Çimento ile su arasındaki hidratasyon reaksiyonları sonucu oluşan Ca(OH)2 (sönmüş kireç) betonun pH'ını yüksek tutar. (yaklaşık 12~13) [24]. Beton içindeki yüksek alkali ortamı, donatı çeliğine sıkıca yapışarak bir film oluşturur [27]. Betondaki çelik, normal
33
olarak çelik çimento ara yüzeyinde alkalin çimento matris içerisinde oluşan bu pasif film tarafından korozyondan korunmaktadır [28].
Pasif tabaka; kararlı, koruyucu bir oksit tabakasıdır. Bu tabaka elektriksel direnci artırarak ve/veya konsantrasyon polarizasyonuna yol açarak anodik akım yoğunluğunu kısıtlar, korozyona karşı sigorta görevi görür [22].
Herhangi bir ortamdaki çeliğin korozyon prosesi Fe atomlarının paslanan (aşınan) çelikten sürekli olarak uzaklaşması ile gerçekleşir [29].
Bu pasif film deniz atmosferi veya tuzlar ile gelen klor ile veya betonun atmosferdeki karbondioksit ile reaksiyonu sonucunda karbonasyon ile ph’ının düşmesi sonucunda zarar görerek depassivasyona uğrayabilir [30].
Korozyon her zaman birbirini tamamlayan iki elektro-kimyasal reaksiyonla meydana gelir. Bunlar oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarıdır. Oksidasyon atom halindeki metalin (çeliğin) elektron kaybederek iyona dönüşmesi, redüksiyon ise atomdan ayrılan elektronların başka bir ortamda harcanmasıdır. Oksidasyona anot reaksiyonu, redüksiyona katot reaksiyonu adları verilir [14].
Bunlardan birinin önlenmesi korozyon sürecini durdurur. Kendi tuzlarından biriyle hazırlanmış elektrolitik sıvıya daldırılmış metal, bir yarı hücre oluşturur. Onun belirli bir elektro potansiyeli mevcuttur, başka bir yarı hücreye iletken aracılığıyla bağlandığında tam hücreye yani pile dönüşür [14].
Elektrik akımı, reaksiyonların ilerlemesi için iki bölge arasında kapalı döngü olarak akmalıdır. Genel proses elektriğin üretildiği kuru pil hücresine çok benzerdir. Bu tür piller teknik olarak galvanik hücre olarak tanımlanırlar. Bu nedenle korozyon prosesi bazen galvanik korozyon olarak da isimlendirilir [29].
Betonarmedeki çelik çubuğun korozyonu için başka bir iletkene gerek yoktur; aynı çelik çubuk üzerinde elektrokimyasal tam hücre kendiliğinden oluşur. Nem, elektrolitik ortamı, çeliğin kendisi de elektronları ileten elektronik iletkeni oluşturur. Oksijen konsantrasyonundaki farklılık çelik üzerinde anot ve katot bölgelerini oluşturur. Bunlardan oksijeni az olan bölgeler hasar gören anot, çok olan bölgeler ise korunan katottur. Oksijen paradoksuna göre, paslanma, oksijenin oranla az bulunduğu bölgelerde daha belirgindir [9].
34
Oksijenin betona giriş hızı betonun suya doygunluk derecesinden etkilenir; ıslanma- kuruma etkisindeki elemanlarda korozyon çok daha hızlı gelişirken, tamamen suya doygun elemanlarda ihmal edilebilir seviyesindedir. Oksijen, katodik reaksiyonda harcandığı için su içinde çözünmüş olmalıdır. Dolayısı ile oksijenin suda çözünürlüğünü etkileyen tüm faktörler reaksiyonun hızını da etkilerler [9].
Beton içindeki çelik, korozyona uğradığında gözenek suyunda çözünür ve elektronlar verir [22]. Bu çözünme prosesi sonucunda çelik kütle kaybeder ve enine kesiti küçülür [29].
