Betonarme yapılar, modern dünyanın en yaygın yapı sistemlerinden biridir. Köprülerden tünellere, yüksek yapılardan limanlara kadar sayısız yapı, beton ve çeliğin birlikte çalışması sayesinde güvenli ve dayanıklı hale gelir.
Beton basınç kuvvetlerine karşı oldukça güçlü bir malzeme olmasına rağmen, çekme ve eğilme gerilmelerine karşı aynı performansı gösteremez. Bu nedenle betonarme elemanların çekme gerilmelerine maruz kalan bölgelerine çelik donatılar yerleştirilir. Çekme dayanımı yüksek olan çelik donatılar, çekme dayanımı düşük olan betonu takviye eder. Beton ve çelik arasında yeterli aderans sağlandığında bu iki malzeme tek bir sistem gibi davranır; beton basınç yüklerini, çelik ise çekme yüklerini taşır.
Ancak bu güçlü iş birliğinin görünmeyen bir zayıf noktası vardır: donatı korozyonu.
Yapılarda yaygın olarak kullanılan ve çok önemli görevi olan çelik donatı, zamanla, halk arasında “paslanma” da denilen “korozyon” olayı ile karşı karşıya kalabilir. Korozyon sözcüğü, Latince’de, kemirmek anlamına gelen con rodere sözcüğünden türetilmiştir.
Korozyon, beton içerisindeki çelik donatının zamanla bozulmasına neden olan elektrokimyasal bir süreçtir. İlk aşamalarda fark edilmesi zor olsa da, ilerleyen dönemlerde yapısal dayanım kayıplarına ve ciddi hasarlara yol açabilir.
Donatı Korozyonu Nedir?
Beton içerisindeki çelik donatının korozyonu, galvanik pil mekanizmasına benzer şekilde gerçekleşen elektrokimyasal bir olaydır.
Demir iyonları (Fe++) ile betonun alkalin ortamında bulunan hidroksil iyonları (OH⁻) reaksiyona girerek ferros hidroksit [Fe(OH)₂] ve ferrik hidroksit [Fe(OH)₃] gibi korozyon ürünlerini oluşturur. Bu ürünler genel olarak “pas” olarak adlandırılır.
Resim 1. Çelik Donatıda Korozyon Oluşumu
Korozyon sırasında çelik donatı demir iyonlarını kaybetmeye başlar. Bunun sonucunda donatı kesitinde küçülme meydana gelirken, oluşan pas ürünleri çelik yüzeyinde birikir.
Bu süreç yalnızca çeliği etkilemez; betonarme elemanın tamamını tehdit eden sonuçlar doğurur.
Donatı Korozyonunun Betonarme Yapılara Etkileri
Taşıma Kapasitesinin Azalması
Korozyona uğrayan çelik donatının kesiti küçüldükçe, aynı yük daha küçük bir kesit tarafından taşınmak zorunda kalır. Bu durum donatı üzerindeki çekme gerilmelerini artırır.
İlerleyen aşamalarda donatı yük taşıma kapasitesini kaybedebilir ve betonarme elemanlarda çatlama, deformasyon ve kırılmalar meydana gelebilir.
Resim 2. Donatı Korozyonu ve Betonun Parçalanması
Betonun Çatlaması ve Parçalanması
Korozyon sonucu oluşan pasın hacmi, reaksiyona giren demirin hacminden yaklaşık 2,5 ila 3 kat daha büyüktür.
Çelik yüzeyinde biriken bu ürünler beton içerisinde yüksek iç gerilmeler oluşturur. Zamanla bu gerilmeler betonun çatlamasına, kabarmasına ve hatta parçalanmasına neden olabilir.
Estetik Bozulmalar
Korozyonun ilk belirtileri çoğu zaman beton yüzeyinde görülen pas lekeleridir.
Korozyon ilerledikçe bu lekeler donatı doğrultusunda yayılır ve daha belirgin hale gelir. İleri seviyelerde beton yüzeyinde parçalanmalar görülebilir. Yapısal risk oluşmadan önce bile bu görüntü, yapının estetik görünümünü olumsuz etkiler.
Resim 3. Korozyona Uğramış Donatı ve Sağlıklı Betonarme Karşılaştırması
Donatı Korozyonu Nasıl Oluşur?
Korozyonun gerçekleşebilmesi için üç temel unsur gereklidir:
- Anot
- Katot
- Elektrolit
Anot elektron üreten bölgeyi, katot elektronları tüketen bölgeyi, elektrolit ise elektron hareketinin gerçekleştiği ortamı ifade eder.
Betonarme elemanlardaki çelik donatılar üzerinde mikroskobik düzeyde farklı enerji alanları oluşur. Bu bölgeler arasında potansiyel fark meydana gelir ve çelik çubukların üzerinde birçok noktada anot ve katot oluşmuş olması kaçınılmaz bir durumdur. Çelik çubuğun etrafını saran beton tabakası, elektrolit görevi görerek korozyon reaksiyonlarının başlamasına olanak sağlar.
