انواع خوردگی میلگرد در بتن

مقدمه‌ای بر خوردگی میلگرد در بتن

تعریف خوردگی میلگرد

خوردگی میلگرد در بتن یک فرآیند الکتروشیمیایی است: فولاد به‌عنوان آند در حضور رطوبت و اکسیژن اکسید می‌شود و محصولات خوردگی (زنگ‌آهن) تولید می‌کند. بتن تازه به‌صورت طبیعی محیطی بسیار قلیایی (pH حدود ۱۲.۵ تا ۱۳.۵) ایجاد می‌کند و این قلیائیت، لایه‌ای پسیو روی میلگرد شکل می‌دهد که از آغاز خوردگی جلوگیری می‌کند. هرگاه این لایهٔ پسیو به‌علت نفوذ یون کلرید یا کاهش pH ناشی از کربناته شدن از بین برود، میلگرد فعال شده و خوردگی شروع می‌شود.

اهمیت بررسی خوردگی در سازه‌های بتنی

خوردگی میلگرد یکی از مهم‌ترین علل کاهش دوام سازه‌های بتنی و افزایش هزینه‌های نگهداشت است. افزایش حجم محصولات خوردگی (معمولاً ۲ تا ۶ برابر حجم فولاد اصلی) تنش‌های داخلی ایجاد می‌کند، باعث ترک، تورق و پوسته‌پوسته شدن پوشش بتنی می‌شود و نهایتاً ظرفیت باربری و ایمنی سازه را کاهش می‌دهد.

تأثیر خوردگی بر دوام و مقاومت سازه

• کاهش مقطع مؤثر فولاد و در نتیجه افت مقاومت کششی و برشی اعضا

• کاهش چسبندگی فولاد و بتن و کوتاه‌شدن طول مهاری مؤثر

• افزایش نفوذپذیری بتن به‌دلیل ترک‌های ناشی از زنگ‌زدگی و تسریع چرخهٔ خرابی

• افزایش هزینه‌های تعمیرات و کاهش عمر مفید اقتصادی سازه

علل و عوامل مؤثر بر خوردگی میلگرد

نفوذ یون کلرید در بتن

کلریدها (از آب دریا، نمک‌های یخ‌زدا، مصالح آلوده یا حتی آب اختلاط نامناسب) با شکستن لایه پسیو، خوردگی حفره‌ای شدید ایجاد می‌کنند. این تهدید در سازه‌های ساحلی، اسکله‌ها، پل‌ها و پارکینگ‌ها بسیار رایج است.

کربناته شدن بتن

دی‌اکسیدکربن هوا با هیدروکسید کلسیم بتن واکنش می‌دهد و کربنات کلسیم تولید می‌کند. پیامد این واکنش، کاهش pH بتن و از بین رفتن محافظت قلیایی فولاد است. کربناته شدن از سطح شروع می‌شود و با گذشت زمان به عمق پوشش نزدیک به میلگرد می‌رسد.

رطوبت، اکسیژن و دمای محیط

وجود آب برای کامل شدن مدار الکتروشیمیایی ضروری است. رطوبت نسبی بالای محیط (بیش از ~۶۵٪) و دماهای بالاتر، نرخ خوردگی را افزایش می‌دهند. در مقابل، خشک‌بودن بیش از حد، سرعت خوردگی را کم می‌کند اما ممکن است انتقال اکسیژن را محدود یا تشدید کند—بنابراین دوره‌های تر و خشک متناوب عموماً مضرترین شرایط را می‌سازند.

کیفیت بتن و نسبت آب به سیمان

نسبت آب به سیمان بالا تخلخل و جذب آب را زیاد می‌کند، نفوذپذیری را افزایش می‌دهد و مسیر ورود یون‌های مهاجم را هموار می‌سازد. طرح اختلاط مناسب، استفاده از پوزولان‌ها و عمل‌آوری صحیح، کلید دوام‌اند.

تأثیر ترک‌ها و نفوذپذیری بتن

هر ترک سطحی، میان‌بُر نفوذ رطوبت و یون‌ها به سوی میلگرد است. پوشش ناکافی بتن روی میلگرد نیز باعث کاهش زمان رسیدن جبهه کربناته‌شدن یا کلریدها به سطح فولاد می‌شود.

