بررسی جامع و تخصصی علل خوردگی میلگرد در بتن
بررسی جامع و تخصصی علل خوردگی میلگرد در بتن
مقدمه
سازه‌های بتن مسلح، یکی از پرکاربردترین و اقتصادی‌ترین سیستم‌های ساختمانی در جهان هستند. ترکیب بتن به‌عنوان ماده‌ای فشاری، با میلگرد فولادی به‌عنوان عنصر کششی، مزایای زیادی به همراه دارد. اما یکی از چالش‌های جدی و پرهزینه در این نوع سازه‌ها، خوردگی میلگرد در داخل بتن است.
خوردگی میلگرد نه‌تنها باعث کاهش مقاومت سازه می‌شود، بلکه منجر به ترک‌خوردگی، بادکردگی، جداشدگی بتن و حتی تخریب کامل سازه در بلندمدت می‌گردد. این مقاله به‌صورت جامع به بررسی مکانیسم خوردگی، عوامل مؤثر، انواع خوردگی، شرایط محیطی، و روش‌های نوین پیشگیری و تعمیر می‌پردازد.
⸻
۱. مفهوم خوردگی میلگرد در بتن
خوردگی میلگرد به واکنش شیمیایی بین فولاد و عوامل مهاجم درون بتن یا محیط اطراف گفته می‌شود. این واکنش موجب تولید اکسید آهن (زنگ‌زدگی) و افزایش حجم فولاد می‌شود که فشار داخلی به بتن وارد کرده و منجر به ترک و جداشدگی بتن می‌شود.
در شرایط عادی، بتن دارای محیطی قلیایی با pH بالا (حدود ۱۲.۵ تا ۱۳.۵) است که باعث تشکیل یک لایه محافظ (Passive Layer) روی سطح میلگرد می‌شود. این لایه از فولاد در برابر خوردگی محافظت می‌کند. اما اگر این شرایط قلیایی تغییر کند یا یون‌های مهاجم به میلگرد برسند، این لایه از بین رفته و خوردگی آغاز می‌شود.
⸻
۲. انواع خوردگی میلگرد
۲.۱. خوردگی یکنواخت (Uniform Corrosion)
سطح میلگرد به‌طور یکنواخت زنگ می‌زند. این نوع خوردگی اغلب در اثر کربناته شدن بتن ایجاد می‌شود و به‌آرامی پیش می‌رود.
۲.۲. خوردگی موضعی (Pitting Corrosion)
خوردگی در نقاط خاصی از میلگرد رخ می‌دهد، معمولاً ناشی از یون کلر است. این نوع خوردگی خطرناک‌تر است زیرا ممکن است در ظاهر نشانه‌ای نداشته باشد ولی عمق زیادی پیدا کند.
۲.۳. خوردگی گالوانیک
وقتی دو فلز مختلف (مثلاً فولاد کربنی و فولاد ضدزنگ) در تماس با یکدیگر و با الکترولیت (آب بتن) قرار گیرند، فلز ضعیف‌تر سریع‌تر خورده می‌شود.
۲.۴. خوردگی ناشی از ترک (Stress Corrosion)
ترکیبی از تنش کششی و محیط خورنده باعث ایجاد ترک‌های ریز و پیش‌رونده در میلگرد می‌شود.
⸻
۳. عوامل مؤثر بر خوردگی میلگرد در بتن
۳.۱. نفوذ یون کلرید (Cl⁻)
منبع: نمک‌های یخ‌زدا، محیط دریایی، افزودنی‌های آلوده
این یون‌ها مستقیماً به لایه محافظ فولاد حمله کرده و آن را تخریب می‌کنند.
۳.۲. کربناته شدن بتن
گاز CO₂ از هوا وارد بتن شده و با Ca(OH)₂ واکنش می‌دهد و باعث کاهش pH به کمتر از ۹ می‌شود که منجر به زوال لایه محافظ فولاد می‌گردد.
۳.۳. وجود ترک در بتن
ترک‌های بتن، مسیر مستقیمی برای نفوذ آب، اکسیژن، دی‌اکسیدکربن و کلریدها ایجاد می‌کنند.
