ARI IPATTI
MASUUNIKUONAJAUHEEN VAIKUTUS BETONIN KUTISTUMISOMINAISUUKSIIN
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 22.3.1984
Työn valvoja : Prof. Vesa Penttala Työn ohjaaja : DI Klaus Juvas
Tekijä ja lyön nimi :
Ari Ipatti
Masuunikuonajauheen vaikutus betonin kutistumis- ominaisuuksiin.
Päivämäärä : 2 2.3.1 984 Sivumäärä: 120
Osasto : Professuuri :
Rakennusinsinööriosasto 7.43 Huoneen-
rakennustekniikka
Työn valvoja :
Professori Vesa Penttala
Työn ohjaaja :
DI Klaus Juvas
Työ koostuu kirjallisuusselvityksestä ja kokeellisesta tutkimuksesta. Kirjallisuusosassa on tarkasteltu erilaisia betonin kutistumista aiheuttavia tekijöitä ja niiden suh
teellista merkitystä. Selvityksen painopiste on kuitenkin asetettu betonin mikrorakenteen ja kuivumiskutistumis- mekanismien välisen yhteyden sekä kuivumiskutistumiseen vaikuttavien tekijöiden esittämiseen. Lisäksi tarkastel
laan kuivumiskutistumisen aiheuttamaa halkeilua.
Kokeellisessa tutkimuksessa selvitettiin sideaineen korke
an masuunikuonapitoisuuden vaikutusta betonin kutistumis- käyttäytymiseen. Vertailtavina sideaineina olivat hitaasti kovettuva portlandsementti sekä kaksi masuunisementtiä, joissa erillisjauhetun masuunikuonan ja yleisportland- sementin seossuhteet olivat 70/30 ja 80/20. Jokaisesta sideainetyypistä valmistettiin 100 - 1 00-450 mm3: n betoni- prismoja, joiden pituuden- ja painonmuutoksia eri kosteus- olosuhteissa seurattiin puolen vuoden ajan. Lisäksi selvi
tettiin kuivumiskutistumisen riippuvuutta betonin koostu
muksesta ja koekappaleen haihtumispinta-alasta.
Sideaineen korkea masuunikuonapitoisuus lisäsi betonin kuivumiskutistumaa ja pienensi koekappaleista haihtuvaa vesimäärää. Koetuloksista ekstrapoloidut loppukutistuma- arvot olivat masuunisementtejä käytettäessä keskimäärin noin 20 % suuremmat kuin vastaavalla vertailubetonilla, jossa sideaineena käytettiin hitaasti kovettuvaa portland- sementtiä. Masuunikuonapitoisuuden noustessa 70 % :sta
80 % : iin betonin kutistuminen kasvoi keskimäärin noin 5 %.
Betonin koostumuksen, koekappalemuodon ja säilytysolosuh
teiden vaikutukset ilmenivät masuunikuonabetoneilla hieman vertailubetöniä selvemmin ja vaikutus yleensä kasvoi
masuunikuonapitoisuuden kasvaessa. Masuunisementtej ä käy
tettäessä havaitut suuremmat kutistuma-arvot, nopeammin kehittyvä kutistuminen sekä pienempi ja hitaampi veden haihtuminen ovat todennäköisesti seurausta masuunikuona- betonin hienommasta huokoskokojakautumasta vertailubeto- niin nähden.
Author and name of the thesis :
Ari Ipatti
Shrinkage of concrete made of blast-furnace slag cement.
Date : 22.3.1 984 Number of pages : 1 20
Department : Professorship :
Department of Civil Engineering Building technology and materials
Supervisor :
Professor Vesa Penttala
Instructor :
M.Sc.(Eng.) Klaus Juvas
The work consists of a literature study and an experi
mental part. In the literature study different shrinkage inducing factors in concrete are presented and the
relative importance of these shrinkage types is considered.
The relation between the microstructure of concrete and the drying shrinkage mechanisms, as well as the factors affecting drying shrinkage, are particularly emphasized.
In addition, cracking induced by shrinkage is considered.
The aim of the experimental part was to investigate how the high blast-furnace slag content of the hydraulic
binding agent affects the shrinkage properties of concrete.
The compared binders were a low heat Portland cement and two slag cements, where the ratio of separately ground blast-furnace slag and ordinary Portland cement were 70/30 and 30/20. The shrinkage and weight change of concrete prisms 100-100-450 mm3 made from these different cement types were measured for the period of six months. The dependence of drying shrinkage on the evaporation area of the test specimens and the concrete mix proportion were also studied.
High blast-furnace slag content increased the shrinkage of concrete, and decreased the evaporating moisture * content of the test specimens. The final shrinkage values extrapolated from six months test results were in average 20 % higher for the slag concretes than for the concrete where low heat Portland cement was used. When the slag content increased from 70 to 80 %, the drying shrinkage of concrete increased in average 5 %. The effects of the different concrete mixes, the cross-sectional sizes of the test specimens, and the storage conditions were some
what more distinct for the slag cement concretes, than for the comparison concrete specimens. The faster rate of shrinkage, the higher shrinkage values and the slower and smaller evaporation discovered when using the slag cements are probably due to the finer pore size distribution of
the hardened slag cement paste, compared to the low heat Portland cement paste.
Tämä diplomityö on tehty Teknillisen korkeakoulun rakennus- insinööriosastolla Oy Partek Ab:n esittämästä aiheesta.
Yhtiö on myös taloudellisesti tukenut diplomityön tekoa, josta parhaat kiitokseni.
Työn valvojaa professori Vesa Penttalaa ja työn ohjaajaa DI Klaus Juvasta haluan erityisesti kiittää saamistani arvokkaista neuvoista. Esitän kiitokseni myös DI Jorma Virtaselle hänen osallistumisestaan työn ohjaukseen.
Betonitekniikan laboratorion henkilökunnalle lausun kiitok
seni aktiivisesta ja tehokkaasta toiminnasta laboratoriossa tehtyjen kokeiden aikana. Lopuksi haluan kiittää kaikkia muitakin hekilöitä, jotka ovat auttaneet työni edistymisessä.
Espoossa 22.3.1984
Ari Ipatti
KIRJALLISUUSTUTKIMUS 2
1. BETONIN KUTISTUMINEN 2
1.1 Betonin ajastariippuvat muodonmuutokset 2
1.2 Betonin varhaiskutistuminen 3
1.2.1 Plastinen kutistuminen ' 3 1.2.2 Hydrataatiokutistuminen 8 1.2.3 Jäähtymiskutistuminen 11 1.3 Kovettuneen betonin kutistuminen 14
1.3.1 Kuivumiskutistuminen 14
1.3.2 Karbonatisoitumiskutistuminen 16 1.4 Eri kutistumien suhteellinen merkitys 20
2. BETONIN KUIVUMISKUTISTUMINEN 22
2.1 Kutistumisen kemiallisia ja fysikaalisia 22 perusteita
2.1.1 Betonin ja sementtikiven rakenne 22 2.1.2 Veden sitoutuminen ja haihtuminen 27
2.1.3 Kutistumismekanismit 30
2.2 Kutistumiseen vaikuttavia tekijöitä 38
2.2.1 Sideaine 33
2.2.2 Runkoaine 43
2.2.3 Vesi ja seossuhteet 46
2.2.4 Säilytysolosuhteet 49
2.2.5 Koekappalekoko ja -muoto 52 2.2.6 Yhteenveto vaikuttavista tekijöistä 56 2.3 Kuivumiskutistumisen aiheuttama halkeilu 58 2.3.1 Halkeamien syntyminen 59 2.3.2 Halkeiluun vaikuttavia tekijöitä 61 2.3.3 Kutistumishalkeilun estäminen 67
KOKEELLINEN TUTKIMUS 70
1. TUTKIMUSOHJELMA 70
2. BETONIN AINEOSAT 71
2.1 Sideaine 71
2.2 Runkoaine 72
2.3 Vesi 72
3.1 Betonimassan suhteitus 73 3.2 Betonimassan valmistus ja koetus 74
3.3 Koekappaleiden valmistus 76
3.4 Koekappaleiden käsittely ja säilytys 76
3.4.1 Lujuuskoekappaleet 76
3.4.2 Kutistumiskoekappaleet 77 3.4.3 Karbonatisoitumiskoekappaleet 79 3.5 Koekappaleiden koetus ja mittaus 79 3.5.1 Puristuslujuuden koetus 79 3.5.2 Kuivumiskutistumisen mittaus 79 3.5.3 Painonmuutosten määritys 80 3.5.4 Karbonatisoitumissyvyyden määritys 81
4. KOETULOKSET 82
4.1 Lujuudenkehitys 82
4.2 KuivumiskutisLuminen 83
4.3 Painonmuutokset 88
4.4 Karbonatisoituminen 92
5. KOETULOSTEN TARKASTELU 94
5.1 Betonimassan ominaisuudet 94
5.2 Lujuudenkehitys 95
5.3 KuivumiskutisLuminen 96
5.3.1 Sideaineen vaikutus 97
5.3.2 Seossuhteiden vaikutus 100 5.3.3 Säilytysolosuhteiden vaikutus 102 5.3.4 Koekappalekoon vaikutus 105 5.4 Veden haihtuminen ja kutistumismekanismit 108
5.5 Karbonatisoituminen 111
6. YHTEENVETO 115
LÄHDELUETTELO 1 1 7
LIITTEET 1...6
JOHDANTO
Raakaraudan valmistuksessa sivutuotteena muodostuvaa masuuni- kuonaa on monissa maissa käytetty sementtiteollisuuden raaka- aineena hyvällä menestyksellä jo kymmeniä vuosia. Käytön
kannustimena ovat kustannussäästö, teknologinen hyöty ja ympäristönsuojelu.
