Betonda Karbonatlaşma Nedir? Nasıl Oluşur? Nasıl Engellenir?

Betonda karbonatlaşma; betonun içerisindeki kalsiyum hidroksitli ya da kalsiyum oksitli bileşikler ile karbondioksitin reaksiyona girerek kalsiyum karbonatı bileşiği oluşması olayıdır.

Karbonatlaşma sonucunda betonun pH değeri 12-13’ten 8-9’a düşerek bazik özelliği zayıflar. Bu sebeple beton içindeki donatıların paslanması kolaylaşır. Betonarmede karbonatlaşma oluşan bölgedeki donatı, korozyona açık hale gelmektedir. Korozyon sonucu beton ile donatı arasındaki aderans zayıflar ve betonun dayanımı düşer.

1.Betonda Karbonatlaşma Nasıl Oluşur?

Betonda karbonatlaşmanın oluşması için ilk şart karbondioksitin difüzyonudur. Karbondioksit betona difüze olduktan sonra ortamda yeterince nem varsa karbonatlaşma reaksiyonu başlar. Karbondioksit çeşitli nedenlerle oluşan boşluk sistemlerinin vasıtasıyla betona girer.

Karbonatlaşma olayı; % 0.03 CO2 oranına sahip temiz havalı ortamlarda bile meydana gelebilir. Büyük kentlerde ise CO2 oranı % 0.3 – 1’dir. Sanayileşmiş kentlerde bu sorun daha büyük boyutlardadır.

Karbonatlaşma reaksiyonunun oluşabilmesi için ortamda; çimentonun hidratasyonu sonucu oluşan ve fazla miktarda bulunan Ca(OH)2, havadaki CO2 ve reaksiyon için gerekli olan nemin bulunması gerekir. Bu parametreler olduğu sürece beton devamlı karbonatlaşacaktır.

Karbonatlaşma betonun dış yüzeyinden başlar ve iç kesimlere doğru ilerledikçe hızı azalır. Bu ilerleme hızını hem çevresel hem de kompozisyonal faktörler etkileyebilmektedir. Çimento tipi, boşluk miktarı ve Su/Çimento oranı kompozisyonal faktörlere örnek verilebilir. Sıcaklık, bağıl nem, karbondioksit oranı ise çevresel etkilerdendir.

1.1.Betonun Boşluk Yapısının Karbonatlaşmaya Etkisi

Karbonatlaşmayı etkileyen faktörlerden biri de betonun boşluk yapısı ve miktarıdır. Beton dökülürken yapılan sıkıştırma ve yerleştirme işlemi boşluk yapısını ve miktarını önemli ölçüde etkiler. Doğru sıkıştırma ve yerleştirme uygulanmayan betonlar her türlü zararlı dış etkilere açıktır. Sıkıştırma teknikleri içerisinde en yaygın olarak kullanılan teknik vibrasyondur. Betonda oluşan karbonatlaşmayı en aza indirebilmek için öncelikle geçirimsiz bir beton üretmek gerekir. Özellikle beton üretiminde karışıma giren malzemelerin özellikleri, betonu hazırlama ve sonradan uygulanan yöntemler bu durumu etkilemektedir. (Hazır Beton Nedir? Nasıl Üretilir?)

Karbonatlaşma, beton içerisindeki boşlukların büyüklüğüne ve yapısına göre çeşitli şekillerde ilerlemektedir. Karbonatlaşma beton yüzeyinin her tarafında eşit oranda, eğrisel olarak min. ve max. değerler alabilir veya sadece belli bölgelerden sızabilir.

a’da ki durumun oluşabilmesi için betonun homojene çok yakın oranda karıştırılması ve yerleştirilmesi gerekir. b’deki durum ise daha olağan gözükmektedir ve her türlü betonda bu şekilde ilerlemesi normaldir. c’deki gibi bir karbonatlaşmanın gerçekleşebilmesi için betonda muhtemel bir çatlağın olması gerekir. Çatlağın bulunduğu bölgede karbonatlaşmanın belli yerlerden sızması daha kolay olur. Çatlağın olmadığı yerlerde ise birinci ve ikinci durumdaki gibi bir karbonatlaşmanın olması söz konusudur.

