بخشی از مقاله
-1 مقدمه
مهمترین عامل بروز پدیده خوردگی در منطقه خلیج فـارس مشـکلات متعـددي ماننـد طراحـی نامناسـب، ضـعف در اجـرا و شرایط محیطی خورنده با حـداکثر مقـدار دمـاي میـانگین 34/6
درجه سانتیگراد و حداکثر رطوبت نسـبی 73 درصـد مـی باشـد.
شیوع این پدیده عمر مفید سازه هـاي بتنـی اجـرا شـده در ایـن منطقه را با چالشهاي جدي مواجه کرده اسـت. در نتیجـه ایـن مشکلات اجرایی که حاصـل آن بـتن نـامرغوب تـر و نفوذپـذیرتر است، نفوذ یون کلر توسط آب دریا یا خاك منطقه موجب تسریع زمان شروع خوردگی شده و در نهایـت شـاهد کـاهش چشـمگیر عمر مفید سازه ها در این منطقه می باشیم .[4-1] با این وجود، با توجه به گستردگی ابعاد این مشکل، مطالعات و تحقیقات جـامع اندکی براي حل این معضل و ارائه راهکارهاي عملی در این مورد انجام شده است. بدون تردید هزینه هاي زیاد در جهت بهبود عمر سازه هاي جدید به همان انـدازه مـورد نیـاز مـیباشـد کـه بـراي ضمانت سازههاي موجود و تعمیر آنها نیاز است.
در همین راستا و براي شناخت و درك بهتر وضعیت موجود و ارائه راهکارهاي عملی و اجرایی براي حل مشکلات موجود، انستیتو مصالح ساختمانی دانشکده فنی دانشگاه تهران پس از
احداث اولین سایت دانشگاهی- تحقیقاتی کشور در زمینه پایایی بتن در بندرعباس در سال 1382، با پشتیبانی سازمان منطقه آزاد قشم دومین سایت تحقیقاتی- دانشگاهی پایایی بتن کشور را در سال 1386 در جزیره قشم احداث نموده است (شکل .((1)
شکل -1 سایت تحقیقاتی پایایی بتن در جزیره قشم
* نویسنده مسئول دریافت 90/7/1 پذیرش 91/2/11
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، جلد 42، شماره 1، بهار 1391، پیاپی 66 بررسی خوردگی در ... 58 /
در این تحقیق بلند مدت، روشهایی مانند جریان ماکروپیل، پتانسیل نیمپیل و اندازهگیري نرخ خوردگی براي بررسی وضعیت خوردگی آرماتورها در منطقه خلیج فارس مورد استفاده قرار گرفته است. در این مقاله، نتایج بررسی وضعیت خوردگی آزمونههاي بتن مسلح با نسبت آب به سیمان 0/35)، 0/4، 0/45و (0/5 پس از 18 ماه از ساخت آنها در شرایط رویارویی پاشش ارائه شده است.
-2 بررسی خوردگی فولاد در بتن در اثر نفوذ یون کلر
خوردگی فولاد در بتن یکی از مهمترین مسائلی است کـه در طول عمر سازههاي بتنی مسلح وجود دارد. خـوردگی شـامل دو فرآیند است که عبارتند از فرآیند آندي، جایی که اکسید شـدن رخ میدهد و فرآیند کاتدي جایی که احیا شدن اتفاق میافتـد.
همچنین براي خوردگی، هـدایت کننـده الکتریکـی (میلگـرد) و
الکترولیت (رطوبت) لازم است. آند و کاتد در بتن آرمه میتوانند در یک میلگرد یا در دو میلگرد مجزا باشـند. رطوبـت بـتن یـک مسیر الکترولیتی را براي انتقال الکترون از آند بـه کاتـد فـراهم میآورد. میلگرد هدایتکننده الکتریکی است که پیل خوردگی را تکمیل میکند. خوردگی فولاد مسلح کننده در محـیط قلیـایی بتن شامل واکنشهاي آندي و کاتدي است که منجر بـه ایجـاد حالت مقاوم در میلگرد میشود. واکنش آندي شامل اکسید شدن آهن و تولید اکسید فریک یا اکسید فروس است و واکنش کاتدي شامل احیا شدن میباشد کـه در نتیجـه آن یـون هیدروکسـیل تولید میشود .[5]
تاکنون روش هاي مختلفی براي ارزیابی خوردگی آرمـاتور در بتن بکار برده شده اند. بسیاري از آنها به تحقیقات آزمایشـگاهی محدود شده و تنها تعداد کمی از آنهـا در عمـل قابـل اسـتفاده هستند. از جمله این روش هـا روش جریـان ماکروپیـل، پتانسـیل نیمپیل و روش اندازهگیري نرخ خوردگی است.
