فولاد ضد خوردگی محصول نانو

از انقلاب صنعتی به بعد فولاد دررقابتی تنگاتنگ با بتن نقش مهمی در صنعت ساختمان‌سازی داشته‌است. نانو فناوری سبب اصلاح نانو ساختارهای مسلح‌کننده فولاد و بهبود و ارتقای کیفیت آن شده‌است. فولاد MMFX که توسط پروفسور برکلی کشف شد قابلیت ضد زنگ دارد و در مقابل قولاد معمولی درصدی کربن دارد. این نوع فولاد ساختار ورقه‌ای مثل تخته چندلایی دارد. این فولاد دارای ویژگی‌های مکانیکی مانند مقاومت بیشتر، شکل پذیری و مقاومت بیشتر در برابر خستگی است^[۱] روش تولید این فولاد به نحوی است که امکان تشکیل میکروگالوانیت که عامل خوردگی فولاد است، کم می‌شود. مقاومت بسیار زیاد این نوع میلگردها سبب صرفه جویی در میزان فولاد در بتن‌های مسلح می‌شو.

فولاد MMFX2 میکرو ساختارهای متقاوتی نسبت به فولادهای قدیمی تر دارد و مانند فولاد MMFX ساختار لایه لایه دارد. مزایای این نوع فولاد مقاومت بسیار بالا (سه برابر بیش از فولاد معمولی)، شکل پذیری، محکمی، چقرمگی، مقاومت در برابر فرسایش و ضد زنگ بودن است^[۱]

سندویک نانوفلکس مزایای این نانو فولاد، ضد زنگ بودن، مقاومت بیستر نسبت به نمونه‌های پیشین است. شکل پذیری عالی و ضریب ارتجاعی فوق‌العاده قابلیت پرداخت پذیری سطحی از دیگر مزایای این نانو فولاد است. در کارهای ساختمانب و صنایع پزشکی کاربرد فراوان دارد. در مواردی که به سبکی و صلبیت در سازه به صورت توامان نیاز باشد به عنوان مثال در صنعت هواپیما سازی که نیاز به نازکی و سبکی و مقاومت می‌باشد، کاربرد دارد^[۱]

فناوری نانو و خستگی مقاطع فولادی

پدیده خستگی در اثر بارگذاری تناوبی بروز می‌کند. سه راه برای پیشگیری از آن وجود دارد: ۱. کاهش قابل توجه تنش مجاز. ۲. کاهش زمان عمر مفید یا دوره سرویس دهی در طراحی فولاد. ۳. افزایش بازدیدها و وارسی‌های سخت گیرانه تر. اما هریک از روش‌ها تأثیرات منفی دارد. برای کم کردن تنش در فولاد با افزودن نانوذرات مس به فولاد می‌توان تشکیل ترک‌های ناشی از خستگی را محدود کرد

روش تولید میلگرد MMFX

میلگرد MMFX مخفف عبارت Micro-composite Multi-structural Formable Steel توسط پروفسور گرت توماس استاد دانشگاه برکلی کالیفرنیا در سال ۱۹۹۸ اختراع شد. این آرماتور نتیجه یک تحقیق ۲۵ میلیون دلاری در تکنولوژی میکرو و نانو تحت حمایت مالی دپارتمان انرژی آمریکا می باشد. شرکت تولید آرماتور mmfx ادعا کرده است که برای کنترل ویژگی های این میلگرد در سطح اتمی از روش های مناسبی استفاده کرده است. از توانایی وضوح اتمی میکروسکوپ های الکترونی مدرن ، برای بررسی ، به کارگیری و اعمال تغییرات سازه ای بر روی خواص مکانیکی این میلگردها استفاده شد.

این پروسه در نهایت منجر به تولید یک نوع فولاد با مقاومت بالا، سخت و مقاوم در برابر خوردگی گردید. فولاد mmfx اولین محصولی است که از تکنولوژی میکرو و نانو استفاده می کند. برای کاهش یا حذف نرخ خوردگی در این محصول، سلول های میکرو گالوانیکی یکی از عوامل ایجاد زنگ آهن، باید به حداقل برسد.

بنابراین ، با حداقل کردن یا حذف شکل گیری کاربیدها در ریز سازه فولاد معمولی، ایجاد خوردگی می تواند به حداقل برسد و یا حتی حذف شود. با استفاده از تکنولوژی میکروسکوپی الکترونی عبوری برای تغییر ریخت شناسی فولاد معمولی، خواص لایه ای فولاد MMFX، ویژگی های برتری را کسب می کند. فولاد MMFX ، مقاومت بالاتر و شکل پذیری خوبی نسبت به فولاد معمولی دارا می باشد.

ویژگی های فولاد MMFX

• مقاومت در برابر خوردگی

یک آزمایش تعیین غلظت کلراید شتاب یافته در حد آستانه، ACT ، توسط دانشگاه تگزاس در سال ۲۰۰۰ میلادی برای مقاومت خوردگی میلگردهای MMFX و معمولی انجام شد. با توجه به نتایج به دست آمده ، فولاد MMFX در مقایسه با فولاد معمولی، در یک محیط به شدت خورنده نمکی به مدت ۱۸ روز، گرایش کمتری نسبت به خوردگی داشت. نتایج نشان داد که مقاومت بالای فولاد MMFX در برابر خوردگی، باید عمر بتن سازه ای را افزایش دهد.

همچنین مقاومت زیاد فولاد MMFX در برابر خوردگی، باعث کاهش مقدار پوشش مورد نیاز برای بتن شده و در نتیجه ظرفیت خمشی عضو سازه ای را افزایش می دهد. شرکت تولید کننده MMFX، عمر ۷۵ سال را قبل از اینکه خوردگی به حالت بحرانی برسد، برای این نوع فولاد ادعا می کند.

• مقاومت

یک کار آزمایشگاهی در دانشگاه کارولاینای شمالی انجام شد که هدف آن بررسی ویژگی های آرماتور فولادی MMFX رده ۸۳۰ مگا پاسکال بود. مقاومت کششی، فشاری و برشی میلگرد MMFX رده ۸۳۰ مگا پاسکال مورد آزمایش قرار گرفت و با مقادیر مربوط به آرماتور ASTM A615 رده ۴۲۰ مگا پاسکال مقایسه شد.

مقاومت کششی و منحنی تنش – کرنش برای میلگرد MMFX رده ۸۳۰ مگا پاسکال و میلگرد A615 رده ۴۲۰ مگاپاسکال از آزمایش کشش و براساس استاندارد ۰۲ ASTM A370- به دست آمد. نتایج به دست آمده از آزمایش کشش نشان می دهد که مدول یانگ برای فولاد MMFX رده ۸۳۰ مگاپاسکال و فولاد A615 رده ۴۲۰ مگاپاسکال، یکسان و برابر ۲۰۰ GPa می باشد. نتایج نشان داد که منحنی تنش – کرنش برای آرماتور mmfx ، قسمت ناحیه مربوط به تسلیم را از خود نشان نمی دهد. اگرچه فولاد MMFX رده ۸۳۰ مگا پاسکال، تنش تسلیم متناظر با کرنش ۰٫۲ درصد و نیز مقاومت نهایی بیشتری را نسبت به آرماتور فولادی A615 رده ۴۲۰ مگاپاسکال از خود نشان می دهد.

مقاومت تسلیم بیشتر، باعث می شود که یک مقطع فولادی یکسان، بدون تحمل تغییر شکل های ماندگار، باربری بیشتری را از خود نشان دهد. از طرف دیگر، مقاومت بیشتر ، باعث کاهش مصرف مصالح در برخی ساخت و سازها از جمله پل های بزرگ راه ها و ساختمان های بلند مرتبه می شود. کاهش مقادیر میلگرد مصرفی، باعث کاهش هزینه های مربوط به ساخت و ساز نیز می شود. نتایج مشابهی از آزمایش کشش بر روی آرماتور MMFX که در دانشگاه سن دیگو کالیفرنیا انجام شد، به دست آمد.

نتایج مربوط به آزمایش فشاری انجام شده بر میلگرد MMFX و A615 رده ۴۲۰ مگاپاسکال نشان داد که میلگرد MMFX مقاومت تسلیم بیشتری دارد. دو نوع فولاد، سختی یکسانی داشتند. آرماتور A615 رده ۴۲۰ مگاپاسکال در کشش و فشار رفتار یکسانی از خود نشان داد که شامل قسمت الاستیک اولیه، ناحیه تسلیم و کرنش سخت شدگی بود.

• خستگی

آزمایش های مقایسه ای خستگی برای MMFX و A615 رده ۴۲۰مگاپاسکال ، طبق استاندارد ASTM E466 انجام شد. منحنی های تنش – طول عمر با یک حد خستگی ۱۰۰۰۰۰۰۰ سیکل در آزمایشگاه به دست آمد.

ارزیابی میلگرد MMFX

برای اینکه آرماتور MMFX به عنوان یک آرماتور مورد قبول واقع شود باید مورد ارزیابی قرار بگیرد و با آرماتورهای دیگر مقایسه شود. آرماتورهای موجود که به عنوان مسلح کننده مورد استفاده قرار می گیرند شامل A615، آرماتور با پوشش اپوکسی و فولاد زنگ نزن می باشند. هزینه نصب و عمر تقریب زده شده به همراه مزایا و معایب هرکدام در ادامه آورده می شود. هزینه های ساخت آرماتور براساس قیمت مصالح، جابجایی، ساخت و هزینه نصب تحلیل شده اند. جدول زیر ارزیابی میلگرد را نشان می دهد. آرماتور فولادی A615 به عنوان نقطه مرجع برای میلگردهای دیگر آورده شده است.

