خوردگی بتن و فلزات در سازه های ساحلی

مقدمه

 واكنش خوردگی شیمیایی یا واکنش الكتروشیمیایی بین معمولا فلزات و محیط اطراف آن می باشد و ماده مورد تغییر قرار می گیرد. این واكنش شیمیایی، واكنشی مخرب است. مهمترین عواملی كه باعث تخریب سازهای بتنی قبل از عمر مفید آنها می شود عبارتند از:

به دلیل واكنش های قلیایی سنگ دانه ها، حمله سولفات ها، كلریدها و نیترات ها و همچنین وجود گازهایی از جمله اكسیژن، دی اكسید گوگرد و نیز با توجه به رطوبت در مناطق ساحلی تخریب سازهای بتن آرمه سریعتر از مناطق دیگر است. مقاومت فشاری بسیار خوب و تركیب مناسب آن با فولاد، و شكل پذیری آن توسط قالب، از عوامل مؤثر در كاربرد بهینة بتن محسوب می شوند. همچنین دوام و پایایی بتن از مسائلی است كه از توجه بسیاری برخوردار می باشد. پایایی بتن در محیط خورنده و به خصوص محیط های ساحلی و دریایی حائز اهمیت است. بتن های ساخته شده در شرایط آب و هوایی ساحلی، تحت تأثیر عناصر مخربی چون یونهای كلرید، سولفات و نیترات مورد حمله قرار می گیرد، و نیز وجود گازهایی از جمله اكسیژن، دی اكسید گوگرد و همچنین رطوبت و املاح بالا در این مناطق باعث شده است عمر سازه ها گاها كمتر از یکسال باشد. تاكنون تحقیقاتی در جهت بهبود پایایی بتن در محیطهای خورنده صورت گرفته است. این تحقیقات شامل مسائل مختلفی از جمله افزودن مواد پوزولانی نظیر میكروسیلیس، سرباره و ... به بتن به عنوان جایگزین قسمتی از سیمان، و نیز افزودن مواد افزودنی شیمیایی مناسب، و حتی انتخاب دانه بندی می باشد. تحقیقات متعددی نشان می دهد استفاده از مواد افزودنی سیمانی نظیر میكروسیلیس در بتن بر كاهش یونهای مخرب تاثیر می گذارد. در مناطق ساحلی غلظت بالای یونهای ذكر شده، شرایط محیطی و آب و هوایی (تغییرات زیاد دما و رطوبت)، عدم وجود مصالح با كیفیت و یا استفاده از مصالح با كیفیت پایین به همراه اجرای نامناسب و حضور گازهای مختلف در هوا با رطوبت بالا از عواملی هستند كه موجب كاهش عمر سازهای بتنی می شود. یکی از روش های نوینی که خوردگی را کنترل و از آن جلوگیری می کند، روش بازدارنده خوردگی که خاصیت نفوذ و همچنین حركت به سمت آرماتور دارد كه در صورتی که به بتن افزوده شود یا روی آمارتور اسپری شود و یا روی سطح بتن اسپری شود به داخل آن نفوذ کرده  و یک لایه مولکولی آرماتور را احاطه می کند. در این تكنولوژی ها مواد نفوذگر باعث حفاظت آرماتور و بتن می شوند. امروزه این تكنولوژی برای جلوگیری از خوردگی میلگردهای فولادی مدفون در بتن رواج یافته است.

