1.1 Tutkimuksen tausta
Alkalikiviainesreaktio on kemiallinen reaktio, joka tapahtuu betonin kiviaineksen piipitoisten aineiden, sementin huokosveden sisältämien alkalien sekä hydroksidi-ionien välillä. Reak-tiossa muodostuu hygroskooppista geeliä, joka voi laajentua suhteellisen kosteuden ollessa tarpeeksi suuri. Geelin laajentuminen aiheuttaa betoniin halkeilua, joka voi vaurioittaa beto-nirakenteita [1].
Reaktio havaittiin ensimmäistä kertaa Yhdysvalloissa 1930-luvun loppupuolella. Ensimmäi-set tieteelliEnsimmäi-set tutkimukEnsimmäi-set reaktiosta ja sen vaikutuksista betoniin julkaisi Thomas E. Stanton joulukuussa vuonna 1940 [1, s. 1]. Stantonin tutkimukset osoittivat, että Kaliforniassa 1920-1930-lukujen betonirakenteiden halkeilu johtui pääasiallisesti kiviaineksen ja sementin omi-naisuuksista, ja että reaktion aiheuttivat hyvin alkalipitoinen sementti yhdessä opaalisen ki-viaineksen kanssa [2].
Tutkimukset koskien alkalikiviainesreaktiota ovat alkaneet suuremmissa määrin toisen maa-ilmansodan jälkeen. Vuoteen 2017 mennessä aiheeseen liittyen on pidetty 15 kansainvälistä konferenssia ja tieteellisiä artikkeleita, tutkimuksia sekä raportteja on julkaistu useita tuhan-sia [1, s. 2] [3]. Kuvassa 1 näkyy tieteellisten artikkelien määrän nousu Science Directissä ja Springerlinkinkissä vuosien 1993-2011 välillä.
Kuva 1. Tieteellisten artikkelien määrän nousu vuosien 1993-2011 välillä [3]
Maailmalla alkalikiviainesreaktio on tunnistettu jo yli 50 maassa [3]. Kuvassa 2 on esitetty reaktion esiintyminen maailmalla. Kuvassa vaaleanpunaiset alueet ovat maita, joissa alkali-kiviainesreaktiotapauksia on todettu, keltaisella merkityillä alueilla alkalikiviainesreaktiota ei ole raportoitu ja valkoisella merkityiltä alueilta ei ole saatavilla tietoa asiasta.
Kuva 2. Alkalikiviainesreaktion esiintyminen maailmalla [1, s. 3].
Muissa Pohjoismaissa alkalikiviainesreaktiolöydöksiä on tehty huomattavasti aikaisemmin kuin Suomessa. Tanskassa ensimmäiset tapaukset havaittiin 1950-luvun alussa. Islannissa,
Alueet, joissa
todettu AKR:ta Ei todettu AKR:ta
Ei tietoa saatavilla Kirjassa tutkittujen alueiden ja maiden AKR-tapaukset
Norjassa ja Ruotsissa ensimmäiset tapaukset raportoitiin 1970-luvulla. Suomessa ensimmäi-set tapaukensimmäi-set on puolestaan raportoitu vasta 1990-luvun loppupuolella. Muissa Pohjois-maissa alkalikiviainesreaktiosta on tehty säännöksiä jo 1900-luvun loppupuolella ja niitä on päivitetty 2000-luvulla. Suomessa reaktio otettiin tarkempaan tarkasteluun vasta 2010-luvulla [1, s. 277-278] ja kansallinen ohjeistus on ilmestymässä huhtikuussa 2020.
Kuten aikaisemmin todettiin, alkalikiviainesreaktioon liittyen on tehty paljon tutkimuksia. Tut-kimukset käsittelevät reaktiota melko laaja-alaisesti. Tietoa löytyy esimerkiksi reaktion ehkäi-semisestä, reaktion vaikutuksista betonin ominaisuuksiin, erilaisista mallinnustavoista, joilla yritetään ennustaa reaktion etenemistä ja testimenetelmistä, joilla voidaan tutkia kiviainek-sien alttiutta reaktiolle. Osa raportoiduista tutkimustuloksista on kuitenkin ristiriidassa keske-nään. Etenkin tämän diplomityön aiheeseen liittyvästä alkalikiviainesreaktion vaikutuksista betonin puristuslujuuteen löytyy hyvinkin ristiriitaista tietoa.
Tässä diplomityössä keskitytään alkalikiviainesreaktion vaikutuksiin betonirakenteissa sekä alkalikiviainesreaktion tunnistamiseen kenttä- ja laboratorio-olosuhteissa. Tarve keskittyä tut-kimuksessa etenkin edellä mainittuihin asioihin tulee suoraan työelämästä. Yhteistyöyritys Sweco Rakennetekniikan suunnittelijoilla on tullut vastaan jo useita korjaussuunnittelukoh-teita, joissa on havaittu alkalikiviainesreaktion vaurioittamia betonirakenteita.
Aina ei ole mahdollista eliminoida kosteuden vaikutusta siten, että alkalikiviainesreaktio saa-daan pysähtymään, jolloin kysymykseen tulee rakenteiden korjaaminen tai purkaminen. Kor-jausrakennesuunnittelun kannalta olisi erittäin tärkeää tietää tarkemmin alkalikiviainesreak-tion vaikutuksista betonin ominaisuuksiin, jotta saadaan tuotettua vaurioitumisen asteeseen ja laajuuteen sopivia korjaussuunnitelmia. Alkalikiviainesreaktion vaurioittamien betoniraken-teiden kuntotutkimukset ovat puolestaan erittäin tärkeässä roolissa suunnittelun lähtötietojen kannalta.
