کتاب خوردگی در بتن

فصل 1 9
تاریخچه استفاده از سیمان و بتن 9
اجزای تشکیل دهنده بتن 14
پیادهسازی دانش در تولید بتن 15
چالشهای پیشروی صنایع از جمله صنعت بتن در آینده 19
دوام بتن و توسعه پایدار 22
فصل 2 25
خوردگی بتن چیست 25
علل خوردگی بتن 25
عوامل اصلی در وقوع خوردگی میلگرد و آرماتور بتن 26
کيفيت بتن با دوام در برابر خوردگی ميلگردها 52
شرکت کلینیک بتن ایران 79
خوردگی بتن و فلزات در سازههای ساحلی 84
تهاجم و تخریب بتن توسط آب دریا 86
تاثیر آب دریا بر بتن مناطق جزرو مدی 88
پوششهای حفاظتی سازههای بتنی 89
کاربرد پوششهای اپوکسی جهت حفاظت از بتن در آب دریا 90
جلوگیری از خوردگی بتن و فلزات در دریا 92
فصل 3 95
خورردگی در میلگرد بتن 95
تأثیرات خوردگی میلگرد در بتن 96
عوامل مؤثر بر خوردگی میلگرد در سازههای بتنی 98
خوردگی ناشی از کربناته شدن بتن 101
تاثیر کربناته شدن بر ریزساختار بتن 102
خوردگی ناشی از کلرید 103
خوردگی در ترک‌ها 106
خوردگی میلگرد (آرماتور) در بتن مسلح در اثر حمله کلریدی 109
مکانیزم شیمیایی خوردگی میلگرد 112
روش‌های جلوگیری از خوردگی میلگرد در بتن 114
میلگردهای مقاوم به خوردگی 115
راهکارهای حفاظت از میلگرد در یک پروژه 116
روش‌های جلوگیری از خوردگی میلگرد در بتن 121
تشخیص میزان خوردگی میلگردها در بتن 123
فصل 4 131
بهترین راه جلوگیری از خوردگی بتن چیست؟ 131
اقدامات لازم برای پیشگیری از خوردگی بتن 131
روش‌های سنتی برای جلوگیری از خوردگی 132
استفاده از FRP برای جلوگیری از خوردگی بتن 136
کيفيت بتن با دوام در برابر خوردگی ميلگردها 162
منابع و مآخذ 175

بتن چیست؟
بتن، پرمصرف‌ترین ماده ساختمانی جهان
بتن، ترکیبی در ابتدا خمیری است که از مواد اولیه سیمان، آب و سنگدانه (شن و ماسه) تشکیل شده است. بتون در مجاورت هوا خشک می‌شود و ساختاری سفت، غیر قابل نفوذ نسبت به آب و از نظر صوتی و حرارتی عایق ایجاد می‌کند. بتن را می‌توان مانند یک سنگ مصنوعی در نظر گرفت که در آن فضای خالی بین سنگدانه‌های درشت توسط سنگدانه‌های ریز و فضای بین سنگدانه‌های ریز توسط سیمان پر شده است.
تاریخچه استفاده از سیمان و بتن
سیمان به عنوان یکی از اجزای اصلی تشکیل‌ دهنده بتن، حدود ۱۲ میلیون سال پیش به واسطه واکنش میان سنگ‌ آهک و سنگ نفت‌زا در منطقه‌ای از اسرائیل به وجود آمده است. این رسوبات طبیعی که شامل ترکیبات سیمانی می‌باشند، در دهه‌های ۶۰ و ۷۰ قرن بیست میلادی توسط زمین‌شناسان شناسایی شدند.
اولین سازه‌های بتنی مانند توسط نبطیان و بادیه‌ نشینان مناطق جنوبی سوریه و شمالی اردن در حدود ۶۵۰۰ قبل از میلاد ساخته‌شده‌‌اند. در حدود سال ۵۶۰۰ قبل از میلاد، در طول رودخانه دانوب و در نواحی‌‌ای که جز یوگسلاوی سابق بوده‌‌اند، خانه‌‌هایی با استفاده از بتن برای کف آن‌‌ها ساخته‌شده است. در حدود سال ۳۰۰۰ قبل از میلاد، مصریان باستان با استفاده از ترکیب گل و کاه و ایجاد ترکیبی مشابه ملات سیمان، توانستند اهرام ثلاثه را بسازند. در هرم بزرگ مصر حدود ۵۰۰ هزار تن ملات جهت اتصال سنگ‌ها به کار رفته است. در همین زمان، چینیان از نوعی از سیمان جهت ساخت قایق‌‌ها و همچنین دیوار چین بهره می‌‌بردند.

در حدود سال ۶۰۰ قبل از میلاد، یونانیان یک پوزولان طبیعی را کشف کردند که در ترکیب با آهک دچار توسعه خصوصیات هیدرولیکی می‌ شد. ولی این رومیان بودند که از این ترکیب کشف شده، بیشترین استفاده را در ساخت‌ و سازهای خود داشتند. معبد پانتئون که ساخت آن توسط امپراطور هادریان در سال ۱۲۵ پس از میلاد تکمیل گردید، بزرگترین گنبد بتنی غیرمسلحی است که تا بحال ساخته‌شده است. پس از سقوط امپراطوری روم باستان در سال ۴۷۶ میلادی و حتی تا قرون وسطی، شیوه ساخت سیمان پوزولانی پنهان شده بود. در سال ۱۴۱۴ بود که دست‌ نوشته‌هایی مبنی بر شیوه ساخت این نوع سیمان، کشف شد و مجددا توجهات به استفاده از این مصالح ساختمانی معطوف شد.

اجزای تشکیل‌ دهنده بتن
بتن به صورت کلی، از ترکیب سیمان، آب و سنگدانه ایجاد می‌ شود و در صورت لزوم، از مواد افزودنی نیز در آن استفاده می‌ شود. حال سوال اساسی که پیش می‌ آید، این است که ارتباط و نسبت اجزای تشکیل دهنده بتن به چه صورت می‌ باشد؟ برای پاسخ به این سوال، سه دیدگاه وجود دارد.
دیدگاه نخست، بررسی این نقطه‌ نظر است که ماده چسباننده، یعنی همان محصول فرآیند هیدراسیون سیمان، به عنوان عنصر اصلی تشکیل‌ دهنده بتن قلمداد شده و سنگ‌دانه‌ها نقش یک پرکننده ارزان‌ قیمت‌‌تر را در مخلوط ایفا می‌‌‌کنند.
دیدگاه دوم بر آن است که سنگدانه درشت به عنوان یک مصالح بنایی در مقیاس کوچک بوده که با ملات – ترکیب سیمان هیدراته‌ شده و سنگدانه ریز – مخلوط می‌شود.
دیدگاه سوم نیز مانند دیدگاه نخست، بتن را شامل دو فاز می¬داند: خمیر سیمان هیدراته‌ شده و سنگدانه. در نتیجه، خواص بتن از خواص این دو‌بخش و هم‌ چنین، اثر متقابل آن‌‌ها بر یکدیگر ناشی می‌شود.
دیدگاه دوم و سوم، جهت بیان رفتار بتن دارای ارجحیت بوده و دیدگاه اول مبتنی بر خاصیت پرکنندگی صرف سنگدانه، از دور خارج می‌¬گردد. اگر قیمت سیمان از سنگدانه کمتر شود و بحث ارزان‌‌تر بودن سنگدانه مطرح نباشد، آیا تنها از ترکیب سیمان و آب به عنوان مصالح ساختمانی می‌ توان استفاده نمود؟
مشخص است که پاسخ سوال فوق، خیر است؛ به دلایلی نظیر تغییرات حجمی بسیار بیشتر خمیر سیمان هیدراته شده نسبت به بتن، جمع‌شدگی و خزش بیشتر و همچنین، گرمای ایجاد شده زیادتر به دلیل حجم زیاد سیمان هیدراته شده – به خصوص در هوای گرم – که منجر به ترک‌خوردگی می‌شود. در ضمن، مشاهده شده است که بیشتر سنگ‌دانه‌ها نسبت به خمیر سیمان، در برابر حملات شیمیایی مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهند. در نتیجه، ورای مسئله‌ی قیمت و هزینه، استفاده از سنگدانه در بتن سودمند می¬باشد.

چالش‌‌های پیشروی صنایع از جمله صنعت بتن در آینده
تغییر، اجتناب ناپذیر است؛ ولی نرخ سریع و جهش ناگهانی تغییر اغلب می‌ تواند مخرب باشد. به همین دلیل است که امروزه ما با چالش‌‌های اقتصادی و زیست‌ محیطی مواجه شده‌‌ایم. رشد جمعیت، شهر نشینی، تکنولوژی و اثرات زیست‌ محیطی آن جزو دلایل اصلی و کلیدی در شکل‌ گیری دنیای امروز هستند و با این که به یکدیگر وابسته‌‌اند، اما می‌¬توان هر کدام را به صورت مجزا نیز بررسی نمود تا اثرات تاریخی و پیش‌‌بینی¬‌های آتی را در خصوص آ‌ن‌ها بهتر صورت داد.
• رشد جمعیت: در شروع قرن ۲۰‌ام میلادی، جمعیت جهان در حدود ۵/۱ میلیارد نفر بود و این رقم در انتهای قرن ۲۰‌ام به ۶ میلیارد نفر رسیده است. نکته قابل تامل در آن است که برآورد می‌ شود که ۱۰ هزار سال پس از آخرین عصر یخبندان طول کشیده است تا جمعیت جهان به ۵/۱ میلیارد نفر برسد؛ در حالی که رشد جمعیت از ۵/۱ به ۶ میلیارد نفر تنها در بازه کوتاه صد سال رخ داده است. این به معنای انفجار جمعیت است! قطعا این رشد ناگهانی، نیازهای زیرساختی بسیاری را طلب می‌¬کند که ساخت‌ و ساز یکی از آن‌ هاست و بتن، عنصر جدا نشدنی در ساخت‌ و ساز می¬باشد.
• شهرنشینی: آمار نشان‌ دهنده ارتباط مستقیم میان رشد جمعیت و افزایش شهر نشینی می¬باشد. در شروع قرن ۲۰‌ام، تقریبا ۱۰ درصد مردم در شهرها زندگی می‌¬کردند. این رقم در ابتدای قرن ۲۱‌ام به ۵۰ درصد رسیده است. توسعه شهرها و زیرساخت‌‌های شهری نیز به تبع آن، باید رشد فزاینده‌‌ای داشته باشند تا نیازهای ایجاد را برطرف سازند.
• تکنولوژی و اثرات آن بر محیط‌ زیست: رشد جمعیت و شهرنشینی، هر دو نقش مهمی بر‌بخش¬‌های انرژی، تولید و حمل‌ونقل دارند. متاسفانه، انتخاب‌‌های تکنولوژیکی ما بر اساس تصمیمات کوتاه مدت و با اهداف جزیی گرفته شده و می‌ شود و اثرات متعاقب این تصمیم‌ گیری‌‌ها بر آیندگان دیده نمی‌ شود. هاوکن و همکاران طی تحقیقی در ابتدای قرن ۲۱‌ام نشان داده‌‌اند که تنها ۶ درصد از مجموع جریان مواد تولید شده در سطح جهان که بالغ بر ۵۰۰ میلیارد تن در سال می‌¬باشد، در نهایت به یک محصول مصرفی تبدیل می‌شود و باقی مواد خام به صورت زباله‌‌های جامد، مایع و یا گاز که برای محیط ‎‌زیست مضر هستند، به طبیعت باز می¬گردند.
آلودگی محیط‌ زیست، مسئله جدیدی نیست منتهی ابعاد آن از حالت منطقه‌‌ای به وسعت جهانی رسیده است. دانشمندان معتقدند که بزرگترین چالش زیست‌ محیطی که امروزه مطرح است، تغییرات آب‌ و هوایی ناشی از فعالیت‌‌های انسانی است که با افزایش گازهای گلخانه‌‌ای موجود در اتمسفر زمین، منجر به گرمایش زمین در طی ۱۰۰ سال گذشته شده است. در نتیجه همین امر، از سال ۱۹۹۰ تعداد قابل‌توجهی از شدیدترین فجایع آب‌ و هوایی در نقاط مختلفی از کره زمین به ثبت رسیده است؛ بنابراین، علاوه بر این‌ که منابع طبیعی در کره زمین رو به اتمام است بلکه محیط‌ زیستی که زندگی و توسعه پایدار را تامین می‌¬کند نیز رو به زوال شدیدی قرار دارد.
بتن معمولی به طور عمومی حاوی ۱۲ درصد سیمان، ۸ درصد آب و ۸۰ درصد سنگدانه از لحاظ جرمی است. این اعداد بدان معناست که سالانه ۵/۱ میلیارد تن سیمان، ۹ میلیارد تن شن و ماسه و ۱ میلیارد تن آب صرف تولید بتن در سطح جهان می‌شود. این صنعت ۵/۱۱ میلیارد تنی، بزرگترین مصرف‌ کننده منابع طبیعی جهان می‌ باشد و پیش‌‌بینی می‌ شود تا سال ۲۰۵۰، به ۱۶ الی ۱۸ میلیارد تن در سال برسد. با بررسی این اعداد، این نتیجه حاصل می‌ شود که حفاری، پالایش و حمل‌ونقل چنین حجم عظیمی از مصالح در کنار انرژی مصرفی جهت تولید فرآورده‌‌ها تا چه میزان بر زیست‌ بوم مناطق تاثیر می‌گذارد.
تصور می‌شود که بتن ساخته‌شده از سیمان پرتلند، نسبت به باقی مصالح ساختمانی سبزتر (دوست‌دار محیط‌ زیست) باشد. هر چند، می‌¬بایست توجه بسیاری به کاهش اثرات زیست‌ محیطی صنعت بتن شود. سیمان پرتلند، ترکیب هیدرولیکی اصلی تشکیل دهنده بتن، یک محصول بسیار انرژی‌ بر است (۴ گیگاژول انرژی مصرفی به ازای تولید هر تن سیمان) و هم‌ چنین، میزان زیادی کربن‌ دی‌ اکسید نیز در فرآیند تولید آزاد می‌ کند. تولید یک تن کلینکر سیمان پرتلند، حدود یک تن کربن‌ دی‌ اکسید آزاد می‌ کند. به همین دلیل، تولید سالانه ۵/۱ میلیارد تن سیمان، مسبب تقریبا ۷ درصد از انتشار کربن‌ دی‌ اکسید در سطح جهان است.
با دو رویکرد کلی، می‌¬توان به مقابله با تاثیرات زیست‌ محیطی صنعت بتن پرداخت. رویکرد بلند مدت بر پایه کاهش نرخ مصرف بتن می‌ باشد که با توجه به توسعه روزافزون جهانی و لزوم استفاده از این محصول، این دیدگاه عملی نمی‌ باشد (لااقل در آینده نزدیک رخ نمی‌¬دهد). رویکرد دیگر، استفاده از زیست‌ بوم‌‌شناسی صنعتی است که به بیان ساده، بر استفاده از مصالح بازیافتی و جایگزین تاکید می‌ کند. استفاده از بخشی از مصالح تخریب‌ شده به وسیله بازیافت صحیح، استفاده از پساب‌‌ها و آب‌‌های غیر آشامیدنی با لحاظ موارد فنی، جایگزینی بخشی از سیمان با پوزولان‌‌هایی نظیر خاکستر بادی، سرباره کوره آهن‌ گدازی، دوده سیلیس، زئولیت و …، نمونه‌‌هایی از این رویکرد می‌ باشد.
در مجموع، در کوتاه‌ مدت، دو راهبرد اصلی جهت کاهش کربن‌ دی‌ اکسید انتشار یافته را می‌ توان کاهش کلینکر در محصول نهایی سیمان با استفاده حداکثری از افزودنی‌‌های معدنی و هم‌ چنین، استفاده از سیمان‌‌های آمیخته در تولید بتن دانست. در میان افزودنی‌‌های معدنی، خاکستر بادی بهترین پتانسیل را در خصوص کاهش انتشار گازهای گلخانه‌‌ای نشان داده است. بر اساس کارهای جارن، برآورد شده است که طی ۲۰ سال آینده، خاکستر بادی با فاصله، قوی‌‌ترین ابزار جهت توسعه پایدار صنعت بتن می‌ باشد.