Betonin vauriomekanismien yhteisvaikutus

Transkriptio

1 TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R Betonin vauriomekanismien yhteisvaikutus Kirjoittajat: Markku Leivo Hannele Kuosa Erkki Vesikari Miguel Ferreira Esko Sistonen Olli-Pekka Kari Jukka Piironen Luottamuksellisuus: Julkinen

2

3 2 (40) Alkusanat Espoossa 2011 Tekijät Tämä tutkimus oli osa kansainvälistä yhteistyötä Suomen, USA:n, Kanadan, Portugalin ja Norjan kanssa. Suomessa tutkimus toteutettiin Aalto yliopiston ja VTT:n yhteistyönä. Suomessa hanketta rahoittivat TEKES, Tiehallinto/ Liikennevirasto, Ratahallintokeskus, Finnsementti Oy, Parma Oy, Rudus Oy, SBK-säätiö, Helsingin kaupunki, Tampereen kaupunki, Suomen Betoniyhdistys ry sekä TKK/Aalto Yliopisto. Tutkimus jakautui kuuteen tehtävään: 1. nykytilaselvitys 2. kenttätutkimus 3. yhteistoiminnan laboratoriotutkimukset 4. vaurioitumismallinnus 5. käyttöikämallinnus 6. kansainvälinen yhteistyö. Tässä raportissa esitellään kunkin tehtävän tavoitteet, tulokset ja johtopäätökset. Tämä julkaisu on lyhyehkö yhteenvetoraportti hankkeesta. Varsinaiset tulosraportit on lueteltu tämän raportin lopussa julkaisuluettelossa.

4 3 (40) Sisällysluettelo Alkusanat Johdanto Resurssit ja projektiorganisaatio Nykytilakatsaus Tavoite Tulokset Pitkäaikaiset kenttätutkimukset Tavoite Tulokset Johtopäätökset ja merkitys Jatkotutkimustarpeet Yhteisvaikutuksen laboratoriokokeet Part A, Suola-pakkasrasitus ja karbonatisoituminen Tavoite Tulokset Johtopäätökset ja merkitys Part B, Pakkasvaurioituminen ja karbonatisoituminen Tavoite Tulokset Johtopäätökset ja merkitys Part C, Karbonatisoituminen ja kloridien tunkeutuminen Tavoite Tulokset Johtopäätökset ja merkitys Part D, Pakkasvaurioituminen ja kloridien tunkeutuminen Tavoite Tulokset Johtopäätökset ja merkitys Part E, Kloridien tunkeutuminen ja kosteuspitoisuus Tavoite Tulokset Johtopäätökset ja merkitys Jatkotutkimustarpeet Vaurioitumismallinnus Tavoite Tulokset Johtopäätökset ja merkitys Jatkotutkimustarpeet... 27

5 4 (40) 7 Käyttöiän mallinnus Tavoite Pakkasrapautumisen mallintaminen BTB-kenttäkokeiden tuloksiin perustuen Vesisideainesuhteeseen, ilmapitoisuuteen ja sideainekertoimeen perustuva malli P-lukuun perustuva malli Pakkasrapautumisen vaikutus karbonatisoitumisen ja kloridien tunkeutumiseen Teoreettinen tutkimus Koetulosten analysointi Käyttöikäkaavojen vuorovaikutuskertoimien määrittäminen Simulointi Loppupäätelmät Kansainvälinen yhteistyö Julkaisuluettelo... 36

6 5 (40) 1 Johdanto Betonirakenteet kylmissä oloissa voivat vaurioitua esimerkiksi kulutuksen, sisäisen pakkasvaurioitumisen, pakkas-suola rapautumisen tai raudoitteiden korroosion (kloridien tai karbonatisoitumisen aiheuttaman) takia. Kaikkia vaurioitumismekanismeja ei täysin tunneta, mutta perus materiaali- (lujuus, w/c, ilma määrä ja sen laatu, jne.) ja ympäristöparametrit (vedelläkyllästysaste, lämpötila yms.) ja niiden vaikutus tunnetaan. Eri vaurioitumisparametrien yhteistoiminta yleensä lyhentää käyttöikää, mutta on suurelta osin hyvin huonosti tunnettu. Uutuus tässä tutkimuksessa oli eri vaurioitumismallien yhdistäminen yhteen käyttöikälaskennan malliin sekä sen soveltaminen erilaisiin kylmiin olosuhteisiin. Päämääränä oli luoda käyttöikä malli, joka ottaa huomioon yhteistoiminnan, kun eri vauriomekanismit vaikuttavat yhtäaikaisesti. Tutkimuksen tavoitteet olivat: tarkastella yhteistoiminnan fysikaalisia perusteita kerätä laboratorio- ja kenttäkokein tietoa yhteistoiminnan vaikutuksesta käyttöikään kehittää käyttöiän laskentamalli yhteistoiminnan kuvaamiseen.

