از مکانیزم شیمیایی تا عوامل کنترل‌کننده نرخ زوال

سال‌های طولانی، طراحی سازه‌های بتن مسلح بر پایه‌ی این فرض انجام می‌شد که مقاومت مکانیکی بتن و فولاد، به تنهایی تضمین‌کننده‌ی دوام و پایایی سازه در طول عمر بهره‌برداری آن است. اما تجربه‌ی چند دهه‌ی اخیر نشان داده که بسیاری از سازه‌های بتن آرمه، در طول عمر خدمت‌رسانی خود، در معرض تنش‌های محیطی متعددی از جمله خوردگی فولاد و گسترش واکنش‌های سنگدانه‌ای قرار می‌گیرند؛ تنش‌هایی که به‌طور هم‌زمان به بتن و به شبکه‌ی میلگرد داخل آن حمله می‌کنند. در میان این عوامل، خوردگی شبکه‌ی فولادی طی دهه‌های اخیر به یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های مهندسان سازه در سراسر دنیا تبدیل شده است. برای پیشگیری مؤثر از خوردگی میلگردها در سازه‌های بتنی، پیش‌نیاز اصلی، شناخت دقیق ماهیت این پدیده و مکانیزم‌های شیمیایی و الکتروشیمیایی حاکم بر آن است؛ تنها با این شناخت است که می‌توان راهکارهای مهندسی متناسب و مؤثر ارائه داد.

بعد اقتصادی خوردگی؛ چیزی فراتر از یک مسئله‌ی فنی

خوردگی میلگرد در سازه‌های بتن مسلح، هزینه‌های سنگینی را بر اقتصاد کشورها تحمیل می‌کند؛ به‌گونه‌ای که می‌توان گفت این پدیده بیش از آنکه صرفاً یک چالش مهندسی باشد، یک معضل اقتصادی در مقیاس ملی است. برای نمونه، در ایالات متحده، هزینه‌ی ترمیم ناشی از خوردگی فولاد در ساختمان‌ها و پل‌ها سالانه در حدود ۱۵۰ میلیون دلار برآورد شده است. در کشورهایی مانند کانادا، ایالات متحده و بسیاری از کشورهای اروپایی، در فصول سرد سال که یخ روی سطح پل‌ها تشکیل می‌شود، برای ذوب یخ از نمک استفاده می‌شود. همان‌طور که در ادامه به تفصیل بررسی خواهد شد، نمک حاوی کلرید سدیم است که یکی از عوامل اصلی و شناخته‌شده‌ی تسریع‌کننده‌ی خوردگی فولاد در بتن به شمار می‌رود؛ به همین دلیل هزینه‌های تعمیر و نگهداری عرشه‌ی پل‌ها در این کشورها به‌طور چشم‌گیری بالاست.

طبق گزارشی که مرکز تحقیقات حمل‌ونقل در سال ۱۹۹۱ منتشر کرد، هزینه‌ی سالانه‌ی تعمیر عرشه‌ی پل‌ها در ایالات متحده بین ۵۰ تا ۲۰۰ میلیون دلار متغیر بوده و در برخی نقاط، این رقم برای تعمیر یک پل به تنهایی به حدود ۱۰۰ میلیون دلار در سال رسیده است. هزینه‌ی تعمیرات پارکینگ‌های طبقاتی نیز در بازه‌ی ۵۰ تا ۱۵۰ میلیون دلار در سال برآورد شده است. در انگلستان و ولز نیز در سال ۱۹۸۹، هزینه‌ی تعمیر پل‌ها به دلیل خوردگی، معادل ۶۱۶.۵ میلیون یورو گزارش شده است. این ارقام به‌روشنی نشان می‌دهند که خوردگی فولاد، یک مسئله‌ی صرفاً موضعی و فنی نیست، بلکه بار مالی سنگینی بر بودجه‌های عمومی و خصوصی تحمیل می‌کند.

