می کند، متورم میگردد.

از آنجایی که ژل رطوبت بیشتری را جذب می‌کند با ایجاد فشار زیاد باعث آسیب طولانی‌ مدت به بتن میگردد.  ترک‌خوردگی اغلب نشان‌دهنده وجود AS  می باشد و این ترک‌خوردگی اغلب در مناطقی با منبع آب یا رطوبت اتفاق خواهد افتاد.

سیکل های ذوب و یخبندان :

 در سیکل های ذوب و یخبندان زمانیکه  آب یخ می زند ، نه درصد حجم بیشتری را در بتن اشغال می کند.  عدم فضای کافی برای این افزایش حجم یخ زدگی ، می تواند بتن را آزار داده  و منجر به ترک های مویی شود. سپس ذوب اجازه می دهد تا آب از طریق شکاف ها نفوذ کند و با هر چرخه یخ زدگی/ذوب، تعداد و اندازه خطوط مو افزایش یابد و در نتیجه آسیب بیشتری به بتن وارد شود.  برخی از علائم قابل توجه آسیب یخ زدگی/ذوب عبارتند از: پوسته پوسته شدن و پوسته پوسته شدن سطح بتن، ترک موازی سطح، یا سنگدانه های در معرض دید.

قابلیت اطمینان سازه های بتنی مسلح در معرض خوردگی-خستگی و تغییرات آب و هوایی:

اثرات آب و هوای گرم بر روی بتن در مناطق ساحلی :

هوای گرم چیست :

عوامل محیطی، به ویژه شرایط آب و هوایی گرم، بر خواص بتن و عملیات ساختمانی اختلاط، حمل و جابجایی مصالح بتن تأثیر می گذارد. عملیات بتن ریزی هوای گرم، ترکیبی از سه حالت وجود رطوبت نسبی، سرعت نسبی وزش باد و گرمای هوا (دما در محل بتن ریزی بیش از 32 درجه سانتی گراد) می باشد که باعث کاهش کیفیت بتن تازه و یا سخت شده می گردد.

 اثرات هوای گرم بر بتن:

 اکثر مشکلات بتن ریزی در هوای گرم ، مربوط به سریع تر شدن فعل و انفعالات هیدراسیون سیمان درون بتن وافزایش میزان تبخیر از بتن تازه می باشد . زمانی که هیدراسیون سریعتر انجام می شود کریستالهای ایجاد شده اطراف سنگدانه ها سریعتر ایجاد شده  ضعیفتر شده و در نهایت بتن از مقاومت کمتری بر خوردار خواهد شد .

خواص بتن که در اثر گرمای زیاد محیط ممکن است تغییر یابد ، به شرح ذیل می باشد:

• سخت شدن بتن
• اسلامپ و کارایی بتن
• مقاومت فشاری بتن
• درجه حرارت بتن
• نمای ظاهری ضعیف بتن
• ترک های انقباضی
• ترک های حرارتی
•  

بر اساس آیین‌نامه ACI 212.3R افزودنی‌های شیمیایی بتن به منظور تنظیم و اصلاح خواص بتن تازه و سخت شده استفاده می‌شوند. مشکلات اصلی بتن تازه در شرایط آب و هوایی گرم عبارتند از:

• افزایش تقاضای آب که باعث کاهش نسبت آب به سیمان می شود.
• زمان گیرش تسریع شده که باعث ایجاد مشکلاتی در حمل و نقل، فشرده سازی شده  و خطر سرد شدن مفاصل را افزایش می دهد.
• افزایش پتانسیل برای انقباض پلاستیک و ترک حرارتی، عمدتاً به دلیل تبخیر آب در سطح محل قرارگیری.
• مشکل در کنترل محتوای هوا - بسته به سیستم سیمانی و بسته مواد افزودنی، ممکن است ژل تشکیل شود و باعث شکستن حباب‌های هوا و کاهش محتوای هوا شود. 
• نیاز به عمل آوری و برش سریع بتن. بتنی که در سنین پایین در دماهای بالا عمل آوری می شود، در سنین بالاتر به اندازه بتنی که در دماهای مطلوب تر عمل آوری می شود، قوی نخواهد بود. 

