خوردگی در اسکلت سوله

خوردگی در اسکلت فلزی یک روند الکتروشیمیایی است که نیازمند حضور همزمان رطوبت و اکسیژن می‌باشد. اساسا، آهن موجود در فولاد برای تولید زنگ اکسیده می‌شود، که تقریبا ۶ برابر حجم مصالح اصلی را اشغال می‌نماید. نرخی که فرآیند خوردگی اتفاق می‌افتد به چند فاکتور بستگی دارد، اما اصولا به آب و هوای منطقه اطراف سازه بستگی دارد.

شکل ۱ – شماتیک ارائه شده برای مکانیزم خوردگی در سازه فلزی

فرآیند خوردگی

خوردگی فولاد به عنوان یک فرآیند الکتروشیمیایی مطرح بوده که طی مراحلی اتفاق می‌افتد. اولین حمله در ناحیه آنودی موجود در سطح اتفاق می‌افتد، جاییکه یون‌های آهن به درون محلول می‌روند. الکترون‌ها از آنود رها شده و به سمت ساختار فلزی در نزدیکی سایت‌های کاتودی در سطح می‌روند، جایی که آنها با اکسیژن و آب جهت شکل‌گیری یون‌های هیدروکسیل ترکیب می‌شوند. این با یون‌های آهن از آنود جهت تولید هیدروکسید آهن واکنش می‌دهد، که به خودی خود با هوا بیشتر اکسیدایز می‌شود که جهت تولید تولید اکسید فلز هیدراته شده (زنگ قرمز) است. مجموع این واکنش‌ها به صورت معادلات زیر قابل ارائه است:

Fe + 3O₂ + ۲H₂O = 2Fe₂O₃H₂O
(Steel) + (Oxygen) + (Water) = Hydrated ferric oxide (Rust)

در هر صورت، بعد از مدتی، اثرات قطبی شدگی مانند رشد خوردگی ایجاد شده در سطح سبب شود که فرآیند خوردگی فرو نشیند. سایت‌‌های واکنش آنودی ممکن است در اطراف ایجاد شوند که منتج به خوردگی بیشتر می‌شود. در این موارد، در یک بازه زمانی طولانی، از بین رفتن فلز اصولا در کل سطح یکنواخت است، و این مورد معمولا با عنوان خوردگی کلی بیان می‌شود. یک ارائه شماتیک از مکانیزم خوردگی در شکل ۱ ارائه شده است.

فرآیند خوردگی نیازمند حضور همزمان آب و اکسیژن است. در صورت عدم حضور هر کدام، فرآیند رخ نمی‌دهد.

خوردگی محلی

انواع مختلف خوردگی محلی ممکن است اتفاق افتد اما این روند برای سازه فلزی زیاد رایج نیست.

خوردگی دوفلزی

وقتی دو فلزی غیرمشابه به هم متصل می‌شوند و در تماس با یک الکترولیت قرار می‌گیرند، یک جریان الکتریکی بین آنها عبور کرده و خوردگی در فلز آنودی به وقوع می‌پیوندد.  برخی فلزات (مانند فولاد زدزنگ) سبب می‌شوند تا اسکلت با آلیاژ پایین فلزی ترجیحا خورده شوند در حالیکه دیگر فلزات (مانند روی) خودشان ترجیحا خورده می‌شوند، بدین طریق از اسکلت با آلیاژ پایین فلزی محافظت می‌کنند.  تمایل فلزات غیرمشابه به خوردگی دوفلزی بخشی براساس موقعیت آنها در سری‌های گالوانیک است. هر قدر که دو فلز در سری‌ها از هم در جایگاه دورتری باشند، تمایل‌شان بیشتر است. جنبه دیگر که بر خوردگی دو فلزی اثرگذار است، طبیعت الکترولیت است. خوردگی دوفلزی بیشتر برای سازه‌های مستغرق یا مدفون مطرح است، اما در محیط‌های دارای تهاجمات کمتر مانند فلز زدزنگ برای تکیه‌گاههای آجری که به مقاطع فولاد نرمه سازه‌ای وصل هستند، اثر بر مقاطع فلزی حداقل می‌باشد.

احتیاط ویژه‌ای در بیشتر ساختمان‌های یا پل‌ها نیاز نیست. برای موقعیت‌های با ریسک بالا، درزبندها، غلاف‌ها و دیگر مصالح عایق الکتریکی باید استفاده شود. به صورت جایگزین کاربرد سیستم رنگ‌زنی مناسب در محل اتصال نیز مفید می‌باشد. تمایل برای خوردگی دو فلزی تحت تاثیر مساحت نسبی سطح فلزات آنودی و کاتدی است. به عبارت ساده‌تر، نسبت بزرگتر، تمایل بیشتربه خوردگی دوفلزی را در بر دارد.

سری‌های گالوانیک کلی

سر آنودی (بیشتر به خوردگی مستعد هستند.)

• منگنز
• روی
• آلومینیوم
• فولاد سازه‌ای کربنی یا آلیاژ پایین
• چدن
• سرب
• قلع
• مس
• برنج
• برنز
• نیکل
• تیتانیوم
• فولاد زدزنگ ۴۳۰/۳۰۴/۳۰۱۶ (در حالت غیرفعال)

سر کاتدی (کمتر مستعد خوردگی هستند)

خوردگی حفره‌ای

شکل ۲ – سطح فولاد حفره شده

در برخی از شرایط هجوم بر سطح آنودی اصلی فرو ننشسته و تا عمقی از فلزی ادامه می‌یابد، که یک حفره خوردگی را ایجاد می‌نماید. حفره بیشتر در سازه‌های فلزی با آلیاژ پایین  در شرایط پیوسته مرطوب یا مدفون در خاک نسبت به سازه‌های در معرض هوا رخ می‌دهد. بنابراین، خوردگی حفره‌ای به ندرت در ساختمان‌های مدرن یا پل‌ها مشاهده می‌شود.

خوردگی شکافی

شکاف‌ها توسط جزئیات طراحی، جوشکاری، سطوح مخروب یا غیره شکل می‌گیرند. اکسیژن موجود در شکاف به سرعت توسط فرآیند خوردگی استفاده شده و به دلیل دسترسی محدود، قابل جایگزین نیستند. ورودی به شکاف کاتد شده، چون می‌تواند واکنش کاتدی با نیاز به اکسیژن را تامین نماید. توک شکاف یک آنود محلی شده و نرخ خوردگی در این محل بالا است.

نرخ خوردگی

فاکتورهای اساسی که نرخ خوردگی در فلز در معرض هوا را تعیین می‌کند:

زمان تری

یک بخشی از زمانی است که سطح مرطوب است، به دلیل بارندگی، میعان یا غیره. بنابراین، برای فولاد محافظت نشده در محیط خشک مانند داخل ساختمان گرم، خوردکی به دلیل عدم دسترسی به آب حداقل است. در این موارد برای استفاده از رنگ‌آمیزی یا پوشش‌ها مگر برای هدف حفاظت در برابر حریق لزومی نیست.

آلودگی اتمسفری

نوع و مقدار آلودگی اتمسفری (مانند سولفاتی، کلریدی، گرد وغبار و …)

سولفاتی

از گاز دی‌اکسید سولفور در طول احتراق سوختهای فسیلی تولید شده مانند سولفور نفت یا ذغال نشعت می‌گیرد. گاز دی‌اکسید سولفور با آب یا رطوبت در اتمسفر برای ایجاد گوگرد و اسیدسولفوریک واکنش می‌دهد. محیط صنعتی یک منبع اولیه اکسید سولفر است.

کلراید

این مورد اساسا در محیط دریایی موجود است. بالاترین تمرکز کلرایدی در نواحی ساحلی یافت می‌شود. در برخی مناطق پیشنهاد می‌شود که تا ۲ کیلومتر را در نوار ساحلی به عنوان محیط دریایی کلرایدی منظور کنند.

هر دو سولفات‌ها و کلرایدها نرخ خورگی را افزایش می‌دهند. آنها با سطح فولاد برای ایجاد محلول نمک اهن واکنش داده که می‌تواند در حفره متمرکز شده خودشان فرسایش‌گر هستند.

در یک محیط محلی مشخص، نرخ خوردگی متغیر است، که به سبب سقف‌ها و بادهای زیاد است و بنابراین آب و هوای است اطراف سازه، که نرخ خوردگی هدف را مشخص می‌کند. چون محیط اتمسفریک بسیار متغیر است، داده‌های نرخ خوردگی را نمی‌توان تعمیم داد. با این حال، محیط‌ها را می‎‌توان به صورت کلی طبقه بندی نمود و نرخ خوردگی اندازه‌گیری شده متناظر را با استفاده از نرخ خوردکی محتمل تعیین نمود.

جدول ۱ – طبقه‌بندی ریسک خوردگی در محیط‌های مختلف

نکته:

مقدار کاهش ضخامت در اولین سال در معرض است.

در نواحی ساحلی گرم، نواحی مرطوب، مقدار کاهش ضخامت ممکن از این طبقه‌بندی بیشتر گردد. بنابراین، احتیاط ویژه‌ای باید هنگام انتخاب سیستم زنگ برای سازه‎‌ها در این نواحی منظور شود.