این میلگرد رایج ترین و ارزان ترین نوع و به تبع آن، مرسوم ترین در بین میلگردهای دیگر محسوب می شود. اگرچه این آرماتور معمولی دارای کمترین مقاومت در برابر خوردگی می باشد که نتیجه آن یک سازه بتنی با عمر ۱۵ تا ۳۰ سال می باشد.

آرماتور با پوشش اپوکسی در دهه ۷۰ میلادی معرفی شد. برای مدتی آرماتور با پوشش اپوکسی نتایج موفقیت آمیزی در برابر خوردگی از خود نشان داد. تا سال ۱۹۸۶، بعد از ۶ سال، اداره راه فلوریدا، گزارش داد که پل لانگ کی، نشانه هایی از خوردگی را از خود بروز داده است. بررسی های بیشتر راجع به رفتار بلند مدت آرماتور با پوشش اپوکسی، نتایج مختلفی از کارایی ضعیف تا خوب را نشان داد. خوردگی به شدت به تولید در محل پروژه وابسته است زیرا پوشش باید بعد از تولید، روی A615 قرار بگیرد، اما این کار باید قبل از جابجایی آن برای نصب آرماتور انجام شود.

آسیب های پوشش مانند بریدگی و خراش، معمولا باعث شروع خوردگی می شوند. در عرشه پل بزرگ راه ویرجینیا ۱۸، جداشدگی پوشش آرماتور به دلیل کمبود چسب مصرفی، در کمتر از ۴ سال بعد از قرار گیری رخ داد. میلگرد با پوشش اپوکسی با توجه به نتایج مختلفی شامل ناصافی سطح میلگرد و کمبود کنترل بر ضخامت پوشش، دارای عمر تقریبی ۲۰ تا ۴۰ سال می باشد. برش در سایت، نصب، بازرسی و جابجایی آرماتور با پوشش اپوکسی، باعث افزایش ۵۰ درصدی قیمت این محصول در مقایسه با A615 می شود.

فولاد زنگ نزن مقدار زیادی با فولاد کربنی معمولی از لحاظ مواد تشکیل دهنده، ساختار و ویژگی هایش متفاوت است. فولاد معمولی در صورتی که مقدار کروم آن بیشتر از ۱۲ درصد باشد، زنگ نزن محسوب می شود. سه نوع فولاد زنگ نزن وجود دارد که شامل آهنی، آستنیتی و مارتنزیتی می باشد. فولاد زنگ نزن آستنیتی رده ۳۰۴ و ۳۱۶ مرسوم تری فولاد زنگ نزن مورد استفاده به عنوان آرماتور مسلح کننده می باشند. فولاد زنگ نزن، مقاومت خوردگی بالا و عمر طراحی ۷۵ ساله یا بیشتر خود را مدیون شکل پایدارتر غشای نازک خنثای اکسید کرم است.

در سال های اخیر ، فولاد زنگ نزن محبوبیتی را کسب کرده و جایگزین فولاد کربنی در مکان هایی با خطر خوردگی زیاد شده است. فولاد زنگ نزن بسیار گران است و عموما مقاومت تسلیم کمتری نسبت به فولاد کربنی دارد که باعث افزایش هزینه فولاد مصرفی و همچنین افزایش مقدار آرماتور مصرفی می شود.

فولاد زنگ نزن روکش دار مقاومت خوردگی مشابهی با فولاد زنگ نزن سخت دارد. برش در محل نصب و بازرسی روکش در این نوع فولاد باید انجام شود که که هزینه های نصب و تعمیر پوشش را افزایش می دهد. این مشکلات هزینه های نصب را در مقایسه با آرماتور A615 رده ۶۰، تا ۲۰۰ درصد افزایش می دهد. در برخی موارد خم کردن میلگردهای با قطر کمتر باعث ترک خوردگی و جدا شدن روکش آرماتور می شود که به خوردگی در لایه های زیرین می انجامد.

میلگرد MMFX در مقایسه با دیگر میلگردها، مقاومت خوردگی فوق العاده بالایی دارد که شبیه فولاد زنگ نزن سخت و روکش دار می باشد. تکنولوژی MMFX به علت افزایش مقاومت تسلیم طراحی، به طور قابل توجهی مقدار مقاومت آرماتور را کاهش می دهند و باعث کاهش هزینه های نصب می شود. از جمله مزیت های آرماتور MMFX این است که متحمل خوردگی و آسیب به پوشش ناشی از نقص های موجود در سطح آرماتور نمی شود و همچنین نیازمند نصب در سایت و یا مواظبت بیشتر در حین حمل نمی باشد.