آسیب پذیری فولاد در بتن پیش تنیده

در مورد فولاد پیش تنیدگی حساس، وجود مقادیر بسیار کوچک هیدروژن می تواند منجر به آسیب برگشت ناپذیر گردد. بنابراین آسیب پذیری فولاد نسبت به هیدروژن از اهمیت بسیاری برخوردار بوده و فولادهای پیش تنیدگی با استفاده از آزمایشات خوردگی تنشی ویژه ای، مورد بررسی قرار می گیرند. آسیب پذیری فولادهای پیش تنیدگی نسبت به تردشدگی هیدروژنی، به ترکیب شیمیایی فولاد، فرآیند تولید و فرآوری بعدی آن (مثلا فرآوری حرارتی) بستگی دارد.

در این مقاله با آسیب پذیری فولاد در بتن پیش تنیده بیشتر آشنا خواهید شد. ب ما در کلینیک بتن ایران همراه باشید.

کلیه انواع فولادهای پیش تنیدگی ذکر شده در مقالات دیگر وب سایت کلینیک بتن ایران (فولاد با نورد گرم، سردکاری و آب دادن، و تغییر شکل سرد) را در صورتی که مشخصات بهینه به دست آید، می توان بدون ترس از مشکلات خوردگی مورد استفاده قرار داد. از سوی دیگر، در صورتی که تکه های بخصوصی دارای مشخصات ضعیف تری نسبت به حالت بهینه باشند که از فرآیند تولید ناشی شود، آنگاه برای کلیه انواع فولاد مشکلاتی ممکن است روی دهد.

برخی تفاوت های موجود در زمینه آسیب پذیری نسبت به تردی هیدروژنی میان انواع مختلف فولاد، می تواند به تفاوت های موجود میان ریزساختارهای آنها مربوط شود. هیدروژن در فولاد تمایل دارد به سمت محل هایی منتشر گردد که ریز ساختار امکان بیشترین درجه آشفتگی را فراهم نماید. یعنی به سمت درزها و شکاف های معیوب و به ویژه به سمت مرزهای بلوری. ترک های ناشی از هیدروژن به فراوانی در امتداد مرزهای بلوری فولاد اتفاق افتاده و در سطح ریزساختار، به صورت بین دانه ای می باشند. انواع فولادهایی که در آنها اکثر مرزهای دانه ای عمود بر نیروهای اعمالی هستند، بیشتر در معرض خطر قرار دارند.

آخرین اخبار و مطالب تکمیلی را در این بخش دنبال نمایید
آزمایش خوردگی بتن و فولاد
مواد افزودنی حباب هوا ساز و کاربرد های آنها در بتن
استفاده از فوم بتن ( concrete foamed ) چه مزایایی دارد؟

این گروه شامل فولادهای با نورد گرم، سردکاری و آب دادن می باشد. در حالت اخیر، مرزهای آستنیت مورد توجه می باشند. در مورد سیم ها و استرندهای شکل دهی شده به صورت سرد، مرزهای بلوری تغییر شکل یافته، اغلب در راستانی نیروی اعمالی امتداد می یابند و در نتیجه ضعیف ترین نقاط در ساختار، به طور غالب در معرض نامطلوب ترین اثرات تنش قرار ندارند. این پدیده، توضیح می دهد که چرا در حضور منبع زیاد هیدروژن، سیم ها و استرندهای کشیده شده به صورت سرد که از این نوع سیم ها ساخته شده اند، عملکرد بهتری نسبت به فولاد با نورد گرم، سردکاری و آب دادن را از خود نشان می دهند. بسته به ترکیب و یا فرآوری حرارتی فولادها، تغییرپذیری قابل ملاحظه ای در آسیب پذیری در برابر H-SCC به انواع مختلف فولاد قابل مشاهده می باشد.

حساسیت ساختارهای فولادی نسبت به تردشدگی هیدروژنی به ترتیب زیر افزایش می یابد: فولادهای رده پیرلیتی، سردکاری و آب داده شده، باینیتیک (سخت شده در حمام نمک) شکل دهی شده از طریق خنک کردن پیوسته، و در نهایت ساختارهای مارتنزیتی (سخت ترین فولاد). به دلیل حساسیت بالای فولاد مارتنسیتی در جایی که خطر ناشی از خوردگی تنشی مربوط به هیدروژن وجود داشته باشد، از آن استفاده نمی شود. فولادهای پیش تنیدگی با ساختارهای باینیتیک گسیختگی های سازه متعددی را موجب را موجب شده اند و استفاده از این فولاد در ساخت و ساز دیگر مجاز نمی باشد.

برای فولاد با سردکاری و آب دادن، مقدار مارتنیست می تواند آسیب پذیری نسبت به ترک خوردگی ناشی از تنش های داخلی را افزایش دهد. فرآیند سخت کاری و آبکاری (فرآوری حرارتی)، دارای تاثیر قابل ملاحظه ای بر حساسیت نسبت به هیدروژن می باشد. به منظور کاهش این حسایت، انواع جدیدتر فولادهای پیش تنیدگی با سردکاری و آبکاری، دارای مقدار کربن و کرومیوم افزوده کمتری می باشند. این اصلاحات، خواص ناشی از سخت کاری و سردکاری ملایم را بهبود بخشیده و از نظر اجرایی منجر به حذف آثار مارتنسیت باقیمانده می گردد.

