خرابی بتن

بتن تخریب شده و میلگردهای زنگ زده و در معرض قرار گرفته، در پل رودخانۀ وِلَند در راه ملکه الیزابت در آبشارهای نیاگارا، انتاریو.

خرابی بتن ممکن است توسّط علل گوناگونی ایجاد شود. بتن ممکن است در اثر آتش، انبساط سنگدانه ها، تأثیرات آب دریا، خوردگی باکتریال، شسته شدن کلسیم، آسیب های فیزیکی و آسیب های شیمیایی (کربوناسیون، کلریدها، سولفات ها و جریان آب مقطّر) آسیب ببیند. آسیب دیدگی های فوق خود می توانند مسبّب تشدید در معرض بودن بتن برای خرابی های جدید باشند.

انبساط سنگدانه

الگوی ترک خوردگی رایج مربوط به واکنش سیلیسی-قلیایی که منجر به خرابی یک دیوار حفاظ در یک بزرگراه در ایالات متّحده شده است (عکس از ادارۀ فدرال بزرگراهها (وزارت ترابری ایالات متحده آمریکا).

انواع مختلفی از سنگدانه ها دستخوش واکنش هایی شیمیایی قرار می گیرند که منجر به پدیدۀ انبساط مخرّب می شود. در این بین بیشترین شیوع متعلّق به سنگدانه های حاوی سیلیس فعّال است، که می تواند با قلیای موجود در بتن (K₂O و Na₂O که عمدتاً از سیمان هستند) واکنش دهند (در حضور آب). از فعّال ترین کانی های موجود در سنگدانه ها می توان به اُپال، سنگ یمانی، چخماق و کوارتز تیره اشاره کرد. پس از انجام واکنش قلیایی-سیلیسی (ASR)، ژلی منبسط شونده شکل گرفته و ترک های گسترده و خرابی در عناصر سازه ای ایجاد می شود. در سطح روسازی های بتنی، ASR می تواند موجب بیرون پریدگی، به معنای خروج مخروط های کوچک (تا ۳ cm (۱ in) در محدودۀ قطر) مطابق با قرارگیری سنگدانه ها شود.

هنگامی که برخی سنگدانه های حاوی دولومیت مورد استفاده قرار می گیرند، یک واکنش دیدولومیزیشن رخ می دهد، به این ترتیب که ترکیب کربنات منیزیم با یون های هیدروکسیل واکنش داده و هیدروکسید منیزم و یون کربنات تولید می کند. انبساط حاصله ممکن است موجب خرابی ماده شود. بخش به مراتب کمتری از بیرون پریدگی های روسازی نیز به دلیل وجود پیریت، که سولفید آهنی است که موجب بروز انبساط با تشکیل دادن اکسید آهن و اترینگایت می شود، هستند.

واکنش ها و بازکریستالیزه شدن های دیگری نیز از قبیل هیدراسیون کانی های رسی در برخی از سنگدانه ها می تواند منجر به انبساط مخرّب شود.

خوردگی میلگردها

مثالهایی از قسمت های تخت جداشده از بتن با میلگردهای زیر آن، پل رودخانۀ وِلَند در راه ملکه الیزابت در آبشارهای نیاگارا، انتاریو.

گسترش محصولات خوردگی (اکسیدهای آهن) میلگردهای فولاد کربنی سازه های مسلّح ممکن است تنش های مکانیکی ایجاد نماید که می تواند منجر به پیدایش ترک ها و گسیختگی سازۀ بتنی شود. اگر میلگردها به صورتی بد جاگذاری شوند و نزدیک به سطح بتن، در تماس با هوا، قرار داشته باشند، پوسته شدن به راحتی رخ می دهد؛ به این معنا که قسمت های تختی از بتن توسّط خوردگی میلگردها جدا شده و ممکن است بیفتند.

آسیب شیمیایی

کربناسیون

نوشتار اصلی: کربوناتسیون

زوال بتن شروع شده توسّط کربوناسیون در هیپودروم وِلینگتون، بلژیک.

