Korosi baja tulangan pada beton

Kali ini aku ingin menuliskan sebagian apa yang sedang aku baca, pelajari dan pahami, yaitu: korosi. Mengapa baja terkorosi pada beton? Atau pertanyaan yang lebih tepat adalah mengapa baja tidak terkorosi di beton? Telah diketahui dari pengalaman bahwa batang baja tulangan baja karbon terkorosi saat udara dan air hadir. Oleh karena beton bersifat porus dan berisi kelembaban mengapa baja pada beton umumnya tidak terkorosi?

Jawabannya adalah karena beton bersifat alkali. Alkalinitas adalah kebalikan dari keasaman. Logam terkorosi pada kondisi asam; sehingga logam tersebut terlindungi dari korosi oleh alkalinitas. Hal ini merupakan kasus umum pada beton.

Saat dikatakan bahwa beton bersifat alkali artinya bahwa beton berisi pori-pori mikroskopis yang berisi kalsium, oksida sodium, oksida potassium dalam konsentrasi yang tinggi. Hal ini membetuk sebuah hidroksida saat bertemu dengan air, dimana hidroksida tersebut sangat alkali, dengan kondisi pH antara 12-13. Komposisi air pori dan pergerakan ion-ion dan gas-gas melalui pori-pori merupakan hal penting saat menganalisis kemungkinan korosi pada struktur beton bertulang.

Kondisi alkali akan mengantarkan pada sebuah keadaan pembentukan lapisan/lembaran pasif pada permukaan baja. Lapisan/lembaran pasif tersebut merupakan sebuah fim padat yang susah untuk ditembus, dimana sangat mudah dibentuk dan dikelola, menghalangi korosi lebih lanjut pada baja. Lapisan/lembaran yang terbentuk pada baja di beton kemungkinan merupakan bagian dari oksida logam atau hidroksida logam dan mineral bagian dari semen. Lapisan/lembaran pasif yang sebenarnya sangatlah padat, lembaran tipis oksida yang menyebabkan rerata oksidasi (korosi) yang sangat pelan. Terdapat banyak diskusi yang membahas apakah lapisan/lembaran pada beton merupakan lembaran/lapisan pasif sebagaimana yang terlihat tipis dibandingkan dengan lapisan-lapisan pasif lainnya dan lapisan pasif tersebut berisi lebih daripada hanya sekedar oksida metal ataukah lapisan/lembaran tersebut berperilaku seperti lapisan/lembaran pasif sehingga ia disebut demikian.

Ahli dan ilmuwan korosi telah menghabiskan banyak waktunya mencoba untuk menemukan cara-cara untuk menghentikan korosi baja dengan menggunakan lapisan-lapisan pelindung. Logam-logam yang lain seperti zinc, polimer seperti akrilik atau epoksi digunakan untuk menghentikan kondisi korosif mencapai permukaan baja. Lapisan/lembaran pasif merupakan lapisan impian ahli korosi karena hal tersebut terbentuk dengan sendirinya dan akan mempertahankan dan memperbaiki dirinya sendiri sejauh lingkungan pasif (alkali) ada untuk meregenerasi bila terjadi kerusakan. Apabila lingkungan pasif dapat dipertahankan hal tersebut jauh lebih baik daripada lapisan buatan lainnya seperti galvanisasi atau fusion bonded epoxy yang dapat rusak, menyebabkan korosi terjadi pada daerah-daerah yang rusak.

Namun, lingkungan pasif tidak selalu dapat dipertahankan. Dua buah kondisi dapat menghancurkan lingkungan pasif pada beton tanpa menyerang beton lebih dahulu. Pertama adalah karbonasi dan yang kedua adalah klorida.

