آزمایش هافسل (پتانسیل خوردگی بتن)

خوردگی یک فرآیند طبیعی است که زمانی اتفاق می‌افتد که یک سازه در معرض عناصری مانند CO2 یا کلرید قرار می‌گیرد که می‌تواند در آرماتور فولادی در بتن نفوذ کند. این می تواند دوام و عواقب ایمنی جدی داشته باشد، به همین دلیل است که نظارت بر خوردگی با استفاده از روشی دقیق و قابل اعتماد بسیار مهم است.
آزمایش هافسل (پتانسیل خوردگی) تنها تکنیک پایش خوردگی در ASTMC876-15 می‌باشد که روش تست استاندارد برای پتانسیل‌ خوردگی آرماتور بدون پوشش در بتن استاندارد شده است. از این آزمایش که یکی از انواع تست‌‌های غیر مخرب بتن می‌باشد برای تعیین محل‌های فعال و محتمل خوردگی در میلگرد در سازه های بتن مسلح استفاده می‌شود.

مبانی خوردگی بتن

در سازه های بتن مسلح یک لایه محافظ طبیعی وجود دارد که روی سطح ایجاد می شود و از خوردگی میلگرد جلوگیری می‌کند. با گذشت زمان، کلریدها (ناشی از نمک های یخ زدایی یا قرار گرفتن در محیط های خورنده و سولفاتی) و یا CO2 به بتن نفوذ کرده و آن لایه محافظ را تجزیه می‌کنند. کلریدها لایه غیرفعال را ناپایدار می‌کنند که منجر به شکست موضعی آن می‌شود، در حالی کهCO2 میزان ‌PH بتن را زیر سطح پایداری لایه غیرفعال کاهش می دهد. در حضور اکسیژن و آب، یک واکنش الکتروشیمیایی فرآیند خوردگی را آغاز می‌کند.

خوردگی را می توان همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است نشان داد، جایی که فلز (میلگرد) در محلول (موجود در منافذ بتن) واکنش نشان می‌دهد و الکترون‌ها را از آند (محل اکسید شدن) به کاتد (جایی که کاهش رخ می‌دهد) انتقال می‌دهد. یون‌های مثبت تشکیل شده در سطح آند واکنش داده و محصولات فرعی خوردگی ایجاد می‌کنند. این واکنش الکتروشیمیایی یک اختلاف پتانسیل و در نتیجه یک جریان خوردگی را بین نواحی آندی و کاتدی در سطح آرماتور فولادی ایجاد می‌کند. این جریان یا توزیع پتانسیل روی سطح تقویت‌کننده، چیزی است که هنگام اندازه‌گیری پتانسیل هافسل مورد توجه است.

تکنیک هافسل

شکل زیر یک پیل را نشان می‌دهد که در آن هر ضلع به عنوان نیم پیل نامیده می‌شود. هر نیم پیل با یک الکترود در محلول (الکترولیت) نشان داده می‌شود و هر دو نیم پیل به هم متصل هستند. از آنجایی که یکی از الکترودها نسبت به دیگری تمایل بیشتری به خوردگی دارد، آن الکترود (آند) اکسید می‌شود و به نوبه خود الکترون اهدا می‌کند.

برای حفظ تعادل سیستم و تعادل بارهای موجود در الکترولیت‌ها، تبادل یون‌ها از طریق پل نمک انجام می‌شود. ولت متر اختلاف پتانسیل (ولتاژ) بین هر دو الکترود را اندازه گیری می‌کند که میزان انحلال آند را نشان می‌دهد.
برای اعمال این مفهوم در بتن و تفسیر نتایج پتانسیل خوردگی، یک الکترود مرجع با پتانسیل شناخته شده مورد نیاز است. به طور معمول، برای کاربردهای بتن مسلح، یک الکترود سولفات مس/مس (Cu/CuSO4) یا الکترود نقره/کلرید نقره (Ag/AgCl) برای مرجع نیمه پیل استفاده می‌شود. این الکترود مرجع به نیم پیل دیگر که توسط میلگرد تعبیه شده نشان داده شده است متصل می‌شود. با اتصال آن الکترود مرجع به فولاد تقویت کننده و قرار دادن الکترود مرجع بر روی سطح بتن، می‌توان اختلاف پتانسیل بین دو نیم پیل را اندازه گیری کرد.

ASTM C876 دستورالعملی در مورد چگونگی انجام این اندازه گیری و رابطه بین مقادیر بالقوه اندازه گیری شده و احتمال خوردگی ارائه می‌دهد. تفسیر نتیجه کیفی است و بر اساس الکترود سولفات مس (CSE) است. در جدول زیر دستورالعمل تفسیر کلی پیشنهاد شده توسط ASTM را نشان می‌دهد که در آن محدوده‌های پتانسیل اندازه گیری شده در سه دسته احتمال بیش از 90٪، احتمال کمتر از 10٪ یا احتمال خوردگی‌ نامشخص طبقه بندی می‌شوند.

