Beton Borularda Korozyon ve Katodik Koruma

GİRİŞ

Beton borular uzak mesafelerden içme ve kullanma suyu taşımacılığında son zamanlarda büyük ölçülerde kullanılmağa başlanmıştır. Özellikle Amerika Birleşik Devletlerindeki birçok büyük projede ve Dünyanın en büyük yapay nehir projesi olan Kuzey Afrika’daki tatlı su boru hattında değişik çaplarda beton borular kullanılmıştır. Bu boruların normal çelik borulara tercih edilmesinin en önemli nedeni, hidrostatik basınca karşı normal çelik borulara göre 10-13 defa daha dayanıklı olanlarıdır [1]. Bunun dışında yaklaşık olarak %65-70 oranında çelik tasarruf edilmekte ve böylece en az % 15 ekonomi sağlanmış olmaktadır [2}. Bu özellikleri nedeni ile çelik gömlekli ve ön gerilimli beton borular ülkemizde de üretilmekte ve bazı büyük içme suyu projelerinde kullanılmış bulunmaktadır [*]. Ön gerilimli beton borular çelik bir borunun yüzeyleri yüksek kalitede beton ile kaplanarak imal edilmektedir. Beton kürü tamamlandıktan sonra borunun dış yüzeylerine gerdirilmiş çelik tel sarılmaktadır. Daha sonra çelik tellerin üst kısmına yeniden beton harcı kaplanmaktadır. Borular genelde 1,6-2,2 m çapında ve 2-5 m uzunluğunda imal edilmektedir. Boruların arazide birbirine bağlantısı, boru uç kısımlarında bulunan yatak içine yerleştirilen lastik contalar yerleştirmek suretiyle mümkün olmaktadır.

[*] İlk olarak Kurtboğazı Barajı-İvedik arıtma tesisleri arasında 2200mm çapında ön gerilimli beton borular kullanılmıştır.

ÇELİĞİN BETON İÇİNDEKİ KOROZYONUNUN GENEL İLKELERİ

Beton en kuru koşullarda bile bir elektrolit ortamı kabul edilebilir. Beton boşlukları içinde daima bir miktar su bulunur. Bu su, çimento klinker bileşiklerinin hidratasyonu sırasında açığa çıkan kalsiyum hidroksit ve az miktarda alkali hidroksitleri nedeni ile alkali özelliktedir. Beton boşluk suyunun pH değeri doygun halde yaklaşık olarak 12,5 civarındadır. Betonun elektrolit olarak pH değeri dışında korozyon açısından diğer önemli bir özelliği de özgül elektrik drencidir. Beton rezistivitesi büyük ölçüde rutubet derecesine bağlı olup normal halde 7000 Ohm.cm ile 100000 Ohm.cm arasında değişmektedir [3].. Doygunluk derecesi % 20’den %80 kadar arttığında beton reviztesinde 100 kaTa varan azalmalar olmaktadır. Bu azalış su içinde oranı yüksek olan betonlarda daha belirgindir.

Beton yüksek pH derecesinde bir elektrolit olduğundan beton içinde yürüyen korozyon olayında anot ve katot reaksiyonları aşağıdaki gibidir.

