بررسی استفاده از میلگرد استنلس استیل در سازه های با چرخه عمر زیاد واقع در مناطق با شرایط خوردگی بالا

بررسی استفاده از میلگرد استنلس استیل در سازه های با چرخه عمر زیاد واقع در مناطق با شرایط خوردگی بالا

خوردگی میلگردهای فولادی علت اصلی فروپاشی سازه های بتنی، به ویژه در مناطق با شرایط نمکهای محلول در آب و یون های خورنده نظیر کار موجود در هوا می باشد. بمنظور دستیابی به مقاومت در برابر خوردگی بالاتر از میلگردهای فولاد ضد زنگ برای جلوگیری و یا به حداقل رساندن افزایش خوردگی میلگردها در سازه های بسیاری در طی 25 سال گذشته استفاده گردیده است. اگرچه استفاده از این نوع میلگردها به دلیل هزینه های اولیه بالا هنوز محدود می باشد ولی استفاده از میلگردهای فولاد ضدزنگ در مناطقی که سازه ها تحت اثر شرایط خوردگی شدید نظیر بخش فوقانی عرشه پلها ناحیه پایین اسکله و نواحی برخورد امواج دریا قرار دارند، یک روش بالقوه مقرون به صرفه است. باید توجه داشت که تنها با افزایش اندکی در هزینه های اولیه به طور قابل توجهی عمر خدمت رسانی سازه های بتنی بهبود خواهد یافت همچنین این روش میتواند در تعمیر سازه های بتن مسلح رو به زوال مورد استفاده قرار گیرد. در حالیکه، منافع قابل ملاحظه ای در استفاده از این مصالح وجود دارد، نگرانی ها در مورد خوردگی گالوانیک در هنگام استفاده از فلزات با ظرفیتهای غیر مشابه الکتریکی در سازههای بتنی موجب احتیاط مهندسان در مورد استفاده از فولاد ضدزنگ و فولاد کربن در ساختار بتن مسلح در مجاورت و اتصال الکتریکی با یکدیگر گردیده است.

خوردگی شیمیایی

با توجه به اهمیت موضوع آزمایشات و بررسی ها گوناگونی در این خصوص صورت پذیرفته است. تجزیه و تحلیل طولانی مدت رفتار خوردگی در ردههای مختلف فولادهای ضدزنگ کار گذاشته شده در ملات بتن که برای مدت دو سال در معرض محلول کلرید و نظارت دائم قرار گرفته بود نشان داده است که فولاد دو گانه 2205 دارای عملکرد مقاومت در برابر خوردگی بسیار خوب شبیه به فولاد آستنیتی 316ln می باشد. عملکرد خوردگی برتر این فولاد به خواص محافظتی خوب فیلم های غیر فعال غنی شده با عناصر کروم، نیکل و مولیبدن نسبت داده میشود. همچنین عملکرد مقاومت در برابر خوردگی فولاد 304 نیز در مقایسه با فولادهای ذکر شده قابل قبول بوده است.

پیل گالوانیکی

بررسی های انجام شده در رفتار الکتریکی فولاد کربن در اتصال با فولاد ضدزنگ غیر فعال در بستن متخلخل در معرض محلول با شرایط عدم وجود کلرید نشان می دهد که استفاده از میلگرد فولاد ضدزنگ و میلگرد فولاد کربن در بستن های نفوذپذیر، حتی زمانی که این میلگردها در تماس مستقیم الکتریکی با یکدیگر باشند خطر خوردگی در فولاد کربن را افزایش نمی دهد. در واقع، میزان خوردگی فولاد کربن در پیل گالوانیکی مشترک با فولاد ضدزنگ کمتر از اتصال با فولاد کربن خورده شده، بوده است. بنابراین، استفاده صحیح از فولاد ضدزنگ با فولاد کربن در مناطق در معرض خطر خوردگی یک سازه بتن مسلح می تواند گزینه ای مقرون به صرفه برای کاهش خوردگی و تا حد زیادی افزایش عمر خدمت رسانی سازههای بتنی باشد.

دوره عمر

در طول عمر سازه در مناطق با ترافیک سنگین یا اعمال بارهای زیاد در مدت خدمت رسانی، با پیش بینی دو یا چند تعمیرات برنامه ریزی شده باید هزینههای غیر مستقیم تحمیل شده را نیز پیش از ارائه مقدار هزینه لازم اجرایی محاسبه نمود، بدین ترتیب در نتیجه گیری هنگامیکه استراتژی اتخاذ شده شامل انجام تعمیرات در طول دوره عمر است هزینه بهینه نمی شود. به همین طریق جهت سازههای دریایی که اغلب اوقات هزینههای غیر مستقیم در تعمیرات را در مراحل احداث و بهره برداری شامل نمی گردند، استراتژی های استفاده از فولاد ضد زنگ و یا تعمیر پیشگیرانه در نظر گرفته شده اغلب تبدیل به راه حل بهینه ای خواهند شــد.

محیط خورنده 

میزان و نسبت صحیح اجزاء بتن و پیوند مناسب دانه بندی توسط واکنش آب و سیمان در طرح اختلاط موجب حصول مقاومت و دوام بتن خواهد گردید. بتن در شرایط مطلوب نیز دارای تخلخل بوده و خلل و فرج همواره حاوی آب با املاح محلول نمکی نظیر ترکیبات قلیایی سدیم پتاسیم و هیدروکسید کلسیم میباشد که در مقاومت خوردگی میلگردهای فولادی مورد استفاده بمنظور تقویت بتن بسیار هستند.

