תהליכי התפתחות קורוזיה במוטות זיון

(כתוצאה מחדירת כלורידים או התפתחות קרבונציה בבטון מזוין)

בנוסף לתפקידי הבטון לקבל מאמצי לחיצה הוא משמש כמגן מפני תהליכי שיתוך המתרחשים על מוטות פלדה באופן טבעי (קורוזיה). במסמך זה נסביר מהי קורוזיה וכיצד היא מתפתחת על מוטות זיון, בהמשך נסביר כיצד הבטון שומר על מוטות הזיון ומה גורם לו להפסיק הגנה זו, ובסוף נדון בדרכים לטפל במבני בטון בהתאם למצב הקורוזיה בהם

התפתחות קורוזיה במוטות זיון של מבנים

קורוזיה הינו תהליך אלקטרו-כימי אשר במסגרתו מתמוססים אטומים של הפלדה אל הבטון. למעשה הפלדה נאכלת בהדרגה עד אשר איננה יכולה לשאת את המאמצים אליה תוכננה. במוט זיון שעובר תהליך קורוזיבי יהיה תמיד אזור "אנודי" בעל פוטנציאל חשמלי גבוה בו תתפתח הקורוזיה, ואזור "קטודי" בעל פוטנציאל חשמלי נמוך בו לא תתפתח קורוזיה אך הוא חייב לקבל אספקה סדירה של חמצן כדי שתתפתח קורוזיה באזור האנודי. החלודה אותה אנו רגילים לראות היא למעשה תוצר של תהליך קורוזיה- האטומים שהתמוססו נקשרים עם יוני הידרוכסיל המצויים בבטון ואז נוצרת חלודה מסביב למוט. החלודה הינה בעלת שטח גדול מהפלדה שאוכלה ולכן היא גורמת לסדקים ושברים בבטון..

מומלץ לכל אחד לבצע בדיקות תקופתיות למבנים שלו, להעריך את ה'קיים' של הבטון, ולהחליט אם יש לנקוט בפעולה. יש לבחון את הנושאים הבאים:​

 

1. עובי כיסוי מוטות זיון

את עובי כיסוי המוטות ניתן לבדוק באמצעות מערכת GPR (מכ"מ חודר קרקע) הפועלות בטכנולוגיה של עיבוד אותות אלקטרו מגנטים, או באמצעות מכשירי פרופומטר המבוססים על טכנולוגיה של זרמי ערבולת. מערכות GPR מודדות זמן ועוצמה של אות אלקטרו מגנטי מרגע ששודר ועד לרגע שנקלט חזרה. קביעה מדויקת של עומק הברזל תלויה בידיעת ה'מקדם הדיאלקטרי' של הבטון. מקדם זה משתנה עם גיל הבטון ויש לחשב אותו היטב במסגרת כיול המערכת בטרם הבדיקה.

חלק ג - בקרה על תפקוד הבטון להגנה מפני קורוזיה

1. הבטון מהווה אלקטרולית טוב.

אלקטרולית היא כל תמיסה מוליכה חשמלית. הבטון יכול להיחשב אלקטרולית טוב- ככל שהמוליכות החשמלית שלו גדלה כך הוא מהווה אלקטרולית איכותי. מלחים המצויים בקרבת הים, בטון בעל כושר ספיגות, סביבה מתועשת רוויה בסולפיטים, אמוניה, מגנזיום וכימיקלים שונים- כל אלו משפרים הבטון מהווה אלקטרוליט טוב...

א. ארבעה תנאים להתפתחות קורוזיה בבטון מזויין 

2. הפרש פוטנציאל חשמלי בין אזורים שונים בפלדה

הפרשי פוטנציאל חשמלי נוצרים משתי סיבות עיקריות. א. שוני ברטיבות בין חלקי הבניין השונים- רטיבות בבטון משנה את הפוטנציאל החשמלי במוטות הזיון. ככל שישנה אי אחידות ברמת הרטיבות של חלקי בניין השונים כך ישנו הפרש פוטנציאלים. ב. כאשר כלורידים חודרים לבטון עד קרבה למוטות הזיון יורד מאוד הפוטנציאל החשמלי באזור החדירה, כך שנוצר הפרש בין אזורים שונים בפלדה.