شرایط اقلیمی منطقه‌ی خلیج فارس و ریسک بالای خوردگی

در آسیای میانه، به‌ویژه در محدوده‌ی خلیج فارس، کشورهایی قرار دارند که به دلیل تولید عمده‌ی نفت و گاز جهان، از اقتصادهای بسیار قدرتمندی برخوردارند. این توان اقتصادی، زمینه‌ساز سرمایه‌گذاری‌های عظیم در پروژه‌های عمرانی و زیرساختی است که بخش قابل‌توجهی از برنامه‌های توسعه‌ی این کشورها را تشکیل می‌دهد. با این حال، تقریباً تمام این کشورها به دلیل دمای هوای بسیار بالا که در فصول گرم سال به ۵۵ تا ۶۰ درجه‌ی سلسیوس نیز می‌رسد، در معرض شرایط محیطی به‌شدت خورنده قرار دارند. علاوه بر این، از آنجا که اغلب این کشورها در مجاورت مستقیم خلیج فارس واقع شده‌اند، هوای منطقه دارای رطوبت بالا (شرجی شدید) است و آب‌های زیرزمینی نیز غلظت بالایی از نمک‌های محلول دارند.

مجموعه‌ی این شرایط، احتمال بروز و تشدید خوردگی میلگردهای فولادی را به‌طور چشم‌گیری افزایش می‌دهد. از منظر کیفی، دمای بالا مانع از دستیابی به شرایط ایده‌آل برای فرایند عمل‌آوری بتن می‌شود و همین موضوع، مقاومت و کیفیت نهایی بتن سخت‌شده را کاهش می‌دهد. در نتیجه، ترکیب دمای بالا، رطوبت شدید و شوری آب‌های زیرزمینی، روند زوال و تخریب سازه‌های بتنی در این منطقه را تسریع می‌بخشد و عمر مفید ساختمان‌ها را کاهش می‌دهد؛ این موضوع به‌ویژه برای سازه‌هایی که در بازه‌ی زمانی دهه‌ی ۱۹۷۰ تا ۱۹۸۰ و پیش از رواج استفاده از افزودنی‌های بتنی مدرن ساخته شده‌اند، اهمیت بیشتری دارد. به همین دلیل، در آسیای میانه، میزان هدررفت سرمایه ناشی از خوردگی فولاد بسیار بالاست و همین امر، مهندسان را به سمت توسعه و به‌کارگیری روش‌ها و فناوری‌های نوین برای حفاظت از میلگردهای فولادی سوق داده است.

روند خوردگی معمولاً به‌آرامی آغاز می‌شود و با گذشت زمان گسترش می‌یابد؛ به همین دلیل نرخ زوال ناشی از آن در سازه‌های مختلف می‌تواند بسیار متفاوت باشد. خوردگی فولاد به‌طور مستقیم بر ایمنی سازه اثر می‌گذارد و شدت این اثر به عواملی چون شرایط محیطی حاکم، موقعیت عضو سازه‌ای مورد نظر و نوع کاربری آن عضو بستگی دارد.

پرسش مهمی که همواره مطرح است این است که بازرسی و ترمیم سازه باید در چه زمان‌بندی‌ای انجام شود؟ پاسخ به این پرسش نیازمند دقت بالایی است، زیرا کاهش فاصله‌ی زمانی بین بازرسی‌ها هرچند هزینه‌بر است، اما سطح ایمنی سازه را ارتقا می‌دهد؛ در مقابل، افزایش فاصله‌ی بین بازدیدها می‌تواند هزینه‌ها را کاهش دهد، اما ریسک ایمنی سازه را بالا می‌برد. بسیاری از حوادث سازه‌ای در گذشته، ناشی از همین کوتاهی در برنامه‌ریزی بازرسی و ترمیم بوده‌اند. برای نمونه، در یکی از پل‌های نیویورک، بخش عظیمی از سازه فروریخت و همین اتفاق باعث شد راننده‌ی یک موتورسیکلت کنترل وسیله‌ی خود را از دست بدهد و جان خود را از دست بدهد. این رخداد به‌روشنی نشان می‌دهد که بی‌توجهی به روند خوردگی می‌تواند پیامدهای جبران‌ناپذیر و حتی مرگ‌بار داشته باشد.

نمونه‌ی بارزی از تأثیر خوردگی بر زوال بتن مسلح را می‌توان در تیرهای بتنی سازه‌های واقع در نزدیکی سواحل دریای مدیترانه مشاهده کرد، جایی که ترک‌خوردگی، از بین رفتن کاور بتن و ریزش قسمت‌هایی از اندود سطحی، نشانه‌های آشکار پیشرفت خوردگی داخلی هستند.

