1. مقدمه

بتن ترکیبی از اجزای اجباری شامل: سیمان، سنگدانه (شن و ماسه) و آب می باشد که با توجه به مقاومت مشخصه و دوام مشخصه طرح با نسبت مناسب مخلوط می شوند. ترکیب سیمان و آب به عنوان خمیر سیمان و یا ماتریس سیمان نامیده می شود. ماتریس سیمان در برگیرنده سنگدانه های موجود در بتن می باشد.

اجزای اختیاری شامل: میلگرد، عناصر تسلیح، افزودنی ها و پوزلان ها نیز می تواند با توجه به الزامات طراحی و با هدف بهبود خواص بتن به این ترکیب اضافه شود. با اضافه شدن میلگرد و یا عناصر تسلیح به بتن، بتن مسلح ایجاد می گردد.

به عبارت دیگر بتن مسلح را می توان شامل سه جزء: 1. خمیر سیمان، 2. سنگدانه (شن و ماسه) و 3. میلگرد (یا عناصر تسلیح) دانست. هر یک از عوامل آسیب زا برای بتن مسلح به یکی از سه جزء ذکر شده حمله کرده و در نهایت باعث آسیب به ساختار کلی بتن مسلح در کرج می گردد. در ادامه عوامل آسیب زا برای بتن مسلح به تفکیک هر یک از سه جزء ذکر شده بررسی می شود و راهکارهای مقابله با هریک از عوامل به تفصیل مورد بررسی قرار می گیرد. در شکل زیر خلاصه ای از عوامل آسیب زا که موجب کاهش دوام بتن مسلح در کرج می شود به صورت شماتیک نشان داده شده است.

همانطور که در شکل فوق قابل مشاهده است، عوامل کاهش دهنده دوام بتن به دو شاخه کلی: 1. عوامل بیرونی و 2. عوامل درونی تفکیک می شود. عمده عوامل کاهش دوام در گروه عوامل بیرونی قرار می گیرند و تنها یک مورد از عوامل کاهش دوام که مربوط به بخش شن و ماسه (سنگدانه) موجود در بتن می گردد به عوامل داخلی مرتبط است. در ادامه هر یک از عوامل کاهش دهنده دوام بتن مورد بررسی قرار می گیرد.

2. خوردگی ناشی از کربناته شدن بتن (ناحیه مورد هدف: میلگرد)

1-2: عامل آسیب: بتن یک محیط به شدت قلیایی می باشد. بواسطه قلیایی بودن بتن، یک لایه محافظ اطراف میلگرد ایجاد می گردد. این لایه که "پسیو لایر" نامیده می شود نقش جدی در محافظت از میلگرد در برابر زنگ زدن در داخل بتن مسلح ایفا می کند. در مجاورت هوا و یا آب باران نفوذی در بتن، CO₂ موجود در هوا با Ca(OH)₂ موجود در بتن ترکیب شده و با ایجاد CaCO₃ موجب کاهش شدت قلیایی محیط بتن و آسیب به پسیو لایر (لایه محافظ میلگرد از زنگ زدگی) می گردد.

2-2: شرح آسیب: پس از ضعف پسیو لایر بواسطه کاهش شدت قلیایی محیط بتن، آب و اکسیژن نفوذی به بتن موجب زنگ زدگی میلگرد می شود. زنگ زدگی میلگرد، افزایش حجم آن را به دنبال خواهد داشت که موجب فشار به بتن، طبله کردن بتن و در نهایت ترک خوردن و خورد شدن بتن می گردد.

3-2: محل های محتمل: در کرج احتمال آسیب به بتن بواسطه کربناته شدن در مناطق پر تردد شهری، پارکینگ های بسته، زیرگذرها و تونل ها بیشتر می باشد. با این وجود در هر نقطه از بتن که احتمال مواجهه با CO₂ وجود دارد، ملاحظات مربوط به دوام مشخصه بایستی در نظر گرفته شود.

