ปัญหาการเกิดสนิมในเหล็กเสริมคอนกรีต เป็นปัญหาที่มีผลกระทบต่อความมั่นคงแข็งแรงของอาคาร โดยเฉพาะอาคารที่ถูกสร้างมานานหลายปี ปัญหาที่เกิดจากการเกิดสนิมในเหล็กเสริมจะทำให้พื้นที่หน้าตัดของเหล็กลดลงและคอนกรีตหุ้มเหล็กเสริมเกิดรอยแตกร้าวหลุดร่อนออกไป ทำให้สูญเสียความสามารถในการรับแรง อาคารเก่าแก่ที่มีอายุการใช้งานมานาน เมื่อเกิดปัญหาการเกิดสนิมในเหล็กเสริมคอนกรีตที่รุนแรง จะส่งผลกระทบต่อเสถียรภาพของอาคารและเกิดความรู้สึกไม่ปลอดภัยต่อผู้ใช้อาคาร
กลไกการเกิดสนิมเหล็ก
การเกิดสนิมเหล็กเป็นผลจากการทำปฏิกิริยาเคมีของเหล็ก เป็นปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า (electronchemical) ของเหล็กกับสารประกอบที่ปะปนในสิ่งแวดล้อมที่สัมผัสกับเหล็กนั้นๆ กระบวนการเกิดสนิมเหล็กโดยเฉพาะอย่างยิ่งการเกิดสนิมในเหล็กที่มีวัสดุอื่นมาปกคลุมผิว เช่น โครงเหล็กของอาคารที่ผิวทาสีกันสนิมหรือในเหล็กเสริมคอนกรีต จะมีกระบวนการเกิดสนิมที่ซับซ้อน ค่อยเป็นค่อยไป
การเกิดสนิมเหล็ก
สนิมเหล็กจะเกิดจากกระบวนการทำปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าของเหล็กกับความชื้นและออกซิเจนในอากาศ เมื่อเหล็กสัมผัสกับความชื้นและออกซิเจนในอากาศ ผิวเหล็กก็จะเกิดสนิมและเกิดขั้วของเซลไฟฟ้าขึ้น 2 ขั้ว คือ ขั้วบวก กับขั้วลบ เมื่อผิวเหล็กสัมผัสกับความชื้นและออกซิเจนในอากาศซึมเข้าไปทำปฏิกิริยาเคมีกับน้ำซึ่งเป็นสารละลายที่เป็นกลาง ทำให้เกิดสนิมเหล็กและทำให้เนื้อเหล็กแตกหลุดร่อนออกมาเป็นหลุมบนผิว
การเกิดสนิมในเหล็กเสริมคอนกรีต
ในโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กโดยทั่วไป การเกิดสนิมของเหล็กเสริมจะมีปฏิกิริยาเคมี จะมีอยู่ 2 ลักษณะ คือ ถ้าเกิดขึ้นบนผิวเหล็กในบริเวณเดียวกันจะทำให้เกิดสนิมแบบสม่ำเสมอ เรียกว่า Microcell แต่ถ้าเกิดคนละจุดแยกจากกันโดยมีตัวนำไฟฟ้าเชื่อมต่อระหว่างจุดทั้งสอง จะทำให้เกิดสนิมแบบเฉพาะจุด เรียกว่า Macrocell
ปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดสนิมคือ ความชื้นและออกซิเจน ซึ่งต้องมีการซึมผ่านคอนกรีตเข้าไปจึงจะสามารถทำปฏิกิริยากับเหล็กได้ ดังนั้นคอนกรีตแต่ละประเภทที่ความหนาแน่นต่างกันก็จะมีรูพรุนของคอนกรีตต่างกันไปด้วย อย่างเช่นเสาเข็มแบบสปันไมโครไพล์ ที่มีกำลังสูงก็จะมีรูพรุนของเนื้อคอนกรีตน้อย ทำให้อัตราการเกิดสนิมในเหล็กเสริมข้างในน้อยตามไปด้วย
เมื่อเหล็กเสริมคอนกรีตได้เริ่มเกิดสนิมขึ้นแล้ว ก็จะมีการพัฒนาเพิ่มปริมาณมากขึ้นเรื่อยๆ โครงสร้างของอาคารจะถูกทำลายในรูปของการสูญเสียกำลังจากขนาดของหน้าตัดของเหล็กเสริมลดลง การสูญเสียแรงยึดเหนี่ยวระหว่างเหล็กเสริมกับคอนกรีต และเกิดรอยแตกร้าวหลุดร่อนออกของคอนกรีตหุ้มผิวเหล็กเสริม จึงทำให้โครงสร้างขาดความมั่นคงแข็งแรงและมีความสามารถในการรับน้ำหนักบรรทุกลดลง อัตราการพัฒนาการเกิดสนิมในเหล็กเสริมคอนกรีตจะมีปริมาณมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความรุนแรงของสภาวะแวดล้อมตรอบอาคาร
ปัจจัยต่างๆ ที่ควบคุมการเริ่มเกิดสนิมของเหล็กเสริมคอนกรีต โดยภาพรวมแล้ว ประกอบด้วย
- จำนวนและปริมาณสารเคมีที่ปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมรอบอาคาร เช่น อาคารในบริเวณชายทะเล และอาคารในเขตโรงงานอุตสาหกรรม เป็นต้น
- คุณสมบัติของคอนกรีต เช่น อัตราส่วนระหว่างน้ำต่อซีเมนต์ ความหนาของคอนกรีตหุ้มผิวเหล็กเสริม การบ่มคอนกรีตที่อุณหภูมิสูง เป็นต้น
- การเกิดรอบร้าวและรอยแยกของโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็ก
- ความสามารถซึมผ่านได้ของคอนกรีตหุ้มผิวเหล็กเสริมของอนุภาคคลอไรด์ หรือสารเคมีอื่นๆ แล้วทำปฏิกิริยาเคมีกับเหล็กเสริมคอนกรีต
คุณสมบัติของคอนกรีต ที่มีผลต่อการลดอัตราการเกิดสนิมเหล็ก
คอนกรีตเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดที่มีผลกระทบต่อปัญหาการเกิดสนิมของเหล็กเสริม ซึ่งคุณสมบัติและลักษณะบางประการของคอนกรีตดังต่อไปนี้จะมีผลต่อการลดอัตราการเกิดสนิมของเหล็กเสริม
- คอนกรีตกำลังสูง และคอนกรีตที่มีอัตราส่วนระหว่างน้ำต่อซีเมนต์ต่ำ จะช่วยลดความพรุนของคอนกรีต
- คอนกรีตยุบตัวต่ำ (low slump)
- คอนกรีตที่มีความหนาแน่นสูง
- ความทึบน้ำของคอนกรีต
- การเพิ่มระยะหุ้มผิวเหล็ก
สรุป
โครงสร้างอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กโดยทั่วไป เมื่อเหล็กเสริมได้เริ่มเกิดสนิมขึ้นมาแล้ว ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคออกซิเจนและน้ำกับอนุภาคเหล็กแล้วได้เป็นออกไซด์เหล็กหรือสนิมเหล็กก็จะเกิดขึ้นเรื่อยๆ ต่อเนื่องกันไปตลอดอายุของอาคาร ตราบเท่าที่ออกซิเจนและน้ำสามารถซึมเข้าไปสัมผัสเหล็กเสริมได้ แนวความคิดสำหรับการป้องกันการเกิดสนิมในเหล็กเสริมคอนกรีต จะเป็นการหามาตรการเพื่อป้องกันและขยายระยะเวลาเริ่มเกิดสนิมให้มากขึ้น ส่วนในกรณีที่เหล็กเสริมคอนกรีตได้เกิดสนิมขึ้นมาแล้ว การป้องกันเพื่อไม่ให้เกิดปัญหาเกี่ยวกับการวิบัติของอาคาร จะเป็นการหามาตราการเพื่อระงับหรือลดความสามารถซึมผ่านคอนกรีตได้ของออกซิเจนและน้ำ มาตรการแก้ไขปัญหาสำหรับอาคารโดยทั่วไปจะประกอบด้วย
- งานคอนกรีตโครงสร้าง ควรเลือกใช้คอนกรีตที่มีกำลังสูง อัตราส่วนระหว่างน้ำต่อซีเมนต์ต่ำ เพื่อลดความสามารถซึมผ่านได้
- งานเหล็กเสริม จะต้องระมัดระวังและเข้มงวดให้มีระยะคอนกรีตหุ้มผิวอย่างเพียงพอ
- ผิวของคอนกรีตโครงสร้าง โดยเฉพาะส่วนที่อยู่นอกอาคารซึ่งสัมผัสแดด ลมและฝนเป็นประจำ ควรให้มีการทาสีหรือเคลือบผิวอย่างมีประสิทธิภาพ
ที่มา – บทความเรื่องการเกิดสนิมในเหล็กเสริมคอนกรีต โดย ชุมพล จันทรสม มหาวิทยาลัยขอนแก่น