7 6 (40) 2 Resurssit ja projektiorganisaatio Projektipäällikkö: VTT TKK/Aalto yliopisto Markku Leivo Esko Sistonen Projektinvastuullinen johtaja: VTT Heikki Kukko TKK/Aalto yliopisto Jari Puttonen Projektin johtoryhmä: Virpi Mikkonen, TEKES Ossi Räsänen, Liikenneviraso Jorma Virtanen, Finnsementti Oy Risto Mannonen, BY Petri Mannonen, RT Seppo Matala, Matala Consulting Vesa Anttila, Rudus Oy Jouni Punkki, Consolis Technology Oy Risto Parkkila, VR-Track Oy Pekka Siitonen, Ely-keskus Jari Puttonen, Aalto Yliopisto Heikki Kukko, VTT Projektin tukemiseksi perustettiin myös sidosryhmistä koostunut työryhmä: Ossi Räsänen, Liikenneviraso Esa Heikkilä, Finnsementti Oy Risto Mannonen, BY Petri Mannonen, RT Seppo Matala, Matala Consulting Vesa Anttila, Rudus Oy Jouni Punkki, Consolis Technology Oy Risto Parkkila, VR-Track Oy Pekka Siitonen, Ely-keskus Marja Englund, Fortum Oyj Jari Puttonen, Aalto Yliopisto Heikki Kukko, VTT Muut projektin tekemiseen merkittävästi osallistuneet henkilöt: Hannele Kuosa, VTT Erkki Vesikari, VTT Erika Holt, VTT Miguel Ferreira, VTT Jukka Piironen, Aalto Yliopisto Olli-Pekka Kari, Aalto Yliopisto Fahim Al-Neshawy, Aalto Yliopisto Alihankkijat ja ostetut palvelut: Laboratotiokokeita teki: VTT Expert Services Oy Kenttäkokeissa lämpö ja kosteusmittauksia teki: Fortum Oyj

8 7 (40) 3 Nykytilakatsaus 3.1 Tavoite Erkki Vesikari, Esko Sistonen Pohjoismaisissa ympäristöissä, betonirakenteissa, kuten esimerkiksi padoissa, laitureissa, silloissa ja majakoissa vaikuttaa usein samanaikaisesti monenlaisia vaurioittavia ilmiöitä. Kuitenkin yhteisvaikutukset jätetään yleisesti huomiotta. On siis tarpeen kehittää parempaa ymmärrystä todellisista vuorovaikutuksista näiden eri tekijöiden välillä. Tällöin voidaan paremmin arvioida betonirakenteiden käyttöikää luonnon olosuhteissa. Nykytilakatsauksen tavoitteena oli kerätä raporttiin hankkeen lähtötilanne ja lähestymistapa. Raportin tarkoituksena oli tarkastella eri vauriotekijöitä, kun ne vaikuttavat yksin ja yhdessä muiden vaurioittavien rasitusten kanssa ja sitten raportoida malleja käyttöiän laskentaan 3.2 Tulokset Vuorovaikutus kahden tai useamman tyyppisen vauriorasituksen välillä todennäköisesti nopeuttaa vaurioitumista. Yhdistetyn vaurioitumisen vaurioitumisaste on kuvattu erillisten vaurioitumisasteiden ja yhteistoimintakertoimen avulla. Fysikaalisten vaurioitumis-mekanismien katsaus osoittaa, että yhteistoiminta pääsääntöisesti lyhentää rakenteiden odotettavissa olevaa käyttöikää. Esitetään yhteistoimintakertoimen määrittelemiseen lähestymistapa. Laboratoriokokein tai kenttäseurannasta saatavalla tiedolla on mahdollista määrittää yhteistoimintakertoimet. Yleinen järjestelmä vauriomekanismien yhteistoiminnan mallintamiseen betonirakenteissa on esitetty. Tämä menetelmä perustuu sekä kenttä- että laboratoriokokeisiin. Koska vaurioitumisen mekanismit perustuvat yleensä johonkin tunnettuun fysikaaliseen tai kemialliseen prosessiin, kuten diffuusio, kemialliset reaktiot, kuluminen, faasimuutoksiin jne. yksinkertainen vaurioitumisen malli voidaan johtaa teoreettisesti. Laboratoriokokeita käytetään parametrien määritykseen ja kvantifiointiin teoreettisille vauriomalleille. Tietokonesimulointia käytetään jatkuvasti vaihtuvien sääolojen ja muiden vaurioitumistekijöiden yhdistämiseen kehitettyyn vauriomalliin. Teoriassa tietokonesimulointi on tehokas tapa käsitellä tällaisia monimutkaisia ilmiöitä. Kuitenkin tietokonesimulointi on kalibroitava kenttä- ja laboratoriokokeiden kautta. Käyttämällä kalibroitua tietokonesimulaatiota voidaan kehittää käyttöikämalleja suunnittelun tarkoituksiin. Suomen kansallisissa käyttöiän suunnitteluohjeissa käytettävistä kertoimista suuri osa on määritetty tietokonesimuloinnilla. Eri vaurioitumismekanismeja ja niiden yhteisvaikutuksia voidaan yhtäaikaisesti simuloida läpi koko rakenteen käyttöiän. Viitteet Esko Sistonen (TKK) & Erkki Vesikari (VTT). Effect of Interacted Deterioration Parameters on Service Life of Concrete Structures in Cold Environments State of the Art. Research Report VTT-R , s.

