کربناته شدن یا کربناسیون بتن چیست؟

کربناسیون بتن چیست؟

کربناسیون بتن (Concrete Carbonation) یک فرآیند شیمیایی تدریجی است که در آن دی اکسید کربن موجود در هوا به داخل منافذ بتن نفوذ کرده و با ترکیبات قلیایی خمیر سیمان به ویژه هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)₂)، واکنش می‌دهد. در حالت عادی، وجود هیدروکسید کلسیم باعث می‌شود محیط داخلی بتن بسیار قلیایی باشد و همین قلیایی بودن، یک لایه محافظ روی سطح آرماتورها ایجاد کند و مانع خوردگی آن‌ها شود. با نفوذ CO₂ و انجام واکنش کربناسیون، هیدروکسید کلسیم به کربنات کلسیم (CaCO₃) تبدیل شده و در نتیجه، خاصیت قلیایی بتن به تدریج کاهش پیدا خواهد کرد.

با ادامه کربناسیون و کاهش خاصیت قلیایی اطراف میلگرد، لایه محافظ آرماتور ضعیف شده و شرایط برای شروع خوردگی فراهم می‌شود. این فرآیند تنها به هیدروکسید کلسیم محدود نیست و در مراحل پیشرفته‌تر می‌تواند سایر محصولات هیدراتاسیون سیمان، از جمله ژل C-S-H را نیز تحت تاثیر قرار دهد و به مرور زمان باعث کاهش دوام بتن‌های اجرا شده در پروژه‌های مختلف می گردد.

کربناته شدن در بتن چگونه اتفاق می‌افتد؟

کربناسیون بتن یک فرآیند تدریجی است که از سطح بتن آغاز می‌شود و به مرور زمان به سمت قسمت‌های داخلی آن پیش می‌رود. سرعت این فرآیند به عواملی مانند میزان تخلخل بتن، رطوبت، کیفیت عمل آوری و شرایط محیطی بستگی دارد. به طور کلی، فرآیند کربناته شدن بتن به صورت زیر است:

• نفوذ دی اکسید کربن به داخل بتن: دی اکسید کربن موجود در هوا از طریق منافذ، حفره‌های موئینه و ترک‌های ریز وارد ساختار بتن می‌شود. سپس این دی اکسید کربن، در داخل بتن حل می شود و شرایط لازم برای ایجاد واکنش با ترکیبات قلیایی سیمان پرلند یا سایر سیمان‌ها را به وجود می آورد.
• واکنش با ترکیبات قلیایی بتن: دی اکسید کربن حل شده با ترکیبات قلیایی، به‌ویژه هیدروکسید کلسیم، واکنش می‌دهد. در نتیجه این واکنش، بخشی از ترکیبات قلیایی بتن مصرف شده و میزان خاصیت قلیایی آن کاهش پیدا می کند.
• تشکیل جبهه کربناسیون: مرز میان قسمت کربناته شده و بخش کربناته نشده بتن را جبهه کربناسیون می گویند. این جبهه معمولا به تدریج از سطح بتن به سمت داخل حرکت می‌کند و به سمت آرماتورها حرکت می رود. این شرایط ممکن است لایه محافظ فولاد از بین برود.
• آغاز آسیب‌های ناشی از خوردگی: با شروع خوردگی میلگرد، محصولات خوردگی در اطراف آرماتور تجمع پیدا می‌کنند و باعث ایجاد فشار در بتن اطراف میلگرد می‌شوند. در صورت ادامه این فرآیند، ترک‌های طولی، پوسته شدن و جدا شدن پوشش بتن ایجاد شده و در مراحل پیشرفته‌تر، عملکرد سازه را تحت تاثیر قرار می دهد.

