BETON İÇİNDEKİ ÇELİK KOROZYONU Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER

Transkript

1 BETON İÇİNDEKİ ÇELİK KOROZYONU

2 Demir ve çelik genellikle ; oksijen ve suyun bulunduğu her ortamda korozyona uğrar. Korozyonun hızı, ortam koşullarına göre değişir. Örneğin, su içinde suyun hızı yada asitliğiyle, metalin hareketiyle sıcaklıkta yada havalanmadaki artışla, bazı bakterilerin veya başka etkili bir takım faktörlerin varlığıyla artış gösterir. Diğer taraftan, korozyon koruyucu tabakalarla (veya filmler) geciktirilir. Suyun alkalinitesi de çelik yüzeylerde korozyon hızını azaltır. Ama korozyonun gerçekleşebilmesi için daima su ve oksijen gereklidir. Korozyon miktarının her ikisi de belirler. Örneğin, kuru havada çelikte korozyon görülmez. Havadaki nem oranı %30'un altında ise normal veya normalin altındaki sıcaklıklarda korozyon önemsenmeyecek kadar azdır. Korozyonun, rutubeti giderme yoluyla engellenmesi buna dayanır.

3 Bütün metal yapılar doğal çevrede belli derecelerde korozyona uğrar. Tunç, prinç, paslanmaz çelik, çinko ve alüminyum koruma olmaksızın uzun süre dayanacakları umulan kullanım koşulları altında çok yavaş bir korozyona uğrarlar. Demirin ve çeliğin yapısal korozyonu, metal gerektiği ölçüde korunmazsa hızla ilerler. Demir ve çeliğin bu korozif hassasiyeti önemli bir ilgi odağıdır. Çünkü uygun maliyetleri ve fiziksel özellikleri gözönüne alındığında çok büyük miktarlar kullanılmaktadır. ABD'de çeliğin korozyonundan dolayı yıllık kayıp 70 milyar dolara yakın bir değere ulaşmaktadır. Demir ve çeliğin korozyona karşı korunması bakım mühendislerinin vazgeçilmez bir alanıdır.

4 KOROZYONUN MEKANİZMASI Islak atmosferde, yeraltında, beton içinde yada su altında metallerdeki korozyon; bir metalden diğerine,aynı metalin yüzeyinden bir noktadan diğer bir bir noktaya geçen galvanik akımlarından kaynaklanır. Bu elektrik akımlarının gerçekleşebilmesi için elektrik akımının geçişine izin veren ortamda ıslak bir iletken veya elektrolit olmak zorundadır. Korozyonun görülebilmesi için elektrolitin varlığı vazgeçilmez bir koşuldur. Sulu ortam özellikle de tuzlu su mükemmel bir elektrolittir.

5 ÇELİĞİN BETON İÇİNDE KOROZYONU Beton en önemli inşaat malzemelerinden biridir. Dış etkilere karşı fiziksel ve kimyasal olarak oldukça dayanıklı bir malzemedir. Basınca karşı dayanımı çok yüksek olan betonun çekme dayanımını artırmak amacıyla gerekli olan yerlerde çelik takviye (betonarme demiri) kullanılmaktadır. Betonarme demirleri aslında yumuşak çeliktir. Bu çelik atmosfer etkisinde ve sulu çözeltiler içinde korozyona karşı dayanıksızdır. Bunlara karşı, çeliğin beton içindeki korozyon hızı çok düşüktür. Bu durum başlıca betonun yüksek alkali özelliğinden ileri gelir. Diğer taraftan beton içinde gömülü olan çelik yüzeylerine atmosferden oksijen difüzyonu da az olduğundan korozyon hızı önemli ölçüde azalır.

