نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 استاد دانشکده مهندسی عمران و سرپرست انستیتو مصالح ساختمانی دانشکده فنی دانشگاه تهران
2 کارشناسی ارشد مهندسی عمران، گرایش سازه، دانشکده فنی دانشگاه تهران
3 دانشجوی دکترای مهندسی عمران،گرایش سازههای دریایی، دانشکده فنی دانشگاه تهران
4 دانشجوی دکتری مهندسی عمران،گرایش سازه، دانشکده فنی دانشگاه تهران
چکیده
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Marin environments such as Qheshm Island, are the most destructive environments for reinforced concrete structures. Concrete quality is one of the important factors in corrosion. Nowadays use of pozzolanic materials is one of the methods to improve the concrete qualities. In this study, by placing specimens with different water to cement ratios and different amounts of Metakaolin in splash zone and measuring the rate of corrosion and half-cell potential using GalvaPulse method, the effect of these factors on corrosion of reinforcements during 32 month is evaluated. The test results indicate that the specimen with lower water to cement ratio has lower likelihood of corrosion. Increasing the water to cement ratio from 0.35 to 0.45, decreases the time-to-corrosion to 50%. Using Metakaolin also reduces the rate of corrosion.
کلیدواژه‌ها [English]
- 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]
|
مقدار خوردگی |
مقدار اندازه‌گیری شده (μA/cm2) |
|
در حالت مقاوم |
5/0> |
|
کم |
5-5/0 |
|
متوسط |
15-5 |
|
زیاد |
15< |
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]
|
مقدار پتانسیل نیم پیل |
احتمال خوردگی |
|
mv 95- < |
با احتمال بیش از 90 درصد هیچ خوردگی در زمان آزمایش وجود ندارد. |
|
mv 95- > پتانسیل> mv 245- |
فعالیت خوردگی در آن ناحیه نامشخص است |
|
mv 245- > |
با احتمال بیش از 90 درصد در میلگرد در زمان آزمایش خوردگی وجود دارد. |
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]
|
ویژگی |
مقدار |
|
جرم مخصوص |
6/2 |
|
چگالی انبوهی (g/cm3) |
4/0-3/0 |
|
شکل فیزیکی |
پودر |
|
رنگ |
سفید |
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
|
L.O.I (%) |
K2O (%) |
Na2O (%) |
SO3 (%) |
MgO (%) |
CaO (%) |
Fe2O3 (%) |
Al2O3 (%) |
SiO2 (%) |
عنوان |
|
2 |
6/0 |
5/0 |
6/1 |
8/1 |
63 |
5/3 |
5 |
21 |
سیمان |
|
6/0 |
12/0 |
01/0 |
- |
18/0 |
2/0 |
1 |
8/43 |
8/51 |
متاکائولن |
جدول 5- طرح اختلاط آزمونه‌ها
|
کد آزمونه |
نسبت آب به سیمان |
عیار سیمان )kg/m3( |
پوزولان جایگزین )kg/m3( |
مقدارآب )kg/m3( |
فوق روان کننده )kg/m3( |
اسلامپ )cm( |
|
C1 |
35/0 |
400 |
- |
140 |
35/0 |
8 |
|
C2 |
4/0 |
400 |
- |
160 |
2/0 |
7 |
|
C3 |
45/0 |
400 |
- |
180 |
1/0 |
15 |
|
MK1 |
4/0 |
380 |
20 |
160 |
8/0 |
5 |
|
MK2 |
4/0 |
360 |
40 |
160 |
4/1 |
5/5 |
|
MK3 |
4/0 |
320 |
60 |
160 |
6/1 |
8 |
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
مشاهده می‌شود که پتانسیل نیم‌پیل در آزمونه C2 بسیار منفی‌تر از آزمونه‌های حاوی پوزولان است و از حد آستانه‌ی خوردگی تجاوز می‌کند. در حالی که پتانسیل نیم پیل در آزمونه‌های حاوی پوزولان کمتر از حد آستانه است. مقایسه این نتایج نشان از عملکرد مثبت پوزولان متاکائولن در برابر خوردگی دارد، به طوریکه با وجود احتمال خوردگی در آزمونه شاهد در ماه 20ام، پس از گذشت 32 ماه در آزمونه‌های حاوی متاکائولن احتمال خوردگی نزدیک به صفر است.
بعضی از تغییرات نتایج در طول زمان، به دلیل وابستگی پتانسیل و سرعت خوردگی به عوامل مختلفی از جمله دما و درصد رطوبت نسبی است. با افزایش دما و رطوبت نسبی، مقاومت الکتریکی بتن کاهش مییابد و در نتیجه احتمال و سرعت خوردگی افزایش خواهد یافت. البته تأثیرات دما و رطوبت نسبی روی روند خوردگی دارای پیچیدگی است و نیازمند بررسی بیشتر می‌باشد.
6- نتیجه گیری
با توجه به نتایج آزمایش‌ها و تحقیقات انجام شده در این مقاله، به نتایج زیر می‌توان دست یافت:
7- تشکر و قدردانی
نویسندگان این مقاله از همکاری سازمان منطقه آزاد قشم به‌ویژه معاونت عمرانی این سازمان در احداث این سایت تحقیقاتی کمال تشکر و قدردانی را دارند.
)