İnşaat Çeliğinde Biyolojik Korozyon

Transkript

1 İnşaat Çeliğinde Biyolojik Korozyon Tayfun UYGUNOĞLU a, İbrahim GÜNEŞ b, İlker Bekir TOPÇU c a Afyon Kocatepe Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Böl., Afyonkarahisar b Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Böl., Afyonkarahisar c Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Böl.,Eskişehir Özet: Yükler açısından istenen dayanımı sağlayan kaliteli bir betonarme eleman tasarım aşamasında dikkate alınmamış korozyon gibi etkiler nedeniyle kısa sürede bozularak kullanılmaz hale gelebilir ya da büyük bakım ve onarım masraflarına yol açabilir. Özellikle yeraltı yapılarında kullanılan betonun ve donatının bozulmasına yol açan bu etmenler biyolojik kökenli olabilir. Bu çalışmada yeraltı atık sularının tahliyesinde muhtemel kullanılabilecek betonarme yapı elemanları içerisinde bulunan donatının H 2 SO 4 gibi biyolojik kökenli asit etkisi altındaki özelikleri araştırılmıştır. Deneysel çalışmalarda 0.5 M, 1.0 M ve 1.5 M H 2 SO 4 çözeltisi içerisinde 12 mm çapındaki nervürlü inşaat çeliği 17 gün boyunca bekletilmiş ve belirli aralıklarda ağırlık değişimleri ölçülmüştür. Deney sonunda kesit değişimi ve optik mikroskopta iç yapısı incelenmiştir. Deney sonuçlarına göre 17 gün sonunda 1.5M asitte bekletilen donatıların çaplarında %5.4 oranında azalma görülmüştür. Aynı zamanda %10 oranında da ağırlık kaybı olduğu belirlenmiştir. Anahtar kelimeler: Biyolojik korozyon; donatı; asit; ağırlık kaybı. 1. Giriş Beton ve çelikten imal edilen elemanlarda en çok rastlanan sorunlardan biri, kanalizasyon sistemlerinde görülen ve asit etkisine yol açan biyolojik oluşumlardır [1]. Genelde evsel atıklar alkalin karakterde olup betona zarar vermezler. Ancak bu tip atıklar kükürtlü bileşenler içerirler. Anaerobik (oksijensiz) ortamda, kanalizasyon atıklarındaki sülfat ve bazı proteinlerden beton için fazla zararlı olmayan hidrojen sülfit (H 2 S) gelişir. Anaerobik bakteriler havaya gereksinme duymayan, sülfatların oksijenini alarak yaşayan canlılardır. H 2 S renksiz, havadan ağır, kendine özgü çürük yumurta kokusu olan, petrol alanları, kanalizasyon ve kimyasal endüstri alanlarında sıkça rastlanan bir gazdır. Genellikle lağım kanallarında ve eritme tesislerinde bulunur. Yanıcı bir gaz olup hava içerisinde %6 oranında patlayıcı özelliğe sahiptir; zehirleyici bir gazdır [2]. Bazı topraklarda veya atık sularda metalleri kimyasal ya da elektrokimyasal olarak etkileyen bakteri ve mikroplar bulunmaktadır. Bu durum, demirde fark edilen ve genellikle grafitlenme olayı ile açıklanan hızlı korozyonun da başlıca nedenlerindendir. Bakteriler içerisinde en tehlikeli olanı sülfat indirgeyen bakterilerdir. Bu bakteriler topraktaki, yeraltı veya atık sulardaki sülfatları indirgeyerek demir alaşımlarını çok çabuk etkileyen H 2 S'yi serbest hale geçirir. Yüksek sıcaklıklar reaksiyonun hızını artırır. Ortamın kimyasal dengesi, hareketi, türbülansı gibi etkenlerle H 2 S kanalizasyon suyundan ayrılır ve kanalizasyon cidarlarındaki nem içinde erir. Serbest hale gelen H 2 S havadaki O 2 ile birleşerek sülfürik asit olarak bilinen H 2 SO 4 asidini oluşturur (Şekil 1). Asit reaksiyonunun hızı ve şiddeti; etkilenme süresine ve

