ALKALIKIVIAINESREAKTIO - MEILLÄ JA MUUALLA

Transkriptio

1 ALKALIKIVIAINESREAKTIO - MEILLÄ JA MUUALLA Hannu Pyy Vahanen Rakennusfysiikka Oy Betonitutkimusseminaari

2 Alkalikiviainesreaktio - hyvä esimerkki siitä, kuinka vaikeaa on tunnustaa jotakin uutta ilmiötä todeksi eli miten tähän päivään on tultu 2

3 USA 1940 alkalikiviainesreaktion aamunkoitto Alkalikiviainesreaktio kuvattiin kirjallisuudessa ensimmäistä kertaa Yhdysvalloissa vuonna 1940 Thomas E. Stanton osoitti, että Kaliforniassa ja 1930-lukujen betonirakenteiden pääasiallinen halkeilu johtui sementin ja kiviaineksen ominaisuuksista ja että reaktioiden aiheuttajana olivat korkean alkalipitoisuuden sementit yhdessä opaalisen kiviaineksen kanssa 3

4 USA 1940 alkalikiviainesreaktion aamunkoitto Professor Duff A. Abrams, PCA, ASCE, 1946 hypoteesi alkalikiviainesreaktiosta perustuu vain epämääräisiin kielikuviin, perusteettomiin väitteisiin ja merkityksettömiin olosuhteisiin mitään todisteita ei ole siitä, että korkean alkalipitoisuuden sementti olisi vaikuttanut millään tavalla halkeiluun ja paisumiseen 4

5 Case Tanska Jo 1910-luvulla on kuvattu mahdollisesti alkalireaktiota betonissa: vuotavia halkeamia ja betonin lohkeilua 1950-luvulla asiaa tutkittin ja todettiin, että Tanskassa esiintyy alkalikiviainesreaktiota 1954 toimikunta ja tutkimusprojekteja asian selvittämiseksi 1961 ohje: Foreløbig vejledning i forebyggelse af skadelige alkalikiselreaktioner i beton (rajoitti reaktiivisen kiviaineksen määräksi 2%) Reaktiivista kiviainesta käytettiin edelleen ja tilanteeseen herättiin 1980-luvun alussa 1987 Basisbetonbeskrivelse, BBB, jossa vaatimus reaktiivisen kiviaineksen rajoittamiseksi (2%) 25 vuotta meni odotellessa ja vaurioita syntyen 5

6 Case Tanska Tänä päivänä selkeät vaatimukset betoneille ja kiviaineksille: 6

7 Case Norja Ensimmäinen alkalireaktiota käsittelevä artikkeli on vuodelta1962, jolloin tehtiin tutkimus saviliuskeen mahdollisesta reagoimisesta alkalien kanssa Vuonna 1978 julkiaistiin tutkimustuloksia uima-altaiden rakenteista ja vesivoimalaitosten turbiinien perustuksista. Näissä päädyttiin tulokseen, että alkalikiviainesreaktio oli syynä vaurioihin molemmissa tapauksissa. Varsinainen systemaattinen alkalireaktiotutkimus käynnistyi vuonna 1988 Runsaasti alkalireaktiotapauksia Norjan petrografinen analyysimenetelmä määrittää reaktiiviset ja ei-reaktiiviset kivet erittäin hyvin 7

8 Case Norja 8

9 Case Ruotsi Ruotsissa tutkimus alkoi 1980 tutkimusprojektissa, jossa todettiin Skaniasta tuodun voimakkaasti reaktiivisen opaalisen kiven olevan todettujen alkalireaktioiden taustalla Samaan aikaan tutkittiin Tukholman alueella siltojen rapautumista. Näissä reaktiivinen kiviaines oli myloniitti ja alkalit tulivat tiesuolauksesta Lisäksi mikrokiteisten piipitoisten kivien (porfyriitti, metaryoliitti) ja voimakkaasti deformoituneiden kivien (kataklastiitti ja myloniitti) on todettu reagoivan eri puolilla Ruotsia erityisesti silta- ja vesirakenteissa 9

10 Case Suomi By 43, Johdanto: Näissä ohjeissa käsitellään ensisijaisesti suomalaista luonnon kiviainesta, joka on yleensä lujaa, kulutusta ja pakkasta kestävää eikä sisällä haitallisia aineita kuten suoloja tai reaktiivisia kivilajeja 4.3 Alkalireaktiivisuus Nykytietämyksen perusteella ei alkalikiviainesreaktio suomalaisia kiviaineksia käytettäessä ole ongelma. Muissa pohjoismaissa on tietyillä alueilla kuitenkin löydetty alkalireaktiivisia.. 10

11 Case Suomi kuitenkin jo 1990-luvulla 11

12 Case Suomi 2012 Alkalireaktioseminaari > Esitutkimus alkalikiviainesreaktiosta ja sen esiintymisestä Suomessa, Hannu Pyy, Erika Holt ja Miguel Ferreira, , VTT-CR /FI By 43, 2018 Alkalireaktiivisuudesta ja alkalikiviainesreaktiosta ajantasainen esitys, s & Kansallinen normi / ohje puuttuu edelleen! 12

13 Alkalikiviainesreaktio yksinkertainen ja samalla niin monimutkainen ilmiö 13

14 Alkalikiviainesreaktion termistö Alkalikiviainesreaktio (AKR), englanniksi alkali-aggregate reaction (AAR) Alkalipiiyhdistereaktio (APR), englanniksi alkali-silica reaction (ASR) alatyypit: ns. alkuperäinen (nopea) APR, jossa reagoiva aines on opaali, kalsedoni, kristobaliitti, tridymiitti, vulkaaninen lasi jne. Hitaan APR:n muoto, aiemmin nimellä alkali-silikaattireaktio, jossa reagoiva aines on edellistä karkeampi, deformoitunut, epätasapainossa oleva, huonosti kiteytynyt tai mikrosäröytynyt kvartsi Molemmissa reagoiva aines on SiO2 Alkalikarbonaattireaktio, englanniksi carbonate reaction (ACR) 14

