تعمیرو بازسازی سازه های دریایی بتنی

تعمیرسازه های دریایی بتنی

سازه های دریای در یک محیط نامساعد وخشنی قرار دارند به نوعی که در جدول 5 آیین نامه BS5328 در زمره "شدیدترین" قرار گرفتهاند. در این آیین نامه در قسمت بتن، بخش 1، تعریف زیر آمده است:

سطوح بتنی که پیوسته در معرض آب دریاقرار دارند ... بتن در منطقه جزر و مدی آب دریا تا 1 متر زیر پایین ترین آب کم عمقمی بایست قرار داشته باشد.

از این رو اینکه تجربه نشان داده چنینسازه هایی  نسبت به اغلب سازه های خشکیبیشتر در معرض خسارت و فرسایشند، تعجب برانگیز نیست.

نشریه های فنی در خصوص سازه های دریاییحاکی از آن است که طیف وسیعی از مصارفی که این سازه ها برای آنها بکار گرفته میشوند، وجود دارد که این مورد در فهرست زیر شرح داده می شود:

·       دیوارهای دریایی (دیوارهای اسکله، دیوارهای حفاظتیگردشگری و ساحلی)

·       باراندازها

·       لنگرگاه های خشک

·       سرسره ها

·       موج شکن ها

·       سازه های غیرساحلی برای صنعت پتروشیمی

کدعملی BS 6349 برای سازههای دریایی در هفت قسمت تنظیم شده که بخش 1 آن برآوردهای را در خصوص عمر مفید سازههای زیر بیان می نماید:

دیوارهایاسکله                  60 سال

باراندازها                           45سال

کارهایحفاظت ساحلی         60 سال

1-1-    طرح مسأله

محیط دریا ترم بسیار وسیعی است به نوعیکه موقعیت سازه ها می تواند از گرمسیری به
قطبی/ غیرقطبی تغییر کرده و جزذیات مربوط به شرایط تعرض نیز به همان میزان متفاوتمی باشد.

در قالب یک فصل، تنها می توان پیرامونمفاهیم اساسی موجود در تعمیرسازه های دریایی بحث نمود.

1-1-1-   نمکها (سولفاتها و کلریدها) در آب دریا

یک فاکتور رایج در بازه وسیعی از شرایطزیست محیطی این است که سازه ها در تماس دائم یا متناوب و یا به حالت غرقابی باغلظت نسبتاً بالایی از نمکهای محلول، عمدتاً کلریدها و سولفاتها قرار دارند.ارقامی که در جدول 9-2 آمده اند، توسط لی در شیمی سیمان و بتن، چاپ سوم، صفحه 65،ارائه شده است:

جدول‏9‑2

ارقام بالا در واحد لیتر هستند که درصورت تبدیل به ppm یا میلی گرمدر لیتر تقریباً به صورت جدول 9-3 در می آیند:

جدول‏9‑3

می بایست خاطر نشان ساخت که عدد مربوطبه سولفاتهادر جداول بالا، بر حسب  بیانشده در حالیکه در استانداردها و کدهای آیین نامه ای، سولفات معمولاً بر حسب  بیانمی شود. برای تبدیل  به می توان از رابطه زیر استفاده نمود:

محاسبه فوق بر پایه وزن اتمی می باشد:گوگرد: 32 و اکسیژن: 16.

از روابط بالا دیده می شود که بیانسولفات به صورت  درآب اقیانوس اطلس تقریباً برابر با
 ppm 2100 و در آبهای مدیترانه ای تقریباً ppm 2500 می باشد.  هر دوی اینآبها در کلاس 3 آب
زیر زمینی با هدف ارزیابی امکان حمله سولفات به بتن قرار دارند (در این خصوص، BS 5328، بخش 1، جدول a7 و b7 راببینید).

از این رو مطابق استاندارد، سیمانپرتلند معمولی خودش به تنهایی منطبق با استاندارد نیست.