از منظر تاریخی، در دهه‌ی ۱۹۶۰ در اروپا و آسیای میانه، استفاده از آب دریا برای اختلاط بتن و همچنین افزودنی کلرید کلسیم به‌عنوان ماده‌ی زودگیرکننده، رایج بود و این روند تا دهه‌ی ۱۹۷۰ نیز ادامه یافت. در آسیای میانه، به دلیل بالا بودن هزینه‌ی تأمین آب شیرین، استفاده از آب دریا در ساخت‌وساز به‌طور گسترده رواج داشت. اما پس از گذشت حدود بیست سال، خرابی شدید سازه‌های بتن مسلحی که با این روش ساخته شده بودند آشکار شد و مشکلات اقتصادی قابل‌توجهی، به‌ویژه از منظر بازگشت سرمایه‌ی ساخت‌وساز، ایجاد کرد. این تجربه‌ی تاریخی نشان می‌دهد که تأثیرات خوردگی نه‌تنها چالش‌های جدی برای مهندسان سازه پدید می‌آورد، بلکه می‌تواند درآمد ملی کشورها را نیز تحت تأثیر قرار دهد. از همین‌رو، درک عمیق مهندسان از ماهیت روند خوردگی و ریشه‌های پیدایش آن، نخستین و ضروری‌ترین گام برای مقابله‌ی مؤثر با این مشکل است.

چرا فولاد داخل بتن زنگ می‌زند؟ نگاهی به منشأ اصلی پدیده

برای درک بهتر پدیده‌ی خوردگی، مثال ساده‌ای می‌تواند راهگشا باشد: اگر میخی را در هوای کاملاً خشک نگه داریم یا آن را به‌طور کامل در آب فرو ببریم، هرگز زنگ نخواهد زد. اما اگر همان میخ ابتدا در آب فرو رود و سپس در معرض هوای خشک قرار گیرد، به‌سرعت زنگ می‌زند و می‌پوسد. این رفتار برای انواع فلزات، چه فلزات معمولی و چه فلزات با مقاومت بالا، صادق است. در مورد فولاد تعبیه‌شده در داخل بتن نیز شرایط مشابهی برقرار است؛ بتن ماده‌ای متخلخل است که در داخل حفره‌های ریز آن، به دلیل فرایند عمل‌آوری، نفوذ آب باران یا هر منبع رطوبتی دیگر، همواره مقداری آب وجود دارد. بنابراین بتن به‌طور طبیعی حاوی آبی است که یکی از عوامل اصلی خوردگی محسوب می‌شود.

با این حال، خبر خوب این است که وجود این آب به‌تنهایی برای بروز خوردگی در فولاد داخل بتن کافی نیست، زیرا محیط بتن به‌طور ذاتی قلیایی است؛ یعنی کاملاً متضاد و نقطه‌ی مقابل محیط اسیدی. همین خاصیت قلیایی است که بتن را قادر می‌سازد میلگرد فولادی را در برابر خوردگی محافظت کند. علت قلیایی بودن بتن نیز به این برمی‌گردد که در ریزحفره‌های آن، غلظت بالایی از اکسیدهای کلسیم، سدیم و منیزیم وجود دارد. زمانی که آب به این اکسیدها اضافه می‌شود، هیدروکسیدهایی تشکیل می‌شود که خاصیت قلیایی بسیار بالایی دارند و معمولاً pH محیط را در بازه‌ی ۱۲ تا ۱۳ نگه می‌دارند. برای یادآوری، pH معیاری برای سنجش میزان اسیدی یا بازی بودن یک محیط است که بر اساس نسبت غلظت یون هیدروژن به یون هیدروکسید تعریف می‌شود؛ در این مقیاس، pH برابر با ۱ نشان‌دهنده‌ی حداکثر خاصیت اسیدی و pH برابر با ۱۴ نشان‌دهنده‌ی حداکثر خاصیت قلیایی است.