مقاومت خوردگی فولاد ضدزنگ در بتن 

فولاد ضدزنگ موجب توسعه عدم فعالیت طبیعی در محیطهای طبیعی و اسیدی میگردد، اما کلریدها می توانند بسته به آلیاژ تشکیل دهنده و ph محلول موجب خوردگی حفره ای گردند با اندازه گیری افزایش رواداری کلرید همراه با افزایش ph در چندین تحقیق انجام شده تائید می نمایند که از نظر شروع خوردگی قابلیت مقاومت در برابر کلرید فولاد ضدزنگ نسبت به فولاد نرم در هنگامیکه در بتن قرار گرفته است در مرتبه بالاتری میباشد تا کنون اغلب فولاد ضدزنگ استفاده شده جهت آرماتوربندی از نوع آستنیتی (304,306) بوده ، که بیشتر در دسترس قرار داشته و 5 تا 10 برابر در مقایسه با فولاد نرم در مقابل کلریدها مقاوم تر می باشد. آلیاژهای پایین تر فولاد ضدزنگ فریتی مقاومت کمتری در برابر کلرید دارند اما میتوانند مقاومت مکانیکی بالاتری را تامین نمایند. نوع دوگانه فولاد ضد زنگ بطور کلی از انواع دیگر گران تر می باشند، لیکن ترکیب خوبی از خواص مکانیکی با مقاومت در برابر خوردگی عالی را فراهم می آورد اسکو سگراد، 1997: 14). مقاومت در برابر خوردگی میلگرد میتواند از طریق تجزیه و تحلیل شبیه سازی معادله مقاومت ظاهری " جریان متناوب صورت پذیرد. این معادله جریان الکتریکی شامل سه ترکیب موازی مقاومت محض و یک خازن وابسته به فرکانس است. بر این پایه آزمایش عبور جریان از نمونههای کنترل شده بتن ترتیب داده شده است. نمونه آزمایش استوانه بتنی با قطر 10 و ارتفاع 20 سانتیمتر و میلگرد با قطر 10 و 20 میلیمتر از فولاد ضد زنگ و فولاد کربن بوده است. نمونه های بتن همه از ترکیب پایه شامل 6 کیلو گرم سیمان، 3 کیلو گرم آب، 9 کیلوگرم سنگدانه ریزدانه و 18 کیلوگرم سنگدانه درشت دانه ساخته شده اند در جدول زیر نیز افزودنی های مورد استفاده در طرح اختلاط ارائه گردیده است. علامت c نشان دهنده گروه کنترل و علامت ss نمایانگر نمونههای حاوی میلگرد ضدزنگ می باشد.

هزینه چرخه عمر استفاده از میلگرد فولاد ضدزنگ

هر دو فولاد مورد مقایسه یعنی فولاد ضد زنگ و فولاد کربن از لایه نازک غنی اکسید کروم که به طور طبیعی بر روی سطح تشکیل می گردد، برای مقاومت در برابر خوردگی استفاده مینمایند این لایه نازک نامرئی بی اثر محکم به فلز چسبیده است، و از همه مهمتر در محیطی که حتی سطوح نسبتا پایین اکسیژن وجود داشته باشد، در صورتیکه سطح فولاد دچار آسیب گردد، لایه محافظ بلافاصله اصلاح می گردد. با این حال محیطهای تهاجمی به عنوان مثال کربنات و یا نفوذ کلریدها میتواند منجر به تجزیه این لایه های غیر فعال و در نتیجه خوردگی سطح حفاظت نشده فولاد گردند. هنگامی که زوال فولاد به سطح مشخصی رسید، اقدامات بازسازی مورد نیاز خواهد بود. در میان گزینههای مختلف بازسازی فولاد ضد زنگ به جایگزین جذابی در مقایسه با روش های سنتی استفاده از فولاد کربن (غیر آلیاژی)، پوشش اپوکسی بازدارنده خوردگی و حفاظت کاتدیک و نظایر آن تبدیل شده است. بدین ترتیب استفاده از میلگرد فولاد ضدزنگ در اجرای برخی سازه ها دارای جایگاه خاصی گردیده است.

در انتخاب فولاد ضدزنگ به جای فولاد کربن هر دو جنبه اقتصادی و فنی مورد نظر قرار خواهند گرفت. ممکن است این انتخاب شامل بخشی از یک سازه گردد، مانند بخش پایین تر از یک ستون در یک پل بزرگراه در معرض یخ زدایی نمک، منطقه ترشح آب 2 دریا برای سازه های ساحلی و یا لبه تیرها در پل بزرگراه که به آن استفاده هوشمندانه " اطلاق می گردد. علاوه بر این، فولاد ضد زنگ میتواند مقاومت بالاتری از فولاد کربن رایج داشته باشد که این جنبه باید در طراحی سازه های مرتفع و باریک با ترکیب مقاومت بیشتر همراه با کاهش پوشش بتن بر روی فولاد ضد زنگ در نظر گرفته شود.

مقایسه هزینه فولاد ضد زنگ با فولاد غیر آلیاژی معمولا این نتیجه را در برخواهد داشت که فولاد ضد زنگ مصالح گران قیمتی است. از سوی دیگر حتی اگر فولاد ضدزنگ چندین برابر بیشتر از فولاد غیر آلیاژی قیمت داشته باشد، اضافه هزینه سازه تنها 5 تا 15 درصد خواهد بود. علاوه بر این کل چرخه عمر محاسبه شده ثابت خواهد کرد که کاربرد فولاد ضدزنگ به علت کاهش شدید هزینه تعمیرات چندان گران نخواهد بود.