เรียบเรียงโดย รศ.ดร.สิทธิชัย แสงอาทิตย์ สาขาวิชาวิศวกรรมโยธา สำนักวิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุนารี

1. วัสดุในการก่อสร้าง: ส่วนที่ 2/3.1 เรียบเรียงโดย รศ.ดร.สิทธิชัย แสงอาทิตย์ สาขาวิชาวิศวกรรมโยธา สำนักวิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุนารี

2. วัสดุในการก่อสร้าง: ส่วนที่ 2/3 (วัสดุในงานก่อสร้าง) - เหล็กโครงสร้าง (structural steel) - คอนกรีต (Concrete) - ไม้ (timber) - อิฐดินเผา (brick) -ผลิตภัณฑ์คอนกรีต - คอนกรีตบล๊อค (concrete block) - พื้นคอนกรีตสำเร็จรูป (precast concrete slab) - เสาเข็มคอนกรีต (concrete pile) - ท่อคอนกรีตเสริมเหล็ก

3. เหล็กโครงสร้าง (structural steel)

4. เหล็กโครงสร้าง (Structural steel) เหล็กที่ใช้ทำโครงสร้างได้จากการนำแร่เหล็ก (iron ore) มาถลุงในเตาถลุง ซึ่งจะได้เหล็กดิบ (pig iron) หรือเหล็กแท่งประเภทต่างๆ และเมื่อนำมาหลอมและปรับอัตราส่วนของปริมาณคาร์บอนจะได้เหล็กที่ใช้ในงานก่อสร้างแบบต่างๆ โดยโรงงานเหล็กในไทยมีหลายโรง เช่น สหวิริยา บางสะพานบาร์มิล และสยามยาโมโตะ (ปูนใหญ่)

5. ขบวนการนำแร่เหล็กมาถลุงในเตาถลุงจนได้เหล็กดิบและผลิตภัณฑ์เหล็กขั้นกลางขบวนการนำแร่เหล็กมาถลุงในเตาถลุงจนได้เหล็กดิบและผลิตภัณฑ์เหล็กขั้นกลาง Note: เหล็กแท่งแบน (Slab) เหล็กแท่งใหญ่ (Bloom) และเหล็กแท่งเล็ก (Billet)

6. ตัวอย่างโครงเฟรมเหล็กที่ใช้ในการก่อสร้างโกดังหรือโรงงานอุตสาหกรรมตัวอย่างโครงเฟรมเหล็กที่ใช้ในการก่อสร้างโกดังหรือโรงงานอุตสาหกรรม ที่มา: http://www.primesteelbuildings.com/images/features/frame-large.png

7. ตัวอย่างโครงเฟรมเหล็กที่ใช้ในการก่อสร้างสถานีไฟฟ้า (substation) ที่มา: http://img.alibaba.com/photo/50405479/Substation_Steel_Frame_110kV_.jpg

8. ประเภทของเหล็กที่เกี่ยวข้องกับงานก่อสร้างประเภทของเหล็กที่เกี่ยวข้องกับงานก่อสร้าง 1. เหล็กเหนียวเป็นเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนน้อยกว่า 0.1% มีกำลังต่ำ แต่มีความเหนียวสูง ซึ่งถูกแปลงรูปร่างได้ง่ายและรับแรงกระทำซ้ำได้ดี 2. เหล็กกล้าเป็นโลหะผสมที่ได้จากการผสมเหล็ก คาร์บอน และ/หรือ สารชนิดอื่นๆ • Carbon steel - เหล็กกล้าคาร์บอนเป็นเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนอยู่ในช่วง 0.2% ถึง 2% (โดยทั่วไป≤1.2%) • Alloy steel - เหล็กกล้าอัลลอยเป็นเหล็กที่มีสมบัติไม่ขึ้นอยู่กับคาร์บอนเป็นหลัก แต่ขึ้นอยู่กับสารชนิดอื่นๆ เช่น ซิลิกอนซัลเฟอร์ฟอสฟอรัสและแมงกานีสเป็นต้นด้วย

9. เหล็กหล่อ (cast iron)เป็นเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนอยู่ในช่วง 2.2% ถึง 4.5% มีกำลังรับแรงกดอัดและมีความแข็งของผิวสูงแต่มีกำลังรับแรงดึงที่ต่ำและเป็นวัสดุเปราะ

10. ประเภทและลักษณะการใช้งานของเหล็กกล้าคาร์บอนประเภทและลักษณะการใช้งานของเหล็กกล้าคาร์บอน