کربن دی‌اکسید موجود در هوا می تواند کلسیم هیدروکسید موجود در بتن واکنش داده و کلسیم کربنات تولید کند. این فرایند کربناسیون نامیده می شود، که در اصل عکس فرایند شیمیایی کلسیناسیون آهک است که در کورۀ سیمان رخ می دهد. کربوناسیون بتن فرایندی کند و ادامه دار از سطح خارجی به سمت درون است، امّا با افزایش عمق نفوذ کندتر می شود.

کربوناسیون دو نتیجه به همراه دارد: باعث افزایش مقاومت مکانیکی بتن می شود، ولی همچنین قلیاییت را که برای جلوگیری از خوردگی میلگردهای فولادی ضروری است، کاهش می دهد. در یک مقدار pH کمتر از 10، لایۀ نازک رویینگی سطحی حل شده و خوردگی پیش می رود. به دلیل نتیجۀ دوم، کربوناسیون پدیده ای ناخواسته در شیمی بتن است. این مورد را می توان با به کار بردن محلول فنول فتالئین، که یک معرّف pH است، بر روی سطحی تازه شکسته آزمایش کرد؛ که سطوح کربوناته نشده و بنابراین قلیایی را با رنگ بنفش نشان می دهد.

کلریدها

کلریدها، به طور خاص کلسیم کلرید، برای کاهش زمان گیرش بتن استفاده می شوند. با این حال نشان داده شده است که کلسیم کلرید و (به مقدار کمتری) سدیم کلرید کلسیم هیدروکسید را خارج کرده و باعث تغییرات شیمیایی در سیمان پرتلند می شوند. این امر به کاهش مقاومت به همراه حمله به فولاد در اکثر بتن های مسلّح می انجامد.

سولفات ها

سولفات هایی که به صورت محلول هستند، در تماس با سیمان می توانند باعث ایجاد تغییرات شیمیایی در سیمان شوند، و این موضوع ممکن است تغییرات ریزساختاری قابل توجّهی را به دنبال داشته باشد که منجر به ضعیف شدن چسب سیمان می شود (حملۀ شیمیایی سولفات). محلول های سولفات همچنین می توانند موجب آسیب دیدن مصالح سیمانی متخلخل از طریق کریستال شدن و دوباره کریستال شدن شود (حملۀ نمک). سولفات ها و سولفیت ها در محیط طبیعی در همه جا حاضر هستند و از منابع متعدّدی مانند سنگ گچ (ژیپس یا کلسیم سولفات) که معمولاً به عنوان افزودنی در سیمان حاوی خاکستر بادی موجود است، به وجود می آیند. به استثناء باریوم سولفات، اکثر سولفات ها به مقدار کم یا زیاد در آب حل می شوند. این محلول ها در باران اسیدی، که سولفور دیاکسید موجود در هوا در باران حل می شود، موجودند. در هنگام رعد و برق، دی اکسید با اکسیدشدن به تری اکسید تبدیل شده که باعث می شود سولفوریک اسید موجود در باران بیشتر اسیدی شود. زیرساخت های فاضلاب معمولاً با سولفات به وجود آمده از اکسید شدن سولفید هنگامی که باکتری ها گاز هیدروژن سولفید موجود را به یون های سولفید (-S) یا بای سولفید (-HS) تبدیل می کنند، خورده می شوند. این واکنش قابل بازگشت است، هم اکسیداسیون ناشی از در معرض هوا بودن و هم فاضلاب های سطحی با اکسیژن آمیخته؛ که منجر به تولید یون های سولفیت یا سولفات و یون های هیدروژن اسیدی در واکنش HS^- + H₂O+ O₂ -> 2H⁺ + SO₄^- می شود. خوردگی به وجود آمده در تاج (بالای) مجراهای بتنی فاضلاب مستقیماً به این فرایند مربوطند، که به خوردگی تخریب تاج شناخته می شود.

