سیمرغ

سایت علمی وتفریحی

سیمرغ

سایت علمی وتفریحی

خوردگی بتن

مقدمه : عمر متوسط سازه‌های بتنی ( مثل پل ، ساختمان و دیگر ابنیه بتنی ) به طور متوسط 50 تا 100 سال در نظر گرفته می‌شود . اما در سراسر دنیا سازه‌هایی وجود دارند که در مدت کوتاهی پس از بهره‌برداری ، ضعفهای مهمی از خود نشان داده‌اند . برآورد می‌شود که هر ساله میلیونها دلار پول بر اثر خوردگی فولادهای داخل بتن مسلح ، و در نتیجه تخریب سازه‌های بتنی از بین می‌رود . این مسئله مهم باعث انجام تحقیقات زیادی جهت جلوگیری از خوردگی فولاد گردیده است .
بتن معمولی ساخته شده از سیمان پرتلند دارای محیطی قلیایی است که سببرویین شدن سطح آرماتورها می‌شود ، اما با حضور یون کلرور در بتن لایة رویین سطح آرماتورها ، از بین رفته و خوردگی آغاز می‌شود . بر اثر خورده شدن آرماتورها حجم آنها افزایش یافته و فشار زیادی را در داخل بتن به وجود می‌آورند ( در حدود MPa 32 ) . این فشار ، باعث ایجاد تنش کششی زیادی در بتن می‌شود که در نتیجه آن ، بتن خرده شده و ترک می‌خورد . احتمال وقوع خوردگی ، بستگی به میزان کلرور موجود در بتن دارد که با درصد وزن کلرور نسبت به وزن سیمان سنجیده می‌شود (W % ) و در انگلستان به صورت زیر طبقه‌بندی شده است :
الف ) اگر وزن کلرور موجود در بتن کمتر از 4/0 درصد وزن سیمان باشد احتمال وقوع خوردگی کم است .
ب ) اگر وزن کلرور موجود در بتن بین 4/0 ـ 1 درصد وزن سیمان باشد احتمال وقوع خوردگی متوسط است .
ج ) اگر وزن کلرور موجود در بتن بیشتر از 1 درصد وزن سیمان باشد احتمال وقوع خوردگی زیاد است .
موسسه FHWA در امریکا ، مقدار بحرانی یون کلرور را جهت ایجاد خوردگی 2/0 درصد وزن سیمان اعلام کرده ، و مقرر داشته است که اگر مقدار یون کلرور موجود در سطح پل کمتر از 15/0 درصد وزن سیمان باشد هیچ خطری از جانب خوردگی آن را تهدید نمی‌کند ، در صورتی که مقدار آن بیشتر از 3/0 درصد وزن سیمان باشد بایستی در مورد تعویض سطح پل اقدام کرد . در ایالت اهایون ، امریکا اگر سطح بتنی پلی در تمام عمق بتن سطح بیش از 25/0 ـ 15/0 درصد وزن سیمان یون کلر داشته باشد ، کلاً تعویض می‌گردد کاملاً مشخص است که احیای چنین سازه‌هایی از نظر اقتصادی حایز اهمیت‌اند .
روشهای مختلفی برای جلوگیری از خوردگی آرماتورها پیشنهاد شده است ، اما تنها روش مؤثری در متوقف کردن خوردگی آرماتورها بدون توجه به مقدار یون کلرور موجود در بتن حفاظت کاتدی ( CP ) است .
روش حفاظت کاتدی فولادهای مدفون در خاک و آب ، مثل خطوط لوله ، اسکله‌ها ، مخازن ذخیره و سازهای دیگر کلاً شناخته شده است ، روش حفاظت سازه‌های بتنی در برابر خوردگی‌ است .
حفاظت کاتدی برای حفاظت تعداد زیادی از سطح پلها و دیگر سازه‌های وجود در امریکا و کانادا مورد استفاده قرار گرفته است ( متجاوز از100 مورد در سال 1986 گزارش شده است ) . استقبال زیاد از این روش نشان‌دهنده موفقیت روش حفاظت کاتدی بتن مسلح ارائه می‌شود .
در روش حفاظت کاتدی با پایین آوردن پتانسیل فلز از پتانسیل فعال خوردگی به پتانسیل غیر فعال باعث توقف کامل خوردگی فلز می‌شود . ساده‌ترین روش حفاظت کاتدی آرماتورها ، اتصال قطب منفی منبع تغذیه جریان مستقیم ( DC ) به آرماتورهای داخل بتن ( کاتد ) و متصل کردن قطب مثبت منبع تغذیه به آندی است که با سطح بتن در تماس است .
مزیت اقتصادی حفاظت کاتدی :
جهت روشن کردن گسترش روز افزون خطر خوردگی ناشی از وجود کلروردار در بتن ، ساختمان چندین طبقه London office را که در ساخت قطعات بتنی پیش تنیده آن از کلرور کلسیم استفاده شده است ، به عنوان نمونه مورد بررسی قرار می‌دهیم . این ساختمان 26 سال پیش ساخته شده است . سیزده سال بعد اولین سری تعمیرات آن شروع شد . سطوح خرد شده تعمیر گر دید و با تلاش فراوان سعی کردند تا از رطوبت بتن بکاهند و بدین ترتیب از شدت خوردگی کاسته گردد . چهار سال قبل پیمانکار ، آخرین سری تعمیرات همین ساختمان را شروع کرد . از آن به بعد یک گروه تعمیراتی پیوسته مشغول تعمیر ترکه او ریزشهای بتن نمای ساختمان بوده است . آنها اخیراً دهمین دوره تعمیرات متداول خود را به پایان رسانده‌اند . حتی کیفیت خوب تعمیرات هم نمی‌تواند جلو خرابیها را بگیرد ، خطر خوردگی پیوسته ادامه دارد و بازرسیهایی که هر سه ماه یک بار انجام می‌شود سطوح جدیدی که دچار خوردگی شده‌آند ، نمایان می‌شوند .
