یکی از موضوعاتی که تأثیر مستقیمی بر عمر مفید سازههای بتنی دارد، رعایت دستورالعملهای طراحی و اجرایی است که آییننامههای مختلف برای پیشگیری از خوردگی آرماتورهای فولادی در بتن تدوین کردهاند. ساخت هر سازه، سرمایهگذاری قابلتوجهی از زمان و هزینه است؛ بنابراین دقت در رعایت این ضوابط، همان دقتی است که از هدررفت این سرمایه در آینده جلوگیری میکند.
ضربالمثل «یک مثقال پیشگیری، بهتر از یک من درمان است» بهخوبی فلسفهی وجود این آییننامهها را نشان میدهد: رعایت نکات ایمنی در طراحی و اجرا، همیشه بهصرفهتر از تحمل هزینههای سنگین تعمیر و در مواردی، بازنگشتن سازه به استحکام اولیهاش است.
اغلب آییننامههای معتبر دنیا، برای کنترل خوردگی آرماتور، حداقل چهار محور مشترک را هدف قرار میدهند:
- تعیین حداکثر مجاز کلرید در بتن؛
- تعیین اجزا و طرح اختلاط کاور بتنی؛
- تعیین ضخامت پوشش بتنی (کاور)؛
- تعیین حداکثر مجاز عرض ترک بر اساس روش طراحی.
علاوه بر این، روش ساخت (بتن درجا، پیشساخته یا پیشتنیده) و شرایط اقلیمی حاکم بر سازه نیز در تدوین این ضوابط لحاظ میشود. شدیدترین شرایط خوردگی معمولاً در سازههای دریایی رخ میدهد؛ اسکلهها، سکوهای نفتی فراساحلی و پایههای پلهایی که مستقیماً در معرض آب دریا هستند، بهویژه در ناحیهای موسوم به ناحیه پاشش امواج (Splash Zone) یعنی بخشی از سازه که بهطور دورهای خیس و خشک میشود — بیشترین آسیبپذیری را در برابر خوردگی دارند. دستهی دیگری از سازههای در معرض خطر، پلهای واقع در مناطق سردسیر اروپا و آمریکای شمالی هستند که نمکپاشی جادهها برای ذوب یخ، منبع اصلی کلرید محسوب میشود.
در خاورمیانه و بهطور خاص در ایران، علاوه بر سازههای نزدیک آب دریا، ترکیب رطوبت نسبی بالا و دمای زیاد — بهویژه در نوار ساحلی خلیج فارس و دریای عمان — شرایط را برای خوردگی سریع فولاد بسیار مساعد میکند. به همین دلیل، هر کشور آییننامهی خود را متناسب با اقلیم، روشهای رایج کنترل کیفیت بتن و شیوههای اجرایی بومی تدوین کرده است. در ادامهی این مقاله، ضوابط آییننامههای آمریکا (ACI)، بریتانیا (BS)، اتحادیه اروپا (ENV 206)، مصر و ایران (آییننامه بتن ایران «آبا» و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان) بهصورت تطبیقی بررسی میشود.
حداکثر میزان مجاز کلرید در بتن
کلرید مخربترین عامل شروعکنندهی خوردگی آرماتور است و میتواند از افزودنیها، سنگدانههای حاوی نمک یا آب مصرفی در اختلاط بتن وارد آن شود؛ سهم سیمان در این میان معمولاً ناچیز و تحت کنترل صنعت سیمان است.
آییننامه آمریکا (ACI): کمیته ۳۵۷ ACI توصیه میکند آب مصرفی در بتن آرمه بیش از ۰.۰۷٪ و در بتن پیشتنیده بیش از ۰.۰۴٪ کلرید نداشته باشد.
