ระบบ การป้องกันสนิม ให้กับสะพานโครงสร้างเหล็ก
ข้อมูลเกี่ยวกับ ระบบการป้องกันสนิม ที่ได้รับมานี้ เป็นข้อมูลจากผู้บรรยายในงานสัมมนาวิชาการประจำปีของสถาบันเหล็กก่อสร้างอเมริกา หรือ American Institute of Steel Construction (AISC) ในเดือนเมษายน 2564 ที่ผ่านมา
โดยเป็นข้อมูลจากนักวิชาการและวิศวกรวิชาชีพที่เกี่ยวข้องกับงานก่อสร้างสะพานโครงสร้างเหล็ก ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีความเสี่ยงต่อความเสียหายหรือการเสื่อมสภาพจากการกัดกร่อนเนื่องจากต้องเผชิญกับความรุนแรงจากสภาพแวดล้อมในชั้นบรรยากาศโดยตรง
วิทยากรท่านแรก Mr. Jeff Carlson ผู้อำนวยการด้านการพัฒนาตลาด สมาพันธ์สะพานโครงสร้างเหล็กแห่งชาติ หรือ NSBA ได้นำเสนอผ่านงานสัมมนาในหัวข้อ Introduction to Modern Corrosion Protection Systems ว่าในทางปฏิบัติ “หากสามารถเลือกดำเนินการทำ” ระบบการป้องกันสนิม ให้กับสะพานโครงสร้างเหล็กได้ ควรเลือกจาก
1. การเลือกใช้เหล็กต้านทานการกัดกร่อน ที่ไม่ต้องทาสีเคลือบป้องกันสนิม หรือ uncoated weathering steel (UWS)
2. การทาสีเคลือบป้องกันสนิม หรือ liquid applied coating
3. การพ่นเคลือบด้วยสีสเปรย์ร้อน หรือ thermal spray coating เรียกสั้นๆ ว่า metalizing
4. การชุบสังกะสีร้อน หรือ hot dip galvanizing (HDG)
5. การใช้เหล็กเกรด A709 50CR ซึ่งแต่เดิมเรียกว่า A1010
เหล็กต้านทานการกัดกร่อน (Weathering Steel)
เหล็กต้านทานการกัดกร่อน (Weathering Steel) สำหรับงานก่อสร้างสะพาน ตามมาตรฐาน ASTM ระบุรหัสมาตรฐาน A709 มีหลายชั้นคุณภาพตามความสามารถในการรับแรงดึง และคุณสมบัติเชิงกลอื่นๆ เช่น ASTM A709 grade 50 หมายถึงเหล็กปกติที่มีกำลังรับแรงดึงที่จุดคราก (Fy) 50 ksi (หรือ 350 MPa โดยประมาณ)
ASTM A709 grade 50W เป็นเหล็ก W = Weathering หรือเหล็กต้านทานการกัดกร่อน Fy 50 ksi และ ASTM A709 HPS 50W เป็นเหล็กต้านทานการกัดกร่อน Fy 50 ksi ที่มีสมรรถนะสูง ที่เรียกว่า High Performance Steel ซึ่งมีความต้านทานการกระแทกทึ่อุณหภูมิต่ำ (impact property) ได้ดี เหมาะกับงานสะพานโครงสร้างเหล็กที่ต้องรับการกระแทกจากยานพาหนะในเขตพื้นที่ที่มีอากาศหนาวเย็นได้ดี เป็นต้น
เหล็กต้านทานการกัดกร่อนนี้ จะมีกลไกในการสร้าง “ผิวสนิมที่มีความเสถียร (stabilized rust layer)” ที่เรียกในกลุ่มนักโลหะวิทยาว่า patina มีสีน้ำตาลที่จะค่อยๆ เพิ่มความเข้มไปตามเวลา ยิ่งนานมากขึ้นสียิ่งเข้มมากขึ้นจนอาจเปลี่ยนเป็นสี dark chocolate ทำหน้าที่เสมือนสีที่ทาเคลือบป้องกันสนิม