6 Beton esas itibariyle agrega + çimento + su karışımından oluşur. Çimentonun bağlayıcı özelliğini sağlayan asıl kimyasal reaksiyon, su ile çimento klinker bileşikleri arasında meydana gelir. Agrega, betonun fiziksel yapısını oluşturan inert bir dolgu maddesi olarak kullanılır. Klinker bileşikleri su ile kimyasal reaksiyona girerek kalsiyum silikat hidrat ve kalsiyum alüminat hidratları oluşturur. Bu hidrat bileşikler zamanla kristalleşerek sertleşirler. Klinker bileşiklerinin su ile reaksiyonu sırasında, silikatların hidrolizi ile kalsiyum hidroksit de meydana gelir. Kuvvetli bazik karakterde olan bu hidroksit, betonun sertleşmesinden sonra da, beton boşlukları içinde doygun çözelti halinde kalır. Bunun sonucu olarak ve klinker bileşiminde bulunan az miktardaki alkali oksitlerinin de etkisi ile taze betonun ph derecesi, doygun kireç çözeltisinde olduğu gibi 12,5 (alkali oksitlerinin bulunması halinde 13,2) değerine yükselir. Beton yaşlandıkça, atmosferik karbon di oksidin beton bünyesine difüzyonu sonucu ph değerinde azalma gözlenir. Ancak eski betonlarda bile ph derecesi çok aşağı düşmez.

7 Beton ph derecesinin yüksek oluşu, beton içinde bulunan çelik yüzeylerinde kısa süre içinde à Fe2O3 filminin oluşmasına ve metalin pasifleşmesine neden olur. Normal bir betonda bu oksit filmi bozulmadan uzun süre çeliğin korozyonunu önler. Endüstride çeşitli ortamlarda bulunan bir çok beton yapı, çevre etkisiyle (deniz suyu ile temas, buzlanmayı önlemek amacıyla kullanılmış olan tuzlar, gübre artıkları, vb.) zamanla kirlenebilir. Beton bünyesine girmiş olan klorür iyonları, çelik yüzeylerinde oluşmuş bulunan pasif oksit filminin bozulmasına neden olur. Bu durumda betonarme demirleri şiddetli korozyona uğrayabilir.betonun, 1 m 3 de yaklaşık olarak 0,7-1,2 kg dan fazla klorür bulunması halinde korozyonun devamı için uygun bir ortam sağlanmış olur. Betonarme demirlerinin korozyona uğraması yalnız çeliğin kaybedilmesi ile kalmaz. Korozyon sonucu oluşan kimyasal bileşikler (pas), metale göre çok daha büyük hacim kaplaması nedeniyle beton bünyesinde içsel gerilmeler ve çatlamalara sebep olur. Böyle bir durumdaki beton için hayati tehlike söz konusudur.

8 Betonarme demirlerinin korozyonu nedeniyle çatlamış olan bir betonun etkili bir tamir yöntemi yoktur. Ancak, henüz çatlama aşamasına varmamış hafif ölçüde korozyonun söz konusu olduğu hallerde aşağıdaki tamir yöntemleri önerilmektedir: Betonarme demirlerinin üst kısmındaki beton tabakası kaldırılıp, demirler değiştirildikten sonra, yeniden beton dökülür. Betonarme demirlerinin üst kısmındaki beton tabakası kaldırılıp, korozyona uğramış olan demirler değiştirildikten sonra üst kısma beton asfalt veya epoksi bağlayıcılı beton dökülür. Yapının fiziksel durumu uygunsa ve beton bünyesinde 1 m 3 içinde 1,2 kg dan daha az klorür bulunuyorsa, korozyona uğramış olan demirler çıkarılmadan ve beton sökülmeden, üst kısma yaklaşık 7,5 cm kalınlığında yeni bir beton tabakası dökülür. Bu tamir yöntemlerinin herhangi biri ile yapıyı bir süre daha işletmede tutmak mümkün olabilir. Amaç, korozyona uğramış yapıyı tamir etmek değil, korozyon henüz etkili olmadan gerekli önlemleri almaktır.

9 Korozyondan Korumak İçin Yapılması Gerekenler Uygun tasarım Uygun malzeme seçimi Yeterli yüzey kaplaması Katodik koruma Anodik koruma olarak gruplandırılabilir. Bu önlemler grubundan katodik koruma dışındakiler korozyon hızını azaltan, başka bir deyimle korozyonu kısmen önleyen yöntemlerdir. Katodik koruma ise korozyonu tamamen önleyen etkili ve rakipsiz bir yöntemdir.

