البنية التحتية

في الوقت الحاضر، يتم استخدام الخرسانة المسلحة بالفولاذ على نطاق واسع في معظم أنواع البنية التحتية. دعم المباني والطرق والسكك الحديدية والجسور والمرافئ والسدود.

نظرًا لأن الخرسانة يمكن أن تتحمل ضغطًا فقط، وليس إجهادًا توتريًا، فيجب دائمًا تقويتها بقضبان فولاذية داخلية، والتي تبدو محمية على ما يبدو من آثار البيئة الخارجية. والتي هي مدفونة في جسد الخرسانة... هل ستصدأ في النهاية؟ الإجابة القصيرة هي نعم.

على الرغم من مظهرها، فإن الخرسانة عادة ما تكون رطبة، وبالتالي فإن القضبان الفولاذية تكون في بيئة رطبة. ومع ذلك، تعتبر الخرسانة في جوهرها شديدة القلوية (درجة حموضة عالية)، مما يمنع أكسدة القضبان الفولاذية المدفونة بالداخل.

هي أي شيء يغير قلوية الخرسانة، ويسمح للأكسجين باختراق مصفوفة الأسمنت المعقدة للخرسانة، والوصول في النهاية إلى قضبانها. الملوثات الشائعة هي:

• - أيونات الكلوريد، الموجودة بكثرة في رذاذ ملح البحر ومركبات إزالة الجليد (الملح عادةً) التي يتم وضعها على الطرق في الطقس الثلجي.
• - يتفاعل ثاني أكسيد الكربون الجوي الذي يحمله الماء مع الكلس لتكوين حمض الكربونيك.
• - الكبريت وأكسيد النيتروز، الموجودان في الأجواء الملوثة في المناطق الحضرية، حمضي بشكل أساسي.

كل ما سبق يؤدي إلى فقدان القلوية وبالتالي يسهل تغلغل الأكسجين عبر مصفوفة الأسمنت وصولاً إلى القضبان الفولاذية.

تخضع الهياكل دائمًا لضغوط ميكانيكية: الاهتزاز، وتغيرات الحمل، والضغوط الناتجة عن البيئة. تسبب الضغوط الميكانيكية تشوهًا طفيفًا للخرسانة مما قد يؤدي إلى تشقق دقيق في الخرسانة، يمكن أن تصل المؤكسدات إلى القضبان الفولاذية الداخلية بسهولة أكبر.

• - درجة الحرارة - تؤدي درجات الحرارة المرتفعة بشكل عام إلى تسريع أي عملية تآكل مستمرة؛ عند درجات حرارة دون الصفر، تتباطأ عملية التآكل بشكل كبير.
• - الرطوبة - الرطوبة النسبية العالية تسرع من عملية التآكل. يتم تحديد تأثير الرطوبة في وقت البلل (TOW)، أي مقياس للوقت الذي تفضل فيه الظروف الجوية تكوين طبقة رطبة على سطح الهيكل. الرطوبة تحيد القلوية وبالتالي تسهل تغلغل الأكسجين.
• - البيئة البحرية - تؤدي ظروف الرطوبة العالية، جنبًا إلى جنب مع ملوحة رذاذ البحر، إلى إلقاء الكثير من أيونات الكلوريد على الخرسانة، مما يؤدي إلى تحييد القلوية وبالتالي تسهيل تغلغل الأكسجين.
• - التعرض للتربة - غالبًا ما تكون التربة غنية بالكلوريد والكبريتات، مما يضعف قلوية الأساسات المدفونة، وبالتالي يعزز تآكلها.
• - دورات ذوبان الجليد - عندما يتجمد الماء، يتوسع حجمه بنسبة تقل قليلاً عن 10 بالمائة. أي رطوبة موجودة في الشقوق الصغيرة ستجبر هذه الشقوق على الفتح عند التجمد. دورات التجلد - الذوبان المتكررة، الناتجة عن التغيرات الدورية في درجة الحرارة المحيطة، ستعمل على توسيع الشقوق، وبالتالي تسهيل تغلغل الأكسجين إلى القضبان الفولاذية المدفونة.
• - الاختلافات البيئية - الاختلافات في تركيز الأكسجين أو الحموضة أو الرطوبة أو الملوحة بين أجزاء مختلفة من الهيكل تسهل تغلغل الأكسجين في مصفوفة الأسمنت.