2 asit yoğunluğuna göre değişir. Hidrojen sülfür az miktarda petrolde, kaplıcalarda, kanalizasyon sistemlerinde ve tabiî gaz kuyularında bulunur [1-4]. Şekil 1. Kanalizasyon sistemlerinde H 2 SO 4 asidinin oluşumu Kuvvetli bir asit olan H 2 SO 4 asidi beton yüzeyine yerleşerek buradaki ph derecesinin düşmesine yol açmakta ve çimento hidratasyon ürünlerini çözerek çekme gerilmelerini taşıyan çelik donatıya kolayca ulaşmaktadır (Şekil 2). Korozyona uğrayan beton malzemenin mekanik dayanımı düşer. Kanalizasyon yüzeyinde kalsiyum sülfat (CaSO 4 2H 2 O) ve kalsiyum sülfat alüminyum hidrat (3CaO Al 2 O 3CaSO 4 32H 2 O) oluşur. Oluşan kalsiyum sülfat yüzeyden ayrılır. Yüksek hidrojen sülfür etkisinden dolayı kanalizasyon beton yüzeyindeki aşınma yıllık olarak yaklaşık 6-20 mmdır. Beton pas payı tabakasının kalınlığı dikkate alındığında yaklaşık yıl sonunda beton örtüsü dökülmüş olacaktır [1]. Sülfürik asit sadece betona değil aynı zamanda çelik üzerinde de oldukça olumsuz etkiye sahiptir. Biyolojik korozyon olarak da bilinen bu etki sonucunda düşük karbonlu çeliklerde ağırlık ve kesit kaybı ve bunlara bağlı olarak da taşıma gücünde azalmalar oluşmaktadır [5]. Şekil 2. Atık su ve kanalizasyon sistemlerinde sülfürik asit etkisi Çelik donatının korozyonu üzerine birçok çalışma gerçekleştirilmişse de bunların büyük çoğunluğu ülkemizdeki yapıların kıyı şeridinde bulunmaları da dikkate alınarak klorür

3 korozyonu üzerine olmuştur. Ancak beton teknolojisindeki gelişmelerle yeraltı yapılarında da beton elemanların kullanımı gün geçtikçe yaygınlaşmakta ve bu elemanlarda kullanılan çelik donatıların da korozyonu önemli hale gelmiştir. Yeraltı yapılarında kullanılan beton elemanlardaki donatılarda başlıca korozyon nedenlerinden birisi de sülfürik asidin yol açtığı biyolojik korozyondur. Asit çözeltileriyle kimyasal temizleme işlemlerinde, metal yüzeyinde oksit ya da hidroksit tabakası olmadığından, söz konusu korozif bileşenler yüzeydeki etkinliğini arttırır ve demirin çözünmesiyle korozyona uğrar [6-8]. Düşük ve yüksek karbon içeren çelikler üzerinde H 2 SO 4 asidinin etkisi üzerine birçok çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalar içerisinde inşaat çeliğinin asidik etki sonrasındaki kesit kayıpları ve ağırlık kayıpları gibi özelikleri oldukça sınırlı kalmıştır. Bu boşluğu doldurmak amacıyla asidik etkiye maruz bırakılan inşaat demirinin farklı süreler sonundaki korozyon davranışı incelenmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Beton içerisinde donatı olarak kullanılan inşaat çeliklerinin H 2 SO 4 asidi etkisi altındaki davranışının incelenmesi amacıyla 12 mm nervürlü çelik donatı çubuğu kullanılmıştır. Donatının karakteristik özeliğinin belirlenmesi amacıyla çelik donatılara çekme testi uygulanmıştır. Çekme testi için üç farklı numune hazırlanarak test sonuçlarının ortalaması alınmış ve bazı karakteristik özelikleri Çizelge 1 de sunulmuştur. Çizelge 1. Çelik donatının karakteristik özelikleri Özelik Değer Donatı çapı, mm 12 Çekme dayanımı, MPa 599 Akma dayanımı, MPa 442 Çekmede uzama oranı, % 25.6 Çekme dayanımı/akma dayanımı (Rm/Re) 1.36 Şekil 3. Donatıda asidik korozyon için hazırlanan çözeltiler