Suomessa ovat masuunikuonan laajamittaisempaa käyttöä aivan viime aikoihin asti kuitenkin rajoittaneet toisaalta kuonan käyttöönoton edellyttämät investoinnit, usein pitkät kuljetus
matkat ja sementtiteollisuuden vajaa tuotantokapasiteetti sekä toisaalta normien, käyttökokemuksen ja teknisen tiedon puute.
Eräs tällainen puutteellisen tiedon osa-alue on masuunikuona- betonin muodonmuutosominaisuuksien ja erityisesti kutistumisen tunteminen. Kotimaisilla betonin osamateriaaleilla ja masuuni- kuonalla tehdyt kutistumatutkimukset ovat vasta vähäisiä,
joten rakennesuunnittelussa on toistaiseksi sovellettu nor- maalibetonille annettuja suunnitteluohjeita myös masuunikuona- betonia käytettäessä.
Betonin kutistuminen on yleensä haitallinen ilmiö, joka aihe
uttaa merkittävän osan rakenteissa tapahtuvista muodonmuutok
sista. Kutistumisen osuus esimerkiksi betonipalkin taipumasta uskotaan olevan 5...25 %:n luokkaa /23/. Edelleen, kutistu
minen saattaa aiheuttaa rakenteessa tai elementissä reunojen kohoamista, käyristymistä ja esijännityshäviöitä. Mikäli kutistuminen ei pääse tapahtumaan vapaasti tai tapahtuu epä
tasaisesti/voi seurauksena olla betonin muodonmuutoskapasi- teetin ylittyminen ja halkeamien muodostuminen. Kutistumis- halkeamat helpottavat veden ja ilman tunkeutumista betoniin, joten eri sideaineiden aiheuttamat erilaiset kutistumat
saattavat epäsuorasti vaikuttaa myös betonirakenteiden veden
läpäisevyyteen ja säilyvyyteen. Eräissä rakenteissa on kutis- tumishalkeilu jopa asettanut masuunisementin käytön kyseen
alaiseksi .
Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää sideaineen korkean masuunikuonapitoisuuden vaikutusta betonin kuivumiskutistuman suuruuteen ja kutistumisen luonteeseen. Vertailusideaineena käytetään kaikissa betonikokeissa Kolarin alhaislämpösementtiä.
Kuivumiskutistumiseen vaikuttaviin tekijöihin, kutistumis- mekanismeihin ja kutistumishalkeiluun perehdytään kirjallisuu
desta saatavien tietojen avulla. Kokeellisessa tutkimuksessa betonin kutistumista ja veden haihtumista seurataan eri
kosteusolosuhteissa kätettäessä erilaisia betonikoostumuksia ja koekappalemuotoja. Aiheen laajuuden vuoksi tutkimuksessa ei ole käsitelty lisäaineiden vaikutusta ja myös betonin raudoituksen vaikutus on esitetty hyvin suppeasti.
KIRJALLISUUSTUTKIMUS
1. BETONIN KUTISTUMINEN
1.1 Betonin ajastariippuvat muodonmuutokset
Betonissa tapahtuu tilavuudenmuutoksia ilman rakenteeseen kohdistuvien ulkoisten kuormien vaikutusta. Osa näistä muo
donmuutoksista on seurausta ympäristön lämpötilaolosuhteiden muutoksista ; lämmönsiirtyminen betonissa on suhteellisen no
peaa ja useimmissa rakenteissa myös lämpöliikkeet tapahtuvat lähes yhtä nopeasti. Lämpöliikkeitä voidaan siis pitää parem
minkin hetkellisinä kuin ajastariippuvina muodonmuutoksina.
Jäljellä olevat tilavuudenmuutokset liittyvät suurelta osin kosteuden vaihtumiseen betonin ja ympäristön välillä. Kosteu
den siirtyminen betonissa on huomattavasti lämmönsiirtyrnistä hitaampaa, joten materiaalin kosteuspitoisuuden vaihtelun ai
heuttamia tilavuudenmuutoksia voidaan pitää ajastariippuvina.
Tavallisin käytännössä esiintyvä tilanne lienee kosteuden haihtuminen lähes vedellä kyllästyneestä betonista, jolloin tapahtuvaa tilavuudenmuutosta sanotaan kuivumiskutistumaksi.
Tässä kirjoituksessa kuivumiskutistumisella siis tarkoitetaan veden haihtumisen aiheuttamaa kovettuneen, kuormittamattoman ja vakio ympäristöolosuhteissa säilytetyn betonin muodonmuu
tosta (kuva 1a).
х-чТ Shrinkage VV I from f0
(b)
Time. (f - f o)
<c)
Kuva 1. Betonin ajastariippuvat muodonmuutokset /33/.
Kuormituksen alaisen betonin muodonmuutokset voidaan jakaa hetkelliseen muodonmuutokseen ja virumaan. Hetkellisen muo
donmuutoksen syntymiseen kuluu aikaa vain muutama minuutti rakenteen tai koekappaleen joutuessa kuormitukselle alttiiksi.
Rakenteen kokonaisikään verrattuna muodonmuutos siis tapahtuu aivan mitättömässä ajassa. Kuorman vaikuttaessa pidemmän ai
kaa muuttumattomana muodonmuutos kasvaa ajan myötä. Tätä ta
pahtumaa kutsutaan virumiseksi ja syntyvää muodonmuutosta virumaksi (kuva 1b).
Betonin viruma voidaan edelleen jakaa perusvirumaan ja sorp- tiovirumaan. Perusviruma syntyy lämpötila- ja kosteusolosuh
teiden säilyessä vakiona (kuva 1c). Sorptioviruma muodostuu kosteustilan muutoksen vuoksi betonin kosteuspitoisuuden kas
vaessa tai vähentyessä. Käytännössä kuivuminen on hallitseva ilmiö, jolloin sorptiovirumaa kutsutaan kuivumisvirumaksi
(kuva 1d). Viimeksimainittu muodonmuutos on kuitenkin erotet
tava betonin kuivumiskutistumisesta, joka tapahtuu samanai
kaisesti virumisen kanssa. Kutistuminen on lähes riippumaton betonin jännitystilasta kun taas viruminen tapahtuu ainoastaan
jännityksen ( tai muodonmuutoksen ) vaikutuksesta.
Kun kuormitettu betoni samalla kuivuu oletetaan tavallisesti virumisen ja kutistumisen olevan additiivisia; virumisen osuus saadaan tällöin selville kuormitetun betonin kokonaismuodon- muutoksen, samanlaisissa olosuhteissa säilytetyn kuormitta
mattoman koekappaleen muodonmuutoksen ja kimmoisen muodonmuu
toksen erotuksena. Vaikka tämä käytännössä usein on välttämä
töntä, niin periaatteessa kutistuminen ja viruminen eivät ole toisistaan riippumattomia ja siten superponoitavissa olevia ilmiöitä. Kuivumisviruminen esimerkiksi kasvaa betonin kuivu- miskutistumisen kasvaessa /33/.
Tässä diplomityössä tarkastellaan lähinnä vain betonin kuivu- miskutistumista. Virumista käsitellään vain siltä osin kun se pienentää betonin halkeiluvaaraa tasoittamalla kutistumisen
aiheuttamia jännityshuippuja. Seuraavissa kappaleissa on sup
peasti esitetty niitä eri mekanismeja, jotka aiheuttavat kuor
mittamattoman betonin kutistumista.
1.2. Betonin varhaiskutistuminen 1.2.1 Plastinen kutistuminen
Plastisella kutistumisella tarkoitetaan tuoreen betonin tila- vuudenmuutosta, joka tapahtuu muutaman tunnin kuluessa beto
noinnista. Tällöin massa on vielä plastista eikä ole vielä saavuttanut mainittavaa lujuutta, ts. sitoutuminen ei ole vielä alkanut tai on juuri alkamassa. Tapahtuva tilavuuden- muutos on suuruudeltaan 1 % : n luokkaa kuivan sementin abso
luuttisesta tilavuudesta /33/.
