Betonun Çelik Korozyonuna Etkisi

Korozyon, çevrenin elektro-kimyasal etkisi ile oluşan ve özellikle metallerde önemli hale gelen malzeme kaybı olarak tanımlanmaktadır. Korozyon, metallerin elektron kaybederek oksitlenmeleri ve metal iyonuna dönüşmesi olarak da bilinir. Elektron alışverişi şeklinde gelişen reaksiyonlara elektro-kimyasal reaksiyonlar denir. Elektro-kimyasal süreç birbirinden ayrı şekilde fakat aynı zamanda meydana gelen oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarından oluşur. Anot reaksiyonu adı verilen oksidasyon, sulu ortamda metalin elektron kaybederek katyona dönüşmesidir. Reaksiyonda gösterildiği gibi elektron kaybeden metal elemana anot adı verilir. Katot reaksiyonu adı verilen redüksiyon ise ortaya çıkan elektronların reaksiyonlarında olduğu gibi sarf edilmesidir. 

Elektro-kimyasal korozyonun sürekliliği için anot reaksiyonunun muhakkak surette katot reaksiyonu ile tamamlanması gerekir. Anot reaksiyonunda meydana gelen metal iyonu, bulunduğu sulu ortam içinde çözülür, dağılır ve/veya çökelen bir korozyon ürünü meydana getirir, böylece anot olan metalde, bir malzeme kaybı, yani bir hasar oluşur. Korozyonun sürekliliği için bir diğer koşul ise katot ve anotun elektriksel akım geçişini sağlayan bir iletkenle bağlı olmaları ve anotta açığa çıkan elektronların katoda iletilmesidir. Birisi aktif öbürü daha az aktif iki metalin birbiri ile teması aktif metalin çözünmesine sebep olur. Galvanik korozyon olarak bilinen bu olayda elektron veren metal anot, alan metal ise katot olur. 
 

Beton İçin Çelik Donatı Çeşit ve Özellikleri 

Normal beton çeliklerinin basınç ve çekmede kullanılabilir mukavemetleri beton basınç mukavemetinin yaklaşık 15 katı, çekme mukavemetinin 100 katı kadardır. Bu özellikler iki malzemenin uygun birleşimi ile kullanılarak basınç etkisini beton, çekme etkisini çelik taşıyacak şekilde tertiplenmesi gerekli kılmaktadır. Böylece, betonarme kirişlerde basınç etkisine beton direnç gösterir, çekme yüzeyi tarafına yakın konulmuş boyuna donatı, çekme kuvvetine direnç gösterir ve ilave konulan donatılarla kesme kuvvetinin oluşturduğu eğimli çekme etkilerine direnç gösterir. Hiçbir zorunluluk olmaması halinde bile minimum donatı olarak bütün beton kesitlerde donatı kullanılmaktadır ki, kazaen oluşan eğilme moment etkilerini alabilsin ve kırılmayı önlesin. Betonarmede en önemli prensip, donatı ile betonun birlikte deformasyon yapmasıdır. Donatı ile etrafındaki beton arasında birbirine kenetleyen aderans bu iki malzemenin birbirine göre farklı hareket etmemesini birlikte çalışmalarını sağlayandır. Bu aderans kimyasal olarak yüzeylerin birbirine kaynaması sonucu oluşur ve ilave olarak beton-çelik birleşim yüzeyinin pürüzlü olması ve çubuktaki eğrilikler aderansı destekleyici etkenlerdir. 

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

Normal Beton Donatı Çubuk Özelikleri 

En çok bilinen donatı tipi yuvarlak kesitli çubuklardır. Normal kullanım amacı için 6 mm'den 28 mm'ye kadar hatta daha büyük çaplı üretilmektedir. Yüzeyleri pürüzsüz olduğu gibi, pürüzlüde üretilirler ki bunlara Nervürlü çubuk olarak da adlandırılır. İki önemli sayı çeliğin karakterini belirler; Çeliğin akma sınırı ve Elastisite modülü Es. Elastisite modülü bütün donatı çubuklarında yaklaşık olarak aynı değerdedir ve Es = 200.000 Mpa olarak alınabilir. Çekme ve basınç altında aynı gerilme-deformasyon özelliklere sahiptir. Çeliklerin kimyasal bileşimlerinde bulunan karbon miktarı mekanik özelliklerini etkilemektedir. Karbon miktarı az olan ve piyasada yumuşak çelik olarak adlandırılan S220 (a) sınıfı çelikler başlangıçta elastik davranış göstermekte ve akma sınırında aynı gerilme altında fazla uzama yapmaktadır. Bileşeninde karbon oranı arttıkça uzama özelliği azalır. Yüksek mukavemetli karbon çeliklerinde ( S420 (b) ) akma limiti çok belirgin değildir ve elastik davranıştan sonra deformasyon sertleşmesi denilen eğrinin yatıklaşması başlar ve maksimumdan geçer aşağı iner ve kopma meydana gelir. 