9 8 (40) 4 Pitkäaikaiset kenttätutkimukset Hannele Kuosa 4.1 Tavoite Betonin säilyvyyden pitkäaikaisseuranta eli nk. kenttätutkimukset tarkoittavat luonnon-mukaisissa rasitusolosuhteissa, mutta kuitenkin tarkoin kokeellisin mittauksin ja analyysein tehtävää vaurioitumisen pitkäaikaisseurantaa ja -tutkimusta. DuraInt projektissa käynnistettyjen ja jo aiemmissa projekteissa käynnistettyjen kenttä-tutkimusten yleisenä tavoitteena oli Suomen olosuhteita vastaavan säilyvyystietouden ajanmukaistaminen ja ajan tasalla pitäminen. Oleellisena tavoitteena oli, että kenttämittaukset voivat jatkua riittävän pitkään, mieluiten vähintään 20 vuotta. Myös tarkan lähtö- ja mittaustiedon pitkäaikainen ja luotettava tallentaminen katsottiin oleelliseksi. Tavoitteena oli myös se, että kenttämittauksia voidaan laajentaa tulevaisuuden tarpeiden mukaisesti. Kenttäolosuhteiden betonien vaurioitumisnopeuksista tarvitaan tietoa, jotta voidaan varmentaa ja kehittää vaurioitumis- ja käyttöikämalleja sekä laskentamenetelmiä. Nämä eivät voi perustua yksinomaan laboratoriokokeisiin, jotka ovat yksinkertaistettuja ja lisäksi yleensä monin tavoin kiihdytettyjä. Nykyiset laboratoriokokeet eivät myöskään ota huomioon sitä, miten eri vaurioitumismekanismit ovat toistensa kanssa vuorovaikutuksessa. Moninaiset ulkoiset rasitustekijät, jotka vastaavat nimenomaan Suomen olosuhteita, tulevat parhaiten otetuiksi huomioon luonnonolosuhteissa tehtävässä vaurioitumisen seurannassa. Kenttätutkimusten antamaan tietoa tarvitaan, jotta laadunvalvonnan kokeellisia menetelmiä voidaan kehittää luonnonolosuhteita mahdollisimman hyvin vastaaviksi. Edelleen tietoa tarvitaan mallinnusten lisäksi myös käytännön säilyvyys- ja laadunvalvontaohjeistuksen tueksi. DuraInt projektissa tavoitteena oli uuden tieolosuhteita vastaavan koekentän perustaminen jo olemassa olleiden kahden koekentän lisäksi (Kuva 1). Kenttätutkimuksiin sisältyi sekä kloridien tunkeutumisen, suola-pakkas- ja pakkas-vaurioitumisen että karbonatisoitumisen koesarjoja. Kloridien tunkeutumisnopeudesta tavoitteena oli saada tietoa nimenomaan tieolosuhteissa Suomessa. Tieolosuhteissa kloridit pääsevät suolauskauden aikana tunkeutumaan betoniin, mutta toisaalta voivat erityisesti sateiden vaikutuksesta siitä myös poistua. Tavoitteena oli saada tietoa myös siitä, miten betonipinnan laadun parantaminen muottikangasta tai vettä hylkivää impregnointia käyttäen vaikuttaa kloridien tunkeutumiseen tieolosuhteissa sekä siitä, miten etäisyys tiestä vaikuttaa betonipinnalle kulkeutuvien ja siihen tunkeutuvien kloridien määrään. Karbonatisoitumisnopeudesta tavoitteena oli saada tietoa sateelta suojatussa ulkoolosuhteessa, joissa karbonatisoitumisnopeuden tiedetään olevan suurinta. Betonin sideainevaikutusten lisäksi tavoitteena oli saada tietoa vesisideainesuhteen sekä myös suojahuokostuksen määrän ja laadun merkityksistä sekä pakkas- ja suola-pakkasvaurioitumisessa että myös kloridien tunkeutumisessa ja karbonatisoitumisessa.