انواع خوردگی میلگرد در بتن

۱) خوردگی یکنواخت (Uniform Corrosion)

سطح میلگرد نسبتاً همگن دچار خوردگی می‌شود. اگرچه نرخ آن معمولاً کمتر از سایر انواع است، اما درازمدت باعث کاهش یکنواخت مقطع فولاد و افت کلی ظرفیت می‌شود. پیش‌بینی رفتار آن ساده‌تر است.

۲) خوردگی موضعی یا حفره‌ای (Pitting Corrosion)

شدیدترین و خطرناک‌ترین نوع؛ حمله در نقاط محدود رخ می‌دهد اما عمق حفره‌ها زیاد است. حتی با درصد اندکی کاهش جرم، مقطع مؤثر در محل حفره‌ها به سرعت کاهش می‌یابد و امکان شکست ترد موضعی بالا می‌رود. حضور کلرید، ضربه به پوشش بتن یا نقص در پوشش اپوکسی/گالوانیزه می‌تواند محرک آن باشد.

۳) خوردگی گالوانیکی (Galvanic Corrosion)

وقتی دو فلز با پتانسیل الکتروشیمیایی متفاوت در تماس الکتریکی و در محیط الکترولیتی (بتن مرطوب) باشند، فلز فعال‌تر به‌عنوان آند قربانی می‌شود. تماس فولاد کربنی با استیل زنگ‌نزن یا اجزای فلزی ناهمجنس در یک شبکه میلگرد، می‌تواند این پدیده را تشدید کند.

۴) خوردگی تنشی (Stress Corrosion)

ترکیب تنش کششی (کارکردی یا پسماند) و محیط خورنده، زمینهٔ ترک خوردگی تنشی را فراهم می‌کند. این حالت در نواحی دارای تمرکز تنش (زانوها، وصله‌ها، قلاب‌ها) حساس‌تر است.

۵) خوردگی کلریدی و کربناته

دو مکانیسم آغازگر اصلی در بتن‌اند:

• کلریدی: تخریب لایه پسیو و شروع پیتینگ حتی در pH قلیایی.

• کربناته: کاهش pH تا حدود مرز ناپایداری پسیو (نزدیک ۹) و فعال شدن فولاد.

روش‌های تشخیص و ارزیابی خوردگی میلگرد

بررسی ظاهری

لکه‌های زنگ، ترک‌های موازی میلگرد، تورق و پوسته‌شدن سطح بتن از نشانه‌های هشدارند. با این حال، مشاهدهٔ ظاهری معمولاً مرحلهٔ دیر تشخیص است.

اندازه‌گیری پتانسیل خوردگی (Half-Cell Potential)

با استفاده از نیم‌سلول مرجع (معمولاً مس/سولفات مس)، پتانسیل الکتریکی روی سطح اندازه‌گیری و نقشه‌های هم‌پتانسیل ترسیم می‌شود. مقادیر منفی‌تر، احتمال بالاتر خوردگی را نشان می‌دهند. این روش برای غربالگری سریع مناطق پرریسک بسیار کارآمد است.

روش‌های غیرمخرب (NDT)

• مقاومت ویژهٔ الکتریکی بتن: شاخصی از قابلیت عبور جریان یونی و ریسک خوردگی.

• GPR (رادار نفوذی زمینی): تعیین عمق میلگرد، ضخامت پوشش و کشف نواحی دچار خلل و فرج/خالی شدگی.

• امپدانس/قطبش خطی: برآورد نرخ خوردگی لحظه‌ای.

• آلتراسونیک و چکش اشمیت: کمک به تشخیص کیفیت بتن و نواحی آسیب‌دیده.

نمونه‌برداری و آزمایش‌های مکمل

کرگیری موضعی، اندازه‌گیری پروفیل کلرید، تست فنول‌فتالئین برای عمق کربناته‌شدن، و بررسی متالوگرافی سطح میلگرد به تصمیم‌گیری دقیق در طرح ترمیم کمک می‌کند.

