آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن (پتانسیل خوردگی بتن) چیست؟

آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن یا تست پتانسیل خوردگی بتن از معتبرترین و رایج‌ترین روش‌های غیرمخرب در بررسی خوردگی آرماتورهای بتن بوده که کاربرد گسترده‌ای در این زمینه کاری دارد. در تست هافسل (Half-Cell) بتن بررسی نواحی خوردگی بتن از طریق اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل بین فولاد داخل بتن و نیم سلول بیرون از آن صورت می‌گیرد. با استفاده از آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن می‌توان یک نقشه کلی درباره وضعیت خوردگی فعال آرماتورهای بتن تهیه کرد که این نقشه می‌تواند راهنمای خوبی برای طراحان در بررسی وضعیت بتن و رسیدگی به آن باشد.

با توجه به نقش مهم آزمایش هافسل یا تست پتانسیل خوردگی بتن در تشخیص خوردگی آرماتورها و کاربرد بسیار آن در سازه‌های بتنی، در این مطلب قصد داریم ضمن معرفی تست هافسل (Half-Cell) بتن به مزایا و محدودیت‌های این تست به همراه کاربردهای آن بپردازیم و در ادامه به تجهیزات مورداستفاده در آزمایش هافسل (Half-Cell)، مراحل انجام این آزمایش و نکات مهم در اجرای آن اشاره کنیم که امیدواریم این مطالب موردتوجه و استفاده شما مخاطبان قرار گیرد.   

آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن (پتانسیل خوردگی بتن) چیست؟

آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن یکی از کاربردی‌ترین روش‌ها در ارزیابی وضعیت خوردگی آرماتورها در بتن مسلح بوده که با عناوین دیگری چون تست هافسل (Half-Cell) بتن، تست نیم‌پیل، پتانسیل نیم سلول و پتانسیل خوردگی بتن نیز شناخته می‌شود. این روش غیرمخرب بوده و به همین دلیل برای اجرای آن نیازی به تخریب بخش خاصی از بتن نیست. در رابطه با فرایند خوردگی می‌توان گفت که این فرایند زمانی اتفاق می‌افتد که یک سازه در معرض کلرید یا CO2 قرار گیرد. در چنین حالتی این عناصر به داخل  بتن نفوذ کرده و به بخش آرماتور بتن می‌رسند که شرایط را برای خوردگی آن فراهم می‌کنند. از آن جایی که خوردگی آرماتورها با کاهش مقاومت و کارایی بتن همراه خواهد بود اجرای این تست در بررسی وضعیت آرماتورها از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.

سنجش پتانسیل الکتریکی بخش‌های مختلف بتن از طریق آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن می‌تواند یک راهکار مناسب برای تشخیص وضعیت الکتروشیمیایی آرماتورها در آن باشد. بر همین اساس اندازه‌گیری‌های صورت‌گرفته نشان می‌دهد که توزیع پتانسیل‌ها در بتن یکنواخت نبوده و در بخش‌هایی از آن می‌تواند منفی‌تر از دیگر بخش‌ها باشد. پس با اندازه‌گیری این اختلاف پتانسیل‌ها و مقایسه آنها می‌توان نواحی از بتن که دچار فرسودگی فعال شده را شناسایی کرد. در آخر از تست پتانسیل خوردگی بتن برای میلگردهایی استفاده می‌شود که در تماس الکتریکی با الکترود نیم‌ سول قرار داشته باشند. همچنین امکان اجرای این تست برای میلگردهایی وجود دارد که فاقد پوشش الکتریکی باشند یا پوشش آنها برداشته شده باشد.