10 9 (40) Kuva 1. Koekenttien sijainti Suomessa. Kotkassa sijaitseva koekenttä on tienvieruskoekenttä, jossa koekappaleisiin kohdistuu tiesuolauksen vuoksi myös kloridirasitus. DuraInt-projektin koekappaleita sijoitettiin myös Ruotsiin Borås in tienvieruskoekentälle. Betonin ja usein nimenomaan sen pintaosan tiiviys ja muut ominaisuudet kuten lujuus ovat oleellisessa asemassa sen säilyvyydessä. Pintaosan ominaisuudet muuttuvat ajan kuluessa paitsi betonin kovettumisen edetessä myös muista syistä. Ilman hiilidioksidin aiheuttama karbonatisoituminen sekä ulkoisten olosuhteiden aiheuttama kuivuminen muuttavat pintaominaisuuksia. Pintaosaan voi myös muodostua eri syistä säröjä ja toisaalta betonin pienet vauriot voivat korjautua ajan kuluessa itsestään. Kenttätutkimuksissa tavoitteena pidettiin sitä, että saadaan tietoa siitä, miten betonin luonnonmukainen vanheneminen vaikuttaa sen säilyvyyteen. Betonin vanhenemisen vaikutusten tiedetään olevan oleellisesti erilaista sen mukaan, minkälainen betonin sideaineen koostumus on. Tämän vuoksi tutkimukset tehtiin käyttäen eri sementtityyppejä ja lisäksi niihin sisältyi myös betoneja, joissa oli seosaineena masuunikuonaa tai lentotuhkaa. 4.2 Tulokset DuraInt-kenttäkokeiden rungon muodostaa 23 betonikoostumuksen koesarja, jossa päämuuttujina ovat sideainetyyppi ja massan vesi-sementtisuhde. Tässä koesarjassa erilaisia sementti- tai sideainekoostumuksia on kahdeksan. Vesisementtisuhde on kaikkiaan 0,39 0,60 ja suurimmassa osassa tieolosuhteiden betoneista se on 0,42. Puristuslujuus on kaikkiaan MPa. Osin myös ilmamäärä vaihtelee tutkimus-tarpeen mukaisesti, mutta pääosin se on hieman yli 5 %. Mukana on myös muutama huokostamaton betonikoostumus. Tämän peruskoesarjan kenttäkokeet alkoivat syksyllä Hieman alle puolet valuista tehtiin VTT:n laboratoriossa Otaniemessä ja loput Ruduksen Konalan betoniasemalla sekä Parma Oy:n Forssan elementtitehtaalla. Tienvieruskoekentälle tehtiin yksi lisäkoesarjaa keväällä 2008 (4 betonia, pakkassuolarapautuminen) sekä yksi syksyllä 2009 (6 betonia, kloridien tunkeutuminen). Tämänkin jälkeen tienvieruskentälle on viety uusia betonikoostumuksia, mutta ne eivät sisälly DuraInt-projektin raportointiin (2011). Nämä tutkimukselliset (mm.

11 10 (40) Finnsementti Oy) betonikoostumukset ja niitä vastaavat laboratoriotutkimusten tulokset on kuitenkin viety projektin tulostietokannan Exceliin, jota päivitetään jatkossa, kun mittaustuloksia saadaan. Tähän tietokantaan vietiin myös aiempien kenttätutkimusten (BTB-, CONLIFE- ja YMP-BET-projektit) tuloksia omissa Excel-taulukoissaan. Näitä jo pidempiaikaisia kenttäkokeita myös päivitettiin DuraInt-projektin aikana tehdyillä uusilla mittauksilla. Koekenttien pakkas- ja suola-pakkaskoekappaleiden mittaukset tehtiin syksyn 2007 jälkeen joka kevät ( ) ja kloridien tunkeutuminen tutkittiin keväällä 2008 ja 2010 eli ensimmäisen ja kolmannen talven jälkeen. Kenttätutkimuksissa saatiin jo projektin aikana käytännön kannalta merkitseviä tuloksia. Säilyvyysmallinnuksen varmennukseen mittaustietoa on kuitenkin toistaiseksi vasta suhteellisen lyhyeltä aikajaksolta. Joka tapauksessa voitiin todeta, että kenttämittauksin on mahdollista saada tarkkaa ja luotettavaa tietoa koekappaleiden tilavuuden muutoksista (mm. rapautuminen), sisäisestä vaurioitumisesta tai lujittumisesta, kloridien tunkeutumisesta (kloridiprofiilit) ja karbonatisoitumisen etenemisestä. Kenttätutkimusten lisäksi tehtiin paljon niihin liittyviä laboratoriotutkimuksia, joiden antamia tuloksia verrattiin tai voidaan jatkossa verrata kenttäkokeiden tuloksiin. Näihin tutkimuksiin sisältyivät betonien massaominaisuuksien kuten ilmamäärän, puristuslujuuden, ilmamäärän ja ilmahuokosrakenteen, kiihdytetyn kloridien tunkeutumisen (migraatiokerroin) ja kiihdytetyn (hiilidioksidipitoisuus1 %) sekä normaalissa ilman hiilidioksidipitoisuudessa (noin 0,042 %) ja suhteellisessa kosteudessa RH 65 % tapahtuvan karbonatisoitumisen tutkimukset. Lisäksi laboratoriotutkimuksiin sisältyivät pakkasrapautumatutkimukset standardimenettelyssä (pakkasaltistus 31 d iässä) sekä vähintään vuoden ajan vanhennetuilla betoneilla, joiden pinta joko oli tai ei ollut altistunut ilman hiilidioksidin karbonatisoivalle vaikutukselle. Nämä tutkimukset tehtiin, koska aiempiin tuloksiin perustuen oli oletettavissa, että vanhennus vaikuttaa oleellisesti rapautumaan ja lisäksi vastaavuus kenttäkokeiden rapautumatulosten kanssa paranee karbonatisoivan vanhennuksen tapauksessa. Koska DuraInt-projektissa aloitettujen kenttäkokeiden koekappaleet eivät vielä ole rapautuneet merkittävästi, tämä vertailu voidaan tehdä vasta tulevaisuudessa. Seuraavassa esitetään joitakin kenttäkokeiden ja niihin liittyvien laboratoriokokeiden tulosesimerkkejä. Kloridien tunkeutuminen tieolosuhteissa Kuvassa 2 on esitetty kolmen talvikauden jälkeisiä kloridiprofiileja sideaineeltaan ja vesi-sideainesuhteeltaan erilaisille betoneille. Kuvassa 3 on esitetty kolmen talvikauden jälkeiset kloridipitoisuuksia 0,2 p.-% ja 0,3 p.-% sementistä vastaavat kloridien tunkeutumissyvyydet. Betonipinnan vettä hylkivän impregnoinnin sekä muottikankaan käytön voitiin todeta vähentävän kloridien tunkeutumista betoniin (Kuva 3). Kuvassa 4 on esitetty, miten kenttäkoekappaleiden kloridipitoisuudet ja laboratoriossa kloridien migraatiokertoimet (D nssm, koemenetelmänä NT Build 492) ovat suhteessa toisiinsa. Kuvassa kloridipitoisuuksia, jotka vastaavat yhtä talvea ja kolmea talvea koekentällä.