مشکلات ناشی از بتن سخت شده در هوای گرم هرگز به طور کامل قابل اصلاح نبوده و  به این ترتیب، کمبودهای بتن سخت شده اغلب عبارتند از:

• پتانسیل افزایش یافته برای خشک شدن انقباض و ترک حرارتی تفاضلی ناشی از خنک شدن ساختار کلی یا اختلاف دما در سطح مقطع دال.
• کاهش مقاومت فشاری ناشی از تقاضای آب بیشتر.
• افزایش پتانسیل برای اتصالات سرد، تفاوت رنگ، یا سایر تغییرات در ظاهر سطح. این به دلیل نرخ های مختلف هیدراتاسیون یا نسبت های مختلف مواد آب به سیمان (w/cm) است.
• کاهش رطوبت و دوام به دلیل ترک خوردگی.

طرح اختلاط بتن در هوای گرم  :

بتن ریزی در هوای گرم شرایطی را ایجاب می کند که نیاز به روش های خاصی برای اختلاط، قرار دادن، تکمیل و عمل آوری مناسب دارد . دمای بالای محیط، دمای بالای بتن، رسوبت نسبی کم و یا باد شدید کیفیت بتن تازه و یا سخت شده را مختل کرده و باعث کاهش اثرات آن می گردد.

جهت ساخت بتن در شرایط محیطی شدید و فوق شدید مطابق با "آیین‌نامه ملی پایایی بتن در نواحی خلیج فارس و دریای عمان"باید نسبت آب به مواد سیمانی کمتر از 45/0 و 4/0 باشد که در هر دو شرایط بتن‌ریزی بدون استفاده از افزودنی‌های روان‌کننده، فوق روان‌کننده و ابرروان‌کننده غیرممکن خواهد بود. همچنین جهت افزايش كارآئـي و جلـوگيري از افت سريع اسلامپ بايد از اضافه كردن آب خودداري گردد و در مواقع لازم با اسـتفاده از مـواد افزودني مناسب خواص بتن را بهبود بخشيد.

همچنین جهت جلوگيري از ايجاد تركهـاي پلاستيك و افت سريع اسلامپ بتن لازم است دماي بتن تازه در حدود ٢٤ تـا ٣٢ درجـه سـانتيگراد باشد.

اجزای تشکیل دهنده طرح اختلاط بتن در هوای گرم :

آب:

به طور كلي آبي كه براي تهيه و عمل آوري بتن استفاده مـيشـود بايـد داراي كيفيـت آب آشـاميدني باشد. با توجه به اينكه در نواحي گرم آب داراي املاح زيادي است بايـد مقـدار حـداكثر ايـن امـلاح محدود به مقادير ذكر شده در مشخصات فني طرح باشد

سیمان:

بطور كلي در نواحي كه احتمال حمله سولفاتها وجود دارد بايد از سيمان تيپ V استفاده كـرد مگـر اينكه ميزان يونهاي كلر (نمك) زياد باشد كه در اين صورت بايـد جـداً از مـصرف سـيمان تيـپ V خودداري كرد. در اين حالت استفاده از سيمان تيپ II با درصد بالائي از سربارة كـوره بلنـد (حـدود ٦٥ تا ٧٠ درصد وزني) و يا سيمان نوع I با حدود ٣٠ درصد وزني خاكستر بادي مناسبتر است. بطور كلي استفاده از سيمان تيپ II ، سيمان سرباره و يا سيمان پوزولاني وضـعيت گيـرش بـتن را جهت استفاده در مناطق گرم بهبود ميبخشد. استفاده از مواد معدني نظير خاكستر بـادي و سـرباره كوره بلند و دوده سيليسي تاثير بسيار خوبي بر خواص بتن دارد.

