علل خوردگی و تخریب بتن

خوردگی و تخریب بتن عمدتاً ناشی از دو عامل اصلی است: نفوذ دی‌اکسید کربن (فرآیند کربناتاسیون) و حمله یون‌های کلراید. بتن به‌طور طبیعی محیطی قلیایی با pH حدود ۱۲ تا ۱۳ دارد که باعث تشکیل یک لایه محافظ نازک و غیرفعال روی سطح میلگردها می‌شود؛ اما وقتی CO₂ وارد بتن شده و با هیدروکسید کلسیم واکنش می‌دهد، pH افت کرده و این لایه محافظ از بین می‌رود. به همین ترتیب، نفوذ کلراید (از منابعی مانند آب دریا، نمک یخ‌زدا، یا مواد مخلوط آلوده) نیز می‌تواند این لایه محافظ را تخریب کرده و خوردگی را حتی سریع‌تر آغاز کند. برخلاف حملات اسیدی مستقیم به بتن، این دو عامل بدون آسیب جدی به یکپارچگی بتن، از منافذ آن عبور کرده و مستقیماً فولاد را هدف قرار می‌دهند. عواملی مانند ضخامت ناکافی پوشش بتن، نسبت بالای آب به سیمان، تراکم و عمل‌آوری (کیورینگ) ضعیف در حین ساخت، سرعت این فرآیندها را افزایش می‌دهند. پس از شروع خوردگی، تشکیل اکسید و هیدروکسید آهن با حجمی چند برابر فولاد اصلی، فشار داخلی ایجاد کرده و در نهایت باعث ترک‌خوردگی و ریزش پوشش بتن می‌شود.

دو علت اصلی برای خوردگی فولاد در بتن وجود دارد:

• حمله یون کلراید (نمک)
• نفوذ دی‌اکسید کربن که به آن فرآیند کربناتاسیون گفته می‌شود

نکته مهم این است که این دو عامل به‌طور مستقیم باعث خوردگی نمی‌شوند، بلکه شرایطی (مثل حضور مواد شیمیایی خاص و حفره‌های داخل بتن) را فراهم می‌کنند که فولاد را در معرض خوردگی قرار می‌دهد. همچنین برخی اسیدها مانند سولفات می‌توانند مستقیماً به خودِ بتن حمله کرده و باعث تخریب بتن و در نتیجه از بین رفتن قلیایی بودن اطراف میلگردها شوند.

نکته کلیدی درباره قلیایی بودن بتن:

• بتن به‌طور طبیعی قلیایی است چون حاوی حفره‌های میکروسکوپی با غلظت بالای اکسیدهای محلول کلسیم، سدیم و پتاسیم است.
• pH بتن معمولاً بین ۱۲ تا ۱۳ است.
• فولاد در pH حدود ۸ تا ۹ شروع به زنگ‌زدن می‌کند.

این محیط قلیایی باعث تشکیل یک لایه غیرفعال (Passive Layer) روی سطح فولاد می‌شود؛ لایه‌ای بسیار نازک و متراکم (ترکیبی از اکسید/هیدروکسید فلز و مواد معدنی سیمان) که در صورت حفظ شدن، از خوردگی جلوگیری می‌کند. به محض شکسته شدن این لایه، خوردگی آغاز می‌شود.

نکته جالب توجه این است که کربناتاسیون و حمله کلراید برخلاف اکثر مکانیزم‌های تخریب شیمیایی، به یکپارچگی خودِ بتن آسیب نمی‌زنند؛ بلکه از منافذ بتن عبور کرده و مستقیماً به فولاد حمله می‌کنند. سایر اسیدها (مثل سولفات) ابتدا بتن را تخریب می‌کنند و بعد به فولاد می‌رسند.

کربناتاسیون (Carbonation)

کربناتاسیون نتیجه واکنش شیمیایی بین گاز CO₂ موجود در جو و هیدروکسیدهای قلیایی داخل بتن است. CO₂ در آب حل شده و اسید کربنیک تشکیل می‌دهد؛ اما برخلاف بیشتر اسیدها، این اسید به خمیر سیمان حمله نمی‌کند بلکه قلیاییت آب حفره‌ها را خنثی کرده و عمدتاً کربنات کلسیم (CaCO₃) تولید می‌کند:

• CO₂ + H₂O → H₂CO₃
• H₂CO₃ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + ۲H₂O

هیدروکسید کلسیم موجود در بتن مسئول حفظ pH در محدوده ۱۲-۱۳ است؛ وقتی کربناتاسیون پیش می‌رود، این ماده به کربنات کلسیم تبدیل شده و pH افت می‌کند تا جایی که زمینه خوردگی فولاد فراهم می‌شود. نمودار زیر رابطه بین عمق کربناتاسیون و مقدار pH را نشان می‌دهد.

