خوردگی میلگرد فولادی در بتن

خوردگی میلگرد فولادی در بتن مسلح یکی از مهمترین مسائل دوام در طول عمر سازه می باشد. در این مقاله، تحقیقی برای یافتن رابطه بین میزان خوردگی بتن مسلح و حداکثر دامنه مثبت GPR انجام شده است. خوردگی تسریع شده در آزمایشگاه با تحت تأثیر قرار دادن جریان مستقیم به میلگرد فولادی که در محلول آب نمک 5 درصد غوطه ور شده بود، شبیه سازی شد. میزان خوردگی در میلگردها با سطوح مختلف از دست دادن جرم از 0٪ تا 45٪ متفاوت بود. سپس میلگردهای خورده شده در سه مخزن مختلف امولسیونی روغن با خواص دی الکتریک متفاوت مشابه بتن قرار داده شدند. حداکثر دامنه از میله های خورده ثبت شد. یک رابطه خطی بین حداکثر دامنه های مثبت و میزان خوردگی بر حسب درصد کاهش سطح مشاهده شد. پیشنهاد شد که رابطه بین حداکثر دامنه GPR و مقدار خوردگی را می توان به عنوان پایه یک تکنیک NDE برای تخمین کمی خوردگی استفاده کرد.

1. معرفی

رادار نفوذی زمین (GPR) به طور گسترده در چندین نوع ارزیابی غیرمخرب بتن، مانند تشخیص و مکان یابی میلگرد، یافتن ضخامت بتن، و تشخیص حفره ها و ترک ها استفاده شده است. GPR همچنین با موفقیت زیادی برای ترسیم خرابی در عرشه پل استفاده شده است. خوردگی میلگرد یکی از دلایل اصلی فرسودگی بتن مسلح است. در طول خوردگی، محصولات حاصل روی میلگرد فولادی آندی جمع می شوند. اگر ترک وجود داشته باشد یا بتن بسیار متخلخل باشد، مواد خوردگی در اطراف میلگرد پخش می شود. بنابراین خاصیت بتن اطراف میلگرد تغییر می کند و قطر موثر میلگرد کاهش می یابد. هنگامی که بتن در اطراف میلگرد بسیار متراکم است، محصول خوردگی در اطراف میلگرد جمع می شود اما نمی تواند در اطراف میلگرد به داخل بتن پراکنده شود. دلیل آن این است که بتن با مقاومت بالا بسیار متراکم است. بنابراین، نفوذپذیری بسیار کم است. از آنجایی که مواد خوردگی را نمی توان در اطراف میلگرد در سنگدانه ها پخش کرد، روی سطح میلگرد باقی می ماند.

این تجمع تجمعی محصول خوردگی فشار بالایی ایجاد می کند. این فشار در بتن با مقاومت بالا بیشتر از بتن کم مقاومت است. بنابراین بتن با مقاومت بالا زودتر از بتن کم مقاومت ترک می خورد. ASTM C876 Half Cell Potential یک روش پرکاربرد برای تخمین کیفی فعالیت خوردگی است. در گذشته، از داده های GPR برای پیش بینی خرابی ناشی از خوردگی میلگرد استفاده می شد. روش‌های تجربی شامل GPR برای تشخیص وجود خوردگی میلگرد نیز گزارش شده‌اند، که در آن یک آزمایش خوردگی تسریع‌شده بر روی میلگرد تعبیه‌شده در بتن در یک محیط آزمایشگاهی انجام شد. پاسخ امواج GPR در سه سطح مختلف خوردگی، آلودگی NaCl بتن، غیر فعال شدن میلگرد و شروع خوردگی میلگرد مورد بررسی قرار گرفت. مطالعه دیگری در مورد خوردگی تسریع شده انجام شد که در آن دامنه پیک به اوج موج مستقیم (DW) و موج بازتابیده (RW) به عنوان پارامترهای GPR در نظر گرفته شد. این مطالعات موجود در مورد استفاده از GPR برای بررسی خوردگی میلگرد به تشخیص یا ارزیابی کیفی خوردگی پرداخته است. یک رویکرد کمی غیر مخرب برای تخمین خوردگی میلگرد در بتن موجود، به ویژه در تحقیقات پزشکی قانونی بسیار مفید خواهد بود. این امکان تعیین میزان خوردگی میلگرد در سازه های بتنی موجود را فراهم می کند و در نتیجه تاثیر کاهش اندازه میلگرد را بر مقاومت، شکل پذیری و قابلیت سرویس دهی اعضا تخمین می زند. در صورت نیاز و امکان پذیر می توان نسبت به بازسازی و مقاوم سازی سازه های فرسوده اقدام کرد. GPR می تواند به طور غیرمخرب سازه های بتنی موجود، به ویژه سطوح کشیده صاف (مانند دال ها، عرشه ها و روسازی ها) را با سرعت بسیار سریع اسکن کند.

