نفوذ یون کلر در بتن

معمولا این انتظار وجود دارد که سازه های بتنی قرار گرفته در معرض شرایط جوی سخت می بایست برای چندین سال پایدار باشند. بتن با دوام با قرار گیری در معرض اثرات مخرب محیطی می تواند فرم، کیفیت و قابلیت سرویس دهی اولیه خود را حفظ کند. دوام بتن به عنوان مقاومت آن در برابر عوامل هوازدگی، حمله شیمیایی، سایش یا هر فرآیند دیگر زوال تعریف می شود. قرارگیری در بعضی از شرایط و محیط های خاص ممکن است منجر به آسیب به بتن شود و از این رو بررسی دقیق عوامل موثر در خرابی بتن در این محیط ها ضروری است.

یون‌های کلر ممکن است از طریق ترکیبات مخلوط بتن یا منابع موجود در محیط خارجی وارد بتن شوند. وجود یون های کلر در محلول منفذی بتن تهدید قابل ‌توجهی برای میلگردها و الیاف فولادی است و یکی از دلایل اصلی شروع خوردگی در سازه‌های بتن مسلح است. بخشی از کلر نفوذ کرده به مواد سیمانی می تواند به محصولات هیدراتاسیون متصل شود و از این طریق توانایی این بخش برای انتقال از بین می رود. کلر باقیمانده که اغلب به عنوان کلرید آزاد نامیده می شود، از طریق شکاف ها و شبکه منافذ به هم پیوسته به انتشار عمیق تر در ماتریس سیمان ادامه می دهد. این یون ها می‌ توانند از طریق طیف وسیعی از مکانیسم‌های انتقال، مانند انتشار، مهاجرت، جذب مویرگی (یا همرفت) و نفوذ با آرماتورهای فولادی واکنش دهند. واکنش های پیچیده فیزیکی- شیمیایی یون های کلرید با محصولات هیدراتاسیون سیمان منجر به تخریب ریزساختار بتن می گردد. چنین واکنش هایی تأثیر مستقیمی بر مقاومت فشاری و سایر ویژگی های بتن دارد. واکنش فیزیکی شامل جذب یون ها توسط کلسیم سیلیکات هیدرات (C─S─H) است که منجر به ایجاد یک ساختار متخلخل می شود. علاوه بر این، یون‌های کلرید با مواد سیمانی واکنش شیمیایی می‌دهند که منجر به تشکیل ترکیباتی مانند نمک فریدل (Friedel’s salt) و نمک کوزل (Kuzel’s salt) می شود که می تواند ظرفیت اتصال کلرید سیمان پرتلند را افزایش دهد.

با توجه به اهمیت مکانیسم نفوذ یون کلر، تا کنون انواع مختلفی از آزمایش ها برای اندازه گیری مقاومت بتن در برابر نفوذ کلر به کار گرفته شده است. نفوذ یون کلر در بتن را می‌توان با قرار دادن بتن در معرض محلول NaCl با استفاده از آزمایش‌های غوطه‌ وری (immersion) یا آب‌ گیری (ponding) و مطابق با استاندردهای ASTM C1543 یا ASTM C1556  ارزیابی کرد. از این طریق میزان انتشار یون کلر بر اساس قانون دوم فیک (Fick’s second law) برای انتشار نیمه محدود محاسبه می شود. با این حال، چنین آزمایشاتی به طور کلی بسیار زمان بر هستند. از این رو محققان و مهندسان تلاش کرده اند تا آزمایش های تسریع یافته را توسعه دهند. یک رویکرد افزایش غلظت محلول منبع کلر است. با این حال، در این رویکرد، به دلیل اثر متقابل یونی رفتار انتشار ممکن است از قانون فیک پیروی نکند. روش دیگر اعمال میدان الکتریکی خارجی برای تسریع نفوذ کلر است. این رویکرد به صورت گسترده تری اجرا شده است زیرا اندازه گیری های الکتریکی را می توان برای تخمین ضرایب انتشار در مواد متخلخل اشباع استفاده کرد.

چندین روش آزمایش تسریع شده با استفاده از یک میدان خارجی برای بررسی مهاجرت الکتریکی کلرید وجود دارد. به عنوان مثال، تست نفوذپذیری کلرید سریع (RCPT) مقاومت در برابر نفوذ یون های کلرید را تعیین می کند. تست نفوذپذیری کلرید سریع (RCPT) یک روش ارزیابی مهم در مهندسی عمران است که به طور خاص برای تعیین نفوذپذیری بتن و سایر مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرد. این آزمایش قضاوت های ارزشمندی را در مورد دوام و کیفیت سازه های بتنی ارائه می دهد.