تهاجم و تخریب بتن توسط آب دریا:

 آب دریا یک سیستم بسیار پیچیده فیزیكی و شیمیایی و محیط خاص در تماس با بتن می باشد.در آب دریا فعل و انفعاالتی رخ می دهد كه باعت تشكیل ا لكترولیت هایی است كه نسبت به بتن مهاجمند. اما آنچه شایان ذكر است چگونگی ارتباط بتن با آب دریا و تاثیرات آن روی سازه بتنی می باشد. این بدین معنی است كه قسمتی از بتن بطور كامل مستغرق در آب دریا ست و قسمت های دیگر به واسطه جزر و مد یا امواج دریا در تماس با آب دریا هستند كه باید تاثیرات آب دریا به طور جداگانه بر روی هر قسمت بررسی گردد تا مشخص شود که در كدام قسمت تخریب بیشتری صورت می گیرد. حال به شناسایی عناصر و تاثیرات آنها روی قسمت های مختلف بتن كه در بالا اشاره گردید می پردازیم و در نهایت با ذكر راهكارهای به مقاله پایان داده می شود. بطور كلی عناصر مهاجم بالقوه آب دریا نسبت به بتن عبارتند از یونهای سولفات، كلرور،كربنات، بی كربنات، فلزات قلیایی و منیزیم كه هر چه هوا گرمتر باشد فعل و انفعال تشدید می شود.

سولفات ها:

آب دریا حاوی انواع سولفات ها است که با حمله به فاز C3A موجود در تركیب سیمان موجود در بتن ، باعث به وجود آمدن اترینگایت می شود و موجب ایجاد انبساط و ترك خوردگی در بتن می شود . اما چون آب دریا حاوی کلرورها است ، تهاجم آب دریا معمولا"موجب انبساط بتن نمی شود. و بدلیل اینكه گچ و اترینگایت در محلول کلریدی خیلی بیشتر حل می شوند و به سادگی توسط آب دریا شسته می شوند. در نتیجه تجزیه یا ترک خوردگی ایجاد نمی شود. ولی تخلخل افزایش یافته و مقاومت کاهش می یابد. از طرفی، فشارهای وارد شده از طرف تبلور نمكها در حفره های بتن ، می تواند  انبساط ایجاد کند. تبلور درآب با سطح بالا، در نقطه تبخیر آب، صورت می پذیرد.زیرا محلولهای سدیم کلرید در اثر وجود فرآیند موئینگی به داخل بتن نفوذ می کنند ، حمله در صورتی انجام می شود كه آب بتواند به داخل بتن نفوذ كند. بنابراین بازهم نفوذ پذیری بتن اهمیت زیادی دارد.

کلریدها:

وجود كلرید آزاد موجود در بتن باعث وارد شدن آسیب به  لایه حفاظتی غیر فعالی كه در اطراف آرماتورها قرار دارد،می شود و دلیل از بین رفتن آن میشود. خوردگی كلریدی آرماتورهایی كه درون بتن قرار دارند، یک عمل الكتروشیمیایی است و بسته به خاصیتش،به منظور انجام شدن این فرآیند، غلظت مورد نیاز یون كلرید، نواحی آندی و كاتدی، وجود الكترولیت و رسیدن اكسیژن به مناطق كاتدی، شرایط خوردگی را مهیائمی كند و می توان گفت كه یون كلرور ممكن است مشابه یون سولفات عمل نموده و فرآورده ای بنام كلرور آلومینات تولید نماید.همچنین امکان دارد در واكنشهایی كه خوردگی آرماتور یا سایر فلزات بتن دخالت دارند شركت نماید.كلرور در آب دریا در روابط متقابل با بتن نقش دو جنبه دارد.اول عملكرد آن بطور مستقل وسپس كند كردن یا مانع شدن از انبساط بتن بوسیله سولفات ها. از غوطه وری ناقص سازه ها در محیط دریا یا عمل چرخش و خشک شدن شرایط ویژه ای بوجود خواهد آمد.در این شرایط تنش های حاصل از مكش موئینگی اضافه می شود كه خود بر شدت عملكرد اضافه می کند.