10 Zemin içinde Elektrot Potansiyelleri Nernst gerilim sırasında verilen elektrot potansiyelleri standart haldeki potansiyellerdir. Metalin zemin veya su içinde ölçülen potansiyeli bu değerlerden oldukça farklıdır. Diğer taraftan pratikte referans elektrot olarak standart hidrojen elektrot kullanılamaz. Bunun yerine kalomel elektrot veya bakır/bakırsülfat referans elektrotu kullanılır.bu elektrotların standart hidrojen elektroduna göre ölçülen potansiyel değerleri şöyledir: Kalomel elektrot = Volt Bakır/bakırsülfat elektrot = +0,316 Volt Zemin içinde genellikle doygun bakır/bakırsülfat referans elektrotu kulanılır. Çeşitli metal ve alaşımların doygun bakır/bakırsülfat referans elektroduna göre zemin içinde ölçülen potansiyel değerleri Çizelge-2'de görülmektedir. Zemin içinde farklı metallerin teması sonucu meydana gelen galvanik hücre E.M.K. değeri Çizelge-2'de verilen potansiyel değerleri gözönüne alınarak değerlendirilmeli ve buna göre anot-katot belirlenmelidir.

11 Çizelge-2: Çeşitli Metal ve Alaşımların Zemin ıçindeki Elektrot Potansiyelleri (Doygun Cu/CuSO4 elektroduna göre) Metal Veya Alaşım Mağnezyum (saf) Mağnezyum AZ-63 Çinko (saf) Aluminyum (% 5 Zn) Aluminyum (Saf) Demir (Pik) Yumuşak çelik (temiz) Yumuşak çelik (paslı) Kurşun Bakır Pirinç Bronz Karbon, Grafit, Kok Elektrot PotansiyeliVolt (*) -1,75-1,60-1,10-1,05-0,80-0,50-0,50-0,80-0,20-0,50-0,50-0,20-0,20-0,20 +0,30 Zemin içinde ölçülen elektrot potansiyellerinde Elektrot metalin mümkün olduğu kadar yakınına konulmalıdır. Aksi halde Omik direncin etkisi nedeniyle ölçüm sonuçları hatalı olabilir

12 Zeminin özelliklerindeki, rutubet ve rezistivite gibi farklılıklar, anodik ve katodik bölgelerin oluşmasına yolaçar. Farklı yerlerdeki metalle temas halinde olan zeminde oksijen konsantrasyonunda farklılık olan yerlerde korozyon hücreleri oluşur. Göreceli olarak oksijen konsantrasyonunun yüksek olduğu noktalarda katot, düşük olduğu noktalarda ise anot olarak çalışır. Metalin fazla zorlanan kısımları anodik olma, zorlanmayan kısımları da katodik olma eğilimi gösterir. Böylece, demirin ve çeliğin doğal çevreyle karşı karşıya kaldığı sıradan şartlar altında, korozyon için gerekli bütün temel koşullar az veya çok derecede mevcuttur.

13 Anodik (korozyona uğrayan ) yüzey, katodik (korunan) yüzeyden çok küçük ise çukurlaşma eğilimi artar. Örneğin yüzey alanın çoğunun millscale ile, kaplama ile veya çok çeşitli çökeltilerle kaplandığı yerlerde çukurlaşma daha çok beklenir, koruyucu materyalin devamında kırıklar oluşur. Çukurlaşma ayrıca, metalin fiziksel veya kimyasal yapısındaki düzensizliklerden dolayı, yalın, temiz metal yüzeylerde de oluşabilir. Çeliğin yüzeyindeki, sınırlanmış, benzer olmayan toprak koşulları da çukurlaşma tipi korozyonu ilerleten koşullar yaratabilir. Çukurlaşma, bütün metalin %5'inden daha azı bile korozyona uğrasa borularının delinmesine ve işe yaramaz hale gelmesine yol açabilir