جفت کردن این روش اسکن سریع با روش کمی تشخیص خوردگی میلگرد، تلاشی نوآورانه و سود قابل توجه برای طرف های مختلف مرتبط خواهد بود. تحقیقات موجود در مورد پایش خوردگی با GPR به تأثیر تغییر خواص الکترومغناطیسی بتن در سطوح مختلف خوردگی پرداخته نشده است. تغییر این است که خاصیت بتن در سطوح مختلف خوردگی نتیجه تغییر گذر دهی و رسانایی بتن به دلیل وجود عوامل خوردگی و محصولات خوردگی در ریزساختار بتن اطراف میلگرد است. در مطالعه گزارش شده در اینجا، رویکرد شبیه سازی میلگردهای فولادی خورده در بتن در یک محیط آزمایشی انجام شد. از پاسخ GPR میلگردهای فولادی خورده شده شبیه سازی شده آزمایشگاهی، مبنایی برای تخمین مقدار کمی خوردگی میلگرد ایجاد شد. روش های موجود در بالا بر تعیین مراحل کیفی خوردگی متمرکز بودند. در این مطالعه نشان داده شده است که از دست دادن فیزیکی سطح میلگرد در اثر خوردگی می تواند با تغییرات پاسخ GPR ارتباط کمی داشته باشد .

2. راه اندازی آزمایشی

یک مخزن خوردگی برای انجام خوردگی تسریع شده سه میلگرد به قطر 16 میلی‌متر آماده شد. مخزن با محلول 5% کلرید سدیم، از نمک معمولی و آب لوله کشی پر شد. میلگردهای 300 میلی متری در محلول غوطه ور شدند تا به عنوان آند یک سلول الکتروشیمیایی عمل کنند. چند میلگرد اضافی نیز در محلول آب نمک غوطه ور شدند تا به عنوان کاتد عمل کنند. این سه میلگرد به صورت سری به هم متصل شدند و اطمینان حاصل شد که اولین میلگرد از سه میلگرد بیشترین جریان الکتریکی را جذب می کند. انتظار می رفت که این امر بیشترین میزان تلفات جرمی را در میلگرد اول ایجاد کند. دو میلگرد دیگر، همانطور که در اتصال سری به هم وصل شده بودند، جریان الکتریکی کمتری دریافت می‌کردند و در نتیجه میزان خوردگی کمتری ایجاد می‌شد. این رویکرد منجر به مقادیر مختلفی از خوردگی در سه میلگرد در صورت نیاز برای آزمایش شد. یک منبع جریان DC 15 ولتی برای تامین جریان الکتریکی به سلول الکتروشیمیایی از طریق آندها و کاتدها استفاده شد. محصولات خوردگی حاصل را می توان شناور روی محلول آب نمک مشاهده کرد.

