3.4.1 Pasifliğin Klorür İyonu Etkisi ile Bozulması
Korozyonun başlıca sebeplerinden biri olarak klor iyonları gösterilmektedir [27]. Klorür iyonu beton bünyesine başlıca iki yolla girebilir [18].
Beton prizini çabuklaştırmak veya beton karışım suyunu azaltmak amacıyla beton içine katılan katkı maddeleri içinde klorür bulunabilir. Veya beton karışımında kullanılan agrega ve su ile birlikte istenilmeden beton içine klorür girebilir.
Beton içine sonradan difüzyon yoluyla giren klorür korozyon açısından daha tehlikelidir. Bu yolla giren klorürün en büyük kaynağını, yollara buzları eritrnek amacıyla atılan tuz oluşturur. Ayrıca deniz atmosferinde bulunan betonlarda, rüzgarların taşıdığı klorür iyonları da beton içine girerek orada birikebilir.
Betonun permeabilitesi ve porozitesi ne derece yüksek ise, çevreden beton içine klorür iyonları difüzyonu da o derece kolay olur. Zaman zaman ıslanan ve kuruyan betonlarda bu olay daha şiddetli olarak kendini gösterir [18].
Tekrarlı ıslanma-kuruma etkisindeki deniz yapılarında deniz suyu ile beton içine sızan klorür iyonları, suyun buharlaşması sonucu beton içinde kalmakta, tekrar sayısı arttıkça klorür yoğunluğu da artmaktadır. Bu durumda deniz suyundaki klorür iyonu konsantrasyonundan daha fazla miktarda klorür iyonu beton içinde birikebilmektedir [9].
Su klor iyonlarının beton yüzeyinden içeriye doğru girebilmesinde en büyük taşıma aracıdır. Dolayısı ile klor iyonları betonun daha iç bölgelerine su aracılığıyla kılcal olarak çok hızlı bir şekilde girebilmektedir. Etüv kurusu durumunda olan bir beton tuzlu suya değdirildiğinde birkaç saat içerisinde beton birkaç mm yüksekliğinde tuzlu suyu emer. Buna karşı, yüksek miktarda doygun veya nemli olan bir betonda klor iyonlarının beton içerisine girmesi çok yavaş olmaktadır. Genel olarak tam olarak doygun bir çimento pastasının difüzyon katsayısı 10-12
39
taşınmaları oldukça karmaşıktır. Betonun suya doygunluk derecesi belirli bir kritik değerin altında iken iyonların hareketi basit bir difüzyon süreci ile gelişir ve Fick’in birinci difüzyon yasası ile açıklanabilir. Yasadaki D difüzyon katsayısı laboratuvar deneyleri ile belirlenir. D’nin yaklaşık değeri; 0,5x10-12 m2/san ile 5x10-12 m2/san arasında değişmektedir [14].
Beton tam kuru ise klor iyonlarının girişi kapiler emme ile oluşmaktadır. Denizin çırpıntı bölgelerinde ise permeasyon (nüfuz) süreci geçerlidir. Bu bakımdan iyon geçirimliliği konusunda kesin bir bilimsel yaklaşım vermek zordur. Fakat klorun derin beton boşluk ağında ve mikro çatlaklarında daha ağırlıklı olarak difüzyon süreciyle taşındığı söylenebilir. Klor taşınmasını beton boşluk çaplarının incelmesi, boşluk çeperlerinin elektro negatifliği ve ortamın yüksek pH değeri zorlaştırmaktadır. Betonda klor içeriğinin 0,6-0,9 kg/m3
veya boşluk suyunda 300-1200 g/lt olmasının pasif tabakanın çözülmesi için yeterli olduğu kabul edilmektedir [14].
Çelik donatı yüzeyine ulaşan klorürün pasif filmin bozulmasında oynadığı rol ile ilgili değişik teoriler vardır. Bunlardan oksit film teorisine göre, klorür iyonu pasif film tabakasına nüfuz eder, filmi parçalayarak korozif element olan oksijen ve suyun metal yüzeyine erişerek metalin korozyona uğramasına neden olur [9].
Çelik yüzeyi Pas Tabakası Çelik yüzeyi FeCl2+ 2H2O Fe(OH)2+ Fe2++2Cl-
→
FeCl 2 2Cl-40
Su emilim teorisine göre ise, metal yüzeyine adsorbe olan klorür iyonları metal iyonlarının daha çabuk çözünmesine, çözünebilir bileşikler oluşturmasına veya pasifleştirici elemanların yerlerinden uzaklaştırılmasına neden olur. Bir başka teoriye göre ise korozyon sonucu oluşan iki değerlikli demir iyonları OH-
iyonları yerine Cl- ile birleşir ve çözünebilir FeCl2 oluşturur; bu bileşik, anottan uzaklaşırken koruyucu Fe(OH)2 katmanını tahrip ederek korozyonunun sürekliliğine neden olur. Yüzeyden biraz uzakta bulunan bu bileşik ayrışır, Fe(OH)2 çöker, Cl- daha fazla demir taşımak için anot yüzeyine geri döner. Klorür iyonlarının donatıya ulaştıklarında, yüzeydeki kararlı tabaka ile reaksiyona girerek FeCl2 gibi kararsız klorürlü bileşikleri oluşturdukları sanılmaktadır [9].