 

3. ישנה אספקת חמצן או חומצה הבאה במגע עם הפלדה.

חמצן מצוי באוויר אך הבטון אמור לשמור שלא יבוא במגע עם הפלדה. עם זאת ישנה דיפוזיה טבעית הקשורה ביחס צמנט-מים של הבטון. ככל שיחס צמנט-מים גדול כך קצב הדיפוזיה יהיה מהיר. בנוסף, ללחות יש השפעה משמעותית על קצב הדיפוזיה- ככל שהלחות נמוכה קצב הדיפוזיה מהיר. גם חומצה מאפשרת לקורוזיה להתפתח, לפיכך באזורים מתועשים המאופיינים  בסביבה אגרסיבית רוויה בחומצות קצב הקורוזיה יהיה מהיר.

 

4. ישנו קשר של מוליך חשמלי בין הנקודות בהם ישנו הפרש פוטנציאל חשמלי.

בפלדת בניין כמובן שישנו קשר חזק בין האזורים השונים. מוטות הזיון נוגעים אחד בשני, מחושקים באמצעות חישוקים וכו' וכן מוט הזיון עצמו מהווה מוליך בין אזורים שונים שלו עצמו.

 כאשר מוטות הזיון באים במגע לראשונה עם הבטון, נוצרת סביבם שכבת הגנה כימית הנקראת 'שכבת פסיבציה' (מלשון פסיביות). שכבה זו על אף היותה דקה, איננה מאפשרת אספקת חמצן הדרוש להתפתחות הקורוזיה ובכך היא מהווה שכבת הגנה למוטות הזיון. שכבת הפסיבציה יכולה להתקיים רק בסביבה בסיסית כאשר רמת הPH גבוהה מ8.6 (בבטון רגיל רמת PH הינה 12.5~) ולכן היא רגישה לקרבונציה- עליה נרחיב בהמשך.

 הקורוזיה פוגעת במוטות הזיון בלבד אך כפועל יוצא נהרס גם הבטון עצמו. בתחילה הפלדה מתאכלת והחתך האפקטיבי של מוטות הזיון קטן בהדרגה עד אשר אלו אינן עונים על מאמצי המתיחה אליהם תוכננו. תוצר הקורוזיה הוא חלודה- 'הידרוכסיל הברזל' והנפח שלו גדול מנפח הפלדה. לפיכך תוצרי הקורוזיה דוחקים את הבטון החוצה עד לשבירתו- בכך קטן חתך הבטון באלמנט ואף ההגנה שהוא מעניק לפלדה מפני אש מפסיקה להתקיים.

נקודה מעניינת - ייחס בין רמת PH והתקפת כלורידים​

 

ישנו קשר בין תכולת הכלורידים לבין רמת PH של הבטון - כלומר יכול שתהיה תכולת כלורידים גבוהה מהתקן אך אם רמת הPH תישאר גבוהה לא תיהרס שכבת הפסיבציה ולא תפתחות קורוזיה. לעומת זאת יכולה שתהיה תכולת כלורידים המותרת לפי התקן אך בשל רמת PH נמוכה הם יהרסו את שכבת הפסיבציה בכל זאת. לפיכך מומלץ לבדוק את רמת החומציות האמיתית של הבטון ולא להסתפק רק באינדיקטור מסוג פנול פתלאין המשמש לבדיקת קרבונציה. להלן גרף המתאר את הקשר בין רמת PH לבין תכולת כלורידים בקשר להרס שכבת פסיבציה.

2. בדיקות לתכולת כלורידים:

 

a. בדיקת תכולת כלורידים מסיסים בחומצה בייחס לכמות הצמנט (רלוונטי למבנים קיימים)

בדיקה זו כוללת למעשה שתי בדיקות נפרדות, אחת עוסקת בתכולת הכלורידים בבטון, והשנייה עוסקת בכמות הצמנט בבטון, כך ניתן לדעת אם היחס ביניהם תקין בהתאם לתקנים 466 ו-118. הבדיקה עצמה מתבצעת לפי תקן ישראלי 26 חלק 7 סעיף 7 (בדיקת תכולת יוני כלור מסיסים בחומצה), ולפי תקן ישראלי 26 חלק 5 סעיף 207 (בדיקת תכולת צמנט בבטון קשוי).