4-2: پیشگیری: برای جلوگیری از این نوع آسیب، کنترل پوشش روی میلگرد، حداقل رده بتن، حداکثر نسبت آب به مواد سیمانی و حداقل مقدار سیمان مطابق ضوابط آیین نامه بتن ایران (ضابطه 2-120) ضروری می باشد. بر اساس جداول ارائه شده در آیین نامه، چنانچه حداقل پوشش روی میگرد برابر 35 میلیمتر، رده بتن حداقل برابر 35، نسبت آب به سیمان حداقل برابر 0/45 و مقدار مواد سیمانی حداقل برابر 350 کیلوگرم بر متر مکعب در نظر گرفته شود، ضوابط مخلوط بتن برای مقابله با شرایط محیطی ناشی از کربناته شدن برای تمام درجات خورندگی ناشی از کربناته شدن تامین می گردد. لازم به ذکر است برای پروژه های ساختمانی واقع در کرج، رده بتن حداقل برابر 35 الزامی می باشد و ملاحظات مربوط به نسبت آب به سیمان و مقدار مواد سیمانی برای رسیدن به رده 35 (در صورت استفاده از بتن آماده در کرج) عموماً تامین کننده الزامات مربوط به این نوع حمله برای تمام درجات خورندگی می باشد. چنانچه رده بتن به 30 و یا 25 کاهش یابد، می توان با افزایش ضخامت پوشش روی میلگرد به 40 و 45 میلیمتر، الزامات لازم در خصوص دوام بتن را برای تمام درجات خورندگی ناشی از کربناته شدن تامین نمود.

3. خوردگی ناشی از یون های کلرید (ناحیه مورد هدف: میلگرد)

1-3: عامل آسیب: بتن یک محیط به شدت قلیایی می باشد. بواسطه قلیایی بودن بتن، یک لایه محافظ اطراف میلگرد ایجاد می گردد. این لایه که "پسیو لایر" نامیده می شود نقش جدی در محافظت از میلگرد در برابر زنگ زدن در داخل بتن مسلح ایفا می کند. با نفوذ یون کلر (^-Cl- عموماً بواسطه آب و یا مجاورت با نمک های یخ زدا)، شدت قلیایی محیط بتن کاهش یافته و پسیو لایر (لایه محافظ میلگرد از زنگ زدگی) آسیب می بیند.

2-3: شرح آسیب: پس از ضعف پسیو لایر بواسطه کاهش شدت قلیایی محیط بتن، آب و اکسیژن نفوذی به بتن موجب زنگ زدگی میلگرد می شود. زنگ زدگی میلگرد، افزایش حجم آن را به دنبال خواهد داشت که موجب فشار به بتن، طبله کردن بتن و در نهایت ترک خوردن و خورد شدن بتن می گردد.

3-3: محل های محتمل: خوردگی ناشی از یون های کلرید در نواحی ساحلی اهمیت بیشتری دارد. با این وجود در کرج، بتن مسلح استخرهای شنا، مخازن آب حاوی کلر، بخش هایی از ساختمان که در معرض تماس با خاک مهاجم قرار دارند، روسازی محوطه ها، دال ها و پارکینگ های طبقاتی، در معرض خوردگی ناشی از یون های کلرید می باشند. لازم به ذکر است که استفاده از دی کلرید کلسیم (که در برخی از ضد یخ های متعارف وجود دارد) و یا استفاده از نمک پاشی در فرآیند یخ زدایی از جمله مواردی می باشد که غلظت یون کلرید را در مجاورت بتن افزایش می دهد.

4-3: پیشگیری: به منظور ایجاد مقاومت کافی در بتن مسلح جهت مقابله با یون کلرید، ضوابطی در آیین نامه بتن ایران (ضابطه 2-120) ارائه شده است. در این آیین نامه مواردی همچون محدودیت در نوع سیمان مصرفی، حداقل مقدار مواد سیمانی در بتن، حداکثر نسبت آب به سیمان، حداقل رده بتن و ضخامت پوشش بتن روی میلگردها به عنوان عوامل دارای اهمیت در پیشگیری از خوردگی ناشی از یون های کلرید مطرح شده است. حمله یون کلرید در مناطق ساحلی اهمیت بیشتری می یابد. در کرج شدت حمله یون کلر در پروژه های ساختمانی به مراتب کمتر است. بر اساس جداول ارائه شده در آیین نامه بتن ایران، با توجه به شرایط پروژه های ساختمانی در کرج (از نظر شدت حمله یون کلرید)، چنانچه سیمان از تیپ I یا II، رده بتن حداقل برابر 35، نسبت آب به سیمان حداقل برابر 0/4 و مقدار مواد سیمانی حداقل برابر 350 کیلوگرم بر متر مکعب در نظر گرفته شود، ضوابط مخلوط بتن برای مقابله با شرایط محیطی ناشی از حمله یون های کلرید تامین می گردد. لازم به ذکر است که در صورت استفاده از بتن آماده در کرج برای پروژه های ساختمانی این ضوابط توسط بیشتر کارخانه های بتن آماده در کرج رعایت می گردد. استفاده از بتن آماده در کرج برای تمامی ساختمان های مسکونی الزامی می باشد. در خصوص حداقل ضخامت پوشش بتنی بر روی میلگرد ها در آیین نامه بتن ایران مقادیری بر اساس شدت خوردگی ارائه شده است. 