Yukarıda açıklandığı gibi klorür iyonları, metal tarafından O2 ve OH- iyonlarına kıyasla daha çok ve daha kolay adsorbe edilir, anodik reaksiyonun oluşmasını kolaylaştırır, demirin iyonlaşmasını hızlandırır. Özetle klorür iyonları aşağıdaki bağıntılar ile gösterildiği gibi katalizör görevi yapar [9].
Fe+3+3Cl-→FeCl3 (3.8) H2O O2→OH- + 2e- (3.9) FeCl3+3OH-→Fe(OH)3+3Cl- (3.10) Betondaki çeliğin, klorun mevcudiyeti ile anotta oksijen olmadığında, korozyon reaksiyon adımları aşağıdaki gibi gerçekleşir [12].
1. Anotta demir, klor iyonları ile orta çözünürlükte bir demir-klorid kompleksi oluşturmak için reaksiyona girer.
Fe+2Cl-→(Fe++ +2Cl-) + 2e- (3.11) 2. Demir-klorid kompleksi pH ve oksijen konsantrasyonu daha yüksek bir bölgeye çelikten difüze olduğu zaman, hidroksil iyonları ile Fe(OH)2 oluşturmak için reaksiyona girer.
(Fe++ +2Cl-)+2H2O+2e- →Fe(OH)2+2H++2Cl- (3.12) 3. Sonrasında hidrojen iyonları elektronlarla hidrojen gazı oluşturmak için bağlanır [12].
41
Fe(OH)2 (kararsız yeşil demir hidroksit) derhal kararlı sarı pasa yani Fe(OH)3’e oksitlenir. Cl- iyonlarının tekrar ortaya çıkması yukarıdaki anodik reaksiyonun süreklilik kazanacağını da belirtmektedir [22].
Klor iyonu donatıya ulaştığı zaman pasla birleşerek 3Fe(OH2). FeCl2 gibi klor-demir kompleksleri oluşturur ve böylece koruyucu pas tabakasını söker, ortamın elektrolitliğini arttırır, elektrik direncini azaltır. Demir-klor kompleksleri anottan uzaklaşırken, çelik yüzeyini koruyucu pastan arındırarak açığa çıkarır ve korozyona süreklilik kazandırır. Bu klor kompleksleri sıvı ortamda çözülürler, açığa çıkan klor tekrar anoda dönerek tahrip işlevine devam eder. Cl-
/OH- oranı adı altında korozyon için bir klor eşiği vardır [22]. Korozyon, demirde klor konsantrasyon seviyesi kritik eşiği aştığında başlar. Korozyon sonucunda betonarme örtüsü çatlar ve parçalanır [30]. Klor asit karakteri nedeniyle ortamın pH değerini indirger. Pasivasyonun gerçekleşmesi için ortamın pH’ının alkalin bölgede (pH>11) kalması gerekir [22].
Cl-konsantrasyonu, OH-konsantrasyonunun 0,6 sını geçtiği zaman korozyon gözlenir. Bu klorlar, beton içine katkı halinde gelmişlerse, çimento ağırlığı bakımından %0,4 klor konsantrasyonuna, nüfuz etmişlerse %0,2 konsantrasyonuna yaklaşır. Amerika’da kabul edilen genel eşik, beton yarda (1 yarda=0, 9144 metredir) küpünde 0,7645 m3 klordur [22].
Beton içine başlangıçta döküm sırasında girmiş olan klorür ile, sonradan sertleşmiş beton bünyesine çevreden difüze olarak giren klorür iyonlarının etkisi farklıdır. Başlangıçta beton henüz prizini almadan karışım içinde bulunan klorür iyonlarının bir kısmı, çimento klinker bileşiklerinden tri kalsiyum alüminat ile reaksiyona girerek çözünmeyen bir bileşik (Friedel Tuzu) oluşturur. Bu şekilde kimyasal olarak bağlanmış olan klorür artık korozyon açısından etkili olamaz. Bu nedenle beton içinde bulunan klorür konsantrasyonunun biri suda çözünen, diğeri asitte çözünen (toplam) klorür konsantrasyonu olmak üzere farkı olarak değerlendirilmesi gerekir. Beton içinde suda çözünebilen klorür için %0,15 (3,5 kg klorür/1 m3
beton) ve toplam klorür konsantrasyonu için de %0,20 (4,5 kg klorür/1 m3
beton) değerleri limit olarak verilmektedir [18].