این خاصیت قلیایی محیط بتن، لایه‌ای نازک و غیرفعال (Passive Layer) بر روی سطح میلگردهای فولادی ایجاد می‌کند. این لایه ترکیبی متراکم از اکسیدها و هیدروکسیدهای آهن، همراه با برخی ترکیبات سیمانی، است که به‌طور مؤثر مانع از آغاز خوردگی می‌شود. با این حال، این لایه‌ی محافظ برای همیشه پایدار نمی‌ماند. دو عامل اصلی در تخریب این لایه نقش دارند: فرایند کربناسیون و نفوذ یون‌های کلرید به سطح میلگردهای فولادی. در ادامه، به شرح روند عمومی خوردگی، بدون در نظر گرفتن نقش این دو عامل خارجی، پرداخته می‌شود.

روند شیمیایی خوردگی؛ از تخریب لایه‌ی محافظ تا تشکیل زنگ‌زدگی

پس از آنکه لایه‌ی غیرفعال محافظ از بین رفت، زنگ‌زدگی تقریباً بلافاصله بر روی سطح میلگرد آشکار می‌شود. این پدیده حاصل مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی مشابه است که چه در اثر حمله‌ی کلرید و چه در اثر کربناسیون رخ می‌دهد. زمانی که خوردگی در میلگردهای بتن مسلح آغاز می‌شود، محصولات خوردگی به داخل حفره‌های ریز حاوی آب نفوذ می‌کنند. در این فرایند، الکترون‌ها روی سطح فولاد انباشته می‌شوند و واکنش آندی زیر رخ می‌دهد:

Fe → Fe²⁺ + ۲e⁻

الکترون‌های آزادشده در نتیجه‌ی این واکنش، در بخش دیگری از میلگرد فولادی انباشته می‌شوند؛ اما این انباشتگی نمی‌تواند به‌طور نامحدود ادامه یابد. از این‌رو، واکنش دیگری میان اکسیژن موجود در آب و بخشی از این الکترون‌ها اتفاق می‌افتد که به آن واکنش کاتدی می‌گویند:

۲e⁻ + H₂O + ½O₂ → ۲OH⁻

از این معادله می‌توان دریافت که یون هیدروکسید (OH⁻) در نتیجه‌ی واکنش کاتدی تولید می‌شود. این یون، خاصیت قلیایی محیط را افزایش می‌دهد و در نتیجه، در گام‌های اولیه، تا حدی اثرات کربناسیون و کلریدها را خنثی و کم‌اهمیت می‌کند. نکته‌ی کلیدی که باید از این مجموعه واکنش‌ها دریافت این است که آب و اکسیژن، دو عامل اصلی و ضروری برای وقوع خوردگی هستند.

در ادامه، واکنش میان یون‌های هیدروکسید (OH⁻) و کاتیون‌های آهن (Fe²⁺) که از واکنش‌های آندی و کاتدی حاصل شده‌اند، نخستین گام واقعی در شکل‌گیری زنگ‌زدگی است. این واکنش، ابتدا هیدروکسید آهن (II) تولید می‌کند که خود دوباره با اکسیژن و آب واکنش داده و در نهایت به هیدروکسید آهن (III) تبدیل می‌شود:

Fe²⁺ + ۲OH⁻ → Fe(OH)₂ ۴Fe(OH)₂ + O₂ + ۲H₂O → ۴Fe(OH)₃ ۲Fe(OH)₃ → Fe₂O₃·H₂O + 2H₂O

این معادلات نشان می‌دهند که چگونه هیدروکسید آهن دوظرفیتی، پس از واکنش با آب و اکسیژن، به هیدروکسید آهن سه‌ظرفیتی تبدیل می‌شود و در نهایت، محصول پایدار نهایی این فرایند، هیدرات اکسید آهن (Fe₂O₃·H₂O) است که همان زنگ‌زدگی آشنا و قابل‌مشاهده است. اگر انگشت خود را روی سطح آهن زنگ‌زده‌ای بکشید که در معرض مستقیم نور خورشید نیست، هم رنگ قهوه‌ای زنگ‌زدگی و هم رطوبت باقی‌مانده از آب (که یکی دیگر از محصولات نهایی این واکنش‌هاست) را احساس خواهید کرد.

