مشاهده سبد تسویه حساب
بازدارنده های خوردگی مورد استفاده در بتن
یک اتفاق نظر عمومی در خصوص تعریف و الزامات ترکیبات افزودنی بازدارندهی خوردگی یا سیستم های تعمیراتی برای بتن وجود دارد، که تعریف ISO از یک بازدارندهی خوردگی است: «بازدارنده های خوردگی ترکیبات شیمیایی هستند که اگر به مقدار کافی (ترجیحا کم) به بتن افزوده شوند، قادر هستند خوردگی فولاد در بتن را حذف کنند یا به تاخیر اندازند ، اما تاثیر عکس روی خواص بتن (مانند استحکام فشاری) ندارند یا به شکل معکوس بر طبیعت و میکروساختار محصولات هیدراسیون اثر نمی گذارند». ترکیبات افزودنی بسیاری (کامپاند خالص یا مخلوط) تحت عنوان بازدارنده ی خوردگی برای مدت طولانی موجود بوده است و ادعا می شود که محافظ در برابر خوردگی کلریدی فولاد تقویتی در بتن می باشد. این ترکیبات افزودنی به عنوان یک راهکار پیشگیرانه استفاده میشوند و به بتن تازه یا محصولات تعمیراتی (رنگ تقویتی فولاد، پل های چسبندگی و ملات) اضافه می شود. همین اواخر، نسبت به استفاده از بازدارنده ها به عنوان عامل احیا و نوسازی یا بهبود، علاقه ایجاد شده است. این ترکیبات روی سطح بتن اعمال می شوند و بهتر است که درون بتن نفوذ کنند و به فولاد برسند تا بتواند خوردگی را متوقف کند یا به تاخیر اندازد. البته نظرات متناقضی دربارهی تاثیر این کامپاندها روی حفاظت خوردگی وجود دارد و در این زمینه انتشارات متعددی از تحقیقات مستقل وجود دارد.
مکانیزم
طول عمر ساختار یک بتن مسلح، طبق توصیف Tuutti مشتمل بر دو فاز است: فاز اول متناظر با زمان شروع، t0، مدت زمانی که طول می کشد تا کلرید و کربن دی اکسید به مقدار کافی برای تخریب لایه غیر فعال (حذف پوشش یا لایه غیرفعال کننده) در پوشش بتن نفوذ کند. فاز دوم، مدت زمان خوردگی، از t0 تا زمانی است که ایمنی و دوام سازه تحت تاثیر قرار میگیرد (از دست رفتن ظرفیت تحمل بار، تورق یا لایه لایه شدن). طول این بازه با نرخ خوردگی (که بوسیله ی در دسترس بودن اکسیژن، رطوبت نسبی و دما تعیین می شود) و توانایی پوشش بتن برای تحمل تنش های داخلی تعیین میشود. در چنین تصویر کلی از خوردگی، «بازدارنده ها» را میتوان موادی دانست که بر نرخ دخول کلرید یا کربن دی اکسید از محیط، درجه اتصال کلرید، نرخ دخول اکسیژن محلول برای حفظ واکنش کاتدی، مقاومت الکتریکی بتن و ... تاثیر می گذارد. در این مقاله مروری بر «بازدارنده هایی» تمرکز شده است که روی مرز مشترک فولاد/ بتن اثرگذار است و مستقیما مکانیزم خوردگی را تغییر می دهد. یون های هیدروکسیل به عنوان نخستین بازدارنده فولاد در بتن عمل می کند، اما در این گزارش جدید و به روز که اخیرا توسط فدراسیون خوردگی اروپا منتشر شده است، در خصوص عملیات حذف کلرید و آلکالیزاسیون مجدد سخنی نرفته است.
