مقدمه
در مقاطع فولادی، خوردگی شیمیایی و الکتروشیمیایی اغلب از تماس سطح آن‌ها با اکسیژن، رطوبت هوا، شبنم، باران و آب وجود می‌آید که تأثیر بسزایی در کاهش استحکام کششی، ظرفیت باربری، شکل پذیری و تردی مقاطع دارد؛ در نتیجه اگر به مسئله خوردگی مقاطع فولادی توجه نشود، نهایتا به مروز زمان افت مقاومت مصالح را در پی خواهد داشت که این موضوع منجر به کاهش عمر سازه فولادی می گردد. پارامتری که مقاومت سازه فولادی را نسبت به خوردگی می سنجد، دوام می باشد.
یکی از راه‌های افزایش پایایی و دوام سازه در مقابل خوردگی، ایجاد لایه پوششی “روی (زینک ZINC)” و یا به اصطلاح گالوانیزه کردن مقاطع فولادی می‌باشد.
شایان ذکر است مقاطع سازه‌های ال اس اف LSF از پوشش روی (زینک ZINC) بهره‌مند بوده و دوام بالایی از خود در برابر عوامل محیطی نشان می‌دهند.
در این مقاله به صورت تخصصی به ماهیت و مزایای پوشش روی (زینک ZINC)، شرایط انتخاب سیستم پوششی، اصول کلی طراحی و سایر نکات مرتبط با آن مطابق با استاندارد بریتانیا با کد BS EN ISO 14713-1:2009 می‌پردازیم.
روی (زینک ZINC)
روی (زینک ZINC)عنصری با علامت اختصاری Zn و عدد اتمی ۳۰ می‌باشد که دارای رنگی سفید متمایل به آبی بوده و بر اثر رطوبت هوا، رنگ آن تیره می‌شود.
روی (زینک ZINC)چهارمین فلز پرمصرف بعد از آهن، آلومینیوم و مس در دنیا بوده که از آن به عنوان پوشش برای فلزاتی چون آهن و فولاد استفاده می‌شود. روی (زینک ZINC)واکنش پذیری پایینی داشته و به آرامی واکنش نشان می‌دهد. همچنین با اکسیژن و سایر غیر فلزات ترکیب شده و در برابر اسید رقیق واکنش نشان می‌دهد و گاز هیدروژن آزاد می‌کند.
پوشش روی (زینک ZINC)
“پوشش روی (زینک ZINC)” بر سطوح مقاطع فولادی حائلی برای آن‌ها در برابر عوامل محیطی چون آب و هوا، رطوبت، دما، قرارگیری در معرض نور و… ایجاد کرده و سبب کند شدن فرآیند خوردگی و یا جلوگیری از آن و به‌طور خلاصه سبب برخورداری مقاطع فولادی از دوامی بیشتر و مطلوب‌تر می‌شود.
انتخاب سیستم پوشش روی (زینک ZINC)
پوشش روی (زینک ZINC) مقاطع فولادی باید متناسب با عوامل موثر بر آن انتخاب شود تا عملکرد مطلوبی از خود نشان دهد.
این عوامل عبارتند از :
- شرایط اقلیمی منطقه (کلان اقلیم)
- شرایط آب و هوایی فصلی منطقه (ریز اقلیم)
- عمر اولیه‌ی مورد نیاز برای انجام اولین اقدامات تعمیر و نگهداری سیستم پوششی
- نیاز سیستم پوششی به اجزای جانبی
- نیاز سیستم پوششی به رنگ آمیزی و یا تعمیر و ترمیم
- دسترسی و هزینه‌ها‌‌ی اجرای سیستم پوششی
- سهولت تعمیر و نگهداری آن در زمانی که عمر سیستم پوششی تا اولین اقدامات تعمیر و نگهداری آن کمتر از عمر مورد نیاز سازه باشد.
به طور تقریبی می‌توان گفت عمر پوشش روی (زینک ZINC) در برابر شرایط محیطی متناسب با ضخامت آن می‌باشد. و توالی عملیات اجرایی سیستم پوششی انتخابی باید با مشورت سازنده فولاد و مجری آن سیستم انتخاب شود.
اصول کلی طراحی پوشش برای جلوگیری از خوردگی
طراحی سازه و مقاطع فولادی بر انتخاب و طراحی سیستم پوششی آن تأثیر گذار است. در مواردی ممکن است اصلاح طراحی مقاطع و یا سازه متناسب با نوع سیستم پوششی انتخاب شده، مناسب‌تر بوده و توجیه اقتصادی داشته باشد.
به همین منظور برای طراحی سیستم پوششی باید به نکات زیر توجه داشت:
- فراهم بودن دسترسی آسان و ایمن جهت نظافت و نگهداری پوشش
- اجتناب از ایجاد حفرات (به خصوص حفراتی که محل تجمع آب و یا آلودگی هستند)
- اجتناب از قرار گیری مواد شیمیایی خورنده در مجاورت مقاطع فولادی
- طراحی با خطوط صاف (باعث تسهیل استفاده از پوشش محافظتی و بهبود مقاومت در برابر خورندگی می‌شود)
- انتخاب سیستم پوششی مناسب (برای مقاطعی که پس از نصب‌شان تا عمر مورد نیاز سازه غیر قابل دسترس می‌باشند)
- در نظر گرفتن اقدامات حفاظتی افزوده برای مقاطعی با امکان خوردگی دوفلزی
- توجه ویژه به منطقه تماس فولاد با مصالح ساختمانی دیگر و تعبیه محافظ (رنگ، نوار و یا فویل‌های پلاستیکی)
- توجه به محدودیت اجرای سیستم‌های پوششی (سیستم‌های گالوانیزه گرم[۱]، پوشش گالوانیزه خشک[۲]، پوشش مکانیکی[۳]، پوشش ورقهای روی (زینک ZINC)[۴] و پوشش الکتریکی[۵] فقط در کارخانه قابل اعمال هستند ولی سیستم پاشش حرارتی می‌تواند هم در کارخانه و هم در محل پروژه اجرا شود)
- توجه به زمان مناسب برای اجرای سیستم‌های پوششی گالوانیزه گرم، پوشش گالوانیزه خشک و پاشش حرارتی (پس از خم شدن و سایر اشکال ساخت مقاطع)
- توجه به روش علامت گذاری قطعات (نباید بر کیفیت عملیات پیش تصفیه قبل از ایجاد پوشش تأثیری بگذارد)
- درنظر گرفتن اقدامات محافظه کارانه برای به حداقل رساندن احتمال تغییر شکل در طول پردازش و یا پس از آن
[۱] Hot Dip Galvanized coating
[۲] Sherardized coating
[۳] Mechanically Plated coating
[۴] Zinc Flake coating
[۵] Electroplating
خوردگی در محیط‌های مختلف
خوردگی مقاطع فولادی می‌تواند ناشی از قرارگیری آن‌ها در معرض شرایط جوی اتمسفر، خاک، آب، مواد شیمیایی، سایش، درجه حرارت بالا و یا تماس سطح آن‌ها با بتن و چوب و تماس دو فلزی باشد که در ادامه به توضیح مهم‌ترین موارد آن می‌پردازیم.
- قرارگیری در مجاورت اتمسفر
نرخ خوردگی پوشش روی (زینک ZINC) به زمان مجاورت آن با رطوبت، آلودگی هوا و آلودگی سطح بستگی دارد اما می‌توان گفت نرخ خوردگی روی (زینک ZINC) بسیار کندتر از فولاد بوده و با گذشت زمان نیز کاهش پیدا می‌کند.
- در مناطقی که رطوبت نسبی هوا پایین‌تر از ۶۰% باشد، میزان خوردگی فولاد ناچیز است و مقاطع فولادی سازه ممکن است به پوشش روی (زینک ZINC) نیاز نداشته باشد اما در مناطقی که رطوبت نسبی هوا بالاتر از ۶۰% باشد و یا در شرایط مرطوب یا غوطه‌وری و یا تراکم طولانی مدت قرار بگیرند، مقاطع فولادی در معرض خوردگی جدی‌تری قرار می‌گیرد.
- آلاینده‌های رسوب شده روی سطوح مخصوصاً کلریدها و سولفات‌ها (به کمک جذب رطوبت)، نوسانات دمایی و تغییرات آب و هوایی محلی منطقه (ریز اقلیم) به خوردگی فولاد بدون پوشش سرعت می‌بخشند.
- خوردگی فولاد در داخل ساختمان به شرایط محیط داخلی بستگی دارد اما در شرایط نرمال (محیط خشک و گرم) این مقدار ناچیز است.
- مقاطع فولادی که بدون تماس مستقیم با ورقه بیرونی دیوارهای پیرامونی ساختمان هستند نسبت به مقاطع فولادی که در تماس مستقیم با ورقه بیرونی دیوارهای پیرامونی یا تعبیه شده در آن می‌باشند، احتمال خوردگی پایین‌تری دارند.
- ساختمان‌هایی با فعالیت‌های صنعتی، محیط‌های شیمیایی، محیط‌های مرطوب و یا آلوده باید از نظر خوردگی مورد توجه ویژه قرار بگیرند.
جدول زیر گروه بندی کلی محیط‌ها را بر اساس نرخ خوردگی اتمسفری نشان می‌دهد.
۲. قرارگیری در مجاورت خاک
محدوده وسیع خواص فیزیکی و شیمیایی خاک (مثلاً تغییر PH از ۶/۲ تا ۱۲ و مقاومت از ۱۰ تا تقریباً ۱۰۰ اُهم) و ناهمگنی شدید خاک‌ها سبب می‌شود تا خوردگی پوشش‌های روی (زینک ZINC) در خاک به ندرت در طبیعت یکنواخت باشد. خوردگی در خاک به محتوای مواد معدنی، ماهیت مواد معدنی و اجزای آلی، محتوای اکسیژن و آب (موثر در خوردگی هوازی و یا بی هوازی) وابسته است.
- نرخ خوردگی در خاک‌های دست خورده معمولا بیشتر از خاک‌های بکر و دست نخورده است.
- خاک‌های حاوی آهک و خاک‌های شنی (به شرطی که فاقد کلرید باشند) به طور کلی کمتر خورندگی ایجاد می‌کنند. در حالی که خاک‌های رسی و خاک‌های مارن رسی (خاکی با ترکیبات ۶۵%-۳۵ رس به همراه ۳۵%-۶۵ کربنات) به صورت محدودی خورندگی ایجاد می‌کنند. در خاک‌های باتلاقی، خورندگی به مقدار اسیدی بودن خاک بستگی دارد.
- در محیط‌هایی که سازه‌های فولادی مانند خطوط لوله، تونل‌ها و تاسیسات مخازن از انواع مختلف خاک عبور می‌کنند، افزایش خوردگی می‌تواند به صورت موضعی همراه با تشکیل سلول‌های هوادهی اتفاق افتد. در برخی موارد برای تقویت زمین، یک سپر کنترل شده همراه با پوشش روی (زینک ZINC) در آن قرار داده می‌شود. سلول‌های خوردگی می‌توانند در سطح مشترک خاک و هوا و یا خاک و آب زیرزمینی تشکیل شوند که می‌تواند منجر به افزایش خوردگی شود و باید مورد توجه ویژه قرار بگیرد. برعکس، استفاده از حفاظت کاتدی برای سازه‌ها در خاک و یا در آب می‌تواند الزامات پوشش محافظتی را اصلاح کند و عمر آن‌ها را افزایش دهد.
- میانگین نرخ خوردگی سالانه برای پوشش‌های روی (زینک ZINC) در بیشتر خاک‌ها کمتر از ۱۰ میکرون در سال است، اما عوامل مؤثر بر خوردگی در محیط‌های خاکی خاص پیچیده هستند و باید در مورد شرایط قرار گرفتن در معرض آن، از متخصصین نظر خواهی کرد.
جدول زیر زمان تعمیر و نگهداری اولیه را برای برخی سیستم‌های پوششی روی (زینک ZINC) در طیف گسترده‌ای از دسته بندی‌های خورندگی نشان می‌دهد.دسته بندی‌های خورندگی نشان می‌دهد.
پوشش گالوانیزه گرم با غوطه‌وری مقاطع، ورق‌ها و باکس‌های فولادی در استخر روی (زینک ZINC) مذاب ایجاد می‌شود.
پوشش گالوانیزه خشک با قرار دادن مقاطع در محفظه‌ی استوانه‌ای شکل چرخان به همراه پودر روی (زینک ZINC) و مواد پر کننده (مانند ماسه یا پودر شیشه) و حرارت دادن آن‌ها ایجاد می‌شود.
در سیستم پوشش الکتریکی، پوشش روی (زینک ZINC) با اعمال جریان الکتریکی به روش الکترولیز در سطح ورقهای فولادی ایجاد می‌شود.
سیستم پوشش مکانیکی مشابه پوشش گالوانیزه خشک می‌باشد؛ با این تفاوت که در این روش، مقاطع فولادی در محفظه‌ی رو باز چرخان شامل پودر روی (زینک ZINC)، مواد شیمیایی مخصوص، کاتالیزورها و دانه های شیمیایی با ابعاد گوناگون قرار داده شده و روی (زینک ZINC) به صورت ضربه‌ای و با جوش سرد روی سطوح مقاطع فولادی ایجاد شود.
۳. قرار گیری در مجاورت آب
آب شیرین نرم یا سخت، آب شور و آب نمک تأثیر عمده‌ای بر خوردگی فولاد و انتخاب پوشش‌های محافظتی روی (زینک ZINC) دارد. خوردگی پوشش‌های روی (زینک ZINC) عمدتاً تحت تأثیر ترکیب شیمیایی آب قرار دارد اما دما، فشار، سرعت جریان، هم زدن و در دسترس بودن اکسیژن نیز تأثیر گذار هستند.
- روی (زینک ZINC) نباید در آب‌های گرم و بدون رسوب استفاده شود. در صورت استفاده آن‌ها در آب‌های گرم باید از کارشناسان مشاوره تخصصی گرفت. خوردگی شدید روی (زینک ZINC) نیز در میعانات می‌تواند رخ دهد؛ به خصوص در دمایی بین ۵۵ درجه سانتیگراد تا ۸۰ درجه سانتیگراد. به غیر از شرایط میعان، پوشش محافظتی می‌تواند در تمام دماها اجرا می‌شود. در دمای پایین‌تر از ۶۰ درجه سانتیگراد، روی (زینک ZINC) می‌تواند شرایط حفاظت کاتدی را فراهم کند.
- طول عمر سطوح روی (زینک ZINC) در آب‌های رسوب‌ساز سرد معمولاً بیشتر از آب‌های غیر رسوب‌ساز می‌باشد. (برای بررسی این که آب رسوب‌ساز است یا خیر، از شاخص Ryznar یا Langelier استفاده می‌شود)
- آب های غیر شور دارای ترکیبات بسیار متفاوتی می‌باشند. در نتیجه برای طراحی سیستم پوششی مناسب برای آن محیط باید از تجارب قبلی و مشاوره تخصصی بهره گرفت.
- پوشش‌های مورد استفاده برای تمامی سازه‌ها از جمله لوله ها، اتصالات، مخازن و پوشش مخازن در تماس با آب آشامیدنی باید غیرسمی باشند و نباید هیچ گونه طعم یا بو، رنگ یا کدورت در آب ایجاد کنند و یا باعث ایجاد حمله میکروبی شوند.
- در مخازن، اگر تدابیر محافظه کارانه ویژه‌ای برای پوشش گالوانیزه گرم ضروری باشد، باید پوششی مناسب از رنگ‌های قیری ضخیم (ایجاد پوشش کافی تنها با یک بار اعمال) ایجاد شود.
- مناطق نوسانی سطح آب (منطقه‌ای که در آن سطح آب بر اثر نوسانات طبیعی مانند حرکات جزر و مدی یا تغییر مصنوعی سطح آب در محفظه‌های قفل یا مخازن تغییر می‌کند) و یا مناطق پاشش آب باید مورد توجه ویژه‌ای قرار بگیرد؛ چرا که علاوه بر آب، عوامل جوی و سایش نیز روی پوشش محافظتی اثر می‌‌گذارند.
۴. قرار گیری در مجاورت بتن
مقاطع فولادی بدون پوشش در تماس با بتن، می‌توانند با جذب رطوبت نفوذی از طریق منافذ و شکاف‌های داخل بتن دچار خوردگی شوند. فرآوردههای اکسیداسیون حاصل از واکنش بین فولاد و اکسیژن یا رطوبت موجود می‌توانند فشار کافی برای آسیب رساندن به بتن را ایجاد کنند. پوشش‌های روی (زینک ZINC) (که معمولاً به شکل یک پوشش گالوانیزه گرم استفاده می‌شود) می‌تواند برای جلوگیری از این نوع خرابی در دراز مدت و بسته به محیط قرار گیری مخصوص آن استفاده کرد.