في العديد من الهياكل الخرسانية، يكون جريان المياه (مياه الأمطار عادةً) ناقصًا، إما بسبب الشكل المادي للعناصر الخرسانية، أو بسبب انسداد قنوات الصرف. في كلتا الحالتين، تتجمع برك المياه الراكدة في مواقع معينة. المياه المالحة في البيئات البحرية - وتضاؤل قلوية الخرسانة في هذه المواقع، يؤدي إلى تغلغل الأكسجين في قضبان الصلب المدفونة.

عندما يبدأ قضيب فولاذي داخلي في التآكل بسبب أي مزيج مما سبق، يزداد حجمه. هذا يولد ضغطًا داخل العنصر الخرساني، ويوسع أي شقوق موجودة ويولد شقوقًا جديدة من الداخل إلى الخارج وهذا بدوره يزيد من تعرض الفولاذ للأكسجين ويسرع من عملية التآكل. وبالتالي، فإن المزيد من التآكل يكون مصحوبًا أيضًا بمزيد من التصدع. لذلك، مع مرور الوقت، يتم تسريع عملية التآكل.

تآكل الصلب داخل العنصر الخرساني له نتيجتان رئيسيتان:

• - تتسبب التغيرات في الحجم الناتجة عن التآكل في القضبان الفولاذية داخل الخرسانة في النهاية إلى تكسيرها.
• - تصبح القضبان الفولاذية نفسها أضعف وأكثر هشاشة بسبب التآكل، مما يؤدي إلى مزيد من فقدان قوة الخرسانة.

كلا الأمرين أعلاه يؤدي إلى احتمال حدوث عطل هيكلي، خاصة أثناء الظروف الخارجية الشديدة، أو التحميل الثقيل - وقد تم إرجاع العديد من حالات فشل جسور الطرق الأخيرة إلى ذلك.

وفقًا لـ "تكاليف التآكل والاستراتيجيات الوقائية في الولايات المتحدة" (FHWA ، المنشور رقم FHWA-RD-01-156 ، بتاريخ 03/2002) ، فإن التكلفة السنوية التقديرية المباشرة للتآكل في الولايات المتحدة هي كما يلي (بناءً على دراسة أجرتها CC Technologies Laboratories، Inc. بين عامي 1999 و 2001).

جسور الطرق السريعة: 8.3 مليار دولار، تتكون من 3.8 مليار دولار لاستبدال الجسور المعيبة هيكليًا على مدى السنوات العشر القادمة، 2.0 مليار دولار (بما في ذلك تكلفة رأس المال) لصيانة أسطح الجسور الخرسانية، 2.0 مليار دولار (بما في ذلك تكلفة رأس المال) لصيانة الهياكل الأساسية الخرسانية (بدون الطوابق) و 0.5 مليار دولار لصيانة طلاء الجسور الفولاذية. وتشير التقديرات إلى أن التكاليف غير المباشرة التي يتكبدها المستخدم والتي تُعزى إلى التأخيرات في حركة المرور تصل إلى أكثر من 10 أضعاف التكاليف المباشرة المذكورة أعلاه.

الممرات المائية والموانئ: 0.3 مليار دولار. عادة، يوجد التآكل على الأرصفة، وهياكل الإرساء، والحواجز، والجدران الاستنادية، والمساعدات الملاحية (مثل المنارات). لا تتم مراقبة تكاليف التآكل لهذه الهياكل بشكل رسمي. ومع ذلك، استنادًا إلى الأرقام التي تم الحصول عليها من سلاح المهندسين بالجيش الأمريكي وخفر السواحل الأمريكي، تقدر تكلفة التآكل السنوية بـ 0.3 مليار دولار.