 

על מנת לבצע את הבדיקה יש לשלוף גליל בטון ולהביאו לבדיקה במעבדה.  
במעבדה יבצעו גריסה וכתישה של הבטון עד להיותו אבקה ואז יבוצעו שתי הבדיקות הנ"ל. שים לב כי חשוב מאוד להגדיר מהו אורך הגליל הנבדק- ככל שהוא יהיה ארוך אזי הבדיקה תציג את תכולת הכלוריד שהיתה בתערובת במקור, ולא את תכולת הכלוריד שחדר מבחוץ. לכן יש לבצע גם בדיקה לעומק חדירת הכלורידים.

 

b. בדיקת עומק חדירת הכלורידים בבטון (רלוונטי למבנים קיימים)

בדיקה זו היא למעשה 'הרחבה' של הבדיקה הקודמת: פורסים את הגליל  למספר פרוסות, כל פרוסה ברוחב של 1 ס"מ ובונים גרף המתאר את תכולת הכלוריד בכל פרוסה. כך ניתן להבין את תכולת הכלוריד בייחס לעומק הפרוסה ולנתח עד לאן חדרו כלורידים בבטון. כאשר מבצעים בדיקה זו לא צריך לבצע בדיקת תכולת צמנט עבור כל פרוסה אלא רק עבור פרוסה אחת. בשאר הפרוסות יש לבצע רק בדיקת תכולת כלורידים. 

עם קבלת תוצאות הבדיקה ניתן להעריך את הזמן שנותר עד הגעת הכלוריד לפלדה, וזאת ע"י מדידת עובי הכיסוי של הפלדה וחישוב ערך עומק החדירה העכשווי חלקי גיל המבנה. כך ניתן למצוא את קצב התקדמות הכלור בבטון ולהעריך מתי הוא יגיע לפלדה ויפגע בפסיבציה שלה.

 

​c. בדיקת עמידות הבטון לחדירת כלורידים (רלוונטי למבנים חדשים)

בדיקה זו משמשת לקביעת המוליכות החשמלית של בטון כדי להעריך את עמידות הבטון בחדירה של יוני כלור. הבדיקה מתבצעת בהתאם לתקן ישראלי 26 חלק 7 סעיף 8 אשר מסתמך על התקן האמריקאי ASTM C1202-12.  משתמשים בגליל בטון באורך 5 ס"מ ובקוטר 10 ס"מ כאשר צד אחד שלו טבול בתמיסת נתרן כלוריד והשני בתמיסת נתרן הידרוקסילי. שומרים על הפרש פוטנציאל של 60 וולט בין שתי קצוות הגליל. ככל שהמטען החשמלי העובר בבטון (קולונים) גדול כך הצפי כי חדירת יוני כלור דרך הבטון תהיה מהירה יותר.

תקנים רלוונטים

ת"י 2 חלק 2,  ת"י 118, ת"י 466 חלק 1, ת"י 26 חלק 7

3. בדיקת עומק קרבונציה

את עומק הקרבונציה בודקים עם אינדיקטור בשם פנול-פתלאין. מוציאים גליל בטון ומורחים עליו אינדיקטור זה (אפשר גם לקדוח חור קטן בבטון ולהחדיר לתוכו את החומר- אותו אפקט). עם המגע בבטון האינדיקטור יכול לשנות את צבעו, כך שעבור רמות PH שעולות על 8.2~ צבעו ישתנה לורוד (=תוצאה טובה, אין קרבונציה), וכאשר רמת החומציות נמוכה צבעו לא ישתנה (=תוצאה רעה, יש  קרבונציה). אם הקרבונציה עברה את מוטות הזיון אז הם חשופים לקורוזיה. שים לב- קצב הקורוזיה אינו תלוי כלל בקצב התפתחות הקרבונציה- אלו תהליכים שונים. אך מרגע שהקרבונציה הגיעה לפלדה הבטון כבר לא שומר עליה ותתחיל קורוזיה אשר הקצב שלה תלוי בפרמטרים שכתבנו למעלה​

4. בדיקת רמת חומציות (PH)

