خواص و کاربردهای میلگرد آجدار فولاد ضد زنگ

میلگرد آجدار فولاد ضدزنگ پراستحکام، مقاوم در برابر خوردگی در سال­های اخیر برای تقویت بتن در پل­ها، بزرگراه­ ها، ساختمان­ ها و سایر پروژه­ های ساخت و ساز که درآنها هزینه چرخه عمر به صورت مناسبی بر هزینه اولیه کمتر می چربد و با صرفه جویی مشهودی از فولاد کربنی انتخاب شده است.

از آنجا که این سایت مربوط به حفاظ سازی ساختمان است و فولاد ضد زنگ در ساخت نرده و حفاظ پنجره و نرده حفاظ بالکن و درب نیز کاربرد زیادی دارد بر آن شدیم تا مطلب مفید و تخصصی درباره آشنایی با خواص و کاربردهای میلگرد آجدار فولاد ضد زنگ برا خوانندگان تهیه کنیم

ماهنامه پردازش :

میلگرد آجدار فولاد ضد زنگ، ترکیب خوبی از استحکام، چقرمگی، نرمی و استحکام خستگی بالا را ارائه می دهد. هزینه ­های بالاتر میلگرد فولاد ضد زنگ با آج­ های مستحکم، مارپیچی را می توان اغلب در مقایسه با هزینه­ های اولیه، نگهداری در عمر کاری، جایگزینی، و هزینه­ های عملیاتی میلگرد فولاد کربنی، با روکش کاری فلزی، پوشش دهی، یا بدون پوشش توجیه کرد.

عملا، میلگرد آجدار فولاد ضدزنگ برای بسیاری از سازه­های بتنی جهت تامین استحکام بالا و مقاومت بلند­مدت به حمله خور­نده کلرید­ها از نمک جاده و محیط­های خشن دریایی و همچنین کلریدهای تشکیل شده توسط بتنی که میلگرد درون آن قرار گرفته انتخاب شده­اند .

کاربردهای ممکن میلگرد فولاد ضدزنگ مقاوم در برابر خوردگی می­تواند شامل دسته ای از سازه­های دریایی مانند عرشه پل­ها، پیاده­روها­، رمپ­ها­، حصارهای محافظ­، شمع­ها­، نرده­ها­، دیوارهای حایل­، سیستم­ های­ مهارکننده کشتی­، محل پارک کشتی­ها­، دیوارهای دریایی­، ستون­ها­، پایه­های اسکله­، انشعابات اسکله­، و متعقات مهار کشتی باشد. میلگرد فولاد ضدزنگ همچنین ممکن است برای زیرساخت­های کارخانه­ های شیمایی و سایر واحد­های فرآوری که در آنها مقاومت در برابر خوردگی می­تواند مهم باشد نیز در نظر گرفته شود.

علاوه بر این­، برای پل­ها و سایر سازه­ها در مناطق با فعالیت زمین لرزه­ای بالا­، نیاز به استحکام بالا برای حفظ یکپارچگی سازه­ای از اهمیت برخوردار است. لازم به ذکر است که بهبود زمین لرزه­ای پل یکی از شش دسته اصلی اختصاص داده شده برای کمک­های مالی توسط اداره فدرال بزرگراه­ ها (FHWA) در آمریکا است.

سایر پروژه­های زیربنایی FHWA شامل تحقیقات و ساخت ابتکاری پل­، پروژه­های قیمت­گذاری ارزش، و اتوبوس ­های دریایی و پایانه­ها می­باشد. یک یا هر سه این پروژه­ها ممکن است نیاز به ارزیابی مجدد مواد میلگرد آجدار داشته باشند.

این مقاله به بررسی خواص چهار نوع فولاد ضدزنگ 2205،LN316،    می ­پردازد و ترکیب شیمیایی، ریز ساختار, ویژگی­ های غیرمغناطیسی, و مقاومت در برابر خوردگی این آلیاژها را تشریح می­کند. همچنین میلگرد آجدار فولاد ضد زنگ را با فولاد کربنی روکش­کاری شده فلزی و پوشش­ دهی شده مقایسه می­نماید.