ข้อเสียอีกประการของการใช้เหล็ก UWS คือ การเปื้อนคราบสนิม (stain) คือแม้ว่า patina จะมีความแข็งแรง มีความเสถียร แต่ก็สามารถละลายได้ด้วยน้ำ เมื่อเกิดเหตุ “ฝนสาด” หรือ “น้ำไหลซึม” ผ่าน UWS ก็อาจทำให้น้ำไปละลาย patina แล้วไปทำให้โครงสร้างส่วนล่างเกิดคราบสนิม วิธีในการป้องกันเหตุดังกล่าวคือ การทาเคลือบ UWS ด้วยสารเคมีพิเศษ หรือทำการ “ห่อ (wrap)” คอนกรีตในระหว่างการก่อสร้าง และ “เคลือบ (seal)” ภายหลังจากงานก่อสร้างเสร็จสิ้น
แม้ว่าเหล็กประเภทนี้จะมีราคาที่สูงกว่าเหล็กเกรดปกติทั่วไป (ราว 5 – 15%) แต่อายุการใช้งานของ UWS ได้พิสูจน์ให้เห็นเป็นข้อเท็จจริงเชิงประจักษ์กับงานก่อสร้างหลายแห่งว่า มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน (เป็นร้อยปี ตามหลักฐานทางประวัติศาสตร์) จึงเรียกได้ว่ามีความคุ้มค่าที่สูงมากกว่าการใช้ระบบป้องกันสนิมประเภทอื่น แต่ UWS ก็มีข้อจำกัดในเรื่องสถานที่ที่ควรต้องอยู่ห่างจากบริเวณที่ต้องสัมผัสไอเกลือจากทะเล
การทาสีเคลือบป้องกันสนิม
สำหรับวิธีการที่ 2 ที่เป็น การทาสีเคลือบป้องกันสนิม หรือ liquid applied coating นั้น แนวปฏิบัติในประเทศสหรัฐอเมริกา แทบไม่แตกต่างจากแนวปฏิบัติตาม Heavy Duty Coating สำหรับงานสะพานโครงสร้างเหล็กในประเทศญี่ปุ่นเลย
กล่าวคือ ระบบการป้องกันสนิม แบบนี้ จะมีการเคลือบป้องกันเป็นชั้นๆ ชั้นที่อยู่ติดกับเหล็ก เรียกว่าชั้น substrate จะเป็นชั้นที่ทาเคลือบด้วยสีที่มีองค์ประกอบของสังกะสี ที่เรียกว่า zinc rich paint มีทั้งแบบที่มีตัวทำละลายเป็นสารอินทรีย์ Organic Zinc (OZ) ซึ่งอาจส่งผลต่อกลิ่นจากไอระเหยที่เรียกว่า Volatile Organic Compound (VOC) มารบกวนได้มาก และเป็นสารอนินทรีย์ Inorganic Zinc (IOZ)
ต่อด้วยชั้น intermediate ที่ควรใช้สีประเภท Epoxy ที่มีราคาไม่สูงมากนัก แต่ความคงทนต่อสารเคมีและการกัดเซาะได้ดี และท้ายที่สุดชั้น top coat ที่ควรใช้สีประเภท Urethane ด้วยเหตุที่ Urethane มีความทนทานต่อแสง UV ได้ดี มาช่วยปกป้อง Epoxy ที่ไม่ทนทานต่อแสง UV
สามารถผสมสีให้เป็นไปตามที่ผู้ออกแบบต้องการได้ ทั้งนี้สำหรับ Heavy Duty Coating นั้น ได้แนะนำการใช้สีชั้น top coat ด้วยการใช้สีประเภท Fluorine Resin ซึ่งแม้ว่าจะมีราคาที่สูงมาก แต่ก็สามารถให้อายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า 50 ปี โดยที่ไม่ต้องทำการซ่อมบำรุงจากการเกิดสนิมแต่อย่างใด