5-3: تکمیلی: در فرآیند ساخت سیمان، مواد اولیه شامل: CaO، SiO₂، Al₂O₃ و Fe₂O₃ مخلوط، آسیاب و فرآوری می شوند و محصولاتی شامل: C₂S، C₃S، C₃A و C₄AF ایجاد می گردد. محصول C₃A در سیمان میل ترکیبی با یون کلرید و یون سولفات دارد. این محصول در مجاورت یون کلرید موجب انبساط مفید در بتن شده و با مصرف یون کلرید، تراکم بتن را افزایش می دهد. لذا در سیمان هایی که در محیط های با احتمال حمله یون کلرید قرار دارند، مقدار C₃A در ترکیب نهایی بیشتر در نظر گرفته می شود. سیمان نوع I (و تا اندازه ای سیمان نوع II) که به عنوان سیمان مقاوم در برابر یون کلرید شناخته می شود (بخش 3-4) دارای این ویژگی است. از طرف دیگر C₃A در مجاورت یون سولفات موجب انبساط مضرر (بیش از حد زیاد) در بتن و آسیب به بتن می شود. لذا در سیمان هایی که در معرض حمله سولفات قرار دارند، مقدار C₃A در ترکیب نهایی کمتر در نظر گرفته می شود. سیمان تیپ V که به عنوان سیمان ضد سولفات شناخته می شود (بخش 4-4) دارای این ویژگی است.

4. حمله های سولفاتی (ناحیه مورد هدف: خمیر سیمان)

1-4: عامل آسیب: یون های سولفات موجود در آب و یا خاک مجاور بتن و یا وجود بیش از حد یون های سولفات در اجزای تشکیل دهنده بتن، عامل حمله سولفاتی به خمیر سیمان می باشد. همانطور که در بخش 3-5 عنوان شد، C₃A موجود در سیمان در مجاورت یون سولفات موجب انبساط مضر (بیش از حد زیاد) خمیر سیمان می شود. این انبساط در خمیر سیمان سبب آسیب به ساختار بتن می گردد. لازم به ذکر است که برای وقوع حمله سولفاتی نیاز به رطوبت وجود دارد. لذا صرف وجود سولفات در خاک نمی تواند به حمله مخرب به بتن منجر شود.

2-4: شرح آسیب: در طول حمله سولفاتی، خمیر سیمان انبساط می یابد. این انبساط در درجه اول موجب فروپاشی سطح بتن و در ادامه گسترش آسیب و فروپاشی به سمت داخل بتن می گردد.

3-4: محل های محتمل: قسمت هایی از سازه که در تماس با خاک مهاجم می باشد و یا بخش هایی از بتن که در مجاورت فاضلاب، پساب های صنعتی و یا آب های زیرزمینی آلوده قرار دارند در معرض حمله سولفاتی می باشند. در این موارد تست آب و خاک در مجاورت سازه بتنی ملاک عمل اقدامات پیش گیرانه در جهت افزایش دوام بتن قرار می گیرد. عموماً این تست ها توسط آزمایشگاه خاک و بتن در کرج انجام می گردد.

4-4: پیشگیری: محدودیت ها و اقدامات لازم برای افزایش دوام بتن در حمله های سولفاتی در آیین نامه بتن ایران (ضابطه 2-120) به تفصیل ارائه شده است. بر اساس آیین نامه شاخص هایی از جمله میزان یون سولفات موجود در آب و میزان یون سولفات محلول در آب موجود در خاک (که با انجام آزمایش محاسبه می گردد) بیانگر شدت حمله سولفاتی در محیط می باشند.

مطابق با آیین نامه، مواردی همچون محدودیت در نوع سیمان مصرفی، حداقل مقدار مواد سیمانی در بتن، حداکثر نسبت آب به سیمان، حداقل رده بتن به عنوان عوامل دارای اهمیت در مقابله با حمله سولفاتی مطرح می شود. بر این اساس سیمان نوع II برای احتمال حملات سولفاتی متوسط و سیمان تیپ V برای حملات سولفاتی شدید و خیلی شدید توصیه می گردد.