  • Proses Korosi

Sekali lapisan/lembaran pasif hancur, maka daerah/wilayah korosi kemudian akan mulai muncul pada permukaan baja. Reaksi-reaksi kimia korosinya muncul  entah karena serangan klorida ataupun karena karbonasi. Saat baja pada beton terkorosi, maka baja tersebut larut ke dalam air pori dan melepaskan elektron:

Reaksi anodik: image                                (1)

Dua buah elektron (2e-) yang dihasilkan pada reaksi anodik haruslah di konsumsi di tempat yang lain pada permukaan baja untuk memberikan kenetralan elektrik. Dengan kata lain kita tidak bisa mendapatkan sejumlah besar muatan elektrik pada satu tempat pada baja. Harus terdapat reaksi kimia lain yang mengkonsumsi elektron-elektron. Berikut ini adalah reaksi yang mengkonsumsi air dan oksigen:

Reaksi katodik: image  (2)

Hal ini digambarkan pada gambar 1. Teramati bahwa dihasilkan ion-ion hidroksil pada reaksi katodik. Ion-ion ini meningkatkan alkalinitas lokal dan dengan demikian menguatkan lapisan/lembaran pasif, menangkal efek karbonasi dan ion-ion klorida pada katoda. Perlu dicatat bahwa air dan oksigen diperlukan pada katoda agar korosi muncul.

clip_image002[5]

Gambar 1. Reaksi anodik, katodik, oksidasi dan hidrasi pada korosi baja tulangan

Reaksi anodik dan katodik merupakan langkah pertama pada proses pembentukan korosi. Namun, sebagian dari reaksi-reaksi tersebut merupakan hal yang kritis dalam rangka pemahaman korosi dan digunakan secara luas dalam setiap diskusi korosi dan pencegahan korosi baja pada beton.

Bila besi akan larut pada air pori (ion ferous Fe2+ pada persamaan di atas bersifat larut) kita tidak akan melihat retak dan hancurnya beton. Beberapa tahapan harus muncul agar korosi terbentuk. Hal ini dapat digambarkan dalam beberapa cara dan salah satunya diperlihatkan dimana ferrous hydroxide menjadi ferric hydroxide dan kemudian hydrated ferric oxide atau korosi:

clip_image002[15]{ ferrous hydroxide } (3)

clip_image002[17]{ ferric hydroxide } (4)

clip_image002[19]{ hydrated ferric oxide } (5)

Proses korosi lengkapnya digambarkan pada gambar 1. Oksida ferric yang tak terhidrasi (unhydrated ferric oxide) Fe2O3 memiliki volume sekitar dua kali volume baja yang tergantikan saat padat penuh. Saat ia terhidrasi dia membengkak lebih besar dan menjadi porus. Hal ini berarti bahwa volumenya meningkat pada lapisan antarmuka baja/beton enam hingga sepuluh kali lipat, sebagaimana diindikasikan pada gambar 2. Hal ini mengantarkan pada retak dan hancur seperti yang teramati sebagai sebuah konsekuensi korosi baja tulangan pada beton dan korosi merah/coklat yang rapuh dan mengeripik yang terlihat pada tulangan dan noda korosi yang terlihat di retak pada beton.

clip_image004

Gambar 2. Volume relatif besi dan oksidanya diambil dari Mansfield Corrosion, 1981 (5): 301-307

Beberapa faktor pada penjelasan yang diberikan pada bagian ini penting dan akan digunakan nantinya untuk menjelaskan bagaimana mengukur dan menghentikan korosi. Aliran arus elektrik dan pengembangan dan konsumsi elektron pada reaksi anoda dan katoda digunakan pada pengukuran potensial half-cell dan proteksi katodik. Pembentukan ion hidroksil alkali protektif digunakan pada proteksi katodik, pembuangan klorida elektrokimiawi dan re-alkalisasi. Fakta bahwa reaksi anodik dan katodik harus seimbang satu sama lain agar proses korosi dapat berjalan digunakan dalam proteksi pelapisan epoksi batang tulangan.

