بررسی تاثیر نسبت آب به سیمان و پوزولان متاکائولن بر خوردگی میلگردها در بتن در شرایط پاشش در منطقه خلیج فارس

- مقدمه و هدف

در سال­های اخیر در مناطق مختلف دنیا، خوردگی میلگردهای فولادی در بتن به عنوان دلیل اصلی­خرابی­های زودرس و در برخی موارد تخریب کلی سازه­های بتن مسلح شناخته می‌شود. محیط‌های دریایی واقع در نواحی گرمسیر به عنوان مخرب‌ترین محیط برای سازه­های بتن مسلح می‌باشند. در این شرایط نفوذ یون کلر و خوردگی ناشی از آن بسیار زیاد است و در اغلب موارد به کاهش عمرمفید سازه می­انجامد.

مطالعات انجام شده نشان می‌دهد که شرایط رویارویی پاشش و جزر و مد بحرانی‌ترین شرایط را از نظر دوام سازه‌های بتنی دارند [1و2]. به دلیل سیکل‌های مکرر­تر و خشک شدن و تبخیر بالا، سازه‌های بتنی در معرض شرایط رویارویی پاشش و جزر و مد، دارای بالاترین میزان یون کلرید هستند و در نتیجه احتمال خوردگی میلگردها به­شدت افزایش می‌یابد و زمان شروع خوردگی در مقایسه با سایر شرایط رویارویی کاهش می‌یابد [1و3]. نتایج تحقیقات انجام شده به­وسیله ولی‌پور و همکاران [3] نشان می‌دهد که سرعت خوردگی در ناحیه پاشش بیشتر از ناحیه جزر و مد است و در نتیجه گسترش خوردگی در شرایط پاشش بیشتر از ناحیه جزر و مد خواهد بود.

ساخت سازه­های زیربنایی در منطقه خلیج فارس در دهه­های گذشته به شدت افزایش یافته و امروزه بسیاری از این سازه­ها به دلیل خوردگی ناشی از نفوذ یون کلر با مشکلات اساسی مواجه هستند. طراحی نامناسب، ضعف در اجرا و در نتیجه بتن نامرغوب و نفوذپذیر عوامل اصلی این مشکلات هستند. کلر اولیه در مصالح سنگی مورد استفاده در ساخت سازه، منابع آب و برخی افزودنی­های بتن حاوی یون کلرید و اجرای نامناسب، از جمله دلایل اصلی ­این مشکل می‌باشند. خوردگی فولاد در سازه­های بتنی، به طور متوسط، سالانه هزینه­ای در حدود نیم درصد تولید ناخالص ملی در بردارد که در ایران علی­رغم نبود آمار رسمی در این زمینه، در حال حاضر حدود 2 میلیارد دلار برآورد می‌گردد.

با توجه به اهمیت مساله دوام، انستیتو مصالح ساختمانی دانشگاه تهران در اسفندماه سال 1386 برای تخمین عمر مفید سازه‌های بتن مسلح در تماس با یون­کلر در محیط خلیج فارس، سایتی تحقیقاتی در منطقه­ی آزاد قشم احداث نموده است و با قرار دادن آزمونه‌های بتن مسلح در شرایط رویارویی مختلف، آزمایش‌های پایش خوردگی روی آنها انجام داده است (شکل 1). در این تحقیق به بررسی نتایج آزمایش‌ها تا سن 32 ماهه روی آزمونه‌های واقع در شرایط رویارویی پاشش پرداخته شده و تاثیر پوزولان متاکائولن و نسبت آب به سیمان بر روی روند خوردگی بررسی شده است.

2- بررسی خوردگی فولاد در بتن

خوردگی یکی از مهم‌ترین عوامل زوال و کاهش عمر مفید سازه‌های بتن مسلح است. خوردگی یک فرآیند الکتروشیمیایی است و برای تکمیل این چرخه چهار عامل مورد نیاز است: وجود یک واکنش آندی، یک واکنش کاتدی، جریان یونی و جریان الکترون. در نتیجه، فرآیند خوردگی نیازمند از بین رفتن لایه‌ی محافظ اطراف میلگردها و وجود اکسیژن و رطوبت در اطراف میلگردها می‌باشد. با رسیدن مقدار کلر در اطراف میلگرد به مقدار بحرانی، لایه‍ی محافظ از بین می‍رود. رطوبت بتن یک مسیر الکترولیتی را برای انتقال یو­ن­ها بین آند و کاتد فراهم می‌سازد و میلگرد هدایت‌کننده الکتریکی است که پیل خوردگی را تکمیل می‌کند [4].