14 BETONERME YAPILARDA KOROZYON İNHİBİTÖRLERİ

15 İnşaat teknolojisinin kuşkusuz en önemli yapı malzemesi betondur. Çünkü beton istediğimiz şekli verebildiğimiz bir yapı malzemesi olması yanında istediğimiz performans değerlerine göre de müdahale etme şansımız olan son derece uygun bir malzemedir. Betonun birçok olumsuz özellikleri günümüz teknolojisinde ortadan kaldırılmıştır. Örneğin: Betonun çekme dayanımlarındaki zayıflığı çelik donatı kullanılarak iyileştirilmekte hatta son yıllarda çelik fiber ve karbon lifleri ile de bu olumsuz özelliği iyileştirmektedir. Beton dayanım gücünde bir zamanlar hayal olan çok yüksek dayanımlar (Örnek 1000 Kg/cm²) artık sistemli olarak üretilip sevk edilebilen beton olmuştur. Beton teknolojisinde kimyasal katkı ve mineral katkılar çok önemli rol oynamaktadır. Bu kimyasal katkılar ile betonun her koşulda üretilip korunmasını sağlamamız artık oldukça kolaylaşmıştır. Gelişmiş ülkelerde betonarme yapılar dizayn edilirken hizmet ömürlerinin enaz yıl olması hedeflenmektedir. Betondan beklenen performans değerleri doğrultusunda hedeflenen hizmet ömürleri alınacak önlemler ile hiç de zor değerler değildir.

16 Gerek beton bileşenlerindeki kalitesizlik gerekse yapımın standart değerlerin altında olması yıllık betonarme yapılardan beklenen hizmet sürelerini kısaltmaktadır. 17 Ağustos 1999 sabahı itibari ile deprem bölgelerinde inceleme yapan birçok uzmanın ortak kanısı yıkılan yapıların büyük bölümünde korozyon olduğu yönündedir.korozyona uğramış donatının betona yaptığı tahribatı son derece çarpıcı bir şekilde gözlemlenmiştir. Önemli yapısal kusurların en başında gelen korozyona karşı betonda temel önlemlerin alınmadığını gözlemlenmiş hatta önlemlerin en basiti olan yeterli pas payının bile ihmal edildiği tespit edilmiştir. Çalışmada betonda bir kanser etkisi yapan klor etkisine karşı son derece etkin bir koruma olan korozyon inhibitörleri ve etki mekanizmaları ile ilgili bilgiler bulunmaktadır. Bu tür malzemeler ile betonarme korozyon kesin olarak engellenmektedir.

17 DCI Korozyon İnhibitörü DCI korozyon inhibitörü, kalsiyum nitrit bazlı bir çözeltidir. Kalsiyum nitrit, Ca(NO²)², korozyon korumasına ihtiyaç gösteren sistemler için çok bilinen bir inhibitördür. Uzun dönem hizmet vermiş yapılarda gerçekleştirilen çalışmalar ile saha ve laboratuvar testleri, bu inhibitörün betondaki etkinliğini kanıtlamaktadır.

18 Problem? Betonun yüksek ph seviyesi nedeniyle betonarmedeki çelik doğal bir demir oksit tabakasıyla kaplanır ki, buna pasifleştirici tabaka adı verilir. Bu tabaka,demirin paslanmasını önler. Klorür gibi agresif iyonlar bulunmadığında, betonarmedeki çeliğin korozyonu gerçekleşmez. Deniz suyundan veya buz çözmek için kullanılan kimyasallardan kaynaklanan klorür iyonları çeliğe ulaştıklarında ise, oksit tabakasını aşındırırlar ve demir paslanır. Betonarme çeliğinin veya öngerilimli çeliğin etrafını saran ferrik oksit tabakasında mikroskopik ferröz oksit kalıntıları bulunur (Şekil 1). Klorürler böyle bir kalıntıdangirmek suretiyle çeliğe ulaşarak korozyonu başlatabilirler. Korozyon devam ettikçe, oksit tabakası klorür iyonlarınca aşındırılır ve pas oluşur. Pasın oluşumu, genişletici bir reaksiyondur, betonun içinde büyük gerilim kuvvetleri yaratır. Korozyona uğrayan çelik içeren betonda, lekelenme, çatlama ve pas payı kırılması meydana gelir.