نکته‌ی مهم این است که اکسید آهن حاصل از خوردگی، حجمی بسیار بیشتر از حجم اولیه‌ی میلگرد اشغال می‌کند و همین موضوع، تأثیر مخربی بر یکپارچگی و مقاومت کاور بتن دارد. هنگامی که فولاد به هیدرات اکسید آهن تبدیل می‌شود، این ماده هم نرم‌تر از فولاد اصلی است و هم می‌تواند حجمی تا حدود ده برابر حجم اولیه‌ی خود پیدا کند. این افزایش حجم شدید، فشار داخلی زیادی بر بتن اطراف وارد می‌کند؛ در نتیجه ترک‌هایی روی سطح بتن ظاهر می‌شوند که با گذشت زمان گسترش یافته و در نهایت به ریزش و جداشدگی کاور بتن منجر می‌شوند. در این مرحله، زنگ‌زدگی با رنگ قهوه‌ای مشخص خود، بر روی سطح میلگرد کاملاً قابل مشاهده خواهد بود.

خوردگی سیاه؛ خطری پنهان و بی‌نشانه

یکی از خطرناک‌ترین اشکال خوردگی، خوردگی سیاه (Black Corrosion) نام دارد که زمانی رخ می‌دهد که فاصله‌ی زیادی بین محل‌های آندی و کاتدی وجود داشته باشد و همچنین اکسیژن کافی در دسترس نباشد. این نوع خوردگی معمولاً در سازه‌هایی که به‌طور کامل زیر آب قرار دارند یا در مواردی که یک لایه‌ی محافظ مانع از رسیدن اکسیژن به سطح فولاد می‌شود، مشاهده می‌شود. دلیل نام‌گذاری این پدیده به «خوردگی سیاه» این است که در صورت ترک‌خوردگی بتن، سطح میلگردهای آسیب‌دیده به رنگ سیاه یا سبز تیره دیده می‌شوند، نه رنگ قهوه‌ای معمول زنگ‌زدگی.

این نوع خوردگی از منظر ایمنی سازه بسیار بحرانی است، زیرا برخلاف خوردگی معمولی، هیچ نشانه‌ی هشداردهنده‌ی زودهنگامی مانند ترک‌خوردگی سطحی یا ریزش کاور بتن از خود بروز نمی‌دهد و ممکن است تا مراحل پیشرفته، به‌طور کاملاً پنهان در حال گسترش باشد. این وضعیت به‌طور خاص در سازه‌های ساحلی که بخشی از آن‌ها دائماً زیر آب قرار دارد، یا در سازه‌های بتنی‌ای که بخشی از سطح آن‌ها با غشای ضدآب (Membrane) یا پوشش محافظ (Coating) پوشانده شده، دیده می‌شود.

ساختار حفره‌ای خوردگی

خوردگی حفره‌ای (Pitting Corrosion) در میلگردهای فولادی معمولاً با شکل‌گیری یک حفره‌ی بسیار کوچک آغاز می‌شود. با گذشت زمان، تعداد این حفره‌های ریز افزایش می‌یابد و در نهایت، از ترکیب و به‌هم‌پیوستن آن‌ها، یک ساختار یکنواخت‌تر از خوردگی بر سطح میلگرد شکل می‌گیرد.

اگرچه واکنش‌های شیمیایی متعددی در شکل‌گیری ساختار حفره‌ای دخیل هستند و برخی از این معادلات پیچیدگی قابل‌توجهی دارند، اما منشأ اصلی این پدیده، به‌ویژه در مورد حمله‌ی یون‌های کلرید، نسبتاً ساده است. در برخی نقاط از سطح فولاد، حفره‌های ریزی برای ملات سیمان اطراف میلگرد شکل می‌گیرد و همچنین سولفید موجود در ساختار داخلی فولاد، لایه‌ی غیرفعال سطحی را در برابر حمله‌ی یون‌های کلرید آسیب‌پذیرتر می‌کند. در همین حین، یک اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی موضعی موجب جذب بیشتر یون‌های کلرید به این نقاط می‌شود. در این مرحله، خوردگی آغاز می‌شود و در صورت فراهم بودن شرایط، اسیدهایی نیز تشکیل می‌شود؛ برای نمونه هیدروژن سولفید از واکنش سولفید منگنز (MnS) موجود در فولاد و اسید هیدروکلریک (HCl) از یون کلرید تولید می‌شود:

Fe²⁺ + H₂O → FeOH⁺ + H⁺ MnS + 2H⁺ → H₂S + Mn²⁺

زنگاری که خارج از حفره تشکیل می‌شود، ممکن است اسید و اکسیژن آزادشده در واکنش را در محل جمع‌آوری کند تا آهن در حالت انحلال باقی بماند و از شکل‌گیری مجدد لایه‌ی اکسید محافظ جلوگیری کند؛ همین موضوع، روند خوردگی را تسریع می‌بخشد. موضوع خوردگی حفره‌ای، ارتباط نزدیکی با مشکلات میلگردهای پوشش‌دار در برابر پدیده‌ی خوردگی سیاه دارد.