در جدول 1 مخارج تعمیرات این ساختمان با مخارج حفاظت کاتدی آن مقایسه و نشان داده شده است که حفاظت کاتدی در یک دوره چهار پنج ساله ارزانتر تمام می‌شود . علاوه بر جنبه اقتصادی ، مزیت دیگری نیز دارد و آن بهبود نما و زیبایی ساختمان بر اثر پوشش رنگی مورد استفاده در حفاظت کاتدی است ، در ضمن نیازی به ادامه تعمیرات که کار مشکلی است نخواهد داشت .
جدول 1 : مقایسه اقتصادی بین دو روش حفاظت کاتدی و انجام تعمیرات مداوم
مخارج سالیانه ( قیمتهای 1986 )
سال اول سال دوم سال سوم سال چهارم سال پنجم ارزش کل
ارزش ثابت
1) استفاده از تعمیرات مداوم 62500 62500 62500 62500 62500
2) استفاده از حفاظت 250000 1000 1000 1000 1000
کاتدی 254000

همچنین به نظر می‌رسد که این روش یکی از متداولترین و موثرترین راههای مبارزه با حملة عوامل کلرور دار باشد ،‌ استفاده از حفاظت کاتدی بارها ارزانتر از تعمیرات تمام می‌شود. بخصوص اگر تعمیرات ساختمان مانند تعمیرات هشت سال اخیر ساختمان مذکور باشد. از دید صاحب کار در نظر اول هزینة حفاظت کاتدی بسیار زیاد به نظر می‌رسد و در اغلب موارد احتیاج به توجیه اقتصادی برای حفاظت کاتدی هر سازه‌ای احساس می‌گردد، تا استفاده از روش حفاظت کاتدی توجیه گردد.
بررسی واکنشهای شیمیایی و اصول خوردگی
کلیات :
هدف از این فصل، توضیح ساده اصول خوردگی برای مهندسین سازه است که اطلاعات کمی در زمینه مسائل خوردگی دارند ولی دارای زمینة کافی در علم شیمی هستند. جهت روشن شدن نقاط مبهم مثالهایی هم زده شده است.
مدل پیل خوردگی
آند :
عده زیادی از خوانندگان راجع به فلزات، یونهای فلزی و مسائلی از این قبیل در کتابهای شیمی درسی مطالعاتی داشته‌اند. یک مثال در این مورد عبارت است از خورده شدن مفتول مسی، زمانی که آن را داخل محلول نمک مس فرو می‌بریم، اتم‌های مس تمایل زیادی به از دست دادن الکترون و تبدیل شده به یون مس و یونها تمایل به گرفتن الکترون و تبدیل شدن به اتم مس را دارند. این واکنش دو طرفه توسط فرمول زیر بیان می‌گردد.
(1)
در یک نیم پیل پس از رسیدن به حالت تعادل، دیگر واکنشی انجام نمی‌شود. با قرار دادن یک کاتد ( بعداً درباره آن توضیح داده می‌شود) می‌توان واکنش را به سمت یک واکنش پیوسته هدایت نمود.
این پدیده به دلایل زیر تاکنون آن گونه که باید و شاید معرفی نشده است:
1) شیمیدانها این پدیده، یعنی واکنشی که در آن یک اتم الکترون از دست داده و به یک یون مثبت تبدیل شود، اکسیداسیون می‌گویند. و به اتمی که الکترون از دست داده باشد، می‌گویند که آن اتم اکسیده شده است. (مثلاً به اتم مس که الکترون از دست بدند و به یون مثبت تبدیل گردد می‌گویند که مس اکسید شده است).
2) شیمیدانها ( کسانی که در زمینه حفاظت کاتدی کار می‌کنند) از آن به نام جریان جاری نام می‌برند که جهت آن خلاف جهت جریان الکترونهاست . این اصطلاح برای بسیاری از شیمیدانها و مهندسین، نامأنوس است و به همین جهت از به کار بردن آن در این بحث خودداری می‌کنیم.
پژوهشگران برای آنکه مثالی در مورد فلز، یون فلزی و نیم پیل عنوان کرده باشند، غالباً از مس، سولفات مس یا کلرور جیوه جهت تشکیل نیم پیل برای نشان دادن خوردگی فولاد در بتن استفاده می‌کنند. ( ASTM C876 )
هدف ما بررسی خوردگی فولاد موجود در بتن مسلح است که مختصراً شامل آهن، یون آهن و نیم پیلی است که سمت چپ شکل 1 ملاحظه می‌شود. واکنش این نیم پیل مطابق فرمول زیر است :
(2)
زمانی که واکنش از چپ به راست صورت پذیرد، اکسیداسیون انجام می‌شود و الکترود مانند آند عمل می‌کند. بنابراین، خوردگی در آند اتفاق می‌افتد. ( در علم شیمی، یونی را که دارای بار مثبت شد، کاتیون و یون با بار منفی را آنیون می‌نامند.)

کاتد :
به الکترودی که تمایل به گرفتن الکترونهای حاصل از واکنش آندی دارد کاتد می‌گویند.
واکنش کاتدی در اکثر واکنشهای شیمیایی خوردگی آهن در بتن، مطابق فرمول زیر است:
(3)
احتیاج این واکنش به آب و اکسیژن باعث این تصور غلط می‌گردد که این دو ماده عامل اصلی زنگ زدن فولادند، اما باید توجه داشت که خوردگی ایجاد شده نتیجه فعالیت آندی آرماتورها بوده و ترکیب آب و اکسیژن موجود در کاتد در ایجاد خوردگی ، مستقیماً اثری ندارند. در حقیقت، در اکثر مواقع پس از خورده شدن فولاد حجم آن زیاد می‌شود که باعث ایجاد ترکهایی در بتن می‌گردد. بر اثر به وجود آمدن ترکها، نفوذ‌پذیری بتن افزایش یافته، به دنبال آن فولاد براحتی با اکسیژن هوا ترکیب شده و زنگ آهن قرمز رنگ Fe 203 تولید می‌شود.