19 Çözüm? Korozyon inhibitörü, çeliğin yüzey kimyasını değiştirmek suretiyle korozyon olayını yavaşlatır veya durdurur. İnhibitör, klorürlerin betona nüfuz etmesini engellemez ancak yüksek konsantrasyonda klorür varlığına rağmen çeliği korur. DCI, taze betona katılarak beton giren bir kalsiyum nitrit çözeltisidir. Bu basit uygulama yöntemi, uygun şekilde dağılarak tüm ankastre çelik ve diğer materyaller için korozyona karşı tam koruma sağlar. Kalsiyum nitrit, diğer inhibitörlerden farklı olarak, betonun fiziksel özellikleri üzerinde herhangi negatif bir etki göstermez. DCI korozyon inhibitörü, ASTM C494 C tipi bir katkı maddesi olarak sınıflandırılmıştır. Kalsiyum nitrit, betonarmedeki çeliği zaten mevcut olan doğal korumaya yardımcı olmak suretiyle korur. Çelik alkali ortamda demir (Fe), oksijen (O), ve hidroksit (OH) iyonlarındaki bir oksit oluşturur. Oksit ilk önce ferröz (Fe++) iyonlarıyla oluşur. İyonlar, aşağıdaki denklem uyarınca oluşturulur. Fe Fe++ +2e- Alkali ortam, ferröz (Fe++) iyonlarının aşağıdaki reaksiyon uyarınca ferrik (Fe+++) iyonlarına dönüşmesine neden olurlar. Fe Fe+++ + e- Betonarmedeki demir üzerinde bulunan ferröz oksit in ferrik oksite dönüşmesine rağmen daima ferröz oksit mevcuttur ve bu ise demiri korozyondan koruyan koruyucu pasif tabakanın bir parçası değildir(.şekil 1).

20 Şekil 1 Doğal yoldan oluşan koruyucu oksit tabakası

21 Ferröz oksit, klorür iyonlarına karşı daha az dirençlidir ve korozyonun başladığı bölgeyi oluşturur. Ferröz oksit bölgelerinde, pasifleştirici tabakada bir kusur vardır. Buradan klorürler demir atomlarına hücum ederler. Klorür iyonları ne kadar fazla ise, herhangi bir klorür anyonunun bir ferröz kusuruna rastlama ihtimalinin o kadar yüksek olduğuna dikkat edilmelidir. Pasifleştirici tabaka, birtakım ferröz oksit bileşikleri içerir. Ferröz oksit, ferrik oksit tabakasında bulunan bir kusurdur ve klorürün korozyonu başlatmasına imkan sağlar. Kalsiyum nitrit, yapının ömrü boyunca betonun içinde kalır. Nitrit iyonları, beton dan dışarı çıkıp dağılamaz ve pasifleştirici tabakanın onarımı hariç tutulacak olursa betondaki diğer elementlerle reaksiyon vermezler.

22 Bu onarım süreci öyle etkindir ki, kalsiyum nitrit miktarında temel olarak hiçbir azalmaya neden olmaz. Saha yapılarında ve laboratuvar numunelerinde yapılan analizler sonucu bu durum ispatlanmıştır. DCI, çeliği belirli bir klorür konsantrasyonuna kadar, klorür kay naklı korozyona karşı korur. Bu da, yapının hizmet ömrünü belirgin ölçüde artırır. Fakat sonunda, çelikteki klorür miktarı korozyonu başlatmaya yetecek bir düzeye erişir. Klorür iyonlarının sayısı o kadar çok olur ki bunlardan bazıları yeni oluşmuş ferröz oksit kusurlarına ulaşır. Korozyon başladığında bile (kalsiyum nitrit içermeyen betondakine nazaran çok yüksek klorür konsantrasyonunda), korozyon hızları, korumasız çelikte korozyonun başlama anın-daki hızdan daha düşük olur. Çeliği çevreleyen DCI birikimi, klorür iyonlarının gücüne rağmen korozyonu inhibe etmeye devam eder. Korozyon başla dığında, yeni demir atomları da korozyona maruz kalır. Bu yeni maruz kalann demir atomları, daha kararlı olan ferrik hale ulaşabilmek için önce ferröz halden geçmek zorunda olduklarından, daha ileri bir klorür hücumu tehlikesi altındadırlar. Bu nedenle, korozyon hücreleri giderek büyür ve korozyon ürünleri birikir bu olay Şekil 2 de görülmektedir. Şekil 2Çelik üzerinde klorür hücumu