سنگدانه ها:

در مورد مصالح به کار رفته در طرح اخنلاط بتن در هوای گرم رعایت نکات ذیل امری ضروری می باشد :

•  مصالحي كه داراي مقادير زيادي نمك محلول و يا سولفات هستند به هيچ وجه بـراي كـاربرد در بتن مناسب نيستند.
•  استفاده از مصالح خاكدار باعث ميشود كه مقدار آب زيادتري جهت حصول بـه اسـلامپ مـورد نظر لازم باشد كه خود باعث بالا رفتن تخلخل و در نتيجه ضعف بتن ميشود.
• مصالحي كه دچار هوازدگي و يا تخلخل زياد بوده و یا جذب اب بالایی دارند قابل ستفاده در بتن نمی باشد.
• از مصرف مصالحي كه داراي دانه بندي مناسبي نيستند بايد جداً احتراز شـود. لازم اسـت جهـت حصول به كارآئي بهتر از سنگدانه هاي گرد گوشه و رودخانه هاي بـراي مـصالح درشـت دانـه اسـتفاده شود.
• استفاده از مصالحي كه داراي ضريب انبساط حرارتي كمتري هستند جهت استفاده در مناطق با هواي گرم مناسبتر ميباشد.

مواد افزودنی :

 استفاده از مواد افزودني مناسب و آزمايش شده براي بالا بردن كارآئي و كاهش نسبت آب به سيمان توصيه ميشود. لازم به توضيح است كه استفاده از مواد شيميائي ديرگير كننده تاثير چنداني بر روي تداوم كارآئي ندارد در حاليكه استفاده از مواد ديرگير كننده به همراه مواد كاهش دهنده مقدار آب و يا روان كننده ها تاثيرات مثبتي بر روي كارآئي بتن دارد. در نهايت بايد ذكر كرد كه قبل از اسـتفاده از مـواد افزودنـي حتمـاً بايـد از تـاثير آن بـر روي بـتن اطلاعات كافي داشت و استفاده از اين مواد بايد قبلاً به تائيد دستگاه نظارت رسيده باشد.

شرکت صنایع شیمیایی ساختمان آبادگران جهت ساخت یک بتن نفوذناپذیر در مناطق آب و هوایی ساحلی با توجه به لزوم تحقق بخشیدن به خواص کیفی مد نظر طراحان و سازندگان بتن مبنی بر افزایش کارایی و مدت زمان کارپذیری موثر، همچنین کاهش مقادیر جذب آب و نفوذپذیری بتن های توانمند ژل حاوی میکروسیلیس  و مواد کاهنده آب و روان‌ساز بتن را طراحی و تولید نموده که بر حسب شرایط محیطی محل ساخت و بتن‌ریزی، نوع مصالح مصرفی و مشخصات بتن تازه و سخت شده باید انتخاب گردند.

حفاظت از سطوح بتنی

خوردگی عامل اصلی تخریب سازه های در معرض محیط های تهاجمی دریایی است. خراب شدن بتن با ترک، پوسته پوسته شدن، لایه برداری و زنگ زدگی مشهود است.  با گذشت زمان، آسیب های ناشی از خوردگی بتن و فولاد می تواند به یک نگرانی ایمنی تبدیل شود و به افزایش هزینه های تعمیر و نگهداری و هزینه های سرمایه ای کمک کند. تخمین زده می شود که هزینه مستقیم و غیرمستقیم خوردگی برای اقتصاد یک ایالت ممکن است به 3 تا 6 درصد از تولید ناخالص داخلی برسد.

 بتن مسلح یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی در جهان است. بنابراین با طراحی مناسب، کنترل کیفیت و نگهداری، سازه های بتنی می توانند دوام طولانی مدتی را حتی در تهاجمی ترین محیط ها از خود نشان دهند.

محافظت از سازه ها در برابر این مکانیسم های زوال یکی از جنبه های کلیدی حفظ بتن است. تعمیراتی که علت خرابی را بررسی نمی کنند، محکوم به شکست در مدت زمان نسبتاً کوتاهی هستند. به عنوان مثال، بتن در معرض قرار گرفتن در معرض اسید باید با پوشش ها و پوشش هایی که برای محدوده pH خاصی طراحی شده اند، تعمیر و محافظت شود.

هنگامی که یک سازه شروع به تخریب کرد، درک علت و میزان خرابی به بهبود استراتژی‌های تعمیر و حفاظتی کمک خواهد کرد و  عمر سازه را افزایش داده  و سازه‌ها را برای سال‌های آینده حتی در شرایط قرار گرفتن در معرض تهاجمی حفظ خواهد کرد.

