کربناته شدن بتن یا کربناسیون بتن نمونه‌ای از خوردگی بتن محسوب می‌شود و دلایل مختلفی برای خوردگی بتن و خوردگی فولاد در بتن وجود دارد که برخی از آنها به دلیل کوتاهی ما و برخی نیز به دلیل شرایط جوی به وجود می‌آیند. در هر صورت این پدیده هم مانند سایر روشهای خوردگی بتن باعث می‌شود که به مرور زمان استحکام سازه کاهش یافته و وضعیت نامناسبی پیدا کند. به منظور آشنایی شما با این پدیده و درک روشهای مقابله با آن، در این مطلب ابتدا سعی می کنیم که کربناته شدن بتن را به شکل دقیق و علمی معرفی کنیم؛ تأثیر آن بر استحکام سازه را مورد بررسی قرار دهیم و در نهایت تأثیر فاکتورهای مختلف بر سرعت کربناسیون بتن را نشان دهید.
کربناته شدن بتن چیست و چگونه به وجود می‌آید؟
کربناته شدن بتن (Carbonation of concrete) یکی از دلایل اصلی خوردگی فولاد موجود در بتن است که به مرور زمان بر ساختار آن تأثیر می‌گذارد. این فرآیند به یک واکنش شیمیایی و الکتروشیمیایی شبیه هست که در آن دی اکسید کربن موجود در هوا به داخل بتن نفوذ کرده و در آنجا با هیدروکسید کلسیم موجود در بتن واکنش می‌دهد. نتیجه این واکنش تولید کربنات کلسیم است که میزان قلیائیت بتن را تحت تأثیر قرار داده و باعث می‌شود که تشکیل لایه محافظ بر سطح فولاد به شکل مناسب انجام نشود.
میزان دی اکسید کربن در هوا در مناطق مختلف با یکدیگر متفاوت است و طبیعی است که میزان آن در مناطق شهری بالاتر باشد. طبق بررسی‌های صورت گرفته، میزان دی اکسید کربن در هوا در مناطق روستایی در حدود 0.03 درصد حجم هوا را تشکیل می‌دهد. این در حالی است که غلظت دی اکسید کربن در مناطق شهری به مراتب بالاتر است و بین 0.3 درصد تا 1.0 درصد متغیر است. وجود دی اکسید کربن در داخل بتن به همراه رطوبت باعث می‌شود که یک اسید کربنیک رقیق تشکیل شود که به مرور زمان قلیائیت داخل بتن را کاهش می‌دهد.
معمولاً در جریان کربناته شدن بتن می‌بینیم که قلیائیت بتن در لحظه نفوذ اسید کربنیک به داخل آن از ۱۳ تا 9 کاهش می‌یابد. اما زمانی که واکنش دی اکسید کربن با هیدروکسید کلسیم کامل می‌شود، تا 8.3 کاهش می‌یابد که برای بتن به هیچ وجه مناسب نیست. در این مقدار از pH، می‌توان انتظار داشت که لایه محافظ بر سطح فولاد داخل بتن تشکیل نشود و به مرور زمان فولاد آن در معرض خوردگی قرار گیرد.
چرا تخریب لایه محافظ در فولاد بتن اهمیت دارد؟
یکی از ویژگی‌های فولاد به عنوان آلیاژ آهن، وجود عناصر مختلف مانند کربن و کروم است. اگر درصد این عناصر افزایش یابد، فولاد مورد نظر به فولاد زنگ نزن تبدیل می‌شود که به هیچ وجه امکان زنگ زدن آن وجود ندارد. اما بحث ما، فولاد ساختمانی و میلگردهای معمولی است که معمولاً در اثر واکنش با مواد مختلف تشکیل یک لایه محافظ و نفوذ ناپذیر می دهندکه مقاومت فولاد در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد.