پس از سه روز عبور جریان الکتریکی مداوم از سلول الکتروشیمیایی، فرآیند متوقف شد و میلگردهای آند از محلول خارج و کاملاً تمیز شدند. برای تعیین میزان کاهش وزن ناشی از خوردگی، میلگردها توزین شدند. برخی از قطعات میلگردها خارج از مخزن محلول بوده و دچار خوردگی نشدند و در محاسبه کاهش وزن حذف شدند. فرض بر این بود که کاهش وزن ناشی از خوردگی به طور یکنواخت در طول خورده شده میلگرد رخ می دهد. شکل 2 سه میلگرد با مقادیر مختلف خوردگی را نشان می دهد. یک میلگرد خورده نشده در سمت چپ برای مقایسه نشان داده شده است. تلفات خوردگی برای مناطق میلگرد بین 0 تا 45 درصد بود. خوردگی فعال می تواند قطر میلگرد را تا 0.0039 اینچ (0.1 میلی متر) در سال کاهش دهد . بنابراین، محدوده خوردگی میلگرد مورد مطالعه در اینجا برای سازه های بتنی کاربردی است.

خوردگی میلگرد فولادی در بتن

3. نظریه و مفروضات اساسی

در فرآیند خوردگی الکتروشیمیایی میلگردهای فولادی تعبیه شده در بتن، یون های آهن میلگرد از طریق حضور یون های کلرید که یک عامل اکسید کننده بسیار قوی است، به اکسید آهن یا زنگ زدگی تبدیل می شود. این محصولات خوردگی در اطراف میلگرد انباشته می شوند و با ادامه روند خوردگی، ناحیه هسته موثر میلگرد کوچکتر می شود. محصولات خوردگی بتن را در مجاورت میلگرد آلوده می کند. این آلودگی باعث افزایش گذردهی دی الکتریک و همچنین هدایت الکتریکی بتن می شود. در طول اسکن GPR از یک میلگرد خورده، موج الکترومغناطیسی GPR از بتن آلوده به زنگ زدگی به سمت میلگرد حرکت می کند. اما موج رادار باید از طریق محصول خوردگی نفوذ کند تا به سطح هسته نخورده میلگرد برخورد کند و سپس به سمت گیرنده آنتن GPR منعکس شود. ثابت دی الکتریک اکسید آهن بیشتر از بتن است [9]. فولاد یک هادی بسیار خوب است و تقریباً به طور کامل موج فرودی GPR را منعکس می کند. قدرت موج انعکاس از سطح مشترک دو ماده مختلف به کنتراست ثابت دی الکتریک دو محیط بستگی دارد. اگر کنتراست بالا باشد، بیشتر موج فرودی منعکس می شود و بخش کوچکی از موج از رابط عبور می کند.

اگر کنتراست دی الکتریک کم باشد، بخش کوچکی از موج فرودی منعکس می شود و بیشتر آن از طریق رابط به محیط دوم منتقل می شود. در این مطالعه فرض می‌کنیم که بتن به شدت خورده شده و محصولات خوردگی از طریق ترک‌ها و منافذ بین‌بافتی در اطراف میلگرد پراکنده شده‌اند. ثابت دی الکتریک اکسید آهن 14 است که کمی بیشتر از ثابت دی الکتریک بتن است. این تفاوت نزدیک نشان می دهد که یک موج راداری می تواند از طریق بتن آلوده به خوردگی و زنگ نفوذ کند و در نهایت از سطح هسته میلگرد خورده نشده منعکس شود. بنابراین، فرض می شود که موج GPR می تواند از محصولات خوردگی عبور کند. محیط تغییر یافته در مجاورت میلگرد خورده شده را می توان با GPR کنترل کرد. نمودار شماتیک اسکن GPR یک میلگرد خورده در بتن در شکل 3 نشان داده شده است. ثابت دی الکتریک بتن بین آنتن GPR و هسته نخورده میلگرد به دلیل آلودگی بتن توسط عوامل خوردگی خارجی و داخلی افزایش می یابد. توسعه محصولات خوردگی کاهش سطح میلگرد و افزایش ثابت دی الکتریک بتن آلوده به زنگ دو عامل عمده ای است که می تواند پاسخ GPR را از میلگرد خورده و میلگرد خورده نشده متمایز کند.

