خوردگی فلزات در بتن چیست؟ علل و روش های جلوگیری

خوردگی فلزات در بتن یکی از مباحث بسیار مهمی است که در صنعت ساخت و ساز در مورد آن صحبت می شود چرا که خوردگی فلزات سبب سست شدن فونداسیون و خسارات جبران ناپذیری می شود. در مورد سازه هایی که در کنار ساحل و جزر و مد آب قرار دارند یا آب هایی با خاصیت قلیایی با آنها برخورد دارد، خوردگی در فلزات و میلگرد و فولاد بسیار محتمل است. یکی از راهکارها استفاده از افزودنی های بتن است اما گاهی اوقات این کار تنها راهکار مفید نیست. در این قسمت بیشتر در رابطه با این مورد صحبت خواهیم کرد.

منظور از خوردگی فولاد در بتن چیست؟

طبق استانداردهای اروپایی و آمریکا (ASTM G 15)، خوردگی فولاد در بتن به معنای واکنش هایی شیمیایی و الکتروشیمیایی بین مواد فلزی و محیط است که استحکام ساختاری آن را از بین می برد. با ایجاد پدیده خوردگی در بتن حجم بتن داخل فولاد به ۲ تا ۴ برابر می رسد که نه تنها خود فولاد ماندگاری کمی دارد و خواص مکانیکی و شیمیایی خود را از دست می دهد بلکه گودال و سوراخ هایی در سطح فولاد نیز به وجود می آید.

بنابراین خوردگی بتن پدیده بسیار خطرناک و مضری است و تنها با استفاده از بتن ضد سولفات قابل رفع نیست چرا که این روش نیز معایب و محدودیت های خاص خودش را دارد.

چرا خوردگی فلزات در بتن باید جلوگیری شود؟

انواع بتن اعم از بتن مسلح با مواد و افزودنی های مختلف تقویت شده تا در برابر عوامل محیطی مختلف از جمله مواد شیمیایی خورنده مقاومت زیادی از خود نشان دهد. اما هنگامی که با خوردگی آرماتور و میلگرد در بتن سروکار داشته باشیم یا به عبارتی بتن از درون دچار خوردگی فلزات شده باشد یا زنگ بزند، نه تنها بتن و فولاد پیوند محکم بین خود را از دست می دهند و پوسته پوسته شدگی رخ می دهد بلکه به مرور زمان سبب فروپاشی خواهد شد.

به همین دلیل در صورتی که راهکار مناسبی برای خوردگی فلزات در بتن در نظر گرفته نشود، سطح مقطع فولاد کاهش پیدا کرده و ظرفیت مقاومتی آن به شدت افت پیدا می کند. در نتیجه مقاومت کلی سازه در برابر عوامل محیطی مختلف شدیدا کاهش می یابد و حتی می توان منجر به ایجاد صدمات جبران ناپذیری گردد. بر پایه همین استدلال است که بیان می کنیم باید برای جلوگیری از خوردگی فلزات در بتن راهکار خوبی در نظر گرفته شود.

علل خوردگی بتن چیست؟

به طور معمول و در حالت عادی به کمک افزودنی های مختلف نظیر آب بند بتن جلوی نفوذ نم و رطوبت به درون ساختار بتن و خوردگی آن را می گیرند. اما برخی مواقع سازه بتنی به طور مدام و پیوسته در معرض آب دریا و آب های حاوی عناصر و مواد خورنده قرار دارد مثل سازه های آبی نظیر سدها. در این حالت خوردگی فلزات در بتن را شاهد هستیم.

بنابراین باید علت خوردگی فولاد مدفون در بتن را عواملی مثل واکنش های شیمیایی کربناته شدن در نظر گرفت. کربناته شدن سطح میلگرد، آرماتور یا فولاد در بتن در کنار نفوذ یون هایی مثل کلرید سبب از بین رفتن محیط قلیایی محافظ شده و خوردگی را شروع می کنند.

