Betonda karbon kaçırma-korozyon ikilemi: erken yaş CSA-PC harcından çıkarımlar

Karbonu betona kilitlemek neden bu kadar basit değil

Beton dünya çapında en büyük karbondioksit kaynaklarından biridir, ancak zamanla CO2’yi yeniden emme yeteneğine de sahiptir. Yeni bir fikir, taze betona kasıtlı olarak ekstra CO2 vererek onu “kilitlemek” ve hatta malzemeyi güçlendirmektir. Bu çalışma kritik bir pratik soruyu gündeme getiriyor: yaygın, düşük karbonlu bir çimento karışımına erken yaşta agresif biçimde CO2 verilirse, gerçekten dayanıklılık kazanılır mı—yoksa içindeki donatı çeliğini daha kolay paslanır hale mi getiririz?

Beton gizli bir karbon süngeri olarak

Modern toplum yılda yaklaşık 30 milyar ton beton döküyor ve çimento esaslı malzemeler zaten havayla yavaşça reaksiyona girerek yıllık yaklaşık bir gigaton CO2’yi çekiyor. Mühendisler şimdi taze veya geri dönüştürülmüş betonu yüksek yoğunluklu CO2’ye maruz bırakmayı öngören “zorlanmış karbonatlaşma”yı deniyorlar. Bu erken aşamada malzeme hâlâ oldukça gözenekli olduğundan gaz kolayca nüfuz edebiliyor ve CO2’nin katı karbonat mineralleri olarak tutulduğu kimyasal reaksiyonları hızlandırıyor. Bu reaksiyonlar gözenekleri sıkıştırıp erken dayanımı artırtarak daha çevreci ve dayanıklı yapılar için çekici bir yol sunabilir.

Mikroskop altındaki düşük karbonlu çimento karışımı

Yazarlar %75 kalsiyum sülfoalüminat (CSA) çimento ve %25 normal Portland çimentosundan oluşan hibrit bir harca odaklandı. CSA üretimi daha az enerji gerektirir ve daha az CO2 salar, ancak aynı zamanda standart çimentoya göre daha az alkali (daha az bazik) bir iç ortam oluşturur. Bu önemli çünkü geleneksel betonda donatı çubukları genellikle yüzeylerini “pasif” tutan ve paslanmaya karşı direnç sağlayan çok alkalin bir gözenek sıvısıyla korunur. Bu çalışmada, her birinde ince bir çelik çubuk bulunan ince harç silindirleri, bir günlükken ya yapay karbonatlaşmaya tabi tutulmadı ya da 4, 24 veya 72 saat yüksek basınçlı saf CO2’ye maruz bırakıldı. Daha sonra tüm numuneler 28 güne kadar kür edildi ve sert, klorür bakımından zengin ortamları taklit etmek için 43 hafta boyunca tekrarlanan tuzlu suya daldırma ve kurutma döngülerine maruz bırakıldı.

Çeliğin koruyucu kalkanını kaybetmesini izlemek

Maruziyet boyunca ekip, çeliğin durumunu takip etmek için elektrokimyasal teknikler kullandı—açık devre potansiyeli, polarizasyon direnci ve korozyon akım yoğunluğunu ölçerek metalin ne kadar aktif şekilde çözüldüğünü gösterdi. Ayrıca periyodik olarak harcın pH’ı ölçüldü. Agresif tuz maruziyetinden önce bile, bu CSA ağırlıklı harçta toplu pH, çelik için sağlam bir pasif film gerektiren geleneksel eşik değerinin (yaklaşık 11.5 civarı) altındaydı. Islak–kuru döngüler ilerledikçe pH daha da düştü, özellikle önceden karbonatlandırılmış numunelerde. Karbonatlı harçlardaki korozyon akımı hızla, karbonatlandırılmamış referansa göre yaklaşık on kat daha yüksek değerlere ulaştı; bu da “yüksek” korozyon hızına karşılık geliyor. Diğer bir deyişle, tüm çubuklar risk altındayken, erken yaş zorlanmış karbonatlaşma çeliği açıkça daha şiddetli bir korozyon rejimine itti.