12 Cl [% of cement] TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R (40) 0,700 0,600 3 years - No. 6, 1A, w /b = 0.41, CEM II/B-S 42,5 N 3 years - No. 7, 2A, w /b = 0.42, CEM I 42,5 N - SR 3 years - No. 8, 3A, w /b = 0.42, CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N 3 years - No. 9, 5A, w /b = 0.42, CEM II/A-LL 42,5 R 0,500 0,400 3 years - No. 10, 6A, w /b = 0.42, CEM I 52,5 R 3 years - No. 11, 7A, w /b = 0.42, CEM II/A-LL 42,5 R & Finnsementti SLG KJ400 3 years - No. 12, 8A, w /b = 0.45,CEM II/A-LL 42,5 R & FA [EN ] Fineness N, Class A 3 years - No.19, 1C, w /b = 0.47, CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N 0,300 3 years - No. 20, 3C, w /b = 0.49, CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N 3 years - No. 22, 5C, w /b = 0.51, CEM II/A-LL 42,5 R 3 years - No. 23, w /b = 0.40, 6C, CEM I 52,5 R 0,200 average 0-level ,100 0, Depth [mm] Kuva 2. Tienvieruskoekentän koekappaleiden kloridiprofiileja. Määritys keväällä 2010, kolmannen talven jälkeen. Koekappaleiden etäisyys tien reunasta on 4,5 m. Erityisesti vesi-sideainesuhde ja sideainetyyppi vaikuttavat kloridit tunkeutumiseen. Depth [mm] 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 no. 6 - w/b CEM II/B-S 42,5 N no. 7 - w/b CEM I 42,5 N - SR no. 8 - w/b CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N no. 9 - w/b CEM II/A-LL 42,5 R no w/b CEM I 52,5 R no w/b CEM II/A-LL 42,5 R & Finnsementti SLG KJ400 Depth [mm] for Cl = 0,2 % of cement Depth [mm] for for Cl = 0,3 % of cement no w/b CEM II/A-LL 42,5 R & FA [EN ] Fineness N, Class A no w/b CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N no w/b CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N no w/b CEM II/A-LL 42,5 R no w/b CEM I 52,5 R no w/b CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N - 3D 3 - impregnation no w/b CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N - 3D 6 - impregnation no w/b CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N - 3D 9 - impregnation no w/b CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N - 3D 12 - form lining no w/b CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N - 3D 15 - form lining no w/b CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N - 3D 18 - form lining no w/b CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N - 3D reference Kuva 3. Kloridipitoisuuksia 0,2 p.-% ja 0,3 p.-% sementistä vastaavat kloridien tunkeutumissyvyydet koekappaleissa (Depth) kolmannen talven jälkeen. Alaosassa tulokset koekappaleista, jotka käsiteltiin vettähylkivällä impregnointiaineella (Impregnation) sekä koekappaleille, jotka valmistettiin muottikangasta käyttäen (form lining). Viimeinen tulos on edellisten vertailutulos (sama betoniannos, koekappaleessa lautamuottipinta).

