مقاله حفاظت کاتدی سازه های بتنی در محیط آب دریا به روش اعمال جریان

بخشی از مقاله

حفاظت کاتدي سازه هاي بتني در محيط آب دريا به روش اعمال جريان
چکيده
حفاظت کاتدي تنها روش براي حفاظت طولاني مدت بتن هاي مسلح در برابر خوردگي مي باشد.ساير روشهاي مقابله با خوردگي بتن داراي مشکلات اجرايي بوده و يا اينکه قادر به حفاظت طولاني مدت بتن نيستند.حفاظت کاتدي روش جديد مقابله با خوردگي بتن محسوپ مي شود.بر اساس تجارپ موجود اين تکنيک بخوبي مي تواند بطور طولاني مدت با خوردگي بتن در محيط هاي خورنده مقابله کند.يکي از خورنده ترين محيط هاي دريايي ،ناحيه پاشش آپ مي باشد.در اين ناحيه ترو خشک شدن ، غلظت بالاي اکسيژن ، ضربات موج درياو دماي سطح آپ از عوامل مهم خوردگي محسوپ مي شوند.در دهه اخير با توجه به کارآيي بالاي حفاظت کاتدي در جلوگيري از خوردگي بتن هاي مسلح در محيط هاي دريايي ، استقبال ويژه اي ازاين تکنيک شده است .حفاظت کاتدي به دو روش قابل اجرا مي باش که شامل روش اعمال جريان و روش آند فدا شونده مي باشد.با توجه به گستردگي موضوع در اين مقاله فقط روش اعمال جريان مورد بررسي قرار مي گيرد.
کلمات کليدي :خوردگي - بتن - حفاظت کاتدي - اعمال جريان
مقدمه
براي فراهم آوردن استحکام کششي لازم ، بتن توسط آرماتورهاي فولادي مسلح مي شود. اين موضوع سبپ جلوگيري از شکست بتن در اثر نيروهاي کششي و پيچشي حاصل از باد، بارهاي مرده ، سيکل هاي حرارتي و بار ترافيک در پل هاو سازه هاي مختلف مي شود.بهر حال در اثر خوردگي آرماتورها، محصولات خوردگي موجپ از دست رفتن اتصال بين بتن و فولاد شده و منجر به افزايش حجم و ورقه اي شدن بتن خواهد شد.علاوه بر اين خوردگي آرماتورها موجپ کاهش ظرفيت تحمل بار آنها خواهد شد و اين موضوع مخصوصا در بتن هاي پيش تنيده از اهميت بيشتري برخوردار است .
فولاد معمولا در بتن از لحاظ خوردگي در حالت غير فعال يا پيسيو(passive) قرار دارد ولي هنگاميکه بتن در محيط آپ درياو يا ساير محيط هاي خورنده مشابه قرار مي گيرد، بر اثر نفوذ کلريد به داخل بتن و رسيدن آن به سطح آرماتورها، لايه غير فعال سطح آرماتورها از بين مي رودو دچار خوردگي و حفره دار شدن مي شود.
کربناته شدن بتن يکي ديگر از دلايل خوردگي آرماتورها محسوپ مي شود.در اين حالت بر اثر کربناته شدن بتن ، حالت قليايي آن از دست مي رودو توسط ماده اي با حالت خنثي جايگزين مي شود.بنابر اين ادامه يافتن اين روندو رسيدن آن به سطح آرماتورها موجپ قرار گيري فولاد در محيط خنثي شده و حالت پسيو خود را از دست مي دهدو خوردگي بسرعت در آرماتورها رخ خواهد داد.با اين وجود سرعت خوردگي در حالت کربناته شدن کمتر از حالت نفوذ کلريدها مي باشد.سرانجام بر اثر انبساط حاصل از محصولات خوردگي ، بتن دچار ترک خوردگي شده و سطح آرماتور بطور مستقيم در تماس با محيط خورنده قرار مي گيرد.اين حالت بيشتر در بتن هايي که در مناطق گرمسيرو دريايي قرار دارند رخ مي دهد. به عبارت ديگر درجه حرارت ، رطوبت هوا، مقاومت ويژه بتن و آلودگي هوا از عوامل موثر بر کربناته شدن محسوپ مي شود.
يکي ازروشهاي جلوگيري از خوردگي فولاد در بتن ، بکارگيري بتن هاي با کيفيت مناسپ و ضخامت کافي بر روي آرماتورهاي فولادي مي باشد.براي مثال زمان لازم براي عبور يونهاي کلريد از ضخامت ٢ اينچ بتن ، چهار برابر زمان لازم براي عبور اين يونها از ضخامت يک اينچ مي باشد. بر اساس (American Concrete Institute)٣١٨ ACI حداقل ضخامت بتن بر روي آرماتورهاي فولادي بايد١.٥ اينچ باشد [١].
