3. ALKALIKIVIAINESREAKTIO
3.6 Alkalikiviainereaktion vaikutukset betonin mekaanisiin ominaisuuksiin47
3.6.1 Yleistä
Betonirakenteiden käyttäytyminen on huomattavasti monimutkaisempaa vaurioituneessa be-tonissa kuin hyväkuntoisessa bebe-tonissa. Tämän vuoksi mekaanisten ominaisuuksien (puris-tus- ja vetolujuus, kimmokerroin, ja jännitys/venymiskäyttäytyminen) muutosten ymmärtä-mine on tärkeää alkalikiviainesreaktion vaurioittamien ikääntyvien betonirakenteiden korjaus-ten suunnittelussa [30].
Alkalikiviainesreaktion aiheuttamat vauriot betonin mekaanisiin ominaisuuksiin etenevät si-ten, että geelin muodostuminen saa aikaan jännityksiä, jotka aiheuttavat halkeamia kiviai-neksessa kemiallisen reaktion alkuvaiheessa. Tämän jälkeen nämä halkeamat laajenevat sementtitahnaan ja geeli lisääntyy. Tästä lähtien vanhat halkeamat jatkavat laajenemistaan ja uudet halkeamat muodostuvat hitaammin [30]. Laaja betonin halkeilu johtaa epälineaari-seen käytökepälineaari-seen ja muodonmuutosten huomattavaan lisääntymiepälineaari-seen [31].
Alkalikiviainesreaktion vaikutuksia betonin lujuusominaisuuksiin on tutkittu jonkin verran. Tut-kimuksia on tehty kentällä olemassa oleviin rakenteisiin, joita reaktio on vaurioittanut sekä laboratoriossa koekappaleita käyttämällä siten, että alkalikiviainesreaktiota on nopeutettu eri-laisilla menetelmillä. Harvoissa tutkimuksissa on kuitenkaan määritelty reaktion vaikutuksia betonin mekaanisiin ominaisuuksiin muuten kuin materiaaliparametrien heikkenemisen ver-ran [20]. Tutkimuksissa ei esimerkiksi tule ilmi ovatko muuttuneet materiaaliparametrit vai-kuttaneet betonin haurauteen tai murtovenymään.
Eri tutkimustuloksissa on jonkin verran vaihtelua ja etenkin reaktion vaikutukset puristuslu-juuteen vaihtelevat eri testitulosten välillä. Alkalikiviainesreaktion vaikutuksista vetolupuristuslu-juuteen ja betonin elastisiin ominaisuuksiin tutkijoilla on sen sijaan yhtenäisempi linja, vaikka tutki-mustulokset eroavatkin toisistaan jonkin verran.
Laajentuminen on ominaisuus, jota käytetään yleisesti laboratoriotutkimuksissa, koska sitä voidaan mitata helposti ja sen avulla voidaan arvioida ja luokitella kiviainesten mahdollista reaktiivisuutta ja se mahdollistaa vertailun betonin vaurioitumisen tilasta ja sen kehittymisestä
tutkittavilla betoneilla. Tutkimustulosten analysoimisessa tulee huomioida, että alkalikiviai-nesreaktion aiheuttama laajeneminen ei välttämättä korreloi suoraan reaktion aiheuttaman vahingon kanssa. Huomioitavaa on myös, että eri tutkimuksissa on käytetty eri testimenetel-miä, jolloin testitulokset eivät välttämättä ole keskenään vertailtavissa [30].
3.6.2 Puristuslujuus
Na et al. tutkivat alkalikiviainesreaktion vaikutusta betonin mekaanisiin ominaisuuksiin käyt-tämällä kolmea eri kiviainesta, jotka on louhittu Coloradossa Yhdysvalloissa. Tutkimuksessa betonisia koekappaleita liotettiin korkea-alkalisessa liuoksessa korkeassa lämpötilassa 56 päivää, jonka aikana koekappaleiden ominaisuuksia testattiin. Tutkimuksessa havaittiin, että puristuslujuuden suuruus vaihteli testauksen aikana. Ensimmäisen neljän viikon aikana be-tonin puristuslujuus nousi vähitellen. Tämän jälkeen puristuslujuus heikkeni. Tulosta voidaan selittää kahdella mekanismilla. Lujuuden kasvu johtuu todennäköisesti sementin hydrataati-osta ja lujuuden lasku alkalikiviainesreaktion aiheuttamista vaurioista. Tutkimuksessa havait-tiin, että kiviaineksen raekokojakauma vaikutti tutkimustuloksiin [32].