Anot reaksiyonu:
Fe Fe +2 + 2e; Fe +2 + H2O Fe(OH)2 + 2 H – Katot reaksiyonu 1 1/2 O2 + H2O + 2 e 2 OH- Toplam reaksiyon 2.Fe + 1/2 O2 + H2O Fe (OH)2 Bu reaksiyonlardan açıkça görülmektedir ki, katodik reaksiyonun yürümesi için katot yüzeyine oksijen difüzyonu zorunludur. Bu nedenle beton içindeki çeliğin korozyonu herşeyden önce beton içine oksijen difüzyonunun kontrolü altındadır. Atmosferden beton içindeki çelik yüzeylerine oksijen taşınımı iki yolla mümkün olabilir. Eğer beton kuru halde ise, yani beton boşlukları su ile dolu değilse, atmosferde beton iç bölgelerine oksijen taşınım hızı oldukça yüksektir. Aksi halde oksijenin su içinde çözünmüş olarak metal yüzeyine kadar difüze olması gerekecektir. Beton boşluklarında ki durgun çözelti içinde meydana gelen oksijen difüzyonu son derece yavaş bir olaydır. Korozyon hızı bu difüzyon hızının kontrol altında da sürekli su altında bulunan betonlarda ki 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 tam olarak kuru betonlar içinde de korozyon söz konusu değildir. Bu çelişkili durum ancak periyodik olarak ıslanan ve kuruyan betonlar içindeki Çeliğin etkili şekilde korozyona uğrayacağını 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 aşınmış olur. Beton içine oksijen difüzyonu hızı beton kalitesine, özellikle beton permeabilitesine bağlıdır. Beton permeabilitesi başta su/çimento oranı olmak üzere betonun hazırlanması ve kuru sırasında bir çok faktöre bağlıdır. Beton hazırlanması sırasında kullanılmış olan su/çimento oranı ne kadar küçük tutulabilirse, beton boşluk yüzdesi ve permeabilitesi de o kadar yüksek olacaktır.

BETON İÇİNDEKİ ÇELİĞİN KOROZYONUNUN ELEKTROKİMYASAL TEORİSİ

            Çelik yüzeyinde oluşan oksit tabakası bozulmadığı süre metal korozyona uğramaz. Bu nedenle yüksek pH dereceleri de çeliğin genellikle pasif halde kaldığı görülür. Beton içinde bulunan çeliğin korozyon durumu hakkında, statik potansiyel değeri ölçülerek kalitatif olarak bir fikir edinilebilir [6 ]. ASTM -C 876-87standardında, beton içinde bulunan çeliğin potansiyel ölçüm sonuçları aşağıdaki şekilde değerlendirilmektedir.

1. Beton içindeki çeliğin doygun bakır-bakır sülfat referans elektrotuna göre ölçülen potansiyel değeri eğer -0.20 V’dan daha pozitif ise, % 90 bir olasılıkla korozyon mevcut değildir.
2. Beton içindeki çeliğin doygun bakır-bakır sülfat referans elektroduna göre ölçülen potansiyeli eğer -0.20 Volt ile 0.35 Volt arasında bulunuyorsa, söz konusu çeliğin korozyona uğrayıp uğramadığı belirsizdir.
3. Beton içindeki çeliğin doygun bakır-bakır sülfat referans elektroduna göre ölçülen potansiyel değeri eğer -0,35 V’dan daha negatif ise, % 90 bir olasılıkla söz konusu çelik korozyona uğramaktadır.
4. Beton içindeki çeliğin doygun bakır-bakır-sülfat referans elektroduna göre ölçülen potansiyel değeri eğer -0.50 ‘dan daha negatif ise, şiddetli korozyon olayı söz konusudur.
5. Beton içindeki çeliğin doygun bakır-bakır sülfat referans elektroduna göre ölçülen potansiyeli eğer pozitif bir değer gösteriyorsa, ya beton kuru haldedir veya çeliğe kablo bağlantısı iyi yapılmamıştır, ya da çevreden kaçak akımlar söz konusudur.