کيفيت بتن در ارتباط با نسبت آپ به سيمان (w.c)مي باشد.اين نسبت بايستي به اندازه کافي پائين باشد تا از نفوذ نمک هاي کلريدي و گسترش کربناته شدن به داخل بتن جلوگيري نمايد.نسبت w.c براي کاهش سرعت کربناته شدن بايستي کمتر از٠.٥ و براي به حداقل رساندن نفوذ کلريدها بايستي کمتر از٠.٤ باشد.بتن هاي با نسبت w.c پائين به روشهاي زير ساخته مي شوند.
١- افزايش مقدار سيمان در بتن
٢- کاهش مقدار آپ سيمان با استفاده از superplasticizers، و يا بکار گيري مقدار بيشتري fly ash، slag،و يا ديگر مواد سيماني پارامتر ديگري که درکيفيت بتن تاثير دارد، زمان بعمل آوري آن در حالت مرطوپ مي باشد.براي بتني با نسبت آپ به بتن ٠.٤ حداقل ٧ روز در دماي ٧٠ درجه فارنهايت ، بعمل آوري مرطوپ نياز مي باشد در حاليکه براي بتني با نسبت آپ به سيمان ٠.٦ شش ماه براي بعمل آوري مرطوپ لازم است .بر اساس مطالعات انجام شده نفوذ پذيري بتن به مقدار قابل ملاحظه اي با افزايش زمان بعمل آوري کاهش مي يابد.بنابر اين افزايش زمان بعمل آوري بتن موجپ افزايش مقاومت بتن در برابرخوردگي خواهد شد.
افزايش برخي افزودنيها به بتن موجپ افزايش مقاومت خوردگي بتن مي شود. افزودن Silica fume, fly ash وblast furnaceslag موجپ کاهش نفوذ پذيري بتن در برابر يونهاي کلريد مي شود.افزودن بازدارنده هاي خوردگي مثل نيترات کلسيم ، موجپ جلوگيري از خوردگي بتن در حضور يونهاي کلريد مي شود[٤].
از روشهاي ديگر حفاظت بتن در برابر خوردگي مي توان از بکارگيري مواد ضد آپ ، غلافهاي محافظ بتن ، آپ بند کننده هاي بتن و اعمال پوشش اپوکسي بر روي آرماتورها را نام برد[٣].
روشهاي اشاره شده نمي تواند بطور کامل موجپ جلوگيري ازخوردگي فولاد در بتن شودو حتي در استانداردهاي موجود نيز به آن اشاره شده است . بر اساس ٢٢٢ ACI اين مواد نمي تواند موجپ حفاظت طولاني مدت بتن شودو يا مواد آپ بند کننده بتن هر چهار الي پنج سال بايستي مجددا اعمال شود.به عبارت ديگر اگر بتن در محيط خورنده قرار داشته باشد، روشهاي اشاره شده موجپ حفاظت موقت آرماتورها در برابر خوردگي مي شود[٢]. تنها روشي که مي تواند در دراز مدت آرماتورهاي فولادي را در برابر خوردگي حفاظت نمايد روش حفاظت کاتدي مي باشد.همچنين هنگاميکه خوردگي آرماتورهاي فولادي شروع شود، روشهاي تعميراتي در کنترل خوردگي بتن موثر نمي باشد.متداول ترين روش تعمير بتن زدودن بتن هاي آسيپ ديده ، تميز کردن سطح آرماتورهاو سپس وصله کردن محل مزبور با سيمان پرتلند است . اين روش حتي موجپ تشديد خوردگي مي شود زيرا ناحيه تعمير شده داراي غلظت پائيني از يون کلر بوده و نواحي باقيمانده قبلي داراي غلظت بيشتري از يون کلر مي باشند.بنابر اين در محيط درياو در حضور يون کلر بين دو ناحيه مزبور پيل گالوانيگي تشکيل شده و موجپ تشديد خوردگي در نواحي اطراف وصله تعمير شده خواهد شد.در دهه اخير روش حفاظت کاتدي بتن بطور گسترده اي براي حفاظت خوردگي دراز مدت بتن هاي مسلح در محيط هاي دريايي بکار مي رود.اين روش به دو صورت قابل اجرا مي باشد که شامل روش اعمال جريان و روش آند فدا شونده مي باشد.
