Elektrokimyasal Korozyon Teorisi ve Betonarme Demirlerinin Korozyonu

Korozyon, biri anotta oksidasyon, diğeri katotta redüksiyon şeklinde aynı anda yürüyen iki elektrokimyasal reaksiyondan oluşur. Bu açıdan bakıldığında korozyon olayı kendiliğinden akım üreten bir galvanik pil olarak düşünülebilir. Korozyonun yürümesi için mutlaka iki ayrı metalin bulunması şart değildir. Korozyon, bir metal yalnız başına elektrolit içinde bulunurken de meydana gelebilir. Metal yapısında veya yüzeyinde bulunan bazı farklılıklar nedeniyle iki bölge arasında bir potansiyel farkı oluşabilir. Bunun sonucu olarak metal yüzeyinin bazı bölgeleri katot, bazı bölgeleri de anot olur. Böylece mikro ya da makro ölçüde korozyon hücreleri oluşur. Anot ile katot arasındaki elektron akımı metal üzerinden gerçekleşir. Korozyon

olayı metalin oksidasyonu ile anotta meydana gelir ve metal elektron vererek iyon halinde çözeltiye geçer.

Katot reaksiyonu elektrolit ortamının pH derecesine ve elektrolit içinde çözünmüş oksijen miktarına bağlıdır. Doğal elektrolitler içinde yürüyen korozyon olaylarında başlıca aşağıdaki iki reaksiyon söz konusudur.

a) Asidik ortamlarda katot reaksiyonu hidrojen iyonu redüksiyonu ile gerçekleşir. Hidrojen çıkışı için elektrolit pH derecesinin küçük olması gerekir.

2H+ _{+ 2e}- _{→ H}

2 (3.1)

b) Nötral ve çözünmüş oksijenin bulunduğu ortamlarda katot reaksiyonu su içinde çözünmüş olan oksijenin elektron alarak hidroksil iyonu haline dönüşmesi şeklinde yürür.

½ O2 + H2O + 2e- → 2OH- (3.2)

Doğal sular içinde pH genellikle 7’den daha yüksektir. Bu nedenle doğal sular içindeki korozyon olayı eşitlik (3.2)’de olduğu gibi katotta oksijen redüksiyonu ile birlikte yürür. Anot reaksiyonunda açığa çıkan elektronların harcanması için katot reaksiyonu da aynı anda yürümelidir. Dolayısıyla nötr ve alkali çözeltiler içinde korozyonun yürüyebilmesi için elektrolit içinde mutlaka çözünmüş oksijenin bulunması gerekir.

Metal yüzeyinin her bölgesi aynı derecede oksijen almayabilir. Daha fazla oksijen alabilen bölgeler katot, az oksijen alan bölgeleri de anottur. Böylece bu iki bölge arasında konsantrasyon piline benzer şekilde bir korozyon hücresi oluşur. Bu korozyon hücresinin anot olan bölgelerinde metal iyon haline geçerek korozyona uğrar. Katot bölgelerinde yalnızca indirgenme reaksiyonları meydana geleceğinden korozyon söz konusu olmaz.

Korozyon olaylarında elektrolit genellikle iyon içeren bir sulu çözeltidir. Pratikte bu çözelti zemin, beton vb. iyon içeren bir ortam olabilir. Elektrik akımı elektrolit içinden iyonlar tarafından taşınır ve elektronlar dış devrede anottan katoda doğru akar. Dış devrede elektrik akımı yönü, elektron akış yönünün tersine olarak katottan anoda doğrudur. Böyle bir korozyon hücresi şematik olarak Şekil 3.1’de görülmektedir.