همانطور که در بخش 3-6 عنوان گردید، در سیمان تیپ V، مقادیر C₃A ناچیز می باشد و لذا این نوع سیمان در برابر یون کلرید (خوردگی میلگرد) مقاومت مناسبی ندارد. در بتن مسلح اولویت با مقابله با خوردگی میلگرد است. ازینرو استفاده از این نوع سیمان برای بتن مسلح در کرج توام با چالش هایی در زمینه خوردگی میلگرد می باشد. استفاده از سیمان نوع II بواسطه محافظت از بتن از یون کلرید و حمله سولفات بصورت توامان، در پروژه های ساختمانی متعارف در کرج توصیه می گردد. علاوه بر نوع سیمان، استفاده از حداقل رده بتن برابر 35، حداکثر نسبت آب به سیمان برابر 0/45 و مقدار مواد سیمانی حداقل برابر 350 کیلوگرم بر متر مکعب بیشنه محدودیت هایی می باشد که در آیین نامه بتن ایران (ضابطه 2-120) برای حمله سولفاتی خیلی شدید ذکر شده است. عموم این شرایط در صورت استفاده از بتن آماده در کرج برای پروژه های ساختمانی توسط کارخانه های بتن رعایت می گردد.

5. رویارویی با چرخه های یخ زدن و آب شدن (ناحیه مورد هدف: خمیر سیمان)

1-5: عامل آسیب: تغییرات دما به طوریکه موجب یخ زدن آب آزاد در بتن گردد عامل آسیب به بتن می شود. عموماً تاثیر اصلی سیکل یخ زدن و آب شدن بر خمیر سیمان می باشد. زیرا میزان آب نفوذی در سنگدانه ها به نسبت خمیر سیمان ناچیز است. این نوع آسیب زمانی بصورت جدی بروز می کند که درجه اشباع بتن از 80 درصد بیشتر باشد. یخ زدن بتن با درجه اشباع کمتر از 80 درصد در عمل تنش های مخرب چندانی بوجود نمی آورد. در صورتی که نمک های یخ زدا در آب مجاور سطح بتن باشد، اثرات مخرب آن در یخبندان و آب شدن های پی در پی به مراتب بیشتر خواهد بود و پوسته پوسته شدن را در پی خواهد داشت. در صورتیکه این نمک ها حاوی کلرید باشند، ممکن است همزمان سبب خوردگی میلگردها نیز شوند.

2-5: شرح آسیب: شروع ایجاد آسیب از سطح بتن می باشد. ترک های سطحی ابتدا ایجاد شده و به تدریج موجب انبساط پیش رونده و فروپاشی بتن می شود. 

3-5: محل های محتمل: با توجه به شرایط آب و هوایی کرج، آسیب از نوع چرخه های یخ زدن و آب شدن برای بخش های محیطی و بیرونی سازه بتنی بتن های اکسپوز در صورت اشباع متوسط و زیاد محتمل می باشد.

4-5: پیشگیری: مهمترین راه پیشگیری از آسیب های ناشی از چرخه های یخ زدن و آب شدن، استفاده از مواد حباب ساز می باشد. با این وجود کنترل حداقل رده بتن، نسبت آب به سیمان مطابق آیین نامه بتن ایران (ضابطه 2-120) ضروری است. بر اساس آیین نامه بتن ایران (ضابطه 2-120) در صورت استفاده از مواد حباب ساز، با در نظر گرفتن حداقل رده بتن برابر 35 و حداکثر نسبت آب به سیمان برابر 0/4، می توان در تمام درجات رویارویی با چرخه های یخ زدن و آب شدن، از دوام بتن (از نظر ضوابط طرح اختلاط) اطمینان یافت. ضوابط ذکر شده در صورت استفاده از بتن آماده در کرج عموماً رعایت می گردد.

6. واکنش قلیایی سنگدانه (ناحیه مورد هدف: سنگدانه ها)

1-6: عامل آسیب: محیط بتن به شدت قلیایی است. برخی از سنگدانه های سیلیسی یا کربناتی تمایل به واکنش با ترکیبات قلیایی سیمان (اکسید های سدیم و اکسید های پتاسیم) را دارند. نتیجه این واکنش ایجاد انبساط در حد فاصل خمیر سیمان و سنگدانه ها می باشد.

2-6: شرح آسیب: ایجاد انبساط در حد فاصل خمیر سیمان و دانه های شن در بلند مدت ترک خوردگی هایی در درون بتن ایجاد می نماید و سرانجام موجب متلاشی شدن آن می شود. عمده این ترک ها به شکل موزائیکی بوده و در تمام جسم بتن ایجاد می شود و بر خلاف آسیب دیدگی های دیگر که معمولاً از سطح خارجی بتن شروع می شوند، از درون بتن باعث تخریب می گردد. آثار این نوع آسیب در محیط های گرم و مرطوب پس از حدود 5 سال و در محیط های مرطوب و سرد پس از حدود 10 سال قابل مشاهده می باشد. 