23 Nitrit iyonları, doğal ferrik oksit tabakasına eşlik ederek, klorür iyonlarını ferröz iyonlarıyla kompleks oluşturmaktan alıkoyarlar. Nitrit bunu üç şekilde gerçekleştirir. Birincisi, ferröz oksiti yükseltger ve koruyucu ferrik oksite dönüşmesini sağlar. Ferrik oksit, klorür hücumuna uğramaz. Alkali ortamda ferröz bölgeler ferrik bölgelere nazaran küçük olduklarından, temel olarak hiç nitrit sarfiyatı olmaz (Şekil 3). İkincisi, nitrit anyonları demir yüzeyinde kimyasal olarak absorblanarak sağlam bir ferrik oksit koruyucu tabakası oluştururlar. Şekil 4 de görüldüğü gibi, ferröz oksit kusurları nitrit iyonlarınca çevrelenmiştir ve klorür hücumuna maruz kalma ihtimalleri daha azdır. Şekil 3 Çeliğin kalsiyum nitritçe korunması Şekil 4 Çeliğin kalsiyum nitrit le korunması Nitrit iyonları, aynı tür korumayı artırarak ferrik oksit pasifleştirici tabakasını kuvvetlendirirler.

24 Şekil 5 - Çeliğin kalsilyum nitrit le korunması Nitrit İyonları ferröz oksit kusurlarını çevrelemek suretiyle korurlar. Şekil 6 - Çeliğin kalsiyum nitrit le korunması Pas çelikten uzaklaşınca, nitrit iyonları içeri girerek yeni oluşmuş ferröz oksit bileşiklerini çevrelemek suretiyle koruma sağlar.

25 ÖZET 1. Çelik takviyeli veya öngerilimli betona DCI korozyon inhibitörü ilavesi, yapının hizmet ömrünü belirgin ölçüde rtırmaktır. 2. DCI, çeliği korurken doğal yoldan oluşan pasifleştirici tabakaya eşlik etmektedir. Betona DCI ilave edilmesine korozyonun başlamasını geciktirmekte ve korozyon başladıktan sonra da hızını azaltmaktadır. 3. Deniz ortamları ve buz çözme tuzları, betondaki klorürlerin başlıca kaynaklarıdır, fakat betonun bileşenlerinde de bulunabilmektedirler. Klorür iyonları, korumasız çeliğe, üzerindeki koruyucu oksit tabakasında bulunan kusurlar vasıtasıyla hücum etmekte ve korozyon süre- cini başlatmaktadırlar. 4. Klorürlerin yokluğunda, betonarme çeliğinin korozyondan korunması, alkali ortam (yüksek ph) nedeniyle beton tarafından gerçekleştirilebilmektedir. 5. Kalsiyum nitrik betonun içindeki çeliği korurken, nitrit konsantrasyonu yapının ömrü boyunca temel olarak sabit kalmaktadır. Bu tüketimsel bir işlem olmadığından kalsiyum nitrit çeliği korurken miktarca azalma göstermemektedir. Korozyon başladığında, DCI korozyon hızını azaltmak suretiyle korozyonu inhibe devam etmektedir. Kaynak: Girit,N., TÜRKİYE MÜHENDİSİK HABERLERİ, SAYI /4