سرآغاز استفاده از مصالح تقویت کننده در ساخت و ساز و ظهور میلگرد

در آغازین دوران ساختمان‌ سازی، انسان‌ ها از مصالح محلی برای تقویت بناها استفاده می‌ کردند. از جمله این مصالح می‌ توان به چوب، سنگ و اجزاء فلزی اشاره کرد. این مصالح اغلب به صورت عناصر تقویت‌کننده در ساختمان ‌های آن زمان مورد استفاده قرار می‌ گرفتند. با پیشرفت فناوری و نیاز به ساختمان ‌هایی با استحکام بیشتر، مفهوم میلگرد ایجاد شد. در قرون وسطی، به ویژه در اروپا، میلگردهایی از آهن به شکل‌ها و ابعاد مختلف تولید و در ساختمان‌ ها به ‌کار گرفته می ‌شدند. این تغییر معماری را به سوی ساختمان‌‌هایی با ایمنی بیشتر و ساختارهای پیچیده ‌تر هدایت کرد.

در معماری باستانی، مصالح تقویت ‌کننده به خوبی به ‌کار گرفته می شد. برای مثال، در آثار باستانی همچون کلیساها و قلعه‌ها، از میلگرد به عنوان یک ابزار اساسی برای تقویت دیوارها و بناها استفاده می ‌شد. این نمونه ‌ها نشان ‌دهنده تفکر مهندسی و استفاده هوشمندانه از مصالح تقویت کننده در زمان ‌های گذشته هستند. در قرون وسطی، روش‌ های تولید میلگرد پیشرفت کردند و این مصالح با استفاده از کوره‌ های ارتقایافته، به شکل ‌ها و ابعاد مختلف تولید ‌شدند. با آغاز دوران صنعتی، فناوری های پیشرفته‌ تر و مواد جدید برای تولید میلگرد به کار گرفته شدند که منجر به افزایش قابل توجه استفاده از این مصالح در ساختمان ‌سازی شد.

نقش میلگرد در ساخت و ساز مدرن

در دنیای امروز، میلگرد به عنوان یکی از مصالح اساسی در ساختمان‌ سازی شناخته می شود. میلگرد نقش بسیار مهمی در تقویت ساختمان ‌ها و افزایش استحکام سازه ‌ها ایفا می ‌کند. از طراحی و تولید میلگردهای تقویت کننده با استحکام کششی بالا تا استفاده از این مصالح در ساختمان ‌های بلند و پیچیده، میلگرد به عنوان عنصری حیاتی در صنعت ساختمان‌ سازی و صنایع زیربنایی شناخته می شود. میلگردهایی که امروزه با استفاده از فناوری های بسیار دقیق تولید می شوند، به دلیل استحکام بالا و در عین حال انعطاف ‌پذیری که دارند، به طور گسترده در پروژه ‌های مختلف از جمله ساختمان ‌های مسکونی، پل ‌ها، تونل‌ ها، و سازه‌های عظیم نفت و گاز به کار می ‌روند. بدون شک، استفاده از میلگرد به عنوان مصالح تقویت کننده در صنعت ساختمان از اهمیت خاصی برخوردار است.

کاربرد و نقش انواع میلگرد در پروژه‌های بزرگ عمرانی و صنعتی

تاریخچه استفاده از میلگرد در بتن

همان طور که پیشتر نیز اشاره شد در جامعه‌ ساختمانی، از چهار نوع مصالح اصلی یعنی چوب، سنگ، فولاد و بتن به عنوان پرمصرف ‌ترین مصالح نام برده می ‌شود. بتن به عنوان یکی از این مصالح، از مقاومت فشاری قابل قبولی برخوردار است اما مقاومت کششی آن نسبت به بارهای خارجی کمتر است. به همین دلیل، برای افزایش مقاومت کششی بتن، بتن مسلح با میلگرد ابداع شده است. میلگرد به عنوان یک عنصر تقویت کننده در بتن عمل می‌ کند و تأثیر آن به ‌ویژه در قسمت‌ هایی از سازه که تحت کشش مستقیم یا کشش ناشی از خمش قرار دارند، مشهود است. برای مثال در تیرها، ناحیه ای که در معرض کشش قرار می گیرد در پایین مقطع تیر قرار دارد. بنابراین، میلگردهای فولادی مسلح‌ کننده در این ناحیه قرار می گیرند تا مقاومت سازه در برابر تنش‌ های کششی افزایش یابد.