در خصوص خلیج فارس، هیچ رقمی که توسطنهادی ارائه شده باشد را ندیده ام، گرچه در طی 40 سال گذشته، حج زیادی از ساخت وسازها در آنجا انجام شده است. زمانی که من در کویت کار می کردم، ارقامی که در جدول9-4 ارائه شدند، به طور کلی قابل قبول بود.

جدول‏9‑4

می دانیم که در بسیاری از سازه هایدریایی که در اقیانوس اطلس ساخته شده از OPC استفاده شده و مشاهدهد گردید که هیچ گونه حمله سولفاتی را تجربهنکرده اند. کیفیت بتن بکار رفته در سازه های دریایی خیلی بالاست و برای بتن آرمه،حداکثر نسبت آب به سیمان برابر با 45/0 و حداقل میزان سیمان   با مقاومت مخشصه فشاری  معمولاً بکار می رود. بتن با چنین کیفیتی،مقاومت در برابر بر حمله سولفات را در زمانی که از OPC ساخته شود، تضمین می کند. مگر اینکه غلظت سولفات در آب دریا بهمراتب بیشتر باشد.

1-1-2-   کلریدهای آبدریا در بتن

یک فاکتور مهم، حضور کلریدها با غلظت ppm 18000، ppm 21000 و ppm 25000  میباشد. حضور یونهای کلرید در بتن می تواند محرک خوردگی آرماتور فوالادی حتی زمانیکه قلیاییت(pH) است، باشد.تاثیر یونهای کلرید در زمان ترکیب با تری کلسیم آلومینات (C3A) موجود در سیمان بسیار پیچیده خواهد بود که ترکیبات حاصله به طورموثری یونهای کلرید را از حمله به فولاد باز می دارند.

درصد بالاتر C3A باعث خنثی سازی یونهای کلرید بیشتری می شود.

سیمان پرتلند مقاوم به سولفات میزان C3A کمی دارد. BS4027، مقدار C3A را به 3 % محدود
می کند. این در حالی است که OPC احتمالاًحاوی 6 تا 12 % C3A می باشد.

من معتقدم که استفاده از سیمان با C3A بهتر از سیمان مقاوم به سولفات با  C3A پاییناست. مگر اینکه دلیل خاصی باشد که نتوان از آن استفاده کرد.

چنین پیشنهاد می شود که بتنی که حاویروبازه آهن گدازی دانه ای خاکی (GGBS) مطابق با BS 6699 یا خاکسترنرم (pfa) طبق BS3892) می باشد، نسبت به OPC یا SRPC حفاظت بهتریاز میلگردها در برابر حمله کلریدی صورت می دهد.

تا آنجا که من اطلاع دارم، این موضوعهنوز برای برخی مهندسان با تجربه جای بحث دارد.

1-2-    دلایل فرسایش

خسارت و فرسایش می تواند به طرق بسیاریدر سازه های دریایی روی دهد که می توان آنها را در سه دسته اصلی زیر قرار داد:

1.    خسارتفیزیکی

2.    حملهشیمیایی

3.    ترکیبیاز موارد (1) و (2)

هریک از بندهای فوق می تواند از دلایل متعددی ناشی شود. علت واقعی مشکل را می بایستقبل از اتخاذ روشی رضایتبخش جهت تعمیر تعیین نمود.

1-2-1-   خسارت فیزیکی

نوع و علت کلی خسارت فیزیکی اساساً بهنوع سازه، کاربرد و موقعیت آن بستگی داشته که در زیر به طور خلاصه شرح داده میشود.

