انواع خوردگی میلگرد در بتن
بتن به عنوان یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی، به خاطر مقاومت فشاری بالا و قابلیت قالب گیری متنوع، جایگاه ویژه ای در صنعت ساخت وساز دارد. بااین حال، بتن به تنهایی توان تحمل نیروهای کششی را ندارد و برای جبران این ضعف، از میلگردهای فولادی درون آن استفاده می شود. هنگامی که بتن و فولاد در کنار هم قرار می گیرند، سازه ای به نام بتن مسلح شکل می گیرد که هم مقاومت فشاری و هم مقاومت کششی مطلوبی دارد. اما دوام این ترکیب، به پایداری میلگرد در برابر عوامل خورنده بستگی دارد. خوردگی میلگرد یکی از چالش های جدی مهندسی عمران است که می تواند عمر مفید سازه را به شدت کاهش دهد و هزینه های نگهداری را افزایش دهد.
اهمیت دوام بتن مسلح
دوام بتن مسلح، تنها به مقاومت اولیه آن مربوط نمی شود، بلکه به پایداری اجزای سازنده در طول زمان بستگی دارد. در یک سازه ی مقاوم، میلگرد باید در محیط قلیایی بتن پایدار بماند و در برابر نفوذ یون ها و گازهای مخرب محافظت شود. هرگونه شکست در این تعادل شیمیایی، آغازگر روند خوردگی است که نه تنها میلگرد را تخریب می کند بلکه بتن اطراف آن را نیز از درون می ترکاند. حفظ دوام بتن مسلح در واقع به معنای حفظ سرمایه، ایمنی و عمر مفید کل سازه است.
نقش میلگرد در مقاومت سازه
میلگرد نقش حیاتی در تحمل نیروهای کششی و خمشی دارد. در صورتی که این فولاد در اثر خوردگی دچار کاهش سطح مقطع شود، انتقال تنش میان فولاد و بتن مختل می گردد. این امر باعث ایجاد ترک های سطحی و در نهایت کاهش مقاومت سازه می شود. بنابراین، سلامت میلگرد نه تنها از دیدگاه ظاهری بلکه از نظر ساختاری نیز تعیین کننده است.
آگاهی از قیمت روز آهن به مهندسان کمک می کند تا در زمان انتخاب مصالح مقاوم در برابر خوردگی، تصمیم اقتصادی تری بگیرند.
تأثیر خوردگی میلگرد در بتن بر عمر مفید سازه ها
خوردگی میلگرد، فرآیندی تدریجی و در عین حال بی صداست. زمانی که یون ها و گازهای مهاجم به عمق بتن نفوذ می کنند، لایه ی محافظ قلیایی اطراف فولاد تخریب می شود و واکنش های الکتروشیمیایی آغاز می گردد. این واکنش ها سبب تشکیل زنگ آهن می شوند که حجم بیشتری نسبت به فولاد اولیه دارد و در نتیجه فشار داخلی بتن را افزایش می دهد. در ادامه، ترک ها گسترش یافته و مسیر نفوذ برای عوامل مخرب بیشتر باز می شود. نتیجه ی این چرخه، کاهش شدید عمر مفید سازه است.
هنگام برآورد هزینه های پروژه های بتن مسلح، بررسی قیمت میلگرد اهمیت زیادی دارد، زیرا نوع و کیفیت میلگرد بر دوام سازه در برابر عوامل خورنده تأثیر مستقیم دارد.
عوامل مؤثر بر خوردگی میلگرد در بتن
نفوذ یون کلرید
یون کلرید یکی از اصلی ترین دشمنان میلگرد در بتن است. این یون ها از طریق نفوذ از سطح بتن یا از مصالح آلوده وارد سازه می شوند و با شکستن لایه ی پسیو (محافظ) اطراف فولاد، باعث آغاز خوردگی می گردند.
منابع یون کلرید
مهم ترین منابع یون کلرید شامل آب دریا، نمک های یخ زدا، آب های زیرزمینی آلوده و حتی برخی افزودنی های نامرغوب است. در مناطق ساحلی یا جاده هایی که در زمستان با نمک ضدیخ پوشانده می شوند، این خطر چند برابر است.
مکانیزم نفوذ و اثر آن بر فولاد
یون های کلرید از طریق منافذ موئینه ی بتن به صورت تدریجی نفوذ می کنند. هنگامی که غلظت آن ها به سطح میلگرد می رسد، با آهن واکنش داده و سلول های خوردگی را فعال می کنند. نتیجه ی این واکنش، زنگ زدگی شدید و افت استحکام فولاد است.
