عوامل مؤثر بر خوردگی نیل‌ها و ارزیابی پتانسیل خورندگی خاک

در طراحی و اجرای دیوارهای نیلینگ دائمی، ارزیابی شرایط خورندگی خاک و تأمین حفاظت مناسب برای نیل‌ها و سایر اجزای فلزی از اهمیت بالایی برخوردار است. در این بخش، عوامل مؤثر بر خوردگی نیل‌های فولادی و روش ارزیابی پتانسیل خورندگی خاک بررسی می‌شود. تمرکز این متن بر حفاظت خوردگی نیل‌های آرماتوردار است و موضوع حفاظت از رادهای خودحفار به‌صورت جداگانه مورد بحث قرار خواهد گرفت.
 

مکانیزم ایجاد خوردگی در نیل‌ها
خوردگی فرآیندی است که طی آن فلز در اثر واکنش‌های شیمیایی یا الکتروشیمیایی با محیط اطراف، خواص اولیه خود را از دست داده و به‌تدریج دچار تخریب می‌شود. این پدیده در نهایت می‌تواند باعث کاهش سطح مقطع و افت عملکرد عضو فلزی گردد.
انواع خوردگی در سیستم‌های نیلینگ
مهم‌ترین انواع خوردگی که ممکن است در سیستم‌های خاک مسلح رخ دهند عبارت‌اند از:
•    خوردگی عمومی
•    خوردگی موضعی (حفره‌ای)
•    خوردگی ناشی از جریان‌های سرگردان
•    خوردگی ترک تنشی
•    خوردگی خستگی
•    خوردگی میکروبی
•    خوردگی گالوانیکی
در میان موارد فوق، خوردگی عمومی، موضعی و خوردگی ناشی از جریان‌های سرگردان بیشترین اهمیت را در پروژه‌های نیلینگ دارند.
خوردگی ترک تنشی و آسیب ناشی از هیدروژن معمولاً در اعضای پیش‌تنیده مانند انکرها مشاهده می‌شود؛ زیرا تنش‌های موجود در این تجهیزات به‌مراتب بیشتر از تنش‌های وارد بر نیل‌ها است. همچنین خوردگی خستگی در سیستم‌های نیلینگ چندان رایج نیست، زیرا وقوع آن مستلزم اعمال بارهای متناوب و سیکلی است که در این نوع سازه‌ها به‌ندرت رخ می‌دهد. خوردگی میکروبی نیز در خاک‌های دارای شرایط بی‌هوازی و فعالیت برخی باکتری‌ها که موجب افزایش ترکیبات خورنده مانند سولفات‌ها می‌شوند، ممکن است ایجاد شود.
۱- خوردگی عمومی
خوردگی عمومی به‌صورت تشکیل لایه‌ای نسبتاً یکنواخت از اکسید آهن بر سطح فولاد ظاهر می‌شود. این وضعیت معمولاً در اثر نگهداری نامناسب مصالح در کارگاه یا شرایط نامطلوب حمل‌ونقل ایجاد می‌گردد. در این نوع خوردگی، کاهش ضخامت فلز تقریباً به‌صورت یکنواخت رخ می‌دهد. با تشکیل لایه اکسیدی پایدار، سرعت خوردگی به‌شدت کاهش یافته و تا حد زیادی از ادامه واکنش جلوگیری می‌شود. به همین دلیل، در بسیاری از موارد این لایه نقش محافظتی داشته و تنها در سازه‌هایی با عمر طراحی طولانی (بیش از ۷۵ سال) می‌تواند اهمیت ویژه‌ای پیدا کند.
۲- خوردگی موضعی
خوردگی موضعی در نواحی کوچک و محدود سطح فلز شکل می‌گیرد و معمولاً ناشی از تمرکز موضعی یون‌ها و ایجاد اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی است. در نیل‌ها، پوشش گروت سالم از طریق ایجاد مانع فیزیکی در برابر عوامل خورنده و همچنین فراهم کردن محیط قلیایی محافظ، از وقوع این نوع خوردگی جلوگیری می‌کند.
با این حال، ایجاد ترک‌های عمیق در گروت می‌تواند این حفاظت را کاهش دهد. در صورتی که ترک‌ها تا سطح فولاد گسترش یابند، امکان تشکیل حفرات خوردگی فراهم می‌شود. شدت و عمق این نوع خوردگی تا حد زیادی به میزان دسترسی اکسیژن بستگی دارد؛ ازاین‌رو در محیط‌های کاملاً اشباع، حتی وجود برخی ترک‌ها لزوماً منجر به پیشرفت قابل توجه خوردگی نخواهد شد.
ترک‌های گروت معمولاً بر اثر تنش‌های کششی ناشی از بارگذاری یا در نتیجه جمع‌شدگی گروت و تجاوز آن از مقاومت کششی مصالح ایجاد می‌شوند. چنانچه خاک حاوی مقادیر قابل توجهی کلرید یا سولفات باشد و عرض ترک‌ها امکان عبور این مواد را فراهم کند، ترک‌ها به مسیر انتقال عوامل خورنده به سطح نیل تبدیل خواهند شد.
ارزیابی پتانسیل خوردگی خاک
برای تعیین سطح مناسب حفاظت خوردگی در سیستم‌های نیلینگ، لازم است میزان خورندگی خاک و آب زیرزمینی اطراف سازه بررسی شود. این ارزیابی بر شناسایی عواملی متمرکز است که می‌توانند شرایط خوردگی را تشدید کنند.
عوامل مؤثر بر افزایش خوردگی
مهم‌ترین عوامل مؤثر بر خورندگی خاک عبارت‌اند از:
•    مقادیر بسیار کم یا بسیار زیاد pH
•    مقاومت ویژه پایین خاک
•    غلظت بالای یون‌های کلرید و سولفات در خاک یا آب زیرزمینی
•    شرایط اشباع یا نزدیک به اشباع
•    وجود مواد آلی
•    جریان‌های الکتریکی سرگردان
•    حضور اکسیژن
مجموع این عوامل نشان‌دهنده میزان تهاجمی بودن محیط نسبت به اجزای فلزی مدفون در خاک هستند.
تأثیر مقاومت ویژه خاک
یکی از شاخص‌های مهم در ارزیابی پتانسیل خوردگی، مقاومت ویژه خاک است. به طور کلی هرچه مقاومت ویژه کمتر باشد، احتمال وقوع خوردگی بیشتر خواهد بود. طبقه‌بندی متداول بر اساس مقاومت ویژه به شرح زیر است:
معیار تشخیص خاک مهاجم و آزمایش‌های ارزیابی
بر اساس مطالعات Elias و همکاران (۲۰۰۹)، خاک زمانی مهاجم تلقی می‌شود که حداقل یکی از مشخصات آن از حدود مجاز تعیین‌شده فراتر رود. در مقابل، خاک‌هایی که دقیقاً در مرز مقادیر آستانه قرار دارند، در گروه خاک‌های غیرمهاجم طبقه‌بندی می‌شوند.
معیارهای اصلی ارزیابی عبارت‌اند از:

• همچنین در خاک‌هایی که مقاومت ویژه آن‌ها برابر یا بیشتر از ۵۰۰۰ اهم-سانتی‌متر باشد، محدودیت‌های مربوط به کلرید و سولفات را می‌توان با انعطاف بیشتری تفسیر کرد.
• لازم به ذکر است که اصطلاح «غیرمهاجم» به معنای‌عدم وقوع خوردگی نیست؛ بلکه نشان می‌دهد میزان خوردگی در طول عمر طراحی سازه، که معمولاً بین ۵۰ تا ۷۵ سال در نظر گرفته می‌شود، در محدوده قابل قبول باقی خواهد ماند؛ مشروط بر آنکه شرایط الکتروشیمیایی خاک در آینده تغییر محسوسی نداشته باشد.
• برای هر یک از پارامترهای مؤثر بر خوردگی، روش‌های آزمایشگاهی مشخصی پیشنهاد شده است. در برخی موارد، چند روش مختلف مبتنی بر استانداردهای AASHTO یا ASTM قابل استفاده هستند که معمولاً اختلاف نتایج آن‌ها ناچیز است. با این حال، روش آزمایش انتخاب‌شده باید به‌صورت شفاف در گزارش‌های فنی ذکر شود.
• در صورتی که شرایط زمین‌شناسی و ژئوتکنیکی ساختگاه با پروژه‌های مجاور مشابه باشد، می‌توان از نتایج آزمایش‌های آن مناطق نیز استفاده کرد. در غیر این صورت، نبود داده‌های آزمایشگاهی به معنی فرض مهاجم بودن خاک خواهد بود. همچنین بررسی وضعیت خوردگی سازه‌های مدفون موجود در محدوده پروژه می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره شرایط خورندگی زمین فراهم کند.

ملاحظات

• طبقه‌بندی خاک به‌عنوان مهاجم یا غیرمهاجم نباید صرفاً بر شرایط فعلی متکی باشد، بلکه تغییرات احتمالی محیط در طول عمر سازه نیز باید مدنظر قرار گیرد. عواملی نظیر مجاورت با انبارهای مواد شیمیایی، فعالیت‌های معدنی یا منابع تولید آلودگی می‌توانند در آینده موجب افزایش خورندگی خاک شوند.
• در پروژه‌های راه‌سازی که از نمک‌های یخ‌زدا استفاده می‌شود، تجربیات موجود نشان می‌دهد لایه‌های سطحی خاک، به‌ویژه در حدود ۲.۴ متر بالایی، ممکن است در معرض نرخ خوردگی بیشتری قرار گیرند. اگرچه این موضوع به‌طور مستقیم برای دیوارهای نیلینگ به‌خوبی مستندسازی نشده است، اما برای کاهش نفوذ نمک‌ها می‌توان از یک لایه ژئوممبران با ضخامت حداقل ۳۰ میلی‌متر در زیر بستر راه استفاده کرد و آن را به سیستم زهکشی راه متصل نمود. برای جلوگیری از انتقال نمک به بدنه دیوار، این ژئوممبران نباید به سیستم زهکشی دیوار متصل شود.