Giriş
Korozyon, sülfat atağı, klorür atağı ve donma-çözülme gibi betona hasar veren birçok farklı çevresel ve içsel mekanizma vardır. Bu mekanizmaların gerçekleşmesi için betonun içine belli bileşenlerin taşınımı gerekmektedir. Betonda dürabilitenin (dayanıklılığın) anlaşılması ve sağlanması için farklı taşınım proseslerinin bilinmesi gerekmektedir.
Taşınım Prosesi
Taşınım prosesleri detaylı bir şekilde incelenmeden önce betonun geçirgenliği konusu irdelenmelidir. Çoğunlukla, betondaki bozulma suyun varlığından ve betonun içine nüfuz etmiş bileşenlerden kaynaklanmaktadır. Çoğu bileşen bir çözelti içinde iken farklı yüklerden oluşan iyonlara ayrılır. Mesela masa tuzu olan sodyum klorür (NaCl), suyun içinde Na+ ve Cl– iyonlarına ayrılır. Taşınım prosesi bu iyonların iki farklı şekilde hareket etmesine neden olur: 1) su iyonlarla hareket edebilir ya da 2) iyonlar suyun içinde hareket edebilir. Bu yüzden, betonda oluşacak zarar suyun hareketinden veya suyun içindeki iyonların hareketinden kaynaklanmış olmaktadır.
Absorbsiyon ve adsorbsiyon terimlerini kullanmadan önce, bu terimlerin arasındaki farkı belirtmeliyiz. Absorpsiyon, suyun kılcal emme ya da osmoz yolu ile betona yapısına nüfuz etmesidir. Adsorpsiyon ise bir iyonun betona geçici ya da kalıcı bir şekilde bağlanması ve hareketinin engellenmesidir. Adsorpsiyon prosesi, kimyasal bir reaksiyon veya çeşitli fiziksel (yüzeysel) etkiler sonucu oluşur.
Geçirgenlik
Geçirgenlik, basınç sonucu betondan bir sıvının ne kadar hızlı geçtiğinin ölçüsüdür. Baraj veya tünel gibi yapılarda etken basınç su basıncıdır. Diğer yapılarda, absorpsiyon prosesi basınç farkları yaratmaktadır.
Zemin bilimciler, betonun geçirgenliğini alt ve üst su düzeyi farkını kullanarak hesapladıkları geçirgenlik katsayısı (hidrolik iletkenlik) ile tanımlarlar. Bilim adamları elbette bu hesaplamaya viskoziteyi de dâhil ederler.
Yüksek geçirgenliğe sahip bir betonun önemi su geçirebilme kabiliyetinden öte betonun klorür ve sülfat atağı gibi önemli hasarlara mazur kalabilme riskidir.
Difüzyon
Difüzyon, herhangi bir sıvı akımı olmadan iyonların doygun betonun içinden geçiş yapabilmesidir. Difüzyon yoğunluk farklarından dolayı meydana gelir. Yoğun bir çözelti az yoğun bir çözelti ile temas ettiğinde yoğunluklar eşit olana dek çözeltiler arasında iyon transferi olur. Su dolu bir konteynerin bir köşesine tuz koyduğumuzda belli bir süre sonra tüm suyun aynı yoğunlukta olduğu görülmektedir.
Şekil 1: Difüzyon prosesi
Şekil 1’de görüldüğü gibi su dolu bir kaba tuz ve beton örneği konulduğunda, tuzun zamanla su içinde çözündüğü ve eş yoğunlukta bir çözelti oluşturduğu görülür. Bu sayede çözeltinin betona nasıl nüfuz ettiği daha iyi anlaşılmış olur. Aynı mekanizma ile beton boşluk suyu içindeki iyonlarda beton dışına difüzyon yolu ile çıkarak çözelti içinde eş yoğunluk oluşturacak şekilde dağılırlar.
Difüzyon sadece sıvılara mahsus bir taşınım şekli değildir. Ayrıca gazlar içinde de difüzyon oluşmaktadır. Bir gaz içinde herhangi bir yerdeki su buharı yoğunluğu başka bir yerdekinden fazla ise nem difüzyonu gerçekleşir. Bu mekanizma, doygun olmayan beton içinde de suyun beton içindeki boşluklara geçişini sağlar.
Unutulmaması gereken bir nokta ise iyonların genelde eş ve zıt yüklerle difüzyon olduğudur. Eğer bu durum gerçekleşmezse, oluşacak elektrik potansiyelinden dolayı iyonlar elektro-geçiş’ e uğrarlar.