راهکارهای پیشگیری و کنترل خوردگی میلگرد

۱) انتخاب مصالح و طرح اختلاط مقاوم به نفوذ

• کاهش w/c (مثلاً ≤۰.۴۵ برای محیط نسبتاً خورنده)

• استفاده از پوزولان‌ها (میکروسیلیس، خاکستر بادی، سرباره) برای کاهش تخلخل و بستن منافذ

• دانه‌بندی مناسب و تراکم مطلوب

• عمل‌آوری مرطوب کافی برای تکمیل هیدراتاسیون

۲) افزایش ضخامت پوشش بتنی

پوشش کافی (بر اساس شرایط محیطی) زمان رسیدن جبهه کلرید/کربناته‌شدن به میلگرد را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. رعایت کاور واقعی در اجرا (فاصله‌نگهدار استاندارد، میزانیابی دقیق) حیاتی است.

۳) استفاده از پوشش‌های محافظ روی میلگرد

• گالوانیزه گرم: علاوه بر مانع فیزیکی، آند فداشونده ایجاد می‌کند.

• اپوکسی: سد نفوذ مؤثر؛ ولی سلامت پوشش در حمل و نصب اهمیت حیاتی دارد.

• میلگرد استنلس استیل یا فولادهای ریزآلیاژی مقاوم به خوردگی برای مناطق بحرانی (لبه عرشه‌ها، نواحی پاشش آب شور) می‌تواند راهبردی باشد.

۴) افزودنی‌ها و بازدارنده‌های خوردگی

بازدارنده‌های آندی/کاتدی یا ترکیبی در طرح اختلاط می‌توانند سرعت خوردگی را به‌طور معنی‌دار کاهش دهند و عمر مفید سازه را ۲ تا ۳ برابر افزایش دهند (بسته به دوز، سیستم و محیط).

۵) درزبندی و آب‌بندی

درزها، ترک‌ها و نفوذی‌ها را با مواد آب‌بند پایدار و سازگار با بتن به‌موقع درزبندی کنید تا چرخه تر/خشک و ورود یون‌ها کنترل شود. شیب‌بندی درست سطوح برای تخلیه آب‌های سطحی ضروری است.

۶) حفاظت کاتدی

در سازه‌های دریایی، اسکله‌ها و پل‌های در معرض کلرید، حفاظت کاتدی (برقی یا با آند فداشونده) تنها روش فعال و بسیار اثربخش برای توقف خوردگی فعال است. طراحی، پایش و نگهداری این سیستم باید توسط تیم متخصص انجام شود.

۷) برنامه پایش و نگهداری دوره‌ای

بازبینی سالانه/دو‌ساله، آزمون‌های پتانسیل نیم‌سلولی، سنجش مقاومت ویژه و GPR، قبل از گسترش خرابی، نقاط پرریسک را نمایان می‌کنند و هزینهٔ چرخهٔ عمر را کاهش می‌دهند.

ترمیم و تعمیر سازه‌های بتنی آسیب‌دیده از خوردگی

آماده‌سازی سطح و حذف محصولات خوردگی

• برداشت بتن سست و آلوده تا رسیدن به بتن سالم

• تمیزکاری میلگرد (سندبلاست، واترجت، برس مکانیکی) تا دستیابی به سطح فلز براق (استانداردهای آماده‌سازی سطح)

• ارزیابی کاهش قطر میلگرد و تصمیم برای وصله/تعویض

بهسازی میلگرد و بازگردانی ظرفیت

• جایگزینی طول‌های آسیب‌دیده و اجرای وصله با طول مهاری کافی

• اعمال پرایمر ضدخوردگی/روکش اپوکسی روی میلگرد آماده‌شده

• در صورت نیاز، افزودن آرماتور تکمیلی برای جبران افت ظرفیت

بازسازی بتن

• استفاده از ملات‌های ترمیمی پلیمری یا سیمانی با جمع‌شدگی کنترل‌شده و سازگار با بتن موجود

• اتصال مناسب بتن قدیم و جدید (چسب اپوکسی/دوغاب پیوندی)

• کیورینگ دقیق و کنترل ترک‌های ثانویه

اقدامات مکمل

• درزبندی نهایی، اعمال پوشش‌های نفوذناپذیر سطحی یا آب‌بندهای کریستال‌ساز

• در محیط‌های بسیار خورنده، افزودن حفاظت کاتدی موضعی یا آندهای نقطه‌ای تعادلی

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

• انواع خوردگی میلگرد در بتن شامل یکنواخت، موضعی (حفره‌ای)، گالوانیکی، تنشی و مکانیسم‌های آغازگر کلریدی و کربناته است.

• آغاز خوردگی به نفوذ یون‌ها، کاهش pH، رطوبت و اکسیژن و کیفیت بتن/اجرا گره خورده است.

• پیشگیری (طرح اختلاط متراکم، کاور کافی، پوشش‌های میلگرد، بازدارنده‌ها، درزبندی و نگهداری) همواره کم‌هزینه‌تر از تعمیر است.

• در سازه‌های در معرض کلرید (ساحلی/دریایی)، حفاظت کاتدی می‌تواند جلوی خوردگی فعال را به‌صورت مؤثر بگیرد.

• اجرای برنامه پایش دوره‌ای و اقدام زودهنگام، عمر مفید سازه را به‌طور محسوسی افزایش می‌دهد و هزینهٔ چرخه عمر را کاهش می‌دهد.

سوالات متداول (FAQ)

۱) خوردگی میلگرد در بتن چیست و چگونه اتفاق می‌افتد؟
خوردگی واکنش الکتروشیمیایی فولاد با حضور رطوبت و اکسیژن است. بتن قلیایی از فولاد محافظت می‌کند اما با نفوذ کلرید یا کربناته‌شدن بتن، لایه پسیو می‌شکند و خوردگی آغاز می‌شود.

۲) آیا بتن می‌تواند میلگرد را کاملاً در برابر خوردگی محافظت کند؟
خیر. بتن سالم و متراکم با کاور کافی، سرعت نفوذ عوامل مهاجم را کم می‌کند اما در صورت ترک، نفوذ کلرید یا کاهش pH، محافظت از بین می‌رود.

۳) چرا میلگرد در بتنِ قلیایی هم زنگ می‌زند؟
تا زمانی که pH بالا و لایه پسیو پایدار باشد، خوردگی رخ نمی‌دهد. کلریدها می‌توانند در همان pH بالا این لایه را موضعی تخریب کنند و کربناته‌شدن pH را کاهش می‌دهد؛ هر دو مسیر، فولاد را فعال می‌کنند.

۴) تفاوت خوردگی یکنواخت و موضعی (پیتینگ) چیست؟
در یکنواخت، سطح فولاد به‌طور همگن می‌خورد؛ در پیتینگ، حمله بسیار موضعی و عمیق است و خطر شکست ناگهانی بالاتر است.

۵) خوردگی گالوانیکی در بتن چگونه ایجاد می‌شود؟
تماس الکتریکی دو فلز ناهمجنس (مثلاً فولاد کربنی و استنلس) در بتن مرطوب باعث می‌شود فلز فعال‌تر آندی شده و سریع‌تر بخورد.

۶) کدام نوع خوردگی در محیط‌های ساحلی شایع‌تر است؟
خوردگی کلریدی و عموماً به شکل پیتینگ، به‌خاطر حضور دائمی نمک و اسپری آب دریا شایع‌تر است.

۷) چه عواملی خوردگی را تسریع می‌کنند؟
رطوبت بالا و سیکل‌های تر/خشک، دمای بالاتر، نسبت آب به سیمان زیاد، نفوذ کلرید، ترک‌ها و کاور ناکافی.

۸) نقش نسبت آب به سیمان در جلوگیری از خوردگی چیست؟
w/c پایین‌تر → تخلخل کمتر → نفوذپذیری کمتر → زمان رسیدن عوامل مهاجم به فولاد طولانی‌تر → شروع دیرتر خوردگی.

۹) چگونه می‌توان خوردگی را قبل از تخریب بتن تشخیص داد؟
با پایش دوره‌ای شامل پتانسیل نیم‌سلولی، مقاومت ویژه، GPR و در صورت نیاز نمونه‌برداری برای پروفیل کلرید/عمق کربناته‌شدن.

