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