استفاده از میلگرد در بتن به تحقیقات و آزمایش‌ های چندین نفر باز می گردد. اولین کسی که استفاده از میلگرد در بتن با نام او گره خورده ژوزف لامبوت فرانسوی است که در سال ۱۸۶۷ یک قایق بتنی با استفاده از شبکه ‌ای از سیم ‌های مسلح ساخت، اما به دلیل وزن زیاد و غرق شدن سریع آن، رهایش کرد. نخستین سازه بتن آرمه به ژوزف مونیه فرانسوی نسبت داده می ‌شود که در سال ۱۸۶۷ ساخت حوضچه ‌ها و مخازن بتنی مسلح با شبکه ‌های سیم آهنی را به نام خود ثبت کرد. در آمریکا، استفاده از میلگرد به همراه بتن یا همان بتن مسلح توسط ویلیام وارد، آغاز شد. وارد نخستین ساختمان بتن آرمه را در سال ۱۸۷۵ در نیویورک ساخت. همچنین تادیوس هیات، که در ابتدا وکیل بود، در دهه ۱۸۵۰ چندین پروژه تجربی را در حوزه تیرهای بتن آرمه پیاده سازی کرد و از میله‌های آهنی برای تحمل بارهای فشاری و کششی بهره برد.

دلایل استفاده از ترکیب میلگرد و بتن

ترکیب بتن و میلگرد یکی از سازگارترین ترکیب ها در علم مهندسی سازه است. هر یک از این دو مصالح ساختمانی دارای ویژگی هایی است که ضعف های دیگری را جبران نموده و در نهایت منجر به تقویت هر چه بیشتر سازه می شوند. یکی از اصلی ‌ترین دلایل استفاده از ترکیب میلگرد و بتن، نزدیک بودن ضریب انبساط حرارتی بتن و میلگرد است. این تطابق باعث می ‌شود که تحت تأثیر تغییرات دمایی پی در پی، تنش زیادی بین میلگرد و بتن ایجاد نشود. این مساله از جمله نخستین دلایل استفاده از ترکیب میلگرد و بتن به شمار می آید. از سوی دیگر، اتصال مطلوبی که بین بتن و میلگرد برقرار می شود، یکی از موجه‌ترین دلایل استفاده از این دو مصالح به‌طور توامان است. تجربه نشان داده که امکان مخدوش شدن این اتصال، حداقلی است و همین مساله این ترکیب را برای استفاده در ساختمان سازی به ترکیبی بهینه تبدیل می‌کند. یکی از دلایل چسبندگی مناسب بین بتن و میلگرد سطح ناصاف و آجدار میلگرد است.

یکی دیگر از دلایل مهم استفاده از ترکیب میلگرد و بتن، حفاظت از میلگرد در برابر خوردگی، زمانی است که داخل بتن کار گذاشته می شود. میلگرد فولادی در برابر خوردگی شیمیایی مقاومتی ندارد، اما بتن به عنوان یکی از مصالحی که نفوذ‌ناپذیر و قلیایی است، می‌ تواند از میلگرد در برابر خوردگی محافظت کند. علاوه بر این، میلگرد فولادی ممکن است در برابر آتش ‌سوزی مقاومت کمی داشته باشد، اما با اعمال پوشش بتنی روی میلگردها، مقاومت آنها نسبت به حریق افزایش می ‌یابد. بنابراین، استفاده از میلگرد در بتن به ‌عنوان یک گزینه مناسب جهت ساخت سازه‌ های مقاوم در برابر آتش ‌سوزی معتبر است.