Kutistumisen mekanismi
Tiivistämisen jälkeen alkaa betonimassassa tapahtua massapar- tikkeleiden uudelleen järjestäytymistä, mikä tunnetaan veden- erottumisena. Kiinteät massapartikkelit työntyvät alaspäin painovoiman vaikutuksesta ja pakkautuvat tiiviimpään järjes
tykseen. Samalla väliaineena toimiva vesi joutuu antamaan tilaa ja nousemaan massan pinnalle, johon se muodostaa ohuen vesikerroksen.
Kuivassa ja/tai kuumassa ilmassa pintaa peittävä vesi saattaa haihtua. Jos veden haihtumisnopeus betonin pinnalta on suu
rempi kuin vedenerottumisnopeus, alkaa ilman ja veden raja
pinta pian vetäytyä betonimatriisin sisälle. Tämän vetäyty-
misen seurauksena muodostuu sementti- ja runkoainepartikke- leiden välille monimutkainen kaarevista vesipinnoista eli meniskeistä koostuva systeemi /49/. Näissä olosuhteissa kaik kialle huokosveteen muodostuu ns. kapillaarinen paine, joka aiheuttaa partikkeleiden välille vetovoimia.
Kuva 2. Periaatekuva betonin vedenerottumisesta.
Tuoreessa betonimassassa kaikki partikkelit ovat suhteellisen liikkuvia toisiinsa nähden. Näin ollen kapillaarisen paineen aiheuttamat vetovoimat pienentävät partikkeleiden keskimää
räistä välimatkaa, jolloin koko betonimatriisin tilavuus pie
nenee. Kun hydrataatioprosessi jatkuu, lukkiutuvat alunperin erillään olleet partikkelit paikoilleen, jolloin kapillaari- y.aikutuksen merkitys nopeasti pienenee /49/.
Wittmann /49/ on kokeellisesti todistanut edellä esitetyn kapillaarisen paineen ja plastisen kutistumisen välisen riip
puvuuden mittaamalla keskimääräisen kapillaarisen paineen suoraan sementtipastasta. Plastinen kutistuminen voidaan tällöin jakaa kolmeen vaiheeseen seuraavasti:
Vaihe I: Betonin pinta on vielä märkä. Näin ollen kapil
laarista painetta tai plastista kutistumista ei esiinny (vrt. kuva 3)
Vaihe II: Betonin pinnalla ollut vesikerros on kokonaan haihtunut. Kaarevat vesipinnat alkavat muodostua ja kutistuminen kasvaa. Kuivumisen jatkuessa meniskien kaarevuussäde pienenee, jolloin kapil
laarinen paine ja plastinen kutistuminen kasvavat.
Vaihe III: Muutaman tunnin kuluttua betonoinnista veden haih
tuminen on edennyt jo niin pitkälle, ettei kapil- laarivesi enää muodosta yhtenäistä, jatkuvaa sys
teemiä vaan lukkiutuu vierekkäisten partikkeleiden välisiin kapeisiin tiloihin. Kapillaarista painet
ta ei voida tällöin enää määrittää Wittmann'in käyttämällä menetelmällä, joten mitattu kapillaa
rinen paine saavuttaa kriittisen arvonsa ja laskee äkillisesti. Samaan aikaan kovettuminen on alkanut ja betoni on tullut jäykemmäksi, jolloin plastinen kutistuminen tasaantuu.
Kuva 3.
100
80 60 -tv
40
Betonin plastinen kutistuminen ja kapillaarinen paine hydrataatioajan funktiona /49 ,50/.
Kapillaarinen paine pienenee ja plastinen kutistuminen pysäh
tyy välittömästi kun kuivunut betonipinta kastellaan uudel
leen /49/.
Kutistumiseen vaikuttavia tekijöitä
Veden haihtumisnopeus tuoreen betonin pinnalta on tärkein plastiseen kutistumiseen vaikuttava tekijä. Haihtumisnopeu- teen taas vaikuttavat ilman lämpötila, suhteellinen kosteus ja tuulen nopeus sekä betonin oma lämpötila.
Betonin koostumus ja sen osa-aineiden ominaisuudet vaikut
tavat lähinnä plastisen kutistumisen loppuarvoon, kuten käy ilmi taulukosta 1 . Tuoreen betonin plastinen kutistuminen saavuttaa maksimiarvonsa vesisementtisuhteen ollessa
0.50 - 0.60 /49/.
Taulukko 1.Plastisen kutistumisen loppuarvoon vaikuttavia tekijöitä / 5,42/.
Betonin Ominaisuuden muutos Vaikutus
osa-aine kutistumaan
Sementti ominaispinta-ala kasvaa X
tilavuusosuus kasvaa +
lämpötila nousee +
sementti on vanhaa —
Runkoaine tilavuusosuus kasvaa
kuivaa, adsorboivaa +
Lisäaine hidastin +
huokosiin
Merkinnät : + kutistuminen kasvaa - kutistuminen pienenee x tiedot ristiriitaisia
Sementin ja runkoaineen tilavuusosuuksien vaikutus plasti
seen kutistumiseen käy ilmi kuvasta 4. Pelkän sementtipastan plastisen kutistumisen loppuarvo (6-12 o/oo) on noin kuusi kertaa suurempi kuin betonin plastinen kutistuma (1-2 o/oo) / 5/.
7000
6000
5000
4000
3000
h 2000
-ЮОО
Time srce Casing (log scale) - hours
Kuva 4. Sementtipastan, -laastin ja betonin plastinen kutistuminen ilmassa, jonka lämpötila on 20° C, suhteellinen kosteus 50 % ja tuulennopeus
1 m/s / 33/ .
Kutistumisen aiheuttama halkeilu
Plastisen kutistumisen aiheuttama halkeilu voidaan jakaa kahteen eri tyyppiin seuraavasti:
a) Plastista painumishalkeilua esiintyy tavallisesti pilareissa ja korkeissa palkeissa tai seinissä.
b) Plastista kutistumishalkeilua esiintyy lähinnä ohuissa laatoissa.
Molemmat halkeilutyypit liittyvät läheisesti vedenerottumis- ilmiöön ja eroavat siis periaatteeltaan ulkoisen lämpötila- vaihtelun tai kuivumiskutistumisen aiheuttamasta halkeilusta
/47/.
Plastinen painumishalkeilu
Plastiset painumishalkeamat syntyvät yleensä noin 10 - 30 min:n kuluttua betonin tiivistämisestä. Ne ovat epämääräisen muo
toisia, katkonaisia, reunoiltaan pyöreitä ja vaihtelevan
syvyisiä. Plastiset painumishalkeamat kulkevat harvoin laatan läpi, mutta terästen yläpuolelle syntyessään ne ovat vaaral
lisia, koska ne voivat olla alkuna terästen korroosiolle./47/.
Jos massapartikkelit pääsevät vapaasti ja tasaisesti painu
maan alaspäin, ei halkeilua tapahdu. Kuitenkin esim. betoni- terästen yläpuolella painuminen estyy, jolloin teräksen
molemmin puolin tapahtuva esteetön painuminen aiheuttaa beto
niin pienen leikkausjännityksen. Yksistään koheesiovoimin koossapysyvässä massassa on pienikin jännitys riittävä aikaan
saamaan halkeaman. Vastaava leikkautuminen voi tapahtua myös muottien epäjatkuvuuskohdissa, esimerkiksi ripalaatan jäykis- teiden reunoilla.
esteitä ei yleensä voida poistaa. Tällöin ainoa tapa estää painumishalkeamien syntyminen on vedeneTottumisen ehkäisemi
nen /47/.
Plastinen kutistumishalkeilu
Plastiset kutistumishalkeamat aiheutuvat betonipinnan äkil
lisestä kuivumisesta ts. halkeamat syntyvät silloin kun veden haihtumisnopeus ylittää vedenerottumisnopeuden. Ilmiö on
samantapainen kuin saven halkeilu kuivuessaan.
Plastiset kutistumishalkeamat syntyvät yleensä 2-3 tunnin kuluttua betonoinnista eli siinä vaiheessa, kun sementin sitoutuminen estää betonipinnan vapaan kutistumisliikkeen.
Halkeamat ovat useimmiten pitkiä, säännöllisiä, teräväreu- naisia ja melko syviä. Niiden tyypillisiä esiintymispaikkoja ovat ohuet laatat. Halkeamat asettuvat usein säännölliseen riviin vinosti laatan reunoihin nähden, mutta niiden suunta voi olla täysin mielivaltainenkin. Yhteistä kutistumishal- keamille on se, että ne eivät tavallisesti ulotu laatan reu
naan, joka pääsee vapaasti kutistumaan /47/.
Kuva 6. Plastisia kutistumishalkeamia ohuessa laatassa /47/.