1.2.Çevresel Faktörlerin Karbonatlaşmaya Etkisi

Betonun ve ortamın nemi karbonatlaşma olayını etkileyen en önemli faktördür. Karbonatlaşma reaksiyonu ürünü olan kalsiyum karbonatın oluşabilmesi için ortamda suyun bulunması gerekir. % 50 bağıl nemde karbonatlaşma en yüksek dereceye ulaşır. Bağıl nem oranının artması veya azalması karbonatlaşmayı arttırmaz. Ortamdaki nemin fazla olması karbondioksit difüzyonunu zorlaştıracaktır. Tamamen suyun içinde kalan betonlar karbonatlaşma yapamazlar. Ortam neminin azalması ise reaksiyonun ihtiyaç duyacağı suyu azaltacağından dolayı karbonatlaşma hızı da azalır. Sıcaklık arttıkça karbonatlaşma hızı artar. Fakat aşırı derecede sıcaklık artışı kurumayı arttırarak ortamdaki nemi azaltır. Bu yüzden sıcaklıktaki aşırı artış karbonatlaşmayı yavaşlatır.

Karbonatlaşma hızını önemli ölçüde etkileyen parametrelerden biri de havadaki CO2 oranıdır. Büyük şehirlerde hava kirliliğinden dolayı karbonatlaşma reaksiyonu daha hızlı gerçekleşir.

Bu faktörlerin yanı sıra yapının bulunduğu zemin ortamı (sülfatlı zeminler, bataklık çamuru, endüstri atığı dolgu zeminler vb.) ve zemin suyunda çözünmüş olan iyonlar da beton üzerinde önemli etkinlik derecesine sahiptir.

2.Karbonatlaşmanın Betona Etkileri

Karbonatlaşmanın betondaki başlıca etkileri;

1. Karbonatlaşma rötresi,
2. Basınç dayanımı
3. Donatı korozyonu

olarak sıralanabilir.

2.1.Karbonatlaşma Rötresi

Betonun içindeki suyun herhangi bir fiziksel veya kimyasal nedenle kaybolması olayına büzülme veya rötre adı verilir. Taze betonda su kaybı fiziksel nedenlerle oluşurken, sertleşmiş betonda hem fiziksel hem de kimyasal nedenlerden oluşabilir. Taze ve sertleşmiş betonda buharlaşma, hidratasyon ve karbonatlaşma nedeniyle oluşabilen su kayıpları betonun veya harcın içinde iç gerilmelere ve birim şekil değiştirmelere neden olmaktadır. Bu iç gerilmeler betonun çekme dayanımını aştığında betonda çatlakların oluşması kaçınılmazdır.

Yüksek bağıl nem durumunda, gözeneklerin su ile dolu olması nedeni ile CO2’in hamur içine girmesi zorlaşır ve bu nedenle karbonatlaşma ya görülmez ya da çok düşük düzeyde gerçekleşir. Çok düşük nem oranlarında bünye de bir su filmi oluşmaması nedeni ile karbonatlaşmanın çok düşük düzeyde gerçekleştiği düşünülmektedir. Düşük nem oranları hariç, maksimum karbonatlaşma büzülmesinin kuruma sürecinden ziyade hemen kuruma sonrası oluştuğu düşünülmektedir. Rötre miktarı, sadece betondaki S/Ç oranına bağlı değildir. Ortam nemi veya kür edilme şartları betondaki karbonatlaşma rötresini etkilemektedir. Karbonatlaşma rötresi; karbonatlaşmanın durduğu anda durmaktadır.

Karbonatlaşmanın yüzeyden başlayıp iç bölgeye zamanla geçişi üniform olmayan bir rötre dağılımına yol açar. Böylece dış bölge çekme gerilmelerine, iç bölge basınç gerilmelerine maruz kalır. Çekme gerilmeleri rölaksasyon nedeniyle nispeten yavaş artarlar, ancak çekme dayanımının artışı ilk günlerde olur sonra hemen hemen durur. Bu durumda karbonatlaşma rötresi ile oluşan çekme gerilmelerinin birkaç aylık bir süre sonunda çekme dayanımını aşması olayıdır. Üst kabuk iyice kuruduktan sonra yüzeyde çatlaklar meydana gelir. Derin olmayan bu imce çatlaklar ağ teşkil ederler, mukavemet ve durabilite açısından zararsızdırlar; tabiatı ile estetik olmayan bir görünüm arz ederler. Ancak karbonatlaşmanın hızlı ve derin olduğu durumlarda çatlaklar önem kazanır. Otoklavlanmış boşluklu betonların, CO2 yönünden zengin ortamlarda kullanılması durumlarında çatlakların donatıya erişmeleri ve donatı korozyonuna yol açmaları mümkündür.