میلگرد به‌ عنوان یک محصول فولادی جایگاه مهم و پرمصرفی در جهان امروز دارد. از سازه‌ های چند طبقه گرفته تا ساخت برج‌ ها و پل ‌ها، میلگرد عضو جدانشدنی در سازه ‌های بتن آرمه است. دوام و طول عمر بالا، در دسترس بودن، قیمت مناسب و مقاومت بالا از مزایای این محصول ساختمانی به‌ شمار می‌آیند. این ویژگی‌ ها، میلگرد را به یکی از اصلی‌ ترین اجزای ساخت ‌و ساز های مدرن تبدیل کرده ‌اند.

روش های تولید میلگرد

مهم است در نظر داشته باشیم که همه‌ی میلگردها ابتدا با نورد گرم تولید می‌شوند. از آن جایی که ممکن است استحکام مورد نظر با نورد گرم به دست نیاید، پس از نورد گرم ۱. می توان بلافاصله پس از آخرین پاس نورد گرم با سرد کردن سریع میلگرد در آب و ایجاد فاز مارتنزیت، استحکام را افزایش داد. این روش برای تولید میلگرد تقویت کننده بتن استفاده می ‌شود. ۲. می توان پس از خنک شدن میلگرد، قطر آن را توسط نورد سرد (نورد در دمای محیط) کاهش داد. نورد سرد باعث افزایش استحکام و کاهش انعطاف پذیری می شود. این روش برای تولید میلگردی به کار می‌رود که به راستی (straightness) یا استحکام زیاد نیاز داشته، و در عین حال انعطاف پذیری پایین جوابگوی شرایط کاری آن باشد.

افزودن عناصر آلیاژی به میلگرد معمولا برای یکی از اهداف افزایش استحکام یا افزایش مقاومت در برابر خوردگی انجام می شود. با هدف افزایش استحکام میلگرد، برای مثال برای فولادی با 0.3 درصد کربن، با بالا بردن میزان منگنز از 0.6 درصد به 1.5 درصد، استحکام UTS[1] از 550 به 650 مگاپاسکال می رسد. یا برای مثال افزودن عناصر وانادیم، نیوبیم یا تیتانیم در حد چند دهم درصد، استحکام فولاد را بالا می ‌برد (مزیت دیگر افزودن وانادیم، نیوبیم و تیتانیوم این است که فولاد تا دماهای بالاتری استحکام خود را حفظ می کند).

[1] Ultimate Tensile Strength

برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی اگر کاربرد میلگرد اتمسفری باشد (یعنی کاربرد آن در آب، در تماس با محلول اسیدی و بازی و … نباشد، و فقط در معرض هوا و برف و باران مورد استفاده قرار گیرد) از گریدهای فولادی استفاده می شود که در حد چند دهم درصد مس و آلومینیم دارند. اگر کاربرد میلگرد در آب یا محیط‌های خورنده باشد از گریدهای فولاد زنگ نزن استفاده می شود که دارای حداقل ۱۱ درصد کُرُم (Cr) هستند. گاهی محیط آن قدر خورنده است که از میلگردهای پلیمری یا کامپوزیتی استفاده می شود. در صورتی هم که محیط چندان خورنده نباشد، میلگرهای معمولی (مانند میلگردهای ترمکس شده با گرید sp5) را با فلز روی (Zn) پوشش می ‌دهند یا به اصطلاح، گالوانیزه می کنند. برای افزودن عناصر آلیاژی مانند تیتانیم، وانادیم و نیوبیم به فولاد مذاب، به فناوری خاصی نیاز است که هزینه تمام‌ شده شمش فولاد و محصول نهایی را بالا می ‌برد. کارخانه های تولیدکننده فولاد آلیاژی در ایران تنها فولاد آلیاژی یزد و فولاد مبارکه اصفهان هستند.

در روش تولید میلگرد با فناوری ترمکس، که از نتایج پیشرفت فناوری نورد است، یک فرآیند ترمومکانیکی در ساخت میلگرد نقش دارد و درجه حرارت و سرعت کاهش دما به طور دقیق کنترل می شوند. عبور میلگرد با دمای بالا از درون محفظه ای که آب با فشار زیاد روی آن پاشیده می شود، با سرعتی بالا و سپس سرد شدن ناگهانی، نظم اتم ها را در سطح میلگرد تغییر داده و سبب ایجاد لایه ای روی بدنه میلگرد می شود که اصطلاحا به آن مارتنزیت می گویند. استحکام میلگرد نیز به دلیل وجود ساختار مارتنزیت در سطح میلگرد است. به این ترتیب، میلگردهایی با استحکام بالا و در عین حال، انعطاف پذیر تولید می شود.