3-6: محل های محتمل: معادن و منابع سنگدانه های واکنش زا در محدوده استان البرز وجود دارد و لذا احتمال به کار گیری این نوع سنگدانه ها در صورت عدم انجام آزمایشات دقیق بر روی مصالح در کرج وجود دارد.

4-6: پیشگیری: انجام آزمایش بر روی سنگدانه ها قبل از تولید بتن آماده در کرج توسط کارخانه تولید بتن ضروری است. در مواردی که بر اساس آزمایشات استاندارد و ارزیابی های انجام شده، سنگدانه واکنش زا تشخیص داده شد، توصیه به عدم استفاده از آن به عنوان اصلی ترین روش پیشگیری مطرح می شود. با این وجود در صورت اصرار بر استفاده از سنگدانه های واکنش زا در بتن آماده در کرج، بهترین روش پیشگیرانه کاهش معادل قلیایی سیمان و بتن می باشد. روش پیشگیرانه دیگر در مورد واکنش قلیایی- سیلیسی، کاربرد مواد جایگزین سیمان، نظیر پوزلان های طبیعی، خاکستر بادی، سربار کوره ای آهنگدازی و دوده سیلیس در بتن آماده در کرج می باشد. همچنین جایگزینی بخشی از سنگدانه های واکنش زای سیلیسی با سنگدانه های غیر واکنش زای کربناتی می تواند به عنوان یک روش موثر مطرح شود. کاهش نسبت آب به سیمان، کاهش مقدار سیمان، کنترل رطوبت در بتن و استفاده از برخی از افزودنی های شیمیایی به عنوان راه حل های دیگر کنترل این نوع واکنش قلیایی- سیلیسی در بتن آماده در کرج مطرح می گردد.

7. نکات پایانی

به طور کلی با بررسی راه کارهای پیشگیری و مقابله با عوامل آسیب زای ذکر شده در این مقاله، می توان کنترل نفوذپذیری بتن، کاهش نسبت آب به سیمان، استفاده از پوزلان در بتن، افزایش رده بتن و کنترل رطوبت بتن را به عنوان اصلی ترین راه های بهبود دوام بتن معرفی نمود.

در شهر کرج، بر اساس الزامات آیین نامه ای و کنترل مستمر سازمان نظام مهندسی ساختمان استان البرز، پارامترهای مربوط به مقاومت بتن آماده در کرج (رده بتن آماده در کرج) توسط آزمایشگاه های خاک و بتن دارای گرید راه و شهرسازی کنترل می گردد و بصورت سازمان یافته به شهرداری و سازمان نظام مهندسی ساختمان گزارش می شود. با این وجود کنترل مشخصه های مربوط به دوام بتن در کرج کمتر مورد توجه بخش های نظارتی قرار گرفته است و آزمایش های مربوط به دوام بتن به کارخانه بتن آماده در کرج واگذار می شود. از اینرو با توجه به ماهیت زمان بر بودن رخداد اثرات ناشی از آسیب های مرتبط با دوام بتن، اطمینان از کیفیت بتن در بلند مدت منوط به تهیه بتن از تولید کننده گان بتن آماده در کرج با پشتوانه علمی و اجرایی قوی می باشد.

8. مراجع و منابع:

کلاس های آموزشی مرور آیین نامه بتن ایران، دکتر بهبود مرتضوی

آیین نامه بتن ایران- جلد دوم- مصالح و اجرا- ضابطه 2-120، انتشارات سازمان برنامه و بودجه کشور، 1400

 Zhou, Yingwu, et al. "Strength deterioration of concrete in sulfate environment: an experimental study and theoretical modeling." Advances in Materials Science and Engineering 2015

 Elghazy, Mohammed. FRCM composites for strengthening corrosion-damaged structures: experimental and numerical investigations. Diss. Université Laval, 2018

 Angulo-Ramirez, D. E., et al. "Carbonation of hybrid concrete with high blast furnace slag content and its impact on structural steel corrosion." 2019

 Zhang, Kai, Jing Zhou, and Zhigang Yin. "Experimental study on mechanical properties and pore structure deterioration of concrete under freeze–thaw cycles." 2021

Forsdyke, Jessica, and Janet Lees. "Carbonation depth measurement of concretes exposed to different curing and preconditioning conditions, using image-processing tools." 2021