مزایا و محدودیت‌های تست هافسل (Half-Cell) بتن

تست هافسل (Half-Cell) بتن (پتانسیل خوردگی بتن) از مزایای بسیاری برخوردار بوده که از مهم‌ترین آنها می‌توان به سرعت اجرایی بالای این آزمایش و غیرمخرب بودن آن اشاره کرد. همچنین آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن از امکان پوشش سطوح بزرگ برخوردار بوده و از طریق آن می‌توان یک نقشه پتانسیل برای شناسایی نواحی بحرانی تهیه کرد. از طرفی تست هافسل (Half-Cell) بتن می‌تواند یک روش مناسب برای پایش دوره‌ای سازه باشد که از آن می‌توان برای تشخیص زودهنگام مشکل خوردگی استفاده کرد. از دیگر مزایای آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن می‌توان به هزینه‌های پایین اجرای آن در مقایسه با روش‌های مخرب متداول در این زمینه باشد.

البته تست هافسل (Half-Cell) بتن در کنار مزایایی که دارد از یک سری محدودیت‌ها نیز برخوردار بوده که لازم است قبل از به‌کارگیری آن موردتوجه قرار گیرند. در ابتدا لازم به ذکر است که از این آزمایش تنها برای نشان دادن احتمال خوردگی استفاده می‌شود و در تعیین نرخ دقیق خوردگی کاربردی ندارد. از محدودیت‌های آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن می‌توان به حساسیت آن به عواملی چون رطوبت سطح، پوشش‌ها و غیره اشاره کرد. همچنین در صورت استفاده از الکترود نامناسب در اجرای آزمایش هافسل (Half-Cell) این امکان وجود دارد که نتیجه نهایی از دقت لازم برخوردار نباشد.

کاربردهای آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن (پتانسیل خوردگی بتن)  

آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن (پتانسیل خوردگی بتن) به دلیل نوع اجرا و مزایایی که دارد از کاربردهای وسیعی برخوردار بوده که در این بخش به معرفی آنها می پردازیم. از کاربرد تست هافسل (Half-Cell) بتن می‌توان به استفاده از آن در سازه‌های در معرض رطوبت بالا از قبیل پل‌ها، اسکله‌ها، پارکینگ‌ها و غیره اشاره کرد. در این پروژه‌ها به دلیل وجود رطوبت و احتمال نفوذ یون کلرید و کربناسیون ریسک خوردگی بیشتر بوده و به همین دلیل لازم است به صورت دوره‌ای مورد بررسی قرار گیرند.

کاربرد دیگر آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن به استفاده از آن در انواع سازه‌های بتن مسلح از قبیل دال‌ها، ستون‌ها، فونداسیون‌ها، دیوارهای حائل و غیره برمی‌گردد که امکان خوردگی آرماتور در آنها به دلیل شرایط محیطی خاص وجود دارد. همچنین از تست پتانسیل خوردگی بتن می‌توان در سازه‌های صنعتی و تأسیسات اجرا شده  در محیط‌های نمکی نیز استفاده کرد.

علاوه بر این، تست پتانسیل خوردگی بتن در ارزیابی سازه‌های قدیمی به‌منظور برنامه‌ریزی تعمیر و بازسازی نقش مهمی ایفا می‌کند. از سوی دیگر، با توجه به غیرمخرب بودن این روش، می‌توان آن را در مقیاس وسیع برای بررسی سازه‌های مختلف، از جمله المان‌ها و قطعات بتن پیش‌ساخته که در پروژه‌های گوناگون اجرا و نصب می‌شوند، به‌کار برد.

تجهیزات تست هافسل (Half-Cell) بتن (پتانسیل خوردگی بتن)

در تست هافسل (Half-Cell) بتن از تجهیزات مختلفی استفاده می‌شود که از جمله آنها می‌توان به الکترود مرجع، دستگاه اتصال الکتریکی، محلول هادی، ولت‌متر، سیم‌های اتصال و غیره اشاره کرد که در ادامه به معرفی هر کدام از آنها خواهیم پرداخت.