این مرحله از خوردگی که به «عمل گالوانیک» معروف است، میان یک سطح نسبتاً وسیع از فلز فعال (که نقش کاتد را ایفا می‌کند) و یک حفره‌ی کوچک آندی (که در آن غلظت کلرید بالا و مقدار pH پایین است) رخ می‌دهد. برای پایداری و ادامه‌ی روند حفره‌سازی، لازم است مقدار مناسبی اکسیژن در دسترس باشد و قطبش آند نیز صورت گیرد. میانگین پتانسیل خوردگی فولاد در فرایند حفره‌سازی، به احتمال زیاد ناشی از اختلاف موجود میان سطوح غیرفعال و سطوح حفره‌سازی آندی است؛ این اختلاف پتانسیل معمولاً در بازه‌ی ۲۰۰ تا ۵۰۰ میلی‌ولت قرار می‌گیرد.

خوردگی میکروبی

باکتری‌ها نیز یکی دیگر از عوامل مؤثر در بروز خوردگی به شمار می‌روند. از آنجا که باکتری‌ها به‌طور طبیعی در خاک حضور دارند، فونداسیون‌های سازه‌ای از جمله المان‌هایی هستند که بیشترین مواجهه را با این نوع خوردگی دارند. برخی گونه‌های باکتری، ترکیبات سولفور و سولفید موجود در خاک را به اسید سولفوریک تبدیل می‌کنند. این اسید به سطح فولاد حمله کرده و روند خوردگی را به‌طور محسوسی تسریع می‌بخشد. گونه‌ی دیگری از باکتری‌ها نیز از طریق واکنش با سولفید موجود در ساختار فولاد (FeS) به آن آسیب می‌رساند. این نوع خوردگی معمولاً با بوی مشخص گوگرد هیدروژن (شبیه بوی تخم‌مرغ فاسد) همراه است و به‌همراه حفره‌سازی نسبتاً ملایم، منجر به شکل‌گیری خوردگی سیاه می‌شود؛ به‌ویژه زمانی که میلگردهای فولادی در معرض خاک اشباع‌شده با آب قرار می‌گیرند.

ترک‌ها و حفره‌های کوچکی که ممکن است در سطح فونداسیون‌های بتن مسلح مشاهده شود، پیش از خاک‌ریزی و کوبیدن نهایی خاک اطراف فونداسیون، باید با استفاده از مصالح ترمیمی مناسب و کارآمد برطرف شوند. همان‌طور که در ادامه‌ی این مجموعه مطالب بررسی خواهد شد، ترمیم فونداسیون‌ها معمولاً فرایندی بسیار پیچیده و پرهزینه است؛ بنابراین جلوگیری از بروز این نقایص در حین اجرا، برای تضمین تعمیر و نگهداری مقرون‌به‌صرفه‌ی سازه در طول عمر آن اهمیت بسیار زیادی دارد.

نرخ خوردگی و عوامل مؤثر بر آن

پس از تشریح روند و ساختار خوردگی، لازم است به موضوع نرخ یا سرعت خوردگی فولاد مسلح‌کننده نیز پرداخته شود. نرخ خوردگی یکی از مهم‌ترین فاکتورها از منظر ایمنی سازه و برنامه‌ریزی برای تعمیر و نگهداری آن است و در عین حال، به‌عنوان یک شاخص اقتصادی نیز در طول عمر سازه اهمیت دارد. هرچه نرخ خوردگی بالاتر باشد، احتمال فروریزش سازه سریع‌تر افزایش می‌یابد و سطح ایمنی سازه به‌سرعت کاهش پیدا می‌کند. نرخ خوردگی به عوامل متعددی وابسته است که در صورت کنترل مناسب آن‌ها، می‌توان این نرخ را به‌طور مؤثری کاهش داد. باید توجه داشت که خوردگی در نهایت رخ خواهد داد، اما اگر نرخ آن پایین نگه داشته شود، تهدید جدی برای سازه ایجاد نمی‌کند.