آییننامه اتحادیه اروپا (ENV 206، مصوب ۱۹۹۲): محدودیت کلرید (نسبت به وزن سیمان) برای بتن ساده ۰.۰۱٪، برای بتن آرمه ۰.۰۴٪ و برای بتن پیشتنیده ۰.۰۲٪ تعیین شده و استفاده از هرگونه افزودنی حاوی کلرید یا کلرید کلسیم در بتن آرمه و پیشتنیده ممنوع است.
آییننامه مصر: یون کلرید در بتن سختشده در سن ۲۸ روزه نباید از حدود جدولشدهی این آییننامه فراتر رود؛ استفاده از افزودنی کلرید کلسیم برای بتن آرمه، پیشتنیده یا بتن دارای اجزای فلزی مدفون توصیه نمیشود و سقف یون کلرید در افزودنیها ۲٪ وزن ماده افزودنی یا ۰.۰۳٪ وزن سیمان (برای سیمان مقاوم در برابر سولفات) است.
آییننامه ایران (آییننامه بتن ایران «آبا» و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان): مبحث نهم که بر پایهی آییننامه بتن ایران و تا حدی با تکیه بر استاندارد ACI تدوین شده، در فصل ششم خود («پایایی/دوام بتن و میلگردهای فولادی») بهطور مشخص شرایط بتن مسلح در معرض یونهای کلرید را دستهبندی میکند. بر اساس این ضوابط، حداکثر نسبت وزنی کلرید محلول در آب (CL) در سنگدانهی ریز مصرفی در بتن آرمه ۰.۰۴ تعیین شده که همراستا با سقف اروپایی برای بتن آرمه است.
مبحث نهم همچنین برای مناطقی که همزمان با کلرید و سولفات مواجهاند — یعنی دقیقاً وضعیت حاکم بر سواحل خلیج فارس و دریای عمان — استفاده از سیمان نوع II (با یا بدون پوزولان) را ترجیح میدهد و در مورد سیمان نوع V (مقاوم سولفات) حداکثر مقدار C3A را به ۵٪ وزن سیمان محدود کرده است؛ زیرا C3A پایین در این نوع سیمان میتواند یونهای کلرید را آزاد نگه دارد و خوردگی آرماتور و فولاد پیشتنیدگی مدفون را تشدید کند. بهبیان دیگر، آییننامهی ایران بهطور خاص برای شرایطی طراحی شده که در آنجا کلرید و سولفات همزمان حضور دارند — وضعیتی که در آییننامههای اروپایی و آمریکایی به این شکل ترکیبی کمتر مورد توجه قرار گرفته است.
کنترل عملی محتوای کلرید بتن، در همهی این آییننامهها از طریق چند اقدام مشترک تأمین میشود: آزمایش افزودنیها پیش از مصرف، پرهیز از آب حاوی نمک در اختلاط یا عملآوری، و شستوشوی سنگدانهها برای زدودن نمک و ذرات ریز مضر.
مشخصات پوشش بتنی (کاور بتن)
کاور بتنی نخستین و مهمترین خط دفاعی در برابر خوردگی آرماتور است؛ ضخامت آن باید متناسب با نوع عضو سازهای و شدت شرایط محیطی تعیین شود.
استانداردهای بریتانیا
طبق استاندارد بریتانیا (BS 8110، مصوب ۱۹۸۵)، توانایی پوشش بتنی در محافظت از میلگرد به دو عامل بستگی دارد: ضخامت پوشش و کیفیت بتن (بتنی بدون ترک، متراکم، با چگالی بالا و نسبت آب به سیمان پایین). هرچه کیفیت بتن بالاتر باشد، به پوشش نازکتری نیاز است؛ ضخامت لازم در این آییننامه بر اساس شدت شرایط محیطی و نیز مقاومت و مشخصات مخلوط بتن (مقدار سیمان و نسبت آب به سیمان) تعیین میشود.