شکل 1- سایت تحقیقاتی پایایی جزیره قشم

تا کنون روش‌های مختلفی برای ارزیابی خوردگی میلگرد در بتن به کار برده شده‌اند که تعداد کمی از آن‌ها در عمل بر روی سازه قابل استفاده هستند. از جمله‌ی این روش‌ها روش اندازه‌گیری نرخ خوردگی با استفاده از دستگاه گالواپالس است که یک روش پلاریزاسیون سریع برای تعیین میزان خوردگی در آزمایشگاه و سازه‌های بتن مسلح است. در این روش یک شدت جریان در محدوده μA 400-5 در مدت 10 ثانیه به میلگرد اعمال می‌شود و تغییرات پتانسیل الکتروشیمیایی میلگرد توسط یک الکترود اندازه‌گیری می‌شود و توسط روابط موجود مقاومت الکتریکی و شدت جریان خوردگی محاسبه می‌شود [3 و 5].

 به دلیل مشکلات اندازه‌گیری پتانسیل نیم‌پیل در محیط‌های مرطوب و نیمه مرطوب که ناشی از کمبود اکسیژن است، استفاده از روش گالواپالس توسعه یافته است. از مزایای این روش در نظر گرفتن تاثیر شرایط محیطی و همین‌طور سرعت زیاد آن در به دست آوردن میزان خوردگی میلگرد در بتن است. با استفاده از دستگاه گالواپالس، پتانسیل نیم‌پیل، سرعت (چگالی جریان) خوردگی و مقاومت الکتریکی بتن قابل محاسبه است (شکل 2) [6و7]. معیارهای طبقه‌بندی ریسک‌پذیری میزان خوردگی در جدول 1 آمده است.

شکل 2- تعیین سرعت خوردگی با استفاده از دستگاه گالواپالس

وقتی یک فلز در یک محلول غوطه‌ور می‌شود، در سطح بین مایع و جامد به دلیل توزیع غیر یکنواخت بار در فازهای مایع و جامد، اختلاف پتانسیل به وجود می‌آید. تعیین اختلاف پتانسیل ثابت‍ در

جدول 1- تخمین مقدار خوردگی قابل مشاهده از روی قرائت‌های انجام شده با دستگاه گالواپالس [5]

سطح بین میلگرد و بتن غیر ممکن می‌باشد. بنابراین لازم است که الکترود دیگری برای تکمیل مدار الکتریکی تعریف شود. پتانسیل الکتریکی اندازه‌گیری شده بین این دو الکترود پتانسیل پیلی نامیده می‌شود که مجموع پتانسیل دو نیم‌پیل است. در دستگاه گالواپالس از الکترود مرجع نقره-کلرید نقره (Ag/AgCl) استفاده می‌شود. این الکترودها در دمای بین صفر تا 240 درجه سانتیگراد به خوبی کار می‌کنند و اکسیژن و نور تاثیری بر پتانسیل آن‌ها ندارد. مطابق با استانداردهای ASTM C876 [8] و ASTM G3 [9]، با توجه به مقدار پتانسیل اندازه‌گیری شده با استفاده از الکترود Ag/AgCl احتمالات خوردگی میلگرد مطابق با جدول 2 طبقه‌بندی می‌گردد.

جدول 2- احتمال خوردگی از روی قرائت‌های انجام شده با الکترود مرجع نقره- کلرید نقره (Ag/AgCl) [5و8]

3- پوزولان متاکائولن و تاثیر آن روی خواص بتن

متاکائولن یک ماده آلومینوسیلیکاتی با فعالیت بالا می‌باشد. مواد خام اولیه برای تولید متاکائولن، رس کائولن است. کائولن یک ماده معدنی است که در دماهای 100 و 200 درجه، بیشتر آب جذب شده خود را از دست می‌دهد. دمایی که در آن کائولینیت که اصلی‌ترین جز تشکیل‌دهنده کائولن است به واسطه‌ی دی هیدراکسیونیزاسیون آب از دست می‌دهد، بین 500 الی 800 درجه سانتیگراد می‌باشد. به منظور تولید متاکائولن رس کائولن را تا محدوده دمای 700 تا 900 درجه حرارت می‌دهند [10و11]. خواص فیزیکی متاکائولن در جدول 3 آمده است [12].