Sanchez et al. tutkivat alkalikiviainesreaktion vaikutuksia betonin mekaanisiin ominaisuuksiin laboratorio tutkimuksessa, jossa käytettiin 20 erilaista betoniseosta, joiden lujuudet vaihteli-vat 25 MPa - 45 MPa välillä ja, joissa käytettiin 10 erilaista reaktiivista kiviainesta. Karkeiden kiviaineksien raekoko vaihteli 5 mm - 20 mm välillä. Betonisia koekappaleita säilytettiin 38 °C ja 100 % suhteellisessa kosteudessa, kunnes kappaleet olivat saavuttaneet laajentumisen asteet (0,05 %, 0,12 %, 0,20 % ja 0,30 %), jotka oli valittu tutkimukseen. Mekaanisia ominai-suuksia seurattiin tutkimuksen aikana, joka kesti 390 päivää. Tutkimuksessa havaittiin vaati-matonta puristuslujuuden heikkenemistä betonin laajenemisen myötä. Huolimatta kiviainek-sien eroista puristuslujuuden väheneminen olivat hyvin samansuuntaisia eri betoneissa. Pu-ristuslujuus heikkeni korkeintaan 10 %, kun laajeneminen oli 0,05 %. Laajenemisen ollessa 0,12 % puristuslujuus heikkeni 10-20 % ja kun laajentuminen oli enemmän kuin 0,20 % pu-ristuslujuus heikkeni 20-30 % [30].
Giaccio et al. tutkivat alkalikiviainesreaktion vaikutuksia betoniin kolmella erilaisen kiviainek-sella, jotka olivat reaktiivinen piipitoinen kvartsiitti, reaktiivinen hiekka ja hitaasi reagoiva gra-niittinen migmatiitti. Koekappaleet kovetettiin kosteassa ympäristössä 38 °C lämpötilassa.
Kun betoni oli laajentunut 0,11-0,18 %, mitattiin betonin jännitys-venymäkäyttäytymistä pu-ristuksessa sekä kuorman siirtymävastetta taivutuksessa. Samat testit toistettiin eri vertailu-betoneille päivien 75-745 välillä. Tutkimuksessa todettiin, että alkalikiviainesreaktiolla on sel-keä vaikutus betonin murtumismekanismiin puristuksessa. Tutkimuksessa huomattiin, että nopeasti reagoivista kiviaineksista valmistetun betonin puristuslujuus ei kasvanut 28 ensim-mäisen päivän aikana toisin kuin verrokki betonin. Hitaasti reagoivalla kiviaineksella puris-tuslujuuden arvo nousi myös [31].
Multon et al. tutkivat alkalikiviainesreaktion vaikutusta betonipalkkeihin. Heidän tarkoitukse-naan oli vahvistaa kehitettyjä malleja reaktion vaurioittamien betonirakenteiden mitta-pysyvyyden ja kantavuuden osalta. Tutkimuksessa käytettiin reaktiivisista kiviaineksista teh-tyä betonia ja reagoimattomasta kiviaineksesta valmistettua betonia. Osa testatuista pal-keista oli raudoitettuja ja osa raudoittamattomia. Palkkien alaosia pidettiin vedessä 14 kuu-kauden ajan siten, että palkin yläosa pääsi kuivumaan. Tänä aikana palkkeja ei kuormitettu.
Mekaanisia ominaisuuksia testattiin päivinä 28, 90, 180 ja 365. Tutkimuksessa havaittiin, että palkkien puristuslujuus nousi sekä reaktiivisissa että reagoimattomissa betoniseoksissa. Re-aktiivisesta kiviaineksesta valmistetuissa palkeissa puristuslujuuden nousu oli hieman suu-rempaa kuin reagoimattomasta kiviaineksesta valmistetussa betonissa [33].
Osama et al. esittävät raportissaan pitkäaikaisen alkalikiviainesreaktiotutkimuksen havain-toja. Tutkimus on aloitettu 1940, jolloin 28 eri sementtityyppiä käytettiin Green Mountain pa-don seinustoissa Coloraro-joessa. Jotkin käytetyistä sementeistä olivat korkea alkalisia ja kiviainekset sisälsivät reaktiivista piidioksidia. Puristuslujuuden arvot vaihtelivat huomatta-vasti riippuen sementtityypistä. Rakenteissa, joissa käytetyssä sementissä oli korkea alkali-pitoisuus (>0,90%), puristuslujuus nousi ensimmäisen kahden vuoden tarkkailun aikana, mutta 53 vuoden jälkeen puristuslujuudet olivat selvästi heikentyneet. Kahden vuoden koh-dalla puristuslujuuden arvot olivat yli 40 MPa ja 53 vuoden jälkeen noin 22-28 MPa. Matala-alkalisilla sementeillä puristuslujuuden arvot nousivat ensimmäisten vuosien jälkeen ja sen jälkeen ovat pysyneet likimain samana. Tutkimuksessa oli yksi korkea alkalisesta sementistä (0,96 %) valmistettu rakenneosa, jonka puristuslujuus ei kuitenkaan ollut laskenut, vaikka rakenteessa havaittiin runsasta halkeilua. Edellä mainittua poikkeusta lukuun ottamatta se-mentin alkalisuus korreloi melko hyvin puristuslujuuden kehityksen ja ulkoisten vaurioiden kanssa [33].