Anot elektron üreten ünitedir, katot üretilen elektronları (emen) ünitedir, elektrolit ise içerisinde elektron akımının yer alabildiği ortamdır. Demirin anot ve katot reaksiyonları bazı tepkimeler ile oluşmaktadır. Bu tepkimeler sırasıyla aşağıda gösterilmiştir [14]. Anodik reaksiyon: Fe→Fe+2+2e- (3.3) Anodik reaksiyonla üretilen elektronlar, anodik bölgeden kullanılacakları katodik bölgeye akarken, dış beton gözenek suyu çözeltisindeki karşı akım iyonik akışı korozyon akımını oluşturur. Bu akış son derece önemlidir çünkü bunun kesintisi korozyon prosesinin durmasına sebep olabilir [29].
Anodik reaksiyonda ortaya çıkan iki elektronun (2e -) çelik yüzeyinde başka yerde "elektriksel nötralize"yi korumak için harcanması gerekir. Diğer bir deyişle; çelik üzerinde bir yerde yüksek miktarlarda elektriksel yükün birikmesi mümkün değildir; diğer bir kimyasal reaksiyon elektronları tüketmelidir. Bu olay, su ve oksijeni de kullanan bir reaksiyondur [22].
35
Korozyon ürünü
Donatı
Çeliği Beton
Fe→Fe++ + 2e - 1/2O2 +H2O+2e-→2OH-
Fe++ +2OH-→Fe(OH) 2 O2 H2O CO2 Cl 2OH 2e Katot Anot
Şekil 3.4 Betondaki çeliğin korozyonunun şematik gösterimi [9].
Hidroksil iyonları, katodik reaksiyon da oluşur. Bu iyonlar, lokal bazikliği artırır ve böylece katotta karbonatlaşma ve klor iyonlarının etkilerini geri çevirerek pasif tabakayı sağlamlaştıracaktır [22]. Katotta (3.4) reaksiyonu sonucu ortaya çıkan (OH)-
iyonlarının elektrolitik sıvı sayesinde anoda gelmesiyle tam hücrenin elektrik devresi kapanır [14]. Korozyonda unutulmaması gereken; katotta reaksiyonun oluşması için su ve oksijenin de gerekli olduğudur. Betona doğru oksijen difüzyonu, betonun suya doymuşluk derecesinden ciddi bir biçimde etkilenir. Örneğin; bir araştırmada, betonun suya doygunluk derecesi %50'den %100'e yükseldiğinde oksijen akışı 5 defa, s/ç oranı 0, 6'dan 0, 4'e indiğinde 2 defa, paspayı 10 mm'den 70 mm'e çıktığında 2, 5 defa azalmıştır [22].
Korozyon prosesinin devam edebilmesi için katodik bölgedeki reaksiyonda kabul edilen elektronların anodik bölgeden verilen elektronların sayısına eşit olması gerekmektedir. Böylece katodik bölgede reaksiyona giren her çözünmüş oksijen molekülü için iki demir atomu iyonize olmalı ve anodik bölgede çözünmelidir. Gerçek metal giderim prosesi olan anodik reaksiyon eğer sadece anodik bölgede üretilen elektronları azaltıcı olarak davranan bir katodik reaksiyon var ise sürdürülebilecektir. Bu nedenle katodik bölgede oksijen ve su yok ise korozyon prosesi sona erecektir. Çelikteki elektriksel akım, anottan katoda elektron akımının bir sonucudur. Dış akım çeliği çevreleyen betondaki porlardaki çözelti içerisinden akmaktadır. Dış akım, katottan anoda doğru hareket eden negatif yüklü hidroksit iyonlarından ve anottan katoda doğru hareket eden
36
pozitif yüklü demirli iyonlardan oluşur. Beton gözeneklerindeki suyun alkali ve kalsiyum hidroksitlerin seyreltik bir solüsyonu olduğunu ve iyonik akışta bir araç olarak hizmet verdiğini anlamak önemlidir. Eğer gözenekler kurutulursa ya da beton gözenekleri içerden bağlantılı olmayacak şekilde oldukça yoğun olursa gözeneklerin içinden iyon akışı zorlaşır [29].