احتمال شروع فعالیت خوردگی

مراحل انجام تست هافسل

در نگاه اول، این روش تست بسیار ساده به نظر می‌رسد و شامل مراحل زیر است:

•  شناسایی محل میلگرد

اولین مرحله این است که نقاط آزمون را شناسایی کنید. به طور کلی، یک شبکه شماتیک به شما کمک می‌کند تا اندازه گیری ها را به آرامی انجام دهید و نتایج آزمایش را مدیریت کنید. هیچ قانون کلی در مورد فاصله شبکه وجود ندارد. مش ریزتر دقیق تر، اما هزینه آن گران تر نیز خواهد بود. فاصله بیشتر می‌تواند وضوح نتایج آزمایش را کاهش دهد و ممکن است منجر به اندازه گیری پتانسیل نیم پیل نادرست شود. با توجه به منطقه مورد بررسی باید فاصله مناسبی انتخاب شود.

•  بر قراری اتصال بین آرماتور اتصال (اگر بین آرماتورها ناپیوستگی وجود داشته باشد بیش از یک اتصال لازم است)

پتانسیل نیم پیل در هر نقطه آزمایش به یک نقطه مرجع یکسان اندازه گیری می‌شود. اتصال الکتریکی به شبکه میلگرد در این مکان مرجع مورد نیاز است. به طور معمول، پوشش بتنی باید به صورت موضعی برداشته شود (این را می توان با حفاری در بتن به دست آورد)، تا یک اتصال الکتریکی سالم به میلگرد برقرار شود. برای انجام این کار، ابتدا باید میلگرد را پیدا کنید (این کار را می‌توان با استفاده از میلگرد یاب انجام داد). شبکه میلگرد به طور معمول یک شبکه یکپارچه را فراهم می‌کند. با این حال، در مناطق بزرگتر، مانند دال‌های عرشه، باید بررسی کرد که آیا شبکه میلگرد فولادی یکپارچه است یا خیر.

•  اتصال برق به ولت متر

کابل سرب اتصال از پایانه منفی باید به الکترود مرجع وصل شود، در حالی که سیم سرب دیگر باید به شبکه میلگرد در محل مرجع متصل شود. ولت متر باید بتواند ولتاژ جریان مستقیم (dc) را اندازه گیری کند و ظرفیت کار با باتری را داشته باشد. ولت متر باید دارای یک مقاومت ظاهری (امپدانس) ورودی متغیر از 10 تا 200 MΩ باشد که می‌توان برای تعیین امپدانس ورودی مورد نیاز برای بدست آوردن قرائت‌های دقیق استفاده کرد.

•  آماد سازی سطح بتن از طریق مرطوب کردن

اگر سطح بتن خیلی خشک باشد، نیاز به مرطوب کردن است. این کار را می‌توان با پاشیدن آب روی محل مورد آزمایش یا با استفاده از یک اسفنج مرطوب به دست آورد. ASTM C 876 توضیح می‌دهد که چگونه می‌توان به شرایط رطوبت مناسب دست یافت.

•  انجام اندازه گیری‌ها

در هر مکان، مقدار پتانسیل نیم پیلی باید با نزدیکترین 0.01 ولت (ASTM C 876) ثبت شود. برای هر نقطه، مختصات نقطه آزمایش و هم‌چنین مقدار پتانسیل خوردگی را ثبت کنید. اگر شرایط آب و هوایی، از جمله دما تغییر کند، مقادیر اندازه گیری نیم سلولی باید برای تغییرات دما تنظیم شود.
سرعت اندازه‌گیری‌ها سریع هستند، زیرا مقادیر بالقوه فقط چند ثانیه طول می‌کشد تا قبل از اندازه‌گیری بعدی تثبیت شوند. با این حال، محدودیت‌های مهمی از نظر تفسیر داده ها وجود دارد که باید در نظر گرفته شود.

عوامل تاثیرگذار بر نتایج تست هافسل (نیم پیل)

تأثیر شرایط بتن (خشک یا مرطوب)، وجود کلرید، عدم وجود اکسیژن در سطح میلگرد (به دلیل اشباع)، ضخامت پوشش، مقاومت بتن و دما همگی عواملی هستند که می‌توانند با تغییر میزان پتانسیل آن‌ها با حرکت به سمت یک مقدار مثبت یا منفی تر بر نتایج تأثیر بگذارند.
در جدول زیر محدوده‌های معمول پتانسیل های نیم پیلی میلگرد در بتن نشان داده شده است:

علاوه بر این، اندازه‌گیری نیم پیلی یک اندازه‌گیری ناحیه‌ای در نظر گرفته می‌شود، زیرا یک اندازه‌گیری پتانسیل متوسط از محیط اطراف را می‌گیرد. یک مثال در شکل زیر نشان داده شده است، که در آن پتانسیل اندازه گیری شده نوعی میانگین را در یک فاصله مشخص نشان می دهد و مکان واقعی میله خورده شده می تواند حتی با نگاشت پتانسیل خوردگی، چالش برانگیز باشد.