استفاده از متاکائولن باعث کاهش تخلخل بتن می‌شود که نتیجه‌ی آن کاهش نفوذپذیری بتن است. طبق تحقیق گروبر و همکاران^[1] که روی بتن حاوی متاکائولن صورت گرفته است، مشاهده می‌شود که با افزایش زمان رویارویی، ضریب نفوذپذیری یون کلر در داخل بتن نسبت به بتن معمولی کاهش خواهد یافت [13].

شکرچی و همکاران [14] نشان دادند که افزودن متاکائولن، مقاومت الکتریکی ویژه بتن را تا 5/5 برابر افزایش می‌دهد. به طوری که بتن حاوی متاکائولن به میزان 15 درصد وزنی سیمان، بیشترین مقاومت را در برابر خوردگی دارد.

جدول 3. مشخصات فیزیکی پوزولان متاکائولن [12]

بتیس و همکاران^[2] اثر متاکائولن را روی مقاومت خوردگی ملات بررسی کردند. طبق نتایج این تحقیق، نمونه‌های حاوی 10 درصد متاکائولن بیشترین مقاومت فشاری و مقاومت در برابر خوردگی را نشان داده‌اند و درصدهای بیشتر عملکرد مطلوبی نداشته‌اند [15].

4- مشخصات طرح‌های اختلاط آزمونه‌ها

در سایت تحقیقاتی، آزمونه‌های بتن مسلح به ابعاد 20×30×55 سانتیمتری برای ارزیابی خوردگی میلگرد در بتن ساخته شده است. به دلیل تسریع در پدیده‌ی خوردگی ضخامت پوشش روی میلگردها 3 سانتیمتر در نظر گرفته شده و قطر میلگردها 14 میلیمتر است. به ازای سه میلگرد آند در بالا، شش میلگرد کاتد در پایین آزمونه وجود دارد که در مجموع سه سیستم ماکروپیل را تشکیل می‌دهد. به طوری که برای هر طرح اختلاط، سه قرائت انجام می‌شود که دقت تحلیل نتایج را افزایش می‌دهد. شکل 3 جزییات آزمونه‌ها را نشان می‌دهد. از سیمان نوع 2 هرمزگان و همچنین پوزولان طبیعی متاکائولن شرکت آسان سرام استفاده شده است که آنالیز شیمیایی آن­ها در جدول 4 آمده است. مجموع سنگدانه‌ها تقریبا 1850 کیلوگرم بر متر مکعب و بزرگترین اندازه سنگدانه مورد استفاده 19 میلیمتر است. از فوق‌روان‌کننده با پایه پلی‌کربکسیلات استفاده شده است. طرح اختلاط آزمونه‌ها در جدول 5 آمده است. آزمونه‌ها بعد از سه روز عمل‌آوری مرطوب در شرایط محیطی منطقه، برای بررسی خوردگی در ناحیه‌ی پاشش قرار داده‌شدند و در فواصل زمانی مشخص آزمایش گالواپالس روی آنها صورت گرفته است.

شکل 3- جزییات آزمونه‌های بتن مسلح

5- نتایج تحقیق و بررسی آن‌ها

5-1-تأثیر نسبت آب به سیمان

با استفاده از دستگاه گالواپالس چگالی جریان خوردگی یا به عبارت دیگر سرعت خوردگی که معیاری برای تعیین میزان خوردگی میلگرد در بتن است در زمان‌های مختلف در آزمونه‌های موجود اندازه گرفته شده است. نمـودار تغییــرات چگــالی جریان خوردگی بر حسب زمان برای آزمونه‌ها با نسبت آب به سیمان مختلف در شکل 4 آمده است.