Betonu dolduran ve yayılan pas

Hasarın nerede ve nasıl geliştiğini görmek için araştırmacılar yüksek çözünürlüklü görüntüleme ve kimyasal analizlere başvurdu. X-ışını bilgisayarlı tomografi, donatı çevresindeki pas dolu bölgelerin 3B haritalarını sağlarken, geri saçılmış elektron mikroskobu ve element haritalama demirce zengin korozyon ürünlerinin çevreleyen harca nasıl göç ettiğini ortaya koydu. Karbonatlandırılmamış numunelerde yalnızca ince bir pas tabakası çeliğe yapışmış ve harca yalnızca birkaç on mikrometre kadar nüfuz etmişti. Buna karşın, karbonatlı harçlar çok daha kalın ve düzensiz pas bantları gösterdi; korozyon ürünleri matrise yaklaşık 2 milimetreye kadar nüfuz etti ve ortalama hacimleri yalnızca 4 saatlik erken CO2 muamelesinden sonra kabaca iki katına çıkan kümeler oluşturdu. X-ışını fotoelektron spektroskopisi, karbonatlı numunelerdeki çelik yüzeyinde daha yüksek değerlikli demir oksitler ve hidroksitler ile daha fazla bağlı su bulunduğunu doğruladı—bunlar daha kalın, daha aktif ve daha ileri saldırıya yatkın bir pas tabakasının işaretleridir.

Daha yoğun bir malzeme ama hâlâ daha hızlı korozyon

Paradoksal olarak, korozyonu hızlandıran aynı karbonatlaşma harcın mikro yapısını da daha yoğun hale getirdi. Termal analiz ve azot adsorpsiyon ölçümleri, silindirlerin dış bölgelerinin daha fazla kalsiyum karbonat geliştirdiğini ve daha büyük gözeneklerden daha ince mikro- ve mezogözeneklere bir kayma olduğunu gösterdi; çeliğe yakın iç bölgeler ise hem karbonatlaşmadan hem de pasın içe doğru büyümesi ve dışa doğru göçünden etkilendi. Genel olarak gözenek ağı sıkıştı; bu teoride klorür gibi agresif iyonların hareketini yavaşlatmalı ve korozyon ürünlerinin ne kadar yayılabileceğini sınırlamalıdır. Çalışma gerçekten de 4 saatten 72 saate karbonatlaşmayı uzatmanın toplam pas hacmini büyük ölçüde artırmadığını, ancak pasın dağılımını değiştirdiğini—birkaç büyük bölge yerine daha fazla, daha sığ pas bölgesi oluştuğunu—gözlemledi; bunun nedeni ise rafine gözeneklerin daha ileri nüfuzu engellemesiydi.

Daha çevreci beton için bunun anlamı

Uzman olmayan biri için ana mesaj şudur: genç, donatılı betona ekstra CO2 pompalamak iki ucu keskin bir kılıçtır. Bu işlem karbonu kilitlemeye yardımcı olur ve malzemenin iç gözeneklerini daha küçük ve daha sıkı hale getirir. Ancak bu CSA–Portland karışımı gibi düşük alkali bir sistemde, derin erken karbonatlaşma çeliği genellikle paslanmayı önleyen kimyasal korumadan büyük ölçüde mahrum bırakır. Sonuç, yoğun mikro yapı pasın ne kadar derine gidebileceğini sınırlasa bile daha sık korozyon başlatma ve betona daha fazla pas yayılmasıdır. Yazarlar, erken yaşta zorlanmış karbonatlaşmanın çevresel ve mekanik avantajları açık olsa da, kimya ve tasarım çok dikkatli kontrol edilmezse donatılı elemanların uzun vadeli dayanıklılığını ciddi şekilde tehlikeye atabileceği sonucuna varıyorlar.

Atıf: Qiang, Z., Yan, L., Yue, Q. et al. The carbon sinking-corrosion dilemma in concrete: insights from early-age CSA-PC mortar. npj Mater Degrad 10, 24 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00737-4

Anahtar kelimeler: beton karbonatlaşması, çelik korozyonu, kalsiyum sülfoalüminat çimento, CO2 tutma, donatılı beton dayanıklılığı