به گزارش ارانیکو و به نقل از پایگاه اطلاع رسانی صما، فولادی که به این منظور در سازه‌های بتن آرمه به کار می‌رود به شکل سیم یا میلگرد است و فولاد میلگرد نامیده میشود. البته در موارد خاصی از فولاد ساختمانی نظیر نیمرخ‌های L شکل، ناودانی و یا قوطی نیز برای مسلح کردن بتن استفاده میشود.
مشخصه‌های محاسباتی مهم میلگرد
مقاومت تسلیم: مقدار تنشی که در آن بدون افزایش بار تغییر طول نمونه فولادی ازدیاد می‌یابد را تنش تسلیم یا مقاومت تسلیم یا مقاومت جاری شدن می‌نامند و آن را با fy نمایش می‌دهند.
مقاومت کششی: از تقسیم حداکثر بار ثبت شده در آزمایش کشش بر سطح مقطع اولیه به دست می‌آید.
طبقه‌بندی فولاد میلگرد
در کشورهای مختلف فولاد میلگرد با استانداردهای متفاوتی تولید می‌شوند و در هر استانداردی طبقه‌بندی مشخصی در ارتباط با خواص مکانیکی فولادها وجود دارد. در ایران قسمت عمده فولادهای میلگرد که توسط کارخانه ذوب‌آهن اصفهان تولید می‌شوند با استاندارد روسی مطابقت دارند. فولادی که در ایران تولید میشود (طبق استاندارد روسی) به سه گروه تقسیم میشود:
- فولاد نوع A-1
- فولاد نوع A-2
- فولاد نوع A-3
فولاد A-1 از نوع صاف بوده و مقاومت تسلیم و مقاومت کششی آن به ترتیب ۲۳۰۰ و۳۸۰۰ کیلوگرم بر سانتیمترمربع است.
فولاد A-2 از نوع آجدار با مقاومت تسلیم ۳ هزار و مقاومت کششی ۵ هزار کیلوگرم بر سانتیمترمربع است.
فولاد A-3 نیز از نوع آجدار با مقاومت تسلیم ۴ هزار و مقاومت کششی ۶ هزار کیلوگرم بر سانتیمترمربع است.
از نظر تنوع قطر میلگردها نیز استانداردهای تولیدکنندگان متفاوت است. در سیستم روسی که در کارخانه‌های ذوب‌آهن اصفهان مورد استفاده است میلگردها تا قطر ۴۰ میلیمتر ساخته می‌شوند.
تکنولوژی QST
تکنولوژی آبدهی و خود تمپرینگ (QST) به‌صورت یک عملیات درون خطی در واحدهای نورد به کار گرفته میشود که در دهه‌های 70 و 80 میلادی در نتیجه تقاضای مهندسین عمران برای میلگردهای فولادی آجدار مورد استفاده به عنوان آرماتور بتون ابداع شد. با استفاده از این روش میلگردهای ساختمانی به استحکام تسلیم حداقل 500 نیوتن بر مترمربع می‌رسند. توسعه موفقیت‌آمیز روش QST در تولید میلگردهای ساختمانی مزایای زیر را برای مهندسین عمران به همراه آورد:
- کاهش حجم فولاد
- کاهش هزینه‌های نیروی انسانی
- کاهش مصرف انرژی برای حمل و نقل و دیگر مزایا
همچنین این تکنولوژی به نوبه خود این امکان را برای مهندسین عمران فراهم آورد تا طراحی‌های خود را با هزینه‌های کمتر به اجرا درآورند.
میلگردهای آجدار با نقطه تسلیم حداقل حدود 500 نیوتن بر متر مربع محدودیت بیشتری برای آرماتورهایی که پیش تنیده نشده باشند دارند. با افزایش در میزان غلظت کربن و منگنز، این امکان در فولاد به‌وجود می‌آید تا میزان نقطه تسلیم آن افزایش یابد، اما چنین افزایشی در میزان کربن می‌تواند موجب پیدایش عیوبی از قبیل کاهش قابلیت جوش‌پذیری شود که همین امر باعث میشود تا میلگرد برای استفاده به عنوان آرماتور مناسب نباشد.
بتون آرماتور یکی از پرمصرف‌ترین سیستم‌های سازه‌ای در جهان است و در سال‌های اخیر در کشورهای مختلف شاهد بودیم که این سازه‌ها در سکوهای محسوس (phenomenal) که روی آنها پروژه‌های زیربنایی اجرا میشود، مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ایمنی و قابلیت اطمینان این سازه‌ها مهمترین مشخصه‌های آنها بوده و این جنبه از کاربرد میلگردهای آجدار مطمئن یکی از پیش‌نیازهای حیاتی است که در هر تکنولوژی که مورد استفاده قرار می‌گیرد باید نیازهای خاص آن را برآورده کند.
فرآیند QST و تکنولوژی THERMEX®
هدف
در ابتدا ذکر این نکته اهمیت دارد که تکنولوژی THERMEX® برای تولید میلگردهای ساختمانی مستحکم است که دستیابی به نقطه تسلیم 500 نیوتن بر متر مربع را تضمین کند. تمامی سیستم‌های Thermex® ارائه شده برای این هدف طراحی شده‌اند، مگر این که نیاز مشتری چیز دیگری باشد. این سیستم تقریبا در اکثر کشورها به همین صورت است. این سیستم مزایای بسیار درخشانی را برای طراحان و مهندسین عمران به همراه دارد.
کارخانه‌های نورد زمانی که به مرحله تولید می‌رسند اقدام به دریافت لیسانس فرآیند Thermex® می‌کنند و سپس محصولات آنها تحت آزمایش قرار می‌گیرد تا مشخص شود که آیا میلگردهای تولیدی بدون هیچ‌گونه مشکلی به درجه استحکام تسلیم 500 رسیده‌اند یا خیر. موضوع دیگری که می‌توان بدان اشاره کرد این است که در بسیاری از کشورها تمایل به استفاده از میلگردهای ساختمانی QST به جای میلگردهای گرید CTD Fe 415 افزایش یافته است و از این رو صنایع مرتبط با مهندسی عمران در این کشورها قادر نیستند تا به‌طور کامل پاسخگوی این مزیت تکنولوژیکی باشند.
اساسا خواص مطلوب در یک میلگرد تحت فرآیند حرارتی قرار گرفته را می‌توان به صورت زیر برشمرد:
- استحکام تسلیم حداقل 500 نیوتن بر مترمربع یا بیشتر
- نسبت تنش(TS/YS) 12/1 (به‌طور کلی 15/1 تا 3/1)
- حداقل درصد ازدیاد طول 16 (به‌طور کلی 18 تا 25)
- قابلیت جوشکاری متناسب با نیازهای صنعتی
فرآیند
سیستم QST به مدد فرآیند THERMEX® امکان استفاده از انرژی حرارتی میلگرد نورد شده بعد از مقام (stand) نهایی واحد نورد را فراهم می‌آورد. به طور معمول، این انرژی کاملا از یک میلگرد در حال نورد در دمای 950 تا 1050 درجه سانتیگراد خارج میشود و موجب خنک کردن دمای پیرامون در بستر خنک‌کننده میشود.
فرآیند THERMEX® QST تکنولوژی بسیار دقیق و پیچیده‌ای است که طی چندین سال آزمایش و تجربه ابداع شده است.
سیستم Thermex® بین آخرین مقام و بستر خنک‌کننده نصب میشود (شکل شماره یک).
کوئنچ کردن (Quenching) عبارت است از سرد کردن سریع فولاد از دمای سختکاری (آستنیته شدن) تا دمای محیط یا دمای خاص دیگری، کوئنچ کردن را می‌توان به روش‌های مختلفی انجام داد، مثلا فرو بردن فولاد گرم شده در روغن، آب، آب‌نمک (Brine) هوای آرام و حمام نمک (Salt bath) این بستگی به نوع فولاد دارد.
در فرآیند سختکاری فولاد، باید بلافاصله پس از تکمیل سیکل کوئنچ، عملیات تمپرینگ آغاز شود تا تنش‌هایی که در قطعه کار به وجود آمده و ممکن است باعث ایجاد ترک شوند، آزاد گردند.
تمپرینگ همچنین برای تنظیم سطح سختی مورد نیاز در فولاد لازم است.
در مورد فولادهای سخت شونده در هوا، تمپرینگ باعث میشود آستنیت باقی مانده در فولاد نیز به مارتنزیت تبدیل شود. برای حصول بهترین نتایج از تمپرینگ، نباید هیچ‌وقت زمان سیکل را کوتاه کنید.