Cl- iyonları yerel, derin paslanmalara yol açabilir, bu paslanma şekline oyuklanma (pitting) korozyonu denir [9].
42
Teorik ve deneysel çalışmalara göre, betonun elektriksel direnci ile klorür girişi ilişkilidir; genel olarak, betonun klorür difüzyon katsayısı beton direnci ile ters orantılıdır, geçirimli bölgelerin direnci daha az, klorür penetrasyonu daha yüksektir. Örneğin aynı doygunluk derecesi için, cüruf ve uçucu külün betonun elektriksel direncini arttırdığı bilinmektedir [9].
3.4.2 Karbonatlaşma Reaksiyonunun Beton İçerisindeki Donatının Korozyonuna Etkisi
Betonun sertleşmesi sırasında, klinker bileşiklerinin hidratasyonu sonucu kalsiyum hidroksit oluşur. Bu bileşik doygun halde beton boşluklarını doldurur. Beton boşluk suyunun yüksek pH derecesi bu doygun kireç çözeltisinden ileri gelir. Ancak zamanla atmosferde bulunan karbon dioksit beton içine girerek burada bulunan kalsiyum hidroksit ile birleşir ve kalsiyum karbonat oluşturur [18].
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O (3.14) Böylece hidroksil iyonları nötrüleşerek, beton pH derecesini düşmesine neden olur. Bu olaya karbonasyon denir. Buna benzer olarak kirli atmosferlerde bulunan SOx ve NOx gibi asit anidriti olan gazlar da kalsiyum hidroksit ile reaksiyona girerek beton pH derecesini düşürebilir. Gazların beton içine difüzyonu daha kolay olduğu için bu olaylar kuru halde bulunan betonlarda daha etkilidir. Karbonasyon sonucu beton pH derecesi 9’a kadar düşebilir. Bu pH derecesindeki beton artık pasifleşme özelliği gösteremez [18].
Karbonatlaşma reaksiyonunun kendisi betonun bozulmasına yol açmaz ancak betonun iç yapısında meydana getirdiği değişiklikler nedeniyle önemli sonuçlar doğurur. Karbonatlaşma, beton yüzeyinden iç bölgelere doğru hızı azalarak devam eder. Betonun iç bölgelerine doğru CO2 girişinin zorlaşması da reaksiyonun yavaşlamasının bir diğer nedenidir [9].
Donatı çeliğinde korozyon; beton yeterli kalitede değilse, yapı çevre koşullarına göre tasarlanmamışsa (korozyona karşı yalıtım önlemleri alınmamışsa) veya betonun hizmet ömrü boyunca değişiklikler varsa oluşur [27].
Sertleşmiş bir beton bünyesine çevreden klorür penetrasyonu hızı, betonun fiziksel yapısı ile doğrudan ilgilidir. Betonun porozitesi ve permeabilitesi ne derece az ise, beton içine penetre olabilen klorür miktarı da o derece az olur. Beton permeabilitesi başta
43
su/çimento oranı olmak üzere, beton yapımında kullanılan agrega granülometrisine, çimento dozajına, çimentonun kalıp içinde sıkıştırılmasına ve dökümden sonraki ilk günlerde uygulanan kür koşullarına bağlıdır. Pratikte betonarme demirlerinin korozyonunun başlaması için geçen süre de büyük önem taşır. Demirler mümkün olduğunca beton içinde derine konularak korozyonun etkisi azaltılmaya çalışılır. Ancak betonarme demirleri üzerinde bulunan beton tabakası kalınlığını (pas payı) çok fazla artırabilmek mümkün olmaz. Betonun su/çimento oranı azaltılarak betonarme demirlerinde korozyon olayının başlama süresi geciktirilebilir [18].
Özet olarak betonarme yapılarda donatı korozyonu iki şekilde başlayabilmektedir [5]. Betonarme elemanlardaki pas payı betonun (pas payı “net beton örtüsü”: “Bir beton elemanın içinde bulunan en dış donatının dışından beton bitim yerine kadar ölçülen kalınlık” olarak tanımlanmaktadır) yeterli geçirimsizliğe sahip olmaması nedeniyle karbonatlaşarak bazikliğini yitirmesi, böylece koruyucu tabakanın bozulması sonucu donatının korozyona açık hale gelmesi durumunda donatıda korozyon klor iyonlarının etkisi sonucu da meydana gelmektedir. Özellikle deniz kenarındaki yapılarda klor iyonları pas payını geçerek, donatıya ulaşabilmektedir [5].