رفتار خوردگی میلگردهای فولادی در بتن

رفتار خوردگی میلگردهای فولادی و دوام محدود سازه‌های بتن مسلح، لزوم نیاز به تلاش تحقیقاتی گسترده با هدف ایجاد یک سطح کافی از دانش درباره خواص این ماده را اثبات می‌کند. در صورت به کارگیری صحیح تکنولوژی بتن، می‌توان عمر بهره برداری سازه‌های بتن مسلح را افزایش داد، هرچند اطمینان از حفاظت کامل در برابر عوامل مهاجم، به ویژه هنگام وقوع ترک خوردگی بتن یا عوامل تصادفی تخریب آن، دشوار است. بنابراین، تحت شرایط بحرانی خوردگی، تنها حفاظت بیشتر از مسلح سازی فولاد، مانند استفاده از چسب کاشت میلگرد می تواند دوام سازه را تضمین نماید.

میلگردهای گالوانیزه

در میان روش های موجود برای مقاوم سازی سازه های بتنی و بهبود مقاومت خوردگی مسلح سازی در بتن، اخیرا استفاده از میلگردهای گالوانیزه مورد توجه قرار گرفته است که مزیت این امر، هزینه نسبتاً پایین آنها نسبت به دیگر سیستم‌های حفاظتی است. روشن است که میلگردهای گالوانیزه، هزینه اولیه سازه‌های بتنی را افزایش می‌دهند، اما باتوجه به هزینه‌های بالای ترمیم، تعمیر و نگهداری در کل دوره عمر بهره‌برداری، این هزینه چندان زیاد نیست. اگرچه نتایج عملی خوبی در مراجع عملی گزارش شده است، اما مزایای استفاده از فولاد گالوانیزه در سازه‌های بتن مسلح، به دلیل برخی نتایج آزمایشگاهی متناقض، هنوز چندان مورد اطمینان نیستند.
در این مقاله رفتار خوردگی مسلح سازی گالوانیزه باوجود ناپیوستگی‌هایی در روکش روی مورد مطالعه قرار گرفته است. برای این منظور، چندین نمونه بتن مسلح ساخته شد. ناپیوستگی‌های روکش توسط یک قطعه کوچک میلگرد سیاه شبیه‌سازی شد که با دو میلگرد با سطح جانبی گالوانیزه سرهم شده و از نظر الکتریکی از یکدیگر جدا (عایق) شده بودند تا امکان اندازه گیری خارجی جریان خوردگی گالوانیکی فراهم گردد. این نمونه ها در معرض دوره های تر و خشک شدن با آب شیر و یک محلول کلرید سدیم قرار گرفتند.
در پایان این آزمایشات، کلیه نمونه ها شکسته شدند و میلگردهای داخلی به منظور ارزیابی چشمی حمله خوردگی، مورد بررسی قرار گرفتند.

روش های آزمایشگاهی برای بررسی حمله خوردگی

16 نمونه منشوری (CM 44×12×14) با استفاده از سیمان CEMII/A-L42.5R با یک نسبت آب به سیمان 7/0 ساخته شدند. این نمونه‌ها در راستای طولی با یک میلگرد (قطر برابر mm 12 و پوشش mm 15) مسلح شدند که از طریق سرهم نمودن سه میلگرد با عایق کاری الکتریکی ساخته شده بود: دو میلگرد با سطح جانبی گالوانیزه (قسمت های آندی) با طول یکسان و یک قطعه میلگرد سیاه (قسمت کاتدی) در وسط. چهار نوع متفاوت از میلگردها با نسبت‌های مساحت سطح آندی به کاتدی مختلف، S_a/S_c ساخته شدند که در جدول  ارائه شده است.