در مطالعه گزارش شده در اینجا انتظار می رفت که افزایش ثابت دی الکتریک و کاهش اندازه میلگرد منجر به کاهش حداکثر دامنه موج راداری برگشتی از میلگرد شود. شایان ذکر است که محصولات و عوامل خوردگی نه تنها ثابت دی الکتریک کلی بتن را افزایش می دهند، بلکه رسانایی الکتریکی بتن را نیز افزایش می دهند که عامل مهمی برای تضعیف سیگنال GPR است. در این مطالعه تنها به اثر تغییر ثابت دی الکتریک پرداخته شده است. محصول خوردگی اکسید آهن مردانه است و ممکن است بر قسمت مغناطیسی موج الکترومغناطیسی تأثیر بگذارد. این اثر نیز در این مطالعه در نظر گرفته نشده است.

4. اسکن GPR

با توجه به دانش تحقیقاتی موجود، امولسیون های روغن آب را می توان به عنوان جایگزین بتن در تحقیقات ژئوفیزیکی با استفاده از GPR استفاده کرد. این امولسیون را می توان با نسبت مناسب آب و روغن برای مطابقت با ثابت دی الکتریک بتن ساخت. در این مطالعه، سه مخزن مختلف امولسیونی روغن آب برای شبیه سازی ثابت دی الکتریک بتن برای تعبیه میلگردهای خورده شده در این محلول ها تهیه شد. سدیم لوریل سولفات به عنوان یک عامل امولسیون کننده برای اطمینان از مخلوط مناسب روغن و آب در امولسیون استفاده شد. ثابت دی الکتریک شبیه سازی شده سه مخزن با استفاده از زمان سفر دو طرفه (TWTT) اسکن GPR با قرار دادن یک صفحه فولادی در زیر مخزن به صورت 2.73، 5.47 و 9.3 اندازه گیری شد. این مقادیر در محدوده ثابت دی الکتریک اکثر بتن قرار می گیرند. GPR به دلیل ثابت دی الکتریک بسیار بالای آب به وجود رطوبت بسیار حساس است. ثابت دی الکتریک بتن عمدتاً به وجود رطوبت در فضاهای بین بافتی بتن بستگی دارد.

بتن بسیار خشک دارای ثابت دی الکتریک پایین است و بتن تازه یا بتن با رطوبت بالا مقدار ثابت دی الکتریک را نشان می دهد. سیستمی برای آویزان کردن میلگردها در عمق خاص در مخازن امولسیون آب نفت طراحی و ساخته شد. چیدمان آویزان میلگرد پوشش پلکسی گلاس را بر روی امولسیون نگه می داشت، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. یک پوشش نازک پلکسی گلاس روی مخزن امولسیون قرار داده شد تا حرکت آنتن را بر روی سطح مایع تسهیل کند. خاصیت دی الکتریک پلکسی مشابه روغن به کار رفته در امولسیون است. بنابراین موج GPR تحت تاثیر لایه پلکسی گلاس در بالای امولسیون فرض می شود. شکل 5 مقایسه بین داده های GPR جمع آوری شده از مخزن امولسیون روغن و یک تیر بتنی واقعی را نشان می دهد. از شکل 5 واضح است که B-Scan و A-Scan از هر دو منبع سازگار هستند.