از طرفی می توان علت خوردگی میلگرد در بتن را کمبود اکسیژن در اطراف میلگردهای فولادی اظهار کرد چرا که خوردگی فلز در این شرایط موجب حل شدگی آن شده و مایع اسیدی و خورنده بر جای می گذارد.

انواع خوردگی فلزات در بتن

وقتی صحبت از خوردگی فلزات در بتن می شود ذهن ما فورا به سمت و سوی فولاد و فلزات آهنی می رود اما این در حالی است که فلزات غیر آهنی نیز گاها در ترکیب با بتن به کار می روند. بنابراین خوردگی فلزات در بتن شامل سایر فلزات نیز می شود که در ادامه صحبت می کنیم:

• آلومینیوم

خوردگی فلزات در بتن از نوع خوردگی آلومینیومی در خطوط لوله و روکش ها رخ می دهد. خوردگی آلومینیوم بیشتر بخاطر قلیایی های سوزآور مثل کلسیم هیدروکسید، کلسیم آلومینات و بتن تازه است. برای جلوگیری از این نوع خوردگی از آسفالت یا قیر یا روغن جلا به عنوان پوشش محافظ استفاده می کنند

• مس

مس که بیشتر در دیافراگم درون درزها به کار می رود گاهی اوقات دچار خوردگی خواهد شد. اگر بتن حاوی مس در معرض افزودنی های کلرید دار باشد دچار خوردگی می گردد.

• سرب

سرب که در سازه های مخازن به کار می رود از نمونه های خوردگی فلزات در بتن از نوع غیر آهنی است. سرب بیشتر بخاطر واکنش با بتن تازه و ترکیبات کلسیم هیدروکسید دچار خوردگی می شود و مشابه با آلومینیوم از ترکیبات مشابه برای جلوگیری از خوردگی فلزات در بتن استفاده می کنند.

• روی

این نوع فلز که به مقدار بسیار کم به عنوان پوشش به کار می رود دچار خوردگی خواهد شد. روی هم بخاطر واکنش با کلسیم هیدروکسید ترکیبی به اسم کلسیم زینکات تولید خواهد کرد اما پس از تشکیل این ماده، به طور خودکار جلوی خوردگی بتن زیرین گرفته می شود. اما اگر هدف این باشد که به طور کلی از خوردگی روی جلوگیری شود باید از قیر تحت حفاظت، آسفالت یا روغن جلا به عنوان پوشش محافظ استفاده شود.

علت خوردگی میلگرد در بتن و فولاد مدفون در آن

تا به اینجا به صورت کلی در رابطه با علت خوردگی فولاد در بتن، میلگرد و آرماتورها صحبت کردیم. اما به طور جزئی تر می توان دلایل زیر را علل خوردگی بتن عنوان کرد:

• ناخالصی های مختلف

ناخالصی های گوناگون مثل ترکیبات معدنی و ترکیبات سولفات دار و کلرید دار در داخل آب، که وارد طرح اختلاط بتن می شود از علل اصلی خوردگی فلزات در بتن هستند

• رطوبت درونی

بتن هایی که با چسب بتن به خوبی اتصال با لایه های زیرین پیدا نکرده اند منافذ و راه های ورودی برای نم و رطوبت باقی می گذارند. در صورتی که آب بندی مناسبی هم صورت نگیرد رطوبت بالا سبب خوردگی فلزات و میلگرد خواهد شد.

• نفوذ رطوبت

بتن هایی که تخلخل بالایی دارند در صورتی که مکمل بتن نداشته باشند یا از افزودنی های مناسب برای کاهش تخلخل آنها استفاده نشده باشد، نفوذ مایعات و آب از قسمت های مختلف مثل لوله کشی ها، تراس ها، دیوارهای مرطوب، زیرزمین ها و غیره سبب خوردگی فولاد در بتن خواهند شد. به همین دلیل نفوذ رطوبت یکی از علل اصلی خوردگی فلزات در بتن است.