کربناسیون بتن
کربناسیون، فرآیندی طبیعی است که در اثر واکنش دی اکسید کربن موجود در هوا با هیدروکسید کلسیم در بتن رخ می دهد.
فرآیند واکنش CO₂ با هیدروکسید کلسیم
در این فرآیند، CO₂ به داخل بتن نفوذ کرده و با Ca(OH)₂ ترکیب می شود تا کربنات کلسیم تشکیل دهد. این واکنش باعث مصرف مواد قلیایی و کاهش خاصیت محافظتی محیط بتن می شود.
کاهش pH و تخریب لایه ی محافظ میلگرد
با کاهش pH از حدود ۱۳ به کمتر از ۹، لایه ی پسیو اطراف فولاد ناپایدار می شود. در چنین شرایطی، حتی وجود مقدار کمی رطوبت می تواند واکنش های خوردگی را فعال کند.
رطوبت و اکسیژن
رطوبت و اکسیژن دو عامل ضروری برای تداوم خوردگی هستند. بدون حضور آب، واکنش های الکتروشیمیایی صورت نمی گیرد و بدون اکسیژن نیز فرآیند اکسیداسیون ناقص می ماند.
تأثیر سیکل های تر و خشک
تغییرات متناوب بین حالت تر و خشک، میزان نفوذپذیری بتن را افزایش می دهد. در این حالت، اکسیژن تازه در زمان خشک شدن وارد منافذ می شود و فرآیند خوردگی شتاب می گیرد.
نقش تهویه و ترک های بتن
وجود ترک ها، مسیر مستقیم برای ورود اکسیژن و یون ها فراهم می کند. بتن های دارای تراکم پایین یا عمل آوری ناقص، بیش از سایر موارد مستعد خوردگی هستند.
در پروژه های ظریف تر مانند کف سازی و فونداسیون سبک، استفاده از میلگردهای نازک تر متداول است و آشنایی با قیمت میلگرد ۸ می تواند به مدیریت بهتر هزینه ها کمک کند.
انواع خوردگی میلگرد در بتن
خوردگی یکنواخت (Uniform Corrosion)
در این نوع خوردگی، سطح فولاد به صورت نسبتاً همگن مورد حمله قرار می گیرد. شدت آن معمولاً در شرایطی که بتن آلوده به کلرید یا کربناته شده است، افزایش می یابد. این نوع خوردگی به تدریج موجب کاهش سطح مؤثر میلگرد و در نتیجه افت مقاومت بتن می شود.
خوردگی حفره ای (Pitting Corrosion)
خوردگی حفره ای از خطرناک ترین انواع خوردگی است، زیرا به صورت موضعی رخ می دهد و باعث تشکیل حفره های عمیق در میلگرد می شود.
نحوه ی تشکیل حفره ها
در محل هایی که غلظت یون کلرید بیشتر است، لایه ی محافظ فولاد سریع تر تخریب می شود و خوردگی به صورت نقطه ای آغاز می گردد.
پیامدهای خطرناک
حفره های کوچک می توانند به شکست موضعی فولاد منجر شوند بدون اینکه نشانه ی ظاهری مشخصی روی بتن دیده شود.
خوردگی گالوانیکی (Galvanic Corrosion)
وقتی دو فلز با پتانسیل الکتریکی متفاوت در تماس با هم و در محیطی مرطوب قرار گیرند، خوردگی گالوانیکی رخ می دهد.
مثال در سازه ها
اتصال میلگرد معمولی با فولاد ضدزنگ یا قطعات فلزی دیگر می تواند موجب تشکیل سلول گالوانیکی شود. در این حالت، فلز فعال تر (آند) سریع تر خورده می شود.
خوردگی تنشی (Stress Corrosion Cracking)
این نوع خوردگی، ترکیبی از تنش های کششی و محیط خورنده است. فولادهایی که تحت تنش دائمی قرار دارند، در حضور یون های مخرب مستعد ترک خوردگی می شوند. این ترک ها ممکن است در ابتدا میکروسکوپی باشند اما با گذشت زمان به شکست کامل منجر می شوند.