مهم‌ترین عامل مؤثر بر نرخ خوردگی، حضور اکسیژن است؛ به‌ویژه در ناحیه‌ی کاتدی که پیش‌تر در واکنش‌های شیمیایی به آن اشاره شد. در شرایطی که اکسیژن در دسترس نباشد، نرخ خوردگی به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد؛ به همین دلیل، روش‌های مختلفی برای محدود کردن نفوذ اکسیژن به داخل بتن به کار گرفته می‌شود. برای نمونه، توجه ویژه به تراکم مناسب بتن در حین اجرا، برای دستیابی به کاور بتنی متراکم و کم‌تخلخل، یکی از مؤثرترین راهکارها است؛ زیرا هرچه تخلخل بتن کمتر باشد، نفوذپذیری آن نسبت به اکسیژن نیز به همان نسبت کاهش می‌یابد.

هرچند دستیابی کامل به شرایط عاری از اکسیژن در عمل امکان‌پذیر نیست، اما هدف مهندسی، نزدیک شدن هرچه بیشتر به این شرایط ایده‌آل است. با کاهش نفوذ اکسیژن به داخل بتن، غلظت اکسیژن در سطح میلگردهای فولادی نیز کاهش می‌یابد و در نتیجه، اختلاف پتانسیل الکتریکی میان نواحی آندی و کاتدی کم می‌شود؛ این پدیده در اصطلاح فنی «قطبش» (Polarization) نامیده می‌شود. دیاگرام ایوانز (Evans Diagram)، ابزاری گرافیکی برای نمایش این پدیده است که در آن، منحنی‌های قطبش واکنش‌های آندی و کاتدی به‌طور جداگانه رسم می‌شوند. این دو منحنی در نقطه‌ای به نام نقطه‌ی P به یکدیگر می‌رسند؛ نقطه‌ای که در آن غلظت جریان آندی و کاتدی با یکدیگر برابر است. این نقطه، معرف نرخ واقعی خوردگی سیستم است؛ شدت جریان در این نقطه با نماد Icorr و پتانسیل الکتریکی متناظر با آن، با عنوان پتانسیل خوردگی و نماد Ecorr شناخته می‌شود.

دومین عامل مهم و تأثیرگذار بر نرخ خوردگی، سهولت یا دشواری حرکت یون‌ها در داخل حفره‌های بتن و در اطراف میلگرد فولادی است. اگر حرکت یون‌ها به‌طور کامل متوقف شود یا با سرعت بسیار کمی صورت گیرد، نرخ خوردگی نیز به همان نسبت کاهش یافته و در حالت ایده‌آل، می‌توان انتظار توقف کامل آن را داشت. این وضعیت زمانی محقق می‌شود که بتن اطراف میلگردها از مقاومت الکتریکی بسیار بالایی میان نواحی آندی و کاتدی برخوردار باشد. به همین دلیل، اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی بتن اطراف فولاد، ابزاری کاربردی برای برآورد تقریبی نرخ خوردگی و شدت واکنش‌های شیمیایی مرتبط با آن به شمار می‌رود. روش‌های متعددی برای اندازه‌گیری نرخ خوردگی از طریق سنجش مقاومت الکتریکی بتن وجود دارد که در فصل‌های بعدی این مجموعه به‌تفصیل بررسی خواهند شد.

عامل دیگری که می‌تواند نرخ خوردگی را تحت تأثیر قرار دهد، وجود هم‌زمان فلزات متفاوت در کنار یکدیگر است. برخی فلزات با اکسیژن واکنش داده و یک لایه‌ی نازک اکسیدی به ضخامتی در حدود ۰.۰۱ میکرومتر از جنس همان فلز، در اطراف سطح فولاد تشکیل می‌دهند. اگر این لایه پایدار بماند، در برابر بسیاری از شرایط محیطی از تخریب فولاد جلوگیری می‌کند. زمانی که فولاد در داخل یک محیط مایع قرار می‌گیرد و همین لایه‌ی محافظ نیز حفظ می‌شود، از جریان یون‌ها در محلول اطراف میلگرد به‌طور قابل‌توجهی کاسته می‌شود و در نتیجه، نرخ خوردگی می‌تواند تا نزدیک به صفر کاهش یابد.

