Beton Donatılarındaki Korozyon Gelişimi

Beton içerisindeki klinker bileşiklerinin su ile reaksiyonu esnasında, silikatların hidrolizi ile kalsiyum hidroksit oluşur. Bu hidroksit kuvvetli bir bazik özelliğe sahiptir ve beton sertleştikten sonra da betondaki boşlukların içinde doymuş çözdü halinde bulunur. Taze betonun pir değeri alkali oksitlerinin de etkisiyle 12.5 civarında bulunur. Ancak beton yaşlandıkça, atmosferdeki karbondioksidin de etkisiyle, pir değeri zamanla düşer, Ama bu düşme aşırı derecede gerçekleşmez. pH derecesinin yüksekliğiyle, çelik yüzeyinde pasif bir oksit katı oluşur ve bu kat çeliği uzun süre korozyona karşı korur. Beton yapının çeşitli şekillerde tuzlu suyla teması söz konusu olabilir. Böyle durumlarda beton bünyesine giren klorür iyonları, betonarme çeliğinin yüzeyinde önceden oluşan oksit filmini parçalar ve çeliği şiddetli derecede bir korozyona uğratabilir. Beton içerisindeki çeliğin korozyonunu sadece çelik kaybı olarak değerlendirmek yanlıştır. Çünkü korozyon sonucu oluşan kimyasal bileşiklerin (pasın) çeliğe göre daha çok hacim gerektirmesi beton içerisinde iç gerilmelere ve çatlamalara neden olur. Deniz suyu içerisindeki betonarme yapılarda ise, deniz suyunun pH derecesi ve klorür iyonu miktarı beton içerisindeki çeliğe etki eder. Deniz suyunun pH derecesi yaklaşık 8 civarındadır. pH derecesi normal bir değerde olduğundan oksijen beton yüzeyine difüzyonla girer. Oksijen ve suda çözünmüş klorür iyonları çelik yüzeyine betondaki kılcal çatlaklardan girerek çeliğe korozif bir etki yaparlar. Asitler çeliğe büyük zarar verirler. Çeliği aşındırarak korozyona sebep olurlar. Çeliğe zarar veren en önemli asitler sülfürik asit, nikrik asit ve hidrojen klorürdür. Asitler genellikle beton karışım suyunda bulunur veya beton sertleştikten sonra temas ettiği sular vasıtasıyla içeriye girer. 
 

Galvanik korozyon en önemli elektrolitik korozyon çeşitlerinden biridir. Çözelti içerisinde iki farklı metalden anot görevi üstleneni korozyona uğrar. Betonarme çeliği içerisinde demir, krom, nikel, molibden gibi metaller bulunmaktadır. Korozyon olayı demir metalinde meydana gelir. Diğer metaller katot durumunda bulunduklarından korozyona uğramazlar. Doğru akımın betona etki etmesi sonucu, akım beton içindeki çeliğe zarar verir ve korozyonu hızlandırır. Dolayısı ile akım kaçakları mutlaka önlenmelidir. 

Beton içerisindeki çelikte pas olayı meydana geldiği takdirde pas beton ile çelik arasındaki aderansı olumsuz yönde etkiler. Beton ile çelik aşağı yukarı aynı genleşme katsayısına sahip, yani aynı uzama ve kısalmayı gösterebilen malzemelerdir. Hâlbuki pas, paslanan bölgede çelik içerisindeki demirin hacmini yaklaşık 5-6 kat artırabilmektedir. Beton çeliğin bu genleşmeyi yapmasını engellemeye çalışır, sonuçta beton iç gerilmelerle yırtılır. Çelik üzerindeki pas tabakası, bir süre sonra pasifliğini kaybeder ve korozyonun tekrar başlaması sonucu dökülmeye başlar. Dökülme sonucu kesit zayıflar ve betonla çelik çalışamaz olur.