• پوشش بتن بی کیفیت

پوشش و لایه بتنی که استفاده شده باید به اندازه کافی کیفیت داشته باشد تا احتمال نشت رطوبت و نفوذ به درون میلگرد و فولاد مدفون در بتن وجود نداشته باشد. با این کار جلوی واکنش کربناتاسیون و یون های کلرید و سولفات گرفته می شود.

• ناخالصی های مختلف آب

ناخالصی های مختلف در آبی که برای طرح اختلاط بتن وجود دارند یکی از علل اصلی خوردگی فلزات در بتن هستند. به همین دلیل بررسی ترکیب شیمیایی آب در طرح اختلاط بسیار مهم است. طبق استانداردهای جهانی میزان یون های سولفات در هر لیتر از آب نباید بیشتر از ۵۰۰ میلی گرم باشد که این عدد برای کلریدها ۱۰۰۰ میلی گرم در لیتر و برای ترکیبات آلی به ۳۰۰۰ میلی گرم در لیتر می رسد.

• واکنش سولفات های محلول و کلریدها

سولفات ها یون هایی هستند که در تمامی آب های زیر زمینی وجود دارند اما زمانی که در بتن سیمانی بتوانند با آلومینات تری کلسیم واکنش دهند، انبساط بتن و خوردگی فلزات در بتن شروع می شود که به آن حمله سولفاتی هم می گویند. این حمله یکی از علل خوردگی بتن است. همین اتفاق در مورد در معرض قرارگیری سازه بتنی با آب دریا که یون های کلرید زیادی دارد صادق است که اگر نفوذپذیری ساختاری بتن زیاد باشد خوردگی اتفاقی حتمی است.

• واکنش کربنات ها و بی کربنات ها

در واکنش های کربوناسیونی که در حین هیدراتاسیون سیمان رخ می دهند در صورتی که یون های کربنات و بی کربنات هم حضور داشته باشند، در ترکیب با آب کربنیک اسید تولید می کنند. کربنیک اسید سبب تجزیه و نرم شدگی موضعی بتن و سپس افزایش نفوذپذیری بتن و در نهایت خوردگی فلزات در بتن خواهد شد.

• گازهای خورنده

گاهی اوقات عملیات ساخت و ساز در پروژه های عمرانی در نزدیکی کارخانه هایی است که سوخت های فسیلی و پسماندهای حاوی اسیدهای آلی گوگرد اکسید و گوگرد هیدروکسید دارند. در صورت برخورد این گازها با بتن تازه، فلزات دچار خوردگی خواهند شد. هر چند نیاز است در تماس مداوم باشند.

• کلسیم کلرید

یکی دیگر از علل خوردگی بتن یا خوردگی فلزات در بتن ترکیبات کلسیم کلرید هستند که مقاومت الکتریکی بتن را شدیدا کاهش داده و فرایندهای الکتروشیمیایی را تسریع می بخشد. بنابراین کلسیم کلرید ترک انقباضی در بتن و شانس خوردگی در بتن در بخش میلگردها افزایش می یابد.

• الکترولیز

اگر جریان مستقیمی که از درون بتن یا میلگرد فولادی عبور می کند به درستی تنظیم نشده باشد مخصوصا در مواقعی که سیستم الکتریکی با ولتاژ بالا یا جریان نشتی عبور می کند خوردگی فلزات در بتن مثل فولاد و میلگرد را خواهیم داشت.

• شوک حرارتی

یکی دیگر از دلایل خوردگی فلزات در بتن شوک حرارتی است چرا که بتن را دچار ترک خوردگی می کند. بتن ترک خورده نفوذپذیری بالایی پیدا می کند که نتیجه آن ورود یون های کلرید و سولفات خورنده به درون ساختار بتن و خوردگی آرماتورها و میلگرد و فولاد است.

