سازه های ساخته شده بتنی با استفاده از فولاد پیش تنیدگی نورد گرم باینیتیکی

با استفاده از فولاد فریتیکی- پرلیتی نوع St55/85 به عنوان مثال (با مقاومت کششی اندازه گیری شده برحسب kp/mm²)، مقاومت فولادهای پیش تنیدگی نورد گرم به تدریج از طریق آلیاژی نمودن و راهکارهای فرآوری، افزایش یافته است. از اوایل سال 1974، یک فولاد پیش تنیدگی جدید از نوع St110/35 که یک فولاد نورد گرم یا آلیاژ پایین با یک ساختار بیانتیکی بود، برای میله های تکی در بتن پیش تنیده، مورد استفاده قرار گرفت.

در این مقاله که توسط ما در کلینیک بتن ایران تهیه شده است شما عزیزان را با سازه های ساخته شده بتنی با استفاده از فولاد پیش تنیدگی نورد گرم باینیتیکی بیشتر آشنا خواهیم کرد.

چند سال پس از استفاده آن، چند سازه ای که درآنها از این نوع فولاد پیش تنیدگی استفاده شده بود، گسیخته شدند. این موضوع بسیار عجیب بود، زیرا بررسی خواص کششی میله زخم دار (شیار داده شده) و مکانیک شکست نشان داد که این نوع فولاد پیش تنیدگی، دارای مشخصات گسیختگی بهتری (تردی کمتر) در مقایسه با فولاد پیش تنیدگی مورد استفاده قبلی یعنی St 85/105 می باشد. با این وجود، گسیختگی در عمل نشان داد که رفتار تعیین شده حین بررسی های شکست ترد در آزمایشگاه، به کاربردهای واقعی در همه موارد، قابل تعمیم نمی باشد.

تحت شرایط ساخت در محل اجرا، مشخص گردید که فولاد با آلیاژ پایین سیلیکون- منگنز- کروم St 110/135 نسبت به فولاد پیش تنیدگی پیرلیتی نورد گرم St 85/105 که از فولاد سیلیکون- منگنز- کربن تولید می شود، داریا آسیب پذیری بسیار بیشتری نسبتب ه ترک ناشی از خوردگی تنشی مربوط به هیدروژن می باشد.

در سازه های متعددی که از فولاد نوع St 110/135 ساخته شده بودند، گسیختگی های ناشی از خوردگی در طول دوره های ساخت، یا پیش از تزریق تاندون ها و یا چند ساعت پس از انجام تزریق، اتفاق افتاد. در مجموع، 65 گسیختگی در 27 پروژه جداگانه برای سیم هایی با قطر 26، 32 و mm36 در مدت چهار سال استفاده ز این فولاد، اتفاق افتاد (1974 تا 1978). این پروژه در محدوده پل ها، اعضای ساختمانی و مخازن آب قرار داشتند. با وقوع گسیختگی، نقص هایی فولاد داخلی (حفرات، جداشدگی های هسته) و نقص های سطحی (ترک های سخت شدگی، لایه لایه شدن) آشکار گردید.

سازه های بتنی

گسیختگی ها طی 7/0 ساعت تا 1200 روز پس از پیش تنیدگی به وقوع پیوستند. در مورد گسیختگی های بعدی، تاندون ها تزریق نشده بودند. میله هایی که در مدت چند روز پس از پیش تنیدگی و پیش از تزریق شکسته شده بودند، عموما عاری از هرگونه خوردگی قابل مشاهده با چشم غیرمسلح بودند. در اغلب موارد، مقادیر غیرمعمول اجزاء مهاجم در محل های آغاز گسیختگی یا بر روی سطوح فولاد، وجود نداشت. اما میله های پیش تنیدگی گسیخته شده اغلب مرطوب بوده و در نزدیکی آنها آب ناشی از شیره بتن وجود داشت.

مقاومت کششی واقعی فولاد گسیخته شده بین 1350 و N/mm² 1880 قرار داشت. در بسیاری موارد، مقاومت در نوع خود بالا بوده و گاهی اوقات به خوبی از مقاومت کششی مشخص شده بیشتر بود. به طور متوسط، هر چه مقاومت بالاتر بود، ترک خوردگی فولاد زودتر روی داده بود. بنابراین، افزایش مقاومت کششی میله، تمایل به ترک ناشی از خوردگی تنشی مربوط به هیدروژن را افزایش داده بود. آسیب ناشی از هیدروژن در سازه های بتن پیش تنیده ساخته شده با استفاده از فولاد پیش تنیدگی نوع St 110/135 که هم در طول مرحله اجرا و هم در ساختمان های قدیمی تر اتفاق افتاده بود، از آسیب پذیری بالای این فولاد نسبت به خوردگی تنشی تحت شرایط معمول محل ساخت ناشی می شد.