13 Cl-content [% of cement] TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R (40) 0,350 0,300 0,250 Dnssm testing according to NT Build with sawed specimen middle surface R 2 = 0,9649 at 5.0 mm, 1 winter, ,200 0,150 R 2 = 0,2687 R 2 = 0,661 at 5.0 mm, 3 winters, ,100 at 5.0 mm, 1 winter, ,050 0,000 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 Dnssm [x10-12 m 2 /s] a) b) Kuva 4. a) Kenttäkoekappaleiden kloridipitoisuus 5 mm syvyydellä kloridimigraatio-kertoimen funktiona. Migraatiokertoimet määritettiin laboratoriossa betonien 3 kk iässä (D nssm, NT Build 492). Kuvassa tuloksia, jotka vastaavat yhtä ja kolmea talvea koekentän tieolosuhteissa. b) Migraatiokertoimen (D nssm ) määrityslaitteisto. Karbonatisoituminen katetussa ulko-olosuhteessa Kuvassa 5 on esitetty karbonatisoitumissyvyys katetussa tilassa olleille kenttäkoekappaleille sekä laboratoriossa vakio-olosuhteessa olleille betoneille kiihdytetyssä karbonatisoinnissa olleiden betonien karbonatisoitumissyvyyden funktiona. Lineaarinen korrelaatio (R 2 ) oli tapauksen mukaan 0,69 0,95. Monien betonien, joiden vesi-sideainesuhde (w/b) oli 0,42, karbonatosoitumissyvyys koekentällä oli alle 0,5 mm noin 2,1 vuoden jälkeen. Keskimäärin se oli 0,7 mm. Betonien, joiden w/b oli 0,60, vastaava karbonatisoitumissyvyys oli sen sijaan 4 mm. Myös sideaineen koostumus vaikutti selvästi karbonatisoitumisnopeuteen. Sementillä CEM I karbonatisoituminen oli hidasta. Erityisen suuri ilmamäärä lisäsi myös karbonatisoitumista. Kuvassa 6 on esitetty joidenkin sideaineeltaan ja w/bsuhteeltaan erilaisten betonien karbonatisoitumissyvyydet.

14 Carbonation [mm] Carbonation [mm] Carbonation (RH 65 % or field) [mm] TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R (40) 6,00 5,00 4,00 3,00 Field carbonation depth (268 d) [mm] (September May 2008) Field carbonation depth (772 d) [mm] ( ) Carbonation at RH 65 %: average 8,3 months (7,7 9,0 months) [mm] y = 0,4363x - 0,8061 R 2 = 0,9522 y = 0,3919x - 1,0954 R 2 = 0,7337 2,00 1,00 y = 0,218x - 0,6379 R 2 = 0,6905 0,00 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 Carbonation at 1 % CO 2 [mm] Kuva 5. Karbonatisoitumissyvyys katetussa tilassa olleille kenttäkoekappaleille (ajankohtina 9 kk ja noin 2 vuotta) sekä laboratoriossa 8,3 kk vakio-olosuhteessa olleille betoneille (suhteellinen kosteus RH 65 %, lämpötila 20 o C) kiihdytetyssä karbonatisoinnissa (56 d, 1 % CO 2 ja 20 o C) olleiden betonien karbonatisoitumissyvyyden funktiona At Cabinet: 1%CO2; RH60%; T=21oC (56 d) At RH 65 %: average 8,3 months (7,7 9,0 months) [mm] Field carbonation depth (268 d) [mm] ( : September May) Field carbonation depth (772 d) [mm] ( ) At Cabinet: 1%CO2; RH60%; T=21oC (56 d) At RH 65 %: average 8,3 months (7,7 9,0 months) [mm] Field carbonation depth (268 d) [mm] ( : September May) Field carbonation depth (772 d) [mm] ( ) CEM I 52,5 R 1. CEM II/B- S 42,5 N 2. CEM I 42,5 N - SR 18. CEM I 52,5 R 7. CEM II/A- LL 42,5 R & FA 4. CEM II/A- LL 42,5 R 3. CEM II/A- M(S-LL) 42,5 N 6. CEM II/A- LL 42,5 R & SLG a) b) CEM I 52,5 N 19. CEM II/A- 17. CEM II/A-LL M(S-LL) 42,5 N 42,5 R 14. CEM II/B-S 42,5 N 15. CEM II/A- M(S-LL) 42,5 N Kuva 6. Karbonatisoitumissyvyys betoneille, joiden w/b ja sideaine ovat erilaisia: a) w/b ja b) w/b Karbonatisoitumissyvyys kiihdytetyssä karbonatisoinnissa (56 d, 1 % CO 2 ja 20 o C) saadun tuloksen mukaisesti järjestettynä. Pakkasrasitus sisäinen halkeilu (Otaniemen koekenttä) Kuvassa 7 on esitetty kenttäkoekappaleiden suhteellinen dynaaminen kimmomoduuli (RDM, määritys ominaisfrekvenssin mittauksella (FF)) ensimmäisen, toisen ja kolmannen talven jälkeen ja lisäksi ensimmäisen kesän jälkeen määritettynä. Toistaiseksi näissä Otaniemen koekentän kappaleissa ei ole havaittavissa merkittävää pakkasvaurioitumista. Itse asiassa RDM on kasvanut, mikä johtuu betonin lujuuden kasvusta.