آییننامههای آمریکا (ACI)
آییننامه ACI جزئیات کمتری نسبت به استاندارد بریتانیا ارائه میدهد، اما حداقل ضخامت کاور بتن درجا را مشخص کرده است. برای بتن در معرض آبهای با شوری بالا مانند آب دریا، حداکثر نسبت آب به سیمان ۰.۴ و حداقل پوشش مجاز ۵۰ میلیمتر تعیین شده است. به دلیل خطای اجرایی رایج، توصیه میشود در نقشههای طراحی، ضخامت پوشش ۶۵ میلیمتر در نظر گرفته شود تا پس از اجرا، حداقل ۵۰ میلیمتر واقعی باقی بماند. در بتن پیشساخته، به دلیل کنترل کیفیت بهتر در کارخانه، پوشش کمتر از این مقادیر نیز مجاز است.
آییننامه اتحادیه اروپا
آییننامه ENV 206 (1992) جزئیترین رویکرد را دارد و مقاومت بتن، نسبت آب به سیمان، حداقل عیار سیمان و حداقل ضخامت پوشش را بهطور همزمان و متناسب با شرایط اقلیمی تعیین میکند. در نشانهگذاری مقاومت این آییننامه (مثلاً C30/37)، عدد اول مقاومت مشخصه مکعبی و عدد دوم مقاومت مشخصه استوانهای بر حسب مگاپاسکال است. اگر غلظت سولفات آب از ۵۰۰ میلیگرم بر کیلوگرم یا خاک از ۳۰۰۰ میلیگرم بر کیلوگرم بیشتر باشد، استفاده از سیمان مقاوم در برابر سولفات و پوشش محافظ اضافه روی سطح بتن توصیه میشود.
نکتهی مهمی که این آییننامه به آن پرداخته، تفاوت میان پوشش طراحی و پوشش واقعیِ اجراشده است. بررسیهای براون، گیوگان و بیکر (۱۹۹۳) نشان داد میانگین پوشش اجراشده در عمل حدود ۱۳.۹ میلیمتر بوده، در حالیکه پوشش طراحی ۲۵ میلیمتر در نظر گرفته شده بود — یعنی تقریباً نصف مقدار طراحی.
ون دیور (۱۹۷۵) نیز در بررسی پلها با پوشش طراحی ۳۸ میلیمتر، انحراف معیاری تا ۹.۵ میلیمتر مشاهده کرد. به همین دلیل، بنتور و یاگرمان (۱۹۸۹–۱۹۹۰) پیشنهاد دادند برای دستیابی به پوشش واقعی ۵۰ میلیمتر، در نقشهها و مشخصات فنی، پوشش طراحی حدود ۷۰ میلیمتر لحاظ شود. آییننامه اروپا این انحراف اجرایی را رسماً پذیرفته و افزایش حداقل پوشش را از ۰ تا ۵ میلیمتر برای بتن پیشساخته و از ۵ تا ۱۰ میلیمتر برای بتن درجا الزامی کرده است.
شرایط بسیار شدید (سازههای فراساحلی)
برای سازههای فراساحلی که مستقیماً در معرض آب دریا هستند (بنادر، سکوهای نفتی)، کمیته ۳۵۷ ACI مشخصاتی جداگانه بر اساس روش ساخت (بتن آرمه یا پیشتنیده) و محدودیتهای مقاومت و نسبت آب به سیمان ارائه کرده است. بحرانیترین بخش این سازهها همان ناحیهی پاشش امواج است که بهطور دورهای بین غوطهوری کامل و مواجهه با هوا در نوسان است. استاندارد بریتانیا نیز برای این نوع سازهها، رابطهی میان درجهی اختلاط، کیفیت بتن و ضریب نفوذ کلرید را با عمر مفید مورد انتظار سازه پیوند داده است.
آییننامه مصر
آییننامه مصر ضخامت پوشش را بر اساس نوع تنش سطح بتن (کششی یا غیر آن) و چهار دستهی محیطی مشخص کرده است. با تعیین مقاومت بتن و نوع عضو سازهای، ضخامت لازم از جدول مربوطه استخراج میشود. این آییننامه تصریح میکند که در هر حالت، پوشش بتنی نباید از بزرگترین قطر میلگرد مصرفی کمتر باشد.
