سازوکار (مکانیزم) خوردگی میلگرد در بتن

خوردگی میلگرد در بتن یک فرآیند الکتروشیمیایی است. فرآیند الکتروشیمیایی یک واکنش شیمیایی است که در بردارنده جابجا شدن الکترون از یک نقطه به نقطه دیگر است (شکل گیری پیل الکتروشیمیایی).

هر فرآیند الکتروشیمیایی (در نبود یک سرچشمه یا منبع الکتریکی بیرونی) از سه بخشینه (جزء) تشکیل می شود:

• بخشینه الکترون زا (آند)
• بخشینه الکترون خور (کاتد)
• بخشینه جابجاکننده (الکترولیت)

سازوکار (مکانیزم) خوردگی میلگرد در بتن

برای آن که خوردگی الکتروشیمیایی (شکل گیری پیل الکتروشیمیایی) رخ دهد باید دو واکنش نیم پیلی (Half-cell) پدید آید و امکان جابجاشدن الکترون و یون در محیط فراهم باشد.

• واکنش آندی: در نیم پیل آندی با اکسیده شدن آهن و شکل گیری یون آهن، الکترون آزاد می شود. مانند واکنش اکسایشی
• واکنش کاتدی: در نیم پیل کاتدی با مصرف شدن الکترون آزاد شده در آند و کاهیدن (احیا) اکسیژن، یون هیدروکسیل شکل می گیرد. مانند واکنش کاهیدگی (احیا)
• محیط رسانا: الکترولیت در این پیل همان محلول منفذی (Pore solution) بتن است. این آب خالص نیست و دارای یون است (یون های ناشی از واکنش شیمیایی سیمان و آب که به نام واکنش آبگیری شناخته می شود)

پیل گسترده (پیل دور)

چنانچه دو واکنش نیم پیلی (آندی و کاتدی) در نقاط مجزای دور از یکدیگر رخ دهند، به نام پیل گسترده (Macrocell) شناخته می شود. خوردگی ناشی از شکل گیری «پیل دور» معمولا در ناحیه گسترده ای از میلگرد پخش می شود.

پیل متمرکز (پیل نزدیک)

چنانچه دو واکنش نیم پیلی (آندی و کاتدی) در نقاط نزدیک به یکدیگر یا در یک مکان رخ دهند، به نام پیل متمرکز (Microcell) شناخته می شود. خوردگی ناشی از شکل گیری «پیل نزدیک» به شکل خوردگی متمرکز (Pitting) رخ می دهد.

لایه نگه وار (انفعالی) میلگرد در بتن

در زمان آبگیری سیمان یک محیط قلیایی شدید با pH بین 13/0 تا 13/8 پدید می آید که این قلیاییت بیشتر ناشی از هیدروکسیدهای پتاسیم و کلسیم است. در این محیط بسیار قلیایی، ترکیباتی از آهن که از نظر ترمودینامیکی پایدار باشند عبارت از اکسید آهن و اُکسی هیدروکسید آهن هستند.

بنابراین در چنین محیط قلیایی یک لایه انفعالی (نگه واری) بر روی سطح میلگردها پدید می آید که از آنها در برابر خوردگی و زنگ زدگی محافظت می کند. ضخامت این لایه حدود چند نانومتر است.  تا زمانی که لایه نگه وار (Passive film) آسیب نبیند (چنانچه منبع الکتریکی بیرونی هم نداشته باشیم)، میلگردها در بتن آسیب نخواهند دید. به هر دلیلی که این لایه نگه وار آسیب ببیند و چنانچه رطوبت و اکسیژن به اندازه کافی در دسترس باشد، میلگرد دچار خوردگی خواهد شد.

عوامل آسيب رسان به لایه نگه وار

عواملی كه به لایه نگه وار آسیب می رسانند در دو گروه فیزیکی و شیمیایی جای می گیرند.

1-عوامل فیزیکی: پیامد این دسته از عوامل آسیب رسان پدیدار شدن ترک در بتن و شکست لایه انفعالی است. از جمله این عوامل می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تغییر شکل ها و خیزهای کوتاه مدت به دلیل بارگذاری
• تغییر شکل های درازمدت به دلیل جمع شدگی و خزش
• بارگذاری ناگهانی و بیش از اندازه

2-عوامل شیمیایی: این دسته از عوامل آسیب رسان به دلیل واکنش های شیمیایی پدید می آیند و در دو گروه زیر جای می گیرند:

• کاهش قلیاییت بتن پیرامون میلگرد در اثر کربناتی شدن یا درون رفت مواد اسیدی
• یورش یون کلر (کلراید)

آسیب دیدن لایه نگه وار روی میلگردها

خاستگاه خوردگی میلگرد در بتن

پدیدآرنده های خوردگی میلگرد در بتن را می توان در دو گروه جای داد.

• گروه نخست خاستگاه (سرچشمه) بیرونی دارد مانند جریان الکتریکی سرگردان (Stray currents) که در سازه های بتنی زیرزمینی و روزمینی که محل عبور کابلهای برق هستند (مانند تونل مترو یا تونل تاسیساتی) پدید می آیند.
• گروه دوم خاستگاه درونی دارد و جریان الکتریکی در درون بتن و میلگرد و به دلیل واکنش های شیمیایی پدید می آیند.
  