11. สมบัติทางกลของเหล็กโครงสร้างขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักดังนี้สมบัติทางกลของเหล็กโครงสร้างขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักดังนี้ สมบัติทางกลของเหล็กโครงสร้าง • ปริมาณคาร์บอน เมื่อปริมาณคาร์บอน ↑ จะมีผลต่อสมบัติคือ กำลัง ↑ ความแข็ง ↑ และความเหนียว ↓ • สารผสม alloy สาร alloy เช่น ซิลิกอน (เพิ่มกำลัง), ตะกั่ว (กลึงง่ายขึ้น), นิเกิล โครเมียม และทองแดง (ทนการกัดกร่อน) และแมงกานิส(เพิ่มความแข็ง) ทำให้เหล็กเป็นเหล็กกล้าอัลลอยและมีคุณสมบัติต่างๆ ดีขึ้น เช่น stainless steel เป็นเหล็กกล้าที่ทนการกัดกร่อนได้ดีเพราะมีโครเมียม > 10% ซึ่งทำให้เกิด chromiumoxide เคลือบผิว

12. การดัดเหล็กทำให้เหล็กเกิดภาวะ strain hardening โดย 1. ทำให้วัสดุมีช่วง elastic region ที่ใหญ่ขึ้น (ทำให้มีค่า yielding stress สูงขึ้น) แต่ 2. ทำให้วัสดุมีความเหนียวลดลงและเปราะมากขึ้น (เป็นผลให้ดูดซับพลังงานได้ลดลง)

13. กรรมวิธีการผลิตเหล็ก 1. Hot-working process เป็นกรรมวิธีที่ให้ความร้อนแก่เหล็กและทำให้เหล็กเย็นตัวลงเป็นลำดับ เพื่อลดความเครียดในเนื้อเหล็กและทำให้ผลึกเหล็กมีความละเอียดมากขึ้น ซึ่งทำให้เหล็กมีกำลังและความเหนียวสูงขึ้น

14. การรีดร้อน (hot rolling)เป็นการรีดเหล็กขณะที่เหล็กยังร้อนแดงอยู่ ใช้ในการผลิตเหล็กเสริมคอนกรีต เหล็กรูปพรรณและเหล็กแผ่น (หนาไม่น้อยกว่า 3 mm)

15. 2. Cold-working process เป็นกรรมวิธีที่ทำให้เกิด strain-hardening ในเหล็กและทำให้เหล็กมีกำลังและความแข็งของผิวต่อการกดสูงขึ้นมากกว่า hot-working process แต่ทำให้ความเหนียวของเหล็กลดลง • การรีดเย็น (cold rolling)เป็นการรีดเหล็กขึ้นเป็นรูปโดยการนำเหล็กแผ่นที่ผ่านการรีดร้อนมาทำการดัด กด หรือการเชื่อมให้เป็นเหล็กโครงสร้าง

16. สมบัติทางกลของวัสดุภายใต้แรงดึงที่สำคัญสมบัติทางกลของวัสดุภายใต้แรงดึงที่สำคัญ - Yielding stress - Ultimate stress - Percent of elongation - Modulus of elasticity เหล็กโครงสร้าง

17. วิธีออฟเซท (Offset method) ใช้ในการหาหน่วยแรงคราก (yielding stress) ของโลหะที่ไม่มีจุดครากที่ชัดเจน เช่น เหล็กกล้ากำลังสูง (ลวดอัดแรง) เป็นต้น

18. ชนิดของเหล็กโครงสร้างชนิดของเหล็กโครงสร้าง 1. เหล็กโครงสร้างรูปพรรณ (structural steel section) 2. เหล็กเส้นเสริมคอนกรีต (reinforcing steel)

19. 1.เหล็กโครงสร้างรูปพรรณใช้ทำโครงสร้างเหล็กที่รับแรงมากๆ เช่น คาน เสา โดยถูกผลิตโดยขบวนการรีดร้อนหรือรีดเย็นและถูกออกแบบให้มีค่า I/Aที่สูง เพื่อให้หน้าตัดมีความสามารถในการรับแรงต่อน้ำหนักสูงสุดเช่น - รูปตัว H (Wide-flange shape) - รูปตัว I (I-section) - รูปตัว C (Channel section) - รูปตัว L (Angle section)

