بتن به واسطه محیط بسیار قلیایی‌اش، از میلگردهای فولادی تعبیه‌شده در خود در برابر خوردگی محافظت می‌کند. محیط قلیایی بتن (معمولاً pH بالاتر از ۱۳) باعث تشکیل لایه‌ی غیرفعال و محافظ روی سطح فولاد شده که از شروع فرآیند خوردگی جلوگیری می‌کند؛ با این حال، ورود یون‌های کلراید (از طریق مواد یخ‌زدا یا آب دریا و حتی سنگ‌دانه‌های حاوی کلراید) می‌تواند این لایه را تخریب کرده و در نتیجه، منجر به خوردگی فولاد تعبیه شده در بتن (میلگرد) شود. خوردگی فولاد یک فرآیند انبساطی است که محصول جانبی آن (یعنی زنگ آهن)، تنش‌های داخلی قابل‌توجهی را در بتن ایجاد کرده و در نهایت به پوسته‌شدن پوشش بتنی اطراف میلگرد منجر می‌شود. در شکل 1، تصویر میلگرد خورده‌شده قابل ملاحظه است.
مکانیزم خوردگی فولاد در بتن
خوردگی میلگردهای فولادی، یک پدیده الکتروشیمیایی است. برای وقوع خوردگی، چهار مؤلفه سلول خوردگی باید فراهم باشد که در شکل 2 نشان داده‌شده‌است:
- آند به عنوان ناحیه‌ای از فولاد که یون‌های آهن را در محلول رها می‌کند.
- کاتد در نقش ناحیه‌ای که واکنش احیای اکسیژن و تشکیل یون هیدروکسید در آن صورت می‌گیرد.
- الکترولیت یا همان محیط مرطوب بتنی حاوی یون‌ها
- ارتباط الکتریکی میان آند و کاتد
وقتی غلظت یون کلراید محلول در بتن به حدود 15/0 درصد جرم سیمان برسد (آستانه خوردگی)، سلول الکتروشیمیایی روی سطح فولاد یا بین میلگردها شکل گرفته و فرآیند خوردگی آغاز می‌شود (شکل 3). در نواحی آندی، آهن به یون Fe²⁺ اکسید شده و وارد محلول می‌شود و در نواحی کاتدی، یون‌های هیدروکسید تولید می‌گردد. یون‌های آهن و هیدروکسید با هم ترکیب شده و هیدروکسید آهن را می‌سازند که پس از آن، اکسید شده و زنگ یا دیگر اکسیدهای آهن را پدید می‌آورد. حجم محصول نهایی خوردگی ممکن است تا بیش از شش برابر حجم اولیه‌ی آهن افزایش یابد که این افزایش حجم، باعث ایجاد ترک و پوسته‌شدن بتن و کاهش قابل‌توجه سطح مقطع فولاد می‌شود. در شکل 4، محصولات ناشی از واکنش خوردگی میلگرد، مطابق با میزان اکسیژن در دسترس برای پیشرفت واکنش به تصویر کشیده شده است.
عوامل مؤثر بر نرخ خوردگی فولاد
پس از شروع خوردگی، نرخ پیشرفت آن به عوامل مختلفی از جمله مقاومت الکتریکی بتن، میزان رطوبت و نفوذ اکسیژن تا سطح فولاد بستگی دارد. یون‌های کلراید نیز می‌توانند به‌تنهایی از لایه غیرفعال عبور کرده و با یون‌های آهن در محلول ترکیب شوند و ترکیب قابل‌حل آهن کلراید (FeCl₂) را تشکیل دهند که آهن را به داخل بتن می‌برد تا در ادامه اکسید شده و زنگ بزند.
- آب: هم در واکنش کاتدی شرکت دارد و هم باعث انتقال یون‌ها می‌شود.
- اکسیژن: در غیاب اکسیژن، سرعت خوردگی حدود دو مرتبه کاهش می‌یابد.
- pH بتن: در pH کمتر از حدود ۱۱، لایه غیرفعال تخریب شده و نرخ خوردگی افزایش پیدا می‌کند؛ در pH کمتر از ۴، لایه محافظ فولاد کاملاً حل می‌شود.
- یون‌های کلراید: به‌عنوان کاتالیزور خوردگی عمل کرده و با شکستن لایه غیرفعال، خوردگی موضعی (پیتینگ) را تسریع می‌کنند.
- دما: با افزایش دما به ازای هر ۳۰ درجه سانتی‌گراد، سرعت خوردگی تقریباً دو برابر می‌شود.