  • Korosi Hitam (Black Rust)

Terdapat sebuah alternatif lain dalam pembentukan korosi merah ‘normal’ yang dijelaskan pada reaksi (3) hingga (5) di atas. Bila anoda dan katoda terpisah dengan baik (beberapa ratus milimeter) dan anoda pada keadaan lapar oksigen (katakanlah pada kondisi di bawah air) besi sebagai Fe2+ akan tetap di dalam larutan. Hal ini berarti bahwa tidak akan terdapat gaya-gaya seperti yang dijelaskan sebelumnya untuk meretakkan beton sehingga korosi bisa jadi tidak terdeteksi.

Tipe korosi ini (dikenal dengan korosi “hitam” atau “hijau” karena warna dari cairan pertama kali yang terlihat di udara setelah kehancuran) ditemukan di bawah membran anti-air yang rusak dan beberapa di kondisi bawah air ataupun keadaan jenuh air. Korosi hitam secara secara potensial sangat berbahaya disebabkan karena tidak terdapatnya indikasi korosi dengan retak dan hancurnya beton dan batang baja tulangan mungkin sama sekali dilemahkan sebelum korosi terdeteksi. Batang tulangan bisa jadi terlubangi seperti pada kondisi deoxygenated khususnya dibawah membran-membran atau saat air tergenang secara permanen pada permukaan.

Contoh-contoh batang-batang tulangan yang terserang dengan cara ini diperlihatkan pada gambar 3. Batang-batang tulangan ini diambil dari bagian bawah membran-membran anti-air yang rusak. Noda korosi pada permukaan beton mungkin merupakan indikasi tipe serangan ini, tetapi sangat jelas bila air berada di bawah membran dan mengabaikan oksigen sangatlah tidak mungkin bahwa besi dalam larutan akan mencapai permukaan beton dimana ia kemudian akan merembes keluar untuk membentuk noda korosi.

clip_image006

Gambar 3. Batang baja tulangan yang diambil dari bagian bawah lapisan membran kedap air

  • Pits, stray current dan bacterial corrosion

    • Pembentukan Pit (lubang)

Korosi baja pada beton umumnya dimulai dengan pembentukan lubang-lubang. Ia meningkat dalam jumlah, meningkat dan bergabung jadi satu hingga menjadi korosi umumnya terlihat pada batang-batang baja tulangan yang terekspose pada karbonasi atau klorida. Pembentukan lubang-lubang tersebut digambarkan pada gambar 4.

clip_image008

Gambar 4. Model klasik serangan korosi dalam bentuk lubang (pit)

Pembentukan lubang secara kimiawi cukup kompleks dan dijelaskan pada kebanyakan textbook kimia. Namun, prinsip-prinsipnya cukup sederhana, terutama disaat klorida hadir. Pada beberapa daerah yang sesuai pada permukaan baja (seringkali terpikirkan sebagai lubang pada pasta semen atau inklusi sulfida pada baja) lapisan/lembaran pasif lebih rawan diserang dan perbedaan potensial elektrokimiawi muncul yang menarik ion-ion klorida. Korosi kemudian terpicu dan asam terbentuk, sulfida hidrogen dari inklusi MnS dan HCl dari klorida bila mereka hadir. Besi teruraikan (persamaan 1), besi dalam larutan berreaksi dengan air:

clip_image002[21]                        (6)

clip_image002[23]                          (7)

Lubang terbentuk, korosi bisa jadi terbentuk di dalam lubang, mengkonsentrasikan asam (H+), mengabaikan oksigen sehingga besi tetap dalam larutan menghalangi pembentukan lapisan oksida proteksi dan mempercepat korosi.

    • Korosi bakteri

Komplikasi lain datang dari korosi bakterial. Terdapat bakteri di tanah (thiobaccilli) yang mengubah sulfur dan sulfida menjadi asam sulfida. Terdapat spesies lain (ferrobaccili) yang menyerang sulfida pada baja (FeS). Hal ini seringkali dihubungkan dengan bau sulfida hidrogen (telur busuk) dan produk lubang halus dengan korosi hitam saat batang tulangan diangkat dari kondisi jenuh air. Pada kondisi anaerobik (lapar oksigen) bakteri tersebut dapat berkontribusi dalam korosi lubang yang didiskusikan sebelumnya.