• واکنش های قلیایی سنگدانه ها

وجود مواد قلیایی مثل سدیم اکسید و پتاسیم اکسید در سیمان با ترکیبات سیلیسیمی که در سنگدانه ها وجود دارد واکنش دهند شاهد ترک بتن خواهیم بود. این ترک خوردگی باعث خروج مواد قلیایی درون بتن و اطراف میلگردها شده که نتیجه آن خوردگی در اثر وجود رطوبت است.

خوردگی فلزات در بتن و روش های جلوگیری آن

تا اینجا با دلایل و علت خوردگی میلگرد در بتن به همراه فولاد و فلزات آشنا شدید و متوجه شدید که جلوگیری از این اتفاق تا چه اندازه اهمیت دارد. اما مهمتر از این مسائل روش های جلوگیری از خوردگی فلزات در بتن است که بهترین راهکارها را بررسی کرده ایم:

بتن با کیفیت

بتن با کیفیت منظور بتن هایی است که نسبت سنگدانه ها، ماسه و سیمان به خوبی رعایت شده، تراکم مناسبی دارد و با افزودنی های بتن درجه یک و مرغوب ترکیب شده باشد. اما برای اینکه بتوان بتن با کیفیت تولید کرد چه کارهایی باید انجام داد و اساسا بتن با کیفیت که جلوی خوردگی فلزات در بتن را می گیرد چه ویژگی هایی دارد؟

• استفاده از پوشش بتنی مناسب بر روی میلگردهای تقویت کننده
• کاهش نسبت آب به سیمان تا کمتر از ۰٫۴، جهت جلوگیری از نفوذ یون های کلرید و سولفات و کربناته شدن. برای اینکار می توان از عوامل کاهنده آب در بتن، خاکستر بادی، سرباره یا سایر مواد سیمانی استفاده کرد.
• استفاده از افزودنی های حباب هواساز بتن یکی دیگر از راهکارهای تولید بتن با کیفیت و جلوگیری از خوردگی فلزات در بتن است. برای آشنایی بیشتر با این افزودنی ها توصیه می کنیم مقاله مربوط به آن و مکانیسم آن را بررسی کنید.
• با استفاده از فولاد و آرماتوربندی حرفه ای در بتن می توان ترک ها را محکم در جای خود نگه داشت تا عرض ترک ها از حد مجاز فراتر نرود. این روش با استفاده از استاندارد ACI 224 قابل اجراست.
• هر چقدر پوشش روی فولاد و آرماتورهای تقویت کننده بیشتر باشد خوردگی فلزات در بتن کاهش بیشتری خواهد یافت به نحوی که اگر پوشش محافظ روی بتن ۲ اینچ باشد احتمال خوردگی میلگرد و فولاد به نصف حالتی می رسد که ۱ اینچ باشد
• نحوه عمل آوری و کیورینگ بتن در ایجاد مقاومت و جلوگیری از خوردگی فلزات در بتن بسیار مؤثر است. به عنوان مثال اگر نسبت آب به سیمان ۰٫۴ باشد عمل آوری آن به ۷ روز زمان در دمای ۲۱ درجه نیاز است در حالی اگر این نسبت ۰٫۶ باشد ۶ ماه طول خواهد کشید.

تولید بتن اصلاح شده

دومین راه عملی و بسیار مفید برای جلوگیری از خوردگی فلزات در بتن، تولید بتن اصلاح شده و روش های حفاظتی است. برای این کار می توان از روش های زیر کمک گرفت:

• استفاده از ژل میکروسیلیس، خاکستر بادی و سرباره در کاهش نفوذپذیری بتن نقش بسیار مهمی دارند.
• استفاده از کلسیم نیتریت جلوی نفوذ یون های کلرید و سولفات را می گیرد که نقش مؤثری در جلوگیری از خوردگی فلزات در بتن دارد
• استفاده از روش های حفاظت کاتدی و غشاهای محافظ
• استفاده از میلگردهای تقویت شده با پوشش های اپوکسی و درزگیرهای بتن

از دیگر راهکارهای جلوگیری از خوردگی فلزات در بتن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

مواد پوزولانی

مواد پوزولانی مثل سیلیکافوم، خاکستر بادی و غیره برای جلوگیری از حملات یون های کلرید و سولفات بسیار مؤثر هستند. ترکیب آب و کلسیم هیدروکسید با پوزولان ها بسیار مهم است چرا که نفوذپذیری بتن را کم کرده و مقاومت آن را افزایش می دهد.