Beton Çeliğinin Korozyon Prosesi 

Çelik yapıların göreceli olarak az olduğu inşaatlarımızda donatılı yani içinde değişik miktar ve kalınlıkta çelik (ön gerilmeli veya gerilmesiz) bulunan beton en yaygın olarak kullanılan malzemedir. En önemli inşaat malzemelerinden biri olan betonun çekme dayanımını artırmak amacıyla gerekli yerlere betonarme demiri (çelik takviye) kullanılır. Betonarmede kullanılan çelik, gerçekte atmosferik etkilere ve sulu çözeltilere dayanaksız yumuşak demirdir. Ancak bu çeliğin beton içerisindeki korozyon hızı çok yavaştır. Bu durum çeliği çepeçevre saran betonun bazik özelliğinden ileri gelir. Ayrıca betona gömülü çeliğin yüzeyine atmosfer oksijeni çok zor ulaşır, bu da yine korozyon hızının düşmesinde yardımcı olur. Çelik donatıyla dayanımı güçlendirilmiş beton dünyada en çok kullanılan inşaat malzemelerindendir. Beton içerisinde yerleştirilen demir donatı ile oluşturulan yapılarda kaliteli bir beton; uygun kür koşullarının sağlanması, donatının iyi yerleştirilmiş olması, uygun su / çimento oranının seçilmesi, uygun agrega kullanılması vb. koşullar sağlanarak elde edilir. Beton dayanımını arttırmak üzere kullanılan betonarme demirlerindeki korozyon sadece metalin değil beton yapının ömrü açısından da önem taşır. Betonarme yapılarda dayanıma etki eden etmenler (karma suyu, çimento türü, agrega bileşimi, betonarme yarının bulunduğu çevre vb.) aynı zamanda betonarme demirinin korozyonuna etki eder.

Beton elektrik direnci ve içerisindeki iyon oranı çeliğin korozyonuna etki eder. Direnç büyüdükçe korozyon azalır, iyon oranı arttıkça korozyon artar. Beton pH derecesinin yüksek oluşu nedeniyle beton içinde yürüyen korozyon olayında katotda hidrojen çıkışı değil oksijen redüksiyonu meydana gelir. Yani korozyon hızı doğrudan katot bölgesine oksijen difüzyonu lazım bağlıdır. Atmosferden beton bünyesine giren oksijen, boşluk suyu içinde çözünerek yüzeye en yakın olan betonarme demirlerinin anot olmasına neden olur Daha derinde olan ve az oksijen alan bölgelerdeki demirler de katot olur. Korozyon reaksiyonunun yürümesi için yalnız oksijene değil, aynı zamanda ve mutlaka suya da ihtiyaç vardır. Beton, alkalinitesi yüksek bir ortamda ve içindeki çelik yüzeyinde kararlı, koruyucu bir oksit tabakası oluşturarak anodik akım yoğunluğunun kısıtlanmasına yardımcı olur. Bu olaya alkali pasivasyon adı verilir. Ancak beton, klorür iyonlarının donatıya kadar nüfuz etmesine neden olacak kadar geçirimli ise, ortamda su ve oksijen varsa ve karbonatlaşma nedeni ile ortamın pH'ı 11’in altına düşerse donatı yüzeyindeki pasiv demiroksit tabakası tahrip olur, korozyon süreklilik kazanır. 

Beton taşa benzer bir malzemedir, çimento-kum-çakıl malzemelerinin su ile karıştırılması sonucu sertleşir. Çimentonun su ile karşılaşmasını takiben kimyasal reaksiyon (hidratasyon) başlar ve kum çakıl tanelerini birbirine bağlar ve yekpare bir malzeme elde edilir. Beton hazırlanırken çimentonun hidratasyonu için gerekli olan kadar su konulursa, beton akıcı olmaz ve kalıplara gereği gibi yerleştirilmesi, donatı çubukları arasına girmesi zorlaşır. Bu nedenle kimyasal reaksiyon için geçerli su miktarından daha fazla su konularak betona akıcılık kazandırılır. Betonu meydana getiren birleşim malzemeleri Kum-Çakıl-Çimento-Su oranları değiştirilerek mukavemeti farklı olan betonlar elde edilir. Buna ilave olarak özel üretilmiş çimento, özel agrega, katkı maddeleri ve kür koşulu (sıcak buhar gibi) kullanılarak daha farklı özelliklere sahip beton elde edilebilir. Beton ; %15 su - %10 çimento - %75 agrega - %2 havanın bileşiminden meydana gelir. Bazen yan elemanlar da doluluğu arttırmak için, taş tozu veya unu yoğunluğu arttırmak için, madeni kırıntı veya mineraller de katkı malzemesi olarak bileşimde yer alırlar. 