عوامل مؤثر بر سرعت کربناتاسیون:

• ضخامت پوشش بتن یا کاور: هرچه کمتر باشد، کربناتاسیون سریع‌تر پیش می‌رود.
• کیفیت بتن: حتی با پوشش ضخیم، اگر بتن حفره‌های باز زیادی داشته باشد (تراکم ضعیف)، CO₂ سریع نفوذ می‌کند.
• نسبت آب به سیمان (w/c): نسبت بالا = سرعت بیشتر کربناتاسیون.
• کیورینگ (عمل‌آوری) ضعیف در حین ساخت، این فرآیند را تسریع می‌کند.

کربناتاسیون از قانون پخش (دیفیوژن) پیروی می‌کند: نرخ نفوذ نسبت عکس با فاصله از سطح بتن دارد:

dx/dt = D₀ / x

که در آن x فاصله از سطح، t زمان، و D₀ ضریب نفوذ (وابسته به کیفیت بتن) است.

راه‌های کاهش کربناتاسیون:

• تراکم مناسب بتن برای کاهش حفره‌ها
• استفاده از مواد جدید مانند کریستال سازها و سیلیکا فوم (silica fume) با ذرات بسیار ریز (۰.۱-۰.۲ میکرومتر) که حفره‌ها را کاهش می‌دهد و همراه با فوق‌روان‌کننده می‌تواند بتن با مقاومت فشاری بالا تولید کند.
• استفاده از پوشش های حفاظتی مقاوم به نفوذ

کربناتاسیون معمولاً در سازه‌های قدیمی، بدساخت، یا با محتوای سیمان کم رخ می‌دهد و در پل‌ها و ساختمان‌های مدرن (با w/c پایین، سیمان کافی، تراکم و کیورینگ خوب) به‌ندرت دیده می‌شود. در سازه‌های نزدیک دریا، کلرایدها معمولاً سریع‌تر از کربناتاسیون به فولاد آسیب می‌رسانند. چرخه‌های خشک و تر (مثل سواحل جنوب کشور) کربناتاسیون را تسریع می‌کنند، چون CO₂ در چرخه خشک نفوذ کرده و در چرخه تر حل می‌شود. اگر کاور بتن نازک باشد، خوردگی ممکن است تنها ۵ سال پس از ساخت شروع شود؛ به همین دلیل برای حضور در حاشیه امنیت بالا از پوشش های حفاظتی غیر قابق نفوذی همچون عایق های سیمانی-پلیمری همچون ECOPROOF FLEXIBLE استفاده می شود.

روش اندازه‌گیری کربناتاسیون

از محلول فنل‌فتالئین استفاده می‌شود که روی سطح بتن اسپری یا نقاشی می‌شود:

• در pH پایین که بتن کربناته‌شده،  بی‌رنگ می شوند
• در pH بالا بتن سالم است صورتی می شود

این آزمایش روی نمونه‌های شکسته شده بتن یا هنگام تعمیرات دوره‌ای انجام می‌شود.

انتشار کربناتاسیون در بتن

انتشار CO₂ در بتن تقریباً از قانون فیک (Fick’s Law) پیروی می‌کند؛ اما چون خودِ فرآیند کربناتاسیون ساختار حفره‌های بتن را تغییر می‌دهد، این معادله فقط یک تقریب است. ترک‌ها، تغییر ترکیب بتن و رطوبت با عمق نیز باعث انحراف از معادله ایده‌آل می‌شوند.

معادله پایه تجربی رایج d = A tⁿ است که در آن:

• d   عمق کربناتاسیون (میلی‌متر)
• A  ضریب (وابسته به کیفیت بتن و شرایط محیطی)
• t  زمان (سال)
• n   معمولاً برابر ۰.۵

 محاسبه عمق کربناتاسیون  شامل چندین فرمول تجربی از منابع مختلف است که بر اساس نسبت آب به سیمان، مقاومت ۲۸ روزه بتن، درصد پوزولان (خاکستر بادی)، شرایط سرپوشیده/روباز، دما، غلظت CO₂ و محتوای اکسید کلسیم (CaO) عمق کربناتاسیون را تخمین می‌زنند. به‌طور کلی همه این معادلات نشان می‌دهند که عمق کربناتاسیون با جذر زمان رشد می‌کند و به کیفیت بتن w/c، تراکم، عمل‌آوری و شرایط محیطی (بیرون/داخل، سایه‌دار/بدون سایه) بستگی دارد.