Önerilen Makale: Paslanmaz çelik sac malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için çelik gözyaşı damlası levha sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

Betonarme içindeki çeliğin korozyonunda, bazı noktalarda demir metali çözelirken diğer noktalarda katodik reaksiyon meydana gelir. Bunun sonucunda arayer suyunda oksijen içeriği yeterince yüksekse OH- hidroksil iyonları oluşur. İkinci aşamada çözelmiş Fe⁺² metal iyonları suda mevcut diğer anyonlarla birleşerek çeliği kaplayan bir çökelti meydana getirirler. Beton içindeki çelik donatılar, teorik olarak, yüksek pH'daki bir ortama maruz kaldıkları ve bu koşullarda yüzeyleri her zaman pasif bir film ile kaplı olduğu için korozyona uğramazlar. Ortamın pH'ı 12 civarında iken çelik yüzeyindeki Fe²O³ veya Fe³0⁴ pasif demir oksit film tabakası kararlı haldedir çeliği korozyona karşı korur. Koruyucu film, demir katyonlarının elektrottaki çözeltiye girmesini ve oksijen anyonunun çelik yüzeyi ile temasını engelleyen bir bariyer gibi davranır. Bu olaya Passivasyon adı verilir. 

Pasif tabakanın çeşitli etkiler nedeniyle zedenlemesi, bozulması neticesinde korozyon başlayacaktır. Bu tip etkilere iki örnek olarak, ortamda klor iyonu konsantrasyonunun belirli bir sınır değerini aşması ve karbonatlaşnıayı verebiliriz. Çelik korozyonu başlıca iki nedene bağlı olarak gelişir: 

a) Karbonatlaşma
b) Klorür iyonlarının etkisi 

Çelik donatı yüzeyinde korozyonun başlaması için buraya su ve korozif element oksijenin erişmesi gereklidir. Eğer karbonatlaşma sebebi ile pH'ı düşmüş bölge metal yüzeyine kadar ulaşmış veya klorür iyonları pasif metal yüzeyine erişmiş iseler, her iki halde de çelik donatı yüzeyindeki pasif tabaka tahrip olur ve altında açığa çıkan metal, betonun geçirgenliğine bağlı olarak yüzeye erişen su ve oksijenin etkisi ile hızla korozyona uğrar. Korozyon ürünleri ise içerdikleri demirden daha büyük hacme sahip oldukları için betonu çatlatarak korozif sulu ortamın beton içine daha fazla yayınarak hem korozyonu hızlandırmasına hem de, meydana gelen çatlaklar ile betonun dayanıklılığının azalmasına neden olurlar. Çeliğin temas ettiği noktalarda, klorür konsantrasyonunun yüksek olduğu yerlerde pas tabakaları kırılır. Pasif kalan kısım katot, pasın kırıldığı kısımlar anot görevi üstlenir ve böylece korozyon başlar. Anot asidik, katot ise bazik özelliğe sahiptir. 

Çeşitli sebeplerle beton içine süzülen klor iyonlarının bir kısmı C³A ile reaksiyona girerek klora alüminatları oluşturur, yani klor iyonlarının bir kısmı "tutulmuş" olur. Fakat C³A'sı yüksek çimento kullanılarak imal edilen betonlarda kandro tuzu oluşumu, dolayısıyla hacim genişlemesi nedeniyle betonda çatlaklar oluşacak, klor difüzyonu kolaylaşacaktır.
 

Atmosferdeki karbondioksit ve rutubetin birlikte etkisi ile ( karbonik asit şeklinde ) beton bünyesindeki kalsiyum hidroksit, kalsiyum karbonata dönüşür. 

Bilindiği gibi hidratasyon neticesinde beton içinde Ca(OH)2 meydana gelmiştir ve Ca(OH)₂ ortamın alkalinitesirıe etkilidir. Fakat havanın CO₂ 'si ile birleşerek kalsiyum karbonatı oluşturur. Ca(OH)₂ suda eriyebilen bir madde olduğu halde kalsiyum karbonat suda erimez. Diğer bir değişle beton geçirimsiz hale gelir. Bu donatının korozyonu açısından iyidir. Fakat öte yandan kalsiyum karbonat oluşumu betonun alkalinitesini azaltır, pasif tabakanın bozulmasını kolaylaştırır. Karbonatlaşmanın olmadığı durumda ise beton içindeki Ca(OH)₂ suyla yıkanır ve beton daha da geçirimli hale gelir ki bu korozyon için daha da kötüdür. 