15 Alkalikiviainesreaktion mekanismi Kyse on kiviaineksen tiettyjen mineraalien ja sementtikiven huokosveden sisältämien alkalien (Na+ and K+) ja hydroksyyli- (OH-) ionien välisestä kemiallisesta reaktiosta 15

16 Alkalikiviainesreaktion mekanismi, se yksinkertainen Alkalikiviainesreaktio (= käytännössä alkalipiiyhdistereaktio) vaatii toteutuakseen: 1. Reaktiivista kiviainesta 2. Suhteellisen korkeaa alkalisuutta 3. Vettä / kosteutta betonissa Jos yksikin ehto puuttuu, ei reaktio käynnisty Jos yksikin tekijä reaktion aikana muuttuu alle tai yli kynnysarvon reaktio pysähtyy Korkea lämpötila lisää rektioherkkyyttä Otollisia ovat kosteat lämpimät tilat, kuten uimahallit, paperitehtaat 16

17 Alkalikiviainesreaktion mekanismi, se monimutkainen Alkalikiviainesreaktio vaatii toteutuakseen: 1. Reaktiivista kiviainesta Jokaisella reaktiivisella kiviaineksella on tietty määrätaso betonissa, jossa reaktio on voimakkain Jos reaktiivinen aines on kokonaan reagoinut, reaktio pysähtyy 2. Suhteellisen korkeaa alkalisuutta Kiviainekset reagoivat tietyllä alkalisuuden tasolla, joka on suhteellisen korkea Jos alkalisuus alenee, reaktio voi pysähtyä tai jos alkalisuus nousee reaktio voi pysähtyä Kun kiviaineksen reaktiivisuus kasvaa, geelin muodostus voi tapahtua pienemmälläkin alkalimäärällä, jolloin AKR:n torjumiseen ei sementtivalinnalla (alhaisemman alkalitason sementti) yksin päästä 17

18 Alkalikiviainesreaktion mekanismi, se monimutkainen Alkalikiviainesreaktio vaatii toteutuakseen: 1. Vettä / kosteutta betonissa Betonin kosteus yli noin 80% RH Helpoin tapa pysäyttää AKR olemassa olevassa rakenteessa on pudottaa RH:n taso alle 80% Esimerkkinä uimahallit: allashuoneissa Suomessa AKR on todettu rakenteissa, jotka ovat jatkuvasti kosketuksissa veteen tai roiskealueella Allashuoneen korkea suhteellinen kosteus ei riitä AKR:n syntyyn 18

19 Esimerkkejä suomalaisista reaktiivisista kivistä Tumma, erittäin hienorakeinen liuske 19

20 Esimerkkejä suomalaisista reaktiivisista kivistä Tumma, erittäin hienorakeinen liuske vs graniitti >> huom. ero raekoossa!! 20

21 Esimerkkejä suomalaisista reaktiivisista kivistä Tumma, erittäin hienorakeinen liuske 21

22 Esimerkkejä suomalaisista reaktiivisista kivistä Deformoitunut graniitti 22

23 Vahasen laboratoriossa vuosina tutkitut alkalikiviainesreaktiokohteet yhteensä 48 kpl AKR-kohteet , 50 kpl - vaurioiden määrä vaihtelee lievästä voimakkaaseen Uima-altaat Sillat Julkisivut Vesitornit Muut 23

24 Vahasen laboratoriossa vuosina tutkitut alkalireaktioita aiheuttaneet Kiviainestyypit, yhteensä 40 kohdetta - vaurioiden määrä vaihtelee lievästä voimakkaaseen Kivilajit AKR-tapauksissa, 40 kpl Tumma liuske Kvartsirikas hienor def.kivi Def. Graniitti muut 24

25 Reaktiiviset kivilajit Suomessa vs Norjan luokittelu 25

26 Ja loppuun havaintoja oikeasta elämästä Kun betonissa on käytetty kiviaineksena kalliomursketta, on odotettavissa, että osassa kiviainesrakeita on sisäisiä halkeamia ja säröjä, jotka näyttävät AKR:ltä. Näitä ei tule raportoida AKR:nä Ulkopinnalle valuva geeli karbonatisoituu ja on helposti sekoitettavissa kalkkivuotoon 26

27 Ja loppuun havaintoja oikeasta elämästä AKR pesubetonissa, jossa pesukivenä kalkkikivirouhetta ja lasimurskaa 27

28 Ja loppuun havaintoja oikeasta elämästä Näytteessä esiintyy satunnaisesti runkoaineskappaleita, joissa esiintyy viitteitä mahdollisesta alkavasta alkalisilikareaktiosta. Kappaleiden sisäosat vaikuttavat käyttäytyvän hauraasti ja niistä vaikuttaa liuenneen ainesta >>> huolellisuutta tutkimukseen ja raportointiin 28

29 ALKALIKIVIAINESREAKTIO - MEILLÄ JA MUUALLA SUOMEN BETONIYHDISTYS, BETONITUTKIMUSSEMINAARI Hannu Pyy Erityisasiantuntija, FM, TkL Vahanen Rakennusfysiikka Oy Betonitekniikka Puh hannu.pyy@vahanen.com

30