آسیب پذیری فولاد در بتن پیش تنیده

در نوع جدید فولاد پیش تنیدگی با سردکاری و آب دادن، مقدار مگنز کاهش و مقدار سیلیکون افزایشی داده شد. در نتیجه، جذب، انحلال پذیری و انتشار هیدروژن تا حد زیادی کاهش یافت. حسسیت هیدروژن در فولاد پیش تنیدگی تا حد زیادی به اثر عناصر جداکننده و به خصوص حذف آنها از مرزهای بلوری یا از مجاورت آنها، مربوط می گردد. این حساسیت به ویژه بر اثر یک اندرکنش میان هیدروژن و محصولات جداشدگی فسفر (P)، آنتیمون (Sb)، قلع (Sn)، گوگرد به صورت سولفیدها (S) و آرسنیک (As)، افزایش می یابد.

ترکیبات گوگرد و آرسنیک به عنوان تسریع کننده هایی برای جذب هیدروژن در فولاد عمل می کنند. به منظور به حداقل ذساندن ظرفیت غیرفلزی مضر و جداشدگی در مرزهای بلوری، تغییرات اساسی در فن آوری تولید فولادهای پیش تنیده طی 35 سال اخیر به منظور کاهش مقدار عناصر باقیمانده و آثار آن، صورت گرفته است. امروزه مقدار گوگرد و فسفر معمولا به طور مشخص کمتر از 005/0% می باشد.

سختی یا مقاومت فولاد، یک مشخصه متغیر عمده در فولادهای پیش تنیده می باشد که آسیب پذیری نسبت به خوردگی تنشی ناشی از هیدروژن را تحت تاثیر قرار می دهد. شکل 6-9 نتایج آزمایشات خوردگی تنی بر روی فولاد غیرآلیاژی با مقاومت بالا را در ارتباط با سختی و تنش کششی نشان می دهد.

شکل 6-9- اثر سختی و مقاومت کششی بر طول عمر فولاد غیرآلیاژی در محلول اشباع H2S؛ سختی توسط مقدار C، تغییر شکل سرد یا فرآیند سرد شدن سریع و ملایم تنظیم می شود.

فولادهای پیش تنیدگی در محدوده سختی ویکرز در حدود 350 HV تا 600 HV قرار دارند. با کاهش تنش کششی و کاهش سختی، عمر بهره برداری افزایش می یابد. در تنش ثابت، عمر بهره برداری در ارتباط با سختی تقریبا به صورت زیر کاهش می یابد:

1 : 6 : 60 : 1265= 550HV : 450HV : 350HV : 350HV : 250HV

برای فولادهای پیش تنیدگی در یک رده فولاد به خصوص (نورد گرم، سردکاری و آب دادن، شکل دهی شده به صورت سرد)، اثر هیدروژن بر تشکیل ترک با افزایش مقاومت افزایش می یابد. (شکل 6-10). با توجه به رابطه زیر:

طول عمر L با توان سوم تنش ơ و توان نهم مقاومت R_m کاهش می یابد (ضریب C یک مقدار مشخصه برای پایداری ماده در محیط مورد نظر می باشد).

شکل 6-10- اثر مقاومت فولاد پیش تنیدگی بر طول عمر درآزمایش خوردگی تنشی (ơ₀= 0.8 R_m)،

1- محلول اشباع آب- H2S، 2و 3- محلول 20% NH4SCN (آزمایش FIP)

با استفاده از یک نمونه فولاد پیش تنیدگی با نورد گرم و یک پیش تنیدگی مورد نیاز N/mm²800 نشان داده شده است که استفاده از مقادیر بیشتر یک فولاد با مقاومت پایین نسبت به استفاده از مقادیر کمتر یک فولاد با مقاومت بالا، اطمینان بیشتری را در برابر ترک ناشی از خوردگی مربوط به هیدروژن ایجاد می نماید. فولاد 1030/835 St دارای عمر بهره برداری 5/6 برابر در یک سطح تنش بالاتر (R_m75/0) نسبت به فولاد 1230/1080 St در یک سطح تنش پایین تر (Rm 60/0) می باشد.

ای نتایج نشان می دهد که افزایش مقاومت، تمایل به خوردگی تنشی ناشی از هیدروژن، را در حضور عوامل تسریع کننده خوردگی (آب، بتن کربناته، کلرید) افزایش می دهد. بررسی ما از چندین آزمایش خوردگی تنشی که مطابق با استاندارد FIP صورت گرفت  نشان داد که افزایش مقاومت فولاد تغییر شکل یافته به صورت سرد از 1700 به N/mm²2000، منجر به افت عمر بهره برداری با یک ضریب 100 می گردد. براساس این نتایج، حداکثر مقاومت پیشنهاد شده برای انواع فولاد به صورت زیر می باشد:

• نورد گرم N/mm²1400
• سردکاری و آب دادن N/mm²1700
• کشش سرد N/mm²1950

در نتیجه، حداکثر مقاومت فولادهای پیش تنیدگی در آلمان محدود بودن و از حدود سال 1980، میله های فولادی با مقاومت بالا 1320/1080 St (135/110 St) از بازار فولاد پیش تنیدگی به دلایل فوق، خارج شده اند. اعتراض آلمان به استاندارد جدید اروپا برای فولادهای پیش تنیدگی 10138 EN به همین دلایل می باشد.

خصوصا اعتراض مقامات مسئول به افزایش مقاومت استرندها و سیم های شکل دهی به صورت سرد مربوط می شود که به طور ویژه توسط برخی تولید کنندگان فولاد پیش تنیدگی در غرب اروپا تولید می شوند. می توان گفت این موضوع، یک میدان بحث جنجالی است که نیازمند بررسی بیشتر از طریق چندین پروژه در قالب 543 European COST Action «مصالح و سیستم های جدید برای سازه های بتنی پیش تنیده» می باشد.