20. เหล็กโครงสร้างถูกกำหนดตามลักษณะรูปร่างของหน้าตัด ความลึก และน้ำหนักต่อหนึ่งหน่วยความยาว เช่น W300x36.7 kg/m เป็นเหล็กหน้าตัดรูปตัว W มีความลึก 300 mm และหนัก 36.7 kg/m I250x53.9 kg/m เป็นเหล็กหน้าตัดรูปตัว I มีความลึก 250 mm และหนัก 53.9 kg/m C200x30.3 kg/m เป็นเหล็กหน้าตัดรูปตัว C มีความลึก 200 mm และหนัก 30.3 kg/m L150x150x12.7 mm เป็นเหล็กหน้าตัดรูปตัว L มีขายาว 150 mm เท่ากันและหนา 12.7mm

21. การตรวจสอบ การตรวจสอบเหล็กโครงสร้างรูปพรรณในฐานะผู้ควบคุมการก่อสร้างได้แก่ 1. ขนาดและน้ำหนัก - ต้องเป็นไปตามที่ระบุไว้ ดู มอก. 116 2. กำลังและระยะยืดตัว สภาพของเหล็กรูปพรรณที่นำมาทดสอบจะต้องอยู่ในสภาพเดิม ไม่มีการปรับปรุงสมบัติด้วยกรรมวิธีใดๆ โดยต้องถูกทดสอบทุกๆ 10 ตัน โดยเก็บตัวอย่างความยาว 1.0-1.50 m จากนั้น ทำการตัด (โดยไม่ใช้ความร้อน) ทำชิ้นทดสอบไม่น้อยกว่า 3 ชิ้น โดยมีความกว้างไม่เกิน 8 เท่าของความหนา

22. ตัวอย่างทดสอบมาตรฐาน ASTM E8 เหล็กเหนียว เหล็กหล่อ

23. ลักษณะของตัวอย่างทดสอบที่ห้ามนำมาใช้ในการทดสอบลักษณะของตัวอย่างทดสอบที่ห้ามนำมาใช้ในการทดสอบ

24. สมบัติของเหล็กตามมาตรฐานของกระทรวงอุตสาหกรรมสมบัติของเหล็กตามมาตรฐานของกระทรวงอุตสาหกรรม เหล็กท่อนแบนและเหล็กแถบ (flat and square steel bar) ตาม มอก.55-2516 หน่วยแรงคราก (yielding stress) 2,400 kg/cm2 หน่วยแรงประลัย (ultimate stress) 3,900 kg/cm2 เปอร์เซ็นต์การยืดตัว 21 %

25. สมบัติของเหล็กตามมาตรฐานของกระทรวงอุตสาหกรรมสมบัติของเหล็กตามมาตรฐานของกระทรวงอุตสาหกรรม เหล็กกลวง (hollow section) สำหรับใช้ในงานก่อสร้างทั่วไป ตาม มอก. 107-2517

26. เหล็กโครงสร้างรูปพรรณ (structural steel section) ตาม มอก. 116-2529

27. 2.เหล็กเส้นเสริมคอนกรีต(reinforcing steel) ประโยชน์ของเหล็กเสริมในงานคอนกรีต - ทำหน้าที่รับแรงดึง เนื่องจากคอนกรีตมีกำลังรับแรงดึงต่ำเพียงร้อยละ 10 ของกำลังรับแรงอัดเท่านั้น - ช่วยลดการคืบ (creep) และลดความกว้างของรอยแตกร้าวในคอนกรีต

28. - เหล็กเสริมคอนกรีตเป็นเหล็กกล้าละมุน (mild steel) ที่มีปริมาณของคาร์บอนผสมอยู่ต่ำ (ประมาณ 0-0.3%) เป็นเหล็กเหนียว - เหล็กทุกเส้นจะมีหมายเลขขนาด ชื่อย่อ และเครื่องหมายการค้าของบริษัทผู้ผลิต หล่อเป็นตัวนูนติดกับผิวเหล็ก

29. เหล็กเส้นเสริมคอนกรีต (reinforcing steel)แบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด คือ - เหล็กเส้นกลม (round bar) - เหล็กข้ออ้อย (deformed bar) เหล็กเส้นกลม เป็นเหล็กที่มีผิวเรียบ มีอยู่เกรดเดียว SR24(มีกำลังต้านทานต่อแรงดึงที่จุดคราก ≥ 2,400 ksc) ขนาดของเหล็กเรียกตามเส้นผ่านศูนย์กลาง เช่น RB6และ RB 22 มีขนาด 6-25 mmและมีความยาวมาตรฐาน 10 m