روش ماکروپیل براي انـدازه گیـري جریـان بـین دو میلگـرد موجود در بتن بکار میرود. براي این منظور کافیست تـا شـرایط رویارویی را به نحوي براي آرماتورهاي فولادي تغییر دهیم که بـر اثر نفوذ یون کلر یا کربناتاسیون فعال شدن تنها در یک آرمـاتور رخ داده و سایر آرماتورها مقاوم باقی بمانند. این کار بـراي فـولاد داخل بتن به آسانی قابل اجرا است. جریان ماکروپیل میتواند بـا استفاده از اندازهگیري ولتاژ بین دو آرماتور کاتـد پـایینی و یـک آرماتور آند بالایی به راحتی اندازهگیري شده و سپس با اسـتفاده از رابطه I=V/R مقدار جریان محاسبه شود. تحقیقات انجام شده نشان میدهند که با افزایش مقدار جریان ماکروپیل بـه بـیش از
10µA خوردگی بر روي میلگرد قابـل مشـاهده خواهـد بـود. دو روش استاندارد انجام این آزمایش، روش آزمایشگاهی مرکـز راه و ترابري آمریکا و روش ASTM G109 است. در تحقیـق حاضـر، روش انــدازهگیــري جریــان ماکروپیــل بــر اســاس اســتاندارد
ASTM G109 است .[6]
در روش نیمپیل وقتـی یـک فلـز در یـک محلـول غوطـهور میشود، در سطح بین مایع و جامد به دلیل توزیع غیر یکنواخت بار در فازهاي مایع و جامد، اختلاف پتانسیل بـه وجـود مـیآیـد.
تعیین اختلاف پتانسیل ثابت در سطح بـین میلگـرد و بـتن غیـر ممکن میباشد. بنـابراین لازم اسـت کـه الکتـرود دیگـري بـراي تکمیل مدار الکتریکی تعریف شود. پتانسیل اندازهگیري شده بین این دو الکترود پتانسیل پیلی نامیده میشود که مجموع پتانسیل دو نــیمپیــل اســت. در ایــن آزمــایش کــه طبــق اســتاندارد
ASTM C876 انجام میشود، اندازهگیريها مسـتقل از انـدازه المان بتن آرمه و ضخامت پوشش روي آرماتور میباشند و در هر زمان از عمر سازه قابل انجام هستند. در تحقیق حاضـر، الکتـرود مورد استفاده براي اندازهگیـري پتانسـیل آرماتورهـا Ag/AgCl
است. با توجه به مقدار پتانسیل اندازهگیري شـده بـا اسـتفاده از الکترود Ag/AgCl احتمالات زیر متصور است:
> -83 mV پتانســیل: بــا احتمــال بــیش از 90 درصــد هــیچ خوردگی آرماتور در زمان آزمایش وجود ندارد.
< -83 mV پتانسیل : - 233 mV < فعالیـت خـوردگی در آن ناحیه نامشخص است.
< -233 mV پتانسیل: با احتمال بیش از 90 درصد در آرمـاتور آن ناحیه در زمان آزمایش خوردگی وجود دارد.
کاهش مقـدار پتانسـیل بـه مقـادیر کمتـر از -233 میلـی ولـت میتواند به عنوان معیاري براي شروع خوردگی در سطح آرمـاتور به حساب آید .[7]
اندازه گیري نرخ خوردگی با استفاده از دستگاه گالواپالس نیز یک روش پلاریزاسیون سریع بـراي تعیـین میـزان خـوردگی در آزمایشگاه و سازه هاي بتن آرمه به حساب میآیـد. ایـن روش بـه خاطر مشکلات اندازه گیـري پتانسـیل نـیمپیـل در محـیطهـاي مرطوب و یا نیمه مرطوب به علت کمبود اکسیژن، تـأثیر شـرایط محیطی و همینطور سرعت زیاد آن در بـه دسـت آوردن میـزان خوردگی آرماتور در بتن، توسعه یافته است .[8]
-3 ساخت آزمونهها
براي انجام این تحقیـق آزمونـههـاي بتنـی مسـلح بـه ابعـاد
20×30×55 سانتیمتر براي ارزیابی خوردگی آرماتور ساخته شده
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، جلد 42، شماره 1، بهار 1391، پیاپی 66 بررسی خوردگی در ... 59 /
است. در طرح اختلاط این آزمونه هـا از سـیمان پرتلنـد تیـپ دو کارخانه سیمان هرمزگان استفاده شده اسـت. جـداول (1) و (2)
به ترتیـب نشـان دهنـده آنـالیز شـیمیایی سـیمان و مشخصـات طرحهاي اختلاط آزمونههاي بتنی می باشـند. در ایـن آزمونـه هـا مجموع سنگدانهها به طور تقریبی1850 کیلوگرم بر متر مکعـب و بزرگترین اندازه سنگدانه مورد استفاده 19 میلیمتر می باشـد.