Aihetta kannattaa tutkia kirjallisuustutkimuksella ulkomaisista lähteistä koska ulkomailla re-aktiota on tutkittu huomattavasti enemmän kuin Suomessa. Suomalaista tutkimustietoa al-kalikiviainesreaktion vaikutuksista betonin lujuusominaisuuksiin tai tietoa kevyemmistä kor-jausvaihtoehdoista ei ole juurikaan saatavilla. Vielä ei myöskään ole olemassa ohjeistusta alkalikiviainesreaktion vaurioittaman rakenteen kuntotutkimuksen tekemiseen.
Koska asia on vielä Suomessa suhteellisen tuore, on hyödyllistä saada lisää tietoutta ai-heesta rakennusalalla toimiville tahoille. Lisätieto aiai-heesta voi auttaa suunnittelijoita tuotta-maan helpommin suunnitelmia alkalikiviainesreaktion vaurioittamiin kohteisiin. Lisätieto re-aktiosta parantaisi mahdollisesti myös suunnitelmien laatua sekä auttaisi kuntotutkimuksien tekemisessä.
1.2 Tavoitteet ja rajaukset
Tutkimuksessa käsitellään alkalikiviainesreaktiota. Kirjallisuustutkimuksen avulla etsitään tietoa alkalikiviainesreaktiosta keskittyen etenkin reaktion vaikutuksiin betonissa ja kuntotut-kimukseen vaikuttaviin asioihin. Tutkimuksen päätavoitteena on selvittää, miten alkalikiviai-nesreaktio vaikuttaa betonin ominaisuuksiin ja laatia ohjeistusta mahdollisista korjausvaihto-ehdoista sekä kuntotutkimusprosessista. Työn lopputuloksena on aineisto, joka helpottaa tu-levaisuudessa korjaussuunnittelua ja kuntotutkimisen tekemistä sekä lisää yleistä tietoutta alkalikiviainesreaktiosta.
Betonin vaurioituminen koostuu yleensä useista eri vauriomekanismeista, mutta tämä tutki-mus rajataan koskemaan vain alkalikiviainesreaktiota. Muiden vaurioitumismekanismien vai-kutukset betoniin ja betonin lujuuteen rajataan tutkimuksen ulkopuolelle. Tutkimuksessa ei myöskään keskitytä kivilajien tai sementtien vaikutuksien tarkasteluun uudisrakentamisen näkökulmasta, vaan niitä käydään läpi vain pintapuolisesti. Tutkimuksessa keskitytään eten-kin olemassa oleviin betonirakenteisiin sekä niiden tutkimiseen ja korjaamiseen.
1.3 Tutkimuksen suoritus
Tutkimusmenetelmänä käytetään pääosin kirjallisuusanalyysiä. Kirjallisuusanalyysillä saa-daan tietoa aikaisemmin tehdyistä tutkimuksista ja yleiskuva alkalikiviainesreaktiosta sekä sen vaikutuksista betonin ominaisuuksiin. Tutkimuksessa on tarkoitus tutustua myös yhteis-työyritys Sweco Rakennetekniikan omiin materiaaleihin, joita on kertynyt kohteista, joissa on havaittu alkalikiviainesreaktiota.
1.4 Tutkimusraportin rakenne
Tutkimusraportin alussa käsitellään betonin osa-aineita ja ominaisuuksia sekä niiden yh-teyttä alkalikiviainesreaktioon. Seuraavassa kappaleessa keskitytään itse reaktioon. Aluksi käydään läpi alkalikiviainesreaktion eri reaktiomuodot sekä tekijät, jotka vaikuttavat reaktion syntymiseen ja kehittymiseen. Tämän jälkeen siirrytään käsittelemään alkalikiviainesreaktion tunnistamista sekä testimenetelmiä, joilla selvitetään sekä kiviaineksien reaktiivisuutta että reaktion aiheuttaman vaurioin laajuutta ja astetta.
Tämän jälkeen käsitellään, kuinka alkalikiviainesreaktiota voidaan ehkäistä. Lopuksi kappa-leessa käsitellään, millaisia vaikutuksia alkalikiviainesreaktiolla on betonin mekaanisiin omi-naisuuksiin. Aluksi käsitellään alkalikiviainesreaktion vaikutusta betonin lujuusominaisuuk-siin. Tämän jälkeen käsitellään reaktion vaikutuksia betonin elastisiin ominaisuuklujuusominaisuuk-siin.
Kappaleessa neljä käsitellään alkalikiviainesreaktiota Suomessa. Tässä osiossa käsitellään, millaista kiviainesta Suomessa on ja millaista sementtiä suomalaisessa betonissa käytetään.
Osion lopussa käydään läpi, millaista tutkimusta Suomessa on tehty alkalikiviainesreaktioon
liittyen. Tämän jälkeen käsitellään Sweco Rakennetekniikalla todettuja alkalikiviainesreak-tiotapauksia.
Kappaleessa viisi tarkastellaan tutkimuksen tuloksia. Tuloksien pohjalta on laadittu ohjeistus alkalikiviainesreaktion vaurioittamien rakenteiden kuntotutkimusprosessista. Kappaleessa käydään läpi myös erilaisia korjausvaihtoehtoja reaktion vaurioittamille rakenteille. Viimei-senä kappaleena on yhteenveto tutkimuksesta.