کربنات و بی کربنات:

در فعل و انفعال كربناسیون ++Ca با Ca(OH)2 كه در حین هیدراتاسیون سیمان بوجود آمده اند، ممکن است یونهای كربنات و بی كربنات شركت نماید CO2 .محلول در آب به صورت اسید كربنیک، باعث نرم شدن و تجزیه موضعی می شود و موجب جمع شدگی ناشی از كربناسیون می شود.شدت كربناسیون به نفوذ پذیری،رطوبت نسبی داخلی،سطح مخصوص خمیر سیمان و غلظت CO2 بستگی دارد اما خود CO2 به طریقی قادر به انجام فعل و انفعال با بیشتر اجزا سیمان هیدراته،نسبتا ناپایدار می باشد.

تاثیرات گازها در شرایط منطقه:

گاز هایی كه از سوخت های فسیلی و پسماند های كارخانه ها متصاعد می شوند، ممكن است حاوی اسید های آلی اكسید گوگردSO2 و H2S باشند.این گاز ها باعث آسیب به  بتن تازه می شوند. تاثیر مداوم این گازها ، موجب وارد شدن آسیب به بتن در هوای نمناك و یا در محیط مرطوب شده می گردد.

واکنش های قلیایی

بین هیدروكسید های قلیایی موجود در بتن واكنش های شیمیایی ایجاد می شوند که عمدتاٌ ناشی از سیمان می باشند و اجزای واكنش پذیر سنگدانه ها را واكنش های قلیایی سنگدانه ها می نامند.  یكی ازدلایل متداول آسیب دیدگی سازه های واقع در محیط های مرطوب مانند سدها، پایه های پل ها و دیوار دریایی، واكنش های قلیایی سنگدانه ها می باشد

تاثیر آب دریا بر بتن مناطق جزرو مدی

 میزان تاثیر آب دریا بر روی بتن مستغرق و یا بتن جزر و مدی به دلیل مخرب بودن ناحیه مستغرق مستلزم انجام آزمایشاتی می باشد كه به در این جا به آن ها اشاره می شود.

       1-مقاومت فشاری

كمترین مقاومت فشاری را به ترتیب در ناحیه پاششی و سپس در ناحیه جزر و مدی و در نهایت در ناحیه مستغرق داریم.

        2-کلریدها و سولفات ها

یون های كلر و سولفات ناحیه پاششی به دلیل موئینگی محیط مخرب تری نسبت به بقیه محیط ها دارد زیرا در این ناحیه بتن که تحت چرخش و خشک شدن قرار میگیرد و این امر باعث ایجاد شوره می شود. این شوره زدگی،نمک های تراوش كرده از محیط بتن است كه بر سطح بیرونی بتن رسوب می كند. تراوش زیاد، علت تخلخل بتن است و در نتیجه مقاومت بتن كاهش می یابد و به علت افزایش نفوذ پذیری در برابر حملات عناصر شیمیایی مخرب تضعیف می گردد.

        3-پتانسیل خوردگی و شدت خوردگی

از لحاظ خوردگی،ناحیه پاششی نامناسب ترین شرایط را،داراست. زیرا با افزایش یافتن مقدار رطوبت و كلر آزاد در بتن و وجود اكسیژن كافی شدت ومیزان خوردگی افزایش می یابد. آرماتور دارای پتانسیل خوردگی بسیار بالاست اما میزان خوردگی به علت وجود اكسیژن ناچیز است.

پوششهای حفاظتی سازه های بتنی

پوششهای حفاظتی سازه های بتنی دو نوع می باشند

   1-پوشش های سطحی

این نوع پوشش ها ، سطحی پلاستیکی و مقاوم، بر روی سطح كار تشكیل می دهند و آن را از فضای خوردگی جدا می كنند . اگر به هر علتی این پوشش ها آسیب ببینند،خراشیده شوند یا از سطح كار كنده شوند ، بتنی كه در زیر آنها قرار گرفته است به علت تماس با عوامل خورنده تخریب میشود . در ضمن این نوع پوشش ها قادر به حفاظت میلگرد داخل بتن نیستند و اگر رطوبت از سطح دیگر بتن بداخل نفوذ كند می تواند میلگرد را مورد تهاجم قرار دهد .