عملیات آنیلینگ به‌منظور کاهش سختی، حذف تنش‌های داخلی و تصحیح میکروساختار انجام میشود. برای انجام عملیات آنیلینگ، ابتدا باید قطعات فولادی را 30 تا 50 درجه سانتیگراد بالای دمای AC3، گرم کرده و به مدت کافی در این دما نگهداری شوند. سپس، قطعات باید به آهستگی و با سرعتی در حدود 02/0 درجه سانتیگراد در ثانیه، سرد شوند.
معمولا عملیات سرد کردن قطعات یاد شده، در کوره صورت گرفته و بسیار زمان‌بر است. میلگرد زمانی که آخرین مقام (stand) را ترک می‌کند به سمت لوله‌های Thermex® که به طور ویژه و برای این فرآیند اختصاص یافته‌اند هدایت می‌شوند که در آن دمای سطح در حدود 950 تا 1050 درجه سانتیگراد بوده و به واسطه خنک‌گردانی شدید و یکنواخت در یک دوره زمانی نسبتا کوتاه (تقریبا یک ثانیه) دمایش بشدت کاهش می‌یابد. این در حالی است که دمای مرکز میلگرد کماکان بدون تاثیر باقی مانده است.
سرد شدن شدید و از پیش تعیین شده محیط پیرامون میلگرد موجب تغییر ساختار خارجی آن به یک ساختار مارتنزیتی میشود و از این رو برای این که بتواند مورد استفاده قرار گیرد نیازمند عملیات آنیلینگ است. این آنیلینگ به واسطه حرارت موجود در هسته میلگرد حاصل میشود. اختلاف دمای بین هسته و جداره خارجی نهایتا در دمای حدود 600 درجه سانتیگراد متعادل میشود و ساختار میلگرد حاصله در پیرامون جداره خارجی، تمپر مارتنزیتی و در هسته میلگرد پرلیتی فریتی دانه‌ریز میشود.
به‌طور کلی، هسته نرم میلگرد نهایی تقریبا 65 تا 75 درصد (با توجه به حداقل استحکام تسلیم مورد نیاز) از حجم آن را تشکیل می‌دهد و حجم باقیمانده نیز ساختار سخت دارد. از خصوصیات این محصول می‌توان به نقطه تسلیم بالا، سختی سطحی بالا، چقرمگی و چکش‌خواری بالا و جوش‌پذیری مناسب اشاره کرد.
زمانی که میلگرد در حال نورد با یک سرعت نرمال در سیستم Thermex به دمای حدود 950 تا یک‌هزار درجه سانتیگراد می‌رسد جداره خارجی آن بشدت در معرض خنک شدن قرار می‌گیرد، در حالی که هسته در یک مدت زمان بسیار کوتاه هنوز تحت تاثیر فرآیند کوئنچ قرار نگرفته است. بخش جداره خارجی میلگرد که استحاله مارتنزیت در آن رخ داده است، به محض این که میلگرد از سیستم Thermex خارج میشود، بتدریج از سمت هسته گرم حرارت دریافت می‌کند.
در حقیقت واژه THERMEX نیز از تبادل حرارت (Thermal Exchange) مشتق میشود و این تبادل گرما کلید فرآیند است. باید به این نکته توجه کرد که تعادل دما بدین صورت است که ما یک میلگرد با ساختار خارجی تمپر مارتنزیتی و هسته پرلیتی فریتی به دست می‌آوریم.
نتایج
ریز ساختار
شکل شماره 3 نشان‌دهنده ساختار متالورژیکی یک میلگرد تحت فرآیند حرارتی قرار گرفته با جداره تمپر مارتنزیتی و هسته فریتی پرلیتی است. همچنین ریزساختار یک میلگرد که تحت این عملیات قرار نگرفته را نیز مشاهده می‌‌کنید. تفاوت در اندازه دانه‌ها کاملا مشهود است.
سختی
انجام آزمایش سختی صورت پذیرفته روی میلگرد تحت فرآیند Thermex به خوبی نشان داد که میزان سختی از جداره به سمت مرکز کاهش یافته، به‌طوری که سختی در جداره به بیش از 260 ویکرز می‌رسد اما در مرکز سختی کمتر از 160 ویکرز است.