3. ALKALIKIVIAINESREAKTIO
3.3 Alkalikiviainesreaktioon vaikuttavat tekijät
Vesi on olennainen osa alkalikiviainesreaktiota. Vesi kuljettaa rektiossa liuenneita ainesosia ja aiheuttaa geelin laajenemisen [17]. Yleisesti uskotaan, että alkalikiviainesreaktion aiheut-tama laajeneminen tarvitsee betonissa 80 % suhteellisen kosteuden tapahtuakseen. Jotkin tutkijat pitävät puolestaan suhteellisen kosteuden minimirajana, jossa reaktio voi tapahtua 60-85 % suhteellista kosteutta [18]. Tutkimuksissa on kuitenkin selvinnyt, että betonissa voi kuivemmissakin oloissa tapahtua piidioksidin liukenemista ja geelin muodostumista, mutta geelin paisuminen tapahtuu vasta kosteassa ympäristössä. Kuvassa 12 on esitetty suhteel-lisen kosteuden vaikutus betonin laajenemiseen. Huomioitava on kuitenkin, että tutkimuk-sissa on todettu, että suhteellinen kosteus, jossa geelin laajentumista tapahtuu, riippuu myös vallitsevasta lämpötilasta [9].
Kuva 12. Suhteellisen kosteuden vaikutus betonin laajenemiseen alkalikiviainesre-aktion tuottaman geelin takia [1, s. 18].
Multon et.al ovat tehneet tutkimuksen, jossa tutkittiin alkalikiviainesreaktion vaurioittaman betonin uudelleen kastumista ja kuivumista. Tutkimuksessa selvisi, että betonin uudelleen kastuminen aiheuttaa reaktion vaurioittamalle rakenteelle lisää laajenemista, mikäli betoni ei ole vielä saavuttanut maksimaalista laajentumistaan. Tutkimuksessa osoitettiin, että reaktion tuottama geeli voi paisua nopeasti kuivana olemisen jälkeen. Reaktio voitiin myös pysäyttää
jossain osin rakennetta veden puutteella. Tässä tapauksessa uusi altistuminen vedelle johti uuden geelin muodostumiseen [19]
Korkeampi lämpötila lisää alkalikiviainesreaktion reaktionopeutta niin kuin endotermisillä re-aktioilla on tapana. Reaktion nopeutuminen on todettu useilla eri testimenetelmillä, joissa on käytetty korkeampaa lämpötilaa laastipalkkien ja betoniprismojen reaktioiden nopeutta-miseksi. Tällöin tietoa rakenteen laajenemisesta saadaan kuukausien aikana, vaikka nor-maaleissa olosuhteissa reaktion vaikutusten tutkimiseen voisi mennä vuosia [1].
Sen lisäksi, että kohonnut lämpötila nopeuttaa reaktiota ja geelin muodostumista, voi kohon-nut lämpötila vaikuttaa myös geeliin. Kohonkohon-nut lämpötila voi alentaa muodostuneen geelin viskositeettia, mutta myös nopeuttaa geelin kuivumista. On myös mahdollista, että korkea lämpötila vaikuttaa geelin koostumukseen siten, että sen laajentumisominaisuudet muuttuvat [1]. Tutkimuksissa on todettu, että betonin laajentuminen yleensä kasvaa lämpötilan nous-tessa, mutta tutkimuksissa on myös havaittu, että joidenkin kivilajien kanssa laajentuminen voi olla vähäisempää lämpimissä olosuhteissa [3].
Alkalikiviainesreaktioon vaikuttavat myös ulkoiset alkalien lähteet, joita ovat merivesi, jään-poistoaineet ja jäätymisenestoaineet. Merivesi sisältää keskimäärin 3,5 % suoloja (Itämeri alle 1 %), joista natriumkloridi (NaCl) on ensisijainen ainesosa. Jäähdytys- ja jäätymisenes-tokemikaaleissa olevien alkalien lähteitä ovat NaCl, alkaliasetaatit ja emäksiset formiaatit.
Kaikkia edellä mainittuja ulkoisia alkalilähteitä on tutkittu sekä laboratorioloissa että kenttä-seurannalla. Tulokset ovat kuitenkin olleet ristiriitaisia, joten yhtenäistä johtopäätöstä ulko-puolisten alkalien vaikutuksesta alkalikiviainesreaktioon on mahdotonta vetää [9].
3.3.2 Betonirakenteiden kuormitus
Rakenteen kuormituksella on todettu olevan vaikutusta alkalikiviainesreaktion aiheuttamaan rakenteen laajenemiseen ja sen myötä vaikutusta betonin halkeiluun. Tutkimusta on tehty vanhoista reaktion vaurioittamista rakenteista otetuilla koekappaleilla sekä tutkimuksia var-ten valetuilla betonisilla koekappaleilla, joiden reaktiota on nopeutettu.
Tutkimuksen kohteena on ollut etenkin selvittää vähentääkö puristuskuormitus alkalikiviai-nesreaktion aiheuttamaa laajenemista. Tutkimuksissa on saatu selville, että on olemassa tietty puristuskuormituksen aiheuttava paine, jolloin laajeneminen pysähtyy. Tätä painetta on selvitetty niin numeerisesti kuin laboratoriokokeilla. On kuitenkin huomioitava, että vaikka laajeneminen pysähtyy, ei se välttämättä tarkoita, ettei reaktio ole käynnissä ja aktiivinen.
Herrador et al. tutkivat 1963 valmistunutta patoa, joka oli alkalikiviainesreaktion vaurioittama.