על מנת להבין לעומק את אפשרות השפעת הכלורידים בהקשר לרמת PH של הבטון יש לבצע מדידה של ערך הPH האמיתי ולא באמצעות אינדיקטור המשמש לבדיקת קרבונציה. ניתן להשתמש באינדיקטורים של "צבעי קשת" כדי לבצע בדיקה מהירה אך פחות מדויקת, או באמצעות כתישה של פרוסות מגלילי בטון והכנה של אבקה עליה אפשר לבצע בדיקה מדויקת.​

5. בדיקות 'חצי תא'- מדידת הפרשי פוטנציאל חשמלי

בדיקת 'חצי תא' (half cell) משמשות לקבלת אינדיקציה על מקומות בהם יכולה להתפתח קורוזיה בעקבות הפרשי פוטנציאל חשמלי. אם הבדיקות הקודמות שהזכרתי עוסקות בטיב שכבת ההגנה של הבטון אזי בדיקה זו עוסקת בזיהוי המקומות בהם יכולה/לא יכולה להיות קורוזיה גם אם שכבת המגן אינה מתפקדת.

 

מחברים את מכשיר הבדיקה לאחד ממוטות הזיון בקרבת אזור הבדיקה, ומעבירים את הגשש על שכבת הבטון, ע"מ לזהות הפרשי פוטנציאל. תוצרי הבדיקה הינם פלט צבעוני הממחיש את האזורים בהם קיימים הפרשים לפי צבע בהתאם לרמתם. 

6. בדיקת פליטה אקוסטית לזיהוי התפתחות קורוזיה שטרם גלויה לעין

 

אחת הבדיקות המעניינות בתחום הקורוזיה הינה בדיקת 'פליטה אקוסטית'. לתוצר הקורוזיה- חלודה, יש רעש מיוחד בתדר גבוה ובעוצמה נמוכה שלא ניתן לשמוע באוזן, אך ניתן לקלוט באמצעות חיישנים פיזיואלקטרים רגישים. מקור הרעש הוא בהתנפחות של החלודה וביקוע של השכבות שלה עצמה, וכמו כן הסדיקה המתקיימת בבטון בעקבות התנפחות הברזל. מכל מקום כאשר מחברים חיישנים אלו לבניין ניתן להבין מהר אם מתקיימים בו תהליכים של התפתחות קורוזיה או לא. בדיקה זו מאפשרת לתת תשובות טובות תוך מספר שעות ניטור.

חלק ד - מניעה וטיפול בקורוזיה במבנים

- מניעה

 

  • תכנון טיב הבטון.
  • הקפדה על עובי כיסוי מוטות.
  • הכנה להגנה קטודית.
  • הוספת תוספים לבטון המעקבים חדירת כלורדים וCO2.
  • יישום שכבות ציפוי מיוחדות מעל הבטון.
  • שימוש במוטות מגולוונים.

- טיפול

 

  • מריחת שכבות ציפוי אטומות למעבר חמצן ו CO2.
  • הגנה קטודית. 
  • סילוק כלורידים בתהליך אלקטרוכימי.
  • השבת התכונות האלקליות של הבטון.
  • במבנה בו הקורוזיה כבר פעילה יש חשש להרס מוטות הברזל ולכן יש לבצע בדיקת 'קוטר שקיל' למוטות ואם צריך לבצע חיזוק (בד"כ באמצעות יריעות פחמן).

ד.  שכבת פסיביציה- הגנה מפני חדירת חמצן הדרוש להתפתחות קורוזיה​

ב. השפעת הקורוזיה על הבטון עצמו

ג. קצב התפתחות קורוזיה

כאשר יוני כלוריד חודרים לבטון הם תוקפים והורסים את שכבת הפסיבציה. יונים, באופן כללי הם אטומים הנושאים מטען חשמלי (חיובי או שלילי), כלומר מספר האלקטרונים בהם שונה ממספר הפרוטונים. יוני כלוריד, באופן פרטי הם אטומים בעלי מטען חשמלי שלילי של היסוד כלור. כמו שכתבנו קודם, כלור לא מזיק לתכונות המכאניות של הבטון, אלא להרס שכבת הפסיבציה שמסביב לברזל. לאחר הרס הפסיבציה, ובהתקיים 4 התנאים להתפחות קורוזיה היא תתחיל להתפתח. יחד עם הרס הפסיבציה הכלור תורם גם להאצת הקורוזיה עצמה שכן הוא הופך את הבטון לאלקטרולית טוב יותר, וכן הוא עצמו גורם להפרשי פוטנציאל בפלדה.​

מהיכן מגיע כלור לבטון?