مهمترین فاکتوری که در تشکیل لایه محافظ فولاد نقش دارند، قلیائیت بتن است. ساختار شیمیایی سیمان و بتن به شکلی است که به هنگام استفاده و قرارگیری در محل، یک حالت قلیایی تشکیل می‌دهد که pH محیط تقریباً به ۱۳ می‌رسد. در این شرایط قلیایی، هیدروکسید موجود در محیط با فولاد واکنش داده و یک لایه سطحی از آن دچار خوردگی می‌شود. این لایه سطحی نسبت به خوردگی و زنگ زدگی معمول پایدارتر است و میزان نفوذپذیری آن پایین است. به همین دلیل تشکیل لایه محافظ باعث می‌شود که واکنش‌های مختلف از جمله کربناته شدن بتن انجام نشود و از تأثیر آن بر فولاد جلوگیری شود.
زمانی که فرایند کربناسیون بتن رخ می‌دهد، عملاً pH محیط به محدوده بسیار پایینی می‌رسد، به طوریکه تشکیل لایه محافظ امکان پذیر نیست و در صورت وجود لایه، امکان تخریب آن بالاست. به همین دلیل کربناته شدن بتن به مرور زمان بر ساختار فولاد موجود در بتن تأثیر گذاشته و باعث خوردگی آن می‌شود.
توصیه می‌کنم که مطلب مربوط به مواد اولیه به کار رفته در سیمان پرتلند را مطالعه کنید تا بیشتر با خصوصیات سیمان‌ها آشنا شویم.
تأثیر کربناسیون بتن بر استحکام سازه
با توجه به مطالبی که گفته شد، احتمالاً به این نتیجه رسیده‌اید که کربناته شدن بتن چه تاثیری بر استحکام سازه دارد. یکی از مهمترین دلایل استفاده از فولاد و میلگرد در ساخت و ساز، بالا بردن استحکام کششی بتن است که در این مورد بسیار ضعیف است. در بررسی‌های مشخصات فنی بتن به این نتیجه می‌رسیم که استحکام فشاری و ضربه‌ای آن بسیار بالاست، اما از استحکام کششی به عنوان نقطه ضعف بتن یاد می‌شود و به همین دلیل وجود فولاد و میلگرد در ساختار آن ضروری است.
از آنجایی که کربناسیون بتن به طور مستقیم بر فولاد تاثیرگذار است، به وجود آمدن نتایج زیر در مورد آن امکان پذیر است:
- خوردگی فولاد موجود در بتن و کاهش استحکام کششی سازه؛
- کاهش مقاومت سازه در برابر تکان‌های مختلف مانند زلزله؛
- پوسته پوسته شدن سطح بتن و جدا شدن آن از میلگردها؛
- تأثیر منفی بر ظاهر داخلی و خارجی سازه و عدم تعمیر آن؛
- صرف هزینه برای بازسازی فولاد و جلوگیری مجدد از خوردگی آن.
تأثیر فاکتورهای مختلف بر کربناته شدن بتن
با توجه به اطلاعاتی که در رابطه با کربناته شدن بتن به دست آوردیم و مشخص شد که تأثیر آن بر سازه‌های بتنی به چه صورت است، در اینجا لازم است که برخی از فاکتورهای تاثیر گذار بر فرایند کربناسیون بتن را معرفی کنیم و نقش آنها را در نتیجه نهایی کار نشان دهیم. از آنجایی که فرایند کربنات شدن شامل رسیدن دی اکسید کربن به بخش‌های داخلی بتن و واکنش آن با رطوبت موجود در محیط است، عوامل زیر به صورت مستقیم و غیر مستقیم در سرعت این واکنش نقش دارند:
وجود آب در حفره بتن
از لحاظ فنی و از لحاظ علمی، بتن به عنوان یک ماده متخلخل و نفوذپذیری شناخته می‌شود و به همین دلیل باید انتظار داشته باشیم که در ساختار آن رطوبت وجود داشته باشد. البته برخی شرایط می‌توانند از وجود چنین تخلخل‌هایی جلوگیری کنند و زمینه رسیدن مواد خورنده به بخش‌های داخلی را کاهش دهد. به همین دلیل نتیجه گرفته می شود که اگر از وجود رطوبت در داخل منافذ بتن جلوگیری شود، عملاً رسیدن دی اکسید کربن به بخش‌های داخلی منتفی می‌شود و امکان واکنش پذیری آن با کلسیم هیدروکسید به حداقل می‌رسد.