به دلیل آنکه آب و اکسیژن هر دو به حالت گازی موجودند و بهترین بتن‌ها هم نسبت به گازها نفوذناپذیرند، ایجاد واکنش کاتدی در بتن‌های مسلح به سادگی امکان‌پذیر است. اما برای محدود کردن مقدار اکسیژن در دسترس کاتد روشهایی موجود است که عبارتند از : استفاده از نسبت آب به سیمان کم جهت تهیه بتن‌های مجاور با آب دریا و استفاده از مکانیسم‌های ( ساز و کار) منهدم کنندة اکسیژن.
شدت خوردگی نسبت مستقیمی با بزرگی کاتد دارد. ( چون کاتد عامل موثری در دسترسی به آب و اکسیژن است) که جزئیات آن در ادامه این بحث آورده شده است. جلوگیری از رسیدن آب و اکسیژن به سطح آرماتورهای داخل بتن مسلح ، یکی از روشهای مهمی است که باید به آن توجه داشت.
الکترولیت :
مایع واسط بین واکنش‌ آندی و کاتدی که یونها در آن جابجا می‌شوند را الکترولیت می‌گویند.
الکترولیت، یونهای منتشره را از خود عبور می‌دهد و بنابراین بایستی دارای مقداری آب و مقدار کمی یون محلول در آب باشد تا یونها توسط آن بتوانند جریان یابند.
پیل کامل :
پیل کامل خوردگی فولاد در بتن، به صورت شماتیک در شکل 1 و به صورت واقعی در شکل 2 نشان داده شده است. این پل دارای آند ، کاتد و الکترولیت است که قبلاً تک تک آنها را توضیح داده‌ایم. کاتد معمولاً فلزی است، اما لزومی ندارد که از جنس آهن یا فولاد باشد. جهت انتقال الکترون‌ها از آند به کاتد به فلز رسانا و جهت انتقال یونها از آند به کاتد و بالعکس به الکترولیت نیاز داریم. آرماتورهای موجود در بتن مسلح کار انتقال الکترون‌ها و رطوبت موجود در داخل بتن، کار الکترولیت پیل در انتقال یونها را انجام می‌دهند.

از پیل خوردگی چندین نتیجة مهم عایدمان می‌گردد که عبارتند از :
1- آند و کاتد از هم مجزا هستند . فاصل بین آنها ممکن است در حد میکرون ( برای میکروپیلها) و در حد متر یا کیلومتر (برای ماکروپیلها) متغیر باشد.
2- در محل خوردگی آند نیازی به اکسیژن نیست . بلکه همان گونه که توضیح داده شد حضور اکسیژن در آند می‌تواند سبب محدود شدن یا قطع خوردگی گردد.
3- بطریق زیر می‌توان فعالیت پیل را متوقف کرد ( جریان خوردگی را متوقف نمود):
الف) با قطع ارتباط الکتریکی بین آند و کاتد ( قطع فلز رسانا)
ب) با ممانعت از رسیدن اکسیژن به کاتد
ج) خشک کردن محیط بین آند و کاتد در پیل ( چون جهت انتقال یونها بین آند و کاتد به الکترولیت نیاز است) .
در اکثر خوردگی‌های الکترو شیمیایی آرماتورهای بتن مسلح ، سطح آند در مقایسه با کاتد نامحدود و برعکس سطح کاتد محدود است . متاسفانه بر اثر برداشت اشتباه از مکانیسم (سازوکار) واکنش خوردگی در کارهای اجرایی برای جلوگیری از خوردگی اقدامهایی انجام شده که منجر به خرابیهای فاجعه‌آمیز گردیده است. مثلاً با رنگ کردن قسمتی از سطح آند، ضریب سطح کاتد به سطح آند افزایش یافته و در نتیجه خرابی بیشتری باعث شده است. روش مناسب جهت جلوگیری از رسیدن آب و اکسیژن به کاتد، رنگ کردن سطح کاتدی است.
رویین شدن :
تاکنون یکی از عوامل موثر پدیده خوردگی را در نظر نگرفته‌ایم ،‌این عامل موثر رویین شدن سطح فولاد است. خورده شدن فولاد موجود در بتن (آند) در محیط شدیداً قلیایی متوقف می‌گردد ( در صورت زیاد بودن PH الکترولیت سطح فولاد رویین می‌شود) مگر اینکه عوامل فعال کننده جهت ادامه واکنش خوردگی به اندازه کافی موجود باشند.
در اکثر مراجع علمی به ایجاد یک لایه اکسید آهن گاما ( ) که در سطح آهن ایجاد می‌شود و از خورده شدن آن جلوگیری می‌کند. رویین شدن گفته‌اند این خاصیت دقیقاً مشابه قلع اندود کردن مس و ایجاد یک لایه بسیار نازک از اکسید قلع در سطح مس برای حفاظت مس و همچنین آب کروم دادن آهن و ایجاد یک لایه اکسید کروم در سطح آن ( فولاد ضد زنگ) است. در شکل 3 لایه یکنواخت اکسید آهن گاما که در سطح آهن ایجاد شده نشان داده شده است. ( برا روشن شدن مطلب این لایه با بزرگنمایی زیادی در شکل نشان داده شده است)
در اینجا واکنشی شبیه آنچه در شکل 2 ایجاد کاتد کرده اتفاق نمی‌افتد.

