التحكم في تآكل حديد التسليح في الخرسانة

ما هو تآكل حديد التسليح في الخرسانة؟

هناك ثلاثة مكونات أساسية ضرورية للتآكل في الخرسانة المسلحة. ومن هذه المكونات ما يلي: الفولاذ والماء والأكسجين. القضاء على أي من هذه سيمنع التفاعل الكيميائي والأضرار التي تحدث بسبب التآكل. هذا هو السبب في عدم وجود تآكل في الخرسانة الجافة وأيضًا سبب تآكل الخرسانة المغمورة بالكامل في الماء. بشكل عام، الخرسانة هي مضيف رائع لحديد التسليح. نظرًا للقلوية العالية للخرسانة، يتم تخميل قضبان التسليح الفولاذية بواسطة فيلم أكسيد الحديد (Fe2O3) الذي يوفّر طبقة واقية للفولاذ.

في هذه الحالة، توفّر الخرسانة عادةً لحديد التسليح الحماية من التآكل. ومع ذلك، أثناء التصلّب، تُطوِّر الخرسانة مسام دقيقة تصبح مصدرًا محتملاً لدخول العوامل المسببة للتآكل إلى الخرسانة. هذه العوامل المسببة للتآكل، التي تدخل في الخرسانة عبر الفراغات، تؤدي إلى تكسير طبقة الحماية السلبية حول الخرسانة. وبدون أكسيد الحديد السلبي الذي يحمي قضيب الفولاذ، يمكن أن يبدأ التآكل بمعدّل أعلى بكثير.

يمكن أن تتدهور الطبقة السلبية بمرور الوقت بسبب ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي (CO2)، والذي من خلال عملية تسمّى الكربنة، يخفض درجة الحموضة في الخرسانة حتى تصبح الطبقة السلبية غير مستقرة. كما يمكن أيضًا تكسير الطبقة السلبية بسرعة بواسطة المواد الكيميائية العدوانية، مثل الكلوريد، الموجودة في البيئات الساحلية أو المستخدمة في إزالة الجليد من المواد الكيميائية. بمجرد أن يتم اختراق الطبقة السلبية، يتآكل حديد التسليح عند وجود الرطوبة والأكسجين على سطح الفولاذ.

للظروف المناخية للمنطقة تأثير كبير على معدّل التآكل. في الظروف المناخية القاسية في المناطق الساحلية، سيكون معدّل التآكل مرتفعًا. على سبيل المثال، يتمتّع ساحل الخليج ببيئة شديدة العدوانية، تتميز بارتفاع درجة الحرارة المحيطة وظروف الرطوبة وملوحة الأرض الشديدة مع مستويات عالية من الكلوريدات والكبريتات في المياه الجوفية. ومن العوامل الأخرى التي تسرّع معدّل التآكل رداءة جودة مواد البناء، وخاصة الركام، ووجود تركيزات عالية من أملاح الكبريتات في بيئة الخدمة.

ما الذي يسبب تآكل قضبان التسليح في الخرسانة؟

توفر الخرسانة بيئة حماية مثالية لِلحديد من التآكل. بسبب القلوية الأولية العالية، يتم تشكيل طبقة رقيقة للغاية من أكسيد الحديديك (Fe2O3) تلقائيًا على سطح الفولاذ. على الرغم من أن هذه الطبقة رقيقة للغاية، إلّا أنها تحمي الفولاذ بشكل فعّال من التآكل. لكن للأسف هذه الطبقة فعّالة طالما بقيت الطبقة المحيطة بها قلوية. لذلك، إذا تمكنّا من الحفاظ على البيئة قلوية، فيمكن منع تآكل الفولاذ بشكل فعّال ويمكن ضمان متانة الهيكل. يمكن الحفاظ على الوسط القلوي لفترة أطول من خلال جعل الخرسانة غير منفذة.

التآكل هو عملية كهروكيميائية يتحوّل فيها أحد أجزاء الفولاذ إلى أنود (anode) والجزء الآخر كاثود (cathode). لحسن الحظ، لا يمكن أن يبدأ تفاعل الأنود حتى يتم تدمير فيلم أكسيد الحديديك السلبي بواسطة الوسط الحمضي أو يصبح منفذاً بفعل أيونات الكلوريد. وبالمثل لا يمكن أن يبدأ تفاعل الكاثود حتى يتوفر الإمداد الكافي من الأكسجين والماء على سطح الفولاذ. لذلك، يمكن الاستنتاج أنه يمكن منع تآكل الفولاذ إذا كانت الخرسانة غير منفذة بما يكفي لإبقاء الهواء والماء والعوامل الأُخرى بعيدة عن متناولها.