در بسیاری موارد، تجربه دراز مدت استفاده از مواد شیمیایی تحت عنوان بازدارنده های خوردگی، در حوزه هایی مانند میدان نفتی، صنایع نفت و گاز و ... به عنوان مثالی از کاربرد موفقیت آمیز استفاده از بازدارنده های خوردگی در چندین دهه ذکر می شود. چنین واقعیتی بی شک صحیح است و اکثریت قریب به اتفاق گزارش های منابع علمی در خصوص بازدارنده های خوردگی به تاثیرات بازدارنده ها بر خوردگی یکنواخت اشاره دارد؛ مانند مورد فولاد در محلول های اسیدی یا خنثی، که در آنها بازدارنده ها را میتوان به موارد زیرطبقه بندی کرد:
در مورد بازدارندگی خوردگی فولاد در بتن، یک مورد کاملا متفاوت را باید در نظر گرفت. بنابراین فولاد در بتن معمولا غیرفعال است، که با لایه نازکی از اوکسی-هیدورکسید محافظت می شود که به یکباره در محلول منفذی آلکالاین (فیلم غیرفعال) تشکیل می شود. پس کنش مکانیکی بازدارنده ی خوردگی، مقابله با خوردگی یکنواخت نیست، بلکه مقابله با خوردگی محلی و چاله کنی یک فلز غیر فعال ناشی از حضور یون های کلریدی یا یک قطره در pH است. بنابراین واضح است که حتی مدارک ثبت شده از کاربرد موفق و طولانی مدت بازدارنده ها در برابر خوردگی عمومی در محیط های اسیدی یا خنثی، نمیتواند مبنایی برای این فرض ضمنی باشد که همان ترکیبات در مورد خوردگی فولاد در بتن نیز به همان خوبی رفتار می کنند.
در واقع بازدارنده های خوردگی چاله کنی (معمول ترین مورد خوردگی فولاد در بتن) خیلی کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است . یون های کلرید عامل مستقیم خوردگی چاله کنی هستند که پتانسیل چاله کنی به فعالیت کلرید Epit = C-B log(acl-) وابسته است. بازدارنده های خوردگی چاله کنی میتوانند به روش های زیر عمل کنند:
به علاوه، این مهم را نیز باید در نظر گرفت که بازدارنده های تجاری معمولا ملغم های از چندین کامپاند است، طوری که بیش از یک کنش مکانیکی فعال است و تشخیص آنها نیز دشوار. همین امر منجر به وقوع مشکلاتی اساسی در ارزیابی مستقل بازدارنده های خوردگی می شود که در سیستم های تجاری موجود برای تعمیر بتن استفاده می شود.
طول عمر یک ساختار بتن مسلح پس از Tuutti ؛ a و b و c: کاهش نرخ خوردگی.
بازدارنده ها به عنوان یک استراتژی تعمیرات
بازدارنده ها یکی از چندین استراتژی ممکن برای تعمیرات است و هنگام برنامه ریزی برای استفاده از آن ها در سازه های بتن مسلح باید به همان اندازه ی ساخت سازه های جدید دقت به عمل آورد. پیش از هر تصمیمی برای استفاده از بازدارنده ها به عنوان یک روش بهبودی، تحلیل زیر برای وضعیت موجود به منظور دستیابی به تعمیرات مقرون به صرفه و بادوام پیشنهاد می شود :
بهبود با بازدارنده ها این مزیت را دارد که به حداقل تداخل نیازمند است اگرچه تعمیرات محلی در مناطقی به دلیل حضور ترک ها، تورق و ... یا علل زیبایی شناختی لازم است. بنابراین استفاده از بازدارنده های خوردگی اعمالی روی سطح مانند اجزای اختصاصی سیستم های تعمیر بتن در چند سال اخیر افزایش یافت، زیرا این رویکرد نسبت به سایر روش های موجود، جایگزین ساده و اقتصادی است. به علاوه، انتخاب مواد بازدارندهی خوردگی به عنوان بازدارنده ی سطحی نسبت به ترکیبات افزودنی محدودیت های کمتری دارد، زیرا اثرات سینتیک هیدراسیون سیمان در آن کمتر مشاهده می شود. البته هنگام استفاده برای بهبود و بازیابی سازه های بتنی در حال تخریب، بازدارنده ها باید قابلیت نفوذ در بتن پوشش را داشته باشند. نیاز به توجه و در نظر گرفتن محدودیت های بازدارنده های خوردگی توسط افراد مسئول در تعیین اقدامات تعمیراتی بتن کاملا واضح است. سوالاتی که مهندسان فعال در این حوزه به کرات مطرح می کنند، در یکی از مقالاات اخیر توسط Page و همکاران گردآوری و تنظیم شده است:
نتایج استفاده از بازدارنده های خوردگی برای فولاد در بتن در منابع علمی
اصلیترین «بازدارنده» فولاد در بتن یون هیدروکسید (OH-) با غلظت بالای موجود در محلول منفذی بتن است، که به تشکیل یک لایه پایدار اکسید/هیدروکسید در سطح فولاد کمک میکند (لایه غیرفعال). در حالی که بازدارنده های متعددی پیشنهاد می شود، تنها گروه اندکی از آنها با جدیت مورد مطالعه قرار گرفته اند: نیاز به حصول اطمینان از حفاظت خوردگی کافی بدون تغییر در خواص فیزیکی و مکانیکی بتن و دستیابی به انحلال پذیری مکفی در محلول اشباع از Ca2+، انتخاب های موثر را به شدت محدود می کند. در اولین کتاب Nathan در خصوص بازدارنده های خوردگی، در فصل «استفاده از بازدارنده ها برای تقویت فولاد در بتن»، تنها به چند کار معدود اشاره شده است، اما در همان جا بیان شده است که «کارهای بسیار بیشتری لازم است انجام شود تا بتوان به بازدارندگی عملی خوردگی فولاد تقویتی دست یافت». از آن زمان تاکنون مطالعات متعددی انجام شده است و نیز مطالعات مروری بسیاری نیز روی منابع علمی قدیمیتر در مورد بازدارنده های فولاد در بتن منتشر شده است . مطالعات قدیمی تر روی مواد شیمیایی که از آغاز خوردگی چاله کنی جلوگیری می کند، بیشتر بر بازدارنده های خوردگی آندی متمرکز بوده اند؛ به ویژه کلسیم نیتریت، سدیم نیتریت، استانوس کلرید، سدیم بنزوات و دیگر نمک های سدیمی و پتاسیمی (مانند کرومات) . اخیرا علاقه به بازدارنده های ارگانیک برای فولاد در بتن بیشتر شده است؛ ادعا می شود که این مواد میتوانند از سطح بتن به فولاد نفوذ (مهاجرت) کنند و مانع از خوردگی شوند یا حداقل آن را به تعویق اندازند. برخلاف برخی نظرات که در منابع علمی مطرح شده است ، در این گزارش تازه تنها مواد شیمیایی که با کنش روی سطح مشترک فولاد/ بتن از خوردگی ممانعت می کند یا آن را به تاخیر می اندازد اشاره می شود. به سایر ترکیبات افزودنی مورد استفاده در کاهش نفوذ کلرید (مانند مواد آبگریز، فوم سیلیکا، سوپرپلاستیسایزرها و ...) اشارهای نمی شود.
نیتریت ها
بازدارنده های نیتریتی به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند. نخستین مرجع مرتبط با مطالعات روی نیتریت ها به عنوان بازدارنده جهت استفاده در بتن به اواخر دهه ی 50 برمی گردد . در روسیه (و احتمالا در سایر کشورها) از مخلوط NO2-، NO3- و CaCl2 به کرات به عنوان افزودنی های «ضدیخ» استفاده می شد. از آن زمان تاکنون تحقیقات بسیاری با تکنیک های آزمایشگاهی متفاوت در زمینهی محلول ها، ملات و بتن، با تمرکز بر تاثیر بازدارندگی سدیم و کلسیم نیتریت افزوده به آب مخلوط کننده انجام شده است. هم کربناسیون و هم خوردگی ناشی از کلرید مورد مطالعه قرار گرفت. در این جا هدف مرور تاریخی وقایع نیست، بلکه ارائه ی شواهد آزمایشگاهی برای سوالات اساسی پیرامون بازدارندگی است:
تاثیر افزودن بازدارنده بر استحکام فشاری بتن .