Elektro-Geçiş
Elektro-geçiş, elektrik akımının varlığından dolayı yeni çözelti içinde voltaj farkı olmasıyla gerçekleşir. Bu durum dış kaynaklı olabilir ya da herhangi bir doğru-akım güç kaynağında meydana gelen bir sızıntı ile oluşabilir. Ayrıca sıkça görüldüğü gibi, donatıda oluşan paslanma (korozyon) sonucu elektrik potansiyeli oluşur. Eğer betona bir elektrik akımı uygulanırsa, negatif iyonlar pozitif elektroda doğru hareket ederler.
Elektro-geçiş betonun elektrik direnci ile hesaplanabilir; çünkü bu betonun elektrik iletmesinin tek yoludur. Betonda elektrik iletimi metalde olduğu gibi elektron transferi ile değil, doğru akımın klorür iyonlarını (Cl–) beton içine ve hidroksil iyonlarını (OH–) beton dışına taşıması ile olur.
Şekil 2: Elektro-geçiş prosesi
Bu mekanizma esas olarak beton içindeki klorürün beton yüzeyine pozitif voltaj verilerek uzaklaştırılması prosesi için kullanılır. Bunun avantajı donatıya negatif voltaj verilerek bir nevi katotik koruma şeklinde korozyonu yavaşlatmasıdır, ama bunun yanında dezavantaj olarak, betondan uzaklaştırdığı negatif iyonların pratikte problem yaratabilmesidir.
Isıl Değişkenlik Kaynaklı Hareket
Su, katılar içinde sıcak bölgeden soğuk bölgeye doğru hareket eder. Bu hareket katının geçirgenliği ile doğru orantılıdır ve yüzeyde gerçekleşen buharlaşmadan tamamen bağımsızdır. Doygun betonda, sıcak bölgede bulunan iyonlar soğuk bölgelere doğru hareket ederler. Bu durum en iyi şekilde, katı tuz bulaşmış betonun gün ışığında ısınması ile açıkça anlaşılır. Yüzeydeki boşluklarda bulunan tuza doygun haldeki su daha soğuk bölgelere doğru göç eder.
Geçişi Hızlandırmak ve Yavaşlatmak
Adsorpsiyon
Geçirgen bir malzemede iyon transferinden bahsediliyorsa, adsorpsiyonun da hesaba katılması gerekmektedir. Çoğu durumda, iyon yığını geçirgen malzeme içinde diğer tarafa geçmeden adsorbe edilir. Betonda, adsorbe edilmiş iyonlar beton içinde farklı yollarla durdurulur ve hareketleri engellenir. Bu yüzden, betona hasar veremezler.
Betonda klorür yoğunluğu hesaplanırken bazı sistemler kullanılır. Bunlar:
- Asit-çözünür maddeleri asitte çözdüğümüzde adsorbe edilmiş klorür dâhil tüm klorür elde edilmiş olur.
- Suda-çözünür maddeler su içinde yıkandığında (bu süreç asorbe edilen iyonların çözünmesi için çok kısa olmalı) klorür yoğunluğu tespit edilebilir. Alternatif olarak, “boşluk sıkıştırılması” numunenin bir portakal gibi yüksek basınçta sıkılması için kullanılır.
Birçok kanıt çözelti içindeki iyonların beton içindeki donatıyı korozyona uğrattığını göstermektedir. Bu nedenle suda-çözünme testi en kullanışlı olanıdır. Aksine; klorür bağları arasındaki olası kopmalardan, sıcaklık etkisinden ve karbonlaşmadan dolayı asitte-çözünme testi daha çok tekrarlanan sonuçlar verir.
Kapasite faktörü katı konsantrasyonun sıvı konsantrasyona oranıdır. Betonda, adsorpsiyon daha çok çimentoda olur. Bu nedenle, kapasite faktörü çimento miktarı ile doğru orantılıdır ve uçucu kül kullanımı ile artmaktadır.
Kılcal Emme
Kılcal emme, suyun ıslak yüzeyli küçük boşluklar tarafından yüzey gerilmesinden dolayı çekilmesidir. Betondaki boşluklar ne kadar küçük olursa daha yüksek kılcal-emme basıncına maruz kalır. Ancak, bu etki geçirgenliğin az olması nedeniyle dengelenir.