4 Biyolojik korozyon etkisi için 12M saflıkta Merck marka H 2 SO 4 kullanılarak 0.5 M, 1 M ve 1.5 M saflıkta üç farklı asidik çözelti hazırlanmıştır (Şekil 3). Çözeltinin hazırlanmasında Çizelge 2'de verilen değerler kullanılmıştır. Çizelge 2. Asit çözeltisi içeriği (1000 ml için) Bileşen Miktar, ml 0.5 M 1.0 M 1.5 M H 2 SO 4 42 (23 mg) 83 (451.1 mg) 125 (67.9 mg) Su Hazırlanan çözeltiler içerisine ortalama 50 mm uzunluğunda kesilen donatılar konularak 1 s'ten 408 s'te kadar farklı süreler sonunda 0.01 g hassasiyetindeki terazi ile ağırlıkları ölçülmüştür. Elde edilen ağırlık farkları ilk ağırlığa oranlanarak ağırlık kayıpları hesaplanmıştır. Ayrıca kesit değişimleri de belirlenerek ilk kesite oranlanmış ve kesit kayıpları hesaplanmıştır. Deney sonlandırıldıktan sonra 1.5 M çözeltide bırakılan donatılardan 5 mm kalınlığında kesit numune alınarak reçine ile kaplanarak zımparalandıktan sonra optik mikroskopta inceleme yapılmıştır. 3. DENEY SONUÇLARININ İNCELENMESİ Asidik etkiye maruz bırakılmış olan nervürlü inşaat çeliği farklı sürelerdeki ağırlık kayıpları Şekil 4'te verilmiştir. Deneyin sonlanmasına kadar geçen bütün sürelerde asidin molaritesi arttıkça çelikte oluşan ağırlık kayıpları da artmıştır. En fazla ağırlık kaybı 1.5 M asit içerisinde farklı sürelerde bekletilen çeliklerde elde edilmiştir. Şekil 4. İnşaat demirinde asit etkisiyle oluşan ağırlık kaybı

5 Sabit molarite için çelikte oluşan ağırlık kayıpları incelendiğinde ise zamanla ağırlık kayıplarının arttığı görülmektedir. İlk saatlerde ağırlık kayıpları her üç molarite için %0.3 dolaylarında iken 408 saat (17 gün) sonunda 0.5 M'de bekletilen çeliklerdeki ağırlık kayıpları %5.3'tür. Molarite 1 ve 1.5 olduğunda ise ağırlık kayıpları aynı süre sonunda sırasıyla %10.2 ve %10.7 değerlerini almıştır. Kanalizasyon sistemlerinde genellikle betonarme elemanlar kullanılmaktadır ve inşaat çeliği beton içerisine belirli bir pas payı tabakasıyla gömülü durumdadır. Sülfürik asit öncelikle beton ve daha sonra çelik yüzeyinde bulunan başta kalsiyum hidroksit olmak üzere çeşitli maddelerle reaksiyona girer ve ortamın alkalinitesini (ph) düşürmeye başlar. ph düşmeye başlayınca (9-9.5) yüzeyde bakteri oluşmaya başlar. Atık suda karbondioksit ve hidrojen sülfür oluşumu arttıkça ph daha da aşağı düşerek bakteri oluşumunu hızlandırır. Donatıya ulaştığında ise önemli derecede korozyon hasarı oluşturmaktadır. Şekil 5'te de sülfürik asit etkisiyle inşaat çeliğinde birim alanda oluşan ağırlık kayıpları verilmiştir. Molarite derecesinin artmasıyla birlikte özellikle 1 M ve 1.5 M asit etkisinde birim alandaki ağırlık kayıpları 17 gün sonunda 24 g/cm 2 değerine ulaşmıştır. Şekil 5. İnşaat demirinde asit etkisinden dolayı birim alandaki ağırlık kaybı

6 Şekil 6. Asit etkisinden dolayı inşaat demirindeki kesit değişimi Sülfürik asit etkisiyle inşaat çeliğinde ağırlık kaybına bağlı olarak aynı zamanda kesit azalması da görülmüştür (Şekil 6). Başlangıçta 12 mm olan çeliğin çapı asidin molaritesi arttıkça aynı süre sonunda azalmıştır. Molaritenin 1.5 olması durumunda 17 gün sonundaki donatı çapı değeri %5.4 oranında azalarak mm değerine düşmüştür. Asit molaritesine bağlı olarak donatıda görülen çap azalması çekme dayanımını da etkilemiştir (Şekil 7). Donatıların kullanıldığı prefabrike elemanların tasarımında asit etkisinden dolayı donatıda oluşan gerilme kaybı emniyet gerilme katsayıları ile karşılanabilir. Ancak buradaki en önemli durum kesitte oluşan azalma nedeniyle beton içerisinde gömülü durumdaki donatı ile beton arasındaki aderans kaybı olacaktır (bkz Şekil 2). Şekil 7. İnşaat çeliğinin gerilme-şekil değiştirmesine asit etkisi