همچنین در طرح اختلاط آزمونه ها از فـوق روان کننـده بـا پایـه پلیکربکسیلاتی استفاده شده است. مدت زمان عمـل آوري 3 روز در شرایط محیطی منطقه بوده و ضخامت پوشش بتنـی بـر روي آرماتورها 3 سانتیمتر می باشد. دلیـل انتخـاب پوشـش بـتن بـه ضخامت 3 سـانتیمتر، سـرعت بخشـیدن بـه شـروع خـوردگی و مطالعـه خـوردگی در مـدت زمـان کوتـاه مـیباشـد. در نهایـت، آزمونه هاي بتنی براي بررسی وضعیت خـوردگی در طـول مـدت زمان در شرایط رویارویی پاششی در منطقه خلیج فارس (جزیـره قشم) قرار داده شدند.
لازم به ذکر است که در آزمونههاي بتنی مسلح ایـن تحقیـق به ازاي سه میلگرد آند در بالا، شش میلگرد کاتد در پایین آزمونه وجود دارد. به طوري که هر آزمونه با در نظر گرفتن یک میلگـرد آند در بالا و دو میلگرد کاتد در پـایین در مجمـوع تشـکیل سـه سیسـتم ماکروپیـل را مـیدهـد. بنـابراین در هـر روش بررسـی خوردگی در این تحقیق براي هر سیستم ماکروپیـل یـک قرائـت انجام شده که در مجموع سه قرائت براي هر آزمونه وجود داشـته
است (شکل .((2) لازم به ذکر است کـه سـه مـاه پـس از شـروع زمان رویارویی اولین قرائت انجام شـده و حـداکثر فاصـله زمـانی بین قرائتها یک ماه میباشد.
همچنین در این تحقیق همزمان با ساخت آزمونه هاي بتنـی مسلح، آزمونه هاي بتنی منشوري (غیرمسلح) با ابعـاد15×15×60
سانتیمتر براي اندازه گیري میزان نفوذ یون کلر و تعیـین میـزان کلر بحرانی ساخته و در شرایط مشابه با آزمونه هاي بتنـی مسـلح در ناحیه پاشش قرار داده شدند. پس از گذشت نـه مـاه از زمـان رویارویی، مقدار نفوذ یون کلر در این آزمونه ها براي تعیین میزان کلر بحرانی اندازهگیري شده است.
شکل -2 جزئیات آزمونههاي بتنی مسلح
جدول -1 آنالیز شیمیایی سیمان
عنوان SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O L.O.I
سیمان 21 5 3/5 63 1/8 1/6 0/5 0/6 2
جدول -2 مشخصات طرحهاي اختلاط
کد آزمونه نسبت آب به عیار سیمان
سیمان (kg/m3)
C1 0/35 400
C2 0/4 400
C3 0/45 400
C4 0/5 400
-4 نتایج تحقیق و بحث
همــانطــور کــه اشــاره شــد در ایــن تحقیــق از ســه روش اندازه گیري جریان ماکروپیل، پتانسیل نیم پیـل و نـرخ خـوردگی براي بررسی وضعیت خوردگی آزمونه ها در بلنـد مـدت و تعیـین میزان کلر بحرانی در شرایط رویارویی پاشـش در منطقـه خلـیج
مقدارآب اسلامپ فوق روانکننده (درصد
(kg/m3) (سانتی متر) وزنی سیمان)
140 8 0/35
160 7 0/2
180 15 0/1
200 18 0
فارس استفاده شده است. با توجه به وجود سه ماکروپیـل در هـر آزمونه، سه قرائت براي هر آزمونه انجام شـده و حـد آسـتانه هـر روش در نمودارهاي مربوطه مشخص شده است. همچنین در هـر روش مورد بررسی، تغییرات ناگهانی در رونـد قرائـت هـاي انجـام شده براي هر آزمونه با در نظر گرفتن حد آسـتانه، معیـار شـروع
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست، جلد 42، شماره 1، بهار 1391، پیاپی 66 بررسی خوردگی در ... 60 /
احتمالی خوردگی در نظر گرفته شده است. در نهایت با مقایسـه وضعیت خوردگی حاصل از روشهاي جریان ماکروپیل و پتانسیل نیم پیـل بـا مقـادیر بـه دسـت آمـده از روش انـدازه گیـري نـرخ خوردگی، ارزیابی از دقت روش هاي مـورد بررسـی انجـام شـده و سپس با اندازه گیري میزان نفوذ یون کلر در سطح آرماتور، مقدار کلر بحرانی در ناحیه پاشش در منطقه خلیج فـارس تخمـین زده شده است.
-1-4 نتایج خوردگی آزمونههاي واقع در ناحیه پاشش
در این تحقیق بررسی جریان ماکروپیل و پتانسـیل نـیمپیـل آزمونه ها در طول 18 ماه از زمان رویارویی در بازه هاي زمانی یک ماهه در ناحیه پاشش انجام شده است که اولین قرائت 3 ماه پس از زمان آغاز رویارویی ثبت شده است. روند تغییـرات مربـوط بـه جریان ماکروپیل و پتانسیل نیمپیل آزمونههاي با نسبتهـاي آب به سیمان مختلف به ترتیب در شکل (3) و (4) ارائه شده است.