ترمیم بتن

تخریب بتن با استفاده از واترجت امروزه یکی از روش های متداول برای ترمیم بتن شده است. از واترجت برای برداشتن بخش آسیب دیده و بخش هایی از سازه که به اشتباه بتن ریزی شده استفاده می شود. یکی از آسیب هایی که ممکن است این سازه ها با آن مواجه شوند خوردگی است که به اصطلاح به آن سرطان بتن می گویند. بخش زیادی از بتن اطراف مقطعی که دچار سرطان یا خوردگی شده است آسیب می بیند. این آسیب دیدگی دلایل مختلفی ممکن است داشته باشد. مثلا بر اثر حملات کلریدی روی آرماتور به وجود آید. این اتفاق موجب زنگ زدن، گسترش خوردگی و ترک خوردن بتن در اطراف آرماتور آسیب دیده می شود.

ترمیم سرطان بتن

هنگامی که در سطح بتن در نمای ساختمان ها، پایه پل ها، سدها و اسکله ها، پوسته پوسته شدن و ترک مشاهده می شود باید علت ایجاد این مشکل را بررسی نمود. در این زمان می بایست از یک مهندس مجرب برای تجزیه و تحلیل آسیب استفاده کرد و پس از شناسایی مشکل، آن را رفع نمود و برای ترمیم اقدام کرد.

از عوامل ایجاد خوردگی می توان به موارد زیر اشاره نمود:

1. ساخت و ساز ضعیف سازه
2. پوشش کم بتن در اطراف آرماتور
3. ورود دی اکسید کربن به سطح میلگردها که موجب خوردگی بتن به خاطر کربناته شدن آن می شود.
4. ورود کلراید با سازه بتنی که موجب خوردگی آرماتورها می شود.

اینها مواردی هستند که با مشاهده پوسته پوسته شدن و ترک، ممکن است اتفاق افتاده باشد.

روش های اصلاح

اگر مشکل به دلیل پوشش کم ملات باشد، برای ترمیم باید اقدامات زیر را انجام داد:

1. تخریب بتن تا زیر میلگرد ها
2. تمیز کردن میلگرد به حدی که یک فلز نو به نظر برسد
3. استفاده از ماده محافظ ضدکربنات در تمام سطح

اگر مشکل به دلیل کربناته شدن باشد:

1. تخریب بتن تا زیر میلگرد ها
2. تمیز کردن میلگرد به حدی که یک فلز نو به نظر برسد
3. استفاده از ماده محافظ ضدکربنات در تمام سطح

برای مشکلات ناشی از یون کلرید، که عمدتا در سازه های مجاور دریا ها اتفاق می افتد:

1. تخریب بتن تا زیر میلگرد ها
2. تمیز کردن میلگرد به حدی که یک فلز نو به نظر برسد
3. انجام عملیات الکتروشیمیایی برای تمیز کردن کامل میلگردها

روشی که هم عملیات تخریب بتن را انجام می دهد و هم تمیز کردن میلگردها، روش واترجت می باشد.

تخریب بتن با واترجت

تخریب هیدرولیکی با استفاده از نفوذ فشار زیاد آب، منافذ سطحی بتن را گسترش می دهد و موجب تخریب به صورت موضعی می شود.

جت فشار بالای آب که روی سطح گرفته می شود، در سیمان و ریزدانه های اطراف سنگدانه ها نفوذ کرده، و با فشار هیدرواستاتیک آب، سیمان و ریزدانه ها را از سنگدانه ها جدا می کند. در جایی که ترک وجود داشته باشد، واترجت در داخل آن نفوذ کرده و موجب می شود نرخ تخریب بتن بالاتر برود.

برخلاف روش های مکانیکی مثل استفاده از چکش برقی، واترجت هیچگونه ترکی به وجود نمی آورد.

نرخ برش به مقدار آبی که به سطح برخورد می کند بستگی زیادی دارد. همچنین سطح و عمق برش قابل کنترل می باشد.