در روش آزمایش  RCPT، نمونه های بتنی ساخته شده یا هسته های استخراج شده از سازه های موجود تحت بار الکتریکی قرار می گیرند. این فرآیند نفوذ یون های کلرید در نمونه بتنی را تحریک می کند که یکی از دلایل رایج تخریب بتن است. با اندازه گیری مقاومت الکتریکی، نفوذپذیری بتن در برابر کلرید اندازه گیری می شود. دستگاه مورد استفاده در آزمایش RCPT شامل ابزارهای تخصصی است که برای اعمال جریان الکتریکی به نمونه بتن و اندازه گیری دقیق مقاومت الکتریکی آن طراحی شده است. این دستگاه ها با دقت مهندسی طراحی شده اند تا از نتایج تست اطمینان حاصل شود.

روش انجام آزمایش:

• نمونه در خلاء اشباع می شود تا اطمینان حاصل شود که کاملاً از آب اشباع شده است.
• نمونه بین دو مخزن قرار می گیرد. یکی از مخزن ها حاوی 3.0 درصد محلول NaCl و مخزن دیگر حاوی 0.3 مولار محلول NaOH است. نمونه مورد آزمایش می بایست دارای ضخامت 50 میلی متر و قطر 90 تا 100 میلی متر باشد.
• الکترودهای واکنش ناپذیر به دو طرف نمونه متصل می شوند.
• یک ولتاژ جریان مستقیم (DC)  به میزان 60 ولت در طول نمونه برای یک مدت زمان مشخص، معمولاً 6 ساعت، اعمال می شود.
• جریان عبوری از نمونه در طول دوره آزمایش اندازه گیری می شود.
• کل بار عبوری از نمونه محاسبه می شود.
• از بار کل و سایر پارامترها، عمق نفوذ یون کلرید تعیین می شود.
• نتایج با معیارها یا استانداردهای تعیین شده برای ارزیابی مقاومت بتن در برابر نفوذ یون کلرید مقایسه می شود. مقادیر کمتر نفوذپذیری نشان دهنده دوام بهتر است.

اهمیت انجام آزمایش:

• ارزیابی دوام: نتایج RCPT به مهندسان کمک می کند تا دوام مخلوط بتن را ارزیابی کرده و پتانسیل خوردگی آرماتور تقویت کننده را پیش بینی کنند.
• کنترل کیفیت: می توان از آن به عنوان یک معیار کنترل کیفیت در طول ساخت و ساز استفاده کرد تا اطمینان حاصل شود که بتن مورد استفاده در سازه الزامات دوام مشخص شده را برآورده می کند.
• تحقیق و توسعه: محققان همچنین از RCPT برای مطالعه اثرات مواد افزودنی مختلف و تکنیک های ساخت بر دوام بتن استفاده می کنند.

توجه به این نکته مهم است که استانداردها و پروتکل های آزمایش خاص می تواند در هر سازمان یا کشور متفاوت باشد. مهندسان و تکنسین ها می بایست به استانداردهای مربوطه (مانند ASTM C1202 ) برای روش های دقیق انجام آزمایش مراجعه کنند.

یک چالش برآورد ضریب انتشار کلر از طریق داده‌های آزمایش RCPT، اثر ژول (Joule effect) است. با عبور الکتریسیته از نمونه آزمایش، دمای محلول الکترود می تواند افزایش یابد که ممکن است منجر به مقادیر جریان عبوری بیشتر شود. یک محدودیت دیگر RCPT این است که ضریب انتشار پیش بینی شده به دمای نهایی آزمایش وابسته است. تغییر دما به میزان 10 درجه سانتی گراد می تواند منجر به دو برابر شدن ضریب انتشار شود.

در پایان، در حالی که تجهیزات RCPT اطلاعات دقیق و ارزشمندی را برای ارزیابی دوام مصالح ساختمانی ارائه می دهد، با محدودیت های خاصی از جمله هزینه بالا، پیچیدگی، محدودیت های زمانی و بعضی چالش ها همراه است. مهندسان و محققان هنگام تصمیم گیری برای استفاده از RCPT در پروژه های خود می بایست مزایا و معایب این تست را در نظر بگیرند.