طبق داده‌های علمی عمق کربناسیون در سه حالت مقایسه شده‌اند که در نمودار زیر قابل مشاهده هست.

1. آزمایشگاهی (۲۰°C، رطوبت ۶۵٪): بیشترین عمق کربناتاسیون
2. بیرون از آزمایشگاه اما زیر سقف (سایه‌دار) : عمق متوسط
3. بیرون در فضای باز و مسطح : عمق کربناتاسیون کم

به‌عنوان مثال عددی: عمق کربناتاسیون در بتن ضعیف حدود ۱۶ میلی‌متر در ۱۶ سال، و در بتن باکیفیت حدود ۴ میلی‌متر در ۲۰ سال گزارش شده؛ یعنی نرخ نفوذ بین ۰.۲۵ تا ۱ میلی‌متر در سال.

روش پارت (Parrott) بر اساس نفوذپذیری هوا

پارت  روشی برای محاسبه نرخ کربناتاسیون از روی اندازه‌گیری نفوذپذیری هوا ارائه داد:

که K نفوذپذیری هوا (بر حسب واحد ۱۰⁻⁶ متر مربع) و C محتوای اکسید کلسیم است. K از رطوبت نسبی ۶۰٪ محاسبه می‌شود، و n برای شرایط داخلی حدود ۰.۵ است ولی در شرایط مرطوب کاهش می‌یابد. نتیجه عملی: افزایش ضخامت پوشش بتن، بهترین راه جلوگیری از رسیدن کربناتاسیون به فولاد است.

حمله کلراید (Chloride Attack)

کلرایدها می‌توانند از دو منبع وارد بتن شوند:

1. در هنگام ساخت (داخلی):

• استفاده از آب آلوده در مخلوط بتن
• استفاده از افزودنی های حاوی کلرید کلسیم
• سنگدانه‌های آلوده به کلراید که به‌خوبی شسته نشده‌اند
• از محیط بیرونی (خارجی):

• مجاورت با پاشش آب دریا یا غوطه‌وری دائم در آب شور
• استفاده از نمک برای ذوب یخ (در مناطق سردسیر)
• تماس با مواد شیمیایی حاوی کلراید (مثل انبار نمک)

معمولاً منابع خارجی (پاشش آب دریا، نمک یخ‌زدا) بیشترین تأثیر را دارند، اما اگر کلراید از همان ابتدا در آب مخلوط وجود داشته باشد، اثر آن بسیار سریع‌تر ظاهر می‌شود (مانند سازه‌های دریایی که در ساخت آن‌ها از آب دریا استفاده شده).

حرکت کلراید درون بتن

حرکت کلراید نیز تقریباً از قانون دیفیوژن پیروی می‌کند اما پیچیده‌تر از کربناتاسیون است، زیرا:

• آب شور به‌سرعت توسط بتن خشک جذب می‌شود.
• حرکت مویینگی (capillarity) نیز نقش دارد.
• واکنش‌های شیمیایی بین کلراید و بتن رخ می‌دهد.

نمودار زیر نشان می‌دهد که غلظت کلراید با افزایش عمق به‌سرعت کاهش می‌یابد . به همین دلیل، اندازه‌گیری غلظت کلراید معمولاً در عمق حدود ۵ میلی‌متر از سطح انجام می‌شود (نه دقیقاً روی سطح، چون غلظت سطحی بسیار متغیر است).

نرخ خوردگی (Corrosion Rates)

پس از شکسته شدن لایه محافظ یا passive layer (چه توسط کربناتاسیون، چه کلراید)، خوردگی آغاز می‌شود. عوامل مؤثر بر نرخ خوردگی:

• رطوبت نسبی (RH): زیر ۷۵٪ نرخ خوردگی پایین است؛ در حدود ۹۵٪ به‌شدت افزایش می‌یابد (بر اساس مطالعات Tutti )
• دما: هر ۱۰ درجه سانتی‌گراد کاهش دما، نرخ خوردگی را حدود ۵ تا ۱۰ برابر کاهش می‌دهد.

نرخ خوردگی در بتن کربناته‌شده تابعی از رطوبت نسبی، چرخه‌های خشک/تر و میزان کلراید است. بازه معمول نرخ خوردگی گزارش‌شده در بیشتر تحقیقات  ۰.۰۱۵ تا ۰.۰۹ میلی‌متر در سال است

هرچند با رابطه پواسون محاسباتی برای اینکار انجام شده است اما بطور کلی به دلیل تأثیر شدید شرایط محیطی، داده دقیقی برای پیش‌بینی قطعی نرخ خوردگی کلریدی وجود ندارد.