اخیراً ثابت شده است که پدیده رویین شدن همواره به صورتی که در بالا توضیح داده شد صورت نمی‌گیرد. به عبارت دیگر برای رویین شدن فلز لازم نیست که حتماً بر روی آن یک لایه اکسید آهن گاما ایجاد شده باشد. در هر حال، توجه به این نکته ضروری است که بر اثر وجود اکسیژن در آند، واکنش خوردگی و اکسید آهن تولید شده باعث رویین شدن فولاد می‌گردد. در این واکنش به گاز اکسیژن نیازی نیست و آب مورد نیاز جهت ادامه حیات پیل هم تولید می‌شود. واکنش رویین شدن فولاد مطابق فرمولهای زیر است:
(4)
(5)
خاصیت رویین شدن فولاد در بتن، به ما امکان استفاده از میلیونها تن بتن مسلح را داده است. به دو علت فولاد ، رویین شدگی خود را از دست می‌دهد:
1- بر اثر نفوذ دی اکسید کربن موجود در هوای محیط به داخل بتن خاصیت قلیایی خمیرة سیمان خنثی می‌شود. این عمل در بتن‌هایی با نسبت آب به سیمان کم دارای سرعت بسیار کمی حدود چند میلیمتر در سال است ( بر اثر این واکنش PH خمیرة سیمان به حدود 9 می‌رسد) بر اثر کاهش PH محیط لایة رویین سطح فولاد خاصیت خود را از دست داده و از بین می‌رود. در بتن‌های سبک ملاتها سرعت کربناته شدن بیشتر از بتن‌های معمولی است که دلیل آن تخلخل بیشتر بتن‌های سبک و ملاتها نسبت به بتن معمولی است .
2- لایة رویین با تهاجم یونهای اسیدی از بین می‌رود. یونهای کلرور و برومور تنها یونهای مهاجم به بتن‌های معمولی‌اند.
نکته قابل توجه اینکه هنوز پژوهشگران در مورد مکانیسم عمل یونهای کلرور و برومور که لایة رویین سطح فولاد را از بین می‌برند به نقطه نظر واحدی نرسیده‌اند.
لایة رویین سطح فولاد را از بین می‌برند به نقطه نظر واحدی نرسیده‌اند.
توسط اداره راه و دایره استاندارهای ایالت کالیفرنیا مطالعاتی انجام گرفته است،‌که نشان می‌دهد اگر غلظت یون کلرور به اندازه 2/0 وزن سیمان باشد باعث از بین رفتن لایة رویین سطح فولاد داخل بتن می‌گردد. اما بیشتر این مطالعات شامل موارد توزیع غیر یکنواخت یون کلر در بتن می‌شوند. برای ایجاد خوردگی در فولاد بتن مسلحی که یون کلر از توزیع یکنواختی در آن برخوردار است، به مقدار بیشتری یون کلر نیاز دارد.
پتانسیل خوردگی و رابطه با شدت خوردگی :
طرز کار پیل الکترو شیمیایی دقیقاً مثل یک مدار الکتریکی است. در این مدار بین آند و کاتد جریانی عبور می‌کند، بدین صورت که الکترون‌های اضافی تولید شده در آند توسط رسانای فلزی که آند و کاتد را به هم متصل می‌کند به طرف کاتد می‌روند و در آنجا توسط کاتد داخل الکترولیت می‌شوند. به نیرویی که این جریان را ایجاد می‌کند نروی الکترو موتوری یا emf می‌گویند. نیروی الکتروموتوری ، حاصل واکنش‌های شیمیایی پیل الکتروشیمیایی است .
مقدار نیروی الکتروموتوری نمی‌تواند معیاری برای شدت خوردگی باشد بلکه این نیرو با انرژی پتانسیل فقط باعث واکنش در جهت خاصی می‌گردد .
شدت خوردگی بستگی به مقدار واقعی جریان گذرنده از مدار پیل الکترو شیمیایی دارد که طبق قانون فارادی محاسبه می‌گردد .
(6) W = K I t
در فرمول بالا W وزن فلز خورده شده ، K ضریب هم ارز الکترو شیمیایی ، I شدت جریان گذرنده از مدار و t مدت زمان عبور جریان هستند .
عوامل مؤثر در میزان خوردگی فولاد :
در میزان فعالیت یک پیل خوردگی عوامل زیادی موثرند. مهم‌ترین این عوامل عبارتند از:
1 ) . ضریب سطح آندی به سطح کاتدی .
2 ) . پولاریزاسیون .
3 ) . مقاومت الکتریکی الکترولیت .
1 ـ ضریب سطح : شدت خوردگی به شدت جریانی که از پیل می‌گذرد بستگی دارد . اگر برای جریان ثابتی سطح آندی نسبت به سطح کاتدی افزایش یابد ، چگالی جریان در سطح آند کاهش می‌یابد .
کاهش چگالی جریان در سطح آند باعث کاهش شدت خوردگی آند می‌شود .
2- پولاریزاسیون : پولاریزاسیون الکترو شیمیایی با تغییر پتانسیل یک الکترود بر اثر عبور جریان را می‌توان به دو گروه فعال و متمرکز تقسیم کرد. پولاریزاسیون فعال توسط واکنش‌های الکترو شیمیایی پی در پی که در سطح مشترک الکترولیت و الکترود فلزی انجام می‌شوند کنترل می‌گدند. پولاریزاسیون متمرکز توسط واکنش‌هایی که باعث انتشار یونها در الگترولیت می‌شوند کنترل می‌گردند. معمولاً در سطح الکترود ، پولاریزاسیون فعال و متمرکز همزمان اتفاق می‌افتند، ولی معمولاً در واکنش‌های ضعیف پولاریزاسیون فعال و در واکنش‌های شدید پولاریزاسیون متمرکز کنترل کننده‌اند. پولاریزاسیون کل یک الکترود مجموع پولاریزاسیون فعال و متمرکز است.