 

א. יוני כלור נמצאים בכמויות גדולות בתרכובות מלח ים, ולכן סביבת הים נחשבת אגרסיבית לבטון (סיבה נוספת להיותה אגרסיבית היא כי המליחות מאפשרת לבטון לתפקד כאלקטרולית טוב בשל תכונות המלח המוליך חשמל טוב. לכן קצב הקורוזיה, אם כבר החל, יכול להיות מהיר בסביבה זו).

 

ב. סביבה תעשייתית בה עושים שימוש באמוניה, מלחי חומצה הידרוכלורית, מלח בישול, סולפיטים, מגנזיום חומצות שונות וכו' עלול להיות גם ריכוז גבוה של כלורידים וסביבה זו אגרסיבית לבטון.

 

ג. בגשרים ומעברי דרך מצטברים לפעמים כלורידים בשל פליטה ממשאיות משא וכדומה. יש לציין כי גם במקומות בהם נהוג לפזר מלח על הכביש לצורך מניעת קרח (כמו באזור ירושלים, גליל עליון, גולן וחרמון) יש פוטנציאל אגרסיבי לגשרים ולמעברי דרך.

קצב חדירת כלור לבטון?

 

קצב וכמות הכלורידים החודרים לבטון מושפעים בעיקר מייחס מים/צמנט. ככל שהיחס גדול הקצב מהיר יותר. ניתן לראות את הדיאגרמה הבאה:

תכולת הכלורידים המותרת בבטון

 

תקן ישראלי 118 (בטון: דרישות תפקוד וייצור) סעיף 5.2.7. 'תכולת כלורידים' מגדיר את התכולה המותרת בהתאם לזיון המצוי בבטון:

התקן קובע כי תכולת יוני הכלור המסיסים בחומצה  מכלל תערובת הבטון (באגרגטים, בצמנט, בחול וכו') לא יעבור אחוז X מכמות הצמנט בתערובת. כלומר לא משנה אם מקור הכלור בחול או באגרגטים אסור שכמותו תעבור את הערך שנקבע. גם תקן ישראלי 466 חלק 1 'חוקת הבטון' קובע כי תכולת הכלורידים המותרת בבטון תהיה בהתאם לטבלה הנ"ל (עיין בתקן סעיף 3.2.1.5). ראוי לציין כי התקנים הישראלים הנ"ל מפנים לתקן האמריקאי   ASTM-C-115 ולמעשה הם נשענים עליו.​

ה.  קרבונציה של הבטון 

ו.  השפעת הלחות באוויר על קצב הקרבונציה 

ו.  השפעת הלחות באוויר על קצב הקרבונציה 

ו.  השפעת הלחות באוויר על קצב הקרבונציה 

קצב התפתחות הקורוזיה בבטון מזויין תלוי במספר דברים:

1. טיב האלקטרולית. במקרה שלנו- כושר הבטון להיות אלקטרולית טוב. ככל שהבטון מהווה אלקטרולית טוב הוא בעצם בטון גרוע... כאשר המוליכות החשמלית שלו גדולה, כשיש בו יותר כלור ומלחים, כשהוא סופג יותר מים וכו' הוא מהווה אלקטרוליט טוב ואז קצב הקורוזיה יהיה גבוה.


2. אספקת חמצן. ככל שיחס מים/צמנט גבוה כך קצב הדיפוזיה של חמצן יהיה גדול והקורוזיה תתפתח מהר יותר.


3. רמת PH. ככל שרמת הPH יורדת קצב הקורוזיה גדל. בתחום של PH>12 כלל לא יכולה להתפתח קורוזיה. בתחום של PH=10-5 קצב הקורוזיה יהיה 0.05 מ"מ בשנה. יש לזכור ששכבת הפסיבציה מתפקדת ברמת חומציות של 8.6 ומעלה ולכן למעשה כלל לא תתפתח קורוזיה בבטון מזויין אלא מתחת לPH=8.6 וגם אז הקצב יהיה מקסימום 0.05 מ"מ בשנה.

