با چگونگی استفاده از آهن در صنعت بتن آشنا شوید

استفاده از آهن در بتن بخش مهمی از زیرساخت های ما بر پایه بتن مسلح است، چرا که بتن بار فشاری را گرفته و فولاد داخل آن، بار کششی را تحمل مینماید.در ادامه مطلب زیر با نحوه استفاده از آهن در بتن آشنا شوید.

استفاده از آهن در بتن بخش مهمی از زیرساخت های ما بر پایه بتن مسلح است، چرا که بتن بار فشاری را گرفته و فولاد داخل آن، بار کششی را تحمل مینماید. دوام این ماده مرکب براساس پایداری شیمیایی بسیار خوب سیمان پرتلند هیدراته شده و ایجاد لایه محافظ (مقاوم) بر روی فولاد در محلول حفره ای قلیایی بتن (pH 5/12 تا 5/13) است. در مقایسه با آگاهی از این حقیقت قطعی در ارتباط با دمام سازه های بتن مسلح به فولاد، دانش اندکی درباره شیمی سطح آهن و آلیاژهای آهن در محیط های قلیایی شبیه سازی شده، در محلول های حفره ای مصنوعی حاوی کاتیون های سدیم، کلسیم و پتاسیم و همچنین سولفات ها، و یا در بتن وجود دارد. اخیرا توسط جویرت و همکاران تجزیه و حفاظت آهن با روش های الکتروشیمیایی و طیف سنجی رامان برجا، مورد مطالعه قرار گرفته است، که نشان می دهد با افزایش پتانسیل، یک فرآیند اکسیده شدن تدریجی برای لایه اکسید، مشاهده می گردد. در مقادیر پتانسیل بسیار پایین، اکسید مغناطیسی آهن (Fe3O4) وجود دارد و در پتانسیل های آندی بالاتر، a-FeOOH و Fe2O3 تشکیل می شوند. این نتایج با آزمایشات کوتاه مدت بر روی آهن کف دار قرار گرفته در محلول های قلیایی، مطابقت دارد. در ادامه این مقاله ازکلینیک بتن ایران در مورد روش های آزمایش و نتایج آن که در مقاوم سازی ساختمان بسیار تاثیرگذار است، بیشتر توضیح خواهیم داد.
روش های آزمایشگاهی

از نقطه نظر ترمودینامیکی، اُکسی هیدروکسیدها و اکسیدهای آهن در pH بالا، ترکیبات پایداری هستند که این امر منجر به تشکیل یک لایه نازک اکسید محافظ (لایه محافظ) برسطح آهن در محیط های قلیایی و بتن می گردد. این حالت مقاوم در مسلح سازی (میلگرد) می تواند از طریق کربناسیون (واکنش محلول حفره ای قلیایی با CO2 هوا) و افت pH ناشی از آن و یا از طریق ورود یون های کلرید، از بین رفته و منجر به حمله خوردگی موضعی می گردد. از منابع علمی و تجربیات عملی موجود می توان دریافت که قرارگیری بلندمدت فولاد در معرض محیط های قلیایی (سالخوردگی لایه محافظ)، مقدار بحرانی کلرید برای آغاز خوردگی موضعی ناشی از کلرید را افزایش می دهد، همانگونه که این موضوع برای محلول حفره ای، ملات و بتن گزارش شده است. سالخوردگی لایه محافظ به طور همزمان، تاثیر کاهش کاتدی اکسیژن را تقلیل داده و در نتیجه ممکن است نرخ خوردگی را کاهش دهد. در نتیجه، ضخامت، ترکیب و پیکره بندی الکترونیکی این لایه های نازک اکسید آهن (لایه های محافظ) در محیط های قلیایی، برای رفتار خوردگی فولاد در بتنف اهمیت بسزایی دارند.