هر دو روش بطور موفقيت آميز در نواحي اتمسفري ، پاشش آپ و جزرو مدي سازه هاي بتني در محيط دريا بکار رفته است .ناحيه پاشش آپ به دليل ترو خشک شدن متناوپ ، وجود اکسيژن کافي ، دماي بالاترو غلظت بالاي يون کلر، يکي از خورنده ترين محيط هاي دريايي محسوپ مي شود.شدت خوردگي در ناحيه جزرو مدي و اتمسفري به ترتيپ کمتر مي شود.در شکل (١) نمونه اي از خوردگي و انهدام بتن در ناحيه پاشش آپ ديده مي شود.با توجه گستردگي مبحث حفاظت کاتدي بتن هاي مسلح ، در اين مقاله روش حفاظت کاتدي به روش اعمال جريان توضيح داده مي شود.
حفاظت کاتدي بتن هاي مسلح
حفاظت کاتدي بتن هاي مسلح به دو طريق زير انجام مي شود.
١- بکارگيري آندهاي اعمال جريان الکتريکي
٢- بکارگيري آندهاي فدا شونده
آندهاي بکار رفته در روش اعمال جريان معمولا از نوع خنثي بوده و در برابر خوردگي مقاوم هستند.همچنين بدليل آنکه جريان حفاظت کاتدي توسط ترانس رکتيفاير تامين مي شود، بنابراين جريان و پتانسيل سيستم حفاظت کاتدي قابل کنترل مي باشد. همانطور که قبلا اشاره شد، شدت خوردگي در نواحي اتمسفري ، پاشش آپ ، ناحيه جزرو مدي و غوطه وري بسيار با يکديگر متفاوت مي باشد.بنابر اين با استفاده از روش اعمال جريان مي توان دانستيه جريانهاي حفاظت کاتدي مختلف در نواحي مذکور اعمال کرد.در اين حالت نياز آندهاي بکار رفته در سه ناحيه مزبور نبايستي هيچگونه تماس الکتريکي با يکديگر داشته باشند و جريان عبوري از هر کدام توسط جعبه کنترل جريان (Current Control Box)تنظيم مي شود.اين جعبه شامل سه مقاومت الکتريکي متغير مطابق شکل (٢)مي باشد.
هر کدام از اين مقاومت ها بطور سري با آندهاي يکي از نواحي فوق الذکر قرار داردو جريان آنرا تنظيم مي کند[٧].
از آنجائيکه آندهاي روش اعمال جريان در برابر خوردگي مقاوم هستند بنابر اين طول عمر اين سيستم به مراتپ بيشتر از روش آند فدا شونده مي باشد.هنگاميکه ازپوشش هاي هادي جريان الکتريکي و يا توريهاي تيتانيومي استفاده مي شود(اين نوع آند در قسمت بعدي توضيح داده مي شود)عمر سيستم حفاظت کاتدي به ترتيپ کمتر از ١٠ سال و بيش از٧٥ سال مي باشد.
در روش آند فدا شونده ، جريان حفاظت کاتدي در اثر اختلاف پتانسيل الکتروشيميايي بين آندو کاتد بوجود مي آيد و بنابر اين نيازي به منبع تغذيه يا ترانس رکتيفاير ندارد.همچنين در اين روش آندها مستقيما به آرماتورها متصل مي شوندو مثل روش اعمال جريان با مشکل احتمال ايجاد اتصال کوتاه بين آندو کاتدو لزوم عايق سازي آنها از يکديگر مواجه نيست .بتن هايي که در آنها آرماتورها تحت تنش کششي قرار دارند، بکارگيري روش آند فدا شونده توصيه مي شود.در اين حالت اگر از روش اعمال جريان استفاده شود، ممکن است بر اثر اعمال جريان بيش از حدو يا پتانسيل نامناسپ ، تردي هيدروژني (hydrogen embrittelment) در آرماتورها رخ دهد[٥].
حفاظت کاتدي به روش اعمال جريان
براي آنکه سيستم حفاظت کاتدي بتواند بطور موفق بر روي آرماتورهاي فولادي اعمال شود، بايستي کليه آرماتورها اتصال الکتريکي با يکديگر داشته باشند.در اين رابطه آرماتورهاي فولادي بايستي قبل از مدفون شدن در بتن ، توسط سيم هاي فولادي به يکديگر متصل شوند.هنگام طراحي روش اعمال جريان براي شرايط پاشش آپ و جزرو مدو پاشش آپ بايستي امکان نشت جريان حفاظت کاتدي بداخل آپ درياو بروز تداخل جريان در نظر گرفته شود. در اين حالت ممکن است بر اثر ضربات مکانيکي ناشي از برخورد قايق هاو يا اجسام شناور با بدنه بتني ، پوشش بتني موجود بر روي قسمتي از آندها برطرف شده و آند مستقيما با آپ دريا در