با این وجود، این تکنیک به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد زیرا تنها تکنیک پایش خوردگی است که توسط ASTM استاندارد شده است.

پارامترهای زیر می‌توانند بر اندازه گیری پتانسیل خوردگی تأثیر بگذارند:

• مقاومت الکتریکی بتن
•  تراکم بتن
•  ضخامت پوشش
• پوشش های اپوکسی
•  وجود روکش آسفالت
•  در دسترس بودن اکسیژن

نکاتی در مورد تست هافسل

• به دست آوردن اندازه گیری موثر و قابل اعتماد زمانی که مقاومت الکتریکی پوشش بتن بالا باشد دشوار است. خیس کردن سطح بتن می‌تواند به کاهش تاثیر مقاومت الکتریکی در اندازه گیری تست کمک کند. پوشش متراکم و هم‌چنین پوشش ضخیم بتن ممکن است مقدار اکسیژن را کاهش دهد و منجر به مقادیر پتانسیل نیم پیلی منفی تر شود، بدون اینکه لزوماً دارای خوردگی فعال باشد.
•  کاهش غلظت اکسیژن در سطح آرماتور فولادی در بتن کاملاً اشباع منجر به قرائت پتانسیل خوردگی منفی تر می‌شود.
•  چالش دیگر زمانی است که سطح بتنی با پوشش یا آسفالت پوشانده شود. اندازه گیری موثر روی روکش‌های آسفالت امکان پذیر نیست. در این مورد، عمل کلی این است که لایه آسفالت را سوراخ کنید تا به سطح بتن برسیم. برای ایجاد اتصالات الکتریکی بین الکترود و سطح بتن می‌توان از محلول‌های رسانا استفاده کرد.
• هنگام انجام آزمایش پتانسیل نیم پیلی، باید به یاد داشته باشید که سطح باید عاری از رنگ، و پوشش‌های شیمیایی اپوکسی باشد. هم‌چنین تست آرماتور فولاد ضد زنگ و میلگرد با روکش زینک ریچ اپوکسی احتمال خطا در اندازه گیری‌ها را افزایش می‌دهد.

تست هافسل در کارگاه

در کارگاه با ایجاد شبکه ای به فواصل 0.5-1 متر بر روی سطح بتن، اندازه گیری‌‌ها انجام می‌شود و خطوط تراز هم پتانسیل رسم می‌گردد. نتیجه آزمایش نشان دهنده وجود فعالیت‌های خوردگی میلگردها می‌باشد. زمانی که از الکترود مس- سولفات مس استفاده می‌شود، باید به این نکته توجه داشت که نمی‌توان شدت خوردگی میلگرد و یا میزان خوردگی آن را تعیین نمود.

بر اساس نتیجه آزمایش هافسل (نیم پیل)‌، نمی‌توان در کارگاه در مورد کیفیت بتن‌ها از نظر نفوذپذیری در برابر یون کلرید یا CO2 به راحتی اظهارنظر نمود. روش کار به این صورت می‌باشد که در آزمایشگاه میلگرد را درون بتن با ضخامت بتن دقیق و مشخص قرار می‌دهند. در صورتی که میلگردها کاملا در بتن‌ مدفون باشد، در ابتدا به میلگرد سیم متصل کرده و به بیرون انتقال می‌دهیم. اگر سر میلگرد بیرون از بتن باشد باید قسمت بیرونی و بخشی از قسمت درونی را (به میزان بیش از کاور) با اپوکسی پوشاند. نمونه‌های استوانه‌ای تهیه شده را تا دو سوم ارتفاع آن درون آب نمک قرار داده و در زمان‌های مختلف اختلاف پتانسیل خوانده می‌شود. در مورد غلظت آب نمک، نحوه تهیه نمونه، سن قرارگیری در آب نمک و غیره دستورالعمل مشخصی وجود ندارد. در صورتی که میلگرد کاملا مدفون باشد می‌توان آن را کاملاً درون آب نمک غرقاب کرد.

اعضای بتنی مانند اسکله ها، پایه ‌های پل و … که در معرض خوردگی قرار دارند و با استفاده از آزمایش هافسل ضعف اعضای مذکور در برابر عوامل خورنده ثابت شده است، را می‌توان با استفاده از ملات ترمیمی بتن، استفاده از ژاکت بتنی و یا استفاده از الیاف پلیمری FRP به همراه رزین‌ اپوکسی، ترمیم و در برابر خوردگی مقاوم کرد.