Karbonatlaşma beton ortamının alkaliliğini pH 8.5'a kadar düşürür. Eğer karbonatlaşmış bölge çelik donatı yüzeyine erişirse buradaki pasif koruyucu film tahrip olur ve korozyon başlar. Beton yüzeyi atmosferle temas halinde olduğundan atmosferdeki karbondioksit çimento içindeki kalsiyum hidroksit ile reaksiyona girer ve kalsiyum karbonatla su açığa çıkar. Kalsiyum karbonat yavaş yavaş derinlere doğru inerek çeliğe temas eder ve korozyonu başlatır. Buna karbonasyon olayı denir. Beton karbonasyona uğradığı zaman betonda serbest klor miktarı artar. Bunun nedeni çözelti içindeki klorların veya beton gözenekleri üzerinde bulunan klorların ayrılmasıdır. Klorürler karbonasyona uğramış bölgede çelik donatıya doğru daha hızlı hareket ederek, daha önce betona ulaşmaktadır. 

Eğer betonda çatlak varsa çatlağın iç kısımları tamamen karbone olur. Çatlak bölgenin uç kısım çeliğe değdiği zaman hemen korozyon başlar. Çünkü klorürler karbonasyona uğramış çatlak bölge içerisinde son derece hızlı hareket ederler. Karbonatlaşma hızı zamanın karekökü ile orantılıdır. Karbonatlaşma derecesi betonun su içeriği ve ortam rutubetinin bir fonksiyonudur. Karbonatlaşma "yüzey/hacim" oranı ile de ilişkilidir. Bu oranın yüksek olduğu yapılarda karbonatlaşma daha hızlıdır. Beton yüzeylerinin uygun organik boyalarla boyanması karbonatlaşmayı büyük oranda engelleyebilir. 
 

Su içinde bulunan çözülmüş oksijen konsantrasyonu korozyon açısından büyük önem taşır. Oksijenin sudaki çözünürlüğü oldukça küçüktür ve sıcaklık arttıkça azalır. Oksijenin tuzlu sular içindeki çözünürlüğü de saf suya göre daha azdır. Tuz konsantrasyonu arttıkça su içinde çözünmüş haldeki oksijen konsantrasyonu gittikçe azalır. Bu nedenle yüksek konsantrasyondaki tuzlu sular içinde korozyon hızının artık artmadığı görülür. 

Beton içine klorür iyonu betonun hazırlanması sırasında veya daha sonra dış ortamdan nüfuz ederek girebilir. Korozyona sebep olan klorür iyonları serbest iyonlardır. Beton kurudukça klorür ve hidroksil iyonlarının oranı azalır. Buna karşın ortam gittikçe korozyona elverişli olur. 
 

Beton içine klorür başlıca iki yoldan girer. Bunlardan birincisi ve önlenebilir olanı, beton karışımı hazırlanırken kullanılan kum, çakıl, karışım suyu ve çeşitli katkı maddeleri ile giren klorür bileşikleridir. İkincisi ve pratikte daha sık rastlanan, beton sertleştikten sonra çevreden beton içine difüzlenen klorür iyonlarıdır. Betonarme demirlerinin korozyonu üzerine başlangıçta ve sonradan giren bu klorürlerin etkisi farklıdır. Başlangıçta beton içine klorür iyonlarının bir kısmı, çimento hidratasyon reaksiyonu sırasında çimento klinker bileşiklerinden trlicalsiyum alüminat ile reaksiyona girerek suda çözünmeyen bir bileşik olan trılcalsiyum alümino klorürü oluşturur. Böylece klorür iyonunun bir kısmı bağlannnş olur. Bu bağlı klorürün pasifliği bozucu etkisi yoktur. Korozyon üzerine beton boşluk suyu içinde çözünmüş halde bulunan serbest klorür iyonları etkili olur. Klorür iyonu, elektronegativitesi yüksek bir iyondur. Bu nedenle metal yüzeyinde oksijen ve hidroksit iyonlarrıdan daha sağlam şekilde adsorbe edilir. Adsorbe olan bu klorür iyonları korozyon sonucu oluşan demir iyonları ile birleşerek demir klorür halinde çözeltiye geçer. Böylece metal yüzeyinde Fe(OH)₂ çökelmesi ve pasif filmin oluşması önlenmiş olur. Bu bölgede korozyon olayı artık oto katalitik olarak devam eder. Çünkü çözelti içine giren demir klorür su ve oksijenle birleşerek pası oluştururken, klorür iyonu yeniden çözelti içine karışır. Klorür iyonu doğrudan korozyon yaratmaz. Ancak bir katalizör gibi korozyon olayının hızını artırıcı olarak rol oynar. Klorür iyonu ile kirlenmiş betonlar içinde çukur korozyonu olayına sıkça rastlanır. 