ضوابط ایران: مبحث نهم مقررات ملی ساختمان
مرجع اصلی طراحی و اجرای سازههای بتنآرمه در ایران، مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای ساختمانهای بتنآرمه) است که بر پایهی آییننامه بتن ایران (آبا) — نخستینبار تدوینشده در دههی ۱۳۵۰ توسط سازمان برنامه و بودجه — و با بهرهگیری از رویکرد ACI شکل گرفته است. این آییننامه از ابتدا با توجه ویژه به شرایط اقلیمی ایران نوشته شده است.
فصل ششم مبحث نهم بهطور کامل به «پایایی (دوام) بتن و میلگردهای فولادی» اختصاص دارد و موضوعاتی مانند مکانیزمهای کاهندهی پایایی، ضوابط ویژه برای افزایش پایایی در شرایط محیطی گوناگون، دستهبندی شرایط محیطی و الزامات بتن مسلح در معرض یونهای کلرید، تخمین عمر مفید ساختمان، دوام در برابر چرخههای یخزدن و آبشدن، تدابیر احتیاطی در محیطهای سولفاتی و پوشش بتنی روی میلگردها (بند ۹-۶-۸) را در بر میگیرد. طبق بند ۶-۸-۱ این مبحث، پوشش بتنی بهصورت حداقل فاصلهی بین رویهی خارجیترین میلگردها (طولی و عرضی) تا نزدیکترین سطح آزاد بتن تعریف میشود و حداقل ضخامت آن بسته به نوع عضو (تیر، ستون، فونداسیون، دیوار) و شدت شرایط محیطی (ملایم، متوسط، شدید) تعیین میشود.
دستهبندی شرایط محیطی مبحث نهم، مشابه رویکرد بریتانیا و اروپا، بر مبنای شدت مواجهه تنظیم شده است؛ برای نمونه، «شرایط محیطی شدید» شامل ساختمانهای نزدیک ساحل که در معرض بادهای حاوی یون کلرید هستند و همچنین بخشهایی از سازه که در تماس دائم با خاک بالای ناحیهی مویینگی یا زیر آب قرار دارند، میشود.
نکتهی متمایزکنندهی آییننامه ایران، توجه ویژهای است که به مناطق ساحلی خلیج فارس و دریای عمان — معادل ایرانیِ همان «ناحیه پاشش امواج» که در آییننامههای بینالمللی توضیح داده شد — اختصاص داده است. بند ۹-۸-۳ مبحث نهم، ضوابط اجرایی ویژهای برای بتنریزی در این مناطق تعیین میکند: انجام آزمایشهای جذب و نفوذ آب برای تمام پروژههای حاشیهی خلیج فارس و دریای عمان الزامی است؛
برای سازههایی که در معرض جزر و مد یا پاشش مستقیم آب دریا هستند یا تا فاصلهی ۱۰۰۰ متری از ساحل قرار دارند، انجام حداقل یکی از چند آزمایش تعیینشده اجباری است؛ و برای سازههای دریایی در تماس مستقیم با آب دریا یا واقع در فاصلهی ۵۰۰ متری از ساحل، آزمایش نفوذ مهاجرتی کلرید بهشدت توصیه میشود. برای این مناطق که همزمان با کلرید و سولفات مواجهاند، سیمان نوع II (با یا بدون پوزولان) ترجیح داده میشود.
در خصوص مقاومت بتن، مبحث نهم حداقل مقاومت فشاری مشخصه (f′c) برای بتنهای معمولی و سبک را ۲۰ مگاپاسکال و حداکثر آن را ۵۰ مگاپاسکال تعیین کرده است؛ در ساختمانهای بلندتر از ۲۰ طبقه، این سقف تا ۷۰ مگاپاسکال نیز قابل افزایش است — رویکردی که همسو با تأکید آییننامههای اروپایی و آمریکایی بر ارتباط مستقیم میان مقاومت/کیفیت بتن و پوشش لازم برای دوام است.
