Veera Valutie
ALKALIKIVIAINESREAKTIO JA SEN VAI- KUTUKSET BETONIRAKENTEISIIN
Diplomityö Rakennetun ympäristön tiedekunta
Professori Matti Pentti
TkT Arto Köliö
Huhtikuu 2020
TIIVISTELMÄ
Veera Valutie: Alkalikiviainesreaktio ja sen vaikutukset betonirakenteisiin Diplomityö
Tampereen yliopisto
Rakennustekniikan diplomi-insinöörin tutkinto-ohjelma Pääaine: Rakennesuunnittelu
Tarkastajat: Professori Matti Pentti ja TkT Arto Köliö Huhtikuu 2020
Alkalikiviainesreaktio (AKR) on kemiallinen reaktio, joka tapahtuu betonin kiviaineksen piipi- toisten aineiden, sementin huokosveden sisältämien alkalien sekä hydroksidi-ionien välillä. Re- aktiossa muodostuu hygroskooppista geeliä, joka voi laajentua suhteellisen kosteuden ollessa tarpeeksi suuri. Reaktiolla on potentiaalia vaurioittaa betonia, koska laajeneva geeli aiheuttaa betoniin laajentumista ja jännityksiä, jotka puolestaan voivat aiheuttaa betonin halkeilua.
Muissa Pohjoismaissa alkalikiviainesreaktioon on kiinnitetty huomiota jo hyvin pitkän aikaa ja aiheeseen liittyen on tehty runsaasti tutkimusta sekä laadittu kansallisia ohjeita. Suomessakin on 2010-luvulla todettu enenemissä määrin reaktion vaurioittamia betonirakenteita, mutta kansalli- nen ohjeistus on vasta valmisteilla. Tämän työn tarkoituksena on tuottaa materiaalia, josta on hyötyä niin korjaussuunnittelun kuin kuntotutkimuksienkin näkökulmasta.
Työssä selvitetään kirjallisuustutkimuksella tietoa alkalikiviainesreaktiosta, keskittyen reaktion vaikutuksiin betonissa sekä reaktion tunnistamiseen kenttä- ja laboratorio-olosuhteissa. Työssä käydään läpi myös Sweco Rakennetekniikka Oy:n tutkimuksissa todettuja alkalikiviainesreak- tiotapauksia. Kirjallisuustutkimuksen ja case-esimerkkien perusteella työhön on laadittu opastus betonin kuntotutkimuksiin alkalikiviainesreaktiotapauksissa sekä esitelty korjaustapoja reaktion vaurioittamille betonirakenteille.
Kirjallisuustutkimuksen ja case-tapausten perusteella ei voida vetää suoria johtopäätöksiä siitä, miten alkalikiviainesreaktio vaikuttaa betoniin, koska vaikutukset ovat hyvin tapauskohtaisia.
Riippuen reaktion vaiheesta, aggressiivisuudesta, ympäristön olosuhteista ja betonin ominaisuuk- sista kenttäolosuhteissa merkkejä reaktiosta voivat esimerkiksi olla betonin halkeilu, näkyvä geeli betonin pinnalla tai syvemmällä betonissa, reaktioympyrät kiviaineksen ympärillä, geelillä täytty- neet huokoset, rakenteen laajeneminen tai siirtymät. Alkalikiviainesreaktio tulee kenttähavainto- jen lisäksi vahvistaa aina laboratoriossa esimerkiksi ohuthietutkimuksella. Ohuthietutkimuksessa havaittavissa olevia merkkejä reaktiosta ovat esimerkiksi geeli ja mikrohalkeamat.
Vaikutukset betonin lujuusarvoihin vaihtelevat runsaasti tapauskohtaisesti. Tutkimuksissa to- dettiin, että veto- ja puristuslujuus voivat heiketä reaktion seurauksena tai pysyä samana. Tämän vuoksi vaurioituneen betonin lujuusarvot tulee selvittää ennen korjaussuunnittelua. Alkalikiviai- nesreaktion vaurioittamien rakenteiden mahdollisia korjaustapoja ovat rakenteen vedeneristämi- nen, osittainen uusiminen tai rakenteen uusiminen kokonaan.
Tämän tutkimuksen perusteella ei pystytä vastaamaan kaikkiin reaktioon liittyviin kysymyksiin.
Tutkimuksen perusteella pystyttään kuitenkin kertomaan, kuinka reaktio voi vaikuttaa betonira- kenteisiin sekä laatimaan suuntaa antava ohjeistus kuntotutkimusprosessista. Lisää tutkimusta tarvitaan vielä, jotta voidaan määrittää vielä tarkempia kuntotutkimus- ja korjausohjeita alkaliki- viainesreaktion vaurioittamalle betonille. Tutkimustietoa tarvitaan lisää myös eri kiviainesten re- aktioherkkyydestä, reaktion etenemisnopeudesta ja siihen vaikuttavista seikoista sekä alkaliki- viainesreaktion vaikutuksista betonin ominaisuuksiin erilaisilla kiviaines ja sementtiyhdistelmillä.
Avainsanat: betoni, alkalikiviainesreaktio, kuntotutkimus, korjausrakentaminen Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.
ABSTRACT
Veera Valutie: Alkali-aggregate reaction and its effect on concrete structures Master of Science Thesis
Tampere University
Master’s Degree Programme in Civil Engineering Major: Structural engineering
Examiner: Professor Matti Pentti and D.Sc. (Tech.) Arto Köliö April 2020
Alkali-aggregate reaction (AAR) is a chemical reaction occurring between silicon materials in the concrete aggregate, alkalis in the pore water of the cement, and hydroxide ions. The reaction forms a hygroscopic gel that can expand when the relative humidity is high enough. The reaction has the potential to damage the concrete because the expanding gel causes expansion and stress in the concrete, which in turn causes the concrete to crack.
In other Nordic countries, the alkali-aggregate reaction has been the focus of attention for a very long time and has been the subject of a lot of research and national instructions. Concrete structures damaged by the alkali-aggregate reaction have also been increasingly identified in Finland in the 2010s, but national instructions are still under preparation. The purpose of this work is to produce material that is useful from both a construction repair and a condition investigation point of view.
The work investigates the alkali-aggregate reaction focusing on the effects of alkali-aggregate reaction in concrete and the identification of the reaction in field and laboratory conditions. Alkali- aggregate reaction cases found in the studies of Sweco Rakennetekniikka Oy are also reviewed.
This work contains instructions for concrete condition investigation in alkali-aggregate reaction cases and repair options for concrete damaged by alkali-aggregate reaction based on the latest literature and case studies.
No direct conclusions can be drawn from the literature and case studies as to how the alkali- aggregate reaction affects concrete, as the effects are very versatile. Depending on the stage of the reaction, the aggressiveness, the environmental conditions and the properties of the concrete under field conditions signs of reaction may be for example, concrete cracking, visible gel on or deeper in concrete, reaction circles around aggregate, gel filled pores, and expansion. In addition to observations made in the field, the alkali-aggregate reaction should always be confirmed in the laboratory, for example, by a thin section analysis. In a thin section analysis signs of reaction include for example gel and microcracks.
The effects on the structural strength of the concrete also vary greatly from case to case. The studies found that the tensile and compressive strengths may decrease or remain the same as a result of the reaction. For this reason, the strength of the damaged concrete should be determined before designing the repair. Possible ways of repairing structures damaged by an alkali-aggregate reaction include dewatering, partial reconstruction, or structural reconstruction.
This study does not answer all the questions related to the reaction. However, the study was able to clarify how alkali-aggregate reaction influences concrete structures and to provide some instructions on the condition investigation process. More research is still needed to get even more detailed investigation and repair instructions for concrete damaged by alkali-aggregate reaction . Further research is also needed on the reactivity of different aggregates, on the speed of the reaction and factors influencing that, and on the effect of the alkali-aggregate reaction on the properties of concrete with different aggregate and cement combinations.
Keywords: concrete, alkali-aggregate reaction, condition investigation, construction repair
The originality of this thesis has been checked using the Turnitin OriginalityCheck service.
ALKUSANAT
Aloitin diplomityön tekemisen kesällä 2019 ja nyt melkein vuotta myöhemmin työ on valmis.
Prosessi on ollut mielenkiintoinen ja paikoitellen myös haastava, mutta ennen kaikkea hyvin opettavainen.
Tämä diplomityö on tehty Sweco Rakennetekniikka Oy:lle. Haluaisin kiittää Sweco Raken- netekniikkaa työni rahoittamisesta sekä ohjaajaani Elina Paukkua mahdollisuudesta tehdä diplomityöni aiheesta, joka kiinnosti minua sekä ammattitaitoisesta otteesta ohjaamiseen.
Kiitokset myös työni tarkastajilleni ja ohjaajilleni tohtori Arto Köliölle ja professori Matti Pen- tille. Kiitos myös Contesta Oy:n Kirsi Larjamolle materiaaleista sekä työyhteisölleni siitä, että diplomityön tekeminen on onnistunut töiden ohella.