2.2.Karbonatlaşmanın Beton Dayanımına Etkisi

Karbonatlaşma sonrası betonun kimyasal ve mikro yapısı değişir. Bundan dolayı karbonatlaşmış beton ile normal betonun mukavemet, deformasyon gibi farklılıkları olması doğaldır.

Beton dayanımının artması ile karbonatlaşma miktarı azalırken karbonatlaşmanın bir ürünü olarak ortaya çıkan kalsiyum karbonatın kalsiyum hidroksitten daha fazla yer işgal etmesi, karbonatlaşmış betonların porozitesini azaltır. Karbonatlaşmış betonun deformasyon kabiliyetinin azalmasına karşın mukavemetinde ve elastisite modülünde artma vardır.

2.3.Karbonatlaşmanın Donatı Korozyonuna Etkisi

Betonda karbonatlaşma olan bölgelerdeki donatılar korozyona açık hale gelir. Korozyon olayı sonucu beton ile donatı arasındaki aderans zayıflayarak betonun dayanımını düşürür. Bu sebeple karbonatlaşma olayı betonun dayanımında önemli rol oynar.

Betonun gözenek suyunda bulunan çözülmüş kireç, betonu alkali bir malzeme yapar. Çimento alkali oksitlerinin su ile reaksiyonuyla oluşan alkali hidroksitler de alkali kaynağıdır. Bu etkiler ile betonun pH derecesi 13 değerlerine kadar yükselir. Donatıların korozyondan korunması için en önemli ve gerekli faktörlerden olan betonun alkali ortamı zamanla karbonatlaşma yüzünden kaybolabilir.

3.Karbonatlaşmanın Zararları ve Yararları

Betonda karbonatlaşma olmasının beton özeliklerine olumsuz etkileri vardır. Fakat az da olsa betona bazı yararları da bulunmaktadır.

Karbonatlaşmanın betona olumsuz etkileri;

• Karbonatlaşma sonrası sertleşmiş çimento hamurunda büzülmeler görülür ve betonda çatlakların oluşmasına sebep olur.
• Karbonatlaşma sonucunda, kalsiyum hidroksitin çözünmesi nedeniyle, betondaki alkalin ortam düzeyi düşerek donatının korozyonunu hızlandırır.

Karbonatlaşmanın betona olumlu etkileri;

• Karbonatlaşma sonucu bir miktar suyun serbest kalması çimentonun hidratasyonuna katkı sağlayarak dayanımda az bir artış meydana getirir.
• Karbonatlaşma nedeniyle oluşan CaCO3 kristalleri, kılcal boşlukları doldurarak kısmen daha geçirimsiz bir beton oluşmasını sağlar

4.Betonda Karbonatlaşma Nasıl Önlenir?

Su/çimento oranının düşük olması, yeterli kür yapılması, çimento dozajının yüksek olması, bağıl nemin %50’nin altında ya da üstünde olması, CO2 oranının düşük olması, yüksek sıcaklık, alkali oranı düşük çimento kullanımı ve yüksek dayanımlı beton üretimi karbonatlaşmaya karşı alınabilecek önlemler olarak sıralanabilir.

• Su-çimento oranı arttıkça karbonatlaşma hızının artacağı unutulmamalıdır.
• Tazze betona uygulanan kürün yetersiz olması karbonatlaşma hızını artırmaktadır.
• Beton karışımındaki çimento oranı arttıkça karbonatlaşma hızı azalır.
• Kuru veya suya tam doygun betonda karbonatlaşma durur. % 50 bağıl hava nemi derecelerinde karbonatlaşma en yüksek hızda gerçekleşir.
• Karbondioksit oranı arttıkça karbonatlaşma hızı artar
• Normal sıcaklık  karbonatlaşmayı hızlandırırken normalden yüksek sıcaklıklarda betonun kurumasından dolayı  karbonatlaşma yavaşlar.
• Alkali miktarı arttıkça reaksiyon hızı da artar
• Beton basınç dayanımının artmasıyla karbonatlaşma hızı düşer.