خواص فولاد ضد زنگ

اگرچه استاندارد ASTM A276  تعداد زیادی از فولادهای ضدزنگ مناسب برای تقویت بتن را فهرست می­کند، چهار فولاد ضدزنگ را می­توان برای بسیاری از کاربردها در نظر گرفت که عبارتند از فولادهای ضدزنگ 2205، (S31803) S31653)316LN)، 18Cr- 3Ni- S24000)Mn12)، و S30453)304LN). برای ترکیب شیمیایی اسمی این فولادها، (جدول 1) را ببینید.

جدول1 – ترکیب شیمیایی اسمی میلگرد فولاد ضدزنگ

سیلیسیم	منگنز	مولیبدن	نیتروژن	کربن	نیکل	کروم	UNS NO	فولاد ضدزنگ
0/5	1/7	2/7	0/17	0/02	5/0	21/5	S31803	دوبلکس 2205
0/8	1/5	2/1	0/12	0/02	10/5	17/5	S31653	LN316
0/5	12/0	0/3	0/35	0/04	3/5	17/7	S24000	18Cr-3Ni-12Mn
0/5	1/5	0/3	0/12	0/02	8/5	18/5	S30453	LN304

 

برای کاربردهای میلگرد آجدار، فرآیند انتخاب آلیاژ باید با ارزیابی الزامات خواص مکانیکی شروع شود. مشخصات استاندارد  ASTM A955در برگیرنده میلگردهای آجدار و ساده فولاد ضدزنگ برای تقویت بتن، الزامات استاندارد خواص را فهرست می­کند. این استاندارد مجوز تولید میلگرد فولاد ضدزنگ در سه سطح استحکم را می­دهد.

اما شرکت کارپنتر می­تواند به استحکام تسلیم 520 مگاپاسکال یا بالاتر، و استحکام کششی حداقل 690 مگاپاسکال برای هر چهارآلیاژ دست یابد. این مقادیر نشان­دهنده بالاترین میزان از سه سطح استحکام فهرست شده توسط استاندارد ASTM A955 می­باشند.

بالاترین سطح استحکام در تمام قطرهای استاندار میله از شماره 3 (قطر 10mm) تا شماره 11 (قطر 35mm) قابل دستیابی است. در واقع، سطح استحکام را می­توان با اصلاح پارامترهای نورد گرم متناسب کرد.

هر چهار فولاد ضدزنگ، نرمی استثنائی را نشان می­دهند که به میلگرد آجدار، امکان شکل­گیری و ساخت آسان را می­دهد. خاصیت ازدیاد طول نسبی آنها در محدوده 25 تا 30 درصد است که دو یا ختی سه برابر مقدار 7 تا 12 درصد حداقل افزایش طول نسبی مقرر شده توسط مشخصات استانداردASTM A955  برای آلیاژهای یکسان در سطح استحکام تسلیم 520 مگاپاسکال می­باشد.

ازدیاد طول نسبی یک خاصیت اساسی برای سازندگانی است که عملیات خمکاری متعدد را انجام­ می­دهند، همانطور که در عکس نشان داده شده است. علاوه بر این، هر چهار آلیاژ دارای چقرمگی و مقاومت در برابر خستگی خوبی هستند.

این ترکیب منحصر­ به فرد خواص مکانیکی باعث می­شود هر چهار فولاد ضدزنگ، گزینه­ای برای پروژه­های ساخت­وساز در مناطق فعال زمین­لرزه­ای یاشند. سطح بالای استحکام آنها امکان مواد کمتر و صرفه­جویی وزن را می­دهد. مقاومت نرمی خوب آنها به ساختمان­ها امکان انعطاف­پذیری بدون شکست در طی هرگونه اختلال زمین­لرزه­ای را می­دهد.

ترکیب شیمیایی و مقاومت در برابر خوردگی

فولاد ضدزنگ 2205 یک فولاد ضدزنگ دوبلکس با ریزساختاری متشکل از فازهای آستنیت و فریت می­باشد. این ساختار دوبلکس، همراه با ترکیب شیمیایی، به آلیاژ ترکیبی عالی­ای از استحکام و مقاومت در برابر خوردگی را می­دهد. در شرایط آنیل و نوردگرم شده، فرومغناطیس است.

از چهار گرید میلگرد آجدار مورد بحث، فولاد ضدزنگ 2205 بهترین مقاومت در برابر خوردگی را به طور کلی ارائه می­دهد. فولاد ضدزنگ 2205 در مقایسه با فولاد ضدزنگ معمولی مانند نوع 304 و نوع 316، دارای مقاومت عالی در برابر خوردگی حفره­ای کلریدی و در برابر خوردگی شکافی، به دلیل کروم، مولیبدن و محتوای نیتروژن بالای آن می­باشد. این فولاد مقاومت بالا در برابر خوردگی تنشی کلریدی را نیز به دلیل ساختار دوبلکس آن دارا می­باشد. تحت شرایط آزمایش، عدد معادل خوردگی حفره­ای آن حدود 50درصد بالاتر از سه آلیاژ دیگر است.

-­فولاد ضدزنگ LN316 نوع استحکام­دهی شده با نیتروژن فولاد ضدزنگ L316 می­باشد. این فولاد استحکام تسلیم و کششی بالاتری از نوعL316  بدون تاثیر قابل توجه بر نرمی، مقاومت در برابر خوردگی، یا خواص غیر مغناطیسی دارد.

به طور کلی، مقاومت در برابر خوردگی فولاد ضدزنگ نوع  LN316شبیه به مورد فولاد ضدزنگ L316  می­باشد. نیتروژن بالاتر مقاومت آن در برابر خوردگی حفره­ای کلریدی و وردگی شکافی را افزایش می­دهد.

به دلیل کربن پایین آن، فولاد ضدزنگ  LN316دارای مقاومت خوبی در برابر خوردگی بین دانه­ای در شرایط جوشکاری دیده می­باشد. این فولاد باید برای محیط­های ( خورنده ) شدید دریایی ساحلی در نظر گرفته شود.

-­فولاد ضدزنگ 12Mn-3Ni-18Crیک فولاد ضدزنگ آستنیتی پرمنگنز، استحکام­ دهی شده با نیتروژن است که استحکام تسلیم و استحکام کششی قابل ملاحظه بالاتری از فولاد ضدزنگ نوع 304 ارائه می­دهد. این فولاد را می­توان برای کاربردهایی که در آنجا استحکام یا نفوذپذیری مغناطیسی فولاد ضد زنگ نوع 304 نامناسب است در نظر گرفت.

این آلیاژ مقاومت کلی در برابر خوردگی در حد بین انواع فولاد ضدزنگ 430 و 304 را تامین می­کند. این آلیاژ می­تواند برای کاربردهای میلگرد آجدار که در آنها نزدیکی به مقاومت در برابر خوردگی به اندازه فولاد ضدزنگ نوع 304 کفایت می­کند در نظر گرفته شود، اما استحکام یا نفوذپذیری مغناطیسی فولاد ضدزنگ نوع 304 نامناسب است. این فولاد همچنین مقاومت خوبی در برابر خوردگی آتمسفری ارائه می­دهد.

-­فولاد ضدزنگ نوع  LN304نوع استحکام­دهی شده با نیتروژن فولاد ضدزنگ  L304در شرایط نوردگرم شده در دسترس می­باشد. این گرید دارای استحکام تسلیم و استحکام کششی بسیار بالاتر از نوع  L304، بدون از دست دادن نرمی، مقاوت در برابر خوردگی، و یا خواص غیرمغناطیسی می­باشد.

این فولاد مقاومت در برابر خوردگی شبیه به آلیاژ 12Mn-3Ni-18Cr دارد و این فولاد مقاومت خوبی در برابر خوردگی آتمسفری ارائه می­دهد، و نیز می­تواند در سایر محیط­های با شدت ( خوردگی ) کمتر سودمند باشد. همچنین این گرید مقاومت مفیدی را در برابر محیط­ های نمک جاده و کلریدها در بتن تامین می­کند.

خواص مغناطیسی

بسیاری از کاربردهای میلگرد آجدار نیاز به نفوذپذیری مغناطیسی کنترل شده، در جایی که فولاد کربنی نمی­تواند به عنوان یک گزینه مورد نظر باشد دارند.

سه تا از چهار آلیاژ مورد بحث ممکن است برای کاربردهایی از میلگرد آجدار که در آنها نفوذپذیری مغناطیسی کنترل شده بیشترین اهمیت را دارد در نظر گرفته شوند.

فولاد ضدزنگ LN316نفوذپذیری مغناطیسی اندکی را که برای میلگرد در سازه­های نزدیک به دستگاه­های الکترونیکی حساس یا تجهیزات تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI ) ضروری است تامین می­کند.

همانند فولاد ضدزنگ LN316، فولاد ضدزنگ 12Mn-3Ni-18Cr نیز در شرایط آنیل شده و نوردگرم شده غیرمغناطیسی است. همین آلیاژهای غیرمغناطیسی فولاد ضدزنگ برای عایق­سازی مغناطیسی لنگرگاه کشتی­ها، که در آهنا عملکرد صحیح ابزار دقیق الکترونیکی در کشتی لنگر انداخته قبل از بازگشت آنها به دریا مرمت و ترمیم می­شود نیز مناسب تشخیص داده شده­اند.

این کار در عایق­سازی مغناطیسی لنگرگاه کشتی­ها در بندر نورفولک در آمریکا موفق بوده است. و همچنین می­تواند در نزدیکی دستگاه­های الکترونیکی حساس و تجهیزات تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI ) مناسب باشد.

مانند دو آلیاژ قبلی، فولاد ضدزنگ LN304 نیز غیرمغناطیسی است. بنابراین ممکن است یک گزینه برای کاربرد میلگردهای نزدیک به دستگاه های الکترونیکی حساس و تجهیزات MRI باشد، تا زمانی که خواص مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی آن نیز مناسب باشد.

میلگرد فولاد ضدزنگ غیرمغناطیسی در پی­سازی ( فونداسیون ) موتورهای الکتریکی، و ساخت ساختمان­هایی که در آنها دستگاه­های MRI و تجهیزات مشابه قرار دارند مورد استفاده قرار گرفته است. طراحان یا مشخص کنندگان مواد نیازمند به فولاد ضدزنگ با نفوذپذیری کم باید مشخص کنند که مواد مطابق با روش آزمایش طراحان یا مشخص کنندگان مواد نیازمند به فولاد ضدزنگ با نفوذپذیری کم باید مشخص کنند که مواد مطابق با روش آزمایش 342ASTMA کنترل شوند.

طول میلگرد

میله های فولادی تقویت کننده بتن باید برای حداکثر استحکام به یکدیگر متصل شوند. آنها معمولا توسط هم ­پوشانی لبه­ها و بستن آنها توسط سیم، یا به وسیله جفت کننده­ها ( کوپلرها ) یا متصل­کننده­های مکانیکی به هم متصل می­شوند.

روش مرسوم هم­پوشانی باعث کاهش طول موثر میله در حدود 120cm در هر دو انتهای میله می­شود. درصد اتلاف در هم­پوشانی در میله­های طویل کمتر از میله­های کوتاه است.

غلاف­ها، نیز برای محافظت از مهره ماسوره­ها بریا جلوگیری از خورگی گالوانیکی مورد نیاز می­باشند. به طور خلاصه، هر چه طول هم­پوشانی، اتصالات، و غلاف­های مورد نیاز در یک ساختمان تقویت شده با میلگرد بیشتر باشد، گران­تر می­شود.

این موضوع باعث افزایش اهیمت طول میلگرد می­شود. میلگردهای طویل فولاد ضدزنگ، که در حال حاضر با 12 متر طول تولید می­شوند، نیاز به زمان و هزینه کمتری از تعداد زیادی از میله­های با طول کوچکتر باری اتصال دارند. علاوه بر صرفه­جویی زمان و نیروی کار، میلگردهای طویل با اتصالات کمتر در وزن و فضا نیز بدون از دست دادن استحکام صرفه­جویی می­کنند.

پلی در ایالت اورگان

پل ساحلی جایگزین واقع در نورت بند، ایالت اورگان در آمریکا در سال­های 2002 و 2003 ساخته شد، که مزایا یمیلگرد فولاد ضدزنگ 2205 برای اجزای مهم سازه­ای در یک محیط سخت دریایی را نشان می­دهد.

اداره حمل­ونقل ایالت اورگان (ODOT)، که فولاد ضدزنگ دوبلکس 2205 را انتخاب کرده است، انتظار دارد که پل جدید، استفاده عاری از فعالیت­های نگهداری پل برای مدت شگفت­انگیز 120 سال را تامین کند. یعنی 5/2 برابر عمر کاری پلی که جایگزین آن شده است.

از کل هزینه پل با مبلغ تقریبی 125 میلیون دلار، میلگرد ضدزنگ تنها 13 درصد از کل هزینه پل را تشکیل می­دهد. برای آن افزایش کوچک، ODOT هزینه­های جایگزینی پل معمولی در 50 سال را صرفه­جویی خواهد کرد. ای مقدار احتمالا 25 میلیون دلار، یا حداقل دو برابر هزینه ساخت­وساز پل در موقع ساخت آن می­باشد.

استحکام فوق العاده بالای میلگرد فولاد ضدزنگ برای تسهیل طراحی پل جدید، و برای مقایسه با فعالیت زمین­ارزه­ای بالقوه مخرب در این منطقه مورد نیاز بود. ODOT به سطح استحکام 520 مگاپاسکال نیاز داشت. این سطح استحکام جدیدی برای ساخت پل، و اساسا بالاتر از مورد میلگرد فولاد ضدزنگ در جایگزین دو پل ساحلی دیگر بود.

همرا با چنین استحکام بالایی، میلگردها می­بایتس نرمی خوبی (ازدیاد طول نسبی 25 درصد ) را نیز تامین کنند بنابراین می­توانند به طور موثری در ساخت پل مورد استفاده قرار گیرند. با فولاد ضدزنگ با استحکام بالاتر، وزن میلگرد موردنیاز کمتر از فولاد آلیازی با استحکام پایین­تر می­باشد. لازم به ذکر است که میلگرد فولاد ضدزنگ در ای پروژه، پل " هاینز اینلت اسلو بریج "، به صورت انتخابی در جائی استفاده شده است که به خواص آن بیشترین نیاز بوده است. مقدار بسیاز بیشتری از میلگرد فولاد کربنی بدون پوشش در پل جدید برای اجزای زیرسازی در جاهائی که مشکل خوردگی کمتر است مورد استفاده قرار گرفته است.

روکش ­کاری فلزی و پوشش­ دهی

در تلاش برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی با هزینه اولیه کمتر از فولاد ضدزنگ، برخی از پروژه­ش های ساختمانی در طی سال­ها برای روکش­ کاری فلزی با نوع فولاد ضد زنگ 316 یا پوشش اپوکسی میلگرد فولاد کربنی، با نتایج مخلوط تا ضعیف در مدتی طولانی تلاش کرده­اند.

روکش­کاری فلزی میلگرد یک فرآیند نسبتا جدید است که هنوز در بلندمدت باید به اثبات برسد. اما، بدون ضخامت چسبنده و یکنواخت روکش فلزی، میلگرد به حمله خوردگی حساس خواهد بود. علاوه بر این، روکش­کاری فلزی میلگرد کربنی به طور کلی در طول­های نسبتا کوتاهی انجام می­شود.

بنابراین، تعدا زیادی میلگرد باید در هر دو سر به صورت جداگانه، توسط سازنده میله یا در محل ساخت و ساز در پوش­گذاری و آب­بندی شوند، که کاری بسیار نیازمند نیروی انسانی است.

پس از افزودن خطرات حمل­ونقل، بارگیری و تخلیه میله­ها، و ساخت شبکه میلگردها، چشم­امداز داشتن میلگرد روکش­کاری فلزی بی­نقص به میزان زیادی کاهش یافته است. بدون روکش­کاری فلزی کامل، فولاد کربنی در معرض خوردگی خواهد شد.

-­پوشش­ های اپوکسی مایعف که با فرو بردن یا اسپری کردن بر روی میلگرد فولاد کربنی انجام می­شود، به طول عمر 20سال در محیط­های خورنده ملایم انجامیده ­اند. اماف پوشش باید کاملا بر روی سطح میله بچسبد و پس از استفاده عاری از خراش و یا آسیب باقی بماند. مشابه روکش ­­کاری فلزی، کوچک­ترین نقطه­ای که نپسبیده باشد یا دچار آسیب سطحی شده باشد فلز پایه را در معرض حمله خوردگی قرار خواهد داد.

از آنجا که نقص در بتن را معمولا نمی­توان مشاهده یا پیدا کرد، میلگرد به طور جدی می­تواند آسیب ببیند، عمر سازه را کاهش دهد. معلوم شده است که حتی بدون عیب سطحی، پوشش­ها به علت تغییرات در پوشش و ضخامت لایه به صورت زودرس آسیب می­بینند.