Diplomityön valmistumisen myötä päättyvät seitsemän vuoden mittaiseksi venyneet opinnot, jotka ovat kaiken kaikkiaan olleet hieno ja tapahtumarikas vaihe elämässäni. Isoin kiitos me- neekin puolisolleni Eerolle, ystävilleni ja perheelleni tuesta ja kanssa elämisestä näiden vuo- sien aikana.
Heinävedellä 18.4.2020
Veera Valutie
SISÄLLYSLUETTELO
1. JOHDANTO ... 1
1.1 Tutkimuksen tausta ... 1
1.2 Tavoitteet ja rajaukset ... 4
1.3 Tutkimuksen suoritus ... 4
1.4 Tutkimusraportin rakenne... 4
2.BETONI JA ALKALIKIVIAINESREAKTIO ... 6
2.1 Kuvaus reaktiosta ... 6
2.2 Betonin osa-aineet ... 6
2.2.1 Betonin kiviaines ... 6
2.2.2 Sementin koostumus ... 10
2.2.3 Sementin alkalisuus ... 13
2.2.4Muut sideaineet ... 13
2.3 Kovettuneen betonin ominaisuudet ... 15
2.3.1Lujuusominaisuudet ... 15
2.3.2Muodonmuutokset ... 16
2.3.3Halkeilu ... 18
2.3.4Betonin tiiveys ... 22
3.ALKALIKIVIAINESREAKTIO ... 24
3.1 Reaktiomuodot ... 24
3.1.1Alkalipiidioksidireaktio (ASR) ... 24
3.1.2Alkalisilikaattireaktio ... 25
3.1.3Alkalikarbonaattireaktio (ACR) ... 25
3.2 Alkalikiviainesreaktion reaktiotuotteet ... 25
3.3 Alkalikiviainesreaktioon vaikuttavat tekijät ... 27
3.3.1Olosuhteet ... 27
3.3.2Betonirakenteiden kuormitus ... 28
3.3.3Muut vaikuttavat tekijät... 29
3.4 Alkalikiviainesreaktion tunnistaminen ja tutkiminen ... 30
3.4.1Tutkimisessa huomioitavia seikkoja ... 30
3.4.2Kentällä ... 31
3.4.3Laboratoriossa ... 33
3.4.4Alkalikiviainesreaktion aiheuttamien vaurioiden laajuus ja aste ... 39
3.4.5Kiviaineksen reaktiivisuuden ja sementin alkalisuuden testaus ... 43
3.5 Alkalikiviainesreaktion ehkäiseminen ... 45
3.6 Alkalikiviainereaktion vaikutukset betonin mekaanisiin ominaisuuksiin47 3.6.1Yleistä ... 47
3.6.2Puristuslujuus ... 48
3.6.3Vetolujuus ... 49
3.6.4Elastiset ominaisuudet ... 50
3.7 Alkalikiviainesreaktion muut vaikutukset betoniin ... 51
3.7.1Laajentuminen ... 51
3.7.2Halkeilu ... 51
4. ALKALIKIVIAINESREAKTIO SUOMESSA ... 53
4.1 Yleistä ... 53
4.2 Kivilajit... 53
4.3 Sementti ... 55
4.4 Olosuhteiden vaikutus ja reaktiolle alttiit rakenteet ... 56
4.5 Alkalikiviainesreaktion tutkimus Suomessa ... 56
4.6 Muutamia Swecolla todettuja alkalikiviainesreaktiotapauksia ... 61
4.6.1 Yleistä tapauksista ... 61
4.6.2 Tapaus 1 ... 62
4.6.3 Tapaus 2 ... 64
4.6.4 Tapaus 3 ... 67
4.6.5 Tapaus 4 ... 71
4.6.6 Tapaus 5 ... 73
4.6.7 Yhteenveto alkalikiviainesreaktio tapauksista ... 74
5. TUTKIMUSTULOKSIIN PERUSTUVAT KUNTOTUTKIMUS- JA KORJAUSOHJEET ... 77
5.1 Johtopäätökset kirjallisuustutkimuksesta ja case-tapauksista ... 77
5.2 Kuntotutkimusprosessi ... 79
5.3 Korjausvaihtoehtoja alkalikiviainesreaktion vaurioittamille rakenteille . 83 5.3.1Mekaanisiin keinoihin perustuvat metodit ... 86
5.3.2Kosteusrasitusta alentavat metodit ... 86
5.3.3Rakenneosien korvaaminen kokonaan tai osittain ... 88
6.YHTEENVETO ... 90
6.1 Yhteenveto kirjallisuustutkimuksesta ... 90
6.2 Tutkimusten tulosten arviointi ... 92
6.3 Jatkotutkimusaiheet ... 93
LÄHTEET ... 95
1. JOHDANTO
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 tieteelliset tutkimukset 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 tapaukset 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 aiheesta 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 ominaisuuksiin.
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.
2. BETONI JA ALKALIKIVIAINESREAKTIO
2.1 Kuvaus reaktiosta
Alkuaineet litium (Li), natrium (Na), kalium (K), rubidium (Rb) ja cesium (Cs) ovat ns. alkali- metalleja. Alkalimetallien oksidit reagoivat veden kanssa ja muodostavat liukoisia hydroksi- deja eli emäksiä. Näiden hydroksidien synty on yksi edellytys alkalikiviainesreaktioille, jotka voivat johtaa betonin turmeltumiseen aiheuttaen betoniin sisäisiä jännityksiä ja niiden seu- rauksena halkeilua [4].
Alkalikiviainesreaktio on sementin sisältämien alkalien (Na+ ja K+), hydroksidi-ionien (-OH) ja betonin kiviainesten välinen kemiallinen reaktio. Reaktiossa kiviainekset ovat yleensä amorfisten heikosti kiteytyneiden, hyvin hienorakeisten tai epätasapainossa olevien kiteisten piidioksidin variaatioita. Tiettyjen lämpö- ja kosteusolosuhteiden vallitessa reaktio tuottaa hy- groskooppista geeliä, joka laajenee imiessään vettä. Tämä aiheuttaa betonin laajenemista, joka johtaa halkeiluun ja mahdollisesti betonin vaurioitumiseen [5]. Reaktion ilmeneminen voi kestää pari vuotta tai jopa 50 vuotta riippuen kiviaineksen tyypistä, sementin alkalisuudesta ja vallitsevista olosuhteista [6].
2.2 Betonin osa-aineet 2.2.1 Betonin kiviaines
Betonin tilavuudesta noin 65-80 % on kiviainesta. Kiviaineena voidaan periaatteessa käyttää mitä tahansa riittävän lujaa ja rakeista materiaalia, joka ei osallistu sementin kovettumisre- aktioon eikä huononna betonin säilyvyyttä. Tavallisimmin kiviaineena käytetään kuitenkin luonnosta soraesiintymisistä tai murskaamalla kalliota ja kookkaita irtokiviä saatavaa kiviai- nesta. Kiviaineksessa karkeimman osan muodostaa luonnonsora tai murske ja hienomman luonnonhiekka. Kiviainerakeiden koko vaihtelee tavallisesti 0,02-32 mm välillä. Rakeisuu- delle asetetut vaatimukset riippuvat useista eri asioista, kuten käytettävästä työmenetel- mästä, rakenteen laadusta ja betonille asetetuista ominaisuuksista [7, s. 43-55].
Kiviaineen reaktiivisuus riippuu kiven sisältämien reaktiivisten ainesosien määrästä, mutta myös kiviaineksen koko, muoto ja jakautuminen voivat vaikuttaa reaktiivisuuteen. Alkaliki- viainesreaktio tarvitsee toteutuakseen reaktiivista piidioksidia. Tutkimuksissa on todettu, että hyvinkin pieni määrä reaktiivista piidioksidia riittää siihen, että alkalikiviainesreaktio voi vau- rioittaa betonia merkittävästi. Jopa 2 % pitoisuus piidioksidia kiviaineessa on todettu riittä- väksi aiheuttamaan reaktion, joka vaurioittaa betonia [1, s. 15].
Kivessä kiteisessä muodossa olevat piidioksidimineraalit ovat yleensä pysyviä ja reaktiivisia amorfisessa muodossa. Kiteisellä muodolla tarkoitetaan, että aineen atomit tai atomiryhmät ovat järjestäytyneet toistuvaan aineelle tyypilliseen järjestykseen. Amorfisessa muodossa olevilla aineilla atomijärjestys ei ole jaksollinen. Samalla aineella voi olla sekä amorfinen että kiteinen muoto. Kiteisten ja amorfisten muotojen fysikaaliset ominaisuudet eroavat toisistaan.
Amorfisten kivilajien atomi- ja molekyylijärjestyksen puute tekee siitä helpommin reagoivaa verrattuna hyvin kiteytyneisiin kivilajeihin.