Şekil 3.1 Betonarme Demiri Üzerinde Oluşan Bir Korozyon Hücresi [64]

Betonarme demirinin herhangi bir noktası Şekil 3.1’de görüldüğü gibi anot olur. Bu bölgenin yanında bulunan bölgeler de katot olur. Böylece bir mikro korozyon hücresi oluşur. Anot reaksiyonu sonucu açığa çıkan elektronlar metal üzerinden katot bölgelerine taşınır ve orada oksijenin indirgenme reaksiyonunda kullanılır. Bu açıdan bakıldığında korozyon hücreleri bir kimyasal pil olarak kabul edilebilir. Korozyonun meydana geldiği anot bölgesinde betonarme demiri çözünerek demir iyonu haline dönüşür. Normal haldeki bir beton içinde ortam kalevi olduğu için demir hidroksit oluşur ve anot bölgesinde metal yüzeyine çökelerek bir tabaka oluşturur. Bu tabaka korozyonun daha fazla yürümesini önler ve betonarme demirini kısa süre içinde pasifleştirir.

Betonarme demirleri birbirlerine iletken bir katı yolla bağlıdır. Dolayısıyla anot reaksiyonu sonucu oluşan elektronlar, eğer potansiyel farkı yeterli olursa, uzak mesafelere taşınabilir. Bu durum da Şekil 3.2’de görüldüğü gibi makro ölçüde korozyon hücreleri oluşabilir. Betonun yüzeye yakın olan herhangi bir bölgesinde, çevreden beton bünyesine giren su veya klorür iyonları nedeniyle bu bölgede demir potansiyelinde negatif yönde artış olur. Bunun sonucu olarak bu bölgede anot olarak korozyon olayı meydana gelirken, oluşan elektronlar katot rolü oynayan uzak bölgelere taşınır.

Yukarıda açıklandığı üzere korozyon olayları korozyon hücrelerinin anot ve katodunda aynı anda meydana gelen yükseltgenme ve indirgenme reaksiyonları ile yürür. Beton gibi alkali özellikte olan elektrolitler içinde demirin korozyonu sonucu aşağıdaki reaksiyonlar ile pas oluşur.

Anot reaksiyonu : Fe → Fe2+ + 2e- (3.3) Katot reaksiyonu : ½ O2 + H2O + 2e- → 2OH- (3.4)

Toplam reaksiyon : Fe + ½ O2 + H2O → Fe(OH)2 (3.5)

Korozyon sonucu oluşan demir-2 hidroksit ortamda yeterli oksijen bulunması halinde yeniden oksitlenerek demir-3 hidroksit (pas) haline dönüşür.

2Fe(OH)2 + ½ O2 + H2O → 2Fe(OH)3 (3.6)

Betonarme demiri üzerinde oluşan korozyon hücresinin anot ve katot bölgeleri Şekil 3.3’de görülmektedir.

Şekil 3.3 Betonarme Demiri Üzerinde Oluşan Korozyon Hücresinin Anot ve Katot Bölgeleri [64]

Oluşan demir-3 hidroksit uygun koşulların bulunması halinde γ Fe2O3 halinde demir

yüzeyine yapışarak demirin pasifleşmesini sağlar. Eğer ortamda klorür iyonları gibi aktif özellikte iyonlar varsa, korozyon sonucu oluşan demir iyonları klorür iyonları ile birleşerek suda kolayca çözünebilen demir klorür haline dönüşür ve demir yüzeyinden uzaklaşır. Ancak demir klorür alkali ortamda kolaylıkla hidroliz olarak demir hidroksite dönüşür.

Fe2+ _{+ 2Cl}- _{→ FeCl}

2 (3.7)

Böylece metal yüzeyinde pasifleştirici demir oksit tabakasının oluşması önlenir. Diğer taraftan oluşan klorlu hidrojen anot bölgesinde asidik bir ortam yaratarak korozyonun daha hızlı yürümesine neden olur.

Bu reaksiyonlardan görüldüğü üzere, nötr bir ortamda korozyonun yürümesi için mutlaka oksijene ve de suya ihtiyaç vardır. Elbette anot ve katot reaksiyonlarını yürütebilmek için, iki bölge arasında bir potansiyel farkında bulunması gerekir. Anotta açığa çıkan elektronların katot reaksiyonu ile aynı anda kullanılması gerekir. Bunun için her iki bölge arasında metalik iletken bir bağ olmalıdır. Anodik veya katodik reaksiyonlardan herhangi birinin engellenmesi halinde korozyon durur.