Betonun çekmeye karşı zayıflığını ortadan kaldırmak için 19.yy 'in ikinci yarısında çekme mukavemeti yüksek olan çelik ile beton birlikte kullanılmaya başlandı ve böylece demir takviyeli beton yani BETONARME ortaya çıkmış oldu. Betonla birlikte kullanılan çelikler genellikle çubuk şeklindedir ve beton dökülmeden önce kalıp içine planlandığı konumda yerleştirilir. Beton dökümü sırasında donatı çubuklarının arasını tam dolduracak şekilde yerleştirilerek yekpare demirli beton elde edilmiş olur. Donatısız yüksek mukavemetli betonun (normal betonların 3 katıdır) tek eksenli basınç mukavemet değerinin 40 'dan 80 Mpa hatta daha fazla olması gerekir, elastisite modülti ve çekme mukavemeti yüksektir, sünme katsayısı düşüktür. Daha dayanıklı ve aşınmaya ve korozyona karşı daha dirençlidir. En çok kullanılan yerler olarak yüksek binaların kolonlarında kesiti küçültmek için kullanılır. Köprülerde de kullanılır. Kesit küçüldüğünden ölü yük azalır ve daha büyük açıklıkları geçmek mümkün olmaktadır. Zamanla deformasyonu yani sehimler azalır. 

Betonun Dayanıklılığı

Betonun orijinal şeklini, kalitesini ve kullanılabilirliğini içinde bulunduğu ortamın etkisine direnç göstererek, kimyasal, fiziksel ve diğer tahrip edici etkilere maruz kalmasına rağmen koruması "betonun dayanaklılığı" olarak tanımlanır. "Fiziksel nedenler" yüzey aşınmaları ve çatlamalardır. "Kimyasal nedenler" ise; 

Sertliği düşük kar, yağmur sulan gibi yumuşak sular ile temas betonun çözünmesine neden olur. 

Çevreden gelen çözeltilerin bazı katyonik bileşenleri ile çimento hamurunun bazı katyonların yer değiştirmesi. 

Beton bünyesinde ortamdan giren çözeltilerin çimento bileşenleri ile reaksiyonu sonucu oluşan hacimce geniş ürünlerin etkisi ile çatlama, patlama, kabuklanma ve deformasyon oluşumu. 

Beton, boşluklu yapıda olmasına rağmen, difüzyona karşı direnci nedeniyle, oksijen, karbondioksit, sülfürdioksit gibi gazların ve özellikle klorür olmak üzere tuz gibi zararlı maddeler içeren çözeltilerin çelik yüzeyine ulaşmasını önleyen fiziksel bir engeldir. Bu özellik boşluk yapısı, bünyesindeki su miktarı, elektriksel iletkenliği, su/çimento oranı ve pas payı gibi etkenlere bağlıdır. 

Beton içindeki toplam boşluk oranı betonun dayanımını ve geçirgenliğini etkileyen önemli bir faktördür. Boşluk oranının artması beton dayanımının düşmesine, geçirimliliğin artmasına neden olur. Betonun bünyesindeki suyun miktarını ve geçirgenliğini beton yüzeyindeki ortamın bağıl nemi de etkiler. Donatının korozyonunun önlenmesinde en önemli faktör beton örtü kalınlığıdır. 

Beton örtü, donatıya 'temin ve havanın difüzyonunu önleyen fiziksel bir engel olması nedeni ile minimum beton örtü kalınlığının belirlenmesi amaçlanmalıdır. Korozyon hızının azaltılmasında, betonun elektriksel direncinin arttırılması önemli bir etkendir. 

Betonun Çelik Korozyonuna Etkisi 

Gerek korozif element oksijenin ve gerekse onun etkisini hızlandıran suyun ve klorür iyonunun donatı yüzeyine erişme hızı çelik korozyonuna etki eden en önemli parametredir. Bu hız betonun "geçirimliliğine" bağlıdır. Beton geçirimliliğini etkileyen en önemli parametre ise "su / çimento maddesi" oranıdır. Bu oranın 0.40 civarında veya daha az olması betonun klorür, su, oksijen ve karbondioksit geçirimliliğini çok önemli boyutta azaltır. Oksijenin betonarme demirleri yüzeyine kadar penetre olması büyük ölçüde beton yapısına ve porozitesine bağlıdır. Beton boşluk suyu içinde çözünmüş olan oksijenin difüzyon katsayısı çok küçüktür. Diğer taraftan betonun su ile doygunluk yüzdesi ve beton yapımı sırasında kullanılan su / çimento oranı da oksijen difüzyon hızını etkiler. 