Kiviainekset, joissa reaktiivisten aineksen kiteytyminen on heikkoa, ominaispinta-ala on suuri tai mineraalissa on amorfisia kohtia, hilavirheitä mikrohuokosia tai lasittumia, ovat etenkin alttiita reagoimaan. Reaktiivisia piidioksidikomponentteja, joita voi olla läsnä betonin kiviai- neksessa ovat tietyt hiekkakivet ja kvartsiitti, happamat ja intermediääriset vulkaaniset kivet;
ryoliitti, dasiitti, andesiitti sekä porfyriitit ja tuffiitit, limsiötä ja kalsedonia sisältävä piikivi, piipi- toinen karbonaattikivi, grauvakka, argilliitti, fylliitti sekä pieni osa graniiteista, granodioriiteista ja tietyistä gneisseistä [3].
Osa tutkijoista on sitä mieltä, että kivityyppiä ei pitäisi käyttää mittarina kiviaineksen reaktii- visuudelle. Sen sijaan huomiota tulisi kiinnittää enemmän siihen, mistä mineraaleista kivet koostuvat ja kivien tekstuuriin [1, s. 15]. Kuvan 3 oikeassa reunassa on esitetty ristipola- roidussa valossa reaktiivista kiviainesta, jossa on havaittavissa pienirakenteista uudelleenki- teytynyttä kvartsia, joka on paikoitellen myös deformoitunutta. Kuvan vasemmassa reunassa esiintyvässä kiviaineksessa on myös havaittavissa epästabiilia kvartsia.
Kuva 3. Reaktiivista kiviainesta [8].
Kiviaineksen raekoon ja raekokojakauman vaikutusta alkalikiviainesreaktion aiheuttamaan betonin laajenemiseen on tutkittu paljon. Yleensä reaktion aiheuttaman laajenemisen odote- taan lisääntyvän, jos kiviaineksen raekoko pienenee, koska tällöin reaktiivisten kiviainesten pinta-ala kasvaa. Kokeelliset havainnot ja kenttäraportit ovat kuitenkin osoittaneet, että ki- viaineksen koon pieneminen ei välttämättä lisää reaktion aiheuttamaa laajenemista [9].
Kiviaineksen koon vaikutusta reaktioon on vaikea ennustaa ja koon vaikutus reaktioon voi olla erilainen ja johtua eri syistä eri kiviaineksissa. Eri hypoteeseja on esitetty selittämään kiviaineksen koon vaikutusta reaktioon, mutta selitystä asialle ei ole löytynyt. Kiviaineksen koon lisäksi reaktioon vaikuttaa myös mineraalien jakautuminen kiviaineksessa sekä kiviai- neksen muoto. Huomioin arvoista on myös, että alkalikiviainesreaktio voi esiintyä joissakin tapauksissa kiviaineksen sisällä eikä kiviaineksen ja sementin rajapinnassa niin kuin aikai- semmin on uskottu [9].
Nopeimmin reagoivien piipitoisten kiviainesten kanssa on havaittu, että alkalikiviainesreakti- oon liittyvä laajeneminen ei ole välttämättä verrannollinen reaktiivisten mineraalien pitoisuu- teen kiviaineksessa. Tällaista kiviaineksen käytöstä voidaan kutsua pessiimiksi (optimin vas- takohta). Tällä tarkoitetaan ilmiötä, jossa suurin alkalikiviaineksen aiheuttama tilavuuden- muutos saavutetaan lokaalissa maksimissa, ei siis suurimmalla reaktiivisen kiviaineksen määrällä. Jotkin piidioksidipitoiset kiviainekset, jotka sisältävät suuria määriä erittäin reaktii- visia piipitoisia mineraaleja, johtavat erittäin vähäiseen laajentumiseen tai eivät aiheuta laa- jenemista ollenkaan.
Pienillä pitoisuuksilla laajeneminen kasvaa, mutta tietyn mineraalimäärän ylityttyä tätä ei enää tapahdu. Esimerkiksi piikiveä sisältävän kiviaineksen tapauksessa tällainen tilanne esiintyy, kun piikiven pitoisuus on 20-30%. Kun piikiven osuus ylittää 60 % kiviaineksesta, laajenemista ei enää tapahdu. Puhtaan opaalin tapauksessa laajenemisen pysäyttävä opaa- lin osuus on yleensä välillä 2-5 %. Tällaiseen kiviaineksen käytökseen vaikuttaa piidioksidin määrän lisäksi myös kiviaineksen koko [4, s. 16-18].
Kuvassa 4 on esitetty laajenemiskäyttäytymistä opaalipiidioksidia sisältävässä kiviainekses- sa [4, s. 18]. Vaaka-akseli kuvaa opaalipiidioksidin osuutta kiviaineksesta prosentteina ja pystyakseli laajentumisen määrää prosentteina. Kuvassa osat A ja D kuvaavat tilannetta, joissa tapahtuu reaktiota, mutta ei halkeilua. Osuus B kuvaa tilannetta, jossa tapahtuu hal- keilua ja reaktiossa on ylimääräisiä alkaleja. Osuus C puolestaan kuvaa tilannetta, jossa ta- pahtuu halkeilua ja reaktiossa on ylimääräistä reagoivaa piidioksidia.
Kuva 4. Opaalipiidioksidin laajentuminen [4, s. 18].
Alueella A reaktiivisen piidioksidin pitoisuus on alhainen ja geelin muodostus on niin vähäistä, että laajentumista ja halkeilua ei aiheudu. Alueella B geeli aiheuttaa jo laajentumista ja hal- keilua. Laajentuminen lisääntyy reaktiivisen piidioksidin mukaan, mutta reaktio loppuu ajan kuluessa tai kun reaktio on kuluttanut tarpeeksi alkaleja tai piidioksidia. Alueella C reaktiivi- sen piidioksidin määrä on suuri, mutta geelin muodostuminen ja laajeneminen rajoittuu alka- lien saatavuuden vuoksi. Tällä alueella on ylimääräistä piidioksidia, ja betonissa on paljon reaktiivisia alueita ja ne ovat hyvin hajallaan. Alkalien vähyyden vuoksi geelin muodostumi- nen on kuitenkin rajoitettua, joka rajoittaa myös betonin laajenemista. Alueella D puolestaan reaktiivisen piidioksidin pitoisuus on erittäin korkea ja tämän seurauksena reaktiivisia alueita on hyvin paljon ja alueet ovat hyvin hajautuneita. Alueella D reaktio tapahtuu erittäin nopeasti ja alkalit kulutetaan loppuun todella nopeasti. Tällöin geeliä ehtii muodostua vain vähän eri reagoivilla alueilla, joten vaurioitumista ja laajenemista ei juurikaan tapahdu [4, s. 17].
Tutkimuksissa ei ole tutkittu vaikuttaako alkalien loppuun kuluminen betonin pH-arvoon. Epä- selvää on myös, onko tällaisella kiviaineksen pessiimillä käytöksellä jotain muita vaikutuksia betonin ominaisuuksiin tai esimerkiksi vaikuttaako se betonin muihin vauriomekanismeihin.
Tutkimuksissa on todettu, että betonin sisäiset sementistä johtumattomat alkalien lähteet voi- vat vaikuttaa merkittävästi reaktion kehitykseen rakenteissa. Betonin sisäiset alkalit, jotka eivät johdu sementistä, voivat olla peräisin betonin kiviaineksesta. Tällaisia alkaleja vapaut- tavia kiviaineksia ovat tutkimusten mukaan esimerkiksi maasälpä ja erilaiset savimineraalit.
Vaikutukset voivat olla merkittäviä rakenteilla, joilla on pitkä käyttöikä ja rakenteilla, joissa
sementin alkalisuus on vähäistä. Vielä on kuitenkin epäselvää kuinka suuri osa muista kuin sementin alkaleista ovat huuhtoutuvia ja käytössä alkalikiviainesreaktioon [9].
2.2.2 Sementin koostumus
Sementti on hienojakoinen hydraulinen sideaine, jolla on ominaisuus reagoida veden kanssa muodostaen kovan veteen liukenemattoman lopputuotteen. Sementin pääraaka-aine on kalkkikivi, jonka koostuu pääasiallisesti kalsiumkarbonaatista (CaCO3). Muut tarvittavat kom- ponentit sementin valmistukseen, jotka ovat piidioksidi (SiO2), rautaoksidi (Fe2O3) ja alumii- nioksidi (Al2O3), saadaan kalkkikivilouhoksien sivukivistä ja muun teollisuuden sivutuotteina.