1.    درمناطق قطبی، خسارت ناشی از یخ کاملاً مرسوم بوده و می بایست مد نظر قرار گیرد

2.    قرارگرفتن در معرض انجماد و ذوب، در و بالای منطقه جزر و مدی در شرایط اقلیمی خاص

3.    قرارگرفتن در معرض فعالیت امواج

4.    احتمالخسارت از پهلو گرفتن کشتی ها در دیوارهای بارانداز و اسکله

5.    باراندازهاو مشابه آنها که بخشی از یک ترمینال نفتی را تشکیل می دهند، ممکن است به طور جدیدر اثر اشتعال هیدروکربنی آسیب ببینند. شکل 9-8 بخش کوچکی از خسارت کلی بسیار عظیمرا نشان می دهد و خسارت وارده به بتن تا بیش از 300 میلیمتر پشت آرماتورهای با قطر32 میلیمتر گسترش یافته است

6.    دیوارهایمربوط به مناطق گردشگری و دیوارهایی که به منظور جلوگیری از تجاوز آب دریا ساختهمی شوند احتمال دارد که در اثر خسارت و سایش ناشی از ماسه و توفالهایی که در چندیننوبت توفان بر روی بتن پرتاب می شوند، آسیب ببینند. شکل 9-9 سایش شدید پی ستونبتنی را که در اثر ماسه و توفال  حاصل شده،نشان می دهد.

7.    شکلدیگری از خسارت فیزیکی بتن در منطقه جزر و مدی (از پایین ترین تراز تا یک ارتفاعمتغیر در بالای تراز بلندترین مد) رخ می دهد. علت این خسارت، تبلور نمک های محلولیاست که جذب لایه های سطحی بتن در تعرض می شوند.

شکلگیری و رشد بلورها در لایه های سطحی بتن منجر به خرد شدن و سوراخ شدگی کم عمق
می شود که سطح را تضعیف نموده و اجازه نفوذ بیشتر را می دهد. بتن، برخلاف فلز وپلاستیک، مصالح متخلخلی است چرا که دارای ساختار حفره های می باشد و حفره ها بسیارریز دارد. بر اساس اف. ام. لی، نسبتا تفاوتی بین حفره های ژل و حفره های موئینه درهیدراسیون خمیر سیمان وجود ندارد و تفاوت واقعی بین حفره های ریز و درشتی است کهدر بازه شان هم پوشانی دارند.

1-2-2-   خوردگیآرماتور فولادی

نوع مهمی از خسارتفیزیکی به بتن آرمه در یک محیط دریایی، ترک خوردگی و خرد شدن در اثر  خوردگی/ زنگ زدن آرماتورها می باشد.

هنگامی که  فولاد زنگ می زند، خوردگی، فضایی حدود 3 تا 5برابر حجم فولاد اصلی را اشغال
می کند و این انبساط بتن را گسیخته می کند. دلیل اصلی خوردگی آرماتورها نفوذ آبدریا حاوی یونهای کلریدی است که اکسیژن و رطوبت را فراهم می کند. با افزایش عمق درزیر تراز پایین آب، دسترسی به اکسیژن کاهش می یابد.

در دهه 1970 میلادی، یک برنامه تحقیقاتمهم توسط موسسه انرژی تحت حمایت قرار گرفت که عنوان آن " بتن دراقیانوسها" بود. هدف، فراهم نمودن دانشی پیرامون عملکرد دراز مدت سکوهایاستخراج نفت بتن آرمه، بخصوص در دریای شمال بوده که در عمق 250 متری از بستر دریامهار شده اند.

من سه مورد از این گزارشها را پیداکرده ام که حاوی اطلاعاتی است که خاص مشکلات فرسایش
سازه های دریای معمولی می باشدند.  گزارشهاعبارتند از:

گزارش شماره 2/11/1976: ترک و خوردگی،ای. وی. بیبی؛

گزارش شماره 5:1980: پیمایش دوام پذیریدریایی برج تانگوز سندز، آزمایشگاه های تحقیقاتی تیلور وودراو؛

گزارش شماره 6:1980: مکانیسم اساسیخوردگی آرماتور فولادی در بتن مستغرق در آب دریا، ان. جی. ام. ویکینز و پی. پی.لاورنس.