    • Korosi yang diinduksi oleh arus nyasar (stray current).

Arus nyasar (stray current) pada awalnya menjadi tumpuan kesalahan untuk setiap korosi pada beton di Amerika Serikat hingga masalah serangan klorida teridentifikasi pada 1950an. Penyebab utama korosi yang diinduksikan oleh arus nyasar yaitu arus langsung dari sistem DC trek tram (kereta jalan), saat arus mengalir melalui baja yang terbenam atau tertanam. Saat mencari jalan tahanan (resistansi) terendah hingga ke tanah, arus akan melompat dari satu logam konduktor ke logam konduktor lainnya melalui media ionik saat logam tidak bersentuhan. Hal ini mungkin dari sebuah wadah penulangan kepada yang lainnya melalui air pori beton. Salah satu ujung wadah penulangan akan menjadi negatif (katoda), dan tidak akan berkarat. Ujung yang lain akan menjadi positif dan secara aktif akan terkorosi.

Saat ini, korosi karena arus nyasar pada jembatan, bangunan dan struktur di atas tanah merupakan sebuah permasalah khusus yang berhubungan langsung dengan teknik desain dan pemeliharaan sistem rel ringan. Permasalahan di bawah tanah juga muncul pada sistem proteksi katodik untuk jaringan pipa dan struktur lainnya. Sistem proteksi katodik pada jaringan pipa yang terkubur dapat berhubungan dengan fasiltas yang bersebelahan ataupun yang bersilangan. Pastilah ada alur ionik antara sumber arus dan logam beresiko yang pastilah pada alur resistansi rendah. Untuk alasan ini korosi yang terinduksi oleh arus nyasar sangatlah tidak mungkin terjadi pada struktur di atas tanah dimana sumber arus DC berada di bawah tanah.

Terdapat beberapa diskusi pada literatur tentang induksi arus nyasar AC. Umumnya hal ini jauh di bawah efek arus DC meskipun literatur terbaru menyarankan bahwa untuk beberapa kasus hal tersebut menjadi signifikan. Salah satu kasus dimana arus AC signifikan yaitu pada sebuah struktur yang dipasangi proteksi katodik. Pada kondisi demikian, arus AC dapat menggeser potensial baja menjadi daerah spektrum elektrokimia terkorosi aktif yang menyebabkan korosi.

    • Korosi lokal vs korosi umum (macrocell vs microcell)

Korosi seringkali terjadi secara lokal, dengan korosi beberapa sentimeter dan kemudian menjadi beberapa meter batang tulangan pasif bersih, khususnya untuk korosi yang terinduksi oleh klorida. Hal ini mengindikasikan pemisahan reaksi anodik dan reaksi katodik untuk membentuk sebuah sel makro (macrocell). Sebagian hal ini disebabkan karena mekanisme serangan klorida, dengan pembentukan lubang dan dengan anoda-anoda kecil terkonsentrasi yang ‘disuapi’ oleh katoda-katoda yang besar. Hal ini juga disebabkan serangan klorida umumnya berhubungan dengan tingkat kelembaban tinggi yang memberikan resistansi elektrik rendah pada beton dan transport ion-ion yang mudah sehingga anoda-anoda dan katoda-katoda dapat berpisah dengan mudah. Di Amerika Utara hal ini digunakan sebagai sebuah cara untuk mengukur korosi dengan mengukur arus sel makro (macrocell current).