شرکت صنایع شیمی ساختمان آبادگران تولید کننده گونه های مختلف پوشش های اپوکسی است که هریک می تواند به نوعی از خوردگی سطوح فلزی جلوگیری نماید. از جمله این مواد میتوان به زینک ریچ اپوکسی ABADUR-201 و رنگ اپوکسی توانمند ABADUR HP-350 اشاره نمود که هریک بسته به نوع کاربری می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

پوشش اپوکسی توانمند ABADUR HP-350، یک رنگ اپوکسی دو جزئی برپایه پلی آمین اصلاح شده جهت محافظت از انواع سطوح می‌باشد. طراحی این ماده به نحوی صورت پذیرفته که امکان استفاده در سطوح مرطوب را داراست. همچنین استفاده از این محصول در زیرآیندهای فلزی نیازی به اجرای پرایمر ندارد. ABADUR HP-350 در مخازن حاوی مواد شیمیایی، فاضلاب و محیط‌هایی که علاوه بر مقاومت چسبندگی و شیمیایی بالا نیاز به مقاومت سایش مناسب نیز دارند قابل استفاده می باشد.

یک زینک ریچ اپوکسی سخت شونده با هاردنر پلی آمید با مقاومت عالی ABADUR-201 در برابر آب، شرایط جوی و سایش می باشد. با توجه به ایجاد حفاظت کاتدی، 201 عملکرد بسیار مناسبی روی سازه های فلزی، ماشین آلات، لوله ها و سطوح بیرونی مخازن در صنایع پتروشیمی، پالایشگاه ها، کاغذسازی و تصفیه خانه ها دارد. با اکثر پوششهای رویه آلی سازگار بوده و مانند تمامی پرایمرها به تنهایی جهت ABADUR-201 سرویس دهی مستغرق در محلول های اسیدی و قلیایی مناسب نیست.

    2-پوشش های نفوذی یا دائمی

این دسته از پوشش ها می توانند از سطح شروع و با نفوذ در عمق بتن بعلت خاصیت اسمزی لوله های موئینه بتن و در اثر واكنشها ی شیمیائی با اجزاء تشكیل دهنده آن ، كریستالهای جامدی را تشكیل دهند و در نتیجه حفره های مویین داخل بتن را پر كرده و ضمن جلوگیری از نفوذ آب یا مواد خورنده شیمیائی به داخل بتن از میلگرد داخل آن نیز محافظت بعمل آورند . زیرا علاوه بر آب بند کردن بتن به آن اجازه تنفس می دهند و با خروج رطوبت از آن میلگرد داخل بتن از تهاجم عوامل خورنده ، كه آب محیط مساعدی برای نفوذ این عوامل فراهم می كند ، در امان می ماند و به نوعی حفاظت كاتودیک نیز انجام می دهند.  شرکت صنایع شیمیایی ساختمان آبادگران در راستای تامین مواد تخصصی آب بندی ، ماده نفوذگر بلورساز پودری ABACRYSTASEAL  را به منظور رفع نشت درزهای اجرایی و درزهای سرد و رفع نم زدگی و نفوذپذیری تمامی سازه های بتنی نظیر دیوارهای حائل، طبقات منفی سازه، ایستگاه های زیرزمینی و.. طراحی نموده است.