این گزارشها اثبات می کنند که شدیدترینشرایط از نظر فرسایش در منطقه جزر و مدی و نیز آرماتورهای تعبیه شده در بتن کهپیوسته تا عمق معینی مستغرق هستند رخ می دهد.

این امر ناشی از کاهش اساسی اکسیژن دردسترس می باشد. میزان غیرفعال سازی که توسط خمیر سیمان موجود در بتن اطرافآرماتورها تامین می شود، تنها به آهستگی کاهش می یابد و پس از آن، خوردگی فعال درمقایسه با بتنی که که حاوی غلظت مشابهی از کلریدها بوده و در معرض هوا قرار دارد(منطقه جزر و مدی و کمی بالاتر از آن) بسیار آهسته پیش می رود.

اگر کلریدهای موجود در بتن عامل خوردگیبوده و بتن نیز در تماس با آرماتورها باشد، خوردگی موضعی احتمال دارد (سوراخ شدگی)رخ دهد که نسبت به خسارت کلی می تواند موجب خسارت جدی تری به آرماتورها شود. اینسوراخ شدگی ممکن است تا بیش از 50 % قطر میلگرد به فولاد نفوذ نماید.

1-2-3-    حمله شیمیایی

من گزارشی در خصوص فرسایش سازه هایدریایی که دریاهای آزاد واقع شده اند توسط حمله شیمیایی به بتن ندیده ام.

بهرحال، من با نمونه ای از حمله شیمیایبه سازه ای که در مصب رود جزر و مدی واقع شده بود، برخورده ام.

تحلیل شیمیای بتن خسارت دیده نشان دادکه حمله سولفاته رخ نداده و آزمایشهای صورت گرفته بر روی بتن حاکی از آن بود کهحمله احتمالاً در اثر فضولات صنعتی اتفاق افتاده است. چنین نتیجه گیری شد که حملهدر طی چندین سال به تناوب اتفاق افتاده بود. در زمان بررسی تحلیل مصب رود، موادشیمیای خورنده به میزانی که غلظت کافی جهت خسارت زدن داشته باشند، یافت نشد. اینخسارت در زیر تراز پایین آب و در محدود منطقه جزر و مدی اتفاق می افتد.

1-3-    بررسیها

اگر بگوییم که 90 % خسارت وارده بهسازه های دریایی بتن آرمه مستقیماً یا غیر مستقم ناشی از خوردگی آرماتورهای فولادیاست، اغراق نکرده ایم و به همین دلیل یک بررسی دقیق همواره مطلوب خواهد بود.

برای مثال، یک سازه دریایی در دریایمدیترانه علائم فرسایش جدی در کمتر از 10 سال پس از تکمیل نشان می دهد. یک بررسینشان داد که علت اصلی، واکنش قلیا با سنگدانه بود. اگرچه کاربرد قابل توجه از بتندر ساختمانهای موجود در خشکی بکارگرفته شده است، اما این موضوع کاملاً غیر قابلانتظار است چرا که هیچ نمونه قبلی ثبت نشده است.

در خلیج فارس، اغلب سنگدانه های بتنییافت شده، با کلرید، سولفات و آب اختلاط که تا حدودی شور است، آغشته می باشد.

یک تغییر رویه به سوی استفاده از سیمانپرتلند مقاوم به سولفات، نسبت به حالت معکوسش، به هیچ پیشرفتی ختم نمی گردد. علتآن هم در بخش 9-14-2 ارائه شده است.