Klorür iyonunun çukur korozyonu oluşturması yukarıdaki zincirleme reaksiyonların dar bir bölgede yürümesi sonucu ortaya çıkar. Çevreden beton içine difüzlenen klorür iyonları pasif halde bulunan betonarme demirleri üzerindeki pasif tabakayı bozarak korozyona neden olabilir. Klorür iyonu su içinde çözünmüş olarak beton kılcal çatlaklarından veya boşluklarından ilerleyerek belli bir süre içinde yüzeye en yakın olan betonarme demirine ulaşır. Burada metal yüzeylerinde bulunan pasif tabakayı geçerek metal yüzeyinde adsorblanır. 

Betonarme demirlerinin potansiyeli pasif halde iken — 0,200 Volttan daha pozitifdir. Klorür iyonlarının adsorbsiyonu ile betonarme demirlerinin potansiyelinde negatif yönde artış olur. Böylece yüzeye yakın olan betonarme demirleri anot olurken alt kısımda kalan ve klorür iyonlarının erişemediği demirler katot olur. Metalik bağlantı yoluyla anottan katoda doğru bir elektron akımı başlar.

Bu iki betonarme demiri arasında bir korozyon hücresi oluşur. Klorürsüz bir ortamda meydana gelen korozyon olayında anot bölgesinde çözünen demir iyonları demir hidroksit halinde metal yüzeyinde çökeldiği halde, ortamda klorür bulunması halinde çökelme ve metalin pasifleşmesi söz konusu olmaz Aksine olarak, anot reaksiyonu ile çıkan hidrojen iyonları pH'ı düşürür ve korozyon hızlanarak devam eder. Korozyon hızı katot bölgesine oksijen difüzyon hızının kontrolüne girer ve katotta oksijen redüksiyon reaksiyonu için harcanan elektronlara eşdeğer miktarda demir çözeltiye geçer. Böylece daha az oksijen alan bölgelerde şiddetli bir korozyon olayı başlamış olur.

1. Beton içindeki çeliğin doygun bakır-bakır sülfat referans elektrotuna göre ölçülen potansiyel değeri eğer, - 0,200 Volttan daha pozitif ise, %90 bir olasılıkla korozyon mevcut değildir. 

2. Beton içindeki çeliğin doygun bakır-bakır sülfat referans elektroduna göre ölçülen potansiyeli eğer, - 0,200 Volt ile 0,350 Volt arasında bulunuyorsa, söz konusu çeliğin korozyona uğrayıp uğramadığı belirsizdir.

3. Beton içindeki çeliğin doygun bakır-bakır sülfat referans elektroduna göre ölçülen potansiyel değeri eğer, 0,350 Volttan daha negatif ise, %90 bir olasılıkla söz konusu çelik korozyona uğramaktadır.

4. Beton içindeki çeliğin doygun bakır-bakır-sülfat referans elektroduna göre ölçülen potansiyel değeri eğer, - 0,500 Volttan daha negatif ise, şiddetli korozyon olayı söz konusudur.

Beton içindeki çeliğin doygun bakır-bakır sülfat referans elektroduna göre ölçülen potansiyeli eğer pozitif bir değer gösteriyorsa, ya beton kuru haldedir veya çeliğe kablo bağlantısı iyi yapılmamıştır ya da çevreden kaçak akımlar söz konusudur. Bu değerlendirmeler saf su veya içme suyu derecesinde temiz sular için geçerlidir. Klorür içeren sularla temas eden betonlarda çeliğin pasifliği bozulabilir.
 
Tuzlu zemin ve sular ile temas eden beton bünyesine su içinde çözünmüş olarak klorür iyonları girebilir. Daha sonra beton kuruduğu zaman su buharlaşarak uzaklaşır. Klorür ise beton boşlukları içindeki su içinde çözünmüş olarak kalır. Bu olay permeabilitesi yüksek olan betonlarda daha etkin şekilde kendini gösterir. Bataklık, sel yatağı ve çöl gibi tuzlu zeminler içinde bulunan beton borularda bu olay gerçekleşebilir. Yer altı suyu bulunmasa bile, yağış suları toprak içinde bulunan klorür iyonunu çözerek beton bünyesine taşıyabilir. Bu olay zeminin heterojen yapısı nedeniyle bölgesel olarak kendini gösterir ve beton içinde yer yer farklı klorür konsantrasyonu oluşmasına neden olur.