استفاده از الکترود مرجع در تست هافسل (Half-Cell) بتن

از تجهیزات مورداستفاده در آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن می‌توان به الکترود مرجع اشاره کرد که برای این کار از الکترودی استفاده می‌شود که از پتانسیل ثابت در محدوده دمایی ۰ تا ۴۹ درجه سانتیگراد برخوردار باشد. معمولاً برای این کار می‌توان از هر الکترودی با مشخصات مشابه از نظر دقت و پایداری به عنوان الکترود مرجع استفاده کرد که الکترود کالمل می‌تواند انتخاب مناسبی در این زمینه به ویژه در مطالعات آزمایشگاهی باشد. البته برای شرایط خاص که امکان غوطه‌وری الکترود در آب وجود دارد معمولاً از الکترود نقره (کلرید نقره) همراه با KCl استفاده می‌شود.

نقش دستگاه اتصال الکتریکی در آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن

دستگاه اتصال الکتریکی از دیگر تجهیزات مورداستفاده در اجرای تست هافسل (Half-Cell) بتن بوده که از آن برای ایجاد پل مایع با مقاومت پایین در بین الکترود مرجع و سطح بتن استفاده می‌شود. برای این کار معمولاً از یک یا چند لایه اسفنج استفاده می‌شود که به محلول هادی و رسانا آغشته شده‌اند. بدین صورت که اسفنج به دور سر الکترود پیچیده می‌شود تا از این طریق یک تماس الکتریکی پایدار در بین سطح بتن و سر متخلخل الکترود ایجاد گردد. همچنین در رابطه با حداقل مساحت سطح اسفنج مورداستفاده برای این کار می‌توان گفت که مساحت آن می‌بایست به اندازه قطر دایره‌ای باشد که اندازه آن یک‌سوم قطر سنگ‌دانه درشت بتن است.

استفاده از محلول هادی در تست هافسل (Half-Cell) بتن

محلول هادی از دیگر متریال مهم و ضروری در اجرای آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن بوده که از آن برای استانداردسازی افت ولتاژ در بخش بتن مدار استفاده می‌گردد. در این محلول معمولاً از ۹۵ میلی‌لیتر عامل ترکننده مانند مایع شوینده خانگی به ازای ۱۹ لیتر آب استفاده می‌شود. از آن جایی که کدر شدن محلول می‌تواند باعث کاهش نفوذ آن در بتن شود برای جلوگیری از این موضوع از الکل ایزوپروپیل یا الکل دناتوره ‌شده در آن استفاده می‌شود تا پتانسیل اندازه‌گیری شده از دقت لازم برخوردار باشد. همچنین برای افزایش پایداری در اندازه‌گیری‌ها می‌توان از ژل‌های هادی استفاده کرد که باعث کنترل نوسانات پتانسیل به دلیل پیوند متغیر مایع می‌شود.

نقش ولت‌متر در آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن

در تست هافسل (Half-Cell) بتن از ولت‌متر نیز استفاده می‌شود که این ولت‌مترها باید از قابلیت اندازه‌گیری ولتاژ DC برخوردار باشند و بتوان در آنها از باتری نیز استفاده کرد. البته ولت‌مترهای دیجیتال با امپدانس ورودی متغیر و قابل تنظیم معمولاً بین ۱۰ الی ۲۰۰ (MΩ) می‌توانند گزینه مناسبی برای این کار باشند.

استفاده از سیم‌های اتصال  و دیگر تجهیزات در تست (Half-Cell) هافسل بتن

در آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن از یک سری سیم‌های اتصال نیز استفاده می‌شود که مقاومت آنها نباید باعث ایجاد افت ولتاژی بیشتر از ۱۰۰ میکروولت (µV) شود. از طرفی لازم است در این سیم‌ها از عایق مناسب نیز استفاده شود تا بتوان از آنها در شرایط مختلف مثلاً در حالت دفن در زیر خاک نیز استفاده کرد. از دیگر تجهیزات مورداستفاده در تست هافسل (Half-Cell) بتن می‌توان به الکترود مرجع با دستگاه چرخان برای استفاده در پروژه‌های بزرگ و همچنین ولت‌ مترهای ضبط‌ کننده اشاره کرد که از آنها می‌توان برای ضبط هم‌زمان فاصله و پتانسیل استفاده کرد.

