ISSN: 2148-0273 Cilt 5, Sayı 1, 2017 Vol. 5, Issue 1, 2017 Betonarme Yapılardaki Donatı Korozyonunun Kimyasal Analizi Ali GÜZELÇİÇEK 1, Murat DAL 2, Bilgin ZENGİN 3* Özet Türkiye, dünyanın en etkin deprem kuşaklarından birinin üzerinde bulunmaktadır. Bulunduğu konum itibarı ile her yıl sayısız deprem olmaktadır. Can ve mal kayıpları yaşamaktadır. Deprem gerçeği ile betonarme yapıların korozyon sebebi ile binaların hasar gördüğü yaygın olarak bilinen bir durumdur. Bu çalışmada, korozyona uğramamış ve koroze olmuş donatılar İstanbul, Ataşehir, Küçükbakkalköy Mah., Cengiz Topel Cad., No:25/27B adresindeki yapının farklı noktalarından örnekler alınarak kimyasal analiz sonuçları spektrometrik ölçüm cihazı ile kimyasal analiz sonuçları tespit edilerek, karşılaştırmalı olarak sonuçlar yorumlanmış ve donatı korozyonunun önemi vurgulanmıştır. Anahtar kelimeler: deprem, donatı, spektrometre, korozyon, kimyasal analiz Chemical Analysis of Reinforcement Corrosion in Reinforced Concrete Structures Abstract Turkey is on one of the most active seismic zones in the world. Due to its location, there are countless earthquakes every year. Life and property losses are alive.it is a well-known fact that buildings are damaged due to the corrosion of reinforced concrete structures due to the earthquake reality.in this study, samples of untreated and samples of corrosion were taken from different points of the structure at Istanbul, Ataşehir, Küçükbakkalköy Mah., Cengiz Topel Cad., No: 25 / 27B, the results of the chemical analysis were determined with a spectrometer, the results were interpreted comparatively and the importance of the corrosion of the reinforcement was emphasized. Keywords: earthquake, reinforcement, spektrometer, corrosion, chemical analysis 1 Yüksek Lisans öğrencisi, Munzur Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Tunceli, e-mail: aliguzelcicek@besmuhendislik.com 2 Murat Dal, Yrd. Doç. Dr., Munzur Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Tunceli, e-mail: teknikmurathoca@gmail.com 3* Bilgin Zengin, Yrd. Doç. Dr., Munzur Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Tunceli, e-mail: bilginzengin@munzur.edu.tr
53 Betonarme Yapılardaki Donatı Korozyonunun Kimyasal Analizi 1. Giriş Türkiye nin coğrafi bakımdan %8 lik kısmı hariç deprem kuşağında olduğu, nüfusun yaklaşık %95 kısmının deprem riski altında yaşadığı ayrıca birçok baraj ve sanayileşmenin yine bu deprem kuşağında olduğu bilinmektedir. 1950 den bu yana yaklaşık 60.000 insanımız hayatını kaybetmiş, birçok vatandaşımız yaralanmış ve 400.000 den fazla bina yıkılmış veya hasar görmüştür(çoşgun, 2006).Bu deprem gerçeği betonarme ve donatı çeliğine önemi artırmış ayrıca denetimler sıklaştırılmıştır. Her ne kadar yapılar yönetmeliklere uygun hazırlanmış olsa bile, yapım sırasındaki kötü malzeme kullanımı ve yapılan hatalı uygulamalar olası bir deprem karşısında binanın performansını olumsuz ölçüde etkilemektedir. Yapıları depreme karşı uzun vadede etkileyen en önemli problemlerden biri de yapının taşıyıcı elemanlarındaki çelik donatıların korozyona uğramasıdır (Taché, 2001). Çelik donatılar, betonarmenin yüksek alkalik yapısından ötürü uzun süre korozyona uğramadan kalabilirler. Alkalik ortamda pasif bir oksit tabaka oluşması donatının korozyona uğrama hızını azaltır (Rodriguez ve ark., 1994). Ayrıca beton yapısı bakımından boşluklu olmasına rağmen geçirgenliği oldukça azdır. Bu yüzden oksijen, su ve klorür gibi donatı çeliğinin korozyona uğramasına neden olan başlıca etkilerin betonarmeye girmesi oldukça zor diyebiliriz. Bu bağlamda korozyon olma olasılığı oldukça düşüktür (Doğan, 2009). Çelik donatının korozyonu, betonarmenin yapım aşamasında beton içindeki bileşenler ile betonarmenin servis sırasındaki etkilerinden ve bunlarınkollektif davranışlarından oluşur (Koç, 1998). Betonarme yapıda zaman içerisinde büyük ve küçük depremlere, titreşim ve sarsıntılara, mekanik yorgunluk ve dış ortamdaki çeşitli nedenlere bağlı olarak betonda önce oldukça küçük sonra giderek büyüyen gözenek ve çatlaklar oluşur. Bu gözenek ve çatlaklardan betonarmenin içine sızan nem, deniz kumu kullanımından ileri gelen tuzlar, araçların egzoz gazları ile sanayi kirliliğinden kaynaklananhavadaki CO 2, kükürt, nitrojen oksit gibi korrozif gazlar ve karayollarında buzla mücadelede kullanılan tuzlar çelik donatının korozyona uğramasına neden olur (Doğan, 2009). Günümüzde depreme dayanıklı binaların yapımında sentetik içerikli malzemelerde kullanılmaktadır. Bu malzemeler binaların hem daha dayanıklı hem de daha hafif olmasına olanak sağlamaktadır (Kısmet, 2016).
Ali GÜZELÇİÇEK, Murat DAL, Bilgin ZENGİN 54 Bu bağlamda betonarme donatı hayati önem taşımaktadır. Donatının kalitesi, içerdiği elementlerin ne kadar yoğunluğa sahip olduğu yapılacak inşa için önem taşımaktadır. Spektrometre metal ölçüm cihazı ile maddelerin kimyasal analizleri yapılmaktadır. 2. Çalışma Yöntemi Yapacağımız deneyde düz yüzeyin (zımpara veya torna ile) ölçüm sonuçlarını SMA Spectrolab ile yapılmıştır. Çalışma prensibi; Spektrometre, aldığı yüksek voltajı elektrot yardımıyla numuneye (Şekil 1) uygulayarak bir uyarım yapar. Bu uyarım numune ile elektrot arasında bir elektrik boşalmasına(plazma) neden olur. Bu oluşan plazma fiber optik kablolarla cihazın optik kısımlarına (air optik ve CCD optik) iletilir. Ancak 200 nm altındaki ışık miktarına sahip elementler fiber optik kablolarla değil, direkt N (azot) veya Ar (argon) gazıyla optiklere gönderilir. Taşınan bu ışıklar fiber optiğin diğer ucunda bulunan grating (kalite) kısmına iletilir. Burada ışık dalga boyuna göre kırılır ve optiklerde bulunan PMT (photo multi tube) lere düşer(heckel, 2008). Şekil 1. Spektrometrede numune ölçümü Spektrometre, CCD deki (Şekil 2) PMT lerde oluşan, dalga boyları 120-766 nm arasında değişen elementlerin ışık miktarlarını okur. Her elementin dalga boyu farklıdır. Alınan ışık miktarı önceden cihaza girilmiş olan ışık konsantrasyon değerleriyle karşılaştırılıp yüzdesel olarak sayısal kodlarla ekrana yansıtılır. Bu şekilde ölçüm yaptığımız malzemenin saflık derecesini, hangi elementlerden oluştuğunu, kalitesini, cinsini tesbit etmemiz mümkündür (Manfred, 2006).