Sementin ominaisuudet ovat pääosin riippuvaisia klinkkerin koostumuksesta. Klinkkerin pää- mineraaleja ovat aliitti/trikalsiumsilikaatti (CaO3SiO2), beliitti/dikalsiumsilikaatti (CaO2SiO2), aluminaatti/trikalsiumaluminaatti (CaO3Al2O3) ja ferriitti/tetrakalsiumaluminaattiferriitti (CaO4A l2O3Fe2O3), joilla kullakin on omat piirteensä. Säätelemällä näiden neljän mineraalin suhteita ja lisäämällä jauhatuksessa kipsiä tai rautasulfaattia voidaan vaikuttaa sementin ominaisuuksiin [7, s. 24-41].
Kun sementti ja vesi sekoitetaan, veden pH-arvo kasvaa nopeasti jopa arvoon 12,5. Ensim- mäisenä klinkkereistä reagoi trikalsiumaluminaatti muodostaen aluminaattia sisältävää gee- liä [4, s. 205-207]. Pelkkä trikalsiumaluminaatti reagoi kuitenkin veden kanssa hyvin voimak- kaasti ja se johtaa välittömään sementtiliiman kovettumiseen. Reaktion estämiseksi sement- tiin lisätään sen valmistusvaiheessa kipsiä, joka hidastaa trikalsiumaluminaatin hydraatiota ja antaa massalle sopivan työstöajan. Trikalsiumaluminaatti heikentää sementin sulfaatin kestävyyttä, mutta alumiiniyhdisteillä ei ole suurtakaan merkitystä sementin lujuuteen (paitsi hydrataation alkuvaiheessa). Alumiiniyhdisteet ovat välttämättömiä sementin varhaisreaktion ja klinkkerin polton kannalta [7, s. 24-41].
Alumiiniyhdisteiden reaktion alkamisen jälkeen kalsiumsilikaatit alkavat reagoida veden kanssa muodostaen kalsiumsilikaattihydraattia ja kalsiumhydroksidia. Hydrataation kemialli- set yhtälöt ovat:
2𝐶3𝑆 + 6𝐻 → 𝐶3𝑆2𝐻3+ 3𝐶𝑎(𝑂𝐻)3 2𝐶2𝑆 + 4𝐻 → 𝐶3𝑆2𝐻3+ 𝐶𝑎(𝑂𝐻)3
Reaktiotuotteet ovat samat trikalsiumsilikaatissa ja dikalsiumsilikaatissa, mutta lopputuottei- den suhteet ovat erilaiset. Dikalsiumsilikaatin reaktio veden kanssa tuottaa sementtipastalle suuremman loppulujuuden kuin trikalsiumsilikaatti, koska se tuottaa suhteessa enemmän kalsiumlisikaattihydraattia. Dikalsiumsilikaatin hydrataationopeus on kuitenkin huomattavasti alhaisempi kuin trikalsiumsilikaatilla, joten 28 päivän jälkeinen sementtipastan lujuus on pää- osin riippuvainen trikalsiumsilikaatin osuudesta sementissä [7, s. 24-41]. Kuvissa 5-8 on esi- tetty sementin hydrataation kehittymisen eri vaiheita.
Kuva 5. Reagoimattomia sementtirakeita veden ympäröimänä [10, s. 43].
Kuva 6. Tilanne muutaman minuutin kuluttua veden lisäämisestä, jolloin hydrataa- tiotuotteet laajenevat sementtirakeen pinnasta vesitilaan [10, s. 43].
Kuva 7. Tilanne muutaman tunnin kulutta, jolloin reaktiotuotteet ovat toisissaan kiinni ja sitoutuminen on alkanut [10, s. 43].
Kuva 8. Tilanne muutaman vuorokauden kuluttua, jolloin hydrataatio on edennyt pitkälle ja lujuus kasvaa niin kauan kuin hydratoitumatonta sementtiä ja reaktioon tarvittavaa vapaata vettä riittää [10, s. 43].
Sementtiliiman hydrataatioaste riippuu saatavilla olevasta vesimäärästä. Teoreettisesti täy- delliseen hydratoitumiseen riittää vesimäärä, joka on noin 20-25 % sementin painosta. Vettä kuitenkin sitoutuu niin sanottuihin geelihuokosiin noin 15 %, jonka seurauksena todellinen hydrataation vaatima vesimäärä on noin 40 % sementin painosta. Teoriassa sementin ja veden reaktio voi jatkua vuosikausia sementin täydelliseen hydratoitumiseen asti. Käytän-
nössä näin ei kuitenkaan aina tapahdu, vaan kovettumisajan kuluessa osa vedestä ehtii haih- tua, jolloin betoniin jää hydratoitumatonta sementtiä, koska hydratoitumiskelpoista vettä ei ole [7, s. 24-41].
2.2.3 Sementin alkalisuus
Sementti sisältää natriumia ja kaliumia, jotka ovat yleensä sementin pääsääntöinen alkalien lähde. Sementin alkalipitoisuus riippuu käytettävien raaka-aineiden koostumuksesta ja niiden sisältämistä pienemmistä komponenteista. Alkalipitoisuuteen vaikuttavat myös eri sementin materiaalien sekoitussuhteet, polttolämpötilat, syöttönopeudet ja hapettavat/pelkistävät olo- suhteet polttouunissa [1, s. 15].
Sementtiteollisuudessa on tavallista yhdistää natriumin ja kaliumin pitoisuudet. Pelkästään natriumoksidin ja kaliumoksidin pitoisuutta ei voida kuitenkaan vain laskea yhteen, koska näiden oksidien molekyylipainot ovat erilaisia. Sen sijaan käytetään seuraavaa yhtälöä, joka tunnetaan Na2O-ekvivalenttina. Yhtälön avulla voidaan määrittää sementin alkalipitoisuus [4].
-𝑁𝑎2O − ekvivalentti(%) = 𝑁𝑎2𝑂(%) +62,0
94,2𝐾2𝑂(%) = 𝑁𝑎2𝑂(%) + 0,658𝐾2𝑂(%)
Kriittisenä sementin alkalien määränä on pidetty Na2O-ekvivalentin arvoa 0,6 %, mutta se- mentin pienikin alkalimäärä voi riittää alkalikiviainesreaktiossa geelin muodostumiseen, jos kiviaine on hyvin reagoivaa. Mikäli sementin alkalipitoisuus on hyvin suuri, ovat kaikkein py- syvimmät piin muodot alttiina reaktiolle. Alkalipitoisuuden ollessa tarpeeksi korkea on mah- dollista, että alkalihydroksidi katkaisee vanhat piisidokset muodostaen reaktiotuotteena gee- liä [3].
Betonin alkalipitoisuus voidaan ilmaista samalla tavalla kuin sementin. Betonista on kuitenkin otettava huomioon kaikki mahdolliset alkalilähteet. Tähän sisältyvät sementin korvaavien materiaalien ja lisäaineiden mahdolliset alkalit [4].
2.2.4 Muut sideaineet
Sementin lisäksi sideaineena voidaan käyttää mineraalisia sementtiä korvaavia seosaineita.
Tällaisia seosaineita ovat esimerkiksi lentotuhka, masuunikuona ja silika. Lentotuhka on jau- hetun kivihiilen poltossa voimalaitosten savukaasuista erotettu sivutuote, jonka aktiivisuus betonin kovettumisreaktiossa riippuu sen lasimaisuudesta, kemiallisesta koostumuksesta ja raekokojakaumasta.
Masuunikuonaa saadaan raudan valmistuksen alkuvaiheessa masuunissa muodostuneesta emäksisestä silikaattisulatteesta, joka on jäähdytetty. Masuunikuona muodostuu pääasiassa kalsiumin, piin, alumiinin ja magnesiumin yhdisteistä. Masuunikuonan toimintaperiaate on
erilainen kuin pozzolaanisilla sideaineilla, kuten lentotuhkalla ja silikalla. Masuunikuona ei kuluta kalsiumhydroksidia, vaan se muodostaa portlandsementin kanssa sideaineseoksen, jossa molemmat osa-aineet kovettuvat kehittäen lujuutta. Silika on piin valmistuksen yhtey- dessä syntyvä erittäin hienojakoinen pozzolaaninen tuote, jota voidaan käyttää betonissa erittäin hienona fillerinä tai pozzlaanisena sideaineena [7, s. 56-58].
Tutkimuksissa on todettu, että silika, masuunikuona ja lentotuhka voivat madaltaa alkaliki- viainesreaktion potentiaalia. Käytettynä sementin korvaavana materiaalina niiden etuna on se, että ne vähentävät käytetyn portlandsementin määrää. Tämän vuoksi käytettävissä ole- vien alkalien määrää vähenee ja sen vuoksi mahdollisuus alkalikiviainesreaktioon pienenee [1, s. 17]. Silikan reaktiota ehkäisevä vaikutus perustuu myös siihen, että se tuottaa betoniin tiheää ja läpäisemätöntä matriisirakennetta. Tämä estää veden ja alkalien liikkumista ja sitoo vapaita alkaleja kalsiumsilikahydraateiksi, joka vähentää huokosveden alkalipitoisuutta ja si- ten ehkäisee alkalikiviainesreaktiota [11].