- پوشش روی (زینک ZINC) میلگردها در تماس با بتن علاوه بر محافظت آن‌ها در برابر خورندگی، مزایای مهم دیگری هم دارد. برای مثال، آستانه واکنش پذیری کلرید برای شروع خوردگی پوشش‌های روی (زینک ZINC) در مقایسه با فولاد بدون پوشش بسیار بالاتر است. علاوه بر آن، روی (زینک ZINC) دارای محدوده غیرفعال شدن PH بسیار بیشتری نسبت به فولاد است و میلگرد گالوانیزه را در برابر اثرات کاهش PH حاصل از کربناته شدن بتن مقاوم می کند. همچنین زمانی که پوشش روی (زینک ZINC) شروع به خوردگی می‌کند، نرخ خوردگی آن به طور قابل توجهی کمتر از فولاد بدون پوشش است. سطوح روی (زینک ZINC) در PH بسیار پایین‌تری نسبت به فولاد سیاه غیرفعال می‌ماند و میلگرد گالوانیزه را به دلیل کربناته شدن بتن به مراتب کمتر در معرض خوردگی قرار می‌دهد.
- روی (زینک ZINC) با بتن مرطوب واکنش داده و هیدروکسی زینکات کلسیم را همراه با هیدروژن فرا اشباع تولید می‌کند. این محصول نامحلول بوده و از روی (زینک ZINC) زیرین محافظت می‌کند (مشروط بر آن که مخلوط بتن اطرافش دارای PH کمتر از ۳/۱۳ باشد).
تحقیقات نشان می‌دهد در طول دوره واکنش اولیه تا زمان از بین رفتن پوشش و سخت شدگی بتن، مقداری از لایه روی (زینک ZINC) خالص پوشش حل می‌شود. با این حال، این واکنش اولیه، بعد از سخت شدگی بتن و تشکیل پوشش هیدروکسی زینکات متوقف می‌شود.
- مطالعات نشان می‌دهد پوشش میلگرد‌های گالوانیزه بازیافت شده از سازه‌های مزارع، برای مدت زمان طولانی (حتی زمانی که در مجاورت سطوح بالای کلرید در بتن اطرافش قرار می‌گیرد) غیرفعال باقی می‌ماند.
- برای بتن‌هایی با PH بالا و یا محیطی که انتظار می‌رود مقداری کلرید در پس زمینه‌ی آن وجود داشته باشد، می‌توان سطح روی (زینک ZINC) را با استفاده از از عملیات‌های گسترده پسا فرآوری ویژه به عنوان پوششی در برابر هیدروژن فرا اشباع که ممکن است در موارد جدی، مقاومت خروجی را کاهش دهد، غیرفعال کرد.
- تحقیقات برای بتن با شرایط معمولی هیچ تفاوت آماری را در استحکام پیوند بین میلگرد گالوانیزه فعال یا غیرفعال شده نشان نمی‌دهد. غیر فعال سازی پوشش‌های گالوانیزه خشک مطابق با استاندارد EN 13811 انجام می‌شود و با مقدار کم و زیاد به بتن، کلرید اضافه می‌شود. پوشش گالوانیزه گرم نیز در تماس با بتن فعال می‌شود.
جمع بندی مطالب
پوشش روی (زینک ZINC) مقاطع فولادی با سیستم‌های گوناگونی بر روی سطوح آن ایجاد می‌شود. لیکن باید به این نکته توجه داشت که سیستمی مناسب است که متناسب با فرم مقطع و سایر نکات طراحی مربوط به آن، پوشش استاندارد و قابل قبولی را برای آن فراهم کند.
ورقهای استفاده شده در سازه‌های ال اس اف LSF به روش سیستم گالوانیزه گرم روی اندود می‌شوند.
مطابق آئین نامه طراحی و اجرای سازه‌های فولادی سبک سرد نورد (نشریه شماره۶۱۲ مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن) پوشش مقاطع سرد نورد باید حداقل از نوع روی (زینک ZINC) با مشخصه Z180 مطابق با استانداردASTM A653/A653M و یا آلیاژ روی-آلومینیوم ۵۵% با مشخصه AZ150 مطابق با استاندارد ASTM A792/A792M بوده تا از کیفیت و مقاومت بسیار مطلوبی برخوردار باشد.