Kılcal emme prosesini en iyi şekilde görülmek istenirse, beton numunesinin tuzlu su bulunan bir tepside ve nemsiz bir odada bir kaç ay bekletilmesi yeterlidir. Tuzlu su çözeltisi bu süreçte beton tarafından yukarı doğru çekilecektir. Bu emme, korumasız dış yüzeye kadar devam edecek ve buharlaşma meydana gelecektir. Bunlar meydana gelirken yüzeye yakın boşluklar buharlaşma ile birlikte kristalize tuz ile dolar. Boşluklarda bulunan tuz betonun parçalanması için gerekli basıncı oluşturmuş olur. Tuzun kristalizasyonu sonucu oluşan bu hasar mekanizması en çok az yağışlı iklimlerde görülür.
Osmoz
Osmoz olayı yarı geçirgen bir zar olduğunda gerçekleşir. Bu zar çözünmüş malzemenin geçmesine izin vermezken, suyun rahatça transferini sağlar. Beton yüzeyinde suyun rahatça geçmesi, aksine su içinde erimiş kirecin geçememesi buna en iyi örnektir. Osmoz, zayıf (az yoğun) çözeltiden güçlü (çok yoğun) çözeltiye suyun geçişini sağlar.
Mesela yarı geçirgen bir zarla ayrışmış bir kabın ayrı haznelerine farklı çözeltiler koyulduğunda, zamanla daha yoğun olan çözeltide su seviyesinin arttığı görülür. Ancak, bu durum pratikte bu kadar belirgin görünmez. Beton geçirgenlik özelliğinden dolayı osmoz ile emdiği suyu oluşacak basınç farkı yüzünden geri verir. Eğer aynı yoğunlukta iki farklı çözelti kullanılırsa, osmoz yine görülecektir. Su akımının yönü daha çok bağıl osmotik faktörlere bağlıdır. Osmoz özellikle klorür ve sülfat iyonlarının betona tarafından emilmesinde çok önemlidir.
Kontrol Parametreleri
Buraya kadar taşınım proseslerinden bahsedildi. Anahtar sorular şunlardır: “Bu proseslerden hangileri kontrol edilebilir?” ve “ Bu prosesler beton dayanıklılığına (dürabilite) nasıl etki ediyorlar?”.
Şekil 3: Dürabiliteye etki eden faktörler
Şekil 3’te ilk sütunda beton özelliklerini etkileyen faktörler bulunmaktadır. Bu faktörler aslında doğrudan taşınım özelliklerini etkilemez, daha çok ikinci sütundaki özellikleri etkilerler. Bunlar boşluk sıvısı kimyası, beton matris kimyası ve geçirgenliktir. Üçüncü sütun nakil özelliklerini göstermektedir. Son sütunda ise betonda oluşacak hasar durumları bulunmaktadır. İlk sütundaki herhangi bir değişiklik, ikinci ve üçüncü sütunu etkileyerek son sütundaki hasar durumlarını engelleyebilir.
Şekil 3’te ilk sütunda görüldüğü gibi su/çimento oranı ve bakım (kür), betonda boşluk hacmini direk etkiler. Su oranı azaldıkça su ihtiva eden kılcal boşluk miktarı azalacaktır. Bununla birlikte iyi bir bakım (kür) da aynı etkiyi gösterir.
Betonda boşluk hacminin azalması basınçla oluşan akımları ve difüzyonu da azaltır. Bu etki doğrudan olarak donma-çözülme ve karbonatlaşmadan veya klorür girişi sonucu meydan gelen korozyon gibi hasarların oluşmamasına ya da düşük seviyede kalmasına sebep olur.
Şekil 3’te siyah okla belirtildiği gibi boşluklarda bulunan sıvının kimyasını çimento cinsi etkilemektedir. Silika dumanı veya uçucu kil gibi puzolonik malzemelerin kullanılması hidroksil ve alkali iyonlarının miktarını azaltacaktır. Ki bunlar esas olarak elektrik yükü taşıyan iyonlardır. Bu iyonlardaki azalma direk olarak elektro-geçiş prosesinin azalmasına neden olacaktır. Esas önemli olan sonuç ise donatı korozyonun azalmasıdır.
Kırmızı oklar çimento tipinin beton matrisinin kimyasını etkilediğini göstermektedir. Örnek vermek gerekirse, sülfata dayanıklı çimento kullanıldığında daha az aluminat iyonu oluşacaktır. Oysaki aluminat iyonları klorür iyonları ile birleşerek Friedel tuzu isminde bir bileşen oluşturmaktadır. Sülfata dayanıklı çimento kullanıldığında klorür iyonlarının bağlanması sınırlanmış olacak ve serbest klorür miktarı korozyon için daha riskli seviyede olacaktır.
Kaynak Metin: “Transport Properties of Concrete” Concrete International/January 2005
