علل و مکانیزم خرابی سازه¬های بتنی در محیط دریایی و بنادر

علل و مکانیزم خرابی سازه­های بتنی در محیط دریایی و بنادر

 Causes and Mechanisms of Deterioration of Concrete Structures in Marine Environments

 

 بررسی تاریخچه اجرای بتن در آب دریا نمایانگر حضور بسیاری از عوامل فیزیکی و شیمیایی مخرب در محیط دریایی است بطوریکه سازه­های بتنی در محیط دریایی در معرض یکی از مخرب­ترین محیط­های طبیعی در جهان قرارگرفته­اند.

باید توجه داشت که دسته­بندی عوامل تخریب بتن در گروههای کاملاً مجزا از هم دارای محدودیت­هایی می­باشد. آنالیز شکست بتنی که حالت تخریب پیشرفته­ای دارد، عموماً نمایانگر رفتار تداخلی و پیچیده عوامل فیزیکی و شیمیایی وابسته به هم بوده و متقابلاً یکدیگر را تشدید می­نمایند. به عنوان مثال انبساط و ترک­های ریز میکرونی ناشی از تاثیر فیزیکی فشار ایجاد شده در اثر کریستاله شدن نمک­ در یک بتن نفوذپذیر، باعث افزایش نفوذ­پذیری شده و زمینه را برای اندرکنش شیمیایی زیان­آور بین آب دریا و محصولات هیدراتاسیون سیمان فراهم می­نماید.

همچنین تجزیه شیمیایی و شستشوی اجزا تشکیل­دهنده خمیر سیمان هیدراته شده، موجب اثرات فیزیکی زیان­آور مانند افزایش تخلخل و در نتیجه افت مقاومت می­شود.

به هرحال، تقسیم­بندی مراحل خرابی بتن به فیزیکی و شیمیایی، مطابق آنچه در اشکال 1 و 2 آمده­است هدف خاصی را دنبال می­نماید. این نوع دسته­بندی بررسی پدیده­های متفاوت موجود درک علل و عوامل و در نتیجه کنترل آنها را ساده­تر می­نماید. ولی در بررسی­های کارگاهی، نادیده گرفتن تاثیرات متقابل عوامل فیزیکی و شیمیایی کار اشتباهی است خصوصاً وقتی مسئله پیش­بینی عمر مفید سازه­ بتنی در شرایط مخرب مد نظر باشد.

به­نظر می­رسد که مراحل مختلف تخریب فیزیکی و شیمیایی بتن ناشی از آب دریا بصورت ترک­خوردگی یا افت جرم آن خود را ظاهر می­سازند. گرچه چندین پدیده مختلف وجود دارند که قادر به ایجاد ترک در بتن هستند ولی همگی آنها دارای اهمیت یکسان نیستند.

در شرایط واقعی کارگاهی، مشاهده شده است که سازه­های بتنی بیشتر در اثر ترکیب تنش­های ناشی از سیکل­های گرم و سرد شدن، تر و خشک شدن، یخ­زدن و آب شدن و خوردگی میلگردهای فولادی تخریب می­شوند. در سازه­های بتن مسلح، پدیده الکتروشیمیایی خوردگی میلگردها تقریباً همیشه با ترک­خوردگی و فروریختن پوشش بتنی همراه می­باشد. در محیط‌های دریایی، یون کلر (Cl⁻) به عنوان مهم‌ترین عامل آغازگر خوردگی آرماتورهای فولادی شناخته می‌شود. این یون بدون آن‌که باعث تخریب مستقیم خمیر سیمان شود، به‌صورت تدریجی در منافذ و ترک‌های سطح بتن نفوذ کرده و پس از رسیدن به میلگرد، لایه پسیو محافظ تشکیل‌شده بر سطح فولاد را تخریب می‌نماید. با از بین رفتن این لایه، فرایند خوردگی الکتروشیمیایی فولاد آغاز شده و محصولات خوردگی که حجمی بیش از فولاد اولیه دارند، باعث افزایش تنش داخلی، ترک‌خوردگی و جداشدگی پوشش بتنی می‌شوند. این پدیده به‌ویژه در ناحیه تر و خشک شدن سازه‌های دریایی که میزان تبادل یون کلر بالاتر است، شدیدتر بوده و می‌تواند به کاهش عمر مفید سازه منجر گردد.

سازه­های موجود در آب و هوای سرد نیز ممکن است در زمستان در معرض سیکل­های متعدد یخ­زدن و ذوب­شدن واقع شوند و در چنین شرایطی، بتن­های دارای میزان هوای ناکافی، معمولاً دچار انبساط و ترک می­شوند. در مناطق گرم و خشک، بتن واقع در ناحیه تر و خشک شدن به واسطه سیکل­های تر و خشک شدن بعلاوه گرم و سرد شدن ممکن است ترک بخورد. بسیاری از سازه­های بتنی که قبل از سال 1930 ساخته­شده­اند، احتمالاً با مخلوط­های بتن نسبتاً نفوذپذیر ساخته شده­ و بنابراین مستعد انواع خرابی­های شیمیایی در آب دریا از جمله حمله سولفات منیزیم، حمله دی اکسید کربن (CO2) و انبساط ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه­ها هستند. باید یادآور شد که تجزیه شیمیایی خمیر سیمان هیدراته شده در اثر حمله سولفات منیزیم و دی­اکسید کربن باعث کاهش مقاومت شده و منجربه کاهش جرم در اثر سایش بتن توسط امواج دریا خواهد گردید. سازه­های دریایی جدید، از قبیل سکو­های بتنی دریای شمال، در مقایسه با بتن­های نسبتاً نفوذناپذیر ساخته­شده­اند و بنابراین درمقایسه با سازه­های قدیمی در مقابل حملات شیمیایی آسیب­پذیری کمتری دارند.

مکانیزم­های اساسی برخی از پدیده­های مضر که پیشتر به آنها اشاره گردید، به ترتیب اهمیت در ارتباط با دوام بتن در مقالات بعدی مورد بحث قرار خواهد گرفت.

شکل 2. انواع واکنش­های شیمیایی موثر بر خرابی بتن

شکل 3. مراحل فیزیکی و شیمیایی موثر در خرابی عضو بتن مسلح در معرض آب دریا