3.6.3 Vetolujuus
Yleinen konsensus tutkijoiden keskuudessa on, että alkalikiviainesreaktio laskee betonin ve-tolujuutta. Sanchez et al. selvittivät vetolujuuden muutoksia tutkimuksessaan. Vähäisellä be-tonin laajenemisella (0,05%) vetolujuuden arvot heikkenivät 12-70 % ja suurilla laajentumi-sen arvoilla (0,20 % ja 0,30 %) vetolujuus heikkeni 50-70%. Pienemmän laajenemilaajentumi-sen ar-voilla tulosten vaihtelu oli huomattavasti suurempaa kuin suuremmilla laajenemisen arar-voilla.
Pääosin tulokset eri betonien välillä olivat saman suuntaisia, mutta 45 MPa betoni vaurioitui vähemmän suuremmilla laajenemisen arvoilla kuin 25 MPa betoni [30].
Multon et al. ovat saaneet tutkimuksissaan erilaisia tuloksia. Heidän tutkimuksissaan palk-kien vetolujuus on pysynyt lähes samana eri mittausaikoina, sillä vetolujuuden arvot vaihte-levat 3,2 MPa ja 3,0 MPa välillä. Reagoimattomista kiviaineksista valmistetun betonin veto-lujuudet sen sijaan vaihtelivat 3,2 MPa ja 3,8 MPa välillä [34].
3.6.4 Elastiset ominaisuudet
Tutkijat ovat yleisesti sitä mieltä, että alkalikiviaines pienentää betonin kimmokerrointa. San-chez et al. tutkivat alkalikiviainesreaktion vaikutusta betonin kimmokertoimeen. Alhaisilla laa-jenemisen arvoilla elastisen kertoimen arvo pieneni 5-30 % ja suuremmilla laalaa-jenemisen ar-voilla 40-65 %. Elastisien kertoimien arvot vaihtelivat suuresti riippuen käytetystä kiviainek-sesta, mutta tulokset olivat saman suuntaisia laajenemisen funktiona eri betoninäytteissä.
Tulokset eri betonin lujuuksissa olivat myös saman suuntaisia, mutta 45 MPa betonin elasti-nen kerroin huononi vähemmän kuin 25 MPa ja 35 MPa betonin kertoimet suurilla laajene-misen arvoilla pääosin karkeilla kiviaineksilla [30]. Na et al. tutkivat tutkimuksessaan betonin jäykkyyttä. Jäykkyyden muutoksessa saatiin samansuuntaisia tuloksia kuin puristuslujuuden osalta eli aluksi jäykkyys kasvoi, jonka jälkeen se alkoi heikkenemään [32].
Giaccio et al. selvittivät tutkimuksessaan, että alkalikiviainesreaktion aiheuttamat sisäiset halkeamat heijastavat betonin jännitysvenymä -kuvaajan muotoon, kuten kuvasta 23 näh-dään. Kuvassa esitetään eri betonien jännitysvenymäkuvaajat puristuskuormituksessa. Ku-vassa esitetyistä käyristä C1 on kontrollibetoni ja käyrien R2, R3 ja R4 betoneissa on käytetty reaktioille alttiita kiviaineksia. Betoni R2 on muuten samaa kuin kontrollibetoni, mutta siinä reagoimaton hiekka on korvattu reaktiivisella hiekalla. Betonissa R3 puolestaan 10 % karke-asta kiviaineksesta on korvattu hyvin reaktiivisella piipitoisella kvartsiitilla. Betonissa R4 kar-keana kiviaineksena on käytetty vain hitaasti reagoivia kiviaineksia.
Kuva 23. Vaurioituneiden betonien ja kontrollibetonin jännitysvenymäkuvaaja puris-tuskuormituksessa [31].
Erot halkeilukuviossa vaikuttavat myös kuormitustaipuma -kuvaajaan betonin ollessa kuor-mitettu. Tutkimuksessa havaittiin, että sekä hitaasti että nopeasti reagoivilla kiviaineksilla be-tonin elastiset ominaisuudet heikkenivät [31]. Multon et al. havaitsivat tutkimuksissaan, että tutkimuksen kohteena olleiden betonipalkkien kimmokerroin laski tutkimuksen aikana noin 20 %, mitä voidaan pitää merkittävä laskuna [34].