خرابی های شیمیایی بتن

آشنایی با خرابی های شیمیایی ناشی از عوامل محیطی :

    خرابی سولفاتی

خرابی سولفاتی به وضعیتی اطلاق می‌شود که سولفات‌های حل شده مانند سدیم، پتاسیم، کلسیم و منیزیم که به طور طبیعی در آب و خاک وجود دارند، با بتن واکنش داده و باعث آسیب و تخریب آن می‌شوند. این سولفات‌ها معمولاً در خاک یا آب‌هایی که دارای آنها هستند، باعث ایجاد شرایط قلیایی می‌شوند که برای بتن ضررآمیز است.

    مکانیزم حمله سولفات ها

سولفات ها ترکیبات مختلف سیمان هیدراته شده را مورد حمله قرار می دهند. سولفات های سدیم و پتاسیم با هــــیدروکسید کلسیم و هــیدروآلومینات کلسیم ترکیب مــی شونـد.

فــعل و انــفعال ســولفات ســــدیم با هیدروکسید کلسیم را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

Na2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4 + 2 NaOH

Na2SO4 + 2KOH → 2NaOH + K2SO4

محصولات واکنش های فوق عبارتند از:

۱. گچ: که موجب سستی سطح بتن و افزایش مقاومت آن شده، و به میزان ۱۲۵ درصد حجم مواد جامد را افزایش می‌دهد.

۲. سولفوآلومینات کلسیم (اترینگایت): که باعث افزایش قابل ملاحظه‌ای در حجم بتن می‌شود و در نتیجه باعث ترک و ریزش آن می‌گردد. میزان افزایش حجم مواد بر اثر این ترکیب به ۲۲۵ درصد می‌رسد. سولفات کلسیم فقط با هیدروآلومینات کلسیم واکنش انجام می‌دهد، که در اثر این واکنش، دو شکل مختلف هیدروسولفوآلومینات کلسیم تشکیل می‌شود.

خرابی کلری

خرابی کلری به عنوان یک عامل مهم در زنگ زدگی و خوردگی آرماتورها در بتن مطرح است. وجود یون کلرید در بتن ممکن است از مصالح آلوده یا مواد افزونی آغشته به کلر، و یا از طریق نفوذ منابع خارجی مانند محیط دریا، وارد بتن شود. یونهای کلرید تنها در آب وجود دارند، بنابراین نفوذ کلرید مشروط به حضور آب در سیستم منفذی بتن است.

مکانیسم ورود یون کلرید به داخل بتن می‌تواند به دو صورت باشد:

• از طریق سیستم مکنده مویینگی: آب آلوده به کلر وارد بتن شده و یون‌ها را به داخل بتن حمل می‌کند. این حالت مختص بتن‌های خشک می‌باشد.
• از طریق نفوذ ساده یون‌ها (انتشار): یون‌های کلرید از طریق نفوذ در آب راکد وارد منافذ بتن می‌شوند. این حالت مختص بتن‌های مرطوب یا مغروق است.

در بتن‌هایی که در چرخه متناوب تر و خشک قرار می‌گیرند، هر دو مکانیسم اجرا می‌شود و بنابراین تحت چنین شرایطی، سرعت افزایش یافته نفوذ یون کلرید افزایش می‌یابد.

مکانیزم خرابی کلری

مکانیزم خرابی کلری در بتن به این صورت است:

• تشکیل لایه محافظ: خاصیت قلیایی بالای سیمان پرتلند منجر به ایجاد لایه محافظ نازکی از اکسید فریک (Fe2O3) بر روی سطح فولاد می‌شود. این لایه روئین کننده فولاد را در برابر خوردگی بیشتر محافظت می‌کند.
• تأثیرات مخرب ترکیبات شیمیایی: ترکیباتی مانند دی اکسید کربن و یون کلر می‌توانند باعث تخریب و از بین رفتن این لایه محافظ شوند. این اتفاق موجب می‌شود که میلگردها در مقابل عوامل تخریبی بدون محافظ قرار گیرند.
• حالات یون کلرید در بتن: یون کلرید در بتن به سه حالت پیوند فیزیکی، شیمیایی و آزاد یافت می‌شوند. محصول هیدراتاسیون و پیوند شیمیایی یون کلر، تمک فریدل می‌باشد.

