השפעת ריפוי ב‑CO2 על ביצועי שכבת הפסיבציה של מוטות פלדה בחומרים מבוססי מלט

מדוע הגנה ירוקה יותר על בטון חשובה

ערים מודרניות נשענות על בטון מזוין, שבו מוטות פלדה מוחבאים בפנים ונושאים חלק גדול מהעומס. עם הזמן עלולים מוטות אלה להחליד, ואיום זה מהווה סכנה לגשרים, מבנים וסוללות חוף. במקביל, תעשיית המלט היא מקור משמעותי לפחמן דו‑חמצני (CO2). המחקר הזה בוחן טכניקה הקרויה ריפוי ב‑CO2 שיכולה לסייע בשני המישורים בו‑זמנית: היא קושרת CO2 בבטון טרי וכמו שמראה עבודה זו, עשויה גם לשפר את ההגנה על הפלדה שבתוכו מפני קורוזיה.

לנשום CO2 כדי ליצור בטון חזק יותר

במקום לאפשר לבטון חדש להתקשח רק באוויר לח או באדי קיטור, ריפוי ב‑CO2 חושף אותו לריכוז גבוה של פחמן דו‑חמצני בשלביו הראשונים. הגז מגיב עם משחת המלט ויוצר מינרלים פחמתיים מוצקים הממלאים את הנקבוביות בסמוך לפני השטח. תגובה זו גם מאחסנת CO2 בחומר וגם יוצרת מעטפת חיצונית דחוסה יותר. מאחר שרוב המבנים מבוצעים עם חיזוק של מוטות פלדה, החוקרים התמקדו במה שהסביבה המושרת הזו עושה לשכבה הדקה המגנה — שכבת הפסיבציה — שנוצרת באופן טבעי על הפלדה בבטון בעל בסיסיות גבוהה ושומרת עליה מפני חלודה.

צפייה בפלדת שעוברת לפסיבית ואז מאבדת הגנה

הצוות יצק גלילי מלט קטנים שהכילו מוטות פלדה וריפו חצי מהם ב‑CO2 וחצי בתנאים לחים סטנדרטיים. הם עקבו אחר המעבר של הפלדה ממצב פעיל וללא הגנה למצב פסיבי ומוגן באמצעות כמה טכניקות אלקטרוכימיות שמזהות זרמים זעירים על פני השטח של הפלדה. המדידות הראו כי במלט רגיל לקח לפלדה כשלושה שבועות להגיע למצב פסיבי יציב, בעוד שבמלט שרופא ב‑CO2 זה קרה בערך במחצית הזמן. המחברים מקשרים את ההאצה הזו לריכוז חמצן זמני גבוה יותר סביב הפלדה שנגרם על‑ידי תגובת ה‑CO2 ודחיסת שכבת המלט החיצונית, שמדחיקה חמצן מומס כלפי פנים ומזרזת את יצירת שכבת ההגנה.

עור מגן דק יותר אך חזק יותר

במבט ראשון, שכבת הפסיבציה בסמ플ים שרופאו ב‑CO2 עשויה להיראות פחות טובה: היא מעט דקה יותר — כ‑4.06 ננומטר לעומת כ‑4.73 ננומטר בריפוי סטנדרטי. אך אותן בדיקות הראו שהיא מתנגדת להעברת מטען בחוזקה רבה יותר, כלומר קשה יותר לתגובות קורוזיביות להתרחש. מיקרוסקופיה של פני השטח של הפלדה חשפה מדוע. במלט שרופא ב‑CO2 השכבה אחידה יותר ומסודרת עדין, ויוצרת דפוס גרעיני אנכי רציף שחוסם מסלולים ליוני כלוריד וחמצן. ניתוח כימי באמצעות ספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים של קרני X הראה גם כי לשכבה זו יש שיעור גבוה יותר של ברזל במצב חמצון נמוך יותר (Fe2+) יחסית ל‑Fe3+. איזון זה נראה כמרכיב שדוחס את השכבה ביתר שאת ומעניק לה יכולת לתקן בעצמה פגמים זעירים, וכך מתבהרת השילוב המפתיע של עובי קטן יותר והגנה טובה יותר.

עיכוב נזק ממלח למשך זמן רב יותר

מבנים אמיתיים נחשפים לעתים קרובות למלחים ממי ים או ממלחי הפשרה, שעלולים בהדרגה לפרק את שכבת הפסיבציה. כדי לדמות זאת, החוקרים מחזרו את הדגימות שלהם דרך מחזורים חוזרים של השרייה בתמיסת מלח וייבוש. הפלדה במלט שרופא בתנאים סטנדרטיים איבדה את מצבה המגן לאחר כ‑18 מחזורים כאלה, עם זינוק חזק בזרמי הקורוזיה. לעומת זאת, הפלדה במלט שרופא ב‑CO2 נשארה פסיבית עד לערך של כ‑30 מחזורים, כלומר הופעת הקורוזיה החמורה נעוכתה בכ‑שני שלישים בקירוב. השיפור הזה נובע משילוב של שתי תועלות: השכבה הממומנת בפחמן בחוץ מאטה את הגעת יוני הכלוריד, ושכבת הפסיבציה המשופרת עצמה יציבה יותר ופחות פגומה כאשר היא מותקפת.

מה משמעות הדבר עבור מבנים בעתיד

לסיכום, הממצאים מרמזים שריפוי ב‑CO2 עושה יותר מאשר לכידת גזי חממה בתוך הבטון; הוא גם משנה את המגן המיקרוסקופי המגן על הפלדה שבפנים. על‑ידי האצת יצירת שכבת פסיבציה צפופה וכימית‑עמידה יותר, ובשילוב עם מבנה נקבובי חיצוני צפוף יותר, בטון שרופא ב‑CO2 יכול לעמוד טוב יותר בפני קורוזיה מונעת מלח לאורך זמן. עבור מהנדסים, המשמעות היא שהחלפה של ריפוי קיטור מסורתי ליציקות טרום‑ייצור בריפוי ב‑CO2 עשויה להאריך את תוחלת השירות של גשרים, מבני ים ותשתיות קריטיות אחרות תוך תרומה לשימוש ב‑CO2 — מה שמייצר הישג כפול של עמידות והשפעה אקלימית טובה יותר.

ציטוט: Guo, B., Shi, L., Chu, J. et al. Effect of CO₂ curing on the performance of the passivation film of steel bars in cement-based materials. npj Mater Degrad 10, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00762-3

מילות מפתח: ריפוי ב‑CO2, בטון מזוין, קורוזיה של פלדה, שכבת פסיבציה, מתקפת כלוריד