مفاهیم اساسی ارائه شده در فصل 4 را میبایست به طور کلی رعایت نمود. بهرحال، بعید به نظر
می رسد که کربناته شدن بتن نقشی در خوردگی آرماتورها داشته باشد به جز در تعدادکمی از اعضا که به کلی خارج از منطقه جزر و مدی قرار دارند. عوامل زیر را می بایستبررسی نمود:

1.    طراحیاصلی سازه و هر تغییر عمده ای از آن زمان به بعد

2.    تغییراتاقلیمی

3.    شرایطتعرض مربوط به جهت طوفانها

4.    مشخصههای موج

5.    بازهجزر و مد

6.    هرتاثیر مخرب به بتن ناشی از آبزیان

7.    دادههای کشتیرانی و شیوه پهلوگیری (اگر عملی باشد)

8.    مشخصاتدمایی و شیمیایی آبی که از سازه خارج می شود، نظیر آب خنک کننده از یک ایستگاهبرق،

9.    مشخصاتشیمیایی آب دریا که در آن سازه با هر گونه فضولات صنعتی ساخته می شود.

برایبررسی خسارت یا خسارت محتمل در زیر تراز پایین آب، یک تلویزیون مدار بسته می تواندجهت تامین اطلاعات برای سنجش اولیه اوضاع بسیار مفید باشد. برای بررسی دقیق تر،آزمایشی توسط غواصان معمولاً ضروری به نظر می رسد.

سازههای موجود معمولاً با رشد گیاهان دریایی نظیر جلبک، صدف های دریایی و ... پوشاندهمی شود. و اینها را می بایست به منظور تعیین میزان خسارت وارده به بتن حذف نمود.رشد گیاهان دریایی از هر نوع که باشند را می توان با جت های آب فوق سریع، که درنازل های تحت فشار حدود 400 اتمسفر حذف نمود.

1-4-    روشهای تعمیر

1-4-1-   کلیات

همان اصول تعمیری که در فصل 5 و 6 درخصوص سازهای موجود در خشکی ارائه شد را برای
سازه های دریایی به کار می بریم، با این تفاوت که روشهای تعمیر احتمالا متفاوتبوده و نیز شدیداً متأثر از اطلاعات بدست آمده از بررسیهای انجام شده در بخش قبلمی باشد.

میزان فرسایش معمولاً بسیار جدی تربوده و نواحی تعمیر شده می بایست ظرفیت تحمل شرایط بسیار سختی را داشته باشند.شرایطی که تحت آن کارهای تعمیر می بایست انجام شود، معمولاً بسیار دشوار است.تعمیرات در بازه جزر و مد می بایست در یک زمان بندی محدود انجام شود. همچنین کاریکه در زیر تراز پایین آب می شود، مشکلات بسیاری را به همراه دارد.

اکثر تعمیرات سازه ای که در بالای ترازفوقانی مد قرار دارد احتمالاٌ تحت تمیرات کلی "قطعه ای"
می باشند.

استفاده از پوشش با کیفیت در فصل های 5و 6 توصیه شده و اطلاعات دقیق در خصوص پوششهای مناسب در فصل 7 آمده است.

حتی بهترین پوششها نیز ممکن است عملکرددراز مدت خوبی را در محیط دریایی از خود ارائه ندهند. هر زمان که ممکن باشد، توصیهمن این است که از بتن تگری بر روی کل سطح تمامی عضوهای تعمیر شده با ضخامت حداقل50 میلیمتر اجرا شده و آرماتور بندی نیز با تور فولادی گالوانیزه که به طور ایمنبه پی بتنی نصب شده، انجام گیرد. "بتن پاششی" که در قالب ملات تحت فشاراجرا می شود، گاهی نیز به صورت شاتکریت استفاده شده و در صورت استفاده از مصالحدرشت دانه (10 میلیمتر و بیشتر) به بتن به صورت افشانه ای خواهد بود. تاثیر افزایشبار مرده می بایست بررسی گردد.

نمای کلی بالا از تعمیرات "قطعهای" تقریباً حضور حتمی غلظت هایی از یون های کلریدی را در تماس با آرماتورهابه حساب نمی آورد. تنها روش معمول و موثر برخورد با چنین شرایطی، اعمال یک سیستمحفاظت کاتدی بوده که در بخش بعدی بحث می شود.