- مقاومت الکتریکی بتن: بتن با مقاومت الکتریکی بالاتر، پتانسیل کمتری در برابر خوردگی دارد. همچنین حضور فلزات ناهمگون در بتن می‌تواند پیل خوردگی ایجاد کند.
- نفوذپذیری/انتشار بتن: نفوذ اکسیژن و یون‌های کلراید تا بخش آند از طریق پوشش بتنی و دسترسی اکسیژن و آب در کاتد و آند، نرخ خوردگی را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد.
- نسبت مساحت کاتد به آند: هر چه کاتد بزرگ‌تر از آند باشد، خوردگی موضعی سریع‌تر پیش رفته و کاهش سطح مقطع فولاد شدیدتر می‌شود؛ اگر این دو مساحت تقریباً برابر باشند، خوردگی یکنواخت‌تر و کندتر صورت می‌پذیرد.
با درک این مکانیزم‌ها و عوامل تأثیرگذار، می‌توان با انتخاب صحیح مصالح، افزودنی‌های مهارکننده و طراحی پوشش مناسب بتنی، طول عمر سازه‌های مسلح را به طرز چشمگیری افزایش داد. در شکل 5، نرخ خوردگی به ازای کاهش pH محیط دربرگیرنده میلگرد نشان داده شده است.
استفاده از افزودنی بازدارنده خوردگی
افزودنی‌های مهارکننده خوردگی، موادی شیمیایی بوده که به بتن اضافه می‌شوند تا از خوردگی میلگردهای فولادی جلوگیری کنند. این افزودنی‌ها به‌ویژه در سازه‌هایی نظیر پارکینگ‌ها، سازه‌های دریایی و پل‌ها که در معرض یون‌های کلراید قرار می‌گیرند، کاربرد دارند. از جمله مهارکننده‌های خوردگی پرکاربرد در بازار می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- کلسیم‌نیتریت
- نیتریت سدیم
- دی‌متیل‌اتانول‌آمین
- ترکیبات آمینی
- فسفات‌ها
- استرآمین‌ها
این افزودنی‌ها با واکنش شیمیایی، فرآیند خوردگی را متوقف کرده و لایه‌ی غیرفعال محافظ روی سطح فولاد را بازسازی می‌کنند. هنگامی که از کلسیم‌نیتریت به‌عنوان افزودنی استفاده می‌شود، یون‌های نیتریت همراه با یون‌های هیدروکسید و کلراید در محلول بتن حضور دارند. یون‌های نیتریت با تثبیت هماتیت (اکسید آهن، Fe2O3) موجود در لایه‌ی غیرفعال اطراف میلگرد، پایداری این فیلم محافظ را افزایش می‌دهند. این لایه اکسید آهن در اثر pH بالای بتن، ایجاد می‌شود و مانع نفوذ یون‌های کلراید و تماس آن‌ها با سطح فولاد می‌گردد. البته مقدار مشخصی از نیتریت تنها تا سطح معینی از غلظت یون کلراید توانایی جلوگیری از خوردگی را دارد؛ بنابراین هرچه میزان کلراید افزایش یابد، نیاز به افزودن مقدار نیتریت نیز بیشتر می‌شود.
افزودنی‌های آلی که بر پایه مخلوطی از آمین‌ها و استرها در بستر آب تهیه می‌شوند، به دو روش عمل می‌کنند: اول، استرها تا حدودی خواص آب‌گریزی به بتن می‌دهند که از نفوذ یون‌های محلول در آب جلوگیری می‌کند؛ دوم، آمین‌ها روی سطح فولاد می‌نشینند و فیلم محکمی ایجاد می‌کنند که از رسیدن رطوبت و عوامل خورنده به سطح فولاد ممانعت می‌کند. این دو مکانیزم در کنار هم سبب افزایش زمان آغاز خوردگی و کاهش سرعت پیشرفت آن پس از شروع می‌شوند. مهارکننده‌های کاتدی با واکنش بر سطح فولاد، در روند کاهش اکسیژن که واکنش اصلی کاتدی در محیط‌های قلیایی است اختلال ایجاد می‌کنند.
لازم به ذکر است که مهارکننده‌های خوردگی مطابق با استانداردهایی نظیر ASTM C1582 (مشخصات فنی افزودنی‌ها برای مهار خوردگی میلگرد در بتن در حضور یون کلراید) تولید و آزموده شوند.