دو ملیگرد سرهم شده (5/7 و 20= S_a/S_c) را که آماده قالب گیری هستند، نشان می‌دهد. سرهم نمودن و عایق کاری الکتریکی با یک حائل PVC که در شکل نشان داده نشده است و رزین اپوکسی بین دو میلگرد با گالوانیزه جانبی و میلگرد سیاه مرکزی صورت گرفت. در شکل، سیم‌های الکتریکی برای اندازه‌گیری‌های پتانسیل و جریان الکتریکی خارجی به وضوح قابل مشاهده است. مقادیر Sa و Sc به خوبی از طریق پوشش دادن میلگردها با رزین اپوکسی مشخص شدند.

چهار نمونه بتنی برای تمام مقادیر S_a/S_c تهیه و آماده گردید: دو نمونه برای هر نوع از شرایط محیطی. کلیه نمونه‌ها سه روز پس از بتن‌ریزی از قالب باز شدند. شرایط محیطی عبارت بودند از دوره های تر و خشک شدن با آب شیر و دوره های تر و خشک شدن با محلول NaCl 5% دوره‌های تر و خشک شدن پس از 28 روز عمل‌آوری در هوا اعمال شده و شامل 5 روز خشک شدن و 2 روز تر شدن بودند. در طول دوره آزمایش، برخی دوره‌های طولانی‌تر خشک شدن نیز وجود داشت.

در کل دوره آزمایش (حدود 270 روز)، اتصال گالوانیکی بین میلگردهای گالوانیزه و میلگرد سیاه به صورت خارجی از طریق ایجاد اتصال کوتاه سیم‌های لحیم شده به هر یک از قطعات برقرار می شد.

نسبت های مساحت سطح آندی به کاتدی مختلف برای چهار نوع متفاوت از میلگردها

توضیح عکس: دو میلگرد سرهم شده با 20= S_a/S_c (بالا) و 5/7= (پایین)، به منظور مطالعه حفاظت گالوانیکی در صورت وجود ناپیوستگی‌هایی در روکش

جریان اتصال کوتاه بین قسمت آندی(دو میلگرد گالوانیزه) و قسمت کاتدی (میلگرد سیاه) با استفاده از یک آمپرسنج با مقاومت صفر AMEL Mod.668 کنترل می‌شد. به علاوه، اندازه گیری‌های پتانسیل با یک الکترود کالومل (SCE) به عنوان یک مرجع، هم در هنگام شرایط اتصال و هم در مدت شرایط خوردگی آزاد پس از 5/1 ساعت در اتصال آزاد انجام گرفت.
دو نمونه دیگر از یک نوع اما بدون مسلح سازی نیز ساخته شد و در معرض حوضچه محلول NaCl 5% قرار گرفت تا عمق نفوذ کلرید در مدت دوره‌های تر و خشک شدن به صورت دوره‌ای تعیین گردد.

در دو وضعیت محیطی مختلف، مقاومت الکتریکی بتن نیز به منظور مطالعه کنترل اُهمی ممکن خوردگی گالوانیکی، مورد ارزیابی قرار گرفت. چهار نمونه معکبی (cm 15×15×15)، 2 نمونه برای هر یک از شرایط محیطی، با سیمان و نسبت آب به سیمان یکسان همانگونه که در بالا ذکر شد، ساخته شدند. دو صفحه از جنس فولاد ضدزنگ ( (cm 15×18در میان این نمونه‌ها به صورت قائم با فاصله cm 11 قرار داده شد. اندازه‌گیری‌های رسانایی در کل دوره آزمایش خوردگی با استفاده از یک رسانایی سنج دیجیتال AMEL Mod 160 صورت گرفت که تنظیمات آن بر روی سیگنال سینوسی پیک تا پیک mV 50 و فرکانس kHz 1 قرار گرفت.

نتایج آزمایشات

بلافاصله پس از قالب‌گیری بتن، فولاد گالوانیزه دارای حالت مقاومی با یک پتانسیل خوردگی آزاد حدود mV 1350- تا mV 1400- بود، در حالی که فولاد سیاه مقادیر پتانسیل خوردگی mV 400- تا mV 520- را نشان داد. پس از اتصال گالوانیکی قسمت‌های آندی و کاتدی، فولاد گالوانیزه، فولاد سیاه را به صورت کاتدی قطبیده می‌کند که مقادیر پتانسیلی در محدوده 850- تا mV 1050- انتظار می‌رود که بسیار نزدیک به شرایط ایمنی ترمودینامیکی برای فولاد است. یک روز پس از قالب‌گیری، روکش روی با یک مقدار پتانسیل خوردگی آزاد نسبی 750- تا mV 850- به حالت مقاوم درآمد؛ خوردگی گالوانیکی در مورد 80= S_a/S_c و 40= S_a/S_c تحت کنترل کاتدی درآمد؛ این کنترل برای 20= S_a/S_c اندکی آندی شد و برای 5/7= S_a/S_c کاملاً به صورت آندی درآمد.

جریان های اتصال کوتاه در طول روزهای اولیه پس از قالب گیری، بسیار بالا بودند و این جریان ها از یک مقدار حداقل µA 300 تا یک مقدار حداکثر µA 1000 با کاهش نسبت S_a/S_c تغییر نمودند. این موضوع نشان می دهد که افزایش در سطح بدون پوشش فولاد منجر به مصرف بیشتر روکش روی مجاور می گردد. دوره های تر و خشک شدن پس از 28 روز عمل آوری، آغاز گردید.

بررسی مسلح سازی (میلگردها)

در پایان دوره قرارگیری در شرایط محیطی، کلیه میلگردها به منظور مقایسه شرایط خوردگی به صورت مشاهده ای با داده های به دست آمده از طریق اندازه گیری های الکتروشیمیایی، مورد بررسی قرار گرفتند. بر روی میلگرد سیاه قرار گرفته در داخل نمونه هایی که در معرض دوره های تر و خشک شدن با آب شیر و دوره های تر و خشک شدن با محلول NaCl قرار گرفته بودند، هیچگونه زنگ قرمزرنگی مشاهده نگردید. این ناپیوستگی‌های شبیه‌سازی‌شده روکش روی حتی در صورت دم رسیدن مقادیر پتانسیل به ایمنی ترمودینامیکی، از طریق حفاظت کاتدی ناشی از فلز روی مجاور، در برابر خوردگی محافظت شده‌اند.

میلگردهای گالوانیزه قرار گرفته در داخل نمونه‌های در معرض دوره‌های تر و خشک شدن با آب شیر، دچار خوردگی نشده بودند، به جز میلگردهایی که به بزرگ‌ترین میلگردهای گالوانیزه سیاه متصل شده بودند (5/7= S_a/S_c). در این مورد، در نزدیکی اتصالات میلگرد، میلگردهای گالوانیزه بر اثر مصرف لایه خارجی از روکش خالص (فازη)، تیره به نظر می‌رسیدند که این پدیده ناشی از ظاهر شدن لایه آلیاژ Zn-Fe زیرین بر روی سطح است.

توضیح تصویر: تصاویر فلزشناسی از مقطع عرضی میلگرد گالوانیزه در ناحیه ای نزدیک به درز اتصال با میلگرد فولادی سیاه با 5/7= S_a/S_c :a))میلگرد گالوانیزه در نمونه مدفون شده و در معرض چرخه های تر و خشک شدن با آب شیر قرار گرفته است؛ (b) میلگرد گالوانیزه در نمونه مدفون شده و در معرض چرخه های تر و خشک شدن با محلول NaCl قرار گرفته است.

در حضور یون های کلرید، حمله خوردگی روکش روی در نزدیکی میلگرد سیاه برای کلیه مقادیر S_a/S_c تشخیص داده شد: برای نمونه های با نسبت بالای S_a/S_c (80، 40)، بسیار کم و برای نسبت های پایین تر S_a/S_c (20، 5/7) نسبتا زیاد بود. به خصوص برای نمونه های با 5/7= S_a/S_c، روکش روی در نزدیکی اتصالات با فولاد سیاه، به شدت خورده شده بود و حمله موضعی به داخل لایه های آلیاژ Fe-Zn نفوذ کرده و منجر به آسیب موضعی روکش روی شده. این نشان می دهد که هرچه ناپیوستگی موجود در روکش روی که قرار است حفاظت شود بزرگ تر باشد، خوردگی روی مجاور بیشتر خواهد بود. با توجه به نمونه های ساخته شده در این مطالعه، نتایج آزمایشگاهی به دست آمده، اثر حفاظتی مفید روکش روی در برابر خوردگی فولاد را نشان می دهند، حتی زمانی که ناپیوستگی هایی به بزرگی cm 4 وجود داشته و سطح بالایی از کلرید به میلگردها برسد. باوجود این، یک ناپیوستگی بزرگتر، خوردگی بیشتر روی مجاور را به یک ناپیوستگی کوچکتر موجب می شود و میلگردهای گالوانیزه، در صورت کوچکتر بودن ناپیوستگی ها، حفاظت کاتدی مؤثرتری را نتیجه می‌دهند.

نتیجه مسلح سازی میلگردها

آزمایشات آزمایشگاهی به منظور شبیه سازی شرایط واقعی میلگردهای مسلح سازی در سازه های بتنی انجام گرفت. قطعاتی از فولاد بدون پوشش به فولاد گالوانیزه متصل شده و در بتن بدون کلرید و بتن آلوده به کلرید قرار داده شدند تا شبیه سازی نقص های سطح گالوانیزه ناشی از خم شدن یا جوشکاری که ممکن است با حفظات کاتدی از طریق روکش روی مجاور محافظت گردد، انجام شود. پتانسیل های اتصال کوتاه اندازه گیری شده نشان می دهند که روی در فولاد گالوانیزه، حفاظت کاتدی را در مرود فولاد بدون پوشش برای کلیه نسبت های بررسی شده، اعمال می نماید. به خصوص آنکه روی، از طریق افزایش آستانه غلظت کلرید که می تواند موجب خوردگی موضعی فولاد بدون پوشش شود، باعث «پیشگیری کاتدی» در برابر حمله کلریدی می‌شود. آسیب به روکش روی، به شدت خورندگی محیط اطراف میلگردها و ابعاد نقص، بستگی دارد. به طور دقیق‌تر، در غیاب کلریدها، «اثر ماکروسل» مستقل از نسبت بسیار اندک است. باوجود این، در محیط‌های خورنده‌تر، به دلیل حضور کلرید، روکش روی همواره دوام مسلح سازی در برابر خوردگی را از طریق اثر مفید حفاظتی افزایش می‌دهد، حتی هنگامی که ناپیوستگی‌های بزرگی در روکش وجود داشته و سطوح بالایی از کلرید به میلگردها برسد. در این شرایط، هرچند ناپیوستگی‌هایی با اندازه تا cm 4 نیز از طریق روی مجاور حفاظت شده‌اند،  اما ناپیوستگی‌های بزرگ تر از cm 1 می‌توانند برای پدیده خوردگی روکش روی، بحرانی تلقی گردند.

ارائه تست های غیرمخرب بتن ر کلینیک بتن ایران

در این مقاله سعی کردیم تا شما عزیزان را با رفتار خوردگی فولادی در بتن آشنا کنیم. برای اطلاعات بیشتر درباره افزودنی های بتن و قیمت چسب بتن می توانید به مجموعه کلینیک بتن www.clinicbeton.ir مراجعه کنید.

تولید و استفاده از مواد افزودنی بتن، بخش مهمی از تکنولوژی بتن و مخلوط‌های بتنی است. نوآوری و فناوری در زمینه بتن، مواد افزودنی بتن، شیمی بتن، فرآورده‌های شیمیایی بتن، فرآورده های ساختمانی بتن و نهایتاً شیمی ساختمان، فرآورده‌های شیمیایی ساختمان و مواد مهندسی ساختمان، جزئی از سیاست‌های زیربنایی تحقیقاتی کلینیک بتن ایران هستند.