رویین شدن نوع خاصی از پولاریزاسیون فعال به علت ایجاد یک لایة نازک (عایق) در روی سطح الکترود فلزی است. حدس زده می‌شود که ضخامت لایة رویین حدود 30 آنگستروم یا حتی کمتر از آن باشد. زمانی که این لایه آند یا کاتد به اندازه کافی ضخیم گردد باعث کاهش جریان و یا قطع کامل آن می‌گردد، در این صورت واکنش پیل متوقف می‌شود. لایه رویین سطح فلز به دو صورت از بین می‌رود که عبارتند از :
1) تمرکز یونها
2) PH الکترولیت
3) مقاومت الکترولیت : یکی دیگر از عوامل موثر در شدت خوردگی مقاومت الکتریکی الکترولیت است. از آنجایی که جریان ناشی از خوردگی توسط یونهای موجود در الکترولیت‌ هدایت می‌شود، مقاومت الکتریکی الکترولیت در شدت خوردگی موثر است. مقاومت الکتریکی الکترولیت به عامل زیر بستگی دارد :
- درجه حرارت الکترولیت
- رطوبت الکترولیت
- مقدار یونهای موجود در الکترولیت
- شدت خوردگی نسبت عکس با مقاومت الکتریکی الکترولیت دارد .

نقش کلرورها در ایجاد خوردگی :
بر اثرز وجود یونهای کلرور در بتن مسلح ، خوردگی آرماتورها شدیداً افزایش می‌یابد.
اکثر قریب به اتفاق پژوهشگران متفق القولند که یونهای کلرور عمدتاً نقش کاتالیزور ررا در واکنش خوردگی ایفا می‌کنند. هرچند، تاکنون نتوانسته‌اند نقش دقیقی را که یونهای کلرور در این واکنش بازی می‌کنند ، مشخص نمایند.
اثر هدایت الکتریکی الکترولیت :
بتن مانند یک الکترولیت عمل می‌کند که دارای مقاومت الکتریکی ویژة بسیار متفاوتی است. پژوهشگرانی که بر روی بتن مطالعه می‌کنند موفق شده‌اند مقاومت‌هایی از حدود 10000 تا 10000000 اهم –سانتیمتربرایبتن‌هاییبامقداررطوبتویونهایمتفاوتبهدستآورند. افزایشدرجهحرارت،رطوبتزیادووجودیونهاییمثلیونهایکلرورداردربتن،باعثکاهششدیدمقاومتالکتریکیبتنمی‌شوند. استفادهازضریبآببهسیمان زیاد ، وجود یونهای کلروردار در مصالح و رطوبت زیاد بتن، که در کارهای اجرایی رایج است، کمترین مقاومت الکتریکی را به دست می‌دهد. در صورتی که از ضریب آب به سیمان کم ، نگاهداری خوب از بتن، تا مدتی پس از بتن‌ریزی و قرار دادن بتن در محیطی خشک بیشترین مقاومت الکتریکی به دست می‌آید. استفاده از پودر سیلیس به عنوان مادة افزودنی به بتن باعث افزایش باور نکردنی مقاومت الکتریکی بتن می‌شود.

سلسله واکنش‌های شیمیایی خوردگی :
جهت روشن شدن نحوة اثر یونهای کلرور دار در واکنش خوردگی ، بهتر است واکنش‌های اساسی را که در پیل الکترو شیمیایی صورت می‌پذیرد مورد بررسی قرار دهیم. عملاً واکنش‌هایی که انجام می‌گیرند بسیار پیچیده‌اند، اما چکیدة آنها در زیر توضیح داده شده است.
در آند ، یون فلزی با از دست دادن الکترون و اکسید شدن در الکترولیت حل می‌شود.
(7)
در کاتد ، اکسیژن محلول در آب با گرفتن الکترونهای حاصل از واکنش آندی و ترکیب شدن با آب، تولید یون هیدروکسیل می‌نماید:
(8)
با عبور یونهای منفی هیدروکسیل از داخل بتن ( که کار الکترولیت را انجام می‌دهد) و رسیدن به آند، مدار برگشت جریان تکمیل می‌شود. سرعت عبور یونها از داخل بتن به درجه حرارت ، مقدار رطوبت ،‌غلظت یونها و نفوذ پذیری بتن بستگی دارد. این سلسله واکنش‌ها را می‌توان با در نظر گرفتن نیروی الکتروموتوری ( emf) ، شدت جریان الکتریکی و مقاومت الکترولیت توسط قانون اهم مدل کرد.
در آند ، یون با کاتیون ترکیب شده و هیدروکسید آهن Fe (OH)2 را که در آب محلول است تولید می‌کند.
(9)
همچنین ، هیدروکسید آهن تولید شده با اکسیژن ترکیب شده و اکسید آهن قرمز رنگ (زنگ آهن) را که در آب نامحلول است تولید می‌کند. اما تا زمانی که بتن ترک نخورده است، اکسیژن به راحتی نمی‌تواند به آند برسد و بنابراین هیدروکسید آهن تولید شده به همان صورت در بتن باقی می‌ماند.
اثرهای عمومی کلرورها :
نظر اکثر پژوهشگران بر این است که ، واکنش خوردگی توسط یون کلرور با از بین بردن لایة نازک اکسید طبیعی موجود در سطح آرماتورها شروع می‌شود، اما لزومی ندارد که این عمل مستقیماً بر اثر واکنش یونهای کلرور و کاهش خاصیت قلیایی الکترولیت صورت بگیرد. هم اکنون عده‌ای از پژوهشگران به این نتیجه رسیده‌اند که یونهای کلرور با گذشتن از لایه رویین سطح آرماتورها مستقیماً عمل می‌کنند. این نظریه اولین بار توسط هار بیان گردید. اما تا به حال این مکانسیم ( ساز و کار ) این عمل کاملاً شناخته نشده است. اخیراً اوهاما و اوگرا نظریه‌ای دربارة پیوند میکروسکوپی بین سطح آرماتورها با خمیرة سیمان ارائه داده‌اند. در این باره نظریه دیگری مبنی ر اثرهای غلظت موضعی یون کلرور در سطح مشترک مابین الکترولیت و لایة نازک اکسید آهن موجود است که دلیل از بین رفتن لایة رویین را کاهش PH بتن ، در فصل مشترک فولاد و الکترولیت می‌داند.