Joidenkin tutkimusten mukaan lentotuhkan vaikutukset perustuvat siihen, että se vähentää hydroksidi-ionien määrää hydratoitumisvaiheessa, joka puolestaan voi vähentää reaktiivisten kiviaineiden eroosiota. Lentotuhka aiheuttaa myös hydrataatiotuotteissa alkalisuuden vähen- tymistä, jolloin alkalisten oksidien ja reaktiivisten kiviaineksien yhdistelmän suhteellinen teho pienenee [12].
Tutkimuksissa on todettu myös, että lentotuhka vähentää huokosveden alkalisuutta pienen- tämällä sementtien ionidiffuusiokerrointa. Diffuusiovähennys johtuu osittain huokoisuuden ja huokoskoon pienenemisestä ja osittain pozzolaanisesta reaktiosta. Matalamman ionidif- fuusion seurauksena ulkoinen natriumhydroksidi tunkeutuu hitaammin sementtiin, mikä joh- taa matalampaan huokosveden alkalipitoisuuteen, joka puolestaan voi hidastaa merkittävästi alkalikiviainesreaktiota [13].
Lentotuhka pystyy vähentämään huokosveden alkalisuutta sitomalla itseensä alkaleja. On myös mahdollista, että lentotuhka vähentää piipitoisten kiviainesten liukenemista, joka pe- rustuu siihen, että suurin osa hydroksidi-ioneista osallistuu lentotuhkan liuottamiseen sen sijaan, että ne liottaisivat reaktiivisia kiviainesta [13]. Jotkin lentotuhkat sisältävät paljon al- kaleja (yleensä kalsiumia). Paljon alkalia sisältävien lentotuhkien on havaittu myös aiheutta- van halkeilua betonirakenteissa noin 10 vuoden iässä. Syynä tähän on lentotuhkasta hitaasti vapautuvat alkalit [9].
Masuunikuonan vaikutuksista alkalikiviainesreaktioon tutkijoilla on keskenään eriäviä mieli- piteitä. Osa tutkijoista on sitä mieltä, että masuunikuonalla voidaan vähentää alkalikiviaines- reaktion ilmenemistä tai hidastaa reaktiota, koska masuunikuona voi kiinnittää sementin al- kaleja siten, että ne eivät ole enää käytettävissä reaktioon. Joidenkin tutkijoiden mielestä se, että masuunikuona ei sisällä kalsiumhydroksidia voi myös olla reaktion mahdollisuutta ma-
daltava tekijä. Joidenkin tutkijoiden mukaan alkalikiviainesreaktiota ei ole mahdollista tapah- tua masuunikuonaa käyttäessä, koska lähes kaikki (yli 80 %) alkaleista yhdistyvät erilaisiksi hydrataatiotuotteiksi, jolloin alkalit eivät ole käytössä reaktioon. Osa tutkijoista on puolestaan sitä mieltä, että masuunikuonan korkea alkalipitoisuus voi joissain tilanteessa edistää alkali- kiviainesreaktiota reaktiivisten kiviainesten kanssa [14].
Kuten eri tutkimustuloksista voidaan huomata, tutkijoiden keskuudessa on erimielisyyttä si- deaineiden vaikutuksesta alkalikiviainesreaktioon. Tutkimuksissa sideaineilla on kuitenkin huomattu olevan huomattavasti enemmän alkalikiviainesreaktiota madaltavia vaikutuksia kuin reaktiota lisääviä vaikutuksia. Yleinen konsensus vaikuttaisi olevan, että sideaineiden käytöstä on hyötyä alkalikiviainesreaktion ehkäisemisessä ja hillitsemisessä.
2.3 Kovettuneen betonin ominaisuudet 2.3.1 Lujuusominaisuudet
Betonin lujuutta mitataan puristus- ja vetolujuudella. Puristuslujuutta pidetään betonin tär- keimpänä ominaisuutena, koska puristuslujuus kuvaa jossain määrin myös muita ominai- suuksia sekä on melko helposti mitattavissa. Vaikka betonirakenteiden vetojännitykset ote- taan yleensä vastaan raudoituksilla, ei vetolujuutta voida täysin sivuuttaa betonirakenteiden suunnittelussa, koska vetolujuuden arvoa tarvitaan käyttörajatilaa koskevissa tarkasteluissa [7, s. 84-97].
Betonin vetolujuus riippuu eri tekijöistä kuin puristuslujuus. Tämä ilmenee betonin puristus- ja vetolujuuden suhteen merkittävällä vaihtelulla. Betonin rapautuminen vaikuttaa merkittä- västi vetolujuuteen. Rapautuminen voi heikentää vetolujuutta huomattavasti, jolloin esimer- kiksi betonirakenteen kantokyky heikkenee. Betonin rapautumisen astetta voidaan arvioida vetolujuuskokeilla ja samalla voidaan arvioida yleisesti betonin laatua ja korjattavuutta. Mikäli vetolujuus on alle 0,5 MPa, on betonissa rapaumaa. Jos vetolujuuden arvo on yli 1,5 MPa, rapautuminen on epätodennäköistä [15, s. 109-111].
Betonin vetolujuuden määrittäminen on hankalaa, mutta nyrkkisääntönä voidaan kuitenkin pitää, että betonin vetolujuus on noin 10-15 % puristuslujuuden suuruudesta. Vetolujuuden arvo voidaan määrittää suoralla vetokokeella, halkaisukokeella tai taivutuskokeella. Edellä mainituissa kokeissa on erilaiset koemenetelmät ja ne voivat antaa testin tuloksiksi toisistaan eroavia vetolujuusarvoja. Vetolujuuden arvoissa on huomioitava, että sen arvo muuttuu hel- posti betonin halkeillessa. Kun betonin vetolujuus ylittyy, syntyy betonirakenteeseen aina halkeama, jonka jälkeen betonirakenteen jäykkyys ja toimintatapa voivat muuttua merkittä- västi [7, s. 84-97].
Puristuslujuuden ominaisuudet riippuvat sementtikiven ja kiviaineksen ominaisuuksista ja nii- den välisestä tartunnasta. Tarkemmin eriteltynä puristuslujuuteen vaikuttavat sementin laatu
ja määrä, vesisementtisuhde, betonin sisältämä ilmamäärä, veden laatu, sementtiliiman määrä, kiviaineen rakeisuus, kiviaineen muoto ja pinta, kiviaineen lujuus, työtekniset seikat, betonin ikä ja mahdollinen vaurioituminen. Koska betoni on huokoinen, kova ja hauras aine, sille on tyypillistä, että sen lujuus riippuu merkittävästi huokosten määrästä.
Huokosia on sitä enemmän, mitä suurempi vesisementtisuhde on. Mitä enemmän huokosia betonissa on, sitä heikompi on puristuslujuus. Betonin huokoset ovat pääasiassa sementti- kivessä ja kiviaines on tavallisesti hyvin lujaa, joten betonin lujuus riippuu olennaisesti se- menttikiven lujuudesta. Kiviaines toimii betonissa täyteaineena, joka vaikuttaa betonin lujuu- teen lähinnä sementtikiven ja kiviainerakeiden välisen tartunnan kautta ja välillisesti betoni- massan ominaisuuksien kautta [7, s. 84-97].
Puristuslujuutta mitataan aksiaalisella puristuskokeella joko normaali- tai rakennekoekappa- leiden avulla. Betonirakenteiden mitoituksessa käytetään puristuslujuuden mitoitusarvoa, jossa on huomioitu pienennyskertoimella puristuslujuuteen vaikuttavat pitkäaikaistekijät ja kuorman vaikutustavasta aiheutuvat epäedulliset tekijät [7, s. 84-97].
2.3.2 Muodonmuutokset
Betonin muodon- ja tilavuudenmuutokset johtuvat kuormituksesta, kosteuden muutoksesta, lämpötilan muutoksesta, kemiallisista reaktioista tai edellä mainittujen yhdistelmistä. Kiinteää kappaletta kuormittaessa sen muoto muuttuu. Jos kappaleen muoto palaa ennalleen, kun kuormitus poistetaan, tapahtuu kimmoista muodonmuutosta. Jos osa muodonmuutoksesta ei palaudu, on kyse plastisesta muodonmuutoksesta [7, s. 74-97].
Kimmokerroin kuvaa kuormitettavaan kappaleeseen syntyvän jännityksen ja suhteellisen muodonmuutoksen suhdetta. Kimmokerroin osoittaa, kuinka voimakkaasti kyseinen aine vastustaa muodonmuutosta [7, s. 74-97]. Betonin kimmokertoimella tarkoitetaan tavallisesti origoon piirrettyä jännitysmuodonmuutoskäyrän tangentin kulmakerrointa. Kimmokertoimen todellinen arvo määräytyy kiviaineksen kimmokertoimen, sementtikiven kimmokertoimen, kuormituksen laadun ja nopeuden, rakenteen poikkileikkauksen muodon sekä jännityksen jakautumisen mukaan. Betonin suppeumaluku eli Poissonin kerroin kuvaa betonin jännitystä vastaan kohti suoraan syntyvän muodonmuutoksen suhdetta jännityksen suuntaiseen muo- donmuutokseen. Kimmokertoimen tavoin myös Poissonin kerroin muuttuu betonin jännityk- sen muuttuessa [7, s. 74-97].
Edellä mainittujen kimmoisten ja plastisten muodonmuutosten, jotka syntyvät välittömästi kuormittamisen jälkeen, materiaaleilla on kuormitettuna ajasta riippuvaa muodonmuutosta eli virumaa. Virumalla tarkoitetaan esimerkiksi sitä, että puristetun betonikappaleen kokoon- puristuminen lisääntyy ajan kuluessa jännityksen pysyessä vakiona. Viruma on seurausta pysyvän kuorman aiheuttamasta sementtikiven geelihuokosten pinnalla olevan veden siirty- misetä ja samalla tapahtuvasta geelin tiivistymisestä. Sementtigeelin tiivistyminen selittää
myös, miksi muodonmuutos ei palaudu kokonaan, vaikka vesi imeytyisikin takaisin geelihuo- kosiin [7, s. 74-97].
Virumista esiintyy kaikkien kuormitustapausten yhteydessä (puristus, veto, taivutus, leikkaus ja vääntö). Virumaan vaikuttavat useat eri tekijät. Siihen vaikuttavat betonin ikä ja kuormituk- sen alkamisajankohta, jännitystaso, betonin lujuus, betonin koostumus, olosuhteet, kuten suhteellinen kosteus ja lämpötila, rakenteen muoto sekä raudoituksen määrä. Kuivissa sisä- tiloissa viruma on yleensä noin kolminkertainen ja ulko-olosuhteissa noin samansuuruinen kuin kimmoinen muodonmuutos eli viruman vaikutus kokonaismuodonmuutokseen on mer- kittävä [7, s. 74-97].
Kutistuminen on betonin luonnollinen ominaisuus, joka johtuu sen kuivumisesta ja sementin hydrataatioreaktiosta. Kutistumista voidaan vähentää merkittävästi valitsemalla betonille so- piva koostumus, tehokkaalla jälkihoidolla sekä raudoituksella. Kutistumisen hillitseminen on tärkeää, sillä liiallinen kutistuminen voi aiheuttaa betonille halkeamia tai taipumaa sekä vau- rioittaa rakennetta mittatarkkuuden, kulutuskestävyyden, säilyvyyden ja ulkonäön osalta [7, s. 74-97].
Kuivumiskutistuma aiheutuu kuivumisen veteen aiheuttamista jännityksistä, jotka imevät vettä pois geelihuokosista. Tämä aiheuttaa geelihiukkasten välien pienenemisen ja geelin kutistumisen, joka puolestaan pakottaa betonin kutistumaan. Yksinkertaistettuna betonin ti- lavuus pienenee veden poistuessa, mikä johtaa kutistumaan. Sementin reagoidessa kutistu- minen vielä lisääntyy, koska sementtikivi tarvitsee vähemmän tilavuutta kuin vesi ja sementti ennen reaktiota. Huomioitavaa on, että betoni kutistuu myös ilman veden haihtumista. Auto- geeninen kutistuma on sisäisestä kuivumisesta johtuvaa kutistumaa ja kuivumiskutistuma on haihtumisesta johtuvaa kutistumaa. Edellä mainittujen lisäksi betoni voi myös kutistua kar- bonatisoitumisen ja lämpötilan alenemisen takia [7, s. 74-97].
Tutkimuksissa alkalikiviainesreaktion on todettu heikentävän betonin kimmokerrointa, mikä voi lisätä pitkällä aikavälillä betonin muodonmuutoksia. Alkalikiviainesreaktio voi aiheuttaa myös itse muodonmuutoksia betoniin, koska reaktio voi aiheuttaa rakenteiden liikkeitä ja laa- jentumista. Betonin muodonmuutosten vaikutuksista alkalikiviainesreaktioon ei ole kuiten- kaan tutkittu, joten on mahdotonta sanoa, kuinka esimerkiksi viruma vaikuttaa reaktion voi- makkuuteen tai nopeuteen.
Kuivumiskutistuman aiheuttama halkeilu puolestaan voi lisätä alkalikiviainesreaktiota, koska halkeilevan betoniin pääsee helpommin kosteutta ja betonin ulkopuolisia alkaleja. Betonin muodonmuutos- ja lujuusominaisuuksilla on myös merkitystä, kun arvioidaan alkalikiviaines- reaktion etenemistä. Esimerkiksi ajantasaisen laajenemisindeksin määrittämisessä otetaan huomioon betonin viruma [1, s. 139].
2.3.3 Halkeilu
Halkeilu on tyypillinen ominaisuus betonille ja betonirakenteille, mutta rakenteiden oikealla suunnittelulla ja toteutuksella voidaan varmistaa, ettei halkeilua tapahdu liikaa ja etteivät hal- keamat ole liian suuria. Rakenteen säilyvyyden, ulkonäön ja staattisen toiminnan kannalta on tärkeää saada hillittyä halkeilua. Betonin halkeilua voidaan rajoittaa oikein tehdyllä suun- nittelulla sekä valitsemalla sopiva betonin koostumus, työn suoritus ja jälkihoito. Betonissa voi tapahtua halkeilua jo ennen sitoutumista plastisen painuman ja kutistuman vuoksi. Betoni halkeilee, kun sen vetolujuus ylittyy [7, s. 102-107].
Halkeamat lisäävät betonin läpäisevyyttä, jolloin betonin laatu heikkenee. Halkeilun myötä betonin raudoitusta kemiallisesti ja fysikaalisesti suojaava vaikutus heikkenee ja haitalliset aineen tunkeutuvat betoniin helpommin. Epäedullisimpia halkeamia ovat yli 0,20-0,40 mm halkeamat. Tällaisista halkeamista betonin vaurioitumiseen vaikuttavat aineet, kuten erilaiset suolat, voivat tunkeutua betonin raudoitukseen asti nopeammin. Raudoituksen suunnassa olevat halkeamat voivat aiheuttaa raudoituksen korroosiota laajallakin alueella [10, s. 138].
Kuvissa 9, 10 ja 11 ja taulukossa 1 ja 2 on esitetty yhteenveto erilaisista halkeamista. Alkali- kiviainesreaktion tunnistamisen kannalta on oleellista erottaa alkalikiviainesreaktion aiheut- tama halkeilu muusta halkeilusta.
Kuva 9. Esimerkkejä betonirakenteiden tyypillisistä halkeamista [10, s. 139].
Alkalikiviainesreaktiolle tyypillisiä halkeamia ovat laajat verkkohalkeilut sekä pitkittäiset hal- keamat raudoitetuissa rakenteissa [4].
Kuva 10. Alkalikiviainesreaktion aiheuttamaa verkkohalkeilua betonissa [4, s. 27].
Kuva 11. Pitkittäistä halkeilua raudoitetussa betonipalkissa [16].
Taulukko 1. Yhteenveto betonin halkeilusta, kuvan 9 selitteet 1/2 [7, s. 104] [4].
Halkeilun ai- heuttaja
Kirjaintun- nus
Halkei- lun si- jainti yleensä
Pääsyy Toissijainen syy Esiinty- misajan- kohta
Plastinen painuma
A, Raudoi- tuksen päällä
Syvät raken- neosat
Liiallinen veden erottuminen
Nopea kuivuminen, liian myöhäinen jälki- hoito
10 min…3h (riippuen lämpöti- lasta)
B Pilarien
päät C, Paksuu-
den muutos
Ripalaa- tat, kup- piholvit Plastinen ku-
tistuma
D, Diago- naalinen
Laatat Pinnan nopea kuivuminen
Hidas haihtuvan veden korvautuminen (tiivis massa), liian myöhään aloitettu jälkihoito
30 min…6 h (riippuen lämpöti- lasta) E, Satunnai-
nen
Raudoi- tetut laa- tat F, Raudoi-
tuksen päällä
Raudoi- tetut laa- tat
Raudoitus ylä- pinnassa tai no- pea kuivuminen Lämpötilan
muutokset varhaisessa vaiheessa
G, Ulkoisesti estetty muo- donmuutos, pakkovoimat
Paksut seinät
Liiallinen läm- möntuotto
Rakenteen liian nopea jäähtyminen
1-3 d
H, Sisäisesti estetty muo- donmuutos, pakkovoimat
Paksut laatat
Suuret lämpöti- laerot
Kuivumisku- tistuminen
I Ohuet
laatat ja seinät
Puutteelliset ku- tistussaumat, kutistumisliik- keet estetty
Liiallinen kutistuma ja riittämätön jälkihoito
Viikkoja- useita kuu- kausia tai jopa vuosia
Taulukko 2. Yhteenveto betonin halkeilusta, kuvan 9 selitteet 2/2 [7, s. 104] [4].
Taulukoissa mainittujen seikkojen lisäksi betoniin halkeiluun voivat vaikuttaa ympäristön suu- ret lämpötilan muutokset, lämpötilaerot rakenteen poikkileikkauksessa, epätasainen kuormi- tus sekä perustusten epätasainen painuminen [7, s. 102-107].
Joissain tapauksissa on mahdollista, että betonin halkeamat itsetiivistyvät. Tällainen on mah- dollista, jos betonissa on hydratoitumatonta sementtiä ja vettä. Edellä mainittujen lisäksi hal- keaman leveys ei saa vaihdella ajan kuluessa ja läpivirtaava vesi ei saa olla kemiallisesti syövyttävää eikä läpivirtaus saa huuhtoa tiivistymistuotteita pois. Itsetiivistymistä varten ve- den haihtuminen betonin pinnalta täytyy olla mahdollista. Tiivistymistä tapahtuu, kun sement- tipastan kalsiumhydroksidi karbonatisoituu ja reaktiossa syntyvät kalsiumkarbonaatti- ja kal- siumhydroksidikiteet tiivistyvät halkeamaan ja vesi haihtuu pois. Vapaa kalsiumhydroksidin
Halkeilun aiheuttaja
Kirjaintun- nus
Halkeilun si- jainti yleensä
Pääsyy Toissijainen syy Esiintymis- ajankohta
Pintahal- keilu
J, Muotteja vasten
Seinät Tiivis muotti Suuri sementti- ja vesimäärä, huono jälkihoito
Yleensä 1-7 d, joskus myös myö- hemmin K, Koneelli-
nen hierto
Laatat Liiallinen hierto, liian aikainen hierto tai liial- linen ilma betonissa Pakkasra-
pautumi- nen
L, Vesi, jää- tyminen, su- laminen
Ulkona olevat betoniraken- teet
Liian vähän suojahuo- kosia, betoni veden kyllästämää
Useita vuo- sia
Raudoi- tuksen ruostumi- nen
M, Karbona- tisoituminen, kloorirasitus
Pilarit, palkit, laatat, seinät jne.
Liian pieni suojabeto- nipeite
Betonin huono laatu
Useita vuo- sia
Alkaliki- viainesre- aktio
Kuva 10:
Verkkohal- keamat
Rakenteissa, joissa vierei- set rakenteet eivät rajoita halkeilua
Sementin korkea alka- lipitoisuus, korkea kos- teuspitoisuus ja reak- tiiviset kiviainekset (re- aktio tarvitsee piidiok- sidia tapahtuakseen)
Esimerkiksi läm- min ilmasto ja be- tonin kova kos- teusrasitus voivat lisätä reaktion voi- makkuutta
Viikkoja- useita kuu- kausia tai jopa vuosia
Kuva 11:
Halkeilu pääraudoi- tuksen suun- taisesti
Aksiaalisesti kuormitetut pilarit tai pal- kit
määrän kasvu betonissa lisää itsetiivistymistä [7, s. 102-107]. Nykyään markkinoilla on myös lisäaineita, joiden tarkoitus on edesauttaa halkeamien itsetiivistyvyyttä.
Isompien halkeamien lisäksi betonissa esiintyy myös mikrohalkeamia. Mikrohalkeilua esiin- tyy esimerkiksi kiviainesrakeiden ympärillä ja betonin pinnalla ja niiden leveys on alle 0,05 mm. Paras keino pienentää mikrohalkeamien leveyttä ja määrää on pienentä betonin varhai- sen vaiheen lämpötilaeroja esimerkiksi hidastamalla hydrataatioreaktiota ja parantamalla ra- kenteen suojausta. Mikrohalkeamien välttämiseksi tulee esisäilytysajan olla ennen lämpökä- sittelyä vähintään 3 tuntia ja lämpötilan nousunopeuden korkeintaan 10-15 ºC tunnissa.
Mikrohalkeamia syntyy betonin osa-aineiden laajenemisen vuoksi vaiheessa, jossa betonin vetolujuus on vielä alhainen. Hydrataatiosta aiheutuva sisäinen kuivuminen aiheuttaa myös mikrohalkeilua. Kun betonirakennetta kuormitetaan mikrohalkeamien koko ja määrä kasvaa jo selvästi ennen betonin murtumista [7, s. 102-107]. Edellä mainitun lisäksi myös betonin vaurioituminen esimerkiksi alkalikiviainesreaktion tai pakkasrapautumisen vuoksi aiheuttaa mikrohalkeilua [8].
Betonin halkeilu voi lisätä tai nopeuttaa alkalikiviainesreaktion ilmenemistä, sillä betonin hal- keillessa rakenteeseen voi tulla suurempi kosteusrasitus, kun ulkopuolinen kosteus pääsee tunkeutumaan betoniin halkeamien kautta [1, s. 17]. Halkeamat voivat lisätä myös ulkopuo- listen alkalien (esimerkiksi jäänsulatusaineista johtuvien alkalien) pääsyä betoniin. Tutkimus- tietoa ei kuitenkaan ole tarpeeksi saatavilla, jotta voitaisiin yksiselitteisesti sanoa, kuinka pal- jon betonin halkeilu ja muu vaurioituminen vaikuttavat alkalikiviainesreaktion laajuuteen, no- peuteen tai aggressiivisuuteen.
2.3.4 Betonin tiiveys
Vedenpitävyyttä ja tiiveyttä pidetään yleisesti hyvinä betonirakenteiden ominaisuuksina. Ve- sitiivis rakenne koostuu aina vedenpitävästä betonista ja vedenpitävistä rakenteellisista yk- sityiskohdista. Vedenpitävän ja tiiviin betonirakenteen perusedellytyksiä ovat, että lujuus- luokka on vähintään C25/30 ja vesisementtisuhde on alle 0,6, jolloin kapillaarihuokosten määrä on mahdollisimman pieni. Massassa tulee myös olla riittävästi hienoja aineksia eli sementtiä ja filleriä, betonointi, tiivistys ja jälkihoito tulee tehdä huolellisesti [10, s. 135-136].
Mikäli vesisementtisuhde on yli 0,7 muodostuu betoniin yhtenäinen kapillaarihuokosten ver- kosto. Tämä puolestaan lisää huomattavasti betonin vedenläpäisevyyttä ja mahdollistaa sa- malla haitallisen aineiden kulkeutumisen syvälle betoniin. Runsas kapillaarihuokosten määrä voi mahdollisesti heikentää betonin säilyvyyttä lisäämällä myös esimerkiksi pakkasrapautu- mista [10, s. 135-142].
Mitä vähemmän kosteutta betonissa on, sitä pienemmät todennäköisyydet alkalikiviainesre- aktion ilmenemiseen ovat. Vedellä on reaktiossa kaksi tehtävää, jotka ovat alkalien ja hyd- roksidi-ionien kuljettaminen siten, että reaktio voi tapahtua ja veden imeytyminen reaktiosta syntyvään geeliin, jolloin betonirakenne alkaa mahdollisesti halkeilla ja vaurioitua [1, s. 17- 18]. Mikäli vettä ei ole saatavilla, ei haitallista reaktiota pääse syntymään, joten tiiviin betonin käytöstä voi hyvinkin olla hyötyä alkalikiviainesreaktion ehkäisyssä. Tiiviiseen betoniin ei pääse myöskään imeytymään ulkopuolista kosteutta tai haitallisia aineita, kuten tiensuoloja, joten siitäkin syystä tiivis betoni voi ehkäistä reaktion syntyä ja etenemistä rakenteessa.
3. ALKALIKIVIAINESREAKTIO
3.1 Reaktiomuodot
3.1.1 Alkalipiidioksidireaktio (ASR)
Alkalipiidioksidireaktio on ensimmäisenä tunnistettu reaktion muoto ja kaikkein yleisin alkali- kiviainesreaktion ilmenemismuoto. Alkalipiidioksidireaktion aiheuttaa betonin huokosveden alkalien, hydroksidi-ionien ja kiviaineksen reagoivien ainesosien välinen reaktio. Tyypillisesti reagoivia kiviaineksia ovat tietyntyyppiset epästabiilit piidioksidin muodot. Piidioksidien on todettu olevan epätasapainossa alkalisessa, korkean pH:n ympäristössä ja betonin huokos- veden sisältämien alkali ja hydroksyyli-ionien reagoidessa [3].
Yksinkertaistettuna ensimmäiseksi alkalit huokosvedessä reagoivat piidioksidin kanssa muo- dostaen alkalisilikageelin. Seuraavaksi geeli absorboi vettä ja laajenee sen seurauksena [4].
Yksinkertaistettu reaktio voidaan esittää seuraavilla kaavoilla [1, s. 13].
4𝑆𝑖𝑂2+ 2𝑁𝑎𝑂𝐻 → 𝑁𝑎2𝑆𝑖4𝑂9+ 𝐻2O 3𝑆𝑖𝑂2+ 2𝑁𝑎𝑂𝐻 → 𝑁𝑎2𝑆𝑖3𝑂7+ 𝐻2O
Natriumin lisäksi reaktiossa on läsnä myös kalsiumioneja [1, s. 13]. Suurin osa kalsiumio- neista (Ca+) on peräisin kalsiumhydroksidista (Ca(OH)2), jota muodostuu sementin hydrataa- tioreaktiossa [3].
Nykyään reaktion kulusta on saatu tarkempaa tietoa ja reaktiosta voidaan jakaa seuraaviin vaiheisiin [9].
1. Metastabiilin piidioksidin liukeneminen 2. Piidioksidi soolin muodostuminen 3. Soolin geeliytyminen
4. Geelin paisuminen
Nämä reaktion vaiheet voidaan esittää seuraavalla kaavalla, mutta on myös mahdollista, että piidioksidi voi muuttua suoraan geeliksi [9].
(𝑆𝑖𝑂2)𝑘𝑖𝑖𝑛𝑡𝑒ä→ (𝑆𝑖𝑂2)𝑣𝑒𝑡𝑖𝑛𝑒𝑛→ (𝑆𝑖𝑂2)𝑠𝑜𝑜𝑙𝑖 → (𝑆𝑖𝑂2)𝑔𝑒𝑒𝑙𝑖→ 𝑔𝑒𝑒𝑙𝑖𝑛 𝑡𝑢𝑟𝑝𝑜𝑎𝑚𝑖𝑛𝑒𝑛 Reaktion nopeuteen vaikuttavat huokosveden alkalihydroksidipitoisuus ja piidioksidin muo- dostuminen [3]. Reaktion osista piidioksidin liukeneminen tapahtuu kuitenkin hitaimmin, joten piidioksidin liukenemisen vauhti kontrolloi alkalikiviainesreaktion nopeutta betonissa [9].
3.1.2 Alkalisilikaattireaktio
Aikaisemmin termiä alkalisilikaattireaktio käytettiin kuvaamaan reaktiota, jossa reagoivana kiviaineena oli esimerkiksi fylliittejä ja argilliitteja. Nykytiedon mukaan näiden kiviainesten laajeneminen johtuu kuitenkin myös hienojakoisesta piidioksidista eli reaktio on samantapai- nen kuin alkalipiidioksidireaktio. Huomioitavaa on, että reaktiivinen kiviaines ei ole puhdasta ja vapaata piidioksidia, vaan kivessä olevan piidioksidin ja silikaattimineraalin sekafaasi. Täl- laista on tavattu esimerkiksi graniiteissa, liuskeissa ja grauvakkassa [17] [3].
Nykyään tutkijoiden keskuudessa vallitsee yhteinen konsensus siitä, että alkalisilikaattireak- tio on vain hitaasti tapahtuva tai viivästynyt alkalipiidioksidireaktio. Reaktiivisia kivilajeja ovat tässä reaktiomuodossa yleensä kiteiset kvartsia sisältävät kivilajit [17] [4].
3.1.3 Alkalikarbonaattireaktio (ACR)
Alkalikarbonaattireaktio on harvinainen alkalikiviainesreaktion muoto [4] ja sitä esiintyy pää- asiassa vain Kanadassa ja Kiinassa [3]. Alkalikarbonaattireaktio aiheutuu kemiallisesta re- aktiosta sementin alkalien ja savipitoisten kalkkikivi kiviaineksen välillä. Reaktion kulkua ei vielä täysin ymmärretä, mutta on olemassa yleistyksiä, kuinka reaktio periaatteellisesti toimii.
Teoria on, että alkalikarbonaattireaktio saa aikaan dolomiitin hajoamista eli kalsiumkar- bonaatin ja magnesiumkarbonaatin samanaikaista hajoamista alkalisessa betonissa [3] [4]
[1].
Reaktio on nopeasti paisuva. Dolomiitin hajoamisen yhteydessä kiviaines hajoaa siten, että vesi pääsee reagoimaan kiviaineksessa olevan saven kanssa, jolloin saven mineraalit imevät vettä aiheuttaen paisumista, joka puolestaan hajottaa kiviainesta vielä lisää ja aiheuttaa lo- pulta betonin halkeilua [4].
Reaktiossa kiviainesrakeiden ympärille voi muodostua noin 2 millimetrin levyisiä reaktioalu- eita. Halkeilua voi muodostua reaktioalueille sekä rajapintoja pitkin että säteisessä suun- nassa. Halkeamat, jotka leviävät säteittäin, etenevät hitaasti liittyen muihin sementtipastan sisältämiin halkeamiin. Lopulta halkeamat muodostavat halkeamaverkon, jossa tartunta ki- viainesrakeen ja sideaineen välillä katoaa, mikä johtaa betonin rapautumiseen [3].
3.2 Alkalikiviainesreaktion reaktiotuotteet
Alkalikiviainesreaktion tuottaman geelin kemiallinen koostumus vaihtelee hyvin paljon.
Yleensä koostumuksen vaihtelu johtuu sementin alkuperäisistä raaka-aineista, koska se- mentissä käytetyt raaka-aineet vaikuttavat lopputuotteen alkaleihin. Poolen et.al [1] teokseen on kerätty eri lähteistä geelin mahdollisia koostumuksia. Geelien kemiallisen koostumuksen vaihtelu ei kuitenkaan vaikuta korreloivan kiviaineksen reaktiivisuuden tai reaktiivisen piidi- oksidityypin kanssa. Koostumukset vaihtelevat seuraavasti [1, s. 19]:
• SiO2: 27-86 %
• CaO: 0-57 %
• Na2O: 0-20 %
• H2O: 10-30%
• K2O: 0-18 %
• MgO: 0-10 %
Geelin koostumus betonissa vaihtelee myös suuresti riippuen sen sijainnista suhteessa se- menttiin ja kehitysvaiheesta. Liikkuva tai paisuva geeli on niin sanottua puhdasta geeliä, joka koostuu pääasiassa piistä, kalsiumista, natriumista ja vedestä. Vanha geeli, joka on ollut pit- kään kosketuksissa sementin kanssa, on kovaa eikä se enää laajene. Tällainen geeli sisältää myös kalsiumia ja vähemmän natriumia ja kaliumia. Kalsiumin ja piin suhteen ja geelin alka- lisisällön selvittämisestä voi olla hyötyä arvioidessa, onko reaktio vielä käynnissä vai lähes loppunut ja kuinka paljon geeli vielä mahdollisesti laajenee [4].
Alkalikiviainesreaktion tuottama geeli on liikkuvaa märissä olosuhteissa, mutta sen visko- siteetti voi kuitenkin vaihdella. Tutkimuksissa on selvitetty, että piidioksidin osuus geelissä vaikuttaa geelin viskositeettiin, ja tämä puolestaan voi vaikuttaa geelin aiheuttamiin jännityk- siin geelin paisuessa. On osoitettu, että viskoosi geeli tuottaa suurempia jännityksiä betoniin kuin nestemäinen geeli. Tutkimuksissa on osoitettu, että alkalisilikageelit kiteytyvät osittain alkalipitoisiksi rosettimuodoiksi ja myös neula-, sauva- tai terämäisiksi muodoiksi, mutta kai- killa näyttää olevan samanlaisia kemiallisia koostumuksia [1, s. 19]. Kuivuessaan geeli luo pinnalleen erottuvia kuivaushalkeamia [4].
Geeliä voidaan löytää kaukaa reaktiivisista kiviaineksista, sillä geeli voi tunkeutua betonin ilmahuokosiin ja halkeamiin ja kulkeutua niitä pitkin. Betonin pinnalle halkeamien kautta kul- keutuneen geelin määrä ei kuitenkaan heijasta suoraan alkalikiviainesreaktion aiheuttaman haitallisen laajenemisen määrään. Jotkin reaktiot ovat niin sanotusti myöhään laajenevia, jolloin ne eivät tuota suuria määriä geeliä. Tällaiset hitaat reaktiot liittyvät yleensä mikrokitei- seen kvartsiin. Joissakin kalliotyypeissä, kuten hiekkakivissä, piipitoisissa kalkkikivissä, lius- kekivissä, fylliiteissä, kvartsiiteissa ja leikatuissa graniiteissa reaktio ei yleensä tuota run- saasti geeliä, vaikka betonin sisäinen halkeilu olisikin voimakasta. Geeli voi olla myös vä- häistä reaktiivisissa karbonaattikivissä [4].
3.3 Alkalikiviainesreaktioon vaikuttavat tekijät 3.3.1 Olosuhteet
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