روشهای اجرایی حفظ پوشش بتنی
صرفنظر از آییننامهی مورد استفاده، تضمین تطابق پوشش اجراشده با پوشش طراحی، به روشهای اجرایی درست وابسته است. رایجترین روش سنتی، استفاده از قطعات بتنی موسوم به «بیسکویت» (با ابعادی حدود ۵۰×۱۰۰ میلیمتر) است که با سیم فولادی به میلگردها بسته میشود. مزیت این روش ارزانی آن است، اما تردد کارگران روی میلگردها میتواند این قطعات را بشکند یا جابهجا کند و در نهایت پوشش واقعی را کاهش دهد.
روش رایجتر و مطمئنتر امروزی، استفاده از فاصلهگذارها (اسپیسرها) و «صندلیهای» پلاستیکی متناسب با قطر میلگرد و نوع عضو (دال، تیر، ستون) است که هزینهی کمی دارند و دقت بالایی در حفظ پوشش طراحیشده ارائه میکنند. استفاده از سنگدانههای زیر میلگرد بهجای فاصلهگذار استاندارد، امروزه در بیشتر آییننامهها ممنوع است، هرچند به دلیل ارزانی، هنوز در برخی ساختوسازهای کمهزینه در کشورهای در حال توسعه دیده میشود — با وجود آنکه هزینهی تعمیرات آتی ناشی از آن بهمراتب بیشتر خواهد بود.
استاندارد بریتانیا (BS 1881 Part 204) اندازهگیری پوشش پس از اجرا را با دستگاه الکترومغناطیسی (کاورمتر) الزامی کرده و رواداریهای مشخصی تعیین میکند: پوشش واقعی نباید بیش از ۵ میلیمتر کمتر از پوشش اسمی باشد، و در بالاترین حد، بسته به قطر میلگرد (تا ۱۲ میلیمتر، بین ۱۲ تا ۲۵ میلیمتر و بیش از ۲۵ میلیمتر)، انحراف مجاز بهترتیب ۵، ۱۰ و ۱۵ میلیمتر بیشتر از پوشش اسمی است. فاصلهگذارها باید مطابق BS 7973 نصب شوند و ساخت فاصلهگذار بتنی در محل کارگاه مجاز نیست. موقعیت آرماتور باید پیش و حین بتنریزی، بهویژه در مقاطع طرهای، بهدقت کنترل شود.
حداکثر عرض ترک مجاز
ترک در کاور بتنی مسیر ورود دیاکسید کربن، یون کلرید و اکسیژن را تسهیل کرده و روند خوردگی را تسریع میکند. کمیته ۲۲۴ ACI حداکثر عرض مجاز ترک را بر اساس شرایط محیطی تعیین کرده و رابطهای برای برآورد عرض مورد انتظار ترک ناشی از بار ارائه میدهد:
Wmax = 0.076 × β × fs × ∛(dc × A)
که در آن β نسبت فاصلهی الیاف کششی انتهایی تا محور خنثی به فاصلهی مرکز آرماتور تا محور خنثی، fs تنش محاسبهشده در آرماتور تحت بار خدمت (بر حسب ksi)، dc ضخامت پوشش یا کاور بتنی (اینچ) و A مساحت بتن متأثر از هر میلگرد است.