اثر سن بر مقاومت بتن

با گذشت زمان، خوردگی میلگرد باعث کاهش سطح مقطع فولاد می‌شود؛ اما در همین حال، مقاومت خودِ بتن با گذشت زمان افزایش می‌یابد که تا حدی این ضعف را جبران می‌کند. با این حال نباید در طراحی روی این افزایش مقاومت حساب باز کرد، چون کاهش سطح مقطع فولاد بسیار پرخطرتر است.

یافته‌های تحقیقاتی کلیدی نشان می دهد در شرایط خشک، پس از ۱ سال مقاومت بتن دیگر افزایش نمی‌یابد؛ اما در شرایط مرطوب (۱۵°C) مقاومت به‌طور محسوسی افزایش می‌یابد. از تحقیقات انجام شده دیگر این بوده است که ماديسون، ویسکانسین نمونه‌های ۲۸ روز کیور شده را در فضای باز (با حدود ۲۵ چرخه یخ‌زدن-ذوب در هر زمستان، رطوبت نسبی ۶۵-۱۰۰٪، بارش سالانه حدود ۳۲ اینچ) نگهداری کردند که در نتیجه آن مقاومت فشاری با لگاریتم سن تا حدود ۱۰ سال افزایش یافت و پس از آن کاهش یافت یا ثابت ماند. سالها بعد بر اساس همین داده‌ها  معادله  MacGregor  مطابق زیربرای نمونه با مقاومت مبنای ۲۸ روزه معادل kg/cm²۲۸۱.۵ یا ۲۷.۶ مگاپاسکال  تعریف شد:

برای مدت زمان کمتر از ۱۰ سال  f_c(t) = 158.5 + 40.3·ln(t) (kg/cm²)

برای مدت زمان بیش از۱۰ سال  f_c(t) = 489 (kg/cm²)

• برای بتن‌های کم‌مقاومت: مقاومت ۲۵ ساله می‌تواند تا ۲۴۰٪ مقاومت ۲۸ روزه برسد.
• برای بتن‌های پرمقاومت: مقاومت بتن قدیمی معمولاً ۱۲۵ تا ۱۵۰٪ مقاومت ۲۸ روزه است.

اثر خوردگی بر ریزش پوشش بتن

بیشتر مشکلات ناشی از خوردگی نه‌تنها به دلیل کاهش سطح مقطع فولاد، بلکه به دلیل ریزش پوشش بتن (Spalling) است. حتی کاهش ۰.۱ میلی‌متری (و گاهی خیلی کمتر) از سطح مقطع میلگرد می‌تواند باعث ترک‌خوردگی شود. این به نحوه توزیع اکسید، توانایی بتن در تحمل تنش (از طریق خزش یا تغییر شکل الاستیک/پلاستیک)، و آرایش هندسی میلگردها (مثلاً میلگردهای نزدیک به هم یا نزدیک گوشه که محصورشدگی کمتری دارند) بستگی دارد.

نکته مهم اینست که اکسیدها و هیدروکسیدهای فولاد حجمی ۲ تا ۶ برابر حجم فولاد اصلی مصرف‌شده دارند؛ همین افزایش حجم است که باعث ترک‌خوردن و ریزش پوشش بتن می‌شود.

طبق تحقیقات El-Abiary  ، زمان بین شروع خوردگی و ریزش پوشش بتن t_s، (بر حسب سال) از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

t_s = 0.08 · C / (d .C_r)

که در آن C  ضخامت پوشش بتن (میلی‌متر) d   قطر میلگرد وC_r   نرخ متوسط خوردگی است.

در بتن های پیش تنیده خوردگی خاموش (Black Corrosion) بسیار خطرناک است چون روی سطح ظاهر نمی‌شود، در حالی که فولاد پیش‌تنیده ممکن است تا بیش از ۵۰٪ ظرفیت کششی خود را تحت بار داشته باشد؛ در این حالت کاهش سطح مقطع، احتمال فروریزش را به‌شدت افزایش می‌دهد.

خوردگی معمولاً علائم هشداردهنده (تغییر رنگ بتن، ترک‌خوردگی) از خود نشان می‌دهد که امکان تعمیر به‌موقع را فراهم می‌کند و به همین دلیل فروریزش کامل سازه‌ها به دلیل خوردگی نسبتاً نادر است. پوشش بتن در گوشه‌های سازه (مثل گوشه ستون‌ها و تیرها) بیشتر در معرض ریزش است، چون سطح در معرض نفوذ CO₂، کلراید و اکسیژن در آن نقاط بیشتر است؛ به همین دلیل ترک‌خوردگی در گوشه‌ها معمولاً سریع‌تر رخ می‌دهد.

سوالات متداول: