การลดค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซมโครงสร้างคอนกรีต ด้วยการตรวดวัดค่าการกัดกร่อน

สาเหตุของการกัดกร่อน

การกัดกร่อน (Corrosion) คือ การเสื่อมสภาพของโลหะที่ทำให้คณสมบัติของโลหะเปลี่ยนไปในทางที่ด้อยลงโดยจะทำให้เกิดการสูญเสียเนื้อโลหะอันเกิดจากปฏิกิริยาไฟฟ้าทางเคมี ซึ่งปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีนี้จะมีการแลกเปลี่ยนอิเลคตรอนระหว่่างกัน ประกอบด้วย Oxidation reaction และ Reduction recation ซึ่งมักเริ่มเกิดจากบริเวณผิวนอกของโลหะและเปลี่ยนไปเป็นสารประกอบของโลหะหรือที่เรียกว่า สนิม ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของการกัดกร่อน เป็นเหตุให้โลหะเกิดความเสียหาย


ในแต่ละปีโลกสูญเสียค่าใช้จ่ายเรื่องปัญหาการกัดกร่อนมากมาย ทั้งที่เป็นการซ่อมแซม บำรุงรักษา หรือ การรื้อใหม่ทดแทนส่วนที่ชำรุดเสียหายจนไม่อาจใช้การได้อีกต่อไป บางครั้งก็เป็นค่าใช้จ่ายที่มากเกินควร เช่น การออกแบบเผื่อโดยใช้โลหะหนาเกินความจำเป็น นอกจากนั้นยังมีค่าใช้จ่ายของการค้นคว้าวิจัย เพื่อพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ได้พัฒนาให้ความต้านทานการกัดกร่อนสูงและสามารถใช้ได้แม้ในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อน

การกัดกร่อนเกิดจาก ปฏิกิริยาออกซิเดชันของโลหะซึ่่งเป็นปฏิกิริยาการให้อิเล็กตรอนโดยอะตอมโลหะจะเปลี่ยนเป็นอิออนโลหะประจุบวกและเรียกโลหะที่ทำหน้าที่ให้อิเล็กตรอนว่า ขั้วแอโนด (Anode) ซึ่งเป็นขั้วลบและเกิดปฏิกริริยารีดักชั่น (Reduction reaction) ของโลหะซึ่งเป็นปฏิกิริยาการรับอิเล็กตรอนและเรียกสิ่งแวดล้อมที่รับอิเล็กตรอนว่า ขั้วคาโธด (Cathode) ซึ่งเป็นขั้วบวก นอกจากนั้นจะเรียกความชื้นหรือสารละลายที่ผิวโลหะว่า อิเลคโตรไลท์ (Electrolyte) ซึ่งมีหน้าที่ช่วยให้อิออนเดินทางจนครบเซลไฟฟ้าเคมี ดังนั้นเมื่อมีการให้และรับอิเล็กตรอนจนครบเซลไฟฟ้าเคมี จะเรียกว่า เซลการกัดกร่อน (corrosion cell)

ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการกัดกร่อน

1 ออกซิเจน
2 อุณหภูมิ การกัดกร่อนจะเร่งปฏิกิริยาเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น
3 สารเคมีจำพวกเกลือ (chemical salts) สารละลายอิเลคโตรไลท์จะช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดได้ง่ายขึ้น
4 ความชื้น การกัดกร่อนจะเกิดขึ้นเมื่อมีความชื้นสัมพัทธ์เกิน 60%
5 มลพิษและกรดแก๊สจากสิ่งแวดล้อม สารเคมีอื่นๆ จะช่วยเร่งปฏิกิริยา

ชนิดของการกัดกร่อน

การกัดกร่อนสามารถจำแนกออกเป็นหมวดหมู่ได้หลายลักษณะโดยใช้เกณฑ์ต่างๆกัน เช่น จำแนกตามกลไกของการกัดกร่อน จำแนกตามลักษณะทางกายภาพของการกัดกร่อน และจำแนกตามตัวแปรที่มีอิทธิพลต่อการกัดกร่อน

การเกิดสนิมของเหล็กเสริมในคอนกรีต

การเกิดสนิมในเหล็กเสริมเป็นปัญหาสำคัญต่อความคงทนและอายุการใช้งาน ของโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กในประเทศไทย โดยเฉพาะโครงสร้างที่อยู่ในสภาพแวดล้อมชายฝั่งทะเลรวมไปถึงโครงสร้างที่อยู่ในพื้นที่น้ำกร่อยด้วย เนื่องจากผิวคอนกรีตต้องสัมผัสกับน้ำทะเลหรืออยู่ในสภาวะแวดล้อมที่มีไอเกลือและความชื้นตลอดเวลา

สภาพแวดล้อมและสาเหตุที่มีผลกระทบต่อเหล็กเสริม

คาร์บอเนชั่น (carbonation) เป็นการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างคาร์บอนไดออกไซด์กับแคลเซียมไฮดรอกไซด์ในเนื้อคอนกรีต มีค่าความเป็นด่างต่ำลง ทำลายฟีลม์ออกไซด์ (protective passivity layer) ที่ป้องกันรอบเหล็กเสริม

สารปนเปื้อนที่ก่อให้เกิดสนิม เช่น คอร์ไรด์ โครงสร้างคอนกรีตส่วนที่เผขิญสภาพแวดล้อมของทะเลที่นับว่ารุนแรงในแง่ของการเกิดสนิม คือส่วนซึ่งมีการเปียกสลับแห้งเป็นวัฏจักร โดยเฉพาะถ้ามีช่วงที่แห้งยาวนานกว่าช่วงเปียก การเกิดสนิมก็จะยิ่งรุนแรงมากขึ้น ซึ่งทำให้สามารถจัดระดับส่วนของโครงสร้างคอนกรีตเรียงกันลงไปตามลำดับที่ต้องเผชิญความรุนแรจากทะเลได้ดังนี้

โครงสร้างส่วนที่อยู่เหนือผิวน้ำที่สัมผัสกับคลื่นและละอองน้ำทะเล (splash zone)
ส่วนที่อยู่เหนือผิวน้ำที่อยู่ในบรรยากาศทะเล (marine atmospheric zone)
ส่วนที่อยู่ระหว่างระดับน้ำขึ้นสูงสุดและระดับน้ำลงต่ำสุด (Tidal zone)

เครื่องมือทดสอบคลอไรด์ในคอนกรีต

การตรวดสอบคาร์บอเนชั่่นในคอนกรีต

การซึมผ่านของคลอไรด์เข้าสู่คอนกรีต

การซึมผ่านของคลอไรด์อิออนจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อ มีน้ำอยู่ในระบบโพรงที่อยู่นิ่ง ในคอนกรีตที่ค่อนข้างแห้ง น้ำจะเป็นตัวพาคลอไรด์อิออนเข้าไปในคอนกรีต และเมื่อคอนกรีตอิ่มตัวด้วยน้ำ น้ำจะเป็นตัวกลางให้คลอไรด์อิออนผ่านเข้าไปในคอนกรีต สำหรับคอนกรีตที่อยู่ในสภาพเปียกสลับแห้งจะเกิดกลไกทั้งสองกรณี ซึ่งอัตราการซึมผ่านของคลอไรด์อิออนจึงมีค่าเพิ่มขึ้น

การซึมผ่านของคลอไรด์อิออน ขึ้นกับคุณสมบัติของคอนกรีตในหลายๆด้าน เป็นต้นว่า ด้านความพรุนของเนื้อคอนกรีตเอง, ชนิดของปูนซีเมนต์, สภาพของการบ่ม, สภาพของอุณหภูมิทั้งในขณะผสม-เท-บ่ม, ความเข้มข้นของเกลือคลอไรด์โดยรอบ เป็นต้น ซึ่งหากคลอไรด์อิออนมีปริมาณที่เพียงพอแล้ว จะทำให้เหล็กเสริมในคอนกรีตเกิดสนิมได้

ปฏิกิริยาเคมีของการกัดกร่อนด้วยคลอไรด์

โดยปกติแล้วเหล็กเสริมในคอนกรีตจะมีชั้นของฟิลม์ออกไซด์ (Protective Passivity Layer) บางๆ เคลือบอยู่ที่ผิวของเหล็กเสริม เรียกว่า ฟีลม์ออกไซด์ของเหล็ก แต่เมื่อใดก็ตามหากคลอไรด์อิออนสามารถซึมผ่านเข้าไปในคอนกรีตจนถึงผิวของเหล็กเสริมได้ ชั้นของฟิล์มออกไซด์ดังกล่าวจะถูกทำลาย จนกระทั้งเมื่อใดที่ชั้นฟิล์มดังกล่าวมีค่าต่ำกว่าระดับวิกฤติ (Critical level) เหล็กเสริมในบรเวณนั้นก็จะเกิดสนิมได้ซึ่งเราเรียกว่า Depassivation และในขณะเดียวกันหากบริเวณดังกล่าวมีออกซิเจนและความชื้นในปริมาณทีพอเหมาะ กระบวนการทางไฟฟ้าเคมีก็จะเกิดขึ้น

ปริมาณคลอไรด์ทั้งหมดในเนื้อของคอนกรีตดังกล่าวนั้น เป็นผลรวมของคลอไรด์สองประเภท คือ

1. Bound chloride คือ คลอไรด์ส่วนที่ถูกจับยึดอยู่ในผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาไฮเดรชั่น และ ที่เกิดปฏิกิริยาเปลี่ยนไปในรูปของ Calcium Chloro-Aluminate Hydrate หรือถูกดูดซับด้วยผิวของ gel pores ซึ่งคลอไรด์ในส่วนนีจะไม่มีผลต่อกระบวนการเกิดสนิม

2. Free chloride คือ คลอไรด์ที่ละลายอยู่ในน้ำในโพรงของคอนกรีต (pore solution) คลอไรด์ในส่วนนี้สามารถที่จะแพร่เข้าไปยังคอนกรีต ที่มีความเข้มข้นของคลอไรด์ที่ต่ำกว่า และเป็นส่วนที่ทำให้ความเป็นด่างของคอนกรีตลดลง ดังนั้นหากเราสามารถจับยึดคลอไรด์ในส่วนนี้ไว้ได้เป็นจำนวนมาก ก็จะสามารถช่วยยืดระยะเวลาของการเกิดสนิมในเหล็กเสริมออกไปได้


การตรวดวัดค่าการกัดกร่อนของเหล็กเสริมในคอนกรีต

1. Half-cell potential method
2. Linear Polarisation method
3. Galvanostatic Pulse method.

การตรวดวัดความชื้นในคอนกรีต

การวัดค่าการต้านทานของกระแสไฟฟ้าด้วยวิธีการ half cell potential เพื่อประเมินอัตราการกัดกร่อนของสนิมที่เกิดขึ้นในเหล็กเสริมคอนกรีต

การตรวดสอบโครงสร้างคอนกรีต

การทำการตรวดสอบโครงสร้างคอนกรีตอย่างต่อเนื่องจะช่วยลดค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซม ยืดอายุการใช้งาน และ ช่วยลดค่าใช้จ่ายต้นทุนในการผลิตสินค้า หากโครงสร้างคอนกรีตนั้นมีส่วนในขบวนการผลิต

วัตถุประสงค์หลัก คือ ตรวจสอบสภาพโดยทั่วไปของโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็ก การทดสอบเพื่อตรวจสอบคุณสมบัติทางกล (Mechanical Properties), คุณสมบัติทางเคมี (Chemical Make-up), การประเมินผลการทดสอบเพื่อวิเคราะห์หาสาเหตุของการเสื่อมสภาพและประเมิณคุณภาพของโครงสร้างคอนกรีต จัดทำรายงานการตรวจสอบสภาพโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กเพื่อเสนอแนะวิธีการซ่อมแซมและป้องกันคอนกรีต

1. การสำรวจสภาพความเสียหายทั่วไปด้วยการตรวจพินิจ (Visual Inspection) พร้อมทั้งบันทึกรูปแบบความเสียหาย วัดขนาดและความยาวของรอยแตกร้าวที่เกิดขึ้น รวมทั้งภาพถ่ายจากการสำรวจและภาพสเก็ตความเสียหาย (Crack Mapping) เพื่อระบุตำแหน่งที่เกิดความเสียหายบนโครงสร้าง โดยยึดรูปแบบและการปฏิบัติตามมาตรฐาน ACI 201.1R-92 : Guide for Making a Condition Survey of Concrete in Service

2. การทดสอบคุณสมบัติทางกล (Mechanical Properties) โดยใช้วิธีการทดสอบแบบไม่ทำลาย (Non-destructive Test) แบ่งการทดสอบเป็น ดังนี้

                                    - ทดสอบกำลังรับแรงอัดของคอนกรีตแบบทำในที่ โดยการวัดค่าสะท้อนกลับของคอนกรีตตามมาตรฐานการทดสอบ ASTM C805-97 : Rebound Number of Hardened Concrete

                                    - ทดสอบความต่อเนื่องและสม่ำเสมอของคอนกรีต โดยการทดสอบความเร็วคลื่น Ultrasonic ที่ส่งผ่านคอนกรีตตามมาตรฐานการทดสอบ ASTM C597-97 : Pulse Velocity Through Concrete

3. การทดสอบคุณสมบัติทางเคมี (Chemical Make-up)

                                    - การตรวจสอบการผุกร่อน (Corrosion) ที่เกิดขึ้นในเหล็กเสริม อันเนื่องมาจากความต่างศักดิ์ที่เกิดขึ้นระหว่าง Anodic และ Cathodic ในเหล็กเสริมตามมาตรฐานการทดสอบ ASTM C876-87 : Half Cell Potential of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete

                                    - การทดสอบการเกิดปฏิกิริยาคาร์บอเนชั่น โดยวิธีการสุ่มเจาะเพื่อเก็บชิ้นตัวอย่าง (Drilled Core Test) จากโครงสร้างจริงนำไปทดสอบการเกิดปฏิกิริยาคาร์บอเนชั่นตามมาตรฐานการทดสอบ ASTM C856 :  Carbonation Depth

                                    - การทดสอบหาปริมาณคลอไรด์ โดยการเก็บตัวอย่างผงคอนกรีตจากโครงสร้างจริงโดยการเจาะคอนกรีตด้วยสว่านหรือทำการ Coring ก้อนตัวอย่างแล้วนำมาบดให้เป็นผงตามมาตรฐานการทดสอบ ASTM C114 , AASHTO T260 : Chloride Test

การทดสอบกำลังรับแรงอัดของคอนกรีตแบบทำในที่ (Rebound Number of Hardened Concrete)

          การทดสอบกำลังรับแรงอัดในที่ เป็นการวัดความแข็งแรงของคอนกรีตที่ผิว โดยความแข็งแรงที่ผิวของคอนกรีตมีความสัมพันธ์กับกำลังอัดของคอนกรีต วิธี Rebound (Schmidt hammer) ใช้ตัวกระแทกสปริงสร้างแรงกระแทกที่ผิวคอนกรีต ทำให้เกิดการสะท้อนกลับ ค่าการสะท้อนกลับจะถูกนำไปเปรียบเทียบกับค่าการยืดตัวของสปริง จะ

ได้ค่า Rebound number และแปรผลเป็นค่ากำลังอัดคอนกรีต  เป็นการทดสอบแบบไม่ทำลาย (Non-destructive Test)

            การทดสอบกำลังรับแรงอัดของคอนกรีตแบบทำในที่นั้น ใช้เครื่องมือ Schmidt hammer Type N ตามมาตรฐาน  ASTM C805 อายุของคอนกรีตและระยะการเกิดปฏิกิริยาคาร์บอเนชั่นจากพื้นผิวเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลให้ค่าการสะท้อนกลับที่วัดได้สูงเกินกว่าความเป็นจริง เพื่อให้ค่าที่อ่านได้มีความถูกต้องจำควรนำพื้นผิวส่วนหน้าและพื้นผิวที่เกิดปฏิกิริยาคาร์บอเนชั่นบนโครงสร้างออกด้วยเครื่องขัดแต่งผิวหน้าคอนกรีตแล้วจึงทำการวัด

การทดสอบความต่อเนื่องและสม่ำเสมอของคอนกรีตโดยใช้คลื่นอุลตร้าโซนิค (Ultrasonic Pulse Velocity Test)

          การทดสอบความต่อเนื่องและสม่ำเสมอของคอนกรีตโดยใช้คลื่นอุลตร้าโซนิค ด้วยวิธี Pulse velocity เป็นการใช้หลักการเดินทางของคลื่น ultrasonic ระหว่างอุปกรณ์ตัวส่งและตัวรับผ่านวัสดุ โดยใช้เครื่องมือ Pundit (Portable Ultrasonic Non Destructive Integrity Test) ตามมาตรฐาน ASTM C597เครื่องจะทำการแปลงสัญญาณที่ได้รับออกมาเป็นเวลาในการเดินทางผ่านเนื้อคอนกรีต หากทราบระยะทางก็สามารถคำนวณหาความเร็วของคลื่นได้ โดยปกติคอนกรีตที่มีความหนาแน่นและแข็งแรง (กำลังอัดสูง)มากเท่าใด ความเร็วจะยิ่งมาก

          วิธี Pulse velocity เป็นวิธีที่รวดเร็วสำหรับการตรวจสอบความสม่ำเสมอของเนื้อคอนกรีต เป็นการทดสอบแบบไม่ทำลายและใช้ได้ดีกับการตรวจสอบคุณภาพในปริมาณมาก นอกจากนี้ยังสามารถตรวจสอบรอยแตกที่ซ่อมแซมแล้ว โดยเปรียบเทียบค่าที่อ่านได้บริเวณที่มีการซ่อมแซม กับค่าที่อ่านได้บริเวณที่ไม่มีการซ่อมแซม หากรอยแตกได้รับการซ่อมแซมที่ดีค่าความเร็วที่อ่านได้จะมีค่าใกล้เคียงกัน

การทดสอบการผุกร่อนที่เกิดขึ้นในเหล็กเสริม (Half Cell Potential Test)