Su/çimento oranı arttıkça betonun porozitesi arttıkça ve buna paralel olarak oksijen difüzyon hızında da artış olmaktadır. Örneğin, su/çimento oranı 0,40 dan 0.60' a çıkarılacak olursa oksijen difüzyon hızında yaklaşık iki kat artış olmaktadır. Bu durumda betonarme demirlerinin korozyon hızında da iki kata varan bir artış olması beklenebilir. 

Betonarme bir yapıda betonun fiziksel ve kimyasal olarak koruyucu özellikleri ile çeliği korozyondan koruduğu bilinmesine karşın, betonarme yapılarda donatının korozyonuna neden olan faktörler şu şekilde özetlenebilir: 

Betonun yaşı, 

Betonun yeterince iyi yerleştirilememesi, kürünün yapılmaması, agrega ve çimento pastasının segregasyonu gibi nedenlerle betonun üniform olmaması, 

Çimento miktarının yetersiz olması, 

Pas payının gereğinden düşük olması, 

Ortamın zararlı etkisi.

Beton üretilir üretilmez rötre ve benzeri nedenlerle çatlar. Bu çatlaklar başlangıçta mikro düzeyde olmasına rağmen, rötre, sünme, termik genleşmeler, mekanik yüklemeler gibi etkenlerle zamanla genişler ve donatının paslanmasına yol açan agresif öğelerin çeliğe ulaşmasına neden olurlar. Betonun iyi sıkıştırılması ve donatı üzerindeki pas payının arttırılması ayrıca geçirimsizliği arttırır ve yayınan az miktardaki maddelerin donatı yüzeyine ulaşma süresini azaltır. Betonun yapısının homojen olması, geçirimliğinin az olması ve beton mukavemetinin yüksek olması çeliği korozyondan korur. Homojen betonun boşlukları az olur ve sağlam bir yapısı olur. Ayrıca geçirimlilik için beton üzerindeki kaplama malzemelerinin önemli rolü vardır. Beton, iyi malzeme ile kaplanırsa, dış tesislerin ve korozif ortamların tesirine karşı korunmuş olur. 

Beton en kuru koşullarda bile bir elektrolit ortamı kabul edilebilir. pH derecesinin yüksek oluşu nedeniyle beton içinde yürüyen korozyon olayında katotda hidrojen çıkışı değil oksijen redüksiyonu meydana gelir. Yani korozyon hızı doğrudan katot bölgesine oksijen difüzyonu hızına bağlıdır. Atmosferden beton bünyesine giren oksijen, boşluk suyu içinde çözünerek yüzeye en yakın olan betonarme demirlerinin anot olmasına neden olur. Daha derinde olan ve az oksijen alan bölgelerdeki demirler de katot olur. 

Atmosferden beton içindeki çelik yüzeylerine oksijen taşınımı iki yolla gerçekleşir. Eğer beton kuru halde ise, yani beton boşlukları su ile dolu değilse, atmosferden beton iç bölgelerine oksijen taşınımı gaz akışı şeklindedir ve çok hızlıdır. Eğer beton boşlukları su ile dolu ise, oksijenin su içinde çözünerek metal yüzeyine kadar difüze olması gerekecektir. Beton boşluklarındaki durgun çözelti içinde meydana gelen oksijen difüzyonu son derece yavaş bir olaydır. Bu durumda korozyon hızı doğrudan oksijen difüzyon hızının kontrolü altına girer. Sürekli su altında bulunan betonlardaki betonarme demirlerinin korozyon hızı bu nedenle çok yavaştır. Korozyon reaksiyonunun yürümesi için yalnız oksijene değil, aynı zamanda ve mutlaka suya da ihtiyaç vardır. Bu nedenle tanı olarak kuru betonlar içinde de korozyon söz konusu değildir. Yani beton mükemmel bir şekilde çevresinden izole edilerek beton bünyesine suyun girmesi önlenebilirse korozyon meydana gelmez. Bu çelişkili durum ancak periyodik olarak ıslanan ve kuruyan betonlar içindeki çeliğin etkili şekilde korozyona uğrayacağım gösterir. Kuruma sırasında atmosferik oksijen beton boşlukları içine kadar nüfuz ederek metal yüzeyine temas eden su içinde çözünür. Böylece katot reaksiyonu için gerekli olan oksijen metal yüzeyine kolayca taşınmış olur. Atmosferden betonarme demirlerine kadar oksijen difüzyonu betonun permeabilitesine bağlıdır. Kompakt ve geçirimsiz bir beton yapılmak suretiyle atmosferden beton bünyesine oksijen girmesi son derece azaltılabilir. Bu ise, betonun su / çimento oranını düşürmek, çimento dozajını artırmak, çimento cinsini seçmek, kalıplara betonu vibre ederek yerleştirmek ve uygun koşullarda kür yapmak ile mümkün olabilir.