جدول4-  آنالیز شیمیایی مواد سیمانی مصرفی

جدول 5- طرح اختلاط آزمونه‌ها

مشاهده می‌شود که با افزایش نسبت آب به سیمان چگالی جریان خوردگی به صورت چشمگیری افزایش می‌یابد. به طوری­که در آزمونه C3 بعد از گذشت حدود 15 ماه، خوردگی به حد آستانه رسیده است. یک شکستگی در این زمان در نمودار مشاهده می‌شود و بعد از آن چگالی جریان خوردگی به شدت افزایش می‌یابد. اما در آزمونه C1 که نسبت آب به سیمان آن 35/0است با گذشت 32 ماه از قرارگیری در ناحیه پاشش خوردگی در حد بسیار کم قرار دارد. البته بعد از مدتی افت جریان خوردگی مشاهده می‌شود که دلیل آن نیازمند بررسی‌های بیشتر در طول زمان است. در بررسی آزمونه C2، مشاهده می‌شود که بعد از حدود 20 ماه، در نمودار شکستگی رخ داده است و طبق جدول1، میزان خوردگی در حد متوسط قرار دارد. شکل 5 تغییرات پتانسیل نیم‌پیل را در طول زمان برای این آزمونه‌ها نشان می‌دهد. بررسی این منحنی‌ها نتایج به دست آمده از چگالی جریان خوردگی (شکل 4) را تصدیق می‌کند. با افزایش نسبت آب به سیمان پتانسیل نیم‌پیل افزایش می‌یابد. مشاهده می‌شود که در آزمونه C1 و C2 با گذشت 32 ماه، پتانسیل از حد آستانه تجاوز نکرده است. این در حالی است که پتانسیل هر سه میلگرد آزمونه C3 بعد از گذشت 3 ماه منفی‌تر از 245- است یعنی خوردگی با احتمال بیش از 90 درصد رخ داده است. همچنین شکستگی دائمی در نمودار بیانگر این مطلب است.

در منحنی‌های شکل 5 یک تغییر ناگهانی بعد از حدود 22 ماه مشاهده می‌شود، این امر می‌تواند بیانگر افزایش دما و کاهش شدید مقاومت الکتریکی ویژه بتن در این زمان باشد که باید در نتایج بلند مدت مورد بررسی بیشتر قرار گیرد.

5-2-تاثیر پوزولان متاکائولن

نمودار تغییرات چگالی جریان خوردگی بر حسب زمان برای آزمونه‌های حاوی پوزولان متاکائولن در شکل 6 آمده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود چگالی جریان خوردگی در آزمونه‌ی بدون پوزولان (C2) بسیار بیشتر از آزمونه‌های حاوی پوزولان متاکائولن است و بعد از گذشت حدود 22 ماه از قرارگیری آزمونه، خوردگی به حد بالای خود رسیده است. این در حالی است که در آزمونه‌های حاوی پوزولان سرعت خوردگی بسیار کم‌تر از مقدار بحرانی‌است و مقدار خوردگی در حد کم است. این امر نشان می‌دهد که استفاده از متاکائولن مقدار خوردگی را به صورت چشمگیری کاهش می‌دهد.

شکل 4- تغییرات چگالی جریان خوردگی بر حسب زمان برای آزمونه‌های با نسبت آب به سیمان مختلف

شکل 5- تغییرات پتانسیل نیم‌پیل بر حسب زمان برای آزمونه‌های با نسبت آب به سیمان مختلف

شکل 6- تغییرات چگالی جریان خوردگی بر حسب زمان برای آزمونه های با مقادیر مختلف متاکائولن

در این نمودارها نیز بعد از گذشت حدود 22 ماه یک افزایش ناگهانی و افت مجدد چگالی مشاهده می‌شود که می‌تواند ناشی از افزایش شدید دما در فصل تابستان باشد و نیاز به بررسی بلند مدت دارد.

نمودار شکل 7 تغییرات سرعت خوردگی را نسبت به مقادیر مختلف متاکائولن نشان می‌دهد. مطابق شکل، مقدار بهینه‌ی  استفاده از متاکائولن حدود 10 درصد وزنی سیمان است که حداقل سرعت خوردگی را دارد. استفاده بیشتر از آن باعث افزایش سرعت خوردگی شده است.

نمودار تغییرات پتانسیل نیم‌پیل بر حسب زمان برای آزمونه‌های مختلف در شرایط رویارویی پاشش در شکل 8 آمده است.

شکل 7- نمودار تغییرات چگالی جریان خوردگی بر حسب مقدار متاکائولن

شکل 8- تغییرات پتانسیل نیم‌پیل بر حسب زمان برای آزمونه‌های با مقادیر مختلف متاکائول