Bu değerlendirmeler saf su veya içme suyu derecesinde temiz tatlı sular için geçerlidir. Klorür gibi bazı aktif iyonlar içeren sularla temas eden betonlarda çeliğin pasifliği bozulabilir. Temiz doğal malzemelerle hazırlanmış olan bir beton içinde çok az miktarda klorür iyonu bulunur. Agregadan ve karışım suyundan kaynaklanan bu klorürün konsantrasyonu pasifliği bozmak için yeterli değildir. Bazı halde beton prizini çabuklaştırmak amacıyla beton içine katılan kimyasal maddeler yoluyla da beton bünyesine klorür girebilir. Karışım sırasında beton içine girmiş olan bu klorür iyonlarının bir kısmi çimento hidratasyonu sırasında hidroliz olan trikalsiyum alüminat ile birleşerek trikalsiyum kloroalüminat halinde bağlanır. Beton bünyesinde bu şekilde bulunan klorür su içinde çözünmediğinden betonarme demirleri üzerine korozif etki yapmaz. Betonarme demirlerinin korozyonu açısından asıl tehlike beton bünyesine sonradan giren klorür iyonlarından ileri gelir.Klorür doğada bol bulunan bir elementtir. Başlıca klorür kaynağı bileşiminde yaklaşık % 3 oranında tuz bulunan deniz suyudur. Deniz suyu ile temas eden veya yakın deniz atmosferinde bulunan betonlarda zamanla klorür iyonu birikimi meydana gelir. Diğer önemli bir klorür kirlenmesi de, kış aylarında yollarda ki buzu eritmek amacıyla kullanılan tuzdan kaynaklanır. Bu tuz su içinde çözünmüş olarak beton bünyesine girer. Daha sonra beton kuruduğu zaman su buharlaşarak uzaklaşır, klorür ise beton boşlukları içindeki su içinde çözünmüş olarak kalır. Bu olay permeabilitesi yüksek olan betonlarda daha etkin şekilde kendini gösterir. Bataklık, çöl gibi tuzlu zeminler içinde bulunan betonlarda da buna benzer olay meydana gelebilir. Yağış suları ve yeraltı suları toprak içinde bulunan klorür iyonunu çözerek beton bünyesine taşıyabilir. Bu olay zeminin heterojen yapısı nedeniyle bölgesel olarak kendini gösterir ve beton içinde yer yer farklı klorür konsantrasyonu oluşmasına neden olur. Klorür iyonunun hangi konsantrasyonda bulunması halinde betonarme demirlerinin korozyonu için zararlı olacağı bir çok araştırmacı tarafından incelenmiştir. Stratfull, 1 m3 beton içinde 0.8 kg.dan daha fazla klorür bulunması halinde betonarme demirlerinin pasifliğinin bozulduğunu göstermiştir [7]. Diğer bazı araştırmacılar da bu limit değeri desteklemişlerdir [8], [9]. Hausmann, alkali çözeltiler içinde çeliğin korozyonunu incelemiş ve klorür etkisinin hidroksil iyonu konsantrasyonu ile birlikte ele alınmasının gerektiğini ileri sürmüştür [10]. Araştırmacı, pH değeri düştükçe daha az konsantrasyondaki klorür iyonunun çeliğin pasiflik halini bozabileceğini ortaya koymuştur. Beton içinde bulunan klorür konsantrasyonu genellikle kütlesel yüzde olarak veya 1 m3 beton içinde bulunan klorür kütlesi şeklinde ifade edilmektedir. Ancak korozyon açısından önemli olan bu toplam klorür konsantrasyonu değil, beton boşlukları içinde bulunan sudaki konsantrasyonlardır. Beton boşluk suyundaki [C1-]/[OH-] molar oranı ne derece büyükse, pasiflik de o derece kolay olarak bozulabilir [11]. Beton içinde bulunan klorürün konsantrasyonu kadar tayin yöntemi de önem taşır. Klorür konsantrasyonu tayini, beton toz edilip asitte çözülerek veya sıcak su içinde bekletilerek elde edilen ekstraksiyon çözeltisinde yapılmaktadır. Betonu asitte çözerek yapılan deneyde beton içindeki toplam klorür konsantrasyonu elde edilmektedir. Korozyonu kontrol amacıyla hazırlanmış olan standartlarda bu iki değere de yer verilmektedir. Çeşitli ülkelerde uygulanmakta olan başlıca standartlarda zararlı sayılan klorür limit değerleri birbirinden oldukça farklıdır. Bütün bu standartlarda biri normal betonarme demirleri, diğeri ön gerilimli betonlar için olmak üzere iki ayrı değer verilmektedir.