30. ขนาดและน้ำหนักของเหล็กเส้นกลมขนาดและน้ำหนักของเหล็กเส้นกลม

31. การตรวจสอบคุณสมบัติที่เกี่ยวข้อง (มอก. 20-2543) เหล็กเส้นกลมจะต้องเป็นเหล็กเส้นที่มีผิวเรียบ ไม่มีรอยปริแตกหรือรอยร้าว โดยหน้าตัดมีลักษณะกลมตลอดพื้นที่ลาดตัดขวางอย่างสม่ำเสมอ

32. 1. ตรวจสอบขนาด วัดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเหล็กโดยใช้เวอร์เนียร์ฯ อย่างน้อย 3 จุดหรือโดยการชั่งน้ำหนักแล้วหาขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยจาก หน่วยวัด: D(mm), W(kg) และL(m) โดยความคลาดเคลื่อนต้องอยู่ภายในเกณฑ์ที่กำหนด

33. 2. ตรวจสอบสมบัติเชิงกล การทดสอบแรงดึง - อัตราการเพิ่มแรง ≤ 80 kg/cm2/sec และความยาวของพิกัดวัดความยืด (gage length) = 5 เท่า Ø เฉลี่ยและระยะระหว่างหัวจับต้อง ≥5.5 เท่า Ø เฉลี่ย หากรอยขาดอยู่นอกช่วง gage length ไม่ให้เอาผลการทดสอบมาพิจารณา การทดสอบการดัดโค้ง ให้นำเหล็กเส้นมากดด้วยหัวกดรูปตัว U ที่มีขนาด 1.5 เท่า Ø เฉลี่ยของชิ้นทดสอบ โดยจนเป็นรูปตัว U โดยไม่มีการปริแตกของผิวส่วนโค้งด้านนอก

34. เหล็กข้ออ้อย เป็นเหล็กเส้นที่ผิวมีบั้ง (rib) เป็นระยะๆ เท่าๆ กันตลอดทั้งเส้น โดยบั้งต้องทำมุมกับแกนของเหล็กเส้น ≥ 45 องศา ถ้ามุมอยู่ในช่วง 45-70 องศา บั้งจะวางสวนทางสลับกัน แต่ถ้าบั้งทำมุมเกิน 70 องศาไม่จำเป็นต้องสลับกัน ขนาดของเหล็กเรียกตามเส้นผ่านศูนย์กลาง เช่น DB10และ DB20 โดยมีขนาดที่ขายตามท้องตลาดคือ 10-32 mm

35. ขนาดและน้ำหนักของเหล็กข้ออ้อยขนาดและน้ำหนักของเหล็กข้ออ้อย

36. การตรวจสอบคุณสมบัติที่เกี่ยวข้อง (มอก. 20-2536) 1. ตรวจสอบสมบัติเชิงกล การทดสอบแรงดึง - แต่ละชุดตัวอย่างที่นำมาทดสอบแรงดึงมีจำนวนไม่น้อยกว่า 2 ชิ้น โดยมีความยาว 1.0-1.50 m ในกรณีที่ผลการทดสอบบางส่วนต่ำกว่าเกณฑ์ ให้นำชิ้นตัวอย่างจากตัวอย่างชุดเดิม จำนวน 2 เท่าของชิ้นตัวอย่างที่ต่ำกว่าเกณฑ์มาทดสอบซ้ำ เพื่อชดเชยหักล้าง โดยที่ผลการทดสอบที่ได้ต้องผ่านเกณฑ์ทั้งหมด

37. 2. ตรวจสอบขนาด โดยการชั่งน้ำหนักแล้วหาขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยจาก

38. มาตรฐานการทดสอบ (Standard Tests) วิธีการทดสอบสมบัติทางกลของผลิตภัณฑ์โลหะได้ถูกระบุไว้ใน ASTM A370 ดังนี้ • ASTM E8: Tension Testing of Metallic Materials. • ASTM E9: Compression Testing of Metallic Materials. • ASTM E10: Test for Brinell Hardness of Metallic Materials. • ASTM E18: Test for Rockwell Hardness and Rockwell • Superficial Hardness of metallic materials. • ASTM E23: Notched-Bar Impact Testing of Metallic Materials. มาตรฐานการทดสอบสำหรับเหล็กเสริม ASTM A615: Standard Specification for Deformed and Plain Billet-Steel Bars for Concrete Reinforcement