۱۰) آیا تغییر رنگ یا ترک بتن نشانه خوردگی است؟
بله؛ لکه‌های زنگ و ترک‌های موازی میلگرد نشان می‌دهند محصولات خوردگی به سطح رسیده‌اند. اما برای اطمینان باید تست تکمیلی انجام شود.

۱۱) کدام روش‌های NDT برای شناسایی خوردگی قابل اتکاست؟
پتانسیل نیم‌سلولی برای نقشه‌یابی احتمال خوردگی، مقاومت ویژه برای سنجش محیط یونی، GPR برای کاور/نواقص؛ ترکیب چند روش دقت را افزایش می‌دهد.

۱۲) بهترین روش‌های پیشگیری چیست؟
طرح اختلاط متراکم با w/c پایین، کاور کافی، پوشش‌های میلگرد (گالوانیزه/اپوکسی)، بازدارنده‌ها، آب‌بندی درزها و نگهداری منظم. برای محیط‌های کلریدی شدید، حفاظت کاتدی.

۱۳) میلگرد اپوکسی، گالوانیزه یا استنلس استیل—کدام بهتر است؟
وابسته به محیط و بودجه است:

• اپوکسی: اقتصادی و مؤثر، حساس به آسیب مکانیکی پوشش.

• گالوانیزه: مانع + آند فداشونده، دوام خوب در کلرید متوسط.

• استنلس: بهترین کارایی در کلرید شدید، اما گران‌تر؛ اغلب برای نواحی بحرانی استفاده می‌شود.

۱۴) افزودنی‌های ضدخوردگی چگونه کار می‌کنند؟
یا با پایدارکردن فیلم پسیو روی فولاد یا با تغییر شیمی حفره‌های موئینه بتن، نرخ خوردگی را کم می‌کنند. انتخاب نوع و دوز باید طبق راهنمای سازنده و شرایط پروژه باشد.

۱۵) حفاظت کاتدی در سازه‌های معمولی کاربرد دارد؟
بیشتر در سازه‌های با ریسک کلرید بالا (پل‌ها، اسکله‌ها، پارکینگ‌ها) توجیه دارد. در ساختمان‌های معمولی، وقتی خرابی کلریدی اثبات شود یا شرایط محیطی شدید باشد، قابل بررسی است.

۱۶) چه مدت پس از ساخت خوردگی ممکن است شروع شود؟
در محیط‌های ملایم ممکن است دهه‌ها طول بکشد؛ در محیط‌های ساحلی و با کاور ناکافی یا ترک‌ها، چند سال. کیفیت بتن و اجرا تعیین‌کننده است.

۱۷) آیا پیشگیری ارزان‌تر از تعمیر است؟
تقریباً همیشه بله. هزینهٔ اولیهٔ مصالح/روش‌های ضدخوردگی در مقایسه با توقف بهره‌برداری، برداشت بتن، تعویض آرماتور و بازسازی گسترده بسیار کمتر است.

۱۸) هزینه ترمیم بتن آسیب‌دیده از خوردگی چقدر است؟
به دامنه خرابی، دسترسی، روش ترمیم، متراژ و نیاز به ترافیک‌بری/اسکفولد بستگی دارد. اما در ارزیابی چرخه عمر، معمولاً چند برابر هزینهٔ پیشگیری اولیه خواهد شد.

۱۹) آیا سازه‌ای با میلگرد زنگ‌زده هنوز ایمن است؟
بستگی به میزان کاهش مقطع و افت چسبندگی دارد. نیاز به ارزیابی مهندسی (آزمون‌ها و محاسبات ظرفیت باقیمانده) است. در خرابی‌های موضعی، ترمیم به‌موقع می‌تواند ایمنی را بازگرداند.

۲۰) چه زمانی باید سازه را بازسازی یا تخریب کرد؟
وقتی ترمیم‌های موضعی دیگر پاسخ‌گو نباشد، افت ظرفیت گسترده شود، یا هزینهٔ نگهداشت از آستانهٔ اقتصادی عبور کند. تصمیم با گزارش فنی و تحلیل هزینه-فایده اتخاذ می‌شود.