مراحل اجرای آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن (پتانسیل خوردگی بتن)  

اجرای صحیح و اصولی تست هافسل (Half-Cell) بتن نیازمند پیمودن یک سری مراحل بوده که در این بخش و به‌صورت گام به گام به معرفی و بررسی آنها می پردازیم.

مرحله اول آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن: شناسایی محل میلگرد

گام اول تست هافسل (Half-Cell) بتن به شناسایی محل میلگردها مربوط می‌شود که از آن با عنوان شناسایی نقاط آزمون نیز یاد می‌گردد. بدین صورت که از طریق یک شبکه شماتیک و اندازه‌گیری‌های انجام شده در آن می‌توان به مدیریت بهتر نتایج آزمایش پرداخت. البته در رابطه با فاصله شبکه هیچ قانون کلی وجود ندارد و می‌تواند به صورت‌های مختلف باشد. از طرفی هر چه مش ریزتر باشد اندازه‌گیری‌ها دقیق‌تر بوده که این موضوع می‌تواند با بالا رفتن هزینه‌های اجرایی تست همراه باشد. علاوه بر آن بیشتر شدن فاصله نیز باعث کاهش دقت و وضوح نتایج آزمایش می‌شود که لازم است به این موضوع نیز توجه شود. پس با توجه به شرایط و وضعیت منطقه مورد بررسی لازم است از فواصل مناسبی برای این کار استفاده گردد.

مرحله دوم تست هافسل (Half-Cell) بتن: بر قراری اتصال بین آرماتور و نقطه اتصال

در گام دوم آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن لازم است یک اتصال مؤثر در بین آرماتور و نقطه اتصال ایجاد گردد و چنان چه آرماتورها دارای ناپیوستگی باشند این اتصال می‌بایست در چند نقطه صورت گیرد. همچنین برای برقراری یک اتصال الکتریکی سالم به آرماتورها می‌توان بخشی از پوشش بتنی را به صورت موضعی برداشت. البته قبل از حفاری در بتن و برداشتن بخشی خاصی از آن لازم است از طریق دستگاه‌های میلگردیاب محل قرارگیری آرماتورها به صورت دقیق شناسایی شود و سپس نسبت به حفاری موضعی اقدام گردد.

 مرحله سوم آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن: اتصال برق به ولت‌متر

گام سوم تست هافسل (Half-Cell) بتن به اتصال برق به ولت‌متر اختصاص داده می‌شود که برای این کار کابل سرب اتصال به الکترود مرجع وصل می‌گردد که این کار از طریق پایانه منفی آن صورت می‌گیرد. علاوه بر آن سیم سرب دیگر را می‌بایست در محل مرجع به شبکه میلگرد متصل نمود. البته برای این کار لازم است از ولت متری استفاده شود که از قابلیت اندازه‌گیری جریان مستقیم برخوردار باشد و در کار با آن بتوان از باتری نیز استفاده کرد. همچنین این ولت‌متر می‌بایست از امپدانس ورودی متغیر برخوردار باشد تا از طریق آن بتوان به قرائت‌ها و نتایج دقیق در این زمینه دست یافت.

مرحله چهارم تست هافسل (Half-Cell) بتن: آماد سازی سطح بتن از طریق مرطوب کردن

در گام چهارم آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن لازم است سطح بتن برای شروع کار آماده شود که این کار از طریق مرطوب کردن سطح بتن صورت می‌گیرد. مخصوصاً در مواقعی که سطح بتن بسیار خشک بوده این کار از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. برای مرطوب‌سازی سطح بتن می‌توان از پاشیدن آب بر روی سطح آن استفاده کرد که استفاده از اسفنج مرطوب نیز می‌تواند یک روش دیگر برای این کار باشد.