مکانیزم کنش نیتریت
فیلم غیرفعال روی فولاد در بتن که در pH های بالا تشکیل می شود را میتوان بوسیله ی کنش کلریدها یا کربناسیون تخرب کرد. در فرایند انحلال، یون های فروس Fe(II) تشکیل می شوند. نیتریت به دلیل خواص اکسید کنندگی به عنوان غیرفعال کننده عمل میکند و لایه غیرفعال را طبق واکنش های زیر پایدار می سازد.
تاثیر نیتریت در افزایش غیرفعال بودن به توانایی آن برای اکسید کردن یون های فروس و تبدیل به یون های فریک وابسته است که در محلول های آلکالین آبی انحلال ناپذیرند . انتقال یون های فروس به الکترولیت را مسدود می کنند. نیتریت خود در لایه غیرفعال حضور ندارد، اما با محصولات خوردگی آندی در مراحل اولیه و در رقابت با یون های کلرید واکنش می دهد. مطالعه تحلیلی سطح به روش XPS روی غیر فعالسازی فولاد تقویتی در محلول منفدی سنتزی، با و بدون حضور بازدارنده ی کلسیم نیتریت، ترکیب مشابه ی از لایه ی غیرفعال را نشان داد، شواهدی از حضور Fe(III) در لایه غیرفعال و بدون حضور هیچ نیتروژنی. از واکنش ها میتوان نتیجه گرفت که:
نسبت بحرانی بین کلرید و نیتریت
اکثر مطالعات خوردگی نشان دهندهی وجود یک نسبت غلظت بحرانی بین بازدارنده (نیتریت) و کلرید بوده است، گرچه مقادیر دقیق کمی متفاوت است. در مقایسه کارهای مختلف باید دقت داشت که نسبت را به واحدهای غلظت شیمیایی بیان کنیم، به عنوان مثال برحسب mole L-1. یکی از مطالعات ابتدایی توسط Rosenberg و Gaidis ، نشان داد که میلگردهای تقویتی غوطه ور در محلول اشباع Ca(OH)2 (pH 12.2-12.5) با افزودن بین 1/0 تا 3 درصد وزنی NaCl و Ca(NO2)2 شروع خوردگی وابسته به زمانی دارد. بنابراین پس از 1 ساعت غوطه وری، پتانسیل منفی و لکه های زنگ در محلول %1/0 Ca(NO2)2 با 1 تا 3 درصد NaCl مشاهده شد؛ و همچنین خوردگی پس از 24 ساعت برای سطح %3/0 Ca(NO2)2 پدید آمد. حتی در سطح %1 Ca(NO2)2 و %3 NaCl نیز پس از 92 ساعت مشاهده شد. در نسبت های مولی این بدان معناست که نسبت [Cl-]/[NO2-] حدود 8/0 یا کمتر برای حفاظت کامل لازم است. Andrade و همکاران از آزمایشات روی محلول ها، نسبت [Cl-]/[NO2-] 1 تا 7/0 را گزارش دادند. آزمایشات ملات و بتن بیشتر با افزودن کلرید [24, 29-34] یا تهیه با آب دریا [35] انجام شد. نتایج تحقیقات تا قبل از 1990 توسط Berke به طور خلاصه آمده است که از آن ها نسبت بحرانی [Cl-]/[NO2-] برابر با 5/1 حاصل می شود که بسیار بیشتر از نتایجی است که در بالا اشاره شد.نیتریت های کلسیم و سدیم بوسیله ی تحلیل محلول منفذی و آزمایشات الکتروشیمیایی ملات ها با افزودن NaCl به عنوان بازدارنده ازموده شدند . با گذشت زمان، غلظت کلرید آزاد در محلول منفذی کاهش و OH- افزایش یافت؛ در حالی که نسبت [Cl-]/[NO2-] تقریبا ثابت ماند و به ترتیب برای 5/0 و 1 درصد افزودنی NaCl و 1% سدیم یا کلسیم نیتریت، مقدار 3/0 و 8/0 شد. اگر مقدار افزودنی کلرید 1% باشد، حتی با 1% از Ca(NO2)2 نیز نمیتوان مانع از خوردگی فولاد شد، که مطابق با نسبت بحرانی 8/0 برای [Cl-]/[NO2-] است. آزمایشات با نفوذ NaCl در بتن با افزودن بازدارنده ی Ca(NO2)2 نسبت مولی محاسبه شده ی 5/1 [Cl-]/[NO2-] را برای مقدار کلرید کمتر و 1 برای مقدار کلرید زیاد نشان داد.