نقش یونهای کلروردار در خوردگی فولاد :
یون کلرور در واکنش خوردگی فولاد نقش یک کاتالیزور را به عهده دارد. یون کلر با اکسید کردن آهن یون مرکب و ناپایدار را تولید می‌کند که در آب محلول است.
با حل شدن در آب و انجام واکنش با یونهای هیدروکسیل موجود در آب، Fe(OH)2 تولید می‌شود. بر اثر این واکنش ، یون آزاید و آمادة واکنش مجدد می‌گردد. همچنین در این واکنش یونهای هیدروکسیل مصرف می‌شود و از قابلیت بتن کاسته می‌گردد.
(10)
(11)
الکترون‌های تولید شده در معادله 10 از طریق آرماتورها به سطح کاتدی جریان می‌یابند . بر اثر تمرکز یونهای کلرید و کاهش موضعی PH، واکنش خوردگی ایجاد می‌گردد .
هیدروکسید آهــن تولیــد شده Fe (OH ) 2 آماده ترکیــب شــدن با اکسیــژن
( سوختن ) و تولید ترکیبهایی از قبیل Fe (OH ) 3 و Fe203 و Ff304 است . در صورت عدم دسترسی به اکسیژن ، Fe ( OH )2 به همان صورت در بتن باقی می‌ماند .
ذکر چند مثال علمی از ایجاد پیل خوردگی در بتن :
در مقالاتی که راجع به خوردگی فولادهای موجود در بتن مسلح منتشر می‌شوند ، گزارشهای متقاضی راجع به رفتار فولاد موجود در سازه‌های بتن مسلح در تماس با آی دریا در برابر خوردگی درج گردیده است که توجه به آنها ضروری به نظر می‌رسد . جهت توجیه رفتار فولادهای داخل بتن مسلح مجاور با آب دریا ، در اینجا نمونه‌ای را مورد بررسی قرار می‌دهیم . در شکل 4 فولاد‌های موجود در سازه‌ سمت چپ کاملاً در زیر سطح دریا قرار دارند ، بنابراین مقدار اکسیژن موجود رد بتن جهت ایجاد کاتد کافی نیست . به علت کمبود اکسیژن در بتن ، پیل خوردگی فاقد کاتد فعال بوده و در نتیجه ، خوردگی در فولاد ایجاد نخواهد شد ، در سازه‌ سمت راست ، قسمتی از سازه بیرون از سطح آب دریا قرار گرفته است بنابراین اکسیژن موجود در اتمسفر در آن قسمت سازه‌ که بیرون از آب قرار دارد نفوذ کرده و نیاز فعالیت کاتدی به اکسیژن را تامین می‌نماید . بدین ترتیب آرماتورهای موجود در آن قسمت از سازه‌ که بیرون سطح آب قرار دارند کارکاتد ، آرماتورهای موجود در آن قسمت از سازه‌ که درعمق آب قرار دارند کارآند ( به دلیل وجود یون کلرورو عدم حضور اکسیژن ) ، خود آرماتورها کار انتقال جریان الکتریکی ، و رطوبت موجود در بتن ، کار الکرتولیت را انجام می‌دهند . بدین ترتیب یک پیل الکتروشیمیایی ایجاد می‌شود که نتیجه آن ایجاد خوردگی شدید در فولادهای داخل بتن است .
مطابق تحقیقاتی که به عمل آمده است سازه‌های بتن مسلحی که تا سطح دریا ادامه دارند فولادهایشان تا عمق 6 متری سطح دریا خوردگی می‌شوند .

در شکل 5 یک قطعه بتن مسلح که آرماتورهای آن توسط پوکسی پوشیده شده نشان داده شده‌ است . این قطعه از طرفی تحت تاثیر بارهای دینامیکی و از طرف دیگر ، تحت تاثیر محلول نمک ( یون کلرور ) قرار دارد . همانگونه که در شکل مشاهده می‌کنید خوردگی در محلی که آرماتور تحت کشش قرار دارد ، ایجاد می‌گردد . دلیل آن احتمالاً تغییر شکل طولی فولاد و ایجاد ترکهای مویین در لایه سطحی اپوکسی است . در محل ترکهای به وجود آمده در بتن ، به علت در دسترس بودن اکسیژن ، کاتد ایجاد می‌شود . نتیجه نهایی خورده شدن فولاد تحت کشش و سالم ماندن فولاد در قسمت ترک خورده است . این مسئله برای کسانی که از رفتار الکتروشیمیایی پیل خوردگی اطلاعی ندارد ، ثقیل است . نظر آنها بر این است که چون فولاد در محل ترکها با اکسیژن در تماس است ، باید اکسیده شود .

حفاظت کاتدی بتن‌های مسلح با استفاده از پوششهای رسانا
کلیات :
بتن‌های معمولی محیط بسیار مناسبی جهت فولادهای داخل سازه‌های بتن مسطح بندرت دچار خوردگی می‌شوند مگر زمانی که بتن مسطح دارای کلرور باشد . زمانی که کلرورها به سطح فولاد می‌رسند باعث از بین بردن لایه رویین سطح فولاد دارد ، این افزایش حجم باعث ایجاد فشار بسیار زیادی حدود Mpa 32 در بتن می‌گردد . بیشتر ترکها و خردشدنهای بتن ، در امتداد آرماتورها بر اثر این نیروی انبساطی است . معمولاً آستانه شروع خوردگی جدی کلرورها وجود kgm3 77/0 رمون کلرور در بتن است . در ابتدای واکنش خوردگی سرعت واکنش شدید است . یونهای کلرور به طرفی خورده شده‌آند ( آند ) مهاجرت می‌کنند و باعث افزایش شدید غلظت یون کلرید در آن محل می‌شوند . علاوه بر این ، PH اطراف محل خوردگی با PH بقیه نقاط بتن تفاوت دارد . آزمایشها نشان داده‌اند که PH سطح مشترک ما بین فولاد ، زنگ آهن و بتن مجاور آرماتورها حدود 3 یا کمتر است ، در صورتی که

PH در بقیه ، نقاط بتن 12 و حتی بیشتر است ( ویرمانی ، جونز 1984 ) . در ابتدای واکنش سطح آند بزرگ است . بدین علت واکنش با شدت زیادی انجام می‌گیرد .