4.1.Karbonatlaşmanın Kimyasal Gelişimi

Betonun işlenebilirliğini arttırmak için karışıma fazlaca katılan suyun bir kısmı çimento ile hidratasyona girecektir. Bu reaksiyonlar sonucu C3S2H3 (C-S-H) tobermorit jeli ve Ca(OH)2 (C-H) kalsiyum hidroksit oluşur. Suyun kalan kısmı ise betonun boşluklarına yerleşir.

2C3S + 6H →C3 S2H3 + 3CH
Ağırlıkça: 100 + 24 → 75 + 49
C3 S2H3 + CH → 2C2S + 4H
Ağırlıkça: 100 + 21 → 99 + 22

Başlangıçtaki suyun pH değeri 7’dir. Sertleşmiş Portland çimentosu  boşluklarındaki bulunan pH’ı çimentodaki alkalilerinden dolayı 12,5-13,5’e yükselir. Atmosferdeki karbondioksit betona geçer ve boşluk suyu ile reaksiyona girerek karbonik asit meydana getirir.

CO2 + H2O →H2 CO3 (karbonik asit)

Ca(OH)2 + CO2→ CaCO3 + H2O (kalsiyum karbonat + su)

Çimentodaki kalsiyum silikat bileşenlerinin hidratasyonu ile ortaya çıkan Ca(OH)2 ile CO2 reaksiyona girerek hacimce daha büyük olan CaCO3’ı (kalsiyum karbonat) meydana getirir. Böylece hidroksit iyonları nötrleşerek pH derecesinin 9’a kadar düşmesine neden olurlar. Karbonatlaşma yalnızca serbest kireçten dolayı oluşan bir süreç değildir. Karbonatlaşma olayında serbest kirecin yanı sıra C3A’nın hidratasyona girmesiyle oluşan monakalsiyumalüminosülfat ve trikalsiyumalüminasülfat (ettrengite) da etkilidir. Ettrengite betona giren karbondioksitin etkimesiyle kalsiyum karbonat (CaCO3), alçı taşı (CaSO4H2O), alümin jeli ve su meydana gelir.

3CaO. Al2O3. CaSO4.32H2O + 3CO2 →3CCO3 + 3(CaSO4. H2O) + Al2O3. xH2O + (26 − x)H2O

Çimento pastası içerisinde bulunan alkaliler yani Na2O (sodyum oksit) ve K2O (potasyum oksit) de karbonatlaşmada etkilidir. Çimentoda % 0.1 – 1.3 arasında bulunan bu iki bileşenin su ile reaksiyonu sonucu sodyum ve potasyum hidroksit iyonlarını meydana gelir ve ardından havadaki CO2 ile birleşerek çok kolay çözülebilen potasyum karbonat ve sodyum karbonatı meydana getirirler. Bu maddeler rutubetin durumuna göre çimento harcındaki serbest kireç ile birleşir ve zor çözülebilen kalsiyum karbonatı meydana getirirler.

Kaynaklar;
Melek ÖZTÜRK-ATIK ALÜMİNYUM TALAŞ TAKVİYESİNİN BETONUN KARBONATLAŞMASI ÜZERİNE ETKİSİ
Turhan, L., (2012). Mermer Tozu Ve Cam Elyaf Katkılı Betonun Özellikleri Ve Karbonatlaşma Üzerine Literatür Araştırması,
Akman, M.S., (1997). Betonlarda Karbonatlaşma ve Yeniden Alkalizasyon Süreçleri, Türkiye İnşaat Mühendisliği, 14. Teknik Kongresi, İnşaat Mühendisleri Odası İzmir Şubesi, Yayın No: 26.
Bekem, İ., Gultekin, A. B., Dikmen, C. B., (2009). Yapı Ürünlerinin Hizmet Ömrü Açısından İrdelenmesi: Betonarme Örneği, 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), Karabük.