بنابراین، تأثیرات مخرب ترکیبات شیمیایی می‌توانند لایه محافظ روی سطح فولاد را تخریب کرده و به طور مستقیم منجر به خرابی کلری در بتن و زنگ زدگی و خوردگی آرماتورها شوند.

خوردگی فولاد

خوردگی فولاد (میلگردها) در بتن یک فرآیند الکتروشیمیایی است که دارای دو واکنش اصلی است: واکنش آندیک و واکنش کاتدیک.

1. واکنش آندیک: در واکنش آندیک، آند (فولاد) به عنوان الکترود مثبت در معرض اکسیداسیون قرار می‌گیرد و یون‌های فلز آن به فلزیون‌های مثبت اکسید می‌شوند. این واکنش معمولاً با حضور آب و یون‌های هیدروژن اتفاق می‌افتد و موجب تولید یون‌های هیدروژن و یون‌های فلزیوم‌های مثبت می‌شود.
2. واکنش کاتدیک: در واکنش کاتدیک، کاتد (مثلاً بتن یا مواد محافظ) به عنوان الکترود منفی عمل می‌کند و یون‌های هیدروژن و یون‌های فلزیوم‌های مثبت از واکنش آندیک به سمت کاتد حرکت می‌کنند. در اینجا، یون‌های هیدروژن تبدیل به مولکول هیدروژن می‌شوند و یون‌های فلزیوم‌های مثبت به فلزهای خالص تبدیل می‌شوند.

در نتیجه این دو واکنش، فرآیند خوردگی فولاد در بتن اتفاق می‌افتد که منجر به تخریب و ضعیف شدن ساختار بتن می‌شود.

عوامل موثر در سرعت نفوذ یون کلر به بتن عبارتند از:

• تخلخل پوشش بتنی (ساختار منافذ): تخلخل پوشش بتنی و ساختار منافذ آن می‌تواند سرعت نفوذ یون کلر را تحت تأثیر قرار دهد. پوشش بتنی که تخلخل کمتری داشته باشد، نفوذ یون کلر را کاهش می‌دهد.
• نوع سیمان و مقدار سیمان (اثر شیمیایی بتن): نوع سیمان و مقدار آن در بتن می‌تواند ترکیبات شیمیایی بتن را تغییر داده و در نتیجه سرعت نفوذ یون کلر را تحت تأثیر قرار دهد.
• شرایط محیطی: شرایط محیطی از جمله دما، رطوبت، و فشار آب می‌توانند سرعت نفوذ یون کلر را تحت تأثیر قرار دهند.
• ضخامت پوشش روی آرماتور: ضخامت پوشش بتنی روی آرماتور می‌تواند اثر مستقیمی بر سرعت نفوذ یون کلر داشته باشد. پوشش بتنی ضخیم‌تر، نفوذ یون کلر را کاهش می‌دهد.
• کربناتی شدن بتن: فرآیند کربناتی شدن بتن می‌تواند سرعت نفوذ یون کلر را کاهش دهد و پوشش بتنی را بهبود بخشد.
• وجود ترک در بتن به علت انقباض و یا مقاومت کم در مقابل یخ زدگی: ترک‌های موجود در بتن می‌توانند مسیری برای نفوذ یون کلر فراهم کنند و سرعت نفوذ را افزایش دهند.
• استفاده از تسریع کننده‌های کلروری با درصد بالا در بتن: استفاده از تسریع کننده‌های کلروری با درصد بالا می‌تواند غلظت یون کلر در اطراف آرماتور را افزایش داده و سرعت نفوذ را افزایش دهد.

کربناسیون

کربناسیون در بتن به عمل فرآیند تشکیل کربنات‌ها از واکنش گاز دی‌اکسید کربن (CO2) با هیدروکسیدهای موجود در بتن اطلاق می‌شود. در این فرآیند، CO2 از هوا به داخل ساختار بتن نفوذ می‌کند و با هیدروکسید کلسیم موجود در بتن واکنش می‌دهد، که نتیجه آن تشکیل کربنات‌های مختلف است.