- استفاده از واترجت جهت تخریب بتن بسته به میزان حجم تخریب به دو صورت انجام می شود:

1. تخریب بتن با حجم کم که به وسیله ی اوپراتور و با استفاده از تفنگی مخصوص واترجت انجام می شود. رعایت مسائل ایمنی مانند پوشیدن لباس، دستکش و کفش ضد واترجت و همچنین آگاهی کامل از طریقه استفاده از تفنگی واترجت و خطرات احتمالی روش تخریب بتن با واترجت و تفنگی از نکات مهم آن می باشد. سرعت تخریب بتن در این روش به لحاظ محدودیت نیروی واکنشی تفنگی کند می باشد، بیشترین نیروی واکنشی قابل تحمل توسط اوپراتور مجهز به تفنگی دارای قنداق میزان ۲۵۰ نیوتن می باشد.
2. تخریب بتن با حجم متوسط و زیاد که بوسیله ربات تخریب بتن با واترجت انجام می شود. در این روش اوپراتور با استفاده از ریموت کنترل وایرلس و از فاصله ای ایمن ربات هوشمند را برنامه ریزی و بدون هیچگونه خطری ربات را هدایت و عملیات تخریب بتن را اجام می دهد. سرعت تخریب بتن با استفاده از ربات بسیار بالا می باشد، نیروی واکنشی قابل تحمل به وسیله ی ربات تا ۱۸۰۰ نیوتن و حتی بیشتر می باشد به عبارتی بیش از ۷ برابر سریعتر از تفنگی واترجت.

مراحل تخریب بتن

برای تخریب در اطراف آرماتور، استاندارد هایی وجود دارد که در اینجا به آنها اشاره می شود. این موارد برای سازه های افقی، عمودی و یا سقف کاربرد دارد. موارد زیر می بایست به ترتیب اجرا شوند.

۱. بتن لایه لایه شده را از روی میلگرد پوسیده تخریب کنید.

۲. وقتی که لایه اول برداشته شد، عملیات با تخریب بتن اطراف و زیر میلگرد ادامه پیدا می کند. این کار موجب می شود تمام سطح اطراف میلگرد تمیز شده و آماده چسبیدن به بتن جدید باشد. همچنین موجب می شود بخش بازسازی شده استحکام بهتری داشته باشد. برای این کار می بایست حداقل ۳/۴ اینچ معادل ۲۰ میلیمتر (و یا ۱/۴ اینچ بیشتر از ابعاد بزرگترین سنگدانه بتن جدید) بین میلگرد و بتن تخریب شود.

۳. تخریب می بایست تا جایی از میلگرد ادامه پیدا کند که اثری از خوردگی در آن نبوده و میلگرد کاملا سالم باشد. این کار موجب می شود که بتن جدید بهتر به میلگرد بچسبد.

۴. اگر اطراف میلگردی که دچار خوردگی شده میلگرد سالمی بود، باید مراقبت نمود که هنگام تخریب، به پیوند ملات با میلگرد سالم آسیبی نرسد. در صورت آسیب دیدن آن، می بایست در اطراف میلگرد سالم نیز عملیات تخریب انجام شده، بتن ریزی مجدد صورت گیرد. یکی از مزایای واترجت این است که این مشکل را به وجود نمی آورد.

۵. هر میلگردی که دچار خوردگی شده می بایست به میلگرد سالم دیگری بسته شود.

تمیز کردن اطراف میلگرد

۶. اگر میزان خوردگی زیاد باشد می بایست خوردگی به طور کامل از میلگردها زدوده شود تا سطح آرماتور بتواند بیشترین پیوند را با بتن جدید برقرار نماید. برای این کار می توان از واترجت و سندبلاست (یا مواد ساینده دیگر که روغن نداشته باشد) استفاده کرد.

اگر هنگام تخریب بتن از واترجت استفاده شود،علاوه بر حذف بتن اطراف میلگرد، همزمان مرحله تمیزکردن میلگرد نیز انجام می شود و در زمان صرفه جویی خواهد شد.