          การผุกร่อนในเหล็กเสริม (Corrosion) นับได้ว่าเป็นปัญหาสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้เกิดความเสียหายและลดอายุการใช้งานของคอนกรีตลง เป็นการเสื่อมสภาพเนื่องจากปฏิกิริยาไฟฟ้า-เคมีของเหล็กเสริม โดยปกติแล้วเหล็กเสริมที่อยู่ในคอนกรีตจะถูกปกป้องไม่ให้เกิดการผุกร่อนด้วยฟีล์มออกไซด์บางๆ (Passive film) ซึ่งจะคงสภาพได้ดีภายใต้สภาวะความเป็นด่างสูงของคอนกรีต (pH > 12) เมื่อ Passive film ของเหล็กเสริมถูกทำลายลงจากคาร์บอเนชันหรือคลอไรด์ ในสภาวะที่ความเป็นด่างลดลงหรือกลายเป็นกรดจะเกิดเซลล์ไฟฟ้า-เคมีขึ้น เมื่อเหล็กที่ผุกร่อนจะเกิดความต่างศักย์ขึ้นระหว่าง Anodicและ Cathodic ในเหล็กเสริม

            การผุกร่อนในเหล็กเสริมสามารถวัดโดย coppercopper sulfate half cellการทดสอบการเกิดการผุกร่อนของเหล็กเสริมด้วยวิธี Half cell potential ซึ่งดำเนินตามขั้นตอนตามมาตรฐาน ASTM C876 : Half cell potentials of reinforcing steel in concreteและอ่านค่าความต่างศักย์บริเวณที่ทำการทดสอบในลักษณะของตาราง เพื่อทำเป็นแผนที่ของความต่างศักย์ การวัดค่าความต่างศักย์ Half cell สามารถแปลผลได้ ดังนี้

                         • ค่าลบต่ำกว่า -0.20 Volt = 90% ไม่มีการผุกร่อน

                        • ค่า -0.20 ถึง -0.35 Volt = อาจมีการผุกร่อน

                        • ค่าลบต่ำกว่า -0.35 Volt = มากกว่า 90% มีการผุกร่อน

                        • ค่าเป็นบวก การทดสอบใช้การไม่ได้เนื่องจากคอนกรีตมีความชื้นไม่เพียงพอ

            การทดสอบการเกิดปฏิกิริยาคาร์บอเนชั่น (Carbonation Depth Test)

            โดยทั่วไปคอนกรีตที่มีคุณภาพจะช่วยป้องกันมิให้เหล็กเสริมเกิดการกัดกร่อนได้ โดยความเป็นด่างของคอนกรีตจะช่วยสร้างฟิล์มออกไซด์บางๆมาห่อหุ้มผิวเหล็กเสริม เรียกว่า Passive film อย่างไรก็ตามจะเกิดปฏิกิริยาคาร์บอเนชั่น (Carbonation) ขึ้นกับคอนกรีต ซึ่งเป็นกระบวนการที่คอนกรีตทำปฏิกิริยากับคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศและซัลเฟอร์ไดออกไซด์ โดยกระบวนการนี้จะไปลดความเป็นด่างที่ผิวคอนกรีตและลึกเข้าไปเรื่อยๆ

            การทดสอบการเกิดปฏิกิริยาคาร์บอเนชั่นตามมาตรฐานการทดสอบ ASTM C856จะทำการทดสอบกับพื้นผิวหน้าตัดคอนกรีต ซึ่งสามารถทำได้โดยเจาะแท่งตัวอย่างคอนกรีต(coring) แล้วผ่าตัวอย่างแท่งคอนกรีตออกเป็น 2 ส่วนจากนั้นพ่นสเปรย์ด้วยสาร Phenopthalein ซึ่งจะเปลี่ยนเป็นสีชมพูเข้ม เมื่อค่า pH มากกว่า 9.2 แต่จะไม่มีสีหากค่า pH น้อยกว่า 9.2 (มีการเกิดปฏิกิริยาคาร์บอเนชัน)

การทดสอบหาปริมาณคลอไรด์ของคอนกรีต (Chloride Test)

             การทดสอบหาปริมาณคลอไรด์ตามมาตรฐานการทดสอบ ASTM C114เป็นการทดสอบที่สามารถทำได้โดยการเก็บตัวอย่างผงคอนกรีตจากโครงสร้างจริง โดยการเจาะคอนกรีตด้วยสว่านหรือทำการ coringแล้วนำมาบดให้เป็นผง ซึ่งปริมาณคลอไรด์ที่แทรกซึมในคอนกรีตจะเข้มข้นมากที่ผิวของคอนกรีตและจะลดลงเมื่อความลึกเพิ่มขึ้น