امروزه در ایران نیز از همین روش ها برای تولید میلگرد استفاده می شود. نخستین جرقه‌ های تولید میلگرد در کشور ما به دهه ‌های گذشته باز می گردد. اولین تلاش برای احداث کارخانه ذوب ‌آهن در دهه 1310 با همکاری یک شرکت آلمانی آغاز شد. این تلاش در دهه 1320 به ایران انتقال یافت و به احداث یک کارخانه در کرج منجر شد. با اشغال ایران و اسارت کارگران آلمانی، پروژه به مرحله اجرایی نرسید، اما در دهه 1340 با همکاری شوروی سابق، کارخانه ذوب ‌آهن اصفهان احداث شد و در دهه 1350 به بهره‌برداری رسید. در حالی که کارخانجات مختلف تولید میلگرد در حال حاضر در ایران می کوشند از روش های پیشرفته و در عین حال مقرون به صرفه استفاده کنند، همواره در مسیر بهبود فرآیندها و توسعه فناوری میلگرد، مواجهه با چالش‌هایی نظیر مقاومت در برابر خوردگی و بهینه ‌سازی استحکام بسیار حائز اهمیت است. با در نظر گرفتن این چالش ها، صنعت مهندسی مواد و مصالح با بهره‌ گیری از دانش علوم مهندسی توانسته است تحقیقات فراوانی برای ارتقاء و بهینه‌ سازی خصوصیات میلگردها انجام دهد. به کمک این تحقیقات راه‌حل‌های نوآورانه بسیاری به منظور حل این چالش ‌ها طراحی و پیاده سازی شده است.

روش تولید میلگرد در فولاد بافق

در فولاد بافق تولید میلگرد به روش نورد گرم انجام می شود. آنچه فرآیند تولید را در این مجتمع فولادی متفاوت می سازد، فناوری ترمکس است. این فناوری از نتایج پیشرفت فناوری نورد است. در این روش یک فرآیند ترمومکانیکی در ساخت میلگرد نقش دارد و درجه حرارت و سرعت کاهش دما به طور دقیق کنترل می شوند. پس از نورد گرم، عبور میلگرد با دمای بالا از درون محفظه ای که آب با فشار زیاد روی آن پاشیده می شود، با سرعتی بالا و سپس سرد شدن ناگهانی، نظم اتم ها را در سطح میلگرد تغییر داده و سبب ایجاد لایه ای روی بدنه میلگرد می شود که اصطلاحا به آن مارتنزیت می گویند. استحکام میلگرد نیز به دلیل وجود ساختار مارتنزیت در سطح میلگرد است. به این ترتیب، میلگردهایی با استحکام بالا و در عین حال، انعطاف پذیر تولید می شود.

پس از خنک شدن سریع سطح میلگرد در فرآیند ترمکس، میلگردهای با مغز گرم و سطح خنک تر روی بستر خنک کننده قرار می گیرند. گرمای مغز میلگرد باعث تمپر شدن «بازپخت» لایه مارتنزیت سطح میلگرد می شود. فرآیند بازپخت، تردی و استحکام را کمی کاهش می‌دهد و در عوض انعطاف پذیری را افزایش می دهد. لازم به ذکر است که میزان کربن متوسط در فولاد به کار رفته در تولید این میلگرد نیز در انعطاف پذیری آن موثر است. میلگردهای A4 آج 500 از شمش های فولادی با کربن متوسط (کربن ۰.۳۲ تا ۰.۴) ساخته می‌شوند. حداکثر کربن معادل نیز در میلگرد A4 آج ۵۲۰ برابر با ۰.۶۱ است. کربن معادل (CE) پارامتری است که با استناد بر آن، خواص فولاد و چدن را درجه‌بندی می کنند.