طبق بند ۱۰.۶.۴ ACI، اگر تنش تسلیم فولاد بیش از ۲۸۰ نیوتن بر میلیمتر مربع باشد، ترک خمشی در تیرها و دالهای یکطرفه در صورتی رضایتبخش تلقی میشود که ضریب z زیر مقادیر مشخصشده بماند (معادل عرض ترک ۰.۳۳ میلیمتر برای محیط خارجی و ۰.۴۱ میلیمتر برای محیط داخلی):
- محیط خارجی: z کمتر از ۲۵.۴ نیوتن بر میلیمتر
- محیط داخلی: z کمتر از ۳۰.۶ نیوتن بر میلیمتر
z = fs × ∛(dc × A)
که در آن fs بر حسب نیوتن بر میلیمتر مربع، dc ضخامت پوشش (میلیمتر) و A مساحت مؤثر کششی بتن اطراف آرماتور تقسیم بر تعداد میلگردهاست. اگر قطرهای مختلف میلگرد استفاده شود، تعداد معادل میلگردها از تقسیم کل سطح آرماتور بر سطح بزرگترین میلگرد به دست میآید.
جزئیات آرماتوربندی برای کنترل ترک
بر اساس رابطهی z، جزئیات زیر به کاهش عرض ترک کمک میکند:
- استفاده از نازکترین پوشش ممکن، متناسب با الزامات حفاظتی و شرایط محیطی؛
- در چیدمان چندردیفه با قطرهای مختلف، قرار دادن میلگرد درشتتر در ردیف نزدیکتر به الیاف کششی انتهایی؛
- ترجیح تعداد بیشتر میلگرد با قطر کوچکتر بهجای تعداد کمتر با قطر بزرگ (با فرض سطح فولاد یکسان)؛
- کمینهکردن فاصله بین ردیفهای میلگرد (با رعایت حداقل یک قطر میلگرد یا ۲۵ میلیمتر برای امکان پرشدن قالب توسط بتن).
ترک ممکن است ناشی از بار یا ناشی از چرخههای یخزدن-آبشدن، جمعشدگی پلاستیک یا واکنش قلیایی سنگدانهها باشد. پژوهشهای متعدد نشان میدهند همبستگی روشنی میان خوردگی و عرض ترکهای سطحی در محدودهی معمول تنش خدمت وجود ندارد؛ به همین دلیل، در بسیاری از آییننامههای بهروزتر، تمایز میان محیط داخلی و خارجی برای این منظور کنار گذاشته شده است. بیبی (۱۹۷۹) نشان داد بیشتر ترکها در جهت آرماتور فرعی رخ میدهند و اگرچه آرماتور فرعی بار مهمی تحمل نمیکند، از بین رفتن پوشش در اثر خوردگی میتواند بهسرعت به آرماتور اصلی نیز سرایت کند؛ بنابراین آرماتور فرعی و خاموتها باید همان سطح محافظت آرماتور اصلی را دریافت کنند.
ملاحظات طراحی در برابر کربناتاسیون
سرعت کربناتهشدن بتن را میتوان از طریق نرخ نفوذ دیاکسید کربن محاسبه کرد. دو بازهی زمانی کلیدی در این تحلیل مطرح است: ti، زمان لازم تا شروع خوردگی، و tp، زمان لازم برای گسترش خوردگی تا ترکخوردن و ریزش پوشش. مجموع این دو (t = ti + tp) مبنای طراحی برای کنترل خوردگی ناشی از کربناتاسیون است.
بنتور و یاگرمان (۱۹۹۰) رابطهی زیر را برای ti پیشنهاد کردند:
ti = √(dc ÷ K)
که در آن K ضریبی مرتبط با شرایط محیطی و کیفیت بتن و dc ضخامت پوشش بتنی است.