Beton Özelliklerinin Korozyon Hızına Etkisi 

Çimento cinsinin etkisi ve dozajı: Betondaki çimentonun cinsi çeliğin korozyonu açısından önemlidir. Çimento kaliteli olmalıdır. Traşlı çimentolar üzerinde korozyon hızı çok yavaştır. Korozyon başlamışsa klorürlerin meydana getirdiği korozyonun hızı, karbonasyonunkinden çok daha fazladır. Çimentolarda tri kalsiyum alüminat (C³A)'nın az bulunması durumunda betonun mukavemeti artar, fakat klorürlere karşı direnci azalır. Bu nedenle korozif etkilerin azlığı açısından C³A orta sınırlarda bulunmalıdır. Klorür iyonlarının tri kalsiyum alüminat ile çözünmeyen bir tuz oluşturması beton içindeki serbest klorür iyonlarının azalmasına neden olacağından, betonarme demirlerinin korozyonu açısından yararlıdır. Çimento dozajı artırıldığında beton yoğunluğu artar ve porozitesi azalır. Kullanılan çimento cinsi de önemlidir. Puzolanlı çimentolar, beton boşluklarında bulunan serbest kireci silikat bileşikleri halinde bağlayarak beton boşluklarını doldurur. Böylece beton permeabilitesinde azalma meydana gelir. Ancak puzolanların bu etkisi uzun süre içinde ortaya çıkar. Diğer taraftan puzolanlar serbest kireci bağlayarak beton pH derecesinin düşmesine neden olur. Bu ise, korozyon hızını artırıcı yönde etki gösterir.

Su / çimento oranı: Beton karışımı içine bazı özel katkı maddeleri katılarak su/çimento oranı düşürülebilir. Böylece beton içindeki boşluklar minimuma indirilmiş olur. Çimentonun hidratasyonu için kimyasal olarak gerekli su miktarı % 30 dan daha azdır. Pratikte su/çimento oranı genellikle % 40-50 arasında alınır. Fazla su betonun boşluklu olmasına neden olur. Ayrıca beton karışımı içine hava katkı maddesi (AEA) katılarak beton içindeki boşlukların birbirinden bağımsız kapalı hücreler halinde oluşması sağlanabilir. Böylece beton porozitesinin zararlı etkileri azaltılmış olur.

Beton dökümü ve kürü: Beton kalıplara yerleştirilirken, vibrasyon yapılarak tam olarak kalıp içine yerleşmesi sağlanmalıdır. Dökümden sonraki ilk günlerde, betonun içinde bulunduğu ortamın sıcaklığı ve relatif rutubeti beton kalitesi açısından büyük önem taşır. Dökümden sonra sıcak ve kuru ortamlarda bekletilen betonlar uygun şekilde kristalleşemediklerinden boşluk yüzdelerinde artış meydana gelir.

Beton Rutubetinin Etkisi

Beton rutubeti korozyon olayım iki şekilde etkiler. Her şeyden önce korozyon olayının yürümesi için mutlaka suya ihtiyaç vardır. Diğer taraftan rutubet arttıkça betonun elektriksel iletkenliğinde de artış olur. Bunun sonucu olarak çelik yüzeylerinde oluşan korozyon hücrelerinin etkinliği artar. Bunların dışında, betonun rutubet derecesi, beton bünyesine oksijen difüzyonu açısından da önemli bir etkendir. Düşük rutubetli betonlarda atmosferden çelik yüzeylerine oksijen difüzyonu çok kolaydır. Bunun aksine olarak, sürekli su altında kalan betonlarda boşlukların içi su ile dolu olduğundan oksijen difüzyonu çok güç ve yavaştır. Pratikte sıkça rastlanan diğer bir konu da, betonun küçük bir bölgesinin ıslanması ve fakat diğer bölgelerinin kuru kalmasıdır. Bu durumda ıslak bölgelerdeki çelik anot olurken kuru kalan ve bol oksijen alan diğer bölgeler katot gelir.