لماذا يعد التحكم في التآكل في قضبان التسليح (حديد التسليح) في الخرسانة ضروريًا؟

يُعَد التحكّم في تآكل حديد التسليح ضروريًا لمنع تلف الهياكل الخرسانية وفشلها. ما يقرب من 40% من فشل الهياكل الخرسانية يرجع إلى تآكل حديد التسليح المدمج. يمكن أن يكون هناك العديد من الأسباب لتآكل التعزيز، ولكن في الغالب يتعلّق بجودة الخرسانة والبيئة وجودة ممارسات البناء. لذلك، فإنّ الخطوة الأولى في التحكّم في تآكل حديد التسليح هي توفير نوعية جيدة من الخرسانة من خلال ممارسات البناء الجيدة.

يمكن أن تساعد جودة المواد الخرسانية والخلط والوضع والضغط والتصنيع الجيد في التحكّم في تآكل حديد التسليح. على الرغم من أن مراقبة الجودة في البناء الخرساني قد تقلّل من فرص التآكل، إلّا أن هناك طرقًا مختلفة يمكن من خلالها التحكّم في تآكل قضبان التسليح.

طُرق التحكّم في تآكل التسليح في الخرسانة:

1- حديد التسليح المطلي بمركّب الأسمنت والبوليمر (CPCC):

تُحاط قضبان التسليح المطلية بالبوليمر الأسمنت والمدمجة في الخرسانة بوسط قلوي، وبالتالي فإنّ الطلاء القائم على الأسمنت أكثر توافقًا للتحكّم في تآكل التسليح. يتم تطبيق طبقتين من بوليمر الأسمنت على حديد التسليح، طبقة أولية وطبقة مانعة للتسرب. المنتجات المشاركة في حديد التسليح المطلي بالبوليمر الأسمنتي هي:

1. محلول إزالة الصدأ.
   
2. مسحوق قلوي.
   
3. جيلي الفوسفات.
   
4. محلول المانع.
   
5. محلول الختم.
   

جدول عملية حديد التسليح المطلي بِالبوليمر الأسمنتي:

تتمثّل الطريقة الكامنة وراء تطوير هذا النظام في أن المعدن الأساسي لحديد التسليح يحتوي على إلكترونات (pi) التي يتم إطلاقها بسهولة في بيئة تآكل تؤدي إلى أكسدة الحديد وبالتالي تكوين أكسيد الحديد الصدأ كرادع رئيسي. من أجل منع هذه الأكسدة، يتم توفير طلاء للسطح قادر على التفاعل وإبطال الإلكترونات المحررة. مزيد من الإجهاد المُسبق وتقوية الحديد، في الخرسانة أثناء فترة الخدمة، يتعرّض لبيئة قلوية وهذا يتطلّب إدخال طبقة علوية يجب أن تكون متوافقة مع بيئة التمهيدي والقلوية.

2- حديد التسليح المطلي بالإيبوكسي المنصهر (FBEC):

يتم إنتاج حديد التسليح المطلي بالإيبوكسي المرتبط بالانصهار من جزيئات مسحوق مصهورة صلبة بنسبة 100%. تذوب هذه الجسيمات لتشكّل قضيبًا ملتصقًا مستمرًا عند تسخينها. لا يوجد قضيب تمهيدي خامل في حالة حديد التسليح المطلي بالإيبوكسي المنصهر. يقدم طلاء الايبوكسي المرتبط بالانصهار وسط ضعف في مسار الرابطة الحميمة بين حديد التسليح والخرسانة القلوية.

جدول عملية الانصهار المطلي بالإيبوكسي:

كشفت التحقيقات المكثّفة التي أجريت على 40 جسرًا في فلوريدا كي بالولايات المتحدة الأمريكية أن التفكّك يمكن أن يحدث بسهولة في حديد التسليح المطلي بالإيبوكسي المنصهر الذي يفتقر إلى طبقة التخميل من أكسيد الحديدوز (II) وهو مقدمة للتآكل. يفرض معامل التمدد الحراري العالي للإيبوكسيات المرتبطة بالانصهار ضغوطًا حرارية كبيرة في طلاء الإيبوكسي ممّا يؤدي إلى فشلها المبكّر.

3- حديد التسليح المشوه المقاوم للتآكل (CRSD):

تبدأ آلية مقاومة التآكل بتكوين طبقة أولية من الأكسيد الواقي أو الصدأ. (أكاسيد Hypo). على عكس الصدأ الشائع على قضبان التسليح العادية، فإنّ حديد التسليح المشوه المقاوم للتآكل سلبي وعنيدة ومتجدد ذاتيًا. الأكسيد الواقي ذو نسيج ناعم ولصق بإحكام وحاجز للرطوبة والأكسجين وثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت والكلوريد ممّا يمنع بشكل فعال المزيد من التآكل.

المقياس على القضبان العادية من الفولاذ عبارة عن أكسيد قشاري ذو نسيج خشن لا يمنع الرطوبة أو الأكسجين من الوصول إلى القضبان الأساسية واستمرار التآكل. نظرًا لوجود مقاومة للتآكل في كيمياء الصف، إذا تمت إزالة طبقة الأكسيد المنفعل بطريقة ما، يتم تشكيل طبقة سلبية جديدة على الفور.