Anodik ve katodik reaksiyonlar, pas oluşumunda sadece ilk adımlardır. Eğer demir gözenek suyunda sadece çözünmekle kalsaydı betonun çatlaması ve parça kopması görünemezdi. Pas’ın oluşması için birkaç aşamanın daha oluşması gerekmektedir [22]. Anoda gelen bu hidroksil iyonları ile elektrolit solüsyonun içerisinde Fe+2
iyonları reaksiyona girerek ferro hidroksiti oluşturmaktadır [14]. Ferro hidroksitin ferik hidroksidi oluşması ve daha sonra hidrate ferik oksit ve pas oluşumunu gösteren tepkime dizisi aşağıdaki gibidir ve şekilde donatı çeliği üzerinde oluşan korozyon tepkimeleri detaylıca görülmektedir [22].
İyonik Akım
Elektronik Akım
4 Fe(OH)2+O2 + 2H2O→ 4Fe(OH)3→2Fe2O3.H2O+ 4H2O
PAS
Fe2+ +2OH-→Fe(OH) 2
Fe→Fe2+ + 2e-
1/2O2 +H2O+2e-→2OH-
Şekil 3.5 Çelik Donatı Üzerinde Oluşan Korozyon Tepkimeleri
Fe2+ +2OH- →Fe(OH)2 (3.5) Demirli hidroksit
4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3 (3.6)
Ferrik hidroksit
37 Hidratlaşmış ferik oksit (pas)
Hidratlaşmamış ferrik oksit Fe2O3, büyük bir hacime sahiptir. Hidratlaştığı zaman, daha çok şişer ve gözenekli olur. Bu olayda, çatlamaya ve parça kopmalara yol açıp donatı üzerinde kırmızı/kahverengi, gevrek, ufak paslar ve beton çatlaklarında pas lekeleri gözlenebilir [22]. Buradaki su, korozyon olayının devamına yardımcı olabilmektedir [14].
Pas genellikle beton içindeki çeliğin etrafındaki dar bölgelerde birikir. Bu dar bölgelerdeki pas oluşumu betonun çatlamasına neden olabilecek olan gerilimin artmasına neden olur [29].
Çelik donatı korozyon sonucu kesit ve süneklik kaybına uğrar. Oluşan reaksiyon ürünleri nedeniyle betonda oluşan hacim artışı önceleri örtü betonunun çatlamasına, ilerleyen aşamalarda ise tamamen dökülmesine neden olur [9].
Bazen metal oldukça homojen bir yapıda olsa bile etrafını kuşatan farklı bölgelerden dolayı yerel korozyona uğrayabilir. Böyle korozyon genellikle çözünmüş oksijenin bölgesel konsantrasyon farklılıklarından kaynaklanır. Eğer çelik boyunca belirli bölgeler, diğer bölgelere göre daha çok havaya maruz kalıyorsa korozyon açığa çıkabilir. Çözünmüş oksijenin konsantrasyonunun daha yüksek olduğu havalanan bölgeler katodik olmaya eğilimlidir ve daha az havalanan bölgeler anodik olmaya eğilimlidir. Bu bölgesel tipteki korozyon genel olarak havalandırma hücre korozyonu olarak isimlendirilir. Havalandırma hücre korozyonu, konsantrasyon hücre korozyonu genel adı ile bilinen genel sınıftaki korozyon çeşitlerinden biridir. Hatta konsantrasyon hücre korozyonuna, çelik donatıyı kuşatan betonun farklı bölgelerindeki nem içeriklerindeki farklılıklar sebep olabilir [29].
Eğer korozyon hızı kontrol edilebilir ve düşürülebilirse, korozyon uygulamada ciddi bir problem olmadan oluşabilir. Korozyon hızını kontrol etmede en önemli faktör katodik bölgeyi saran çözünmüş oksijen mevcudiyetidir. Oksijen katodik reaksiyonla tüketilir ve metalin katodik bölgesini kuşatan çözeltide sürekli sağlanabilirliği engellenebilirse korozyon engellenebilir. Bu oluşumun birinci yolu çözünmüş veya gaz halindeki oksijenin çevreden difüzyonunu engellemek veya yavaşlatmak için çeliğin yüzeyini koruyucu bir tabaka ile (mesela beton örtüsü) sarmaktır. Korozyon hızı düzenleme prosesinin başında oksijenin düşük difüzyonu ile anodik ve katodik bölgelerdeki
38
potansiyel farkında önemli bir düşüş elde edilir. Bu etki polarizasyon etkisi ve proses polarizasyon prosesi olarak isimlendirilir [29].