نوع بتن
بتن‌ها با یکدیگر متفاوت هستند و با توجه به تغییر در مواد اولیه تولید آنها، می‌توان انتظار داشت که از لحاظ چسبندگی متخلف با یکدیگر تفاوت داشته باشد. در برخی از انواع بتن از مواد افزودنی پرکننده استفاده می‌شود و ساختار یکپارچه و بدون منفذ ایجاد می‌شود. در برخی دیگر شاهد استفاده از ماسه سنگ با اندازه‌های ریز هستیم که به عنوان پوشش سطحی استفاده می‌شود و میزان نفوذ پذیری آنها کمتر است. در برخی موارد می‌بینیم که اندازه ماسه سنگ‌ها تقارن چندانی ندارند و این موضوع باعث می‌شود که بتن مورد نظر خلل و فرج زیادی داشته باشد. این تفاوت در ساختار باعث می‌شود که شرایط رسیدن دی اکسید کربن به بخش‌های داخلی بتن متفاوت باشد و تأثیر خود را بر سرعت کربناته شدن بتن بگذارند.
نفوذپذیری بتن
نفوذپذیری بتن هم تحت تأثیر وجود آب در حفره‌های بتن است هم با توجه به نوع بتن قابل تغییر است. هرچه میزان نفوذپذیری بتن بالاتر باشد، احتمال واکنش دی اکسید کربن با کلسیم هیدروکسید موجود در ساختار لایه محافظ بالاتر می‌رود و باعث می‌شود که شانس خوردگی فولاد افزایش یابد..
محافظت از بتن
روشهای محافظت از بتن ممکن است شامل استفاده از یک لایه عایق باشد یا حتی روش‌هایی برای جلوگیری از ماندگاری رطوبت در داخل ساختار آن باشد. گاهی ممکن است از یک لایه گونی و قیر معمولی برای ایجاد پوشش استفاده شود در برخی موارد از رنگ‌های پیشرفته و مدرن مانند رنگ پی وی سی برای محافظت از بتن استفاده می‌شود. در هر صورت، اگر این شیوه‌های محافظتی از رسیدن دی اکسید کربن و رطوبت به بخش‌های داخلی بتن جلوگیری کنند، می‌توان انتظار داشت که سرعت کربناته شدن بتن نیز کاهش یابد. مطلب سیمان ضد آب و اهمیت استفاده از آن می‌تواند در این مورد به شما کمک کند.
زمان
زمان یکی از فاکتورهای مهم تأثیر گذار بر طول عمر یک سازه است و در حالت معمول پیش‌بینی می‌شود که هرچه زمان ساخت یک سازه بالاتر رود، استحکام اولیه آن کاهش یابد. در مورد فرآیند کربناته شدن بتن نیز می‌توان چنین توجیحی داشت و با افزایش زمان انتظار می‌رود که میزان دی اکسید کربن بیشتری به بخش‌های داخلی بتن نفوذ کند و در نتیجه خوردگی لایه محافظ افزایش یابد.
در هر صورت مشخص است که کربناته شدن بتن یا کربناسیون بتن تأثیر مستقیمی بر استحکام سازه و خوردگی فولاد موجود در بتن دارد. بنابراین باید روشهای مختلفی برای جلوگیری از این پدیده به کار گرفته شود که برای کسب اطلاعات بیشتر در این مورد میتوانید با کارشناسان ما در تماس باشید.