پاروت (۱۹۹۴) با فرضهایی دربارهی نفوذ CO₂ و ارتباط آن با محتوای CaO بتن، رابطهی زیر را برای عمق کربناتاسیون (D) ارائه داد:
D = √(a × K × tⁿ ÷ c)
که در آن K نفوذپذیری هوای کاور بتنی (بر حسب ۱۰⁻¹⁶ متر مربع) و تابعی از رطوبت نسبی است، n توانی نزدیک به ۰.۵۲ که با افزایش رطوبت نسبی بالای حدود ۷۰٪ کاهش مییابد، c محتوای CaO سیمان مصرفی (وابسته به تولید محلی سیمان) و a ضریبی تجربی معمولاً برابر ۶۴ است. زمان انتشار خوردگی (tp) نیز از رابطهی زیر برآورد میشود:
tp = CD ÷ CR
که CD عمق خوردگی لازم برای ترکخوردن پوشش (معمولاً حدود ۰.۱ میلیمتر) و CR نرخ خوردگی فولاد در دورهی انتشار است (وابسته به رطوبت نسبی(
با ترکیب این روابط، میتوان رابطهی میان ضخامت پوشش و عمر مفید سازه را بهصورت زیر نوشت:
D = √(۶۴K ÷ c) × √(t − tp÷CR)
با استفاده از این چارچوب و روابط تجربی بین مقاومت بتن در سن ۲۸ روز و سنهای بالاتر، میتوان نفوذپذیری هوای بتن K۶۰ و در نتیجه ضخامت پوشش لازم برای رسیدن به عمر مفید هدف (معمولاً ۷۵ سال در محاسبات مرجع) را برای شرایط اقلیمی مختلف تعیین کرد.
ملاحظات طراحی در برابر اثر کلریدها
عوامل اقلیمی مختلف — قرارگیری در معرض هوا (پلها، پارکینگها) یا غوطهوری در آب دریا (شمعهای بتنی) — نقش تعیینکنندهای در سرعت نفوذ کلرید دارند. رعایت صرف حداقل الزامات آییننامهای برای تضمین عمر مفید سازه کافی نیست، اما ساخت بتن نفوذناپذیر و افزودن لایههای محافظ میتواند عمر سازه را بهطور محسوس افزایش دهد.
سه پارامتر اصلی در محاسبهی طول عمر سازهی در معرض کلرید نقش دارند:
- ضریب نفوذ مؤثر (Deff): عمدتاً تابعی از کیفیت بتن است
- غلظت کلرید سطحی: بیشتر تحت تأثیر شرایط اقلیمی و تا حدی عیار سیمان است
- غلظت بحرانی کلرید برای شروع خوردگی (Ci) و ترکخوردن پوشش (Cp).
ضریب نفوذ
در نبود دادههای آزمایشگاهی مستقیم، ضریب نفوذ (Deff) را میتوان از طریق آزمایش مقاومت الکتریکی بتن یا آزمایش نفوذپذیری سریع کلرید (ASTM C1202) برآورد کرد. اگر R مقاومت الکتریکی بتن (بر حسب kΩ.cm) و Q بار عبوری در آزمایش نفوذپذیری سریع (بر حسب کولن) باشد:
Deff = 54.6 × ۱۰⁻⁸ × R⁻¹·⁰¹
Deff = 0.0103 × ۱۰⁻⁸ × Q⁻⁰·⁸⁴
بامفورث (۱۹۹۴) رابطهی مستقیمی میان Deff و مقاومت فشاری بتن ارائه داد، در حالیکه برک و هیکس (۱۹۹۲) این رابطه را از طریق نسبت آب به سیمان بیان کردند. هر دو رویکرد نشان میدهند افزایش دما نفوذپذیری کلرید را افزایش میدهد؛ بنابراین در طراحی سازه در اقلیم گرم — نظیر بسیاری از مناطق ایران — لازم است بتنی با نفوذپذیری بسیار پایین (نسبت آب به سیمان کم و در صورت امکان با افزودنیهای پوزولانی مانند دوده سیلیس یا خاکستر بادی) طراحی شود، چرا که این مواد افزودنی، برخلاف سیمان پرتلند معمولی، ضریب نفوذ را عمدتاً وابسته به نسبت آب به سیمان و شرایط عملآوری طولانیمدت میکنند نه صرفاً به مقاومت فشاری کوتاهمدت.