Padosta otettiin koekappaleita, joita testattiin kuormittamattomana, jatkuvan kuorman alai-sena ja hitaasti kasvavalla kuormituksella. Koekappaleet oli otettu padosta kahdelta eri alu-eelta. Ensimmäiset näytteet otettiin alueelta, joka on lähes vapaa kuormituksesta ja toiset
näytteet alueelta, joka on ollut puristuskuormituksessa koko padon elinkaaren ajan. Ensim-mäisten näytteiden laajeneminen eteni lineaarisesti kuormittamattomassa tilassa, kun puo-lestaan toisen näytteen laajeneminen oli 3 kertaa niin nopeaa kuin ensimmäisen näytteen, mutta laajenemisella huomattiin olevan taipumus hidastua [20].
Herrador et al. saivat tulokseksi myös, että hitaasti kasvavalla kuormituksella tehdyissä tes-teissä kuormituksen kasvaessa laajeneminen katoaa ja rasitusvenymä -käyrä palaa normaa-liksi. Kaikissa näytteissä, jotka oli otettu kuormittamattomalta alueelta, oli laajeneminen voi-makkaampaa kuin kuormitetuilla alueilla. Tämä puoltaa hypoteesia, jonka mukaan alkaliki-viainesreaktion aiheuttamaa laajenemista voidaan vähentää tai se voidaan pysäyttää puris-tuskuormituksella, mutta itse reaktio ei kuitenkaan pysähdy ja laajeneminen jatkuu, kun kuor-mitus poistuu [20].
Morenon et al. tutkimuksen tavoitteena on kuvata kuormituksesta ja raudoituksista aiheutu-van jännityksen vaikutusta alkalikiviainesreaktion aiheuttamaan laajenemiseen ja halkeiluun.
Tutkimuksessa tehtiin betonisille mallikappaleille kokeita sekä käytettiin laskennallista ana-lyysiä laajenemisen ja halkeilun tutkimiseen. Tavoitteena oli saada laskennallinen mallinnus vastaamaan koekappaleilla tehtyjen kokeiden tuloksia. Tutkimukset osoittivat, että kuormi-tuksella on tärkeä rooli reaktion kinetiikassa. Simuloidut kuormitustestit osoittivat, että laa-jentumisen aikana poistettu kuorma voi aiheuttaa betonin halkeilua todella nopeasti. Tes-teissä todettiin myös, että vetojännitykset laajentumisen aikana voivat johtaa ennenaikaiseen ja suurempaan laajenemiseen betonirakenteessa ja että raudoitetuissa alkalikiviainesreak-tion vaurioittamissa betonirakenteissa kuormitus voi johtaa epätasaiseen halkeiluun ja luoda materiaaliin heikompia ja vahvempia alueita [21].
Giaccio et al. ovat myös tutkineet kuormituksen vaikutusta alkalikiviainesreaktioon. Heidän tutkimuksensa osoitti, että reaktion vaurioittaman betonin halkeamien muodostuminen ja le-viäminen on riippuvainen betonirakenteen kuormituksesta. Tämän takia kuormitetun betonin lujuus ja jäykkyys voivat poiketa hyvinkin paljon kuormittamattoman betonirakenteen arvoista [22].
3.3.3 Muut vaikuttavat tekijät
Kalsiumilla on kaksi tärkeää roolia alkalikiviainesreaktiossa. Kalsium kuljettaa reaktiotuotteen alkaleja ja vaikuttaa reaktiotuotteisiin. Kalsium vaikuttaa reaktiotuotteiden koostumukseen, ominaisuuksiin ja laajentumiseen [9]. Useat kokeelliset tutkimukset ovat johtaneet lopputu-lokseen, että merkittävää betonin laajenemista tapahtuu vain, kun kalsiumia on saatavilla portlandiitin muodossa. Kalsiumin täsmällinen reaktiomekanismi geelin laajentumisessa on edelleen epäselvä, mutta tutkijat ovat esitelleet mahdollisia mekanismeja, jotka voivat olla ilmiön takana [9].
On mahdollista, että korkea kalsiumpitoisuus huokosliuoksessa estää piidioksidin diffuusion reagoimasta kiviaineshiukkasiin. Voi myös olla, että jos kalsiumia ei ole saatavilla reaktiivinen piidioksidi liukenee alkalihydroksidiliuokseen aiheuttamatta vahinkoa. Tutkimuksissa on to-dettu, että kalsiumpitoisen geelin muodostuminen on välttämätöntä geelin laajentumisen kannalta joko suoraan tai epäsuorasti. On myös todettu, että kalsium lisää geelin viskositeet-tiä ja vetolujuutta, mikä johtaa suurempiin rasituksiin geelin laajentuessa [9].
Kalsiumin merkitystä reaktiossa tukevat myös muut havainnot. Reaktiivisista kiviainesta si-sältävien betonien laajeneminen voidaan estää poistamalla kalsiumhydroksidi esimerkiksi emäksisellä liuoksella. Pozzolaanit ovat tehokkaita kontrolloimaan alkalisen betonin laajene-mista. Tämä johtuu siitä, että pozzolaanireaktio kuluttaa kalsiumhydroksidia, joka puolestaan vähentää kalsiumin saatavuutta alkalikiviainesreaktiolle [9].
Betonin raudoituksen vaikutuksista reaktioon tai reaktion vaikutuksesta raudoitukseen ei ole vielä juurikaan tutkimustietoa. Freche et al. totesivat tutkimuksessaan, että raudoituksen ja betonin välisen kiinnittymisen heikkeneminen on todennäköistä alkalikiviainesreaktion ai-heuttaman halkeilun takia [23]. Allard et al. totesivat tutkimuksessaan, että raudoitus beto-nissa hillitsee reaktion aiheuttamaa laajenemista. [24]. Tiedossa on myös, että raudoitetun betonirakenteen halkeilu voi olla erilaista, kuin raudoittamattoman betonirakenteen [4] [3].