4. הפרשי פוטנציאל. אזורים רטובים/יבשים יוצרים הפרשי פוטנציאל חשמלי גדול. כמו כן חדירת כלורידים גורמת להורדת הפוטנציאל החשמלי באזור החדירה ועקב כך יכולים להתקיים הפרשים גדולים במבנה. 


5. עובי כיסוי מוטות הזיון. כמובן שככל שהמוטות עמוקים קצב אספקת החמצן איטי ולכן יש לזה השפעה גדולה על הקצב. 

קרבונציה (בעברית= פחמון. מלשון היסוד פחמן, לא פחם) הינו תהליך כימי אשר גורם לירידת רמת החומציות של הבטון. הוא מתרחשת במגע עם אוויר לאורך שנים כאשר פחמן דו חמצני המצוי באוויר מתקשר עם מימת הסידן בבטון . הקרבונציה מתקדמת לאט לעומק הבטון וכאשר היא מגיעה לשכבת הפסיבציה היא הורסת אותה.

הסבר- אחת מהתרכובות המצויות בבטון הינה אבקת סיד (Calcium oxide, CaO) אותה מפיקים על ידי שריפת אבן גיר. בזמן הכנת תערובת הבטון נקשרים מים עם אבקת הסיד ונוצר חומר משחתי רך המכונה 'מימת הסידן' (סידן הידרוקסידי 2Ca(OH)). חומר זה הוא האחראי למעשה לרמת החומציות הטבעית של הבטון (~12) והוא מצוי בנקבוביות הבטון לאחר התייבשותו. בטון קשוי נחשף לאוויר במשך שנים ומתקיימים בו תהליכי דיפוזיה במסגרתם פחמן דו חמצני CO2 חודר לנקבוביות הבטון ומתקשר עם אותה 'מימת הסידן'. תהליך התקשרות זה הינו למעשה חזרה למצבו המקורי של הסיד- אבן גיר, ובשל כך הבטון מתחזק מאוד! מצד שני הפחתה בריכוז 'מימת הסידן' גורמת לירידה ברמת החומציות של הבטון (כלומר רמת החומציות PH של הבטון יורדת). כמו שכתבנו למעלה שכבת הפסיביציה מתקיימת רק בסביבה חומצית כאשר רמת ה PH נמצא בתחום של 8.6-12 וכשזו יורדת הבטון חדל מלהגן על הפלדה מפני קורוזיה.

 

קצב חדירת הקרבונציה תלוי מאוד ביחס צמנט/מים- ככל שהיחס קטן הבטון עמיד יותר בפני קרבונציה. כמובן שרמת הספיגות של הבטון, רמת החדירות של גז ומים, רמת האשפרה, הציפוף, היעדר סגרגציה והיעדר סדקים הינם פרמטרים חשובים ומשפיעים מאוד על מהירות החדירה של קרבונציה. בטבלה הבאה ניתן לראות כי בטון בו ייחס מים/צמנט הינו 0.45 (מתאים בד"כ לב40)  כאשר עובי כיסוי הברזל הינו 1.5 ס"מ הקרבונציה תגיע אליו אחרי 100 שנים. לעומת זה בייחס של 0.7 (המתאים בד"כ לב20)  הקרבונציה תגיע לברזל כבר אחרי 11 שנים! כלומר, לא רק חוזק הבטון ללחיצה משפיע על בחירת סוג הבטון אלא גם היכולת שלו לתפקד לאורך שנים כמגן על הפלדה מפני קורוזיה.​

 

קרבונציה מתרחשת בקצב מהיר כאשר הלחות באוויר הינה בשיעור 70-90 אחוז. מכיוון שרוב המרחבים הגיאוגרפים בישראל נמצאים בתחום לחות שעולה על 70% (בעיקר בלילה) רוב המבנים בארץ חשופים לקרבונציה. בסביבה רטובה או לחה מאוד (מעל 90%) לא תתפתח קרבונציה כי נקבוביות הבטון מלאות מים ולא מאפשרות ל2CO לחדור (לכן בקרבת החוף בעיות קורוזיה מתרחשות בעיקר בשל חדירת כלורידים ואילו בירושלים בשל קרבונציה). בסביבה יבשה מאוד קצב הקרבונציה יהיה איטי- לכן באילת אין הרבה מבנים הנגועים בקרבונציה, למעט מבנים ישנים מאוד.

חדירת כלור לבטון