غلظت کلرید سطحی
بامفورث (۱۹۹۴) نشان داد افزایش عیار سیمان، غلظت کلرید سطحی را نیز افزایش میدهد: افزایش عیار از ۲۰۰ به ۴۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب، محتوای کلرید را حدود ۲۰٪ (به ۰.۵ تا ۰.۶٪) افزایش میدهد؛ اما افزایش از ۴۰۰ به ۶۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب، این محتوا را تا ۱۰۰٪ (به ۰.۶ تا ۱.۲٪) بالا میبرد. بر پایهی مطالعات میدانی، در سازههای فراساحلی کلرید سطحی تا مقدار ثابت حدود ۱۸.۷ کیلوگرم بر متر مکعب افزایش مییابد؛ در سازههای در معرض هوای نمکی (نه غوطهور)، این افزایش بهطور متوسط ۰.۱۵ کیلوگرم بر متر مکعب در سال است تا سقف حدود ۱۵ کیلوگرم بر متر مکعب.
غلظت بحرانی کلرید
بامفورث (۱۹۹۴) مقادیر Ci = 0.4٪ و Cp = 1.5٪ وزن سیمان (معادل ۰.۹ و ۳ کیلوگرم بر متر مکعب) را پیشنهاد کرد. برای بتن با عیار ۳۰۰ کیلوگرم سیمان بر متر مکعب، این مقادیر معادل Ci = 1.2 و Cp = 3 کیلوگرم بر متر مکعب میشود که با برآورد برک و هیکس (۱۹۹۲) همخوانی دارد.
محاسبهی طول عمر سازه
با ترکیب این سه پارامتر، میتوان طول عمر سازه یا ضخامت/کیفیت بتن لازم برای رسیدن به عمر هدف را محاسبه کرد. بامفورث نشان داد در حالت Cp = 1٪، طول عمر سازه اغلب کمتر از ۲۰ سال است؛ در حالیکه برای رسیدن به عمر ۵۰ ساله (یا ۱۲۰ ساله در معرض کلرید)، لازم است Deff به کمتر از ۱۰-۱۳ کاهش یابد — سطحی از کیفیت که تنها با بتن دارای افزودنیهای پوزولانی و مکمل بهراحتی قابل دستیابی است. بتنی با نسبت آب به سیمان معمول ۰.۴۵ که صرفاً حداقل الزام آییننامهای را برآورده میکند، در شرایط اقلیمی نامساعد و غلظت بالای کلرید، معمولاً کفایت لازم را ندارد و به پوششهایی در محدودهی ۵۰ تا ۷۵ میلیمتر نیاز پیدا میکند.
ملاحظات کلی طراحی
طراحی صحیح هر سازه مستلزم شناخت دقیق دو عامل است: کیفیت بتن مورد استفاده و شدت مواجههی سازه با عوامل محیطی خورنده در طول عمر بهرهبرداری آن. آییننامهی مصر و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران هر دو عوامل محیطی مؤثر بر سازههای بومی خود را با جزئیات دستهبندی کردهاند، همانطور که آییننامه اتحادیه اروپا نیز شرایط اقلیمی اروپایی را دستهبندی کرده است (این مجموعه در نسخهی نهایی آوریل ۱۹۹۷ بازنگری شد(.
در نهایت، برای دستیابی به بیشینهی عمر مفید سازه، چهار عامل باید همزمان و هماهنگ با آییننامهی مرجع تعیین شوند: ضخامت کاور بتنی، مقاومت مشخصهی فشاری بتن، عیار سیمان، و کنترل عرض ترک. برای پروژههای ایرانی، این یعنی ترکیب همزمان الزامات مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (که خود ریشه در آییننامه بتن ایران «آبا» و رویکرد ACI دارد) با توجه ویژه به ضوابط اجرایی اختصاصی مناطق ساحلی خلیج فارس و دریای عمان، جایی که مواجههی همزمان کلرید و سولفات، نیازمند دقتی فراتر از حداقلهای معمول آییننامهای است.