تفاوت در نسبت بحرانی [Cl-]/[NO2-] که در ازمایشات مختلف تعیین شد ممکن است ناشی از موارد زیر باشد:
روش تعیین غلظت کلریدها و نیتریت ها در بتن (یون های آزاد، کل یون ها، ...). از طریق محلول منفدی نشان داده شده است که بخش اعظم نیتریت افزوده حین هیدراسیون سیمان پیوند می دهد [34,38,39]. از طرفی یافته ها نشان داد که با خورد کردن بتن هفته ساله ی یک عرشه ی پل و تبدیل آن به پودر ریز، مقدار اصلی نیتریت افزوده را میتوان با استخراج آب بازیابی کرد [40].
کیفیت متفاوت ملات ها و بتن ها مورد استفاده در آزمایشات. مقادیر قابل تحمل بیشتری [25,29,37] در بتن ها یا ملات ها با نسبت w/c کمتر از 5/0 و مقدار سیمان زیاد یافت شد. در کار اخیر Gonzalez و همکاران [32]، یافته ها نشان داد که نسبت [Cl-]/[NO2-] 66/0 برای اطمینان از حفظ حالت غیرفعال ملات با یک نسبت اختلاط صحیح و مقدار سیمان زیاد، حتی بیش از مقدار مکفی است؛ در حالی که برای ملات با کیفیت پایین و نسبت سیمان به ماسهی 1 به 6 یا 1 به 8، ناکافی خواهد بود.
نیتریت ها به عنوان بازدارنده ی بهبودبخش
استفاده از نیتریت ها در سیستم های تعمیراتی تا کنون به نسبت محدود بوده است. البته یون های نیتریت، اگر به روش اسپری یا ایجاد حوضچه به کمک محلول آبی روی سطح اعمال شوند، قادر هستند تا به روش جذب و بخش درون بتن نفوذ کنند؛ پیش خشک کنی توصیه می شود و ممکن است در مکمل نیز به شکل افزودنی به پوشش بتن یا ملات فراهم گردد. نخستین آزمون ها برای آغشته کردن بتن به کلسیم نیتریت بدین صورت بود که بخشی از عرشه یک پل خشک شد و محلول 15% کلسیم نیتریت به مدت 24 ساعت به روش ایجاد حوضچه بدان وارد شد . یک ستون با برداشتن بتنهای ورقه ورقه شده و ایجاد سوراخهایی برای ورود ملات رقیق غنی از کلسیم نیتریت آغشته شد، و یک شیرابهی غنی از کلسیم نیتریت با اعمال روی سطح ستون، بتن را اصلاح کرد. یک سیستم تجاری تعمیرات موجود از این نوع مبتنی بر کلسیم نیتریت در ایالات متحده معرفی شد، و در ژاپن، سیستم های مبتنی بر نیتریت لیتیم ارائه شدند .
یافته های یکی از تحقیقات اخیر در دانشگاه Aston در بریتانیا نشان داد که اگر کلسیم نیتریت به نمونه های بتن مسلح که در حد متعادلی از قبل خورده شده اند، به کمک روش ایجاد حوضچه و در پی آن کاربرد یک لایه پوشش براساس عملیات توصیه شده اضافه شود، کاهش چشمگیری در نرخ کلی خوردگی میلگردهای جاساز شده در عمق 12 میلیمتری حاصل می شود، البته به این شرط که میزان کلرید اولیه برای بتن کربنات نشده نسبتا کم (کلر کمتر از %6/0) و برای بتن کربنات شده بسیار کم باشد . این عملیات اغلب از توان بازیابی غیرفعالی کامل فولاد می افتد. همین امر این سوال را ایجاد می کند که آیا حضور یون های نیتریت ممکن است در برخی موارد کل مساحت آندی را کاهش دهد اما نرخ خوردگی را به صورت محلی در مناطق فعال فلز افزایش دهد.