علت کربناته شدن بتن چیست؟

عامل اصلی کربناسیون، تماس بتن متخلخل با دی اکسید کربن موجود در محیط است. با این حال، سرعت وقوع و پیشروی این فرآیند به عوامل مختلفی بستگی دارد. هر عاملی که باعث افزایش تخلخل و نفوذپذیری بتن شود، مسیر ورود CO₂ را آسان‌تر کرده و می تواند علت اصلی این اتفاق باشد. معمولا عوامل زیر، جزو عوامل ایجاد کننده این مشکل محسوب می شوند:

• نسبت بالای آب به سیمان: استفاده از آب بیش از نیاز در طرح اختلاط بتن باعث ایجاد منافذ موئینه بیشتر پس از خشک شدن بتن می‌شود. این منافذ می‌توانند مسیر مناسبی برای نفوذ گازها فراهم کنند.
• تراکم ناکافی و ویبره نامناسب: باقی ماندن حفره‌ها و هوای محبوس در بتن، نفوذپذیری آن را افزایش می‌دهد و ورود دی اکسید کربن به داخل بتن را آسان‌تر می‌کند.
• عمل آوری نامناسب: اگر بتن در روزهای ابتدایی به درستی عمل‌آوری نشود، هیدراتاسیون سیمان به طور کامل انجام نمی‌شود و لایه‌های سطحی بتن ممکن است متخلخل‌تر و ضعیف‌تر شوند. این موضوع زمینه را برای شکل گیری کربناسیون افزایش می دهد.
• ضخامت ناکافی کاور بتن: هرچه فاصله سطح بتن تا آرماتورها کمتر باشد، جبهه کربناسیون مسیر کوتاه‌تری برای رسیدن به میلگردها خواهد داشت. بنابراین، ضخامت ناکافی کاور بتن می تواند عامل کربناسیون بشد.
• نوع و مقدار سیمان: نوع سیمان و مقدار آن بر میزان محصولات هیدراتاسیون و ظرفیت بتن برای حفظ خاصیت قلیایی اثر می‌گذارد و در نتیجه می‌تواند رفتار بتن در برابر کربناسیون را تغییر دهد.

تاثیرات کربناسیون روی بتن‌های اجرا شده

تأثیر کربناسیون را می‌توان در دو بخش اصلی بررسی کرد. در قدم اول ممکن است کربناسیون روی خود بتن تاثیر بگذارد، در اکثر مواقع نیز روی آرماتورهای مدفون در بتن تاثیر خواهد گذاشت. در ادامه دقیق‌تر تاثیر کربناسیون را بررسی می کنیم:

تاثیر بر خصوصیات فیزیکی و مکانیکی بتن

کربناسیون در مراحل اولیه لزوما باعث کاهش مستقیم مقاومت فشاری بتن نمی‌شود. حتی در برخی شرایط، تشکیل کربنات کلسیم می‌تواند باعث متراکم‌تر شدن بخشی از ساختار سطحی بتن و افزایش جزئی مقاومت آن شود. با این حال، این اثر به معنی بی‌ضرر بودن کربناسیون نیست. کاهش خاصیت قلیایی بتن، تغییرات ریزساختاری و جمع شدگی ناشی از کربناسیون می‌تواند به ایجاد تنش و ترک‌های ریز در بتن منجر شود. بنابراین، ممکن است سطح بتن در مراحل اولیه از نظر ظاهری یا حتی برخی ویژگی‌های مکانیکی، تغییر منفی محسوسی نشان ندهد. در حالی که از نظر دوام و حفاظت از آرماتورها، شرایط آن در حال تغییر است.

تاثیر بر آرماتورها و عملکرد سازه

مهم‌ترین پیامد کربناسیون در بتن مسلح، کاهش خاصیت قلیایی محیط اطراف آرماتورها و از بین رفتن شرایط لازم برای پایداری لایه پسیو فولاد است. مهم‌ترین پیامدهای این فرآیند شامل موارد زیر هستند:

• از بین رفتن لایه مقاوم در بتن: کاهش خاصیت قلیایی بتن بعد از کربناسیون می‌تواند پایداری لایه محافظ روی فولاد را کاهش داده و احتمال آغاز خوردگی آرماتور را افزایش دهد.
• شروع خوردگی و افزایش حجم محصولات خوردگی: فولاد در حضور آب و اکسیژن می‌تواند دچار خوردگی شود. محصولات خوردگی فولاد حجم بیشتری نسبت به فلز اولیه دارند و همین موضوع احتمال ترک خوردگی را افزایش می دهد.
• ترک خوردگی و جدا شدن کاور بتن: افزایش حجم محصولات خوردگی باعث ایجاد فشار داخلی در بتن اطراف میلگرد می‌شود. در صورت افزایش این فشار، ترک‌های طولی در امتداد آرماتورها ایجاد شده و در مراحل پیشرفته‌تر، پوسته‌ شدن و جدا شدن کاور بتن رخ می‌دهد.
• کاهش ظرفیت باربری: ادامه خوردگی بتن می‌تواند سطح مقطع آرماتورها را کاهش داده و همزمان پیوستگی میان بتن و فولاد را تضعیف کند. در این شرایط بتن با مقاومت بالا، کم کم مقاومت خود را از دست می دهد. به طوری که احتمال کاهش مقاومت کششی بتن و فشاری آن وجود دارد.

چه عواملی سرعت کربناسیون در بتن را افزایش می دهند؟

سرعت کربناسیون بتن همیشه یکسان نیست و عواملی می توانند این فرآیند را تشدید کنند. به طور کلی، رطوبت محیطی، غلظت دی اکسید کربن، نسبت آب به سیمان و کیفیت عمل آوری و افزودنی بتن، همگی می توانند روی نتیجه کربناته شدن و سرعت آن تاثیر بگذارند.

روش‌های جلوگیری از کربناته شدن بتن در پروژه ها

پیشگیری از کربناسیون بتن ساده‌تر و کم هزینه‌تر از ترمیم بتن آسیب دیده است. برای کاهش سرعت کربناسیون می‌توان از مجموعه‌ای از اقدامات زیر را انجام داد تا هم احتمال این اتفاق به حداقل برسد و یا حتی اگر بتن در حال کربناسیون هست، بتوان از پیشرفت آن جلوگیری کرد. مهم‌ترین روش‌های جلوگیری از این مشکل عبارتند از:

1. بهینه سازی طرح اختلاط بتن

کاهش نسبت آب به سیمان و استفاده از روان کننده بتن و فوق روان کننده‌ها می‌تواند امکان دستیابی به کارایی مناسب با آب کمتر را فراهم کند و به کاهش تخلخل بتن کمک کند. علاوه بر این، موادی مانند میکروسیلیس، خاکستر بادی و سرباره می‌توانند با هیدروکسید کلسیم واکنش داده و باعث متراکم شدن بتن شوند که احتمال کربناته شدن را به حداقل می رساند. استفاده از بتن متراکم و کم نفوذ و عمل آوری مناسب آن نیز می تواند به پیشگیری از کربناسیون بتن کمک کند.

2. استفاده از افزودنی‌های بتن

استفاده صحیح از افزودنی‌های بتن می‌تواند به بهبود کارایی، کاهش آب اختلاط و افزایش تراکم بتن کمک کند. برای مثال، استفاده از روان‌کننده‌ها و فوق‌روان‌کننده‌ها امکان کاهش نسبت آب به سیمان را فراهم می‌کند. همچنین در شرایط خاص می‌توان از سایر افزودنی زودگیر کننده بتن برای کنترل زمان گیرش و بهبود ویژگی‌های بتن تازه و سخت شده استفاده کرد.

3. رعایت اصول اجرایی

بخشی از رند جلوگیری از کربناسیون بتن به اصول اجرایی آن باز می گردد. ضخامت پوشش بتن باید مطابق الزامات طراحی و مقررات مربوط به شرایط محیطی پروژه تعیین و به درستی اجرا شود. استفاده صحیح از تجهیزات تراکم و ویبره، از ایجاد حفره‌ها و نواحی متخلخل جلوگیری می‌کند. عمل ‌آوری صحیح بتن پس از اجرا، به تکمیل هیدراتاسیون و شکل گرفتن زیرساخت محکم تر بتن کمک می کند.