استانداردهای جهانی تولید میلگرد

براساس تعریف ارائه شده توسط سازمان ملی استاندارد، این واژه به معنای تعیین ويژگی ‌های لازم در تولید یک فرآورده و انجام یک خدمت است. برندهای مختلف داخلی و خارجی موظف هستند برای تولید یک میلگرد باکیفیت که در برابر کشش و خمش مقاومت مناسبی دارد و در عین حال ابعاد آن نیز متناسب است، از مجموعه‌ قوانین مشخصی پیروی کنند که به آنها استاندارد میلگرد گفته می ‌شود.

استانداردهای مختلفی برای ساخت این محصول وجود دارند که کیفیت ساختاری، مکانیکی و شیمیایی آن‌ را تعیین کرده و افزایش می ‌دهند.رعایت استانداردهای متفاوت در زمان ساخت محصول در نهایت روی قیمت میلگرد اثر می‌ گذارد و به این ترتیب، مصرف‌ کننده می ‌تواند به ‌واسطه استانداردهایی که مبنای تولید میلگرد قرار گرفته ‌اند، از امنیت سازه اطمینان بیشتری داشته باشد. طبیعی است که هزینه پرداختی برای خرید خرد و کلان یک محصول فولادی باکیفیت‌تر بالاتر است. با این وجود، با انتخاب هوشمندانه نوع محصول حتی می توان هزینه تمام شده یک پروژه را با حفظ و ارتقای کیفیت کاهش داد.

پیش از تدوین استاندارد ساخت میلگرد توسط انجمن تولیدکنندگان فولاد آمریکا در سال 1910، ساخت این محصولات بر مبنای آزمون و خطا صورت می‌گرفت. بعد از آن، کشورهای مختلف به منظور تولید میلگردهایی با کاربرد و مشخصات متفاوت، استانداردهای مختلفی را تدوین کردند.

استاندارد تولید میلگرد در فولاد بافق

استقبال مصرف‌ کنندگان از میلگرد بافق که کیفیت هر محصول فولادی دغدغه اصلی آنهاست، نشان داده که این محصول تولیدی کارخانه بافق توانسته است جای خود را به ‎عنوان محصولی باکیفیت و  پشتوانه ایمنی سازه در بازار مصرف باز کند.

میلگرد بافق به عنوان اصلی ‌ترین محصول خط تولید بافق مطابق با استاندارد ملی ایران به شماره 3132 تولید می ‌شود. همچنین میلگرد بافق توانسته تا کنون جدا از این استاندارد، گواهینامه‌های CE 1922 CPR 0857، ISO9001،‌ ISO14001 و ISO45001 را نیز از آن خود کند. لازم به ذکر است که خط تولید میلگرد این کارخانه دارای دستگاه تست کشش، سنسور اکستنسومتر، دستگاه فشار، دستگاه خم و بازخم است.

کلام آخر

تحقیقات و پژوهش‌ های جاری نشان می‌ دهد که میلگردهای تولید شده با فناوری های پیشرفته ‌تر، مانند میلگردهای هوشمند مجهز به حسگر و میلگردهای تقویت کننده با خصوصیات نانومتری، در آینده نقش مهمی در بهبود عملکرد و استحکام سازه ‌ها خواهند داشت. همچنین، مطالعات جدید در زمینه استفاده از مواد سبک و بازیافتی به‌عنوان مصالح تقویت کننده، به منظور کاهش اثرات محیطی و استفاده بهینه از منابع، ادامه دارد. میلگرد به عنوان یکی از اصلی‌ ترین مصالح تقویت کننده، در ساختمان ‌سازی با تاریخچه ‌ای که از ابتدای تاریخ معماری آغاز شده و با پیشرفت فناوری ادامه یافته، یکی از ابزارهای بنیادی برای ایجاد سازه‌ های با استحکام بالا و ایمنی بیشتر است. امروزه، با پیشرفت علم و فناوری، انتظار می‌ رود که میلگرد به‌ عنوان یک عنصر کلیدی در ساختمان ‌سازی مدرن با بهره گیری از ابزارها و فنون نوین به تقویت هر چه بیشتر سازه‌ ها بپردازد.