بازده طولانی مدت
نگرانی های پیرامون زدودن نیتریت از بتن وجود دارد. در ملات بی کیفیت (نسبت سیمان به ماسه 1 به 6 یا 1 به 8) یا بتنبا کلرید و نیتریت افزوده، هر دو یون با یک سرعت از بین می روند، اثر اصلی مربوط به دفعات از بین رفتن آن هاست. از طرف دیگر، به مدت دو سال قرار گرفتن در معرض هوای آزاد یا نتایج بدست آمده از عرشه ی پل پس از هفت سال نشان داد که تقریبا تمام نیتریت در بتن باقی مانده است. در مطاله های با هدف شبیه سازی گرادیان غلظت نیتریت در بتن بوسیله ی افزودن و مخلوط کردن غلظت های مختلف، نشان داده شد که تنها پخش مرزی رخ می دهد. شتابگیری فرایندهای خوردگی ماکروسل بین نواحی با و بدون نیتریت زیاد، زمانی که مساحت آندی (بدون نیتریت) کوچک بود تایید شد؛ در مورد غلظت های مختلف نیتریت (نسبت Cl-/NO2- کمتر از 2) هیچ شتاب گیری در خوردگی یافت نشد .
میانگین نرخ خوردگی میلگرد فولادی در عمق پوشش 12 میلیمتر در بتن (w/c = 0.65) با سطوح مختلف آلودگی کلریدی (درصد Cl- با جرم سیمان) قبل و بعد از محافظت به کمک بازدارنده ی Ca(NO2)2 ؛ از قبل به مدت 150 روز در معرض خوردگی قرار داشت.
از بین رفتن نیتریت اگر طراحی مخلوط بتن، مثلا نسبت های پایین آب به سیمان، و پوشش بتن خوب مطابق استانداردهای خاص ملی و بین المللی برای شرایط متوسط تا شدید محیط کلریدی باشد، مشکل ساز نخواهد بود. در واقع کلسیم نیتریت ها زمانی که طبق مشخصات و همزمان با آن برای بتن های با کیفیت بکار رود، در ایالات متحده، ژاپن و خاورمیانه همگی گزارشاتی از طول عمر و عملکرد مناسب آنها وجود دارد.
به طور خلاصه، نتایج بالا نشان می دهد که غلظت های بالای نیتریت (تا L m-3 30در یک محلول کلسیم نیتریت 30%) باید به بتن اضافه شود تا در برابر نفوذ کلرید از سطح بتن (مثلا در مورد عرشه ی پل) مقاومت کند. کلسیم نیتریت باعث کاهش نرخ خوردگی و در نواحی خورده شده ی میلگردها می شود، حتی زمانی که از نسبت بحرانی کلرید به نیتریت تجاوز می شود. وجود بازدارنده برای خواص بتن مخرب نیست. کلسیم نیتریت (در کنار بتن با کیفیت بالا (w/c کمتر از 5/0) سوابق و خوب و طولانی از کارکرد در ایالات متحده، ژاپن و خاورمیانه دارد. البته به دلیل مقررات محیط زیستی و نگرانی در خصوصی سمی بودنشان، تاکنون در اروپا کاربرد محدودی داشته اند. این امر ممکن است پس از تایید رسمی سیستم های بازدارنده ی DCI (30% کلسیم نیتریت) در آلمان تغییر کند.
برای کسب اطلاعات بیشتر با کارشناسان ما در ارتباط باشید. شرکت پترو فرهان گستر جنوب واردکننده برند‌های مطرح تجهیزات جوشکاری و بازرسی فنی و NDT از سراسر دنیا برای کسب اطلاعات بیشتر و ثبت سفارش با واحد فروش تماس حاصل فرمایید
02165565901
02144584671
02144584619
09133390223
09034119385