ผู้บรรยายอีกท่าน Mr. Bob Kogler จากบริษัทวิศวกรที่ปรึกษา Lampart LCC ได้นำเสนอในหัวข้อ High Performance Steel Bridge Corrosion Protection Options เพิ่มเติมถึงประโยชน์จากการทารองพื้นด้วย zinc rich primer ว่า โครงสร้างเหล็กยังจะสามารถรักษาสภาพที่ดีไว้ได้แม้ว่า จะเกิดการกรีดผิวจนชั้นเคลือบเกิดการฉีกขาดจนถึงเนื้อเหล็ก ด้วย zinc ที่อยู่ติดกับชั้นเหล็ก ยังสามารถทำหน้าที่เสียอิเล็กตรอนแทนเนื้อเหล็กได้
การพ่นเคลือบด้วยสีสเปรย์ร้อน หรือ thermal spray coating (TSC)
สำหรับวิธีที่ 3 ซึ่งเป็นการพ่นเคลือบด้วยสีสเปรย์ร้อน หรือ thermal spray coating (TSC) เรียกสั้นๆ ว่า metalizing เป็นการใช้เทคโนโลยีพิเศษ ที่ทำให้โลหะที่มีคุณสมบัติในการเคลือบป้องกันเกิดการแตกตัว
โดยอาจเป็นโลหะประเภท อลูมิเนียม สังกะสี หรือ อลูมิเนียมผสมกับสังกะสี (เราอาจคุ้นเคยกับเหล็กแผ่นเมทัลชีท ที่เรียกว่า Zincalume ซึ่งคือ เหล็กเคลือบผิวด้วยโลหะผสมระหว่าง สังกะสี Zinc กับ อลูมิเนียม Aluminum)
โดยการ metalizing นี้ จะเป็นกลไกการเคลือบป้องกันเช่นเดียวกับการชุบสังกะสี คือ มีโลหะที่เสียอิเลกตรอนไวกว่าเหล็กมาเคลือบป้องกัน เพื่อให้สูญเสียอิเล็กตรอนก่อนเหล็ก เมื่อเหล็กไม่สูญเสียอิเล็กตรอนเหล็กก็ไม่เกิดสนิม หรืออาจกล่าวได้ว่า TSC หรือ metalizing
เป็น chemical protection ในขณะที่การทาสีเคลือบป้องกันสนิม เป็น mechanical protection โดยในทางปฏิบัติ นิยมทาเคลือบผิวเหล็กที่ผ่านการ metalizing ด้วยสีเคลือบป้องกันผิว
วิธี metalizing หรือ TSC นี้แม้ว่าจะเป็นวิธีการที่ดี ให้ประสิทธิภาพที่สูงตามผลการศึกษาวิจัยที่ปรากฏ แต่ด้วยเป็นเทคโนโลยีที่ใหม่ มีผู้ประกอบการน้อยรายกระทั่งในประเทศสหรัฐอเมริกาเองก็ตาม วิธีนี้จึงเป็นวิธีที่ยังไม่เป็นที่นิยมนัก เพราะหาช่างที่มีความชำนาญการได้ยาก และมีราคาค่าดำเนินการที่ค่อนข้างสูง
การชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน หรือ hot dip galvanizing (HDG)
วิธีอีกวิธีหนึ่งที่เป็นที่นิยมในประเทศไทย คือการชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน หรือ hot dip galvanizing (HDG) เป็นวิธีการที่ใช้กันมาตั้งแต่อดีตจนปัจจุบัน แต่อาจมีข้อจำกัดเรื่อง ขนาดของบ่อชุบ เมื่อเทียบกับขนาดของสะพานโครงสร้างเหล็กที่มีขนาดใหญ่