سنگدانه ها

سنگدانه ها تا حد زیادی بر روی نفوذپذیری بتن نقش دارند چون حدود ۷۰% حجم مخلوط بتن را تشکیل می دهند. نفوذپذیری بتن با افزایش سایز یا میزان درشتی سنگدانه ها افزایش پیدا می کند به عبارتی هر چقدر سایز سنگدانه ها بیشتر باشد، نفوذپذیری بتن هم افزایش پیدا می کند. سنگدانه های معدنی نفوذپذیری بین ۱۰ تا ۱۰۰۰ برابر بیشتر از خمیر سیمان است به همین دلیل چندان هم نیاز به روان کننده بتن ندارند. اما از لحاظ خوردگی فلزات در بتن بسیار ضربه زننده هستند.

تراکم پذیری

میزان تراکم بتن رابطه مستقیم با درجه نفوذپذیری و به تناسب آن خوردگی فلزات در بتن دارد. بنابراین اگر در طی عمل آوری یا کیورینگ بتن، تراکم کافی ایجاد شود خوردگی کاهش خواهد یافت. به عنوان مثال اگر ۱۰% از تراکم بتن کاسته شود، نفوذپذیری و میزان خوردگی فلزات در بتن تا ۱۰۰% افزایش خواهد یافت و میزان مقاومت و قدرت بتن نصف خواهد شد.

جمع بندی مطالب

خوردگی فلزات در بتن چه از نوع فلزات آهنی و فولادی و چه از نوع غیر آهنی از مشکلات بسیار مهم و آسیب های خطرناکی است که در طولانی مدت می تواند منجر به تخریب سازه شود. در این مطلب ضمن صحبت در مورد انواع خوردگی فلزات، دلایل و راهکارهای جلوگیری را نیز بررسی کردیم. چنانچه برای جلوگیری از خوردگی فلزات در بتن نیاز به افزودنی هایی دارید که در این مطلب اشاره شدند با همکاران ما در بتن شیمی تماس بگیرید.

سؤالات متداول

منظور از خوردگی فولاد در بتن چیست؟

منظور از خوردگی فولاد، میلگرد و فلزات آهنی و غیر آهنی واکنش آنها با محیط و مواد خورنده ای مثل یون های کلرید و سولفات است که سبب کاهش استحکام ساختاری و آسیب های جبران ناپذیر می گردد.

انواع خوردگی فلزات در بتن کدامند؟

خوردگی فلزات یا از نوع آهنی است مثل میلگرد، فولاد و آرماتورها یا از نوع غیر آهنی است مثل مس، آلومینیوم، روی و سرب.

بهترین راهکارهای جلوگیری از خوردگی فلزات در بتن چیست؟

استفاده از بتن با کیفیت، بکارگیری بتن اصلاح شده، مواد پوزولان ها، سنگدانه ها و تراکم پذیری بیشتر بهترین روش های جلوگیری از خوردگی فلزات در بتن هستند.

علل خوردگی فولاد مدفون در بتن چیست؟

علت خوردگی میلگرد در بتن و فولاد مدفون شده بسیار متنوع است که رایج ترین آنها حملات یون های کلرید، سولفات، کربنات و بی کربنات، ناخالصی ها، رطوبت درونی، نفوذ رطوبت، پوشش بتن بی کیفیت، کلسیم کلرید، الکترولیز و غیره هستند.