Ainoa käytännöllinen keino plastisten kutistumishalkeamien ehkäisemiseksi on estää veden haihtuminen välittömästi betonoinnin jälkeen. Tämä voidaan tehdä esimerkiksi levit
tämällä muovikalvo viimeistellyn betonipinnan päälle, reu- nakorokkeiden varaan. Nestemäisten jälkihoitönineiden käyttö on kyseenalaista, koska tehokas kosteussulku voidaan aikaan
saada yleensä vain, jos pinta ei ole vetinen ainetta levi
tettäessä. Kuitenkin jälkihoitotoimiin olisi ryhdyttävä jo 30 minuutin sisällä betonoinnista /47/.
1.2.2 Hydrataatiokutistuminen
Hydrataatioreaktioiden jatkuessa tapahtuu sitoutuneessa sementtipastassa tilavuuden pienenemistä, koska hydrataa- tiossa muodostuvat reaktiotuotteet ovat tilavuudeltaan pie
nempiä kuin alunperin reagoivien aineiden yhteinen tila
vuus. Mikäli hydrataatio tapahtuu olosuhteissa, joissa vesi
määrä on vakio - kuten esimerkiksi massiivisten betoniraken
teiden sisäosissa - seuraa sementtipastan tilavuuden muutok
sesta myös betonin kutistuminen.
Tällaista kutistumista sanotaan hydrataatiokutistumiseksi (autogenous shrinkage), sillä se on seurausta sementin hyd- rataatiosta. Betonin hydrataatiokutistuminen on kokonais
määrältään suuruusluokkaa 0,1 mm/m /52/.
Kutistumisen mekanismi
Betonin tai sementtipastan hydrataatiokutistumista voidaan tarkastella kolmessa peräkkäisessä vaiheessa / 4,42,57/.
-AL* first L shrinkage
expansion second shrinkage,
Kuva 7. Hydrataatiokutistumisen kolme jaksoa /42,57/.
Vaihe I: Kutistumisen ensimmäinen vaihe esiintyy sementti- pastassa tai betonissa ennen sitoutumista tai sitoutumisen aikana /57/. Näin ollen tämä kutistumisjakso saattaa tapah
tua samanaikaisesti plastisen kutistumisen kanssa. Hydra
taatiokutistumisen alkujakso johtuu kuitenkin sementtipastan tilavuuden pienenemisestä ennen sitoutumista tapahtuvien
hydrataatioreaktioiden aikana /57/. Nämä reaktiot eivät riipu veden haihtumisesta /11/. Lisäksi ne alkavat välittömästi
sementin ja veden sekoittamisen jälkeen, jolloin myös kutis
tuminen alkaa periaatteessa heti kun aineosat on sekoitettu / 57/.
Ensimmäisen kutistumisen suuruus riippuu sementin koostumuk
sesta ja on kääntäen verrannollinen vesisementtisuhteeseen /4 /. Tämän kutistumisvaiheen maksimiarvo on kuitenkin suh
teellisen pieni verrattuna plastiseen kutistumiseen /42/.
Vaihe II: Ensimmäisen kutistumisen jälkeen seuraa tavalli
sesti vaihe, jolloin on havaittavissa vain pieniä tilavuuden muutoksia. Tällöin sementtipastassa tai betonissa tapahtuu kaksi vastakkaista reaktiota /4 /. Toisaalta tilavuuden pie
neneminen jatkuu hydrataation myötä, mutta toisaalta materi
aalissa tapahtuu paisumista siten, että yhteisvaikutuksena on tavallisesti lievä paisuminen /4 ,42/.
Paisumisvaiheen kesto ja paisumisen suuruus vaihtelevat huo mattavasti eri sementeillä. Useimmilla sementeillä paisumis- vaihe kestää 10 - 20 tuntia, paisumisen suuruuden vaihdel
lessa sementin kipsipitoisuuden (ettringiitin muodostuminen) sekä mahdollisesti myös magnesiumoksidimäärän tai vapaan kalkkimäärän mukaan / 4,42/.
Vaihe III: Toinen kutistuminen alkaa sitoutumisen jälkeen ja jatkuu betonin kovettumisen myötä. Näin ollen sitä kutsutaan usein myös kovettumiskutistumiseksi (hardening shrinkage) /57/. Kutistumisnopeus on noin 20 kertaa pienempi kuin ensim
mäisen kutistumisvaiheen / 4/. Kutistuminen riippuu sementin koostumuksesta, vesisementtisuhteesta ja paisumisvaiheen pi
tuudesta /4 /.
Tämä kutistumisvaihe johtuu hydrataatiokuivumisesta (self- desiccation), joka esiintyy betonirakenteissa kovettumisen aikana /42,46,57/. Tällöin betonin kuivuminen - ja vesimenis- kien muodostuminen - ei aiheudu veden haihtumisesta ulospäin vaan betonissa vapaan veden määrä vähenee osan sitoutuessa sementin kanssa. Kutistuminen on määrältään suhteellisen pieni ja se tapahtuu hitaanlaisesti. Näin ollen se vaikuttaa samaan tapaan kuin tavallinen kuivumiskutistuminen (vrt.
1.3.1), jonka vaikutus siten saa pienen lisätekijän /33,52/.
Kutistumiseen vaikuttavia tekijöitä
Hydrataatiokutistumiseen vaikuttavista tekijöistä ovat tär
keimpiä sementin koostumus ja vesisementtisuhde.
Sementin mineraloginen koostumus vaikuttaa sekä kutistumisen luonteeseen että kutistumisen loppuarvoon /11/. Eräät tutki
jat ovat havainneet riippuvuuden kutistumisen ja hydrataa- tiolämmönkehityksen sekä vastaavasti kutistumisnopeuden ja lämmönkehitysnopeuden välillä /16,44/. Sementin klinkkeri- mineraaleista trikalsiumaluminaatti (C3A) on hydrataation lämmönkehityksen kannalta tärkein, joten sen vaikutus myös kutistumiseen on merkittävä. Dorkin et.ai. /11/ onkin toden
nut sementtipastan hydrataatiokutistumisen kasvavan lähes lineaarisesti sementin С3А-pitoisuuden kasvaessa.
Vesisementtisuhteen vaikutus hydrataatiokutistumiseen on kaksijakoinen. Haas et.ai. /16/ on kokeellisesti tutkinut sementtipastan hydrataatiokutistumista ja todennut, että ensimmäisten noin kymmenen tunnin aikana kutistuminen on kääntäen verrannollinen vesisementtisuhteeseen. Tämän jäl
keen tilanne kuitenkin vaihtuu ja kutistumisen loppuarvo kasvaa vesisementtisuhteen kasvaessa /16/.
Hydrataatiokutistumisen loppuarvo kasvaa kun lämpötila, sementin määrä ja mahdollisesti myös kun sementin hienous kasvavat /33/. Runkoaineen tilavuusosuuden kasvaessa kutis
tuminen sensijaan pienenee /46/.
Kun osa sementistä korvataan masuunikuonalla, hydrataatio- kutistuminen näyttää pienenevän /4 ,44/.
VOLUMESHRINKAGE.IAV/V%
Roy et.al. /44/ selittää tämän johtuvan sideaineiden eri
laisista hydrataatiolämmönkehityksistä; mitä suurempi läm- mönkehitys sen suurempi kutistuminen.
TYPE II CEMENT WITH PURE CEMENT
SLAG CEMENT
SLAG Z’"'
---50 °/c
TIME, hrs TIME, hr
Kuva 8. a) Portlandsementin ja masuuniportlandsementin hydrataatiokutistuminen. Vesisideainesuhde 0,375, lämpötila 23° C, kuonaa 50 % /44/.
b) Hydrataatiolämmönkehitykset a)-kohdan side
aineille /44/.
Hydrataatiokutistumisen aiheuttama halkeilu
Hydrataatiokuivumisen seurauksena betonin huokoset tyhje
nevät osittain, jolloin kaikkialle materiaaliin muodostuu kaarevia vesipintoja eli meniskejä. Meniskien muodostumisen myötä suhteellinen kosteus kovettuvan betonin sisäosissa pie
nenee. Chatterji'in /9/ mukaan suhteellisen kosteuden muu
tos esim. 90 % : iin aiheuttaa 25° C:ssa 13 atm : n alipaineen, joka on riittävä aiheuttamaan betonin sisäistä halkeilua.
Halkeiluriski on sitä suurempi, mitä suurempi on toisen kutistumisvaiheen kutistumisnopeus /42/.
Hydrataatiokuivumisen aiheuttamaa mikrohalkeilua voi esiin
tyä jopa ennen muottien purkamista edellyttäen, että vesi- sementtisuhde on alunperin alhainen ja että sementti on hydratoitunut jo merkittävässä määrin / 9/.
Betonin sisäistä halkeilun osuutta ja merkitystä kuivumis- kutistumiseen on Chatterji'n /8,9/ mukaan huomattavasti aliarvioitu. Jos nimittäin betoniin muodostuu hydrataatio
kuivumisen aikana halkeamia runkoainerakeiden ja sementti- pastan välille, niin koekappaleen tai rakenteen ulkoinen pituuden muutos pienenee halkeamien yhteisellä leveydellä mittaussuunnassa. Näin ollen mikrohalkeilu pienentää mitattua kuivumiskutistumista.
Betonin sisäinen mikrohalkeilu saattaa siis olla eräs tekijä, joka selittää kuivumiskutistumismittauksissa havaittuja eroja eri sideaineiden - esimerkiksi juuri masuuniportlandsementin ja yleisportlandsementin - välillä.
nen eksoterminen hydrataatioreaktio, jossa vapautuvan lämmön vaikutuksesta betonin lämpötila saattaa kohota suhteellisen korkeaksi. Muutaman vuorokauden kuluessa lämmönhaihtumis- nopeus kuitenkin ylittää hydrataatiolämmön muodostumisnopeu- den, jolloin betoni alkaa jäähtyä ja samalla kutistua.
Tällaista kutistumista sanotaan seuraavassa jäähtymiskutis- tumiseksi. Kun betonin lämpölaajenemiskerroin on suuruus
luokkaa 0,01 mm/m°C, saattaa jäähtymiseen liittyvä lineaa
rinen kokonaismuodonmuutos olla luokkaa 0,20 - 0,40 mm/m /52/.
Yleensä sementin reaktiolämpö poistuu betonista ympäristöön rakenneosan vapaiden pintojen kautta. Lämmön poistuminen on kuitenkin sitä hitaampaa, mitä suurempi on rakenneosan tila
vuuden suhde sen avoimeen pinta-alaan /54/. Näin ollen se
mentin hydrataatiolämmönkehitys aiheuttaa hankaluuksia lä
hinnä vain massiivisten rakenteiden yhteydessä.
Sementin hydrataatiolämmönkehitys
Lämmönkehitys koostuu sementin ja veden välisissä hydrataa
tioreaktio is sa vapautuvasta kemiallisesta energiasta sekä lämmöstä, joka vapautuu veden absorboituessa muodostuneen geelin pinnalle. Jälkimmäisen osuus on noin neljännes hyd- rataation kokonaislämmöintuotannosta. Täydellisessä hydra- taatiossa kehittyy portlandsementissä tyypillisesti lämpöä noin 300 - 500 kJ/kg./33/.
Portlandsementin lämmönkehitykseen vaikuttavia tärkeimpiä tekijöitä ovat mm. sementin kemiallinen koostumus, sementin hienous, lämpötila, vesisementtisuhde, sementin varastointi sekä lisä- ja seosaineiden käyttö /25,33,52,54/.
Sementin klinkkerimineraaleista СзA ja СзS aiheuttavat suu
rimman lämmönkehityksen. Tämän vuoksi alhaislämpösementeissä niiden osuutta pyritäänkin pienentämään. Sementin hienouden ja ympäristön lämpötilan vaikutus lämmönkehitykseen on sa
manlainen ; molemmat kiihdyttävät hydrataatiota, jolloin lämmönkehitysnopeus kasvaa. Vapautuvan lämpömäärän kokonais
määrään niillä ei kuitenkaan ole vaikutusta.
Kun osa sementistä korvataan masuunikuonalla, laskee side
aineen kokonaislämmönkehitys lähes lineaarisesti masuuni- kuonapitoisuuden kasvaessa /31/. Todellinen arvo riippuu tietenkin käytetystä portlandklinkkeristä ja kuonan reak
tiivisuudesta. Yleensä lämmönkehityksen pieneneminen on suhteellisesti suurempi kun klinkkerillä on korkea lämmön
kehitys /31/.
Sementtitietöihin sisältyvät hydrataatiolämmön arvot, jotka on saatu vakinaisessa lämpötilassa, eivät kuitenkaan sovellu betonirakenteen lämpötilan nousun arviointiin. Lähemmäksi oikeita arvoja päästään betonikalorimetrilla, jossa on mah dollista käyttää aiottua betonin koostumusta ja myös arvioi
tua alkulämpötilaa /54/.
Merkinnät :
1. 140 cm laatta, Paraisten normaalisti kovettuva sementti,
2. 120 cm seinä, Lappeenrannan normaalisti kovettuva
sementti,
3. 160 cm seinä, Paraisten hitaasti kovettuva sementti, 4. 100 cm laatta, Paraisten
hitaasti kovettuva senentti.
O) 2345678
Betonin ikó vrk
Kuva 9. Betonin lämpötilan kehitys eräiden А-luokan suo
jien rakenteiden sisäosissa ympäristönQvuorokau- tisen keskilämpötilan ollessa +5 - +10 C. Betonin lujuus K30 ja alkulämpötila +9 - +12 C /25/.
Betonirakenteen lämpötilan nousu riippuu toisaalta sementti- lajista ja sementtimäärästä (kg/m3) sekä betonin alkulämpö- tilasta, toisaalta taas lämmön poistumismahdollisuuksista, lähinnä rakenteen mitoista ja ulkopuolisesta lämpötilasta /25 ,52 ,54 /•
Halkeilun ilmeneminen ja estäminen
Lämpötilamuutosten seurauksena betonirakenteissa esiintyy pyrkimys vastaaviin tilavuudenmuutoksiin. Mikäli nämä lämpö- liikkeet pääsevät tapahtumaan vapaasti, ei rakenteeseen muo
dostu jännityksiä eikä halkeiluvaaraa näin ollen esiinny.
Käytännössä tilavuudenmuutokset ovat kuitenkin joko osittain tai kokonaan estyneitä, jolloin muodostuvat vetojännitykset saattavat aiheuttaa betonin halkeilua.
Hydrataatiolämmönkehityksestä aiheutuva betonirakenteen halkeiluvaara voi esiintyä kahdella eri tavalla, jotka voi
vat sattua hiukan eri ajanhetkillä /25,52,54/.
Hydrataation alkuvaiheessa betoni laajenee raken
teen sisäosassa nopeammin kuin rakenteen pinta- osissa, jolloin rakenteen sisäosiin muodostuu pu
ristusjännityksiä ja pintaosiin vetojännityksiä.
Muodostuvat vetojännitykset ovat samaa suuruus
luokkaa kuin plastisen betonin vetolujuus, joten rakenteeseen saattaa muodostua pintahalkeamia.
E 30
puristua kiinni. Useimmiten kutistuminen on kui
tenkin estetty ja muodostuvien vetojännitysten vaikutuksesta rakenteeseen saattaa muodostua läpimeneviä halkeamia.
œ
Sydän- ja pintaosien lämpötilojen ero fa - t
Läpimenevä halkeama
Pintahalkeama
Kuva 10. Lämpötilan noustessa reaktiolämmön vaikutuksesta lämpötilaerosta t - t aiheutuu rakenteen pinta- osaan vetojännityicsiä Ça mahdollisesti pintahal- keamia. Lämpötilan laskiessa jäähtymisvaiheen ai
kana arvosta t arvoon t (ympäristön lämpötilaan) rakenteeseen voi syntyä läpimeneviä halkeamia, jos kutistuminen on estetty /25/.
Useimmiten esiintyvissä tapauksissa (rakenteen paksuus 1-2 sitoutumislämpö pääsee poistumaan noin yhden kuukauden kulu
essa, joten jäähtymiskutistumisesta aiheutuvat läpimenevät halkeamat ilmenevät yleensä 1-2 viikon kuluttua betonoin
nista. Pintahalkeiluvaara on suurimmillaan 2-4 vuorokauden kuluttua betonoinnista, koska rakenteen sisäiset lämpötila
erot alkavat sen jälkeen tasaantua /52/.
Massiivisilla rakenteilla lämpöhalkeilu pyritään estämään ra joittamalla hydrataatiolämmönkehitys mahdollisimman pieneksi Rajoitukset koskevat sekä sementin laatua että määrää. Mas
siivissa rakenteissa käytetään yleensä vain alhaislämpöse- menttejä ja seosaineina voidaan käyttää hitaaseen kovettumi
seen soveltuvia pozzolaaneja tai masuunikuonaa. Sementtimää- rät pyritään saamaan mahdollisimman pieneksi. Usein massii
visissa rakenteissa päästään alle 200 kg/m3 : n sementtimää- rään. Koska lujuusvaatimukset ovat suhteellisen pienet, be
toni voi olla melko jäykkää ja kiviaineksen maksimiraekoko on tavallista suurempi /48/.
Betonissa syntyvää lämpötilahuippua voidaan alentaa säätä
mällä massan sekoituksen jälkeinen lämpötila mahdollisimman alhaiseksi /48,54/. Massiivisissa rakenteissa on mahdollista alentaa betonin lämpötilaa myös rakenteen sisään asennettu
jen jäähdytysputkistojen avulla. Rakenteen läpimenevien hal
keamien vähentämiseksi on pyrittävä vähentämään rakenneosaan kohdistuvia muodonmuutoksen esteitä mm. jakamalla rakenne sopiviin osiin työsaumoja ja tarpeen mukaan ns. kutistumis- välejä käyttäen /54/.
1.3. Kovettuneen betonin kutistuminen 1.3.1. Kuivumiskutistuminen
Kun kovettuneen, vedessä säilytetyn betonin annetaan kuivua, tapahtuu materiaalissa tilavuuden pienenemistä, joka on seu
rausta veden haihtumisen vapauttamista materiaalin sisäi
sistä voimista. Kuivuvan betonin tilavuuden muutos ei kui
tenkaan ole suoraan verrannollinen materiaalista poistunee
seen vesimäärään, sillä ensin haihtuvan vapaan kapillaari- veden poistuminen aiheuttaa vain vähän kutistumista /33/.
Kuivumisen jatkuessa kutistuminen voimistuu, kun osa geeli- vedestä ja löyhästi kiinnittyneestä kemiallisesti sitoutu
neesta vedestä poistuu /23, 33/.
Tällaista, veden haihtumisesta johtuvaa tilavuuden muutosta sanotaan kuivumiskutistumiseksi (drying shrinkage). Kuivumis- kutistumiseen ei liity kemiallisia reaktioita, kuten oli
laita hydrataatio- ja jäähtyrniskutistumiseila sekä myöhemmin käsiteltävällä karbonatisoitumiskutistumiseila /50/.
Hyvälaatuisen betonin kuivuminen tapahtuu erittäin hitaasti - massiivisissa rakenteissa vasta vuosien kuluessa - joten myös kuivumiskutistuminen on hyvin hitaasti tapahtuva ilmiö.
Kutistumisnopeus kuitenkin pienenee nopeasti ajan myötä, kuten käy ilmi kuvasta 1 1 .
10 28 90 12 5 IO 20 30
Days Years
Time ( log scale)
Kuva 1 1 . Kuivumiskutistumis-aikakäyrien vaihteluväli
erilaisille betoneille, joita on säilytetty 50 % : n ja 70 % : n suhteellisissa kosteuksissa /33/.
Joitakin betoneille ja betonilaasteille tyypillisiä kuivumis- kutistumisarvoja on esitetty taulukossa 2 / 28,33/. Koekappa
leita, jotka olivat poikkileikkaukseltaan 127 mm x 127 mm säilytettiin 6 kuukautta 50 % : n suhteellisessa kosteudessa ja + 20° C: n lämpötilassa. Lukuarvoja on kuitenkin pidet
tävä vain suuntaa antavina, sillä kutistumiseen vaikuttavat varsin monet tekijät
Taulukko 2. Betoneille ja betönilaasteille tyypillisiä kutistumisarvoja /28,33/.
Aggregate/cement ratio
Shrinkage after six months (10 6) for water/cement ratio of -
0,4 0,5 0,6 0,7
3 800 1,200 - -
4 550 850 1,050 -
5 400 600 750 850
6 300 400 550 650
7 200 300 400 500
Kun betoni, jonka on annettu kuivua, asetetaan veteen tai
hyvin kosteaan ilmaan, se alkaa paisua. Alkuperäinen kuivumis- kutistuminen ei kuitenkaan kokonaan palaudu pitkänkään vesi- säilytyksen jälkeen /33/. Tavallisilla betoneilla vaihtelee palautumattoman kutistumisen osuus 30 - 60 % : iin kuivumis- kutistumisesta /33/. On syytä huomata, että eri tutkijoiden kuivumiskutistumiskokeissa saamia eroja saattaa omalta osal
taan selittää koekappaleiden esisäilytyksen aikana mahdolli
sesti tapahtuva kosteusliike.
=- vesisäilytys
= kuivuminen
palautumaton kuiv. kutist.
kosteus-
liike
alkuperäinen kuiv.kutistuminen
Kuva 12. Periaatekuva betonin kuivumiskutistuma- ja kostumispaisumaominausuuksista /28,33/.
Kuivumiskutistumiseen vaikuttavia eri tekijöitä samoin kun kutistumisen mekanismeja ja kutistumisen aiheuttamaa halkeilua käsitellään vielä tarkemmin kappaleessa 2. Tarkastelussa käsi
tellään lähinnä ensimmäistä kuivumiskutistumista (vrt. kuva 12), joka rakenneteknisessä mielessä on tärkein.
1.3.2. Karbonatisoitumiskutistuminen
Betonin karbonatisoituminen eli ympäristön hiilidioksidin sitoutuminen sementtikiveen on jatkuva, aina läsnäoleva ilmiö, joka muuttaa betonin pintakerroksen ominaisuuksia.
Karbonatisoitumisen vaikutus on sitä merkittävämpi, mitä pie
nempi tai ohuempi betönikappale tai betonirakenne on ja mitä kauemmin karbonatisoitumista on tapahtunut /31'.
Karbonatisoituminen muuttaa sementtikiven mikro- ja huokos- rakennetta, ja voi tämän vuoksi vaikuttaa betonin ja betoni
rakenteiden lujuuteen, muodonmuutosominaisuuksiin, korroosioon jne. riippuen rakenteen karbonatisoitumisasteesta /36/. Kar
bonatisoi tumi sen seurauksena etenkin suurten huokosten
(125 - 1000 Å) osuus betonissa pienenee karbonaattien sakkau- tuessa niihin /35,43/.
Karbonatisoitumisilmiö
Betoni- ja sementtikivikappaleissa tapahtuva karbonatisoitu- misilmiö voidaan jakaa viiteen pääosaan seuraavasti /37/:
1) Hiilidioksidi liukenee sementtikiven veteen, jol
loin muodostuu karbonaatti-ioneja.
2) Hiilidioksidi ja karbonaatti-ionit tunkeutuvat sementtikiveen.
3) Karbonaatti-ionit, hiilidioksidi ja sementti
kiven hydraatit sitoutuvat kemiallisesti eli muodostuu karbonaatteja, mikä johtaa sementti
kiven rakennemuutoksiin ja siis ominaisuuksien muutoksiin. Kalsiumhydroksidin lisäksi kaikki sementtikiven kalsiumyhdisteet - kalsiumsul
faattia lukuunottamatta - voivat karbonati- soitua /33,40,43/.
4) Sementtikiven hydraateista vapautuu karbona- tisoitumisen seurauksena vettä (n. 0,2 - 0,4 g sitoutunutta CO2-grammaa kohden), joka mahdol
lisesti siirtyy sementtikivessä tai sementti- kivestä ympäristöön.
5) Sementtikiven paino kasvaa karbonatisoitumisen seurauksena vaikka vapautuva vesi poistuisikin.
Tapahtumat 1 ja 3 ovat suhteellisen nopeita, mutta näiden ta
pahtumien ja niiden seurausilmiöiden edistyminen eli tapah
tumat 2, 4 ja 5 ovat betonissa vähitellen ja usein hyvinkin hitaasti tapahtuvia /37/. Ulkoilmassa useita vuosia olleen, kohtuullisen hyvälaatuisen betonin karbonatisoitumissyvyys ylittää näin ollen harvoin 25 mm.
Snnnkage-10
desta, läpäisevyydestä ja koekappalekoosta /33,36/. Vaikut
tavia tekijöitä ovat myös ympäröivän ilman suhteellinen kos
teus ja hiilidioksidipitoisuus /33,43/.
Jos betoni on hyvin märkää tai erittäin kuivaa ei karbona- tisoitumista käytännöllisesti katsoen tapahdu / /. Betonin läpäisevyys - ja siten myös karbonatisoitumisnopeus - taas kasvaa vesisementtisuhteen kasvaessa ja pienenee hydrataatio- asteen kasvaessa /43/. Koekappaleen paksuus määrää diffuusio- syvyyden ja vaikuttaa siten sekä karbonatisoitumisen että veden poistumisen nopeuteen /43/.
Karbonatisoituminen on voimakkainta ilman suhteellisen kos
teuden ollessa 30 - 90 % ja karbonatisoitumisen nopeus kas
vaa ilman CO2-pitoisuuden kasvaessa /33,36/.
Karbonatisoitumiskutistumisen luonne
Kovettuneen betonin kutistumista aiheuttavat siis sekä beto
nin kuivuminen että karbonatisoituminen. Karbonatisoitumisen aiheuttama betonin kutistuminen eli karbonatisoitumiskutis
tuminen (carbonation shrinkage) eroaa kuitenkin luonteeltaan täysin kuivumiskutistumisesta ja riippuu erittäin voimak
kaasti kuivumisolosuhteista, kuivumisnopeudesta sekä kuivu- mis- ja karbonatisoitumisjärjestyksestä /33, 43/. Karbonati- soitumiskutistumisen osuus kokonaiskutisturnasta saattaa olla 30 - 50 % /38,43/.
-400
\ Shrinkage due te
\ cardonal ¡on
Shrinkage \ due to drying \
1200
Total shnnkageX due to drying 's and subsequent carbonation^_/ 1.600
2.000
-400
Shrinkage due о drying
en 800
со 1.200
Shrinkage due to drying and subsequent cardonal ion /
Shrinkage due to simultaneous drying and carbonation 1.600
2.000
Relative Humidity - per cent Relative Humidity - per cent
Kuva 13. a) Betonin kuivumis- ja karbonatisoitumiskutistu
minen erilaisissa kosteusolosuhteissa /33/.
b) Kuivumis- ja karbonatisoitumisjärjestyksen vai
kutus betonin kokonai sku tis tumaan /33/.
Karbonatisoitumiskutistumisen maksimi saavutetaan noin 50 % : n suhteellisessa kosteudessa, kun taas 100 %:ssa ja alle 25 %:ssa ei kutistumista tapahdu lainkaan /33,43/. Yhtäaikaisesti ta
pahtuvat kuivumis- ja karbonatisoitumiskutistuminen aiheutta
vat pienemmän kokonaiskutistumisen kuin tilanne, jossa karbo- natisoituminen tapahtuu vasta sitten kun kuivumiskutistumis- tasapaino on saatutettu /33,43/. Tämä voidaan selittää siten, että edellisessä tapauksessa suurin osa karbonatisoitumisesta on tapahtunut yli 50 %:n suhteellisessa kosteudessa, jolloin karbonatisoitumiskutistuminen on pientä /33/.
Jos betonia jaksottaisesti säilytetään vedessä ja annetaan kuivua COa-pitoisessa ilmassa, tulee karbonatisoitumiskutis
tumisen osuus yhä selvemmin näkyviin /33/. Kokonaiskutistu- minen on tällöin jatkuvasti suurempi kuin tapauksessa, jossa kuivumisjaksot tapahtuisivat hiilidioksidittomassa ilmassa.
Karbonatisoituminen lisää siis nimenomaan betonin palautu
matonta kutistumaa.
Kutistumisen mekanismi
Ensimmäiset karbonatisoitumiskutistumista koskevat teoriat olettivat kutistumisen olevan seurausta vapautuvan veden poistumisesta betonista /40/. Ehdotus perustuu havaintoon, että kun sementtikiven hydraateista vapautuu karbonatisoi- tumisen myötä tietty vesimäärä, on kutistuminen suurinpiir
tein sama kuin jos vastaava vesimäärä vapautuisi tavallisen kuivumisen yhteydessä. Tämä ei kuitenkaan ole riittävä seli
tys, sillä karbonatisoitumiskutistumista voi tapahtua ilman, että betonin sisäinen kosteuspitoisuus laskee /40/.
Uudempien kutistumismekanismien mukaan karbonatisoitumis- prosessi lisää betonin kutistumaa, koska osa kuivumisen aiheuttamia jännityksiä kantavista hydrataatiotuotteista kuluu kemiallisesti hiilidioksidin vaikutuksesta. Tähän
oletukseen pohjautuu myös Powers"in /40/ kuvailema mekanismi, joka hyvin vastaa kutistumisen todellista luonnetta.
Powersin teoria perustuu oletukseen, että karbonatisoitumis- reaktiot tapahtuvat sementtikivessä, johon kohdistuu puris
tusjännitys meniskivaikutuksesta johtuen. Näissä olosuhteissa kutistuminen johtuu sementtikiven tilapäisestä kokoonpuris
tuvuuden lisääntymisestä kalsiumhydroksidikiteiden liuetessa ja kalsiumkarbonaatin sakkautuessa puristusjännityksistä va
paisiin paikkoihin /40,43/. Sementtikiven muiden kalsiumyh- disteiden karbonatisoituminen ei mekanismin mukaan vaikuta kutistumiseen, sillä näissä reaktioissa ei liukenemisia ta
pahdu / 33, 40, 4 3/.
Korkeissa kosteuspitoisuuksissa meniskivaikutus sementti
kivessä on olematon, joten vaikka kalsiumhydroksidin liuke
nemista tapahtuukin niin kutistuminen on pientä. Matalissa kosteuspitoisuuksissa taas kalsiumhydroksidin liukeneminen on vähäistä, joten myös kutistuminen on pientä /40,43/.
sementin hydrataatiossa vapautuva kalsiumhydroksidi (Ca (OH)2) masuunikuonan hydraulisten ominaisuuksien aktivoijana /28,33/.
Hydratoituneen masuunikuonasementin kalkkipitoisuuden on to
dettu olevan varsinaisen masuunikuonan kalkkipitoisuutta suu
rempi, joten on ilmeistä, että kalsiumhydroksidi osittain ku
luu masuunikuonan hydrataatioon /28,44/. Läsnäolevan vapaan Ca (OH)2 : n määrä pienenee näin ollen seossideaineen masuuni- kuonapitoisuuden ja hydrataatioasteen kasvaessa /28,44/.
uii—
иo o ШQ 0 X
cc
Q
>-
1
<o oo
u
Ш
UJ
o Ш o ccUI CL
3
oШ LO — LO 2Г UI o cc — CL
Q
UI
Ö
Kuva 14. Masuunikuonasementtien kalsiumhydroksidipitoisuus /28/.
Koska karbonatisoitumisreaktiot tapahtuvat lähinnä juuri Ca (OH)2 : n ja ilman CO2: n välillä, tuntuisi luonnolliselta, olettaa betonin karbonatisoitumisen ja siten myös potenti
aalisen karbonatisoitumiskutistuman pienenevän masuunikuona- pitoisuuden kasvaessa. Samansuuntainen johtopäätös näyttäisi ilmeiseltä myös masuunikuonabetonin läpäisevyysominaisuuksien perusteella, sillä masuunikuonabetonilla on tiiviimpi rakenne ja pienempi keskimääräinen huokoskoko kuin vastaavalla taval
lisella betonilla.
Edellä oleville johtopäätöksille ei kuitenkaan löydy tukea kokeellisista tutkimuksista. Schröder ja Smolczyk ovat artik
keleissaan /45/ esittäneet yhteenvedon useita vuosia kestä
neistä karbonatisoitumiskokeista, joissa on verrattu masuuni- kuonasementtejä ja portlandsementtejä. Yhteistä koetuloksille on, että mitään merkittäviä eroja ei masuunikuonabetönin ja tavallisen betonin karbonatisoitumise11a ole /45/. Suurilla kuonapitoisuuksilla saattaa masuunikuonabetöni kuitenkin alussa karbonatisoitua nopeammin, mutta aikaa myöten erot kuitenkin tasoittuvat vastaavan puristuslujuuden omaavaan normaalibetöniin verrattuna /45/.
Omissa kokeissaan ovatkin Schröder et.ai. /45/ todenneet sa
malla tavalla säilytettyjen masuunikuonabetöni ja normaali- betoni koekappaleiden karbonatisoitumissyvyyden olevan kään
täen verrannollinen koekappaleiden puristuslujuuteen karbona
tisoitumisen alkaessa. Sideaineen kemiallisella koostumuksella ei todettu - aluminaattisementtiä ja supersulfaattisementtiä lukuunottamatta - olevan vaikutusta mainittuun havaintoon /45/.
Tarkasteltaessa masuunikuonabetönin karbonatisoitumista ja varsinkin karbonatisoitumiskutistumista Powers'in /40/ teo
rian perusteella, on siis selvää, että masuunikuonabetöni11a materiaalin kokoonpuristuvuuden kasvaminen ei aiheudu vain Ca (OH)2 : n liukenemisesta vaan myös jotkin muut hydrataatio- tuotteet osallistuvat prosessiin. Mahdollista on myöskin se, että Powers'in esittämien meniskivoimien lisäksi - tai niiden asemasta - kutistuminen aiheutuu joistakin muista voimista.
"1-4 Eri kutistumien suhteellinen merkitys
Betonin halkeilua ja halkeamien vakavuutta painotettaessa on edellisissä kappaleissa esitettyjen erityyppisten kutistumien merkitys hyvin erilainen.
Ennen betonin kovettumista tapahtuvia tilavuudenmuutoksia voi
daan pitää merkitykseltään vähäisinä, sillä tuore betoni on vielä riittävän plastista mukautuakseen näihin muutoksiin ilman suurempien jännityksien muodostumista. Tähän ryhmään voidaan lukea plastinen kutistuminen ja hydrataatiokutistumi- sen alkuvaihe. Plastinen kutistuminen saattaa aiheuttaa beto
nin varhaishalkeilua, mikä useimmissa tapauksissa voidaan kui
tenkin välttää oikeita betonointi- ja jälkihoitornenetelmiä käyttämällä. Hydrataatiokutistuminen taas on tässä vaiheessa vielä pientä ja siten vailla merkitystä.
Betonin kovettuessa materiaali saavuttaa vähitellen lopullisen rakenteensa, joten kovettumisen alkuaikoina tapahtuvien tila- vuudenmuutosten merkitys on suuri. Massiivisten betoniraken
teiden luonteeseen kuuluu erottamattomasti sideaineen hydra
taat io lämmön aiheuttama betonin lämpötilan nousu ja myöhempi, yleensä epätasainen jäähtyminen. Jos betonissa syntyvää lämpö- tilahuippua ei pyritä alentamaan on betonin lämpötila korkeim- millan ja samalla betonin tilavuus (lämpötilaa ajatellen) suu
rimmillaan hetkellä, jolloin myös betonin lopullinen sisäinen rakenne alkaa muodostua. Tämä tarkoittaa sitä, että betonilla tulee olemaan suuri potentiaalinen kutistuma, joka jäähtymisen, kosteuden haihtumisen tai muiden tilavuudenmuutoksia aiheut
tavien tekijöiden seurauksena saataa ilmetä rakenteen halkei
luna. Jäähtymiskutistumisen merkitys voi siis kontrolloimat
tomana olla suuri.
Kovettumisen alkuaikoina tapahtuvan hydrataatiokutistumisen merkitystä on syytä korostaa, sillä hydrataatiokuivuminen saat
taa aiheuttaa sisästä mikrohalkeilua, joka edesauttaa varsi
naisten rakenteelisten halkeamien muodostumista. Sensijaan
betonirakenteen käyttöaikana tapahtuvista tilavuudenmuutoksista voidaan hydrataatiokutistuminen käytännössä unohtaa, sillä se on pieni karbonatisoitumis- ja kuivumiskutistumaan verrattuna.
Betonin karbonatisoituminen on suhteelisen hitaasti tapahtuva ilmiö ; karbonatisoituminen ei ulotu syvälle sementtikiveen ja aiheuttaa ainoastaan pintahalkeilua. Se ei siis ole merkittävä massiivisten betonirakenteiden kokonaiskutistumista ajatellen.
Karbonatisoitumiskutistumisen merkitys pieniä laboratoriokoe-
kappaleita käytettäessä saattaa kuitenkin olla suurempi, eten
kin jos koeaika on pitkä ja pituudenmuutosmittaukset suorite
taan koekappaleiden karbonatisoituneilta pintakerroksilta.
Betonirakenteiden suunnittelun kannalta on ilmeistä, että tar
kastelluista erityyppisistä , kuormittamattoman betonin tila- vuudenmuutoksista on kuivumiskutistuminen tärkein. Se betonin tilavuudenmuutos, jota yleisesti sanotaan "kutistumiseksi" on suurelta osalta seurausta vain kuivumiskutistumisesta.
Seuraavassa taulukossa on esitetty vielä tiivistettynä betonin eri kutistumisia ja niiden aiheuttamaa halkeilua koskeva, kir
jallisuudesta kerätty tieto. Taulukossa ei ole pyritty tyhjen
tävään esitykseen vaan tiedot ovat lähinnä suuntaa antavia.
Taulukko 3. Yhteenveto betonin erityyppisistä kutistumista.
KUTISTUMATYYPPI KUTISTUMAN SUURUUSLUOKKA
KUTISTUMISEN SYY HALKEILUN ILMENEMISEN AJANKOHTA
Plastinen kutistuminen
1 - 2 °/oo
Veden haihtumisnopeudeñ ylittäessä veden erot- tumisnopeuden muodostuu huokosveteen kapillaari- nen paine, joka aiheut
taa partikkeleiden välille vetovoimia.
Plastiset painumishalkeamat ilmenevät noin 10 - 30 min kuluttua betonoinnista.
Plastiset kutistumishalke- amat ilmenevät noin 2-3 tunnin kuluttua betonoin
nista .
Hydrataatio- kutistuminen
0.05 - 0.1 °/oo
Hydrataatioreaktioissa muodostuvien reaktio- tuotteiden tilavuus on pienempi kuin sementin ja veden yhteinen tila
vuus alunperin.
Ensimmäiset mikrohalkeamat runkoainerakeiden ja sementtikiven välille saat
tavat muodostua jo 1 - 2 vuorokauden kuluttua betonoinnista.
Jäähtymis- kutistuminen
0.2 - 0.4 °/oo
Betonin jäähtymisnopeus ylittää hydrataatio-
lämmön muodostumis- nopeuden.
Pintahalkeamat ilmenevät massiivisilla rakenteilla noin 2-4 vrk:n kuluttua betonoinnista.
Läpimenevät halkeamat vas
taavasti noin 1-2 viikon kuluttua betonoinnista.
Kuivumis- kutistuminen
0.3 - 0.6 °/oo
Veden haihtuminen aihe
uttaa betonissa jäljel
lä olevaan haihtumis- kykyiseen veteen ja sementtikiveen jänni
tyksiä, joista seuraa tilavuuden pieneneminen Useita eri mekanismeja, vrt. kohta 2.1.3.
Kuivumiskutistumishalkeamat ilmenevät yleensä vasta useiden kuukausien kuluttua betonoinnista. Halkeilun ilmenemisen ajankohta riip
puu kuitenkin voimakkaasti betonin ominaisuuksista, vrt. kohta 2.3.
Karbonat!soitu
mi skut istuminen
Maksimissaan noin 30 - 50 % betonin koko- naiskutistu- masta.
Osa veden haihtumisen aiheuttamia jännityksiä kantavista hydrataatio- tuotteista kuluu kemi
allisesti ilman hiili
dioksidin vaikutuk
sesta .
Karbonatisoitumisen aihe
uttamaa pintahalkeilua ilmenee yleensä vasta usei
den kuukausien kuluttua betonoinnista.
2. BETONIN KUIVUMISKUTISTUMINEN
2.1. Kutistumisen kemiallisia ja fysikaalisia perusteita Betoni on heterogeeninen, kaksiaineinen materiaali, joka kä
sittää ominaisuuksiltaan suhteellisen pysyvän runkoaineen sekä tätä ympäröivän hydratoituneen sementtipastan muodosta
man matriisin. Hydratoitunut sementtipasta eli sementtikivi on puolestaan monimutkainen yhdistelmäaine, jonka ominaisuu
det riippuvat voimakkaasti ympäristö- ja kuormitusolosuhtei
den muutoksista. Jotta pystyttäisiin ymmärtämään ja havain
nollistamaan niitä fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia, joita betonissa kuivumiskutistumisen yhteydessä tapahtuu, on välttämätöntä ensin selvittää betonin ja sementtikiven sisäistä rakennetta.
2.1.1 Betonin ja sementtikiven rakenne
Betonin monimutkaista rakennetta tarkastellaan tavallisesti eriasteisilla rakenteellisilla tasoilla. Sementin kaikkia reaktioita veden kanssa sekä kaikkien reaktiotuotteiden ra
kennetta ei ole vielä yksityiskohtaisesti pystytty selvit
tämään niiden monimutkaisen luonteen vuoksi. Näin ollen kaikki käytettävissä oleva tieto sementtikiven rakenteesta on koottu useihin rakennemalleihin. Nämä mallit kuvaavat be
tonin rakennetta mikrotasolla ja niitä voidaan nimittää tie
teellisiksi malleiksi (materials science models) /50/.
Betonin kaltaisen yhdistelmäaineen käyttäytymistä ei kuiten
kaan voida yhdistää suoraan sementtikiven mikrorakenteeseen, vaan on myös huomioitava esimerkiksi runkoaineen, sementti
kiven ja runkoainerakeiden tartunnan sekä halkeamien vaiku
tukset betonin ominaisuuksiin. Näitä tekijöitä huomioivia malleja voidaan nimittää teknisiksi malleiksi (materials engineering models) ja ne kuvaavat betonin rakennetta meso- tasolla /50/.
Lopuksi, käyttämällä mikro- ja makrotason rakennemalleja, voidaan johtaa betonin käyttäytymistä kuvaavia materiaali- lakeja. Näin saadut materiaalilait selvittävät betonin ra
kennetta makrotasolla, jota vastaavat mitoitusmallit (engineering models) pyritään saamaan mahdollisimman sel
keään matemaattiseen muotoon /50/.
Seuraavissa kappaleissa tarkastellaan lyhyesti betonin si
säistä rakennetta mainituilla rakenteellisilla tasoilla erityisesti betonin kuivumiskutistumista silmälläpitäen.
Mikrotaso : sementtikiven rakenne
Veden ja sementtiklinkkerin reaktiotuotteina syntyy geeli- mäinen tai kolloidimainen yhteenliittynyt massa, jota sano
taan sementtigeeliksi. Tämä heterogeeninen massa koostuu sauvamaisista¡kuitumaisista ja levymäisistä hiukkasista, erityisen pienistä puutteellisesti kiteytyneistä sileistä kiteistä sekä näiden geelihiukkasten välisistä hyvin pie
nistä huokosista.