مرحله پنجم آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن: انجام اندازه‌گیری‌ها

در گام پنجم و آخر تست هافسل (Half-Cell) بتن پس از شناسایی محل میلگرد، برقراری اتصال، آماده سازی سطح بتن و استفاده از ولت‌متر نوبت به انجام اندازه‌گیری‌ها می‌رسد که برای هر نقطه از آزمایش با مختصات ویژه لازم است مقدار پتانسیل مشخصی ثبت گردد. از طرفی تغییرات دمایی می‌تواند بر نتایج اندازه‌گیری شده تأثیرگذار باشد و به همین خاطر لازم است در مقادیر اندازه‌گیری شده تأثیر تغییرات دمایی نیز لحاظ شود. در آخر سرعت اندازه‌گیری‌ها در این روش بالا بوده و همین موضوع نیز باعث می‌شود فرایند اندازه‌گیری را بتوان برای بخش‌های مختلف بتن با سرعت بالا انجام داد.

نکات مهم در رابطه با اجرای تست هافسل (Half-Cell) بتن

در اجرای آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن لازم است به یک سری نکات توجه شود که در این بخش به بررسی آنها می پردازیم. نکته اول اینکه مقاومت الکتریکی بالای پوشش بتن می‌تواند باعث ایجاد اختلال در اندازه‌گیری دقیق و مؤثر تست شود که برای این کار لازم است سطح بتن خیس شود تا تأثیر مقاومت الکتریکی کم و در نتیجه دقت در اندازه‌گیری تست بالا رود. از طرفی پوشش متراکم و ضخامت بالای بتن نیز باعث کاهش مقدار اکسیژن موجود در آن شده که این موضوع با منفی‌تر شدن پتانسیل هافسل همراه خواهد بود که دلیلی بر وجود قطعی خوردگی در آن نیست.

نکته بعدی در اجرای تست هافسل (Half-Cell) بتن توجه به سطح بتن بوده که لازم است عاری از هر گونه رنگ و پوشش شیمیایی باشد تا نتیجه نهایی تست از اعتبار بیشتری برخوردار باشد. همچنین یک سری موارد از قبیل تست آرماتور فولاد ضدزنگ با روکش زینک نیز می‌تواند باعث ایجاد خطا در اندازه‌گیری‌ها شود که لازم است به این موضوع نیز توجه کافی شود. در آخر وجود هر گونه پوشش از جمله آسفالت بر روی بتن می‌تواند با کاهش دقت در اندازه‌گیری‌ها همراه باشد که برای حل این مشکل لازم است لایه آسفالت سوراخ شود.

مقایسه آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن با دیگر تست‌های رایج در این زمینه

در کنار آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن از تست‌های دیگری چون تست گالواپالس، تست مقاومت‌سنجی، تست آنالیز شیمیایی کلراید و تست مغزه‌ گیری نیز در انواع آزمایش بتن و آرماتور استفاده می‌شود که در ادامه به مقایسه و بررسی آنها می پردازیم.

از تست گالواپالس برای بررسی سرعت خوردگی آرماتور استفاده می‌شود که می‌تواند نتایج مفیدی در رابطه با عمر باقیمانده از سازه در اختیار  طراحان قرار دهد. از آن جایی که از تست هافسل (Half-Cell) بتن برای غربالگری اولیه بتن استفاده می‌شود و تست گالواپاس نیز در بررسی سرعت خوردگی کاربرد دارد، این دو تست می‌توانند مکمل مناسبی برای هم باشند.