مشخص گردید که ایجاد سطوح مقاومتی یکنواخت تحت شرایط ایجاد آلیاژ و تولید، دشوار بوده و در نتیجه چدن های بسیاری با مقاومت بالا، با تمایل بالای غیرمعمولی نسبت به ترک خوردگی و شکست، به بازار وارد شده اند. جدا نمودن ین چدن های با مقاومت بالا با استفاده از کنترل های عادی خودکار، امکان پذیر نبود. مشکلات خوردگی مربوط به انواع مقاوم تر فولاد پیش تنیدگی می توانست اثر نامطلوبی بر سابقه عمومی کلیه سازه های بتنی پیش تنیده داشته باشد و در نتیجه استفاده بیشتر از این نوع فولاد برای سازه های پیش تنیده، ممنوع گردید.

سازه ها با استفاده از فولاد پیش تنیدگی با سردکاری و آبکاری از نوع قدیمی تر ساخته شدند (ساختمان آزمایشگاه در مانهاین آلمان).

پر بازدیدترین مقالات ما را در این بخش دنبال نمایید
سیمان چیست
چسب بتن چیست
جدول عیار بتن چیست؟

فولادهای پیش تنیدگی با سردکاری و آبکاری به شکل سیم های گرد (صاف و آجدار) یا سیم های بیضوی آجدار از اوایل دهه 1950 به ویژه در آلمان مورد استفاده قرار گرفتند. سیم های بیضوی آجدار، در اعضای بتنی پیش ساخته پیش تنیده بی شماری با انواع بسیار متنوع، پیش تنیده شدند تا پل ها و سازه های بلندمرتبه پس تنیده با تعداد زیاد ساخته شوند. توسعه فولادهای با سردکاری و آبکاری از طریق ترکیبی از صرفه اقتصادی و مشخصات مطلوب فولاد صورت گرفت، مانند مقاومت بالا به همراه طاقت خوب، مشخصات پیوستگی بسیار خوب و رهاشدگی پایین.

رفتار انواع اولیه فولاد با سردکاری و آبکاری با آلیاژ کربنی همیشه از نظر خوردگی تنشی در مدت فرآوری رضایت بخش نبود و گسیختگی هایی در زمان پیش تنیدگی و کمی پس از آن اتفاق افتاد. نشانه های پایداری ناکافی تحت شرایط نامطلوب محل و آسیب پذیری نسبت به برخی محلول های آزمایشی آزمایشگاهی، منجر به توسعه فولاد با مقدار کربن پایین و حدود 5/0% جرمی کروم گردید که مقاومت بیشتری را نسبت به ترک ناشی از خوردگی تنشی مربوط به هیدروژن نشان می داد. اما هنوز سازه های بسیاری وجود دارند که با استفاده از نوع قدیمی فولاد ساخته شده اند (تا سال 1965). به علاوه، استفاده از فولاد پیش تنیدگی نوع قدیمی با سردکاری و آبکاری، به ویژه در اعضای پیش تنیده در آلمان شرقی سابق، تا سال 1990 ادامه یافت.

از سال 1989 به بعد، نمونه هایی از فرو ریختن و شرایط نزدیک فرو ریختن اعضای سازه ای ساخته شده از این نوع فولاد اتفاق افتاد، حتی در مناطقی که شرایط محیطی نامطلوب به طور آشکار وجود نداشت:

• پس از 28 سال بهره برداری، تیرهای یک ساختمان آزمایشگاه بر اثر شکسته شدن از حدود میانه تیر، فرو ریختند (شکل 6-14).
• پس از 30 سال بهره برداری، یک ترک باز در تیر بتنی یک کارخانه -باز هم در وسط دهانه- یافت شد.
• هنگام تخریب سقف یک کارخانه دیگر با طول عمر 25 سال، تیرها در هنگام جداسازی شکسته شدند.
• پس از 33 سال بهره برداری، پیش ترک ها و گسیختگی های متعددی از سیم ها در پلی از Henningsdorf که با فولاد سردکاری و آبکاری شده پیش تنیده شده بود، مشاهده گردید.

شکل 6-14- تیر شکسته شده بر اثر ترک ناشی از خوردگی تنشی. بخش بالایی: تصویر کلی، بخش پایینی: تاندون گسیخته شده.

این حوادث در درجه اول از طریق گسیختگی های تجمعی سیم ها در تاندون ها آغاز شده بودند و نتایج بررسی در هر مورد، از نظر اجرایی کاملا مشابه بود. به عنوان نمونه، اولین گسیختگی بیان شده در بالا، با جزئیات بیشتری بررسی خواهد شد. دو تاندون در تیرها که از 16 سیم بیضوی آجدار ساخته شده بودند، با یک پوشش بتن متراکم و ضخیم (ناتراوا) پوشانده شدند. مجاری عاری از هرگونه خوردگی خارجی بودند، زیرا پوشش بتن آنها نه کربناته بود و نه آلوده به کلرید بود. پس از باز کردن تاندون ها، مشاهده شد که گسیختگی های قبلی با زنگ و یا ملات تزریق پوشیده شده بودند.

این گسیختگی ها احتمالا مربوط به زمان ساخت تیر بودند. این گسیختگی دارای توزیع تصادفی در طول چندین متر در پایین ترین نقطه تاندون ها بودند. همچنین شکستگی های اخیر در مقاطع عرضی گسیخته شده تیر به خوبی حفظ شده بودند. تاندون ها به درستی تزریق شده بودند. ملات تزریق مرطوب بود، اگر چه هیچگونه مصالح کربناته یا کلریدی را در بر نداشت. در مورد سیم های شکسته شده نیز هیچگونه خوردگی قابل مشاهده با چشم غیرمسلح وجود نداشت، اما فرورفتگی های خوردگی کوچک و ترک های بیرونی در زیر میکروسکوپ قابل مشاهده بودند.

تعداد زیادی از ترک ها ایجاد شده بودند، اما این ترک ها به هیج یک از نواحی بسیار فرسایش یافته و فرورفته مربوط نمی شدند. مجاری فولادی، زنگ زدگی اولیه ای را در طرف داخلی و رسوبات آهک مانندی را با برخی غلظت های سولفات پتاسیم در امتداد سطح قبلی آب نشان دادند. این نوع قدیمی ولاد پیش تنیدگی با سردکاری و آبکاری دارای مقاومت کششی معادل N/mm² 1750 بود؛ یعنی مقاومت واقعی به وضوح از حداقل اسمی مورد نیاز N/mm² 1570 بالاتر بود که حساسیت آن را نسبت به هیدروژن افزایش می داد.

این نتیجه به دست آمد که حین تولید تیرهای بتنی، یا آب بتن در حال سخت شدن به داخل تاندون های تزریق نشده، نفوذ کرده و موجب پیش ترک خوردگی و گسیختگی سیم ها شده، و یا آب تغلیظ شده قبلا به صورت مشابه، فولاد با حساسیت بالا را دچار آسیب نموده است. نشان داده شد که انواع فولاد مورد استفاده، هنگام تماس با آب تغلیظ شده دارای حساسیت بالایی نسبت به ترک ناشی از هیدروژن می باشند. با قرارگیری این فولاد در ملات تزریق که به طور دائم مرطوب می باشد، پیش ترک های موجود در فولاد می تواند رشد کرده و سرانجام منجر به گسیختگی نهایی گردد. تعداد زیادی از شکستگی های سیم ها در یک مقطع عرضی، در نهایت منجر به گسیختگی تیر شده بود.

در آزمایشات آزمایشگاهی، نشان داده شد که سیم های با فولاد پیش تنیدگی حساس پیش ترک خورده ممکن است هنگام قرارگیری در یک محیط قلیایی گسیخته شوند (مثلا جدول 6-5). در یک آزمایش خوردگی تنشی با محلول اشباع Ca(OH)₂، گسیختگی تاخیری فولاد پس ا 330 ساعت، با سطح تنش برابر 40% مقاومت کششی اتفاق افتاد. تحت شرایط خوردگی شکاف ها، که معمولا در مورد دسته ها مشاهده می شود، عمر بهره برداری نمونه های پیش ترک خورده تا 40 ساعت کاهش یافت. نمونه های بدون پیش ترک، حتی پس از 1000 ساعت نیز شکسته نشدند.

جدول 6-5- نتایج آزمایش های ترک ناشی از خوردگی تنشی برای سیم های پیش تنیدگی با فرآوری آبکاری و حرارت تحت بارگذاری استاتیکی با و بدون پیش ترک ها در محلول اشباع Ca(OH)₂ در دمای C°30،
 ơ = 0.4R_m

مطالعات آسیب های جدی روی داده در سازه های پیش تنیده با فولاد از نوع سردکاری و آبکاری پس از چندین دهه بهره برداری نشان داد که آسیب پذیری بالای غیرمعمول نسبت به هیدروژن، در درجه اول و یا صرفا برای گسیختگی های تاخیری منطقی بود. این نوع فولاد 40 سال است که تولید نمی شود. تحلیل آسیب و نتایج تحقیق نشان داد که فرورفتگی های ناشی از خوردگی، پیش ترک ها و گسیختگی ها پیش از انجام تزریق اتفاق افتاده بودند. بر اثر آسیب پذیری بالای خوردگی تنشی این نوع فولادها، آسیب می توانست تا گسیختگی کامل اعضا حتی در پوشش های تزریق شده به طور صحیح و بدون وجود هرگونه شرایط محیطی دیگر که به نفع ترک خوردگی باشد، توسعه یابد.

آسیب اولیه به شکل پیش ترک ها و گسیختگی های منفرد را می توان از طریق ناپایداری ایم سیم ها د رمحیط مرطوب مجاری تزریق نشده یا در تماس با آب گیرش بتن توضیح داد. هر دو این شرایط بخشی از کار روزانه در محل های ساخت می باشند. باتوجه به این روابط و از آنجا که سازه های پیش تنیده با فولاد حساس هنوز در حال استفاده می باشند، تحقیقات مربوط به کنترل خطرات احتمالی در سازه های موجود، مورد توجه قرار می گیرد. اندازه گیری های مغناطیسی غیرمخرب جریان تراوش و بررسی های مخرب با نمونه گیری یک سیم منفرد، در حال حاضر مورد استفاده می باشد.