ดังนั้น จึงเหมาะกับโครงสร้างสะพานที่มีขนาดไม่ใหญ่มากนัก เช่นสะพานช่วงสั้น ที่สามารถจุ่มได้ในคราวเดียว ไม่ต้องจุ่มด้านซ้ายทีด้านขวาที ซึ่งเป็นการเพิ่มต้นทุนการจุ่มร้อนอีกเกือบเท่าตัว
นอกเหนือจากการออกแบบระบบเคลือบป้องกันสนิมให้กับสะพานโครงสร้างเหล็กที่ได้กล่าวถึงในข้างต้นแล้ว ผู้ออกแบบสะพานโครงสร้างเหล็ก ควรพิจารณาออกแบบรายละเอียดให้โครงสร้างสะพาน มีจุดเก็บกักฝุ่นละออง หรือการขังตัวของน้ำให้น้อยที่สุดเท่าที่จะมากได้ วิธีการหนึ่งซึ่งเป็นที่นิยมกันอย่างแพร่หลายกับการก่อสร้างสะพานช่วงเดี่ยว คือ การนำระบบ link slab มาใช้ทดแทนการติดตั้งรอยต่อเผื่อการขยายตัว (expansion joint)
ระบบ link slab เป็นรูปแบบที่ผ่านการศึกษาวิจัยและผ่านการทดลองใช้มาเป็นระยะเวลาหนึ่งกับงานสะพานในประเทศสหรัฐอเมริกา โดยหลักการ เป็นการเชื่อมพื้นสะพานช่วงเดี่ยวเข้าด้วยกันโดยไม่ต้องติดตั้งรอยต่อเผื่อการขยายตัวที่มีราคาค่อนข้างสูง แต่ไม่เชื่อมโครงสร้างหลักของสะพาน หรือโครงสร้างหลักของสะพานสามารถเคลื่อนตัว หดตัว ขยายตัวได้อย่างอิสระเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ (ขยายตัวเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น หดตัวเมื่ออุณหภูมิต่ำลง)
สามารถเกิดการหมุนที่ปลาย (end rotation) ได้เมื่อเกิดน้ำหนักบรรทุกกระทำจากภายนอก โดยไม่ส่งผลให้บริเวณ link slab นี้ เกิดการแตกออก ส่งผลทำให้เกิดการไหลซึมของน้ำบนผิวทางลงสู่เบื้องล่าง อันส่งผลต่อการสึกกร่อนหรือการเสื่อมสภาพของโครงสร้างเหล็กในส่วนที่น้ำไปสัมผัส
นอกจากนี้ ผู้ออกแบบอาจมีการติดตั้ง แผ่นเหล็กเพื่อการระบายน้ำ หรือ drip bar ที่ปีกล่าง ของคานสะพานโครงสร้างเหล็ก ในบริเวณส่วนที่ไม่มีความเสี่ยงต่อการแตกร้าวอันเนื่องมาจากการล้า หรือ fatigue crack โดยพิจารณาส่วนปีกล่างที่มีความเอียงโดยติดตั้งตามข้อแนะนำใน AASHTO/NSBA Collaboration Document, G1.4 – Guideline for Design Details
สำหรับต้นทุนค่าก่อสร้างสะพานโครงสร้างเหล็ก แต่ละประเภทในสหรัฐอเมริกานั้น ผู้บรรยายได้ทำการสำรวจข้อมูลจากหลายโครงการก่อสร้าง โดยพบว่าการใช้ เหล็กต้านทานการกัดกร่อนโดยไม่มีการทาสีเคลือบใดๆ (Unpainted Weathering Steel หรือ UWS) มีความประหยัดมากที่สุด โดยได้แสดงผลการสำรวจ “ราคาที่เพิ่มสูงขึ้นเมื่อเทียบกับการใช้ UWS” % increase over uncoated 50W ดังแสดงในรูปด้านล่าง
หากต้องการติดตามอ่านบทความด้านโครงสร้าเหล็กเพิ่มเติม สามารถติดตามได้ทาง Facebook: SSI Love Steel Construction