از تست مقاومت‌سنجی به عنوان دیگر تست کاربردی در این زمینه برای اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی بتن استفاده می‌شود. با اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی بتن می‌توان به میزان نفوذپذیری آن و پتانسیل خوردگی بتن پی برد که هر چه این مقاومت الکتریکی پایین‌تر باشد شرایط برای خوردگی بتن مناسب‌تر خواهد بود. پس با مقایسه تست مقاومت‌سنجی با آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن می‌توان گفت که این دو تست می‌توانند مکمل خوبی برای هم باشند.

از تست آنالیز شیمیایی کلراید نیز برای تعیین میزان pH و یون کلراید در عمق‌ ساختار بتن استفاده می‌شود که از طریق آن می‌توان به دلایل اصلی خوردگی بتن پی برد. پس در مقایسه این دو تست می‌توان گفت که از تست هافسل (Half-Cell) بتن برای شناسایی نقاط مشکوک به خوردگی استفاده می‌شود که از طریق تست آنالیز شیمیایی کلراید می‌توان با دلیل خوردگی این نقاط آشنا شد.

در آخر از تست مغزه‌ گیری و بازرسی آرماتور برای ارزیابی و بازرسی بصری و مستقیم آرماتورها استفاده می‌شود. با این تست امکان اندازه‌گیری مستقیم آسیب در آرماتور وجود دارد که از طریق آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن می‌توان به غربالگری نقاط خوردگی پرداخت و در نهایت با شناسایی این نقاط عملیات بازرسی مستقیم را به صورت هدفمند انجام داد.

بررسی درصد خوردگی آرماتور از روی اختلاف پتانسیل اندازه‌گیری‌شده

از روی اختلاف پتانسیل اندازه‌گیری‌ شده می‌توان تا حدودی به میزان احتمال خوردگی آرماتور پی برد که در این بخش نتایج به دست آمده از این بررسی را در قالب یک جدول برای شما آماده کرده‌ایم.

محدوده رنگ‌بندی برای نقشه پتانسیل خوردگی بتن

میزان احتمال خوردگی آرماتورها از روی محدوده پتانسیل اندازه‌گیری شده را می‌توان با استفاده از یک سری رنگ‌بندی‌ها نمایش داد که در ادامه و در قالب جدول زیر به بررسی آنها می پردازیم.

بررسی حداقل تعداد نقاط برداشت پتانسیل بر اساس مساحت

در این بخش قصد داریم در قالب یک جدول به بررسی حداقل تعداد نقاط برداشت پتانسیل بر اساس مساحت بپردازیم که به صورت زیر خواهد بود.

کلام پایانی: تست هافسل (Half-Cell) بتن یک روش غیرمخرب در ارزیابی بتن

در رابطه با آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن یا تست پتانسیل خوردگی بتن می‌توان گفت که اندازه‌گیری‌های پتانسیل نیم‏ سلول در این تست معمولاً در مواردی انجام می‌شود که خوردگی آرماتور قطعی باشد و یا امکان وقوع آن بسیار محتمل باشد. همچنین اجرای این تست بر اساس استاندارد ASTM C876 صورت می‌گیرد که طبق این استاندارد اندازه‌گیری‌های به دست آمده مستقل از سایز و ابعاد بتن مسلح و همچنین ضخامت پوشش روی میلگرد است. علاوه بر آن تست هافسل (Half-Cell) بتن غیرمخرب بوده و امکان اجرای آن در هر زمان از عمر بتن وجود دارد.

از آن جایی که تفسیر نتایج به دست آمده از آزمایش هافسل (Half-Cell) بتن نیاز به دقت بالا دارد این کار می‌بایست توسط افراد متخصص و با تجربه صورت گیرد تا نتیجه نهایی تست از ارزش و اعتبار لازم برخوردار باشد. در آخر از دیگر روش‌های تست خوردگی آرماتور می‌توان به عنوان روش‌های مکمل در کنار تست هافسل (Half-Cell) بتن استفاده کرد که این موضوع به کارشناسان در اتخاذ تصمیمات بهتر و کامل‌تر برای رسیدگی به وضعیت بتن کمک زیادی می کند.