خوردگی میکروبی (Microbiologically Influenced Corrosion)
در محیط های فاضلابی یا مرطوب، برخی باکتری ها قادرند ترکیبات سولفیدی و اسیدی تولید کنند که فولاد را مورد حمله قرار می دهد. این نوع خوردگی معمولاً در سازه های زیرزمینی یا لوله کشی های بتنی مشاهده می شود.
انتخاب میلگرد مناسب برای تیرها و ستون ها نیازمند بررسی هم زمان مقاومت و قیمت میلگرد ۱۰ است تا تعادلی میان دوام سازه و صرفه جویی اقتصادی برقرار شود.
روش های شناسایی و ارزیابی خوردگی میلگرد در بتن
آزمایش های غیرمخرب
برای پایش وضعیت میلگردها بدون تخریب بتن، از روش های الکتروشیمیایی استفاده می شود.
روش نیم پتانسیل (Half-Cell Potential)
در این روش، با اندازه گیری اختلاف پتانسیل بین سطح بتن و الکترود مرجع، احتمال خوردگی تعیین می شود.
مقاومت الکتریکی بتن
هرچه مقاومت الکتریکی بتن کمتر باشد، امکان جریان یون ها و در نتیجه خوردگی بیشتر خواهد بود. این پارامتر شاخص مناسبی برای ارزیابی دوام بتن است.
آزمایش های مخرب
در مواقعی که نشانه های خوردگی شدید باشد، بخشی از بتن برداشته شده و میلگرد مستقیماً بررسی می گردد.
نمونه برداری از میلگرد
بررسی ظاهری و اندازه گیری ضخامت باقیمانده، وضعیت خوردگی را مشخص می کند.
تحلیل شیمیایی محصولات خوردگی
از طریق آنالیز ترکیبات زنگ آهن، می توان نوع واکنش های انجام شده و منشأ خوردگی را شناسایی کرد.
راهکارهای پیشگیری و کنترل خوردگی میلگرد در بتن
طراحی مناسب بتن
در طراحی بتن باید نفوذپذیری به حداقل برسد. انتخاب دانه بندی مناسب و تراکم کافی از نفوذ یون های کلرید و CO₂ جلوگیری می کند.
انتخاب نسبت آب به سیمان مناسب
نسبت پایین آب به سیمان موجب کاهش تخلخل بتن می شود و از انتقال رطوبت و یون ها به میلگرد جلوگیری می کند.
استفاده از مواد افزودنی ضدخوردگی
افزودنی هایی مانند نیتریت کلسیم یا مهارکننده های آلی می توانند با ایجاد لایه ی محافظ روی فولاد، سرعت خوردگی را کاهش دهند.
پوشش ها و محافظت فیزیکی
پوشش مناسب روی میلگرد از تماس مستقیم آن با محیط خورنده جلوگیری می کند.
پوشش اپوکسی
اپوکسی به عنوان یک عایق مؤثر، مانع عبور رطوبت و کلرید می شود و در پروژه های ساحلی بسیار پرکاربرد است.
گالوانیزه کردن میلگرد
در این روش، لایه ای از روی بر سطح میلگرد پوشانده می شود تا به عنوان آند فداشونده عمل کند و از فولاد اصلی محافظت نماید.
روش های الکتروشیمیایی
حفاظت کاتدی
در این روش، با اعمال جریان خارجی یا نصب آندهای فداشونده، میلگرد در وضعیت کاتد قرار می گیرد و واکنش اکسیداسیون متوقف می شود. این روش در سازه های حیاتی نظیر پل ها و اسکله ها کاربرد فراوانی دارد.
سؤالات متداول
آیا همه ی میلگردها به یک اندازه دچار خوردگی می شوند؟
خیر. نوع فولاد، پوشش سطحی، و محیط قرارگیری در میزان خوردگی تأثیر مستقیم دارند. فولادهای آلیاژی و گالوانیزه مقاومت بیشتری دارند.
آیا افزودن پوشش اپوکسی بر دوام بتن تأثیر منفی دارد؟
خیر، در صورتی که به درستی اجرا شود، پوشش اپوکسی نه تنها دوام را کاهش نمی دهد بلکه از نفوذ یون ها و رطوبت جلوگیری می کند.
چگونه می توان از آغاز خوردگی جلوگیری کرد؟
با استفاده از بتن متراکم، نسبت آب به سیمان پایین، مواد افزودنی ضدخوردگی و طراحی دقیق پوشش بتن روی میلگرد می توان خوردگی را به طور مؤثر کنترل کرد.