4. استفاده از پوشش‌های محافظ سطحی

در شرایطی که نیاز به حفاظت از بتن بیشتر وجود دارد، می‌توان از پوشش‌های سطحی مناسب برای کاهش نفوذ CO₂ به داخل بتن استفاده کرد. پوشش‌های آکریلیک، اپوکسی و برخی پوشش‌های سیلیکونی، بسته به شرایط پروژه و مشخصات محصول، می‌توانند به عنوان بخشی از سیستم حفاظت سطحی بتن استفاده شوند. انتخاب پوشش مناسب باید بر اساس شرایط محیطی و میزان نفوذپذیری مورد نیاز انجام شود.

چگونه می توان عمق کربناسیون بتن را تشخیص داد؟

برای تشخیص و ارزیابی کربناسیون بتن می‌توان از روش‌های مختلف آزمایشگاهی و میدانی استفاده کرد. انتخاب روش مناسب به هدف آزمایش، میزان دقت مورد نیاز و شرایط سازه بستگی دارد که در ادامه دقیق‌تر می توان آن‌ها را بررسی کرد:

۱. آنالیز طیف مادون قرمز برای تشخیص کربناسیون بتن

آنالیز طیف مادون قرمز یکی از روش‌های آزمایشگاهی برای بررسی میزان جذب دی اکسید کربن در نمونه بتن است. در این روش، نمونه بتن در یک سیستم بسته قرار می‌گیرد و ترکیبی از هوا و دی اکسید کربن با میزان مشخصی از رطوبت در داخل سیستم به گردش درمی‌آید. در طول آزمایش، دی اکسید کربن موجود در مخلوط گازی با ترکیبات بتن واکنش داده و غلظت آن به تدریج کاهش پیدا می‌کند. میزان دی اکسید کربن موجود در گاز با استفاده از دستگاه جذب مادون قرمز اندازه گیری می‌شود.

۲. آزمایش شاخص pH با فنل فتالئین

آزمایش فنل فتالئین یکی از روش‌های ساده و رایج برای بررسی عمق کربناسیون بتن است. در این روش، محلول فنل فتالئین روی سطح تازه بتن پاشیده می‌شود تا تفاوت میان بخش کربناته شده و قسمت سالم بتن مشخص شود. اگر سطح بتن پس از استفاده از محلول به رنگ صورتی یا ارغوانی در بیاید، نشان‌ دهنده خاصیت قلیایی بالاتر در آن ناحیه و نشانه این است که بتن هنوز کربناته نشده است.

در مقابل اگر سطح بتن بدون تغییر رنگ باقی بماند، نشان می‌دهد که خاصیت قلیایی آن ناحیه کاهش یافته و احتمالا تحت تاثیر کربناسیون قرار گرفته است. با اندازه‌گیری فاصله میان سطح بتن و مرز تغییر رنگ، می‌توان عمق کربناسیون را نیز تعیین کرد. این اطلاعات برای بررسی میزان پیشروی کربناسیون و ارزیابی احتمال رسیدن آن به آرماتورها اهمیت زیادی دارد.

جمع بندی

کربناته شدن یا کربناسیون بتن یک فرآیند تدریجی است که در اثر نفوذ دی اکسید کربن به داخل بتن و واکنش آن با ترکیبات قلیایی خمیر سیمان رخ می‌دهد. مهم‌ترین اثر منفی این فرآیند، کاهش قلیایی بتن و توانایی آن در محافظت از آرماتورهای فولادی در برابر خوردگی است. کربناته شدن بتن ممکن است در مراحل اولیه تاثیر محسوسی بر ظاهر یا مقاومت فشاری بتن نداشته باشند؛ اما در صورت رسیدن آن‌ها به آرماتورها و فراهم شدن شرایط محیطی مناسب، احتمال خوردگی میلگرد و آرماتور در بتن، پوسته شدن بتن و حتی کاهش عملکرد سازه‌ای در بتن نیز وجود دارد. از همین جهت باید پیمانکاران و مجریان پروژه‌ها، تا حد ممکن است کربناسیون بتن جلوگیری کنند.