هر میلگرد خورده شده در هر مخزن امولسیونی در سه عمق مختلف 1 اینچ (25 میلی متر)، 2 اینچ (50 میلی متر) و 3 اینچ (75 میلی متر) قرار داده شد. قرار دادن میلگردهای خورده شده در مخازن امولسیونی با ثابت دی الکتریک شناخته شده مشابه یک میلگرد خورده واقعی در بتن بود. تجهیزات GPR شامل یک مولد امواج رادار مرکزی، یک چرخ دستی با پایه آنتن و چرخ های کالیبره شده و یک آنتن با فرکانس بالا است. اسکن GPR را می توان انجام داد و نتایج اسکن را می توان در زمان واقعی مشاهده کرد. آنتن GPR از نوع 2.6 گیگاهرتز جفت شده با زمین بود که یکی از بالاترین فرکانس ها را در بین آنتن های تجاری GPR در دسترس دارد. طول موج آنتن در فضای آزاد 1.8 اینچ (46 اینچ) است. B-Scans (اسکن های GPR دو بعدی) یا رادارگرام برای هر میلگرد برای مخازن مختلف و اعماق مختلف در هر مخزن ثبت شد. برای هر میلگرد، 9 مجموعه داده جمع آوری شد که در آن 3 مجموعه از هر مخزن در سه عمق پوشش مختلف جمع آوری شد. همچنین داده ها برای میلگردهای خورده نشده جمع آوری شد تا با میلگردهای خورده مقایسه شود. B-Scans برای اصلاح به نرم افزار پس پردازش GPR منتقل شدند. در طول پس پردازش، فیلتر حذف پس‌زمینه اعمال شد و حداکثر دامنه‌ها از میلگردها و TWTT ثبت شد.

5. نتایج و بحث

دو پارامتر GPR برای ارتباط با میزان خوردگی میلگرد انتخاب شدند. آنها زمان سفر دو طرفه (TWTT) از میلگرد و حداکثر دامنه بازتابی مثبت از میلگرد هستند. زمان سفر دو طرفه در برابر عمق میلگرد در مخازن خوردگی ترسیم شد، همانطور که در شکل 6 مشاهده می شود. ممکن است مشاهده شود که TWTT با افزایش نرخ خوردگی در حال افزایش است. کاهش قطر میلگرد به دلیل خوردگی مسیر سفر طولانی تری را برای سیگنال GPR ایجاد کرد و مسافت اضافی طی شده در افزایش TWTT منعکس شد. شکل 6 نشان می دهد که TWTT با افزایش عمق پوشش افزایش می یابد. رفتار مشابهی در هر سه تانک مشاهده شد. با این حال، TWTT برای عمق پوشش خاص و خوردگی میلگرد با افزایش ثابت دی الکتریک افزایش می یابد.

مشاهده شده است که حداکثر دامنه با افزایش تلفات سطح میلگرد به دلیل خوردگی در هر سه مخزن با ثابت های دی الکتریک متغیر و برای تمام اعماق پوشش کاهش می یابد. به منظور توسعه مدل‌های پیش‌بینی‌کننده برای برآورد خوردگی میلگرد، معادلات رگرسیون برای خطوط روند مناسب (نشان داده شده در شکل 6) در اینجا ایجاد شد. بهترین معادلات برازش و ضرایب همبستگی مربوطه در جدول 2 ارائه شده است. ضرایب همبستگی بسیار بالا هستند و از 0.85 تا 0.99 متغیر هستند، که نشان دهنده سطوح بالای دقت مدل های خوردگی است. همچنین مشاهده می شود که رابطه بین حداکثر دامنه GPR از میلگردهای خورده شده و میزان خوردگی تقریباً خطی است. به این معنی که تغییرات در سیگنال GPR به دلیل خوردگی در اعماق پایین تر برجسته تر است. مدل های جدول 2 نشان می دهد که اگر ثابت دی الکتریک و پوشش بتنی مشخص باشد، بین حداکثر دامنه مثبت و مقدار خوردگی رابطه وجود دارد.

6. نتیجه گیری

در این مطالعه، تغییر پاسخ GPR در محدوده ای از حالت های خوردگی میلگرد فولادی تعبیه شده در بتن مورد بررسی قرار گرفت. اثر ثابت دی الکتریک بتن بر پاسخ GPR نیز مورد بررسی قرار گرفت. میلگردها در محیطی شتاب خورده خورده شدند و از روش شبیه سازی خوردگی در آزمایشگاه با استفاده از مخزن امولسیون آب روغن استفاده شد. میلگردهای خورده شده با آنتن متصل به زمین 2.6 گیگاهرتز اسکن شدند. فرض بر این است که فرآیند خوردگی باعث کاهش قطر میلگرد و افزایش ثابت دی الکتریک بتن می شود. همچنین فرض می شود که موج GPR از طریق محصولات خوردگی اطراف میلگرد نفوذ کرده و از هسته خورده نشده میلگرد فولادی منعکس می شود. نتایج زیر ممکن است بر اساس نتایج گزارش شده در اینجا حاصل شود:

• موضوع تخمین کمی خوردگی غیر مخرب میلگرد فولادی در سازه های بتنی در اینجا مطرح شده است. این روش بر اساس اسکن GPR سطوح بتنی موجود با خوردگی شدید با میلگردهای فولادی تعبیه شده است. اسکن GPR یک تکنیک سریع و کار دوستانه است که ممکن است به راحتی و به صرفه برای تخمین سطوح خوردگی در میلگردها بدون آسیب بتن مورد استفاده قرار گیرد. این مطالعه فقط شامل ارزیابی میلگردهای تعبیه شده 16 میلی متری بود. با این حال، این مطالعه را می توان به سایر اندازه های میلگرد نیز از طریق توسعه مدل های خوردگی مناسب گسترش داد.
• ثابت های دی الکتریک به کار رفته در اینجا (2.73 تا 9.3) با استفاده از مخازن امولسیونی، عملی ترین مخلوط های بتن را نشان می دهند. ثابت دی الکتریک بتن برای یک مورد خاص باید برای استفاده از همبستگی ها برای تخمین خوردگی میلگرد شناخته شود. ثابت را می توان به راحتی از طریق اسکن GPR در ترکیب با برخی از حفاری های تحقیقی یافت. در اینجا روابط بین دامنه و خوردگی برای ثابت های دی الکتریک مختلف و پوشش های بتنی مختلف متفاوت است. برای استفاده عملی، جایی که ثابت دی الکتریک و پوشش بتنی می توانند به صورت مکانی روی سطح بتن تغییر کنند، باید یک مدل منحصر به فرد ایجاد شود که مستقل از ثابت دی الکتریک و پوشش بتنی باشد. برای مفیدتر کردن مدل، اثر تغییر هدایت الکتریکی باید در مدل دامنه در مقابل تلفات خوردگی گنجانده شود.
• زمان سفر دو طرفه امواج GPR با افزایش خوردگی میلگرد افزایش می یابد. نرخ تغییر زمان سفر دو طرفه امواج GPR در اعماق پوشش بتن کوچکتر بیشتر است. در پوشش بتنی کوچکتر، اتلاف انرژی در موج رادار کمتر است. بنابراین، زمانی که موج رادار از سطح میلگرد خورده منعکس می شود، مقدار کمی انرژی از دست می رود. این امر با دامنه زیاد از میلگرد در سطح عمق پوشش 25 میلی متری مشهود است. هنگامی که عمق پوشش بیشتر باشد، موج رادار باید مسیر طولانی تری را به سمت میلگرد و از آن به سمت آنتن طی کند. در این فرآیند، اتلاف انرژی در موج رادار زیاد است. این با قدر کم دامنه در عمق پوشش 75 میلی متری مشهود است.
• رابطه بین حداکثر دامنه های GPR از میلگردهای خورده شده و افت خوردگی میلگرد به صورت خطی مشاهده می شود. با این حال، این مطالعه تنها با چهار سطح مختلف خوردگی انجام می شود. برای تایید خطی بودن رابطه دامنه در برابر افت جرم باید نکات بیشتری در نظر گرفته شود. حداکثر دامنه با افزایش خوردگی کاهش می یابد. نرخ کاهش دامنه در پوشش های بتنی پایین بیشتر است.
• حداکثر دامنه از یک میلگرد برای یک مرحله خاص از خوردگی با افزایش ثابت دی الکتریک کاهش می یابد.
• این مطالعه تجربی می تواند به عنوان مبنایی برای تخمین کمی میزان خوردگی میلگرد بتن در مزرعه با استفاده از GPR استفاده شود. مطالعه تجربی گسترده ای بر روی نمونه های واقعی بتن با میلگرد های خورده شده برای تأیید روش تخمین خوردگی باید انجام شود.