شدت خوردگی به مقدار یـونهای موجود در بـتن مــقدار اکسیژن موجود در سطح فــلز
( کاتد ) ، PH بتن و مقاومتالکتریکی بتن بستگی دارد (ACI222R – ) و مقاله براون و کسلر 1975 ) .
برای مشخص کردن میزان فعالیت خوردگی فولادهای بتن مسطح ، داشتن ان مشخصات ضروری است . نحوه انجام واکنش خوردگی فولادهای بتن مسطح ، داشتن این مشخصات ضروری است . نحوه انجام واکنش خوردگی فولادهای بتن مسطح اساسً مثل واکنش پیل الکترو شیمیایی اما در مقیاس بزرگ است . قسمتی از آرماتورها را که یونهای کلرور در آنجا جمع شده و با آن تماس پیدا می‌کنند ، آند می‌گویند .
( سطحی که خورده می‌شود ) . به قسمتی از فولاد که غلظت یون کلر در آن کم یا ناچیز است ، کاتد می‌گویند ( سطحی که خورده می‌شود ) . به قسمتی از ولاد که غلظت یون کلر در آن کم یا ناچیز است ، کاتد می‌گویند ( سطحی که سالم می‌ماند ) . رطوبت موجود در بتن عیناً نقش الکترولیت در پیل شیمیایی را ایفا می‌مکند . خوردگی واکنشی الکترو شیمیایی است که بر اثر عبور جریان الکتریسیته از آند به الکترولیت و از آنجا به کاتد ایجاد می‌گردد . شناخت جزئیات سطوح آندی و کاتدی از طریق به دست آوردن نقشه پتانسیل طولی امکانپذیراست، پتانسیل الکتریکی فولاد داخل بتن نسبت به الکترودمبنا ( CUSo4 ـ Cu ) مقایسه می‌شود . اگر پتانسیل نقطه‌ای در حدود 250 میلی ولت یا مقادیر مثبت‌تر از آن باشد ( مقادیر بزرگتراز 250 ـ میلی ولت تا صفر ) این نشان دهنده عدم خوردگی آن نقطه ( کاتدی بودن ) است . اگر پتانسیل نقطه‌ای نسبت به الکترود مبنا ( CUSo4 ـ Cu ) حدود 350 ـ میلی ولت یا مقادیر منفی‌تری باشد ( مقادیر کوچکتر از 350 میلی ولت ) در آنجا خوردگی ایجاد می‌گردد ( منطقه آندی ) کربناته شدن بتن ممکن است باعث تغییر پتانسیلی حدوداً برابر با 100 میلی ولت در الکترونگاتیوی آند و کاتد گردد . به علاوه ، اختلاف پتانسیلی حدوداً برابر200 میلی ولت یا بیشتر بین اند و کاتدی که به هم نزدیک باشند ( فاصله حدود 15 تا 30 سانتی‌متر ) را می‌توان دلیل فعال بودن پیل خوردگی دانست . زمانی که غلظت یون کلرور افزایش یابد و میزان اکسیژن هم زیاد شود فعالیت خوردگی در سطح وسیعی و با شدت زیاد انجام می‌گیرد .
کنترل خوردگی :
نمک موجود در داخل بتن مسلح ، سرچشمه اولیه ایجاد خوردگی در فولاد‌های داخل بتن مسلح است . یونهای کلرور بطرق مختلف به داخل سازه‌های بتن مسطح نفوذ می‌کنند .
- ریختن نمک بر روی یخ موجود در سطح پلها جهت آب کردن آن .
- شستن سطح بتن
- قرار گرفتن بتن در مجاورت دریا .
- ایجاد ترک در بتن مسلح و نفوذ کلرور به داخل ترکها .
- شور بودن سنگدانه‌های تشکیل دهنده بتن .
معمولاً با جلوگیری از ورود نمک به بتن و آلوده کردن آن می‌توان جلو خوردگی فولادهای بتن مسلح را گرفت . چنین کاری را می‌توان با استفاده از پوششهای محافظ بتونه‌کاری سطح بتن ، باز دارنده‌ها ، سطوح محافظ و چیزهای شبیه به آنها در ساختمانهای جدید به کار برد . اما در ساختمانهای موجود که از قبل یونهای کلر در بتن آنها موجود است ، این کارها بی‌نتیجه ، استفاده از پوششهای سطحی در بتنی که دارای یون کلر است بیفایده است .
اداره مرکزی بزرگراههای امریکا ( FHWA ) پس از تحقیقات و آزمایش‌های فراوان ، دستورالعمل زیر را منتشر نمود ( بارن هارت 1982 )
ـ روشهایی مثل استفاده از پوششهای سطحی بتن و پوششهای ضد آب در آزمایشگاه و در عمل جهت محافظت فولادهای داخل بتن در برابر خوردگی آزمایش خوبی را پس داده‌اند .
ـ تنها روش مؤثر جهت متوقف کردن خوردگی‌فولادهای سطح پلها که در بتن آنها نمک رسوخ کرده باشد ، بدون توجه به مقدار یونهای کلرور موجود در بتن آنها ، حفاظت کاتدی است ( جدیداً عبارت آخر اضافه شده ) .