عوامل موثر در میزان کربناسیون در بتن عبارتند از:

• شرایط محیطی: شرایط محیطی از جمله دما، رطوبت، و فشار CO2 هوا می‌توانند سرعت نفوذ CO2 به داخل بتن را تحت تأثیر قرار دهند.
• تخلخل پوشش بتن: تخلخل پوشش بتنی و ساختار منافذ آن می‌تواند سرعت نفوذ CO2 را تحت تأثیر قرار دهد. پوشش بتنی که تخلخل کمتری داشته باشد، نفوذ CO2 را کاهش می‌دهد.
• مقدار سیمان و تأثیر سیمان‌های پوزولانی: نوع و مقدار سیمان مورد استفاده و تأثیر سیمان‌های پوزولانی بر ترکیبات بتن می‌تواند سرعت نفوذ CO2 را تحت تأثیر قرار دهد. سیمان‌های پوزولانی ممکن است به‌عنوان یک عامل کاهنده نفوذ CO2 عمل کنند.

    عوامل داخلی مؤثر بر خرابی های بتن

عوامل داخلی مؤثر بر خرابی‌های بتن به شرح زیر هستند:

۳-۱. عوامل مؤثر در نفوذ پذیری بتن:

۱. نسبت آب به سیمان: نسبت آب به سیمان در ترکیب بتن می‌تواند نفوذ پذیری بتن را تحت تأثیر قرار دهد. نسبت آب به سیمان بیشتر، ممکن است منجر به افزایش نفوذ پذیری بتن شود.

۲. تخلخل بتن: تخلخل بتن و وجود منافذ و ترک‌ها می‌تواند سرعت نفوذ آب و مواد مخرب به داخل بتن را افزایش دهد.

۳. درجه هیدراتاسیون: مرحله هیدراتاسیون سیمان و تشکیل گل‌های هیدراته می‌تواند بر خواص بتن و نفوذ پذیری آن تأثیر بگذارد.

۴. خواص سیمان: خواص و ویژگی‌های سیمان مورد استفاده در تهیه بتن می‌تواند تأثیر گذار بر خواص بتن نهایی و مقاومت آن به نفوذ پذیری باشد.

۵. اثر دما: دما می‌تواند بر نفوذ پذیری بتن تأثیر گذار باشد. با افزایش دما، میزان نفوذ پذیری بتن ممکن است افزایش یابد.

۳-۲. واکنش قلیایی سنگدانه‌ها:

برای واکنش قلیایی سنگدانه‌ها، باید اجزای فعال و واکنش‌پذیر در سنگدانه‌ها وجود داشته باشد، قلیایی کافی (مانند K2O، Na2O) در بتن وجود داشته باشد، و رطوبت کافی در بتن حاضر باشد.

۳-۳. فساد مصالح:

فساد مصالح می‌تواند به دلیل وجود بیش از حد املاح در مصالح تشکیل دهنده بتن باشد.

۳-۴. آب مصرفی:

کیفیت و مقدار آب مصرفی می‌تواند بر خواص بتن و نفوذ پذیری آن تأثیر بگذارد.

۳-۵. کیفیت و نوع سنگدانه:

کیفیت و نوع سنگدانه‌های استفاده شده در بتن می‌تواند بر خواص نهایی بتن و نفوذ پذیری آن تأثیر گذار باشد.

عوامل خارجی مؤثر بر خرابیهای بتن (عوامل فیزیکی و مکانیکی)

عوامل خارجی مؤثر بر خرابی‌های بتن، شامل عوامل فیزیکی و مکانیکی به شرح زیر می‌باشند:

۴-۱. سایش، فرسایش و خلاءزایی (کاویتاسیون):

• مقاومت سایشی بتن مستقیماً با مقاومت فشاری و نسبت معکوس با نسبت آب به سیمان مرتبط است.
• آب انداختگی و تشکیل دوغاب سخت در سطح بتن می‌تواند باعث ایجاد سطح شکننده و ضعیف در برابر سایش شود.
• کاویتاسیون به علت تغییر ناگهانی در سرعت جریان، جهت آب و افت فشار منجر به ایجاد حفره‌ها بر اثر پدیده خلاءزایی می‌شود.

۴-۲. تأثیر هوای سرد و یخ زدگی:

• افزایش حجم یخ زدگی می‌تواند باعث ترک‌ها و خرابی‌های سطحی در بتن شود.

۴-۳. خرابی ناشی از نمک‌ها و شوره زدگی:

• بلورهای نمک در نزدیکی سطح بتن ایجاد می‌شوند که می‌توانند منجر به ترک‌ها و خرابی‌های ناشی از انبساط یخ زدگی شوند.
• سولفات منیزیم می‌تواند به عنوان یک نمک خطرناک باشد و باعث بلوری شدن نمک در سطح بتن و حتی نفوذ به داخل بتن از طریق منافذ موئینه شود.