> Çizelge-1 Korozyon için zararlı sayılan klorür yüzdeleri [13] Standard Adı Normal beton Öngerilimli beton %C1- %C1- American concrete Ins. 0,15 0,06 British Code (CP-110) 0,35* – Norwegian Code (NS-3474) 0,60* 0,002* ASTM C-114 0,20* 0,08* *Asitte çözünen klorür NOT: Kütlesel yüzde olarak verilen bu değerler beton yoğunluğu (~2300 kg/m3) ile çarpılarak m3 beton için klorü değeri bulunabilir.

BETON İÇİNDEKI KOROZYONA ETKİ YAPAN DİĞER FAKTÖRLER

Klorür iyonları dışında betonarme demirlerinin korozyonu üzerine etki yapabilen başlıca faktörlerde vardır. Daha kolay kontrol edilebilen bu parametrelerden başlıcaları şunlardır; Beton permeabilitesi Beton yapımında kullanılan malzemeler, özellikle çimento cinsi ve dozajı, Kum-çakıl, beton hazırlama ve kalıplama teknolojisi ile beton küring yöntemi permeabiliteye etki yapar. Beton permeabilitesi (su geçirme yeteneği) azaltılarak beton içine çevreden su ile birlikte tuz ve oksijen taşınması etkili bir şekilde önlenebilir. Karbonatlaşma Atmosfer içinde bulunan karbondioksit, beton boşluklarına girerek orada bulunan kalsiyum hidroksit ile birleşip kalsiyum karbonat oluşturur. Bu reaksiyon sonucu betonun pH derecesinde düşme meydana gelir. pH değerlerinin azalması, çelik yüzeylerinde oluşan pasif tabakanın daha kolay bozulmasına neden olur.

Beton Rutubeti Beton rutubeti korozyon iki şekilde etkiler. Her şeyden önce korozyon olayının yürümesi için mutlaka suya ihtiyaç vardır. Diğer taraftan arttıkça betonun elektriksel iletkenliğinde de artışlar 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 ısınması ve fakat diğer bölgelerinin kuru kalmasıdır. Bu durumda ıslak bölgelerdeki çelik anot olurken kuru kalan ve bol oksijen diğer bölgeler katot haline gelir.

ÖNGERİLİMLİ BETON BORULARDA KOROZYON

Ön gerilimli beton borular içindeki korozyon olayının normal betonlardakinden en önemli farkı bu borular içinde dış yüzeye oldukça yakın olarak bulunan çelik tellerin gerilim altında oluşudur. Bu nedenle normal korozyon olaylarına ek olarak stres korozyon etkisinin de göz önüne alınması gerekir. Buna karşılık, bu borular tam bir kalite kontrolü altında prefabrikasyon olarak imal edildikleri için beton kalitesi normal betonlara göre daha yüksektir. Normal koşullarda öngerilimli betonlar içinde bulunan çelik tellerde herhangi bir korozyon söz konusu olmaz. Ancak bir boru hattında korozyon bakımından tehlikeli sayılacak bölgelerin bulunması da muhtemeldir. Ön gerilimli beton boru hattında tehlikenin önlenmesi için, arazi etütlerinden başlayarak yapım ve işletme sırasında sistematik bir kontrol mekanizmasının kurulması gerekir. Ön gerilimli Beton Boruların Korozyonunu Önlemek Üzere Yapılacak Etütler Ön gerilimli beton borularda ki korozyonu önlemek üzere pratikte iki yöntem kullanılmaktadır.
1- Boru yüzeylerinin su geçirimsizliğini sağlayacak şekilde kaplanması,
2- Katodik koruma yapılmasıdır.

1- Boru Yüzeylerinin Kaplanması: Yukarıda açıklanmış olduğu üzere, korozyon olayı çevreden beton bünyesine giren iyonların etkisi ile meydana gelmektedir. O halde bu önlenerek beton çelik teller sürekli pasif halde tutulabilir. Beton borular üzerine yapılacak olan kaplamanın temel amacı beton bünyesine suyun girmesini önlemektir. Çelik boru yüzeylerine yapılan kaplamadan farklı olarak burada elektriksel iletkenliğin önlenmesi söz konusu değildir. Kaplamadaki mikro gözeneklerden beton yüzeyine ulaşan az miktarda suyun korozyon açısından hiç bir önemi yoktur. Boru dış yüzeylerine yapılmış olan kaplama yalnız beton bünyesine klorür girmesini önlemekle kalmayıp, şu önemli avantajlarıda beraberinde getirir.

– Beton bünyesine oksijen difüzyonunu azaltır.
– Betonu sülfat korozyonundan ve diğer kimyasal etkilerden korur.
– Betonu don etkisinden korur.
– Beton rutubetinin artmasını önler.

Yeraltına konulacak beton boru yüzeylerini kaplamak amacı ile pratikte çeşitli kaplama malzemeleri kullanılmaktadır. En çok kullanılan kaplama cinsleri ile bunların uygulama kalınlıkları aşağıda verilmektedir.
– Coal tar epoxy ( 400- 750 mikron)
– Poliüretan ( 500-1000 mikron)
– Plastik Kaplama (1000-2000 mikron)

Bütün kaplama çeşitlerinde önemli olan, beton yüzeylerinin kaplamadan önce her çeşit kir ve yumuşak maddelerden iyice temizlenmiş olmasıdır. Beton az da olsa rutubetli haldedir. Kaplamanın betona sağlam bir şekilde yapışması için, beton bünyesine penetre olabilen uygun bir astar tabakası kullanılmalıdır.

2- Katodik Koruma: Çelik gömlekli ve Ön gerilimli beton borular içinde bulunan gömlek ve çelik tellerin korozyonunu önlemek üzere galvanik anotlu ve dış akım kaynaklı katodik koruma uygulanabilir. Ancak aşırı korumanın kesinlikle kontrol altına alınması gerekir. Diğer taraftan boru hattının boydan boya katodik koruma yapılması yerine yalnız tehlikeli görülen bölgelerin korunması yapılması ile de korozyon büyük ölçüde önlenebilir. Ancak bu bölgelerin bütün mevsimler için geçerli olması gerekmektedir. Katodik Koruma ancak aşağıdaki özelliklerin bulunması halinde uygulanmalıdır [16].

– Beton borunun içinden geçmiş olduğu zeminin rezistivite değerinin 1300 Ohm.cm’den daha düşük olması halinde.
– Beton borunun içinden geçmiş olduğu zeminin 500 ppm’den fazla klorür içermesi halinde.
– Kum ve silt gibi yüksek geçirimli olan ve zaman zaman ıslanan çöl karakterli veya bataklık karekterli bölgelerde.
– Kaçak akımların söz konusu olduğu bölgelerde

Katodik Koruma uygulamasında sistem seçimi ve anot yatağı projelendirme ilkeleri normal çelik boru hatlarında olduğu gibidir. Ancak çelik gömlekli ve öngerilimli beton boruların özel durumları nedeniyle aşağıdaki ayrıcalıklar göz önüne alınmalıdır.

1. Beton borular birbirine lastik contalar ile eklenmektedir. Borular arasında elektriksel iletkenliği sağlayacak bağlantıların yapılması gerekir. Yalnızca çelik tellerin birbirine bağlanması yeterli değildir. Bu çelik tellere çok yakın olan ana çelik silindir üzerindeki katodik interferans etkisini gidermek amacıyla çelik teller ile silindir arasında da bağlantı yapılmalıdır.
2. Beton içindeki çelik yapıların katodik koruması için gerekli olan akım ihtiyacı tartışmalı bir konudur. Akım ihtiyacı olarak bütün halleri kapsayan kesin bir değerin verilmesi mümkün değildir. Betonun rutubeti, tuz yüzdesi, rezistivitesi ve kaplama durumuna göre akım ihtiyacı belirlenmelidir. Bu değer 0,6mA/m2 ile 16mA/m2 arasında değişmektedir [13]. Hausmann [6], beton içindeki çeliğin katodik koruması üzerine yapmış olduğu araştırmalarda akım ihtiyacının ilk 15 gün içinde 5ma/m2 olduğu, daha sonra bu değerin 0,5mA/m2’nin altına düştüğünü belirlemiştir. Beton içinde etkili oranda iyonu bulunması halinde katodik koruma akım ihtiyacı değeri 12-16mA/m2’ye yükselmektedir [17]. Öngerilimli beton borularda, dış yüzeylere yapılmış olan beton kaplama kalitesi oldukça yüksektir. Bu durum çelik yüzeylerine oksijen difüzyon hızının azalmasına ve katodik koruma akım ihtiyacının daha küçük olmasına neden olur. Ön gerilimli beton borularda katodik koruma akım ihtiyacı değeri 0,02 mâ/m2 ile 2,4 mâ/m2 arasında kabul edilebilir [16].
3. Beton içindeki çeliğin Katodik koruma potansiyel kriteri üzerinde de tartışmalar mevcuttur. Hausmann [10}, Katodik koruma için yeterli olan minimum potansiyel değerlerini klorür konsantrasyonuna bağlı olarak şekil-9’da görüldüğü gibi vermiştir. Buna göre klorürlü ortamlarda beton içindeki çeliğin potansiyelinin -435mV (SCE)’nin altına düşürülmesi yeterli olmaktadır. Son zamanlarda E-logi grafiği yoluyla, katodik koruma için gerekli olan limit potansiyel değeri -460 V ile V (SCE) arasında belirlenmiştir. Katodik polarizasyon eğrileri kullanılarak yapılmış olan bir çalışmada, katodik polarizasyon eğrisindeki lineer bölgenin başlamasına karşı gelen polarizasyon kayması ile korozyon hızının azalışı arasında bir bağıntı bulunmuştur [19]. Çizelge-2’de verilen değerlerden görüleceği üzere, zemin içinde çeliğin katodik koruması için kullanılmakta olan 100 mV polarizasyon kayması beton içindeki katodik koruma sistemlerinde yetersiz kalmaktadır. Korozyon hızını 595 oranında azaltmak için en az 200 mV’luk bir polarizasyon kayması gerekmektedir.

Polarizasyon kayması ile korozyon hızının azalışı arasındaki bağıntı [19]

Son zamanlarda yapılan bir çalışmada, katodik korumayı sağlayan polarizasyon kayması değeri ile beton içindeki klorür konsantrasyonu arasındaki bağıntı incelenmiştir [20]. Bu araştırmada polarizasyon kaymasının 1 kg/m3 klorür içeren betonlarda 200-240 mV, 3 kg/m3 klorür içeren betonlarda 175- 215 mV ve 9 kg/m3 klorür içeren betonlarda 155-177 mV kadar korozyon potansiyelinden daha negatif hale gelmesinin yeterli olacağı deneysel olarak belirlenmiştir.

SONUÇ

Çelik gömlekli ve Öngerilimli beton borular bir çok avantajları nedeniyle çelik borulara tercih edilmektedir. Son yıllarda ülkemizde de özellikle büyük kentlerin içme suyu ve kanalizasyon projelerinde kullanılmağa başlanmıştır. Bu boruların içinde çelik gömlek ve gerilmiş halde bulunan çelik teller, üst kısımları beton ile kaplanmış olduğundan norma halde korozyona dayanıklı haldedir. Ancak borular, korozif özellikte zeminler içinde bulunduğu zaman, bu ortamlardan su içinde çözünüş olarak beton bünyesine giren klorür iyonu çeliğin pasif halini bozarak yerel korozyona neden olabilir. Bu tip beton borularda muhtemel korozyon olayını önlemek üzere pratikte iki etkili yöntem uygulanmaktadır. Bunlardan birincisi, beton bünyesine klorür iyonlarının girmesini önlemek amacıyla boru dış yüzeylerinin boyanması veya uygun bir malzeme ile kaplanmasıdır. İkincisi ise, korozyonun muhtemel olduğu bölgelerde veya borunun tamamında galvanik anotlu veya dış akım kaynaklı katodik koruma yapmaktır.