۳.۴. نسبت آب به سیمان بالا (w/c)
هرچه نسبت آب به سیمان بیشتر باشد، تخلخل و نفوذپذیری بتن افزایش یافته و مسیر رسیدن عوامل خورنده به میلگرد آسان‌تر می‌شود.
۳.۵. ضخامت ناکافی پوشش بتن بر میلگرد (Concrete Cover)
اگر کاور بتن کمتر از مقدار استاندارد باشد، مقاومت بتن در برابر نفوذ کاهش می‌یابد.
۳.۶. شرایط محیطی
مناطق ساحلی، صنعتی، یا مناطق با رطوبت بالا بیشترین میزان خوردگی را دارند. در این مناطق کنترل خوردگی بسیار حیاتی است.
⸻
۴. مکانیزم الکتروشیمیایی خوردگی میلگرد
خوردگی فولاد یک واکنش الکتروشیمیایی است که در آن دو نیم‌واکنش اتفاق می‌افتد:
• نیم‌واکنش آندی (اکسیداسیون):
Fe → Fe²⁺ + 2e⁻
فولاد الکترون از دست می‌دهد و به یون آهن تبدیل می‌شود.
• نیم‌واکنش کاتدی (احیا):
O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
اکسیژن در حضور آب و الکترون تولید شده، به یون هیدروکسید تبدیل می‌شود.
این فرآیند با تشکیل زنگ و افزایش حجم فولاد ادامه می‌یابد.
⸻
۵. اثرات خوردگی بر سازه
• ترک‌های طولی و عرضی روی بتن
• پوسته شدن سطح بتن
• کاهش پیوستگی میلگرد و بتن
• کاهش مقاومت کششی فولاد
• افزایش احتمال خرابی‌های ناگهانی در سازه
⸻
۶. راهکارهای پیشگیری از خوردگی میلگرد
۶.۱. طراحی اصولی و استفاده از بتن متراکم و کم‌نفوذ
• نسبت آب به سیمان کمتر از ۰.۵
• ویبره کافی
• کاور بتن مطابق با آیین‌نامه (حداقل ۳ تا ۷ سانتی‌متر بسته به شرایط محیطی)
۶.۲. استفاده از میلگردهای خاص یا پوشش‌دار
• میلگرد اپوکسی‌شده
• میلگرد گالوانیزه
• میلگردهای فولاد زنگ‌نزن
• میلگردهای پلیمری (FRP)
۶.۳. افزودنی‌های ضدخوردگی
مثل نیترات کلسیم، نیتریت سدیم، مهارکننده‌های مهاجر (Migrating Corrosion Inhibitors)
۶.۴. استفاده از بتن پوزولانی یا میکروسیلیس
با کاهش تخلخل و افزایش دوام در برابر نفوذ یون‌ها
۶.۵. عایق‌بندی سطح بتن و ترمیم ترک‌ها
با استفاده از پوشش‌های سطحی، ژل‌های نفوذگر، رزین‌ها یا روش تزریق
⸻
۷. روش‌های شناسایی و پایش خوردگی
• روش‌های غیرمخرب (NDT):
• اندازه‌گیری پتانسیل خوردگی (Half-Cell Potential)
• مقاومت الکتریکی بتن
• آزمون‌های سرعت خوردگی (Linear Polarization)
• روش‌های ترمیمی:
• حذف قسمت‌های آسیب‌دیده
• جایگزینی بتن و میلگرد خورده‌شده
• استفاده از آندهای قربانی یا حفاظت کاتدی (Cathodic Protection)
⸻
نتیجه‌گیری
خوردگی میلگرد در بتن، یک خطر پنهان اما بسیار جدی برای ایمنی و دوام سازه‌های بتنی است. کنترل آن نیازمند دانش دقیق از شرایط محیطی، مصالح، طراحی مهندسی و نگهداری مناسب است. اگرچه هیچ روشی خوردگی را صددرصد حذف نمی‌کند، اما می‌توان با مجموعه‌ای از راهکارهای پیشگیرانه، مصالح باکیفیت، و نگهداری هوشمندانه عمر مفید سازه را چند دهه افزایش داد.