خوردگی و راه کارهای آن

طبق استاندارد ایزو 8044 ، خوردگی، واكنش فیزیكی – شیمیایی متقابل بین فلز و محیط اطرافش می باشد كه معمولا دارای طبیعت الكتروشیمیایی است و نتیجهاش تغییر در خواص فلز میباشد. این تغییرات خواص ممكن است منجر به از دست رفتن عملكرد فلز ، محیط یا دستگاهی شود كه این دو ، قسمتی از آن را تشكیل دهند. خوردگی ، اثر تخریبی محیط بر فلزات و آلیاژها می باشد و پدیده ای خودبه خودی است. خوردگی را میتوان میل ترمودینامیكی برای بازگشت به اصل خود فلز دانست. هنگامی كه فلز موفق به از دست دادن الكترون میشود، واكنش اكسیداسیون رخ میدهد و پدیده خوردگی اتفاق افتاده است. خوردگی یک واكنش طبیعی است. اما دارای زیانهای بسیاری است كه ما را وادار میكند تا ترجیح دهیم این واكنش انجام نشود. خوردگی یک پدیده مضر و ضربه زننده به اقتصاد است.

 روش های خوردگی و حمله خوردگی به  سطوح فلزی

1. حمله یکنواخت
2. -خوردگی گالوانیک
3. خوردگی
4.  آبشویی ترجیحی
5.  خوردگی درون دانه ای
6. خوردگی حفره ای
7. خوردگی فرسایشی
8. خوردگی تنشی

مقابله با خوردگی

مقابله با خوردگی بتن مسأله خوردگی فولاد در بتن از معضلات عمده كشورهای مختلف جهان است. بررسی ها در مناطق ساحلی نشان می دهد كه اگر مصالح مناسب انتخاب گردد، بتن با مشخصات فنی ویژه این مناطق طرح گردد، در اجرای بتن از افراد كاردان استفاده شود و سرانجام اگر عمل آوری كافی ومناسب اعمال شود،  بسیاری از مسائل بتن بر طرف خواهد گشت. به هرحال برای پیشگیری در سال های اخیر روش ها و موادی توصیه و به كار گرفته شده است كه تا حدی جوابگوی مسأله بوده است.

1. استفاده از آرماتورهای ضدزنگ
2. آرماتورهای با الیاف پلاستیکی(FRP)
3. حفاظت کاتدیک در بتن
4. آرماتور با پوشش اپوکسی كه چند سالی است مورد استفاده .قرار می گیرد
5. استفاده از روش كنترل خوردگی MCI یا به عبارتی بازدارنده خوردگی با خاصیت نفوذ و حركت به سمت آرماتور است که با  افزودن به بتن یا اسپری روی قفسه آرماتور و یا اسپری روی سطح بتن به داخل آن نفوذ و دور آرماتور یک لایه مولكولی ایجاد می كند و باعث حفاظت آرماتور و بتن می شوند این روش می توان حدود 11 تا 12 سال خوردگی را عقب انداخت .

  نتیجه گیری

1. استفاده صحیح میزان مشخصی از نیتریت كلسیم تاثیرات سوء بر روی خواص بتن نمی گذارد.
2. در كل می توان گفت كه استفاده از نیترات كلسیم راهکار قطعی برای جلوگیری از پدیده خوردگی بتن های معمولی و نامرغوب با نسبت آب به سیمان بالا نمی باشد.
3. به طور كلی MCI سازگار با مصالح تشكیل دهنده بتن و افزودنی های آن می باشد و تاثیری بر طرح اختلاط بتن ندارد.
4. یون سولفات در محیط های خورنده باعث كاهش مقاومت فشاری می شود كه باید با بررسی یكی از راهكارهای مناسب بالا در جهت جلوگیری از خوردگی بتن گام برداریم.
5. به علت اینكه ناحیه پاششی دارای اثرات مخرب بیشتری است باید حفاظت های ویژه ای را برای این ناحیه نسبت به نواحی دیگر در نظر گرفت.
6. سازه های بتنی دارای میكروسیلیس و نسبت آب به سیمان كمتر ،دارای عمر سازه ای بیشتری می باشند.
7. مواد الیاف پلیمری تاثیر بسیار خوب و به سزایی در جهت كاهش خوردگی دارند كه به علت گران بودن و مقرون به صرفه نبودن به طور عموم مورد توجه قرار نگرفته است.