ورود یون های کلرید در بتن

در حال حاضر جدی ترین علت مشکلات خوردگی موثر بر آرماتورها عبارت است از ورود نمک های کلرید به عنوان آلاینده های بتن، که می تواند هم در زمان ساخت آن (مثلا شکل 5-1) و هم در زمان قرارگیری بعدی آن در معرض محیط های مملو از کلرید مانند تماس با آب دریا یا نمک های یخ زدا، اتفاق بیفتد (مثلا شکل 5-2). در هر دو حالت، وجود غلظت بالای یون های کلرید در فاز الکترولیت قلیایی مجاور فولاد، می تواند موجب تخریب موضعی لایه محافظ بر روی فلز داخل بتن گردد، پدیده ای که حفره ای شدن نامیده می شود، که می تواند منجر به کاهش موضعی جدی سطح مقطع نواحی متاثر آرماتورها گردد، بدون آنکه نواحی مجاور، چندان تحت تاثیر قرار گیرند (مطابق شکل 5-6).

شکل 5-6- اثر حفره شوندگی کلریدی بر روی یک میلگرد

اثری که وجود یون های کلرید بر رفتار الکتروشیمایی فولاد در الکترولیت های قلیایی مانند هیدروکسید کلسیم دارند، توسط مجموعه ای از منحنی های قطبش آندی ارائه شده در شکل 5-4، نشان داده شده است. این منحنی ها نشان می دهند که با افزایش پیوسته غلظت یون های کلرید، محدوده پتانسیل هایی که در ان لایه محافظ، سالم باقی می ماند، کوچکتر می شود. آغاز فرآیند حفره ای شدن توسط افزایش شدیدی در چگالی جریان آندی در زمانی که پتانسیل فولاد از یک مقدار بحرانی تجاوز نماید، مشخص می گردد. این پتانسیل بحرانی که «پتانسیل حفره ای شدن» (Ep) نامیده می شود، به غلظت کلرید و pH الکترولیت بستگی دارد. برعکس، پس از آغاز حفره ای شدن، فولاد یک بازگشت را در پاسخ آندی خود نشان داده و تنها در صورتی که پتانسیل آن از Ep به سطحی به نام «پتانسیل تشکیل مجدد لایه محافظ» (Er) که وابسته به غلظت کلرید و pH الکترولیت می باشد کاهش می یابد، بازگشت به شرایط تشکیل لایه محافظ (تشکیل مجدد لایه محافظ) صورت می گیرد. شرایط الکتروشیمیایی فولاد با لایه محافظ در پتانسیل های کمتر از Er با عنوان «شرایط ایده آل تشکیل لایه محافظ» و در پتانسیل های موجود در محدوده Er تا Ep با عنوان «شرایط ناقص تشکیل لایه محافظ» نامیده می شود.

5-3- نقش پوشش بتنی

در گذشته، در آیین نامه های اجرایی مربوط به کاربرد سازه ای بتن، ضخامت و کیفیت پوشش بتنی برای آرماتورها، عوامل مهمی قلمداد می شوندکه میزان حفاظت فلز داخل بتن را تعیین می نمودند. مثلا در اواسط دهه 1970، آیین نامه اجرایی پیشین انجمن استانداردهای انگلستان برای کاربرد سازه ای بتن، 1972: CP110 (که در فوریه سال 1976 مورد اصلاح و تجدید نظر واقع شد) بیان می کرد که: «پوشش آرماتورها باید از طریق ملاحظات مقاومت در برابر آتش و دوام تحت شرایط محیطی موجود، تایین گردد». سپس جدولی براساس شرایط محیطی مختلف با تقسیم بندی «ملایم»، «متوسط»، «شدید» و «بسیار شدید» یا «شرایط در معرض نمک های یخ زدایی»، مقادیر اسمی ضخامت پوشش برحسب میلیمتر، متناسب با درجات مختلف بتن با مقاومت های مشخصه بین 20 تا 50 مگاپاسکال و یا بیشتر، تهیه گردد. همچنین در این آیین نامه ذکر شده بود که «پوشش واقعی نباید کمتر از پوش اسمی مورد نیاز منهای mm5 باشد». اما این توصیه ها براساس شناخت دقیق مکانیزم ها و سرعت فرآیندهای موجود، که موجب آسیب رسیدن به سازه های مورد نظر شده اند و یا براساس عمر کاری مورد انتظار سازه ها و الزامات ممکن نگه داری و ترمیم آنها، نبوده است. به کمک شناخت و درک پدیده های اتفاق افتاده، همچنین واضح است که محدوده ذکر شده برای پوشش و اندازه تنها mm5، در بسیاری از موارد، فرضی بسیار خوش بینانه می باشد.

یون کلر در بتن

تا اوایل دهه 1980، روشن گردید که برای طراحی سازه های بتن مسلحی که سطوح عملکردی مورد انتظار در محیط های خورنده با شدت های مختلف را برآورده نمایند، یک مبنای علمی تری مورد نیاز می باشد. این امر منجر به شکل گیری تلاش های منسجم تری در زمینه مدل سازی آسیب و تخریب بتن مسلح در چنین محیط هایی گردید و مدل ساده پیشنهاد شده توسط توتی (1982)، سهم عمده ای را در این زمینه به خود اختصاص داد که اساس و بنیانی را برای اغلب تحقیقات بعدی در این زمینه، ایجاد نمود. چنانکه در شکل 5-7 نشان داده شده است این مدل عمر خدمت دهی سازه قرار گرفته در معرض کربناسیون و یا ورود کلرید را در غیاب مداخله راهکارهای علاج بخشی، به صورت مجموع دو مولفه نشان می دهد:

شکل 5-7- مدل عمر بهره برداری برای بتن مسلح در معرض یک محیط خورنده

(الف) زمان تا لحظه آغاز یا «عمر ایمن» (t0)، که در طول آن، عوامل مهاجم به داخل ناحیه پوشش بتن نفوذ می کنند تا اینکه به غلظت کافی جهت از بین بردن لایه محافظ در سطح خارجی ترین آرماتورهای فولادی برسند؛
(ب) زمان انتشار یا «عمر باقیمانده» (tl)، که در طول آن، فولاد بدون لایه محافظ با نرخی که سرانجام به یک حالت حدی می رسد، خورنده می شود. این حالت حدی معمولا از طریق از بین رفتن قابلیت خدمت دهی که با ترک خوردگی یا تورق پوشش بتنی همراه است، قابل شناسایی می باشد.
براساس این مدل، به طور کلی اینگونه برداشت می شود که هدف از توصیه های موجود در آیین نامه های اجرایی در ارتباط با ضخامت پوشش بتنی آن است که تضمین نمایند، بجز در مواردی که شرایط محیطی بسیار ملایم باشد که در این صورت زمان انتشار (tl) را می توان به اندازه کافی طولانی فرض نمود (مثلا در فضاهای داخلی بسیار خشک درون ساختمان ها)، زمان آغاز (t0) باید نشان دهنده بخش عمده ای از عمر بهره برداری مورد نظر سازه باشد.