55 Betonarme Yapılardaki Donatı Korozyonunun Kimyasal Analizi Şekil 2. CCD Optik ve PMT ler Koroze olmuş donatı çubuğunun yüzeysel kimyasal analiz sonuçlarını XRF Spectro XEPOS cihazıyla tesbit edilmiştir. Çalışma prensibi; elemental bazda kimyasal kompozisyonu belirlemede kullanılan önemli cihazlardan biridir. Atom X ışınları gibi yüksek enerjili bir ışınıma maruz kalırsa, bu yüksek enerji girişi atomun çekirdeğine yakın K, L veya M enerji yörüngelerdeki elektronları bulundukları yörüngeden uyarır. Uyarılan atomda enerji yörüngesinde boşalan elektronun yeri üst enerji seviyesindeki elektronlar tarafından doldurularak kararlı hale geri döner. Enerji düzeyleri arasındaki fark ile soğurmuş oldukları bu enerjiyi dalga boyu 0,1-50 Å olan X ışınları şeklinde yayınlarlar. Yayınlanan bu ışımalara floresans ışıma adı verilir. Elementlerin yayınladığı bu ışımalar her element için farklı dalga boyuna sahiptirler.bu nedenle, bu ışımalar o elementin parmak izi gibi ayırt edici bir özelliğidir. Numunede bulunan elementlerden yayımlanan karakteristik X-ışınları Silikon Drift Dedektör (SDD) üzerine düşer. Elektronik kısımda yarı iletken teknolojisi ile üretilen peltier akımı ile soğutulan yüksek sayım ve enerji çözünürlüğüne sahip dedektörde her fotonlar elektronik sinyale dönüştürülür. Her sinyal çok kanallı analizörde enerjiye bağlı ilgili elementin kanalına yönlendirilerek elementler için şiddet ölçümü alınır. Programda elementlerin konsantrasyonuna karşılık sinyal şiddetleri eşleştirmesi ile oluşturulan kalibrasyon eğrisi sayesinde bilinmeyen numunelerde nitel ve nicel analiz gerçekleştirilecektir (Paul, 2006).
Ali GÜZELÇİÇEK, Murat DAL, Bilgin ZENGİN 56 3. Araştırma Bulguları Şekil 3. Koroze olmuş yapı (Küçükbakkalköy Mah. Cengiz Topel Cad. No:25/27B Ataşehir, İstanbul) Şekil 3 deki yerden alınan koroze olmuş donatı demir çubuğu yüzey kimyasal analizi yapan Spectro Xepos (Şekil 4) cihazında ölçüm yapıldı ve Tablo 1,2,3 deki sonuçlar bulunmuştur. Şekil 4. Koroze donatının XRF Spectrometre Xepos cihazında yüzeysel ölçümü Tablo 1. Giriş kattan alınan koroze kiriş donatının kimyasal analiz sonuçları Ki.Ö1 Ki.Ö2 Ki.Ö3 Ki.Ö4 Ort. Fe 82.61 81.60 80.58 80.08 81.21 Si 2.598 2.765 2.983 3.082 2.857 Al 1.096 1.189 1.330 1.363 1.245 S 1.364 1.403 1.441 1.462 1.418 Cl 1.494 1.530 1.556 1.576 1.539
57 Betonarme Yapılardaki Donatı Korozyonunun Kimyasal Analizi Ca 6.980 7.201 7.159 7.139 7.120 Cr 0.067 0.068 0.068 0.068 0.068 Mn 0.470 0.478 0.471 0.467 0.472 V 0.001 0.001 0.002 0.001 0.001 Co 0.070 0.054 0.054 0.052 0.058 Ni 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 Cu 0.17 0.16 0.16 0.16 0.16 Zn 0.042 0.040 0.039 0.040 0.040 Na 0.31 0.34 0.61 0.78 0.46 Mg 1.716 1.938 2.336 2.510 2.125 P 0.057 0.060 0.063 0.065 0.061 Tablo 2. Zemin katın kolonundan alınan donatının kimyasal analiz sonuçları K.Ö1 K.Ö2 K.Ö3 K.Ö4 Ort. Fe 80.02 81.20 79.94 81.80 80.74 Si 2.732 2.994 2.871 2.637 2.808 Al 1.218 1.087 1.376 1.243 1.231 S 1.321 1.378 1.480 1.412 1.397 Cl 1.513 1.520 1.568 1.544 1.536 Ca 7.088 7.162 7.239 7.148 7.159 Cr 0.068 0.066 0.068 0.068 0.068 Mn 0.472 0.476 0.474 0.465 0.474 V 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 Co 0.048 0.057 0.055 0.056 0.054 Ni 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 Cu 0.16 0.16 0.15 0.16 0.16 Zn 0.040 0.044 0.041 0.042 0.042 Na 0.55 0.6 4 0.58 0.47 0.56
Ali GÜZELÇİÇEK, Murat DAL, Bilgin ZENGİN 58 Mg 2.106 1.873 2.256 2.318 2.138 P 0.060 0.062 0.063 0.062 0.062 Tablo 3. Zemin kat döşemesinden alınan koroze donatının kimyasal analiz sonuçları D.Ö1 D.Ö2 D.Ö3 D.Ö4 Ort. Fe 80.24 81.78 80.93 81.15 81.02 Si 2.841 3.127 2.811 2.962 2.935 Al 1.107 1.221 1.348 1.315 1.247 S 1.307 1.322 1.409 1.436 1.368 Cl 1.534 1.512 1.581 1.525 1.538 Ca 7.114 7.012 7.256 7.155 7.134 Cr 0.068 0.068 0.069 0.068 0.068 Mn 0.470 0.471 0.468 0.474 0.471 V 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 Co 0.052 0.057 0.050 0.051 0.053 Ni 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 Cu 0.16 0.17 0.16 0.16 0.16 Zn 0.044 0.041 0.039 0.045 0.043 Na 0.58 0.6 1 0.57 0.50 0.56 Mg 2.047 1.978 2.156 2.210 2.109 P 0.061 0.062 0.059 0.061 0.061 Şekil 5. Koroze donatının zımpara ile temizlendikten sonraki kimyasal analiz sonuçlarının ölçümü
59 Betonarme Yapılardaki Donatı Korozyonunun Kimyasal Analizi Şekil 5 de gördüğümüz gibi koroze yüzeyi zımpara yaparak donatının iç kısmının kimyasal analizleri Spektro Lab cihazında ölçüm yapılmıştır ve Tablo 4 deki sonuçlar elde edilmiştir. Tablo 4. Koroze donatının zımpara ile temizlendikten sonraki kimyasal analiz sonuçları Ö1 Ö2 Ö3 Ö4 Ort. Fe 98.5 98.5 98.5 98.5 98.5 Si 0.12 0.12 0.12 0.12 0.12 Al 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 S 0.077 0.082 0.074 0.080 0.080 Cl 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 Ca 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 Cr 0.072 0.073 0.074 0.072 0.073 Mn 0.054 0.056 0.056 0.054 0.054 V 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 Co 0.019 0.020 0.019 0.020 0.019 Ni 0.12 0.12 0.11 0.13 0.12 Cu 0.20 0.20 0.21 0.20 0.20 Zn 0.004 0.003 0.003 0.003 0.003 C 0.11 0.11 0.11 0.11 0.11 Mg 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 P 0.059 0.056 0.049 0.059 0.056 4. Sonuçlar 1999 deprem sonrası, İstanbul Büyükşehir Belediyesinin 55000 konut üzerinde yapılan araştırmalarda, konutların %70 e yakını donatı korozyonu sebebi ile hasar gördüğü tesbit edilmiştir (Bonfil, 2005). Bu sebepten ötürü donatı korozyonu binalarda oldukça ciddi sorun olmuştur.
Ali GÜZELÇİÇEK, Murat DAL, Bilgin ZENGİN 60 Bu çalışmada korozyona uğrayan donatıların kimyasal analiz sonuçları, koroze olmayan donatıların kimyasal analiz sonuçları karşılaştırılmıştır. Örnek yapı olarak; İstanbul, Ataşehir, Küçükbakkalköy Mah. Cengiz Topel Cad. No:25/27B adresindeki yapının; giriş kat kiriş donatısından, zemin kat kolon donatısından ve zemin kat döşeme donatısından alınan korozyonlu donatıların kimyasal analiz sonuçları Tablo 1, Tablo 2 ve Tablo 3 te verilmiştir. Aynı yapıdan korozyona uğramış donatı alınarak, kimyasal analiz sonuçları Tablo 4 te verilmiştir. Bu sonuçlar karşılaştırıldığında, korozyona uğramış donatıların kimyasal analiz sonuçları benzerlik göstermiştir. Fakat en belirgin fark koroze olan donatılarda demir (Fe) oranı çok yüksek bir oranda düşüş göstermiştir. Koroze olan donatılar detaylı incelendiğinde Kalsiyum (Ca),Alüminyum (Al), Silis (Si), Klor (Cl), Kükürt (S) gibi elementlerde değişiklik (Tablo 1,2,3) koroze olmayan donatıya oranla yüksek olduğu tesbit edilmiştir (Tablo 4). Bu değişikliğin en büyük sebebi bu elementlerin çimentonun kimyasında mevcut olmasıdır. Ayrıca Cl, S ve Al gibi elementler yağmur suyu ile birlikte betonarmeye girip donatının korozyona uğramasını önemli derecede etkili kılmıştır. Betonarme donatılarının korozyonunu önlemede birçok organik ve inorganik katkı maddeleri kullanılmaktadır. Donatı korozyonuna çözüm bulunmaya çalışılmalıdır. Bu konuda farklı meslek guruplarının multidisipliner çalışmalarla sorunun çözümüne yaklaşılmalıdır. Aksi taktirde depremler betonarme binaları bu sebepten dolayı yıkmaya devam edecektir. 5. Teşekkür Bu deneyin yapımı için katkılarından ötürü Bes Mühendislik San. Tic. A.Ş. ye teşekkürlerimizi sunarız. 6. Kaynaklar Çoşgun, T. (2006). İstanbul da Deprem Sonrası Yapılan İncelemelerde Karşılaşılan Korozyon Hasarı Üzerine Bir İnceleme, İÜ M.F, İnşaat Mühendisliği Bölümü. Taché, G. (2001). Application de l électrochimie à la caractérisation de la corrosion des aciers dans le béton Généralités. Séminaire Electrochimie et béton armé.
61 Betonarme Yapılardaki Donatı Korozyonunun Kimyasal Analizi Rodriguez, P. Ramirez, E. and Gonzalez, J.A. (1994). Methods for Studying Corrosion in Reinforced Concrete, Magazine of Concrete Research, 46(l67):81-90. Doğan, M.(2009). Betonarme yapılardaki Deprem Hasarlarına Korozyonun Etkisi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi,12 (1):147-168. Koç, T.(1998). Betonarme Demirlerinin Korozyonu ve Katodik Korunması-II, Tudev İş Dünyası, 3, 1-12. Kısmet, Y. and Wagner, H. M. (2016). Enhancing the potential of employing thermosetting powder recyclates as filler in LLDPE by structural modifications, Journal of Polymer Engineering, 37(3):287-296. Doğan, M.(2009). Betonarme yapılardaki deprem hasarlarına korozyonun etkisi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 12(1). Heckel, J. (2008). D-47533 Spectro Kleve, Almanya (www.spectro.com) Manfred, A.(2006). Spectro Analytical Instruments GmbH Installation Information Spectrolab Laxm12, Almanya (www.spectro.com) Paul, D.(2006). Spectro Analytical Instruments X-Ray Fluorance Testing, Spectro Xepos, Almanya (www.spectro.com) Bonfil, J.(2005). Su Problemine Yapı Bittikten Sonra Çözüm Aranıyor, Yapı ve Yalıtım Teknolojileri Dergisi, 55(10).