15 RDM (by FF) [%] Volume change [%] RDM (by FF) [%] TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R (40) winter +1 summer 21. CEM I 52,5 N (w/b 0.46) 22. CEM II/A- LL 42,5 R (w/b 0.51) winter 2 winters 3 winters 25. CEM II/B- S 42,5 N (w/b 0.60) 26. CEM II/A- M(S-LL) 42,5 N (w/b 0.58) 27. CEM I 52,5 N (w/b 0.54) 28. CEM II/A- LL 42,5 R (w/b 0.54) Kuva 7. Otaniemen kenttäkoekappaleiden suhteellinen dynaaminen kimmomoduuli (RDM) ensimmäisen, toisen ja kolmannen talven jälkeen. Pakkas-suolarasitus sisäinen halkeilu ja pinnan rapautuminen (Tienvieruskoekenttä) Kuvassa 8 on esitetty tienvieruskoekentän pakkas-suolakoekappaleiden tulokset ensimmäisten kolmen altistusvuoden osalta. Sekä sisäistä vaurioitumista kuvaava RDM-arvo että tilavuuden muuttuminen eli mahdollinen rapautuminen ovat kaikille betoneille samansuuntaisia ja suhteellisen pieniä. Voidaan olettaa, että ne ovat aiheutuneet tässä altistuksen alkuvaiheessa muista syistä kuin sisäisestä vaurioitumisesta eli mikro-halkeilusta tai pinnan rapautumisesta. Muutokset johtuvat todennäköisesti lähinnä lujuuden kasvusta, kosteus- ja suolapitoisuuden muutoksista sekä paisumisesta ja kutistumisesta. Joka tapauksessa voidaan nähdä, että kenttäkoekappaleissa tapahtuvien pienten muutosten luotettava mittaaminen on mahdollista. Näin ollen tulevaisuudessa saadaan luotettavaa tietoa myös todellisesta pakkas-suolavaurioitumisesta. a) b) 110,0 109,0 108,0 107,0 6. CEM II/B-S 42,5 N (w/b 0.41) 7. CEM I 42,5 N - SR (w/b 0.42) 8. CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N (w/b 0.42) 0,40 0,20 6. CEM II/B-S 42,5 N (w/b 0.41) 7. CEM I 42,5 N - SR (w/b 0.42) 8. CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N (w/b 0.42) 106,0 105,0 104,0 103,0 102,0 101,0 9. CEM II/A-LL 42,5 R (w/b 0.42) 10. CEM I 52,5 R (w/b 0.42) 11. CEM II/A-LL 42,5 R & SLG (w/b 0.42) 12. CEM II/A-LL 42,5 R & FA (w/b 0.45) 19. CEM II/B-S 42,5 N (w/b 0.47) 0,00-0,20-0,40 9. CEM II/A-LL 42,5 R (w/b 0.42) 10. CEM I 52,5 R (w/b 0.42) 11. CEM II/A-LL 42,5 R & SLG (w/b 0.42) 12. CEM II/A-LL 42,5 R & FA (w/b 0.45) 19. CEM II/B-S 42,5 N (w/b 0.47) 100,0 99,0 98,0 97,0 1 winter 2 winters 3 winters 20. CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N (w/b 0.49) 22. CEM II/A-LL 42,5 R (w/b 0.51) 23. CEM I 52,5 R (w/b 0.40) -0,60-0,80 1 winter 2 winters 3 winters 20. CEM II/A-M(S-LL) 42,5 N (w/b 0.49) 22. CEM II/A-LL 42,5 R (w/b 0.51) 23. CEM I 52,5 R (w/b 0.40) Kuva 8. Tienvieruskoekentän, jossa koekappaleisiin kohdistuu jäädytyssulatuksen ja tiesuolauksen aiheuttama pakkas-suolarasitus, koetuloksia a) Suhteellinen dynaaminen kimmomoduuli (RDM, määritys ominaisfrekvenssin mittauksella (FF)) kolmen talven jälkeen ja b) koekappaleiden keskimääräinen tilavuuden muutos (3 rinnakkaiskoe-kappaletta). Positiivinen (+) tilavuudenmuutos tarkoittaa tilavuuden kasvua.