  

فرآیند خوردگی میلگرد در بتن

خوردگی میلگرد در بتن یک فرآیند الکتروشیمیایی است. فرآیند خوردگی یک فرآیند الکتروشیمیایی (یعنی واکنش شیمیایی همراه با جابجاشدن الکترون ها) است که در آن نواحی آندی و کاتدی بر روی میلگرد فولادی تشکیل می شوند. در ناحیه آندی فلز آهن با از دست دادن الکترون، اکسیده می شود و به یون آهن (Fe++) تبدیل می شود. الکترون های آزاد شده در ناحیه آندی از درون میلگرد به سوی ناحیه کاتدی حرکت می کنند و در ناحیه کاتدی با احیا (کاهیدن) اکسیژن، یون هیدروکسیل (OH-) پدید می آورند.

علاوه بر جابجایی (جریان) الکترون ها در درون میلگرد، یک جریان یونی نیز در بیرون میلگرد و درون الکترولیت (آب منفذی بتن) پیرامون میلگرد رخ می دهد که در آن یون های آهن ار ناحیه آندی به سوی ناحیه کاتدی حرکت می کنند. یون های هیدروکسیل نیز از ناحیه کاتدی به سمت ناحیه آندی جابجا و در نزدیکی ناحیه آندی با یون های آهن ترکیب می شوند و هیدروکسید آهن پدید می آورند. هیدروکسید آهن با اکسیژن و آب ترکیب و با اکسیده شدن (اكسایش) بعدی به زنگ آهن تبدیل می‌شود.

راهکارهای کنترل خوردگی میلگرد در بتن

تا زمانی که نواحی آندی و کاتدی از نظر الکتریکی به یکدیگر متصل و در یک محلول الکترولیت قرار داشته باشند، در پیرامون ناحیه آندی خوردگی رخ می دهد و چنانچه عامل بازدارنده ای رخ ندهد، خوردگی تا تخریب کامل ناحیه آندی پیش خواهد رفت. در این راستا می توان راهکارهای کنترل خوردگی میلگرد را در چهار دسته زیر جای داد.

• جلوگیری یا محدود کردن درون رفت (نفوذ) رطوبت، اکسیژن، و یون های آسیب رسان به درون بتن (پوشش دادن و منفذبندی سطح بتن)
• جلوگیری یا محدود کردن دسترسی رطوبت، اکسیژن، و یون های آسیب رسان به میلگرد (پوشش روی میلگرد)
• خشک کردن و کاهش رطوبت درونی بتن (کنترل مقدار الکترولیت در دسترس)
• راهکارهای الکتروشیمیایی (بیرون کشیدن یون کلر، بازقلیایی کردن، حفاظت کاتدی، بازدارنده خوردگی)
  
  

برای تعمیر میلگرد در بتن می توانید مقاله راهکارهای تعمیر میلگرد در بتن را مطالعه نمایید.

روند خوردگی میلگرد در بتن

عمر مفید طراحی سازه های بتنی را می توان به دو مرحله زیر تقسیم کرد.

• مرحله آغازین خوردگی
• مرحله گسترش خوردگی

پیامدهای خوردگی میلگرد در بتن

پیامدهای خوردگی میلگرد در سازه بتنی به سه بخش زیر تقسیم می شود.

• کاهش سطح مقطع میلگرد در ناحیه آندی و کاهش ظرفیت باربری سازه بتنی (رویکرد سازه ای)
• بازشدن مسیر دسترسی یون های آسیب رسان به درون بتن به دلیل پدیدآمدن ترک، قلوه کن شدگی، و لایه کن شدگی بتن روی میلگرد در اثر افزایش حجم میلگرد دچار خوردگی (رویکرد پایایی)
• ترد شدگی هیدروژنی میلگرد
  
  

روند و آهنگ خوردگی میلگرد در سازه بتنی

• افزایش حجم میلگرد دچار خوردگی (رویکرد پایایی): حجم محصولات خوردگی (زنگار) میلگرد از حجم میلگرد اولیه بیشتر است.

• بازشدن مسیر دسترسی یون های آسیب رسان به درون بتن به دلیل پدیدآمدن ترک، قلوه کن شدگی، و لایه کن شدگی بتن روی میلگرد در اثر افزایش حجم میلگرد دچار خوردگی (رویکرد پایایی)
  
  

خوردگی میلگرد در بتن (کربناتی شدن)

گاز کربن دی اکسید (CO2) در صورت نفوذ به درون بتن و به شرط آن که رطوبت فراهم باشد به شکل گیری اسید کربنیک می انجامد و در گام بعدی، اسید کربنیک با هیدروکسید کلسیم واکنش نشان می دهد و کربنات کلسیم پدید می آورد و سبب کاهش قلیاییت محیط بتن می شود. کاهش قلیاییت منجر به آسیب دیدن لایه نگه وار روی میلگرد می شود و چنانچه اکسیژن در دسترس باشد به خوردگی میلگرد خواهد انجامید.

• خوردگی میلگرد در بتن به دلیل کربناتی شدن عموما (و نه الزاما) به شکل گسترده است.

• خوردگی میلگرد در بتن به دلیل حمله یون کلر (کلراید)

 یون کلر در این مورد بر خلاف كربنه شدن که هيچ افت كلي در PH نداريم به لایه انفعالی حمله می کند. كلرايدها در خوردگي همچون كاتاليزور  عمل مي كنند و در فرايند مصرف نمي شوند اما به تجزيه شدن لايه انفعالي اكسيد در فولاد كمك مي كنند و اين امكان را فراهم مي كنند تا فرايند خوردگي به سرعت انجام شود.

• خوردگی میلگرد در بتن به دلیل حمله یون کلر (کلراید) معمولا به شکل متمرکز رخ می دهد و با رخنه زایی (Pitting) همراه است.

 منبع: انجمن بتن ایران - ارديبهشت 1396