39. ข้อดีและข้อเสียในการใช้เหล็กโครงสร้างข้อดีและข้อเสียในการใช้เหล็กโครงสร้าง ข้อดี 1. มีกำลังต่อน้ำหนักสูง - เหมาะในการก่อสร้างอาคารที่มีระยะช่วงที่ยาวมากๆ และอาคารสูง 2. มีสมบัติทางกลสม่ำเสมอ - ออกแบบและก่อสร้างง่าย 3. มีความยืดหยุ่นสูง - ลดการเสียรูปอย่างถาวร 4. มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน - ถ้าดูแลเหมาะสมและถูกต้อง 5. มีความเหนียว - เปลี่ยนแปลงรูปร่างที่สูงก่อนการวิบัติ 6. ก่อสร้างได้ง่ายและรวดเร็ว

40. ข้อเสีย 1. มีค่าดูแลรักษาสูง - หากออกแบบไม่เหมาะสมกับการใช้งาน 2. มีค่าใช้จ่ายในการพ่นกันไฟ - กำลังของเหล็กค่าลดลงมากในกรณีที่เกิดไฟไหม้และเหล็กเป็นสื่อนำความร้อนได้ดี 3. เกิดการโก่งเดาะได้ง่าย – ในองค์อาคารเหล็กที่รับแรงกดอัดและมีความชะลูดสูง เนื่องจากเหล็กมีกำลังที่ค่อนข้างสูง 4. อาจวิบัติโดยการล้า (fatigue) - หากออกแบบไม่เหมาะสมและถูกใช้งานในที่อุณหภูมิต่ำและถูกแรงกระทำซ้ำ 5. อาจวิบัติโดยการแตกหักแบบเปราะ (brittle fracture) - เมื่อโครงสร้างเหล็กอยู่ในพื้นที่ที่มีอุณหภูมิต่ำมากๆ

41. คอนกรีต (concrete)

42. คอนกรีตเป็นวัสดุก่อสร้างที่ถูกนำมาใช้งานมาก มีทั้งแบบหล่อในที่ (cast-in-place) และแบบหล่อสำเร็จ (precast concrete) คอนกรีตรับแรงกดอัดได้ดี แต่รับแรงดึงได้ต่ำ (10%) ดังนั้น คอนกรีตจึงถูกเสริมด้วยเหล็กเสริมเพื่อช่วยรับแรงดึง โครงเฟรมอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก (reinforced concrete) สะพานที่มีคานคอนกรีตอัดแรง (prestressed concrete) ถูกรองรับโดยโครงเฟรมคอนกรีตเสริมเหล็ก

43. คอนกรีต (Concrete) เป็นวัสดุผสมที่มีส่วนผสม 2 ส่วนได้แก่ ซีเมนต์เพสต์ (cement paste) ได้แก่ ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ (portland cement) ผสมน้ำ วัสดุอัดแทรก (filler)ได้แก่ มวลรวม (aggregate) แบ่งเป็นมวลรวมหยาบ (โตกว่า 4.75 mm/3/16 นิ้ว): หิน กรวด และมวลรวมละเอียด: ทราย คอนกรีตเกิดการแข็งตัวเนื่องจากปฏิกริยาทางเคมีระหว่างปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์และน้ำ ซึ่งเรียกว่า ขบวนการไฮเดรชั่น (hydration process)

44. มาตรฐาน ASTM C150 แบ่งปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ออกเป็น 5 ประเภทได้แก่

46. สัดส่วนผสมคอนกรีตที่ใช้ทั่วไปและการบ่มคอนกรีตสำหรับงานประเภทต่างๆสัดส่วนผสมคอนกรีตที่ใช้ทั่วไปและการบ่มคอนกรีตสำหรับงานประเภทต่างๆ ที่มา: http://www1.cementhaionline.com/CRC/Product/CementGray.asp

47. คอนกรีตผสมเสร็จ (ready-mixed concrete) เป็นคอนกรีตที่มีขายโดยผสมจากโรงงาน ได้รับความนิยมในการใช้งานสูง เนื่องจากมีการควบคุมคุณภาพที่ดีและสะดวกรวดเร็ว ในการสั่งซื้อต้องบอกกำลัง ค่าการยุบตัว (หรือปริมาณน้ำ) และขนาดใหญ่สุดของหิน (ดู มอก. 213-2520)

48. ที่มา: http://www1.cementhaionline.com/CRC/Product/

49. คอนกรีตผสมที่หน้างานยังคงพบเห็นโดยทั่วไปในโครงการก่อสร้างขนาดเล็ก แต่มักมีคุณภาพไม่คงที่ โดยใช้อัตราส่วน 1: 2: 4 ซึ่งให้กำลังอัดประลัยประมาณ 150-175 ksc

50. ที่มา: http://www1.cementhaionline.com/CRC/Product/