در این کار، نتایج مطالعه ترکیبی تحلیل الکتروشیمیایی و XPS سطح فولاد و آلیاژهای Fe10Cr در محیط های قلیایی، گزارش شده است. نتایج به دست آمده از نظر نسبت Fe(II)/Fe(III) آهن در لایه و رابطه آن با پتانسیل اتصال کوتاه و اثر افزودن کرم برپایداری لایه محافظ، مورد بحث قرار می گیرند.
مصالح و آماده سازی نمونه ها

صفحات آهن (99/99%) توسط GoodFellow و آلیاژهای Fe10Cr توسط انجمن شیمی فیزیک و الکتروشیمی دانشگاه داسلدورف تهیه شدند. نمونه ها که قبلا در نگهدارنده نمونه XPS قرار گرفته بودند، در آب مقطر با استفاده از کاغذ سمباده سیلیکون کاربید 200، 320، 500 و 1000 و در اتانول با پرداخت µm1 با خمیر الماس، سایش یافتند (این حالت جلادهی مکانیکی نامیده می شود). نمونه ها با اتانول شسته شده، تحت بخار نیتروژن خشک شده و تحت نیتروژن به داخل طیف سنج انتقال یافتند.

نمونه ها توسط XPS بلافاصله پس از فرو بردن در محلول های قلیایی هوازدایی شده با pH 13 و پس از قرارگیری در معرض هوا به مدت طولانی (تا 20 روز) در رطوبت نسبی 35% و سپس فرو بردن در محلول قلیایی به مدت 24 ساعت، توسط XPS مورد تحلیل قرار گرفتند.
عوامل شیمیایی و محلول ها

عامل شیمیایی اتانول و آب مقطر (λ=1.4µs cm-1 در دمای °C20؛ 5/6 pH ≈) برای جلادهی مکانیکی مورد استفاده قرار گرفتند. محلول های قلیایی با pH 13 از NaOH با درجه بندی تحلیلی (Carlo Ebra) تهیه شدند. pH محلول با استفاده از یک pH سنج 654 Metrohm کنترل می شد. محلول های هوازدایی شده از طریق ایجاد حباب های گار آرگون برای مدت حداقل 4 ساعت، آماده سازی شدند.
آزمایشات الکتروشیمیایی

آزمایشات الکتروشیمیایی در یک محفظه (سلول) الکتروشیمیایی استوانه ای انجام شدند که قطر دهانه آنها در یک سمت برابر cm1 (مساحت سطح cm 278/0) است تا سطح نمونه در معرض محلول قرار گیرد. محلول های اشباع شده با اکسیژن و هوازدایی شده با گار آرگون، مورد استفاده قرار گرفتند. ثبت مقادیر پتانسیل اتصال کوتاه توسط یک پتانسیواستات 237PAR تحت کنترل رایانه، صورت گرفت. یک الکترود کالومل اشباع (SCE) با یک دیافراگم حفاظت دوگانه برای کلیه آزمایشات مورد استفاده قرار گرفت.
طیف سنجی نوری الکترونی اشعه ایکس

تحلیل های XPS در یک طیف سنج 200ESCALAB (شرکت وکیوم ژنراتور، انگلستان)، انجام گرفت. سیستم خلا، یک پمپ توربوکلولار را شامل می شد کهبا یک تله نیتروژن مایع و یک پمپ تصعید تیتانیوم تنظیم شده بود. فشار باقیمانده در طیف سنج در طول مدت دریافت داده ها همواره پایین تر از Pa7-10×5 بود. منبع اشعه X، (eV6/1486) AlKa بود که با mA 20 و kV 15 کار می کرد. طیف های مورد نظر به صورت دیجیتال به دست آمدند (نرم افزار VGEclipse بر روی 486IBM). تحلیل گر الکترون در حالت انتقال تحلیل گر ثابت (FAT) با یک انرژی عبوری eV 20 با عرض کامل در نیمه ارتفاع حداکثر Ve (FWHM) 1/1= d5/23Ag عمل می کرد. مساحت تحلیل شده تقریبا برابر cm 25/0 بود. دستگاه با استفاده از مواد مرجع تمیز شده با پاشش یون- گاز خنثی SCAA90 از Ag, Cu و Au، واسنجی گردید. برای اهداف واسنجی، خط f7/24Au در eV98/83، خط p3/22Cu در eV67/932، سیگنال CuLMM در eV94/334 و d5/23Ag در eV26/368 مورد استفاده قرار گرفت. اجزاء طیف ها پس از حذف پس زمینه، با توجه به شیرلی و شروود مشخص گردید. نسبت گوسین/لورنتزین و FWHM براساس استانداردها تعیین شده و ثابت نگه داشته شدند و ارتفاع و انرژی حداکثر با استفاده از یک الگوریتم حداقل مربعات تنظیم شدند.
تحلیل کمی

از انتگرال گیری شدت های حداکثر (پیک)، ضخامت و ترکیب لایه سطحی با یک مدل سه لایه تعیین گردید که این کار با در نظر گرفتن باریک شدگی فوتوالکترون ها توسط لایه آلودگی هیدروکربن و لایه محافظ، صورت پذیرفت.
نتایج

اندازه گیری های پتانسیل اتصال باز (OPC) بر روی آهن و نمونه های Fe10Cr در محلول های قلیایی با pH 13 بلافاصله پس از جلادهی مکانیکی و پس از جلادهی مکانیکی و اکسیداسیون هوا، برای دوره های زمانی مختلف در یک دسیکاتور صورت گرفته است. در شکل زیر نمونه هایی از منحنی های OPC در برابر زمان، برای نمونه های Fe و Fe10Cr جلادهی شده مکانیکی که در محلول NaOH با pH 13 غرقاب شده اند، برای محلول های اشباع شده با O2 و هوازدایی شده با Ar نشان داده شده است. OPC نمونه های آهن جلادهی شده مکانیکی بلافاصله پس از غرقاب شدن، بسیار منفی بوده، V 6/0 (SCE)، و پس از غرقاب شدن به مدت 12 ساعت، به سرعت تا رسیدن به مقادیر مثبت تر 357/0- (SCE، هوازدایی شده) V 15/0 (O2, SCE) افزایش می یابد. نمونه های Fe10Cr رفتار مشابهی را نشان می دهند، اما پتانسیل اتصال باز نمونه های جلادهی شده مکانیکی پس از 12 تا 14 ساعت، منفی تر از مقادیر متناظر آهن در هر دو محلول های هوازدایی و هوادهی شده است.

ahanbeton

پتانسیل اتصال باز در برابر زمان برای (a) نمونه های آهن جلادهی شده مکانیکی (-) و قرار گرفته در معرض هوا (—) و (b) نمونه های Cr10Fe که در محلول های NaOH غرقاب شده اند.

 

سری دوم آزمایشات با استفاده از نمونه های آهن و Cr10Fe جلادهی شده مکانیکی و پس نگهداری شده در دسیکاتور برای زمان های بین 1 تا 20 روز در دمای °C 5/0 ±°C25 و رطوبت نسبی 35% صورت گرفت. سپس این نمونه های قرار گرفته در معرض هوا، در محلول قلیایی با pH 13 و هوازدایی شده با گاز آرگون غرقاب شده و OCP برای مدت 20 ساعت اندازه گیری گردید که نتایج نشان داده شده است. پتانسیل اتصال باز برای هر دو نمونه های آهن خالص و Fe10Cr که بلافاصله پس از غرقاب شدن در محلول، در معرض هوا قرار گرفته بودند، بسیار مثبت تر از مقادیر متناظر برای نمونه های با جلادهی مکانیکی است. نمونه های آهن قرار گرفته در معرض هوای خشک، با یک OCP در V(SCE) 4/0- آغاز می شوند و با گذشت زمان بیشتری از غرقاب شدن، پتانسیل ها شبیه مقادیر مربوط به نمونه های با جلادهی مکانیکی می شوند. نمونه های Fe10Cr قرار گرفته در معرض هوا، با یک پتانسیل اتصال باز ��دود V(SCE) 3/0- آغاز می کنند؛ در ساعت های اول پس از قرارگیری در معرض محلول، OCP کاهش می یابد، اما در کل مدت آزمایش، مثبت تر از مقادیر مربوط به نمونه های با جلادهی مکانیکی در محلول هوازدایی شده، باقی می ماند . رفتار مشابهی برای شرایط قرارگیری در معرض هوا در زمان های بین 1 تا 20 روز، مشاهده گردید.
نتایج طیف سنجی نوری

طیف سنجی نوری الکترونی اشعه ایکس بر روی نمونه های آهن و Fe10Cr، برای هر دو حالت جلادهی شده مکانیکی و غرقاب شده در محلول NaOH و جلادهی شده مکانیکی، اکسید شده در هوا در یک محیط کنترل شده و غرقاب شده در محلول NaOH با pH 13، صورت گرفت که نتایج آن در ادامه آورده شده است:
سطح با جلادهی مکانیکی

حالت سطح، پس از جلادهی مکانیکی در اتانول، به عنوان یک مرجع تکرارپذیر و حالت آغازین دو آلیاژ مورد مطالعه، انتخاب گردید. همانگونه که از طیف های Fe2p آهن خالص پس از جلادهی مکانیکی مشخص می گردد . سیگنال فلز آهن در هر دو ناحیه p3/22Fe و p1/22Fe از طیف، به وضوح قابل تشخیص است. بیشترین پیک آهن اکسید شده در eV2/10V یافت می شود که نشان دهنده بخش عمده ای در این سیگنال Fe(II) در لایه محافظ سطحی است. نتایج مشابهی برای آلیاژ Fe10Cr نیز به دست آمد .

یک تحلیل دقیق تر از سیگنال آهن p3/22Fe و s1O پس از حذف پس زمینه و برازش منحنی، نشان داده شده است (نمونه ای از آلیاژ Fe10Cr). عرض های کامل در نیمه ارتفاع حداکثر (FWHM) و موقعیت تک تک پیک ها در ناحیه p3/22Fe که برای برازش منحنی استفاده گردید، ثابت نگه داشته شدند و تنها اجازه داده شد که ارتفاع پیک تغییر نماید. همانگونه که قابل مشاهده می باشد، سیگنال آهن2Fe به بخش های مختلفی قابل تجزیه است: بخش مربوط به آهن فلزی (eV7/706)، یک جزء Fe(II) (eV8/708)، اکسید Fe(III) (eV3/710) و اکسی هیدروکسیید Fe(III) (eV1/712). باید توجه نمود که جزء Fe(II) دارای یک سیگنال پیرو در eV5/714 (10% پیک اصلی) می باشد که در این کار، برازش داده شده است. طیف های اکسیژن Ols با سه پیک گوسین/لوزنترین یافت شده در eV50/0 ± 530 (اکسید)، eV1/0±6/531 (هیدروکسید) و eV1/0±9/532 (آب جذب شده سطحی)، برازش داده شده است. نمونه های آهن با جلادهی مکانیکی نتایج مشابهی را نشان دادند که در آنها، بخش اکسی هیدروکسید Fe(III) نسبت به مقادیر متناظر در آلیاژ Fe10Cr با جلادهی مکانیکی بیشتر بود. تحلیل کمی لایه اکسید بر روی آلیاژ Fe10Cr پس از جلادهی مکانیکی، ترکیبی با 16% اکسید کروم را نشان داد که نشان می دهد آلیاژ زیر لایه محافظ دارای ترکیب اسمی است.
جلادهی مکانیکی و غرقاب نمودن در محلول قلیایی با pH 13

طیف های XPS پس از غرقاب نمودن در محلول قلیایی با pH 13 تغییر کردند: سیگنال آهن فلزی کاهش زیادی یافت که نشانگر صخامت بیشتر لایه محافظ است و مقدار بیشینه پیک اکسید آهن به سمت انرژی های پیوند بیشتر، جابجا گردید . تحلیل دقیق تر پس از برازش منحنی به طیف p3/22Fe از آلیاژ Fe10Cr با جلادهی مکانیکی پس از غرقاب نمدن به مدت 20 ساعت در pH 13 نشان داد که شدت جزء Fe(II) در eV8/708 به میزان قابل توجهی کاهش یافته بود (تا زیر 10%) و همچنین بخ شعمده موجود در آن زمان، ناشی از جزء مربوط یه اکسید Fe(III) بوده است.