از آنجا که این دستورالعمل‌ در سال 1982 صادر شده و از آن زمان تا به حال تکنولوژی پیشرفت غیر منتظره‌ای کرده است ، امروزه مؤثرترین و با صرفه‌ترین وسیله جهت کنترل خوردگی فولاد در بتن‌های آلوده به کلرور ، حفاظت کاتدی است .
حفاظت کاتدی :
تاریخچه حفاظت کاتدی به سال 1824 . زمانی که سرهامفری دیوی و میشل ارادی اولین سیستم حفاظت کاتدی را طراحی و نصب کردند ، بر می‌گردد . ( تقریباً مصادف با زمانی که جوزف آسپدین از انگلستان اولین سیمان پرلند را ساخت ) .
کاربرد روش حفاظت کاتدی جهت کنترل خوردگی در سازه‌های مختلف بسرعت گسترش یافت ( مثلاً در خطوطه لوله ، بدنی کشتی ، مخاذن ذخیره ، سکوهای اسحلی ، لنگرگاههای و ترمینالهای دریایی ، تاسیسات نیروگاههای برق ، پالایشگاهها ، صنایع شیمیایی ، صنایع غذایی و موتورخانه‌ها ) . در حقیقت مشخصه بارز و منحصر بفرد ، روش حفاظت کاتدی جهت کنترل خوردگی ، استفاده از جریان الکترو شیمیایی خوردگی برای مبارزه با خوردگی است .
حفاظت کاتدی دارای اصول ساده‌ای است . خوردگی یک واکنش الکترو شیمیایی است که بر اثر عبور جریان الکتریسیته از الکترولیت ( مثل خاک ، آب ، محلول‌های مختلف یا بتن ) ایجاد می‌گردد . جریان الکتریکی بین سطوح فلزی که دارای اختلاف پتانسیل‌اند ایجاد می‌گردد .
اختلاف پتانسیل بر اثر عوامل بسیار زیادی ایجاد می‌گردد که مهمترین آنها عبارتند از : عوامل محیطی ، مشخصات متالوژیکی ، غلظت نمک ، مقدار اکسیژن ، حرارت ، ساختار بنیادی فلز ، سرعت حلالیت و میزان ناخالصی فلز . اما در صورت علت اساسی خوردگی همان واکنش الکتروشیمیایی است که با ایجاد جریان از سطح الکترود به داخل الکترولیت است خوردگی ایجاد ایجاد نمی‌شود .
اگر یک جریان الکتریکی از خارج به پیل خوردگی متصل شود باعث تغییر پتانسیل الکتریکی ( ولتاژ ) آند و کاتد می‌گردد . اگر ما بگونه‌ای باعث تغییر پتانسیل گردیم که اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد صفر شود ، آنگاه هیچ جریان الکتریکی نخواهیم داشت که نتیجه آن متوقف شدن خوردگی است . در حقیقت تعریف حفاظت کاتدی عبارت است از تغییر پتانسیل کاتد و رسانیدن آن به پتانسیل آند .
طرز عمل حفاظت کاتدی بدین صورت است که ، جریان الکتریسیته بین سطوح آندی و کاتدی باعث کاهش اختلاف پتانسیل این دو سطح می‌شود . زمانی که اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد صفر گردد هیچ جریانی نمی‌تواند وجود داشته باشد و در نتیجه خوردگی متوقف می‌شود
در سازه‌های بتنی بسته به غلظت کلرور ، اکسیژن و. افزودنیهای شیمیایی دیگر اختلاف ، پتانسیل بین آند و کاتد معمولاً در محدوده 20 تا 500 میلی ولت تغییر می‌کند .
جهت ایجاد حفاظت کاتدی ، به جریان الکتریسیته نیازمندیم که معمولاً مقدار آن جهت هر متر مربع از بتن مسلح در حد میلی آمپر است . مثلاً انرژی مورد نیاز جهت حفاظت کاتدی سازة بتن مسلحی با 900 متر مربع مساحت برابر انرژی مورد نیاز جهت روشن کردن یک لامپ 150 واتی است .
اولین بار در دهه 1945 ـ 1955 برای کنترل خوردگی‌ فولادهای داخل بتن خطوط لولة بتنی ، از روش حفاظت کاتدی استفاده گردید . در سال 1959 استراتفول اولین سیستم حفاظت کاتدی را که جهت محافظت آرماتورهای تیرهای بتنی پلی در اتوبان مورد استفاده قرار گرفته بود گزارش نمود ( استراتفول 1974 ) . از دهه 1970 تا کنون روشهای گوناگونی با تکنولوژیهای متفاوت جهت حفاظت کاتدی سطح پلها مورد استفاده قرار گرفته است . این روشها عبارتند از : آندهای بشقابی با روکش رسانا ، روکشهای رسانا از جنس آسفالت ککی ، آندهای میله‌ای داخل بتن یا شکافهای اطراف ، توسط مواد پلیمری رسانای جریان برق احاطه شده‌اند . در طی دهة 1980 از سیستم‌های آندی که توسط بتن کاملاً پوشیده شده‌اند استفاده شده که اولین موارد آنها عبارتند از : الیس وکلسن ( 1980 ) جکسون ( 1982 ) شکل و مانینگ ( 1985 ) تورگئن ( 1984 ) براون اولین کسی بود که از پوششهای رسانا جهت حفاظت کاتدی سازه‌های بتنی ( در ایالت فلوریدا ) در سال 80 ـ 1981 استفاده نمود . وی قبلاً بتن رسانا را که مثل آند است ابداع کرده بود ( 1974 ) سیستم‌های مختلف زیادی با استفاده از فلزات ، پوششهای رسانا ، با شبکه کابلهای پلیمری رسانای جریان برق ایجاد شده‌اند ، آنها دارای مزایای متنوعی هستند و درجات موفقیتشان هم متفاوت است اما امروزه تمامی سیستم‌های حفاظت کاتدی که در کنترل خوردگی‌ آرماتورها مؤثرند دارای مشخصات زیر هستند .