7 Donatı Reçine Şekil 8. Korozyona uğramış donatı kesitinin mikroskop görüntüsü Hidrojen sülfürün bir zararlı etkisi de hidrojen kabarması ve hidrojen kırılganlığıdır. Korozyon reaksiyonu sonucunda oluşan atomsal hidrojenin (H 1 ) bir bölümü metal bünyesine girer. Çelik bünyesinde yol alan hidrojen atomları önlerine çıkan boşluklarda toplanarak moleküler hidrojene (H 2 ) dönüşür. Hidrojen molekülü çelik içinde hareket etmez. Zamanla çoğalır ve boşlukta basıncın artmasına neden olur [6]. Artan basınç, çeliğin yırtılmasına ve kırılmasına neden olmaktadır [7-10]. Şekil 8'de görüldüğü gibi donatının dış yüzeylerinde asit etkisinden dolayı içeriye doğru küçük oyuklar şeklinde korozyondan dolayı hasarlar gözlenmiştir. Bu korozyondan dolayı donatı ile beton arasındaki aderans veya bağ kuvveti azalarak sonuçta beton eleman taşıma gücünü yitirecektir. 4. SONUÇLAR Alt yapı sistemlerinde kullanılan özellikle betonarme yapı elemanları atık suların oluşturduğu bakterilerin ve bunun bir sonucu olarak da hidrojen sülfür asidinin etkisine çoğu zaman maruz kalmaktadırlar. Bu çalışmada alt yapı betonarme elemanlarında çekme yüklerini karşılayan donatının hidrojen sülfüre maruz kalması durumundaki özelikleri araştırılmış ve aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. Hidrojen sülfür etkisine maruz kalan donatıda asidin molaritesi arttıkça korozyon da artmıştır. Donatıdaki ağırlık kaybı 1.5 M asitte %10.7 iken birim alanda oluşan ağırlık kaybı da 24 g/cm 2 değerini almıştır. Asit molaritesine bağlı olarak donatı çapında azalmalar görülmüştür. En fazla azalma 1.5 M asit etkisinde %5.4 oranında oluşmuştur. Asit etkisine maruz kalan donatının akma ve çekme gerilmesinde de azalma görülmüştür.

8 Donatının mikroskop görüntüleri incelendiğinde dıştan içe doğru küçük oyuklar şeklinde korozyona uğradığı gözlemiştir. Sonuç olarak, özellikle mikroskop incelemeleri ve yapılan hesaplamalar sonucunda asit etkisine maruz kalan inşaat donatısında %5.4 gibi bir oranda kesit azalması elde edilmiş olup, bu kesit azalması beton ile donatı arasındaki aderansın ortadan kalkması anlamına gelmektedir. Bu durumda yapı elemanı taşıma gücünü yitirerek gerekli işlevini yerine getiremeyecektir. Bu tip yapılarda kullanılan yapı elemanlarının özellikle iç kısımlarının yalıtılarak yapı elamanının koruma altına alınması ile daha uzun ömürlü hizmet süreleri olacak, bakım onarım masrafları azalacaktır. KAYNAKLAR [1] Baradan, B., Yazıcı, H., Ün, H., Beton ve Betonarme Yapılarda Kalıcılık (Durabilite), Türkiye Hazır Beton Birliği Yayınları, İstanbul, [2] Oguzie, E.E (2008), Evaluation of the inhibitive effect of some plant extracts on the acid corrosion of mild steel. Corrosion Science, 50, (11), [3] Ajeel SA, Waadulah HM, Sultan DA, (2012), Effects of H 2 SO 4 and HCL concentration on the corrosion resistance of protected low carbon steel, Al-Rafidain Engineering, 20(6), [4] Sayed ARS., Hazzazi Omar A., Amin Mohammed A., (2008), The corrosion inhibition of low carbon steel in concentrated sulphuric acid solutions, Corrosion Science, Vol. 50, [5] Omotosho O.A., Ajayi O.O., Fayomi O.S., Ifepe V.O., (2011), Assessing the deterioration behaviour of mild steel in 2 M sulphuric acid using Bambusa glauscescens, International Journal of Applied Engineering Research, Dindigul, Vol. 2, No 2, [6] Mathur, P.B., Vasudevan, T (1982), Reaction rate studies for the corrosion of metals in acids. I. Iron in mineral acids. Corrosion (NACE), 38(3), [7] Raja, P.B., Sethuraman, M.G (2008), Atropine sulphate as corrosion inhibitor for mild steel in sulphuric acid media. Material Letters, 62, [8] Orator, P.C.,Ebenso, E.E., Ekpe, U.J (2010), Azadirachta indica extracts as corrosion inhibitor for mild steel in acid medium. International Journal of Electrochemical Science, 5, [9] Dubey A.K., Singh G., (2007), Corrosion inhibition of mild steel in sulphuric acid solution by using polyethylene glycolmethylether (PEGME), Portugaliae Electrochimica Acta, 25, [10] Bayol E., GürtenA.A., Sürme Y., (2014), Inhibitive performance of glycolicacidethoxylate4-nonylphenyl ether in acid solution for corrosion of mild steel, El-Cezerî Journal of Science and Engineering, Vol. 1, No. 3,