این لایه، برای فولاد مسلح‌کننده، همان لایه‌ی حفاظتی غیرفعالی است که پیش‌تر به آن اشاره شد و نخستین خط دفاعی در برابر خوردگی به شمار می‌رود؛ نمونه‌ی بارز این پدیده را می‌توان در فولاد ضدزنگ (Stainless Steel) مشاهده کرد. این نوع فولاد حاوی مقادیر مشخصی کروم، نیکل و برخی فلزات دیگر است که پایداری لایه‌ی غیرفعال محافظ را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهند. در صورتی که محلول اطراف میلگرد (معمولاً آب موجود در حفره‌های بتن) از غلظت بالایی از یون هیدروکسید (OH⁻) برخوردار باشد، این لایه‌ی محافظ به‌طور پایدار باقی می‌ماند.

با این حال، هنگامی که این لایه تحت تأثیر یون‌های کلرید (Cl⁻) قرار می‌گیرد یا غلظت یون هیدروکسید در حفره‌های بتن به دلیل نفوذ کربنات‌ها کاهش می‌یابد، حفره‌ها یا چاله‌های کوچکی بر سطح فولاد شکل می‌گیرند. با گسترش این حفره‌ها و به‌هم‌پیوستن آن‌ها، لایه‌ی غیرفعال به‌طور کامل از بین می‌رود و روند زنگ‌زدگی آغاز می‌شود. به‌طور کلی، می‌توان انتظار داشت که فرایند خوردگی فولاد در داخل بتن، تابعی از زمان باشد. برای مدل‌سازی این رفتار زمانی، معمولاً سه مرحله‌ی اصلی زیر در نظر گرفته می‌شود:

• دوره‌ی شروع: از نخستین روز اجرای سازه تا زمانی که فولاد در پوشش لایه‌ی محافظ غیرفعال داخل بتن قرار می‌گیرد. در این بازه، تغییرات محیطی که به‌تدریج در حال وقوع هستند، ممکن است در نهایت به فروپاشی این لایه‌ی محافظ منجر شوند.
• دوره‌ی خوردگی: از لحظه‌ی بی‌اثر شدن لایه‌ی غیرفعال آغاز می‌شود و تا رسیدن به مرحله‌ی سوم ادامه می‌یابد؛ در این بازه، خوردگی به‌طور قابل‌توجهی در سطح میلگرد گسترش می‌یابد.
• مرحله‌ی نهایی: زمانی فرا می‌رسد که به دلیل وسعت خوردگی، یکپارچگی سازه‌ای، عملکرد سرویس‌دهی یا حتی ظاهر سازه دیگر از نظر فنی یا زیبایی‌شناختی قابل‌قبول نیست.

در این مقاله، فرایند خوردگی فولاد در بتن از منظر مکانیزم‌های شیمیایی، دلایل بنیادین شکل‌گیری آن، واکنش‌های الکتروشیمیایی مرتبط، نحوه‌ی حرکت الکترون‌ها و مراحل تشکیل اکسیدهای آهن مورد بررسی قرار گرفت. همچنین اشکال مختلف خوردگی از جمله خوردگی یکنواخت، خوردگی حفره‌ای، خوردگی سیاه و خوردگی میکروبی معرفی شدند و عوامل کلیدی مؤثر بر نرخ خوردگی، از جمله حضور اکسیژن، مقاومت الکتریکی بتن و پایداری لایه‌ی غیرفعال، تشریح شد. درک دقیق مفهوم واکنش‌های آندی و کاتدی و نحوه‌ی شکل‌گیری الکترون در سطح فولاد، پیش‌نیاز اساسی برای طراحی و اجرای راهکارهای مؤثر حفاظت از میلگردهای فولادی در برابر خوردگی است. در ادامه‌ی این مجموعه، به بررسی دقیق‌تر عوامل تسریع‌کننده‌ی خوردگی مانند کربناسیون و نفوذ کلرید، و همچنین روش‌های عملی پیشگیری و ترمیم پرداخته خواهد شد.

سوالات متداول