یکی از بهترین روش­هاي محافظت در برابر خوردگی و یا به تاخیر انداختن آن، استفاده از پوشش­هاي محافظ می­باشد. در این نوع پوشش­های محافظ ماتریس رزینی فاز پیوسته پوشش را تشکیل داده و وظیفه نگهداري اجزاي شیمیایی تشکیل دهنده پوشش و تامین چسبندگی به زیرآیند را بر عهده دارد.

گروه دانش بنیان آبادگران با توجه به  نیاز پروژه ها  و تحقیق و بررسی موفق به سنتز هاردنرهای فنالکامین با قابلیت پخت در زیر آب برای دستیابی به خواص ضدخوردگی گردیده است.

از آنجا که باید در انتخاب سیستم­های پوششی به شرایط آب و هوایی، دما و رطوبت نسبی محیط توجه داشت، پوشش­های زیر به منظور حفاظت انواع سطوح بتنی (مطابق استاندارد ASTM C881) به عنوان یک راه حل مطمئن و با پشتوانه علمی معرفی می­گردند.

ABADUR-280

رنگ پوکسی ABADUR-280 یک پوشش اپوکسی بدون حلال و چند منظوره جهت حفاظت سازه­های بتنی و فلزی در برابر محیط­های خورنده شیمیایی و دریایی می­باشد. این محصول بر پایه رزین اپوکسی اصلاح شده و هاردنرهای ویژه طراحی شده و دارای مقاومت شیمیایی و خوردگی عالی و مقاومت جوی خوب می­باشد. رنگ اپوکسی  ABADUR-280قابل استفاده در محیط ­های داخلی و خارجی بوده و جهت استفاده در اسکله­ ها، مخازن مواد شیمیایی، سوخت و فاضلاب توصیه می­گردد. این پوشش کاملا بهداشتی بوده و در انواع مخازن آب آشامیدنی و تصفیه خانه ­ها قابل استفاده می­باشد.

ABAZONE-290

شرکت دانش بنیان صنعتی آبادگران با بهره­گیری از هاردنر فنالکامین با قابلیت پخت در زیر آب که توسط محققان این شرکت تولید و ثبت اختراع گردیده است، موفق به تولید رنگ اپوکسی با نام ABAZONE-290 شده است. این پوشش که جهت رنگ آمیزی و حفاظت سازه­های بتنی در نواحی جزر و مدی طراحی شده است، بر روی سطوح مرطوب چسبندگی عالی (بیشتر از نیروی پیوستگی بتن) داشته و پس از غرقاب شدن در آب شور و شیرین به واکنش پخت ادامه می­دهد. این پوشش مانع از نفوذ آب و مواد شیمیایی به سطح بتن و میلگرد شده و از سازه در برابر پدیده خوردگی حفاظت می­کند. مقاومت نوری این پوشش به عنوان یک سیستم حفاظتی مطلوب بوده و از دوام و عمر طولانی برخوردار می­باشد. مقاومت ABAZONE-290 در برابر یون کلر و نمک­های موجود در آب دریا عالی است و جهت حفاظت سازه­های بتنی نواحی ساحلی و فرا ساحلی، نواحی جزر و مدی اسکله ­ها و کشتی ­ها، سدها و تصفیه خانه ­ها مناسب می­باشد.

بر اساس بخش چهارم استاندارد NACE SP0108 به دلیل آنکه ناحیه جزر و مدی از نواحی اتمسفریک و زیرآب، خورندگی بیشتری دارد، جهت حفاظت این سطوح باید از پوشش اپوکسی با خواص سدگری استفاده شود. این استاندارد تاکید می­کند در لایه رویه این پوشش نباید از پوشش پلی یورتان استفاده شود چراکه این پوشش مقاومت خوبی در برابر آب ندارد و نباید در نواحی جزر و مدی استفاده شود. بر اساس این استاندارد جهت حفاظت نواحی جزر و مدی باید از رنگ اپوکسی زیر آب با ضخامت 500 تا 1000 میکرومتر استفاده گردد.این پوشش بر اساس فصل 7 آیین­نامه ACI 503R در انواع سطوح بتنی مرطوب که امکان خشک نمودن آن­ها وجود ندارد نیز قابل استفاده است.

منابع :

ACI 212.3R

ACI 503R

آیین‌نامه ملی پایایی بتن در نواحی خلیج فارس و دریای عمان