به طور کلی، پیچیده ترین نوع تعمیر یکسازه، زمانی است که در منطقه جزر و مدی یا در زیر تراز پایین آب اجرا می شود.

روش واقعی تعمیر به شرایط هر نمونهبستگی داشته و ممکن است مستلزم بتن ریزی توسط یک لوله مستغرق انجام شود. مرجع اینموضوع گزارش فنی انجمن بتن، TR 035 با عنوانبتن ریزی زیر آب
می باشد.

به منظور اقدام احتیاطی جهت  جلوگیری از گسیختگی بتن، ترکیب اختلاط ویژه اینیار می باشد. در خصوص بتن ریزی زیر آب تضمین اینکه پیوند خوبی بین بتن موجود وبتن تازه ریخته شده باشد، بسیار دشوار است.

نتایج خوبی در خصوص استفاده از تکنیکیکه شامل پر کردن قالب یا سنگدانه های دانه بندی شده و سپس تزریق دوغاب با پایهسیمانی و فرمولاسیون ویژه گزارش شده است.

تعمیرات زیر آب نیازمند تخصص بوده و میبایست تنها به کادری با سابقه موفق کاری محول گردد تا نتیحه قابل اعتمادی بدستآید. بررسی افرادی با چنین تخصصی در زمینه تعمیرات واقعی زیر آب خود امری دشواربوده چرا که آماده بازبینی نمی باشند. این فرض منطقی است که افرادی که مسئولیتتعمیر را برعهده گرفته اند، سیستم های تعمیر خاصی را که پبشنهاد نموده اند، قبل ازاینکه تکنیک را در اصل استفاده نمایند، آزمایش کنند. این امر برای سازه های موجوددر خشکی هم از لحاظ عملی متداول بوده و اغلب شامل گواهی تضمین کیفیت بورد بریتانیامی باشد.

1-4-2-   حفاظت کاتدی

اطلاعات کلی پیرامون حفاظت کاتدی درفصل 6، بخش 6-6 داده شده اما نظرات اضافی در مورد
سازه های دریایی، مطلوب قلمداد می شود.

در اثر پخش غیر قابل اجتناب کلرید دربتن سازه های دریایی، خوردگی آرماتورهای فولاد کربنی
رخ می دهد. اینکه این خوردگی فوراً پس از ساخت رخ می دهد یا چند سال بعد، به عواملمتعددی بستگی دارد. عمده این عوامل عبارتند از:

1.    نفوذپذیریبتن، که اساساً نرخ پخش یونهای کلرید و رسیدن به آرماتورها و تخریب اثرناپذیریحاصل از خمیر سیمان را تعیین می نماید.

2.    عمقزیر تراز پایین آب که می بایست در آن تعمیر انجام گیرد. هر چه عمق بیشتر باشد، نرخخوردگی به دلیل کاهش دسترسی اکسیژن کندتر خواهد شد.

تاآنجا که من اطلاع دارم، تنها راه عملی متوقف نمودن این خوردگی ، نصب یک سیستمحفاظت کاتدی با طراحی صحیح می باشد.

هزینهنصب یک سیستم حفاظت کاتدی جامع، بالا بوده و احتمالاً چهار برابر تعمیرات"قطعه ای"
می باشد. در صورتی که آرماتورهای بکار رفته در سازه دریایی بیشتر و بیشتر خوردهشده و موجب ترک و خرد شدن بتن گردد، چنین سیستمی احتمالاً به صورت عملیات پیوستهای مد نظر قرار گیرد و هر دو سیستم اساسی حفاظت کاتدی معمولاً با شرایط موجودسازگارند.

اطلاعاتبیشتر در خصوص استفاده از حفاظت کاتدی  درمقالاتی که در بخش "منابع برای مطالعه بیشتر" آمده، ارائه می شود.