  • Elektrokimia, Cell dan Half-Cell

Dua buah reaksi yang pertama kali ditampilkan di atas merupakan reaksi anodik dan katodik baja pada beton. Istilah anoda dan katoda diambil dari istilah elektrokimia yang mempelajari kimiawi sel elektrik. Gambar 2.5 merupakan sel dasar Daniel yang digunakan pada sekolah menengah untuk menggambarkan bagaimana reaksi-reaksi kimia menghasilkan listrik. Sel tersebut tersusun atas dua buah ‘sel setengah’ (half cells), tembaga di tembaga sulfat (copper sulphate) dan seng di seng sulfat (zinc sulphate). Tegangan total sel tersebut ditentukan dengan logam yang digunakan dan oleh sifat alami dan komposisi larutan. Apa yang terjadi adalah bahwa di setiap half cell logam terlarutkan dan ion-ion mengendap, yaitu:

clip_image002[25]

Tembaga lebih tahan terhadap reaksi ini daripada seng sehingga saat kedua larutan tersebut dihubungkan dengan membran semi permeabel dan menghubungkan dua logam tersebut dengan kabel, maka seng bergerak menuju larutan dan sulfat tembaga keluar sebagai tembaga murni pada elektroda tembaga.

Tegangan dari setiap half cell dapat dicatat dan dibandingkan elektroda hidrogen standar (half cell atau elektroda referensi). Tabel 2.1 memberikan potensial-potensial elektroda referensi standar atau half cell yang menarik saat mengevaluasi masalah korosi.

Tabel 1. Potensial (tegangan) elektroda referensi standar

clip_image010

Potensial elektroda referensi adalah fungsi konsentrasi larutan seperti halnya pada tipe logam dan tipe larutan. Larutan dengan konsentrasi yang tinggi (umumnya) lebih korosif dari pada larutan dengan konsentrasi rendah sehingga arus akan mengalir dalam sebuah sel yang tersusun atas satu buah logam pada dua konsentrasi yang berbeda dalam satu larutan yang sama. Sehingga dapat dianggap bahwa korosi baja di beton sebagai konsentrasi sel.

Resiko korosi dalam sebuah sel dapat diukur dengan mendekatkannya dengan elektroda referensi eksternal. Hal ini secara mudah digambarkan dengan elektroda referensi tembaga/sulfat tembaga jenuh yang digerakkan sepanjang permukaan beton yang terdapat batang tulangan baja di dalamnya dimana terdapat daerah anodik (terkorosi) dan daerah katodik (pasif).

Seperti terlihat pada gambar di bawah ini, dengan menempatkan elektroda referensi pada permukaan beton dan menghubungkannya dengan sebuah pengukur tegangan listrik (voltmeter) pada baja, akan diperoleh sebuah sel yang mirip dengan sel Daniel. Perbedaan potensial listrik akan merupakan sebuah fungsi dari besi pada lingkungan air porinya. Apabila selnya digerakkan sepanjang baja akan diperoleh perbedaan potensial yang disebabkan karena besi dalam lingkungan yang berbeda. Pada bagian anoda dapat berpindah ke larutan seperti seng (zinc) dalam sel Daniel. Pada bagian katoda, lapisan/lembaran pasif masih kuat dan akan diperkuat lebih lanjut dengan reaksi katodik sehingga baja akan menolak proses pelarutan.

Sebagai hasilnya akan didapatkan potensial tegangan yang lebih tinggi pada pembacaan voltmeter pada bagian anodik, daerah yang terkorosi dan tegangan yang lebih rendah pada bagian katodik, daerah pasif.

Pada pemakaian teori dan elektrokimia perlulah bersifat hati-hati untuk menjelaskan apa yang sedang terjadi pada sel elektrokimia. Teori elektrokimia umumnya dapat digunakan pada kondisi kesetimbangan dan larutan yang dapat dijelaskan dengan baik. Korosi merupakan sebuah ketidakseimbangan namun merupakan situasi dinamik. Sehingga pemakaian teori dan persamaan elektrokimia merupakan sebuah pendekatan dan dapat mengantarkan pada kesalahan-kesalahan bila modelnya terlalu berbeda.

clip_image012

Gambar 5. Pengukuran tingkat korosi dengan metode Half-Cell

sumber : John P. Broomfield, ” Corrosion of Steel in Concrete: Understanding, Investigation and Repair 2nd Edition”.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s