16 15 (40) 4.3 Johtopäätökset ja merkitys Sekä kloridien tunkeutumisen että karbonatisoitumisen osalta saatiin jo kolmen vuoden kenttäkokeiden aikana tuloksia vesi-sideainesuhteen, sideaineen koostumuksen ja ilmamäärän vaikutuksista sekä betonipinnan suojaus- ja tiivistysmenetelmien tehokkuudesta. Tuloksia voitiin myös jo verrata laboratoriossa kiihdytetyin koemenetelmin saatuihin tuloksiin. Jatkossa näiden kenttäkokeiden antama tieto varmentuu oleellisesti. Sekä kolmen vuoden jälkeinen kloridien tunkeutuminen että karbonatisoituminen ovat tapahtuneet osin vasta betonien hyvinkin ohuessa pintakerroksessa, mikä ei vielä anna riittävän luotettavaa tietoa erilaisten betoni-koostumusten pitkäaikaiskäyttäytymisestä. Tuloksin perustuen voitiin myös päätellä, että betonin pinnan laadulla ja tiiviydellä on suuri merkitys. Pakkas-suolarapautuman osalta on ollut jo pitkään tiedossa se, että betonin todellinen rapautuminen ei aina vastaa laboratoriossa tehtyjen kiihdytettyjen kokeiden antamaa ennakkotietoa. Tällaisia huonon korrelaation tuloksia on saatu esimerkiksi Ruotsissa Boråsin koekentällä Rv60:n varrella tehdyissä kenttäkokeissa. Myös betonin sisäisestä pakkas-vaurioitumisesta on tarpeen saada lisätietoa, koska laboratorio- ja kenttäkoetulosten välillä on havaittu ristiriitaisuuksia. DuraInt-projektin betonien vasta kolme vuotta jatkuneissa kenttäkokeissa jäädytys-sulatuksen aiheuttamaa oleellista vaurioitumista ei vielä tapahtunut. Voitiin kuitenkin todeta, että pienetkin muutokset ovat tarkoin mitattavissa. DuraInt projektissa aloitettujen kenttäkokeiden avulla tullaankin jatkossa saamaan paljon tarkkaa tietoa kenttäolosuhteissa tapahtuvasta vaurioitumisesta. Tuloksia voidaan jatkossa myös verrata laboratoriossa tehtyjen kokeiden antamiin tuloksiin, jotka sisältävät myös tulokset vanhennetuilla koekappaleilla. Tämä mahdollistaa osaltaan luonnonolosuhteita nykyistä paremmin vastaavien laadunvalvonnan koemenetelmien kehittämisen. Oleellista on, että kenttäkokeet ovat nyt käynnissä ja kaikki lähtötiedot ja tulokset ovat siten tallennettuna, että ne säilyvät käyttökelpoisina uusienkin sukupolvien käyttöön. Kenttäkokeiden tulokset ovat näin jatkossa käytettävissä betonin säilyvyyden käyttöikämallinnusta kehitettäessä ja verifioitaessa. 4.4 Jatkotutkimustarpeet Säilyvyystutkimus on pitkäjännitteistä työtä, jossa myös paras hyöty saavutetaan vasta pitkän ajan kuluessa. Oleellista on, että säilyvyyden seurantaa jatketaan Suomessa vielä nyt päättyneen projektijakson jälkeenkin vähintään 20 vuoteen asti. Suomen koekentille on syytä viedä jatkossa myös uusia ja erityisesti ekologisia sideaine- ja betonikoostumuksia, mitä onkin jo tapahtunut. Myös eri tavoin erityisesti kloridirasitukselta suojattujen koekappaleiden kenttätutkimuksia tulisi laajentaa. Myös valu- ja valmistusvaiheeseen liittyvien tekijöiden sekä altistusajankohdan merkitystä tulisi selvittää myös kenttäkokein. Kenttäkokein tulisi hankkia tietoa myös halkeilun vaikutuksista betonirakenteiden säilyvyyteen.

17 16 (40) Tavoitteena tulisi olla se, että käyttöikämalleja voidaan tulevaisuudessa kehittää ja verifioida siten, että ne ottavat huomioon erilaiset betonirakenteiden pintaominaisuudet sekä tyypillisesti nimenomaan betonin pintaosassa tapahtuvat vuorovaikutteiset vaurioitumismekanismit. Kenttäkoekappaleiden vaurioitumisen mittausta tulisi tehdä suunnitellusti, jotta tulevaisuudessa tuloksia olisi käytettävissä riittävän kattavasti säilyvyysmallinnuksen ja -ohjeistuksen tarpeisiin. Olisi hyvä, jos kenttätutkimusten ja niitä täydentävien tutkimusten sekä käyttöikämallinnuksen pitkäjänteinen jatkuminen Suomessa voitaisiin varmistaa sekä vastuiden ja resurssien että rahoituksen osalta. Viitteet Kuosa, H. Concrete durability field testing. Field and laboratory results in DuraInt-project. VTT Research Report VTT-R s. + Liitteet. Kuosa, H. