خوردگی آرماتور و روش های جلوگیری از آن

خوردگی آرماتور در بتن یک مشکل جهانی است که باعث ایجاد طیفی از مسائل اقتصادی، زیبایی شناختی می شود. علت اصلی خرابی بیشتر پل‌های دارای نقص ساختاری، خوردگی آرماتورهای فولادی است. مواد معمولی مانند فولاد نمی­ توانند در برابر عوامل خورنده خشن مقاومت کنند و بنابراین نیاز به نگهداری و بازسازی دائمی دارند که در نهایت هزینه یک پروژه را در دراز مدت افزایش می­ دهد. خوردگی و زنگ زدگی میلگرد در بتن تأثیر مخربی بر انعطاف پذیری سازه دارد. خوردگی به نفوذ کلرید و کاهش pH ماتریس بتن در اثر کربناته شدن نسبت داده می­شود که باعث کاهش انفعال آرماتورهای فولادی می‌شود و در نتیجه فرآیند خوردگی فعال آغاز می‌شود. خوردگی میلگردها بیش از نیم درصد از تولید ناخالص داخلی اکثر کشورهای توسعه‌یافته را تشکیل می‌دهد، واقعیتی که ارزش روش‌های ارزیابی و تعمیر را دارد. استفاده گسترده از بتن مسلح در زیرساخت ها، ارزیابی قابل قبولی از آسیب خوردگی را ضروری می‌کند.

علت زنگ زدگی فولاد

ترکیب سنگ آهن با سایر عناصر تقویت کننده فولاد را می سازد. ساخت فولاد نیاز به انرژی دارد، به این معنی که مولکول های فولاد در واقع انرژی بیشتری در سطح اتمی نسبت به مولکول های آهن دارند که از آن ها ساخته شده اند. با گذشت زمان، همه اشیا تمایل به از دست دادن انرژی دارند، و به همین دلیل است که چیزها پوسیده می شوند، تجزیه می شوند و از هم می پاشند. فولاد با بازگشت به اکسید آهن، که معمولا زنگ نامیده می شود، انرژی خود را از دست می دهد. بنابراین جلوگیری از زنگ زدگی فولاد باعث جلوگیری از خوردگی بتن می شود.

علت خوردگی آرماتور

خوردگی آرماتور در بتن فرآیند تخریب آرماتورهای فولادی به دلیل واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی در بتن است که در اثر عمل دستی یا محیطی رخ می‌دهد. در اینجا آهن به اکسید آهن FeO یا Fe2O3 اکسید می شود و لایه ای در اطراف میله تشکیل می دهد که باعث انبساط میله می شود که در نهایت باعث ایجاد ترک در بتن می گردد.
خوردگی مانند سرطان است، اگر به موقع مورد توجه قرار نگیرد، می تواند مشکلات جدی ایجاد کند. بنابراین باید در ابتدا تمام اقدامات پیشگیرانه را انجام دهید و پس از ظاهر شدن، باید اقدامات فوری انجام شود.
نحوه زنگ زدن میلگرد به این صورت می باشد که فولاد با خوردگی و ایجاد تنش داخلی در بتن، افزایش حجم پیدا می کند. تنش داخلی باعث ایجاد ترک و سپس باعث پوسته شدن بتن و در نهایت آرماتور از بتن جدا می شود. خوردگی فولاد به سازه آسیب جدی وارد می کند و در نهایت اگر در مراحل اولیه تعمیر نشود، ممکن است منجر به فروریختن جزئی یا کلی سازه شود. خوردگی همیشه قابل مشاهده نیست. بنابراین لازم است خطر خوردگی آرماتور در بتن شناسایی شود.
در طول عمر مفید، فولاد تعبیه شده به دلایل زیادی خورده می شود. یکی از دلایل اصلی وجود رطوبت و عدم پوشش بتنی مناسب برای فولاد است. دلایل دیگری نیز مانند فرآیند کربناته شدن بتن، الکترولیز، واکنش قلیایی- سنگدانه در بتن وجود دارد که باعث خوردگی فولاد آرماتور در بتن می شود. آرماتورهای فولادی هم چنین به دلیل استفاده از کلرید کلسیم (CaCl2) به عنوان شتاب دهنده، وجود رطوبت بیرون و داخل بتن، وجود مواد شیمیایی مانند سولفات محلول در آب، خورده می شوند. گاهی اوقات ناخالصی هایی مانند ترکیبات معدنی، سولفات ها و کلریدهای موجود در آب اختلاط یا عمل آوری نیز باعث خوردگی بتن می شوند.
به طور کلی مشخص شده است که ترک های موجود بر سطح بتن دسترسی آسان به ورود کلریدها در بتن را فراهم می کنند و از این رو، شروع خوردگی فولاد در بتن ترک خورده در مراحل اولیه رخ می دهد. با این حال، طیف گسترده ای از نتایج در مورد اثر عرض ترک بر خوردگی فولاد در بتن در بسیاری از مطالعات گزارش شده است. جدا از عرض ترک، عمق ترک، فرکانس ترک و ترمیم ترک‌ها نیز بر خوردگی فولاد در بتن تأثیر می‌گذارد.

انواع خوردگی آرماتورها در بتن

بتن به خودی خود دارای استحکام کششی ضعیفی است. برای افزایش مقاومت کششی بتن از آرماتور فولادی استفاده می شود. میله های فولادی در داخل توده بتن تعبیه شده اند. این میله های فولادی بیشتر بار کششی اعمال شده به بتن را تحمل می کنند.
بتن میله های فولادی را به دلیل ماهیت بسیار قلیایی خود غیرفعال می کند و در نتیجه از خوردگی آنها جلوگیری می کند. با این حال، به دلایل مختلف دیگر، میله های فولادی ممکن است در مدت زمان طولانی خورده شوند و در اثر خوردگی میلگردهای فولادی، ضعف های مختلفی در سازه بتنی ایجاد می شود که در صورت عدم رسیدگی مناسب در زمان مناسب، ممکن است در نهایت فرو بریزد.
خوردگی میلگردهای تقویت کننده فولادی اساساً یک واکنش الکتروشیمیایی است. آندها و کاتدهای کوچکی ایجاد می شود و جریان یون بین این دو الکترود منجر به خوردگی میله های فولادی می شود. دو نوع خوردگی مشاهده می شود:

خوردگی شکافی

در شکاف­های کوچک در ساختار بتنی، محلول ­­­ها ممکن است راکد شوند. آندها و کاتدها ممکن است در داخل محلول‌ها به دلیل واکنش ناهموار یون‌های املاح بیش از حجم محلول ایجاد شوند. جریان یون ها توسط این الکترودها تحریک می­شود، بنابراین به آرامی باعث خوردگی می­ شود. این نوع خوردگی می‌تواند در زیر واشرها، پرچ‌ها، پین‌ها، دریچه شیرها محل تکیه گاه‌ها و یاتاقان‌ها و زیر رسوبات متخلخل و دیگر موقعیت‌های مشابه ایجاد شود.

خوردگی حفره‌ای

مربوط به غیرفعال‌زدایی نواحی کوچک روی میلگردهای تقویت‌کننده فولادی است. این نوع خوردگی به شدت موضعی است و سوراخ ها یا گودال های کوچکی در فولاد ایجاد می­شود.  این نوع خوردگی برای سازه ­ها بسیار مخرب می ­باشد.

خوردگی میلگردهای تقویت‌کننده فولادی ممکن است به دلیل شکست موضعی لایه غیرفعال روی فولاد توسط یون‌های کلرید یا شکست کلی انفعال در اثر خنثی‌سازی بتن در اثر واکنش با دی اکسید کربن از جو رخ دهد.

عوامل اصلی در خوردگی میلگردهای تقویت کننده عبارتند از:

• از دست دادن قلیاییت به دلیل کربناته شدن

وقتی سطح فولاد بدون محافظت در اتمسفر رها می شود، زنگ روی سطح فولاد شروع به تشکیل می کند و به تدریج پوسته پوسته می شود.

• از دست دادن قلیاییت ناشی از کلریدها

یون­های کلرید تمایل دارند سطح فولاد را با از بین بردن قلیاییت بتن غیرفعال کنند.

• ترک در بتن

ترک ها ممکن است آرماتورهای فولادی را در معرض جو قرار دهند و در نتیجه کربناته شدن را افزایش دهند.

• مسیرهای رطوبت

مرطوب شدن منظم بتن ممکن است منجر به رسیدن آب به میلگردهای تقویت کننده فولادی از طریق انتشار در ساختار منافذ بتن یا ترک ­های موجود در بتن شود که زنگ زدگی میله های فولادی را به دنبال دارد.

• پوشش ناکافی

ابعاد ناکافی پوشش بتنی منجر به خوردگی آرماتور می­ گردد.

علائم خوردگی در آرماتورها

هنگامی که میله ­های فولادی شروع به خوردگی می­ کنند، عضو بتن مسلح با طی مراحل زیر به تدریج شروع به خراب شدن می ­کند:

• تشکیل لکه ­های سفید

دی اکسید کربن اتمسفر با هیدروکسید کلسیم موجود در خمیر سیمان واکنش داده و کربنات کلسیم را تشکیل می ­دهد. این کربنات کلسیم توسط رطوبت حمل شده و بر روی سطح بتن رسوب می­ کند و لکه های سفید را تشکیل می­ دهد.

• لکه ­های قهوه ای در امتداد آرماتور

وقتی میله های فولادی شروع به خوردگی می­ کنند، لایه ای از اکسید آهن روی آن تشکیل می­شود. این اکسید آهن نیز توسط رطوبت به سطح بتن منتقل می ­شود.

• ایجاد ترک

محصولات خوردگی حجم بیشتری نسبت به مواد اولیه اشغال می­ کنند. از این رو به بتن فشار وارد کرده و آن را ترک می ­کنند. با وقوع خوردگی بیشتر، ترک­ های بیشتر و وسیع تری ایجاد می­ شود.

• پوسته پوسته شدن پوشش بتنی

به دلیل از بین رفتن پیوند بین بتن و فولاد، بتن شروع به تشکیل چندین لایه می­کند و پوسته پوسته می ­شود. اندازه میله ­های فولادی نیز کاهش می­ یابد.

• چفت شدن میلگردها

به دلیل کاهش اندازه میلگردهای فولادی، در نهایت چفت می­شوند. هم­چنین، کاهش قابل توجهی در اندازه میله­ های اصلی وجود دارد.

• کمانش میلگردها

پوسته شدن پوشش بتنی و شکستن میله ها منجر به کمانش میله های اصلی می شود. این باعث برآمدگی بتن در آن منطقه می شود و در نهایت کل سازه فرو می ریزد.

گزینه ­های جایگزین برای مرحله تقویت

در جایی که به دلیل ملاحظات طراحی به سختی می توان به عمق پوشش کافی دست یافت یا در جاهایی که محیط های تهاجمی انتظار می­رود مانند سازه های دریایی یا عرشه پل، ممکن است حفاظت بیشتری برای فولاد تعبیه شده مورد نیاز باشد. این ممکن است اشکال مختلف و متنوعی داشته باشد و علاقه تجاری در این زمینه قوی است. خود آرماتور فولادی ممکن است با ارائه یک پوشش محافظ مانند روی (زینک ریچ اپوکسی)، رزین اپوکسی یا روکش فولاد ضد زنگ، قادر به حفظ انفعال خود باشد. در شرایط محیطی شدید، می‌توان از تقویت‌کننده‌های فولاد ضد زنگ جامد استفاده کرد، اگرچه هزینه اضافی درک شده استفاده از آن را در همه کاربردها به جز تخصصی‌ترین کاربردها محدود می‌کند.

تردیدی وجود ندارد که مؤثرترین راه برای محافظت از فولادی که در بتن تعبیه شده است، ایجاد عمق پوشش مناسب توسط بتن با مقاومت بالا و نفوذپذیری کم و عاری از یون­های غیرفعال کننده مانند کلریدها است. با این حال، در دنیای واقعی، بتن در هر آب و هوا و محیطی، در معرض جوهای صنعتی، نمک های یخ زدایی و آب دریا قرار می­گیرد. به سختی می­توان از مواد آلوده و کار ضعیف اجتناب کرد، اما با درک شرایط اغلب پیچیده شیمیایی و الکتروشیمیایی که ممکن است وجود داشته باشد، می­توان راه هایی برای تولید ساختارهایی که تا قرن آینده دوام خواهند داشت، ایجاد کرد.

تعمیر آرماتورهای فرسوده

تعمیر پایه‌های تقویت‌کننده و پیش تنیدگی فولادی خورده یا فرسوده یکی از تکنیک‌هایی است که توسط آن عناصر ساختاری فرسوده بازسازی می‌شوند تا ظرفیت باربری اولیه خود را به دست آورند. خوردگی آرماتورها در اثر حملات شیمیایی، آتش سوزی و برش تصادفی مکرر است.

پس از مشخص شدن علت آسیب فولاد، می­توان آن را با تعویض میله های فرسوده یا تکمیل میله های نیمه فرسوده ترمیم کرد. قبل از شروع فرآیند تعمیر، میلگردهای آرماتور در معرض دید قرار ­یرند تا وضعیت آن­ها ارزیابی شود و میلگردهای فولادی برای روش­های تعمیر آماده شوند.

لازم است رویه مناسبی برای نمایاندن و آماده سازی میله های فولادی آسیب دیده در نظر گرفته شود در غیر این صورت روش تعمیر الزامات دوام را برآورده نمی­کند.

بتن دور میله های فولادی را بردارید

حذف بتن در اطراف میله های فولادی باید با احتیاط انجام شود تا از آسیب بیشتر به آرماتورها جلوگیری شود. این امر می­تواند اولاً با تعیین مکان، عمق، اندازه و نسبت میلگردهای فولادی با استفاده از میله یاب یا پوشش سنج و ثانیاً با استفاده از روش صحیح حذف بتن به دست آید.

غالباً باید برای رهاسازی عضو از بارها، پایه مناسب تهیه شود. قبل از شروع برداشت بتن، پایه باید بررسی شود. برای جلوگیری از آسیب به پیوند آن با بتن در اطراف منطقه تعمیر باید از لرزش آرماتور اجتناب شود. علاوه بر این، باید مراقب بود که از برش میله ­های فولادی در طول فرآیند حذف بتن جلوگیری شود.

بتن آسیب دیده و از دست رفته اطراف میله های فولادی برداشته می­ شود. اگر تمام بتن فرسوده برداشته شود و میله­ های فولادی تا حدی در معرض دید قرار گیرند، نیازی به برداشتن کل بتن اطراف میله ­ها نیست.

با این حال، فرآیند حذف بتن باید ادامه یابد تا فضایی با ابعاد حداکثر اندازه سنگدانه به اضافه 6 میلی‌متر در پشت میله‌های فولادی در زمانی که زنگ زدگی، خوردگی یا به درستی به بتن چسبانده نشده باشد، باز شود.

آرماتور را تمیز و بازرسی کنید

پس از حذف بتن، میله های فولادی تمیز می­شوند و به دقت بررسی می­شوند تا مشخص شود که آیا می­توانند عملکرد طراحی شده خود را انجام دهند یا خیر. اگر نمی­توان به راحتی به منطقه دسترسی داشت، می توان از برس سیمی استفاده کرد، در غیر این صورت، سندبلاست بیشتر برای تمیز کردن میله­ های فولادی از زباله ها و سایر آلاینده ها مطلوب است.

ترمیم آرماتور پیش تنیده

تعمیر آرماتورها شامل تعمیر آرماتور نرم و پیش تنیده می­باشد. تعویض آرماتورها یا آرماتورهای تکمیلی دو روشی هستند که برای هر دو نوع تعمیر فولاد قابل استفاده هستند:

• آرماتور نرم را تعمیر کنید

پس از نمایاندن و تمیز کردن آرماتورها، باید تصمیم گرفت که آیا میلگردهای فولادی را جایگزین کرد یا آرماتورهای نرم را تکمیل کرد.

-تعویض آرماتورها

هنگامی که آرماتور جایگزین انتخاب می شود، قسمت های فرسوده میلگردها بریده می شوند و سپس فولادهای تقویت کننده نرم به هم متصل می شوند. طول هم‌پوشانی باید مطابق با کدهای قابل اجرا مانند ACI 318 باشد. امکان استفاده از اتصال جوش داده شده به جای اتصال لبه دار وجود دارد.

باید توجه داشت که اتصال جوش برای میلگردهای بزرگتر از 25 میلی متر مناسب نیست. این به این دلیل است که فرآیند جوشکاری ممکن است منجر به گسترش میلگردهای تعبیه شده و ترک خوردن بتن اطراف شود.

معمولاً به دلیل مهارت بالایی که برای انجام جوش با نفوذ کامل لازم است از جوش لب به لب اجتناب می شود زیرا معمولاً قسمت پشتی میله قابل دسترسی نیست.

اتصال مکانیکی روش دیگری است که می توان از آن برای اتصال میله های فولادی استفاده کرد. همچنین باید با الزامات ACI 318 مطابقت داشته باشد. دستگاه های اتصال مکانیکی مناسب تجاری موجود را می توان در ACI 339.3R یافت.

– تقویت کننده های تکمیلی

هنگامی که میلگردهای فولادی تعبیه شده سطح مقطع خود را از دست داده یا نامناسب باشند، یا عضو نیاز به تقویت داشته باشد، تقویت کننده تکمیلی استفاده می شود. تصمیم گیری در مورد استفاده یا عدم استفاده از تقویت کننده تکمیلی بر عهده مهندس مسئول است و هر عضو نیاز به تصمیم خود دارد.

میلگردهای فرسوده باید تمیز شوند و بتن باید برداشته شود تا امکان قرار دادن میلگردهای تکمیلی در مجاورت آرماتور آسیب دیده فراهم شود. طول میلگردهای تکمیلی برابر است با طول بخش تخریب شده میلگردهای خراب به اضافه طول اتصال لبه هر طرف.

علاوه بر این، اگر پوشش هایی مانند اپوکسی، دوغاب سیمان پلیمری یا پوشش های غنی از روی برای تقویت برای جلوگیری از خوردگی میلگرد در آینده اعمال شود، ضخامت پوشش باید کمتر از 0.3 میلی متر باشد تا از بین رفتن پیوند در تغییر شکل ها کاهش یابد. در نهایت باید از ریختن پوشش روی بتن اصلی جلوگیری کرد زیرا باعث کاهش توسعه پیوند می شود.

• تعمیر فولاد پیش تنیده

خرابی یا آسیب به رشته ها یا میله ها می‌تواند در اثر ضربه، خطای طراحی، اضافه بار، خوردگی یا آتش سوزی باشد. آتش ممکن است فولاد پیش تنیده با استحکام بالا را سخت کند. کابل‌های با استحکام بالا بدون پیوند ممکن است قبل از تعمیر نیاز به کشش زدایی داشته باشند و پس از تعمیر مجدداً کشش داده شوند تا یکپارچگی ساختاری اولیه عضو بازیابی شود.

-کابل ­های پیوندی

از آنجایی که کابل های پیش تنیده به هم چسبیده است، تنها بخش در معرض و آسیب دیده پس از تعمیر تحت فشار قرار می ­گیرد. روش تعمیر مستلزم جایگزینی بخش آسیب دیده با بخش جدید کابل متصل به انتهای موجود کابل های آسیب ندیده است.

بخش کابل جدید و طول­های موجود باید پس کشیده شوند تا با سطح تنش کابل پیوند شده مطابقت داشته باشد.

– کابل بدون چسبندگی

کابل‌ها توسط پوشش، مواد بازدارنده خوردگی یا ترکیبی از آن‌ها در برابر خوردگی محافظت می شوند. علت اصلی شکست کابل بدون چسبندگی، خوردگی اتصالات انتهایی است.

با کندن بتن و برش غلاف، می‌توان قسمتی از یک کابل را که خراب شده است، نمایان کرد. کابل بدون چسبندگی را می توان برای تأیید توانایی آن­ها در حمل بار طراحی آزمایش کرد.

این کار را می توان با اتصال یک چاک و کوپلر به انتهای در معرض دید رشته و انجام آزمایش کنترل بار (lift-off ) انجام داد که معمولاً به حداقل 20 میلی متر کابل آزاد فراتر از دیواره نیاز دارد.

اگر خوردگی بیش از حد در کابل وجود داشته باشد، شکست رخ می­دهد و باید جایگزین یا متصل شود. ممکن است قبل از برداشتن یا کشش مجدد کابل‌های پیش تنیده غیرپیوندی، اتصال دهانه در حال تعمیر و دهانه‌های مجاور آن تا چندین فاصله لازم باشد.

کابل در هر دو طرف قسمت آسیب دیده بریده می­شود و قسمت حذف شده از کابل با یک بخش جدید جایگزین می­ شود. کابل جدید در محل برش ها به کابل موجود متصل می­شود سپس کابل تعمیر شده پیش تنیده می­ شود.

الیاف کربن یا سیستم‌های معادل آن برای تکمیل آرماتور در سازه‌های تقویت‌شده فولادی پیش تنیده، پس‌تنیده و ملایم موجود است.

این سیستم معمولاً روی سطح بیرونی چسبانده می­ شود  مگر اینکه جزء در حال تقویت تخلیه شود، سیستم تقویت فقط برای بارگذاری های بعدی تقویت می­کند.

بسته بندی الیافی معمولاً برای تقویت ستون ها به ویژه در مناطق زلزله استفاده می­شود. سیستم‌هایی موجود می باشد که مانع محافظتی خشک شده و آسیب‌دیده در غلاف را بازیابی می‌کنند.

هزینه­ های خوردگی آرماتور

همان طور که گفته شد خوردگی پدیده‌ای مخرب است که هزینه‌هایی را در پی دارد. این هزینه‌ها به دو دسته پیامدهای مستقیم و غیرمستقیم تقسیم می­ شوند که دسته دوم بسیار بیشتر از دسته اول می ­باشد. متاسفانه برروی آمار خوردگی فعالیت زیادی انجام نشده و آماری رسمی در این زمینه وجود ندارد. اما بر اساس شواهد می‌توان اذعان نمود که هزینه‌های خوردگی اعدادی نجومی خواهد بود، به این دلیل که در اکثر صنایع از روش‌های پیشگیری از خوردگی آرماتور استفاده نمی‌شود و اگر خوردگی در صنعتی شناخته شده باشد از روش‌های پیشگری قدیمی و هزینه‌بر برای مقابله با آن استفاده می‌شود.