Anodik bölgelerde demir iyonları çözünmeye başlar. Katodik bölgelerde ise oksijen ve suyun katılımıyla hidroksil iyonları oluşur. Bu iyonlar daha sonra demir iyonlarıyla birleşerek korozyon ürünlerini meydana getirir.
Bu süreç devam ettikçe donatı kesiti azalırken, pas ürünleri çelik yüzeyinde birikmeye devam eder.
Beton İçindeki Çelik Donatı Neden Korozyona Uğrar?
Donatı korozyonunun oluşumunda betonun iç ve dış ortam koşulları belirleyici rol oynar. Özellikle aşağıdaki faktörler korozyon riskini doğrudan etkiler:
- pH değeri
- Karbonatlaşma
- Nem
- Oksijen
- Klorür iyonları
Betonun Yüksek pH Değeri Donatıyı Nasıl Korur?
Taze betonun pH değeri yaklaşık 12,5–13 seviyesindedir. Bu yüksek alkalinite, çimento hidratasyonu sonucu oluşan kalsiyum hidroksitten kaynaklanır.
Bu ortamda çelik yüzeyinde çok ince ve koruyucu bir oksit filmi oluşur. Pasif film adı verilen bu tabaka, çeliğin korozyona karşı korunmasını sağlar.
Bu nedenle beton, doğal olarak çelik donatı için oldukça etkili bir koruyucu ortamdır.
Ancak zamanla beton içerisine sızan sulardaki tuzlar ve karbonatlaşma etkisi nedeniyle pH değeri düşebilir. pH seviyesinin yaklaşık 9–10 değerlerine gerilemesi durumunda koruyucu film bozulur ve korozyon başlayabilir.
Karbonatlaşmanın Etkisi
Karbonatlaşma, beton içerisindeki kalsiyum hidroksitin atmosferden gelen karbondioksit ile reaksiyona girmesi sonucu meydana gelir.
Bu reaksiyon sonucunda kalsiyum karbonat oluşurken betondaki kalsiyum hidroksit miktarı azalır ve pH değeri düşer.
Karbonatlaşma genellikle beton yüzeyinden başlayarak iç kısımlara doğru ilerler. Betonun geçirgenliği arttıkça ve mikro çatlaklar çoğaldıkça karbonatlaşmanın ilerleme derinliği de artar.
Resim 4. Betonda Karbonatlaşma Testi & pH Göstergesi
Resim 5. Betonda Karbonatlaşma ve Donatı Korozyonu
Su/çimento oranı düşük olan ve iyi kür edilen betonlarda, karbonatlaşmanın etkisi yüzeyden 25 mm’den daha içerideki bölgeyi etkilememektedir. Bu nedenle çelik donatılar genellikle beton yüzeyinden 25–50 mm içeride konumlandırılır. Donatı üzerinde bırakılan bu koruyucu beton tabakası “pas payı” olarak adlandırılır.
Nem ve Oksijenin Rolü
Korozyonun gerçekleşebilmesi için hem suya hem de oksijene ihtiyaç vardır.
Kuru ortamda bulunan çelik korozyona uğramaz. Benzer şekilde tamamen su altında kalan çeliklerde de oksijen yetersizliği nedeniyle önemli bir korozyona uğramamaktadır.
Buna karşılık geçirgenliği yüksek betonlar daha fazla su ve oksijen geçirdiğinden, donatı korozyonu açısından daha riskli hale gelir.
Klorürler Neden En Büyük Tehlikelerden Biridir?
Klorür iyonları, çelik yüzeyindeki pasif filmi bozarak korozyonun başlamasını hızlandırır. Demir iyonları ve klor iyonları, su ile reaksiyona girip, ferros hidroksit ve hidroklorik asit oluşturur. Hidroklorik asitin, hidrojen iyonuna ve klor iyonuna dönüşmesiyle de, korozyon daha şiddetli şekilde devam eder.
Resim 6. Klor İyonlarının Mevcudiyetinde Elektrokimyasal Korozyon
Fe++ + 2Cl⁻ + 2H₂O → Fe(OH)₂ + 2HCl
HCl → Cl⁻ + H⁺
Beton içerisindeki klorürler farklı kaynaklardan gelebilir:
- CaCl₂ gibi, priz-hızlandırıcı katkılardan,
- Beton yapımında kullanılan deniz kumundan veya tuzlu ortamdan elde edilmiş olan agregalardan,
- Kışın, betonun üzerindeki buzlanmanın çözülmesi için kullanılan sodyum klorür veya kalsiyum klorür gibi tuzlardan,
- Deniz suyundan, ve
- Deniz kenarındaki bölgelerde oluşan tuzlu sisten
Resim 7. Deniz Ortamında Korozyon
Beton içerisinde biriken klorür miktarı kritik seviyeye ulaştığında, donatı korozyonu başlar.
Resim 8. Klor Konsantrasyonunun Korozyon Etkisi
Bu nedenle özellikle kıyı yapıları, limanlar, köprüler ve buz çözücü tuz kullanılan bölgeler daha yüksek risk altındadır.
Resim 9. Köprülerde Buz Çözücü Tuz Kaynaklı Korozyon
Donatı Korozyonu Nasıl Önlenebilir?
Uygun tasarım ve malzeme seçimiyle korozyon riski önemli ölçüde azaltılabilir.
1. Geçirimsiz Beton Üretmek
Korozyona karşı ilk savunma hattı kaliteli ve düşük geçirgenlikli betondur.
Düşük su/çimento oranına sahip betonlarda su, oksijen ve klorürlerin beton içerisine nüfuz etmesi daha zordur. Ayrıca bu betonlar daha yüksek dayanım göstererek çatlak oluşumuna karşı daha dirençli hale gelir.
Deniz suyu veya buz çözücü tuz etkisine maruz kalacak betonlarda su/çimento oranının mümkün olduğunca düşük tutulması önerilmektedir.
Çimento miktarının yüksek tutulması, geçirimliliği azalttığı gibi beton ortamındaki kalsiyum hidroksit miktarını da artırmaktadır. Böylece, betonun pH derecesi nispeten yüksek olmaktadır.
2. Beton Yüzeyini Korumak
Beton yüzeyine uygulanan su itici malzemeler, yağmur ve kar sularının beton içerisine girişini azaltabilir.
Daha yüksek koruma gereken durumlarda asfalt veya polimer esaslı kaplamalar tercih edilebilir. Bu kaplamalar betonun dış etkilere karşı korunmasına yardımcı olur.
3. Korozyon Engelleyici Katkılar Kullanmak
Kalsiyum nitrit, sodyum nitrit, sodyum benzoat ve potasyum kromat gibi bazı katkılar donatı korozyonunu azaltıcı etki gösterebilir. Ancak, bu katkılardan bazılarının yan etkileri de olabilmektedir: betonun prizi gecikebilmekte, dayanımı biraz düşebilmekte, ve çok miktarda kullanıldıkları takdirde, alkali-agrega reaksiyonunun oluşabilmesi kolaylaşabilmektedir.
Araştırmalar, korozyonu engelleyebilen ve betonda zararlı yan etki yaratmayan en iyi katkının kalsiyum nitrit olduğu belirtilmektedir. Kalsiyum nitrit kullanıldığında çelik yüzeyinde koruyucu ve pasif bir demir oksit tabakası oluşur ve korozyonun ilerlemesi yavaşlatılır.
4. Donatı Yüzeyini Korumak
Donatıların epoksi gibi koruyucu kaplamalarla kaplanması, klorür ve nemin çelik yüzeye ulaşmasını zorlaştırır.
Bu yöntemin başarılı olabilmesi için kaplamanın uygulama ve taşıma sırasında zarar görmemesi gerekir.
Resim 10. Epoksi Kaplı Donatı
5. Yeterli Pas Payı Bırakmak
Donatı ile beton yüzeyi arasında bırakılan beton örtüsü, donatının çevresel etkilere karşı korunmasında kritik öneme sahiptir.
Pas payı arttıkça su, oksijen ve klorürlerin donatıya ulaşması zorlaşır. Bu nedenle yapı standartlarında farklı çevresel koşullar için minimum pas payı değerleri tanımlanmıştır.
6. Katodik Koruma Uygulamak
Özellikle agresif çevre koşullarında kullanılan yapılarda katodik koruma sistemleri uygulanabilir.
Bu yöntemde çelik donatı katot olarak çalışacak şekilde elektriksel bir sistem kurulur. Böylece donatı korozyondan korunurken, sistemde kullanılan çinko veya magnezyum gibi fedakâr anotlar zamanla tüketilir.
Resim 11. Katodik Koruma
Donatı Korozyonunu Önlemenin Anahtarı
Betonarme yapılarda donatı korozyonu, çoğu zaman gözle görülmeden başlayan ancak zamanla yapısal dayanımı, servis ömrünü ve estetik görünümü etkileyebilen önemli bir problemdir.
Betonun yüksek alkalinitesi donatı için doğal bir koruma sağlasa da karbonatlaşma, nem, oksijen ve özellikle klorür iyonları bu koruyucu mekanizmayı zayıflatabilir. Korozyon sonucu donatı kesitinde azalma meydana gelirken, oluşan pas ürünleri betonun çatlamasına ve parçalanmasına neden olabilir.
Düşük geçirgenlikli beton üretimi, yeterli pas payı bırakılması, koruyucu kaplamalar, korozyon önleyici katkılar ve gerektiğinde katodik koruma uygulamaları, betonarme yapıların servis ömrünü uzatmak ve donatı korozyonunu kontrol altına almak için kullanılan başlıca yöntemlerdir.
Kaynak
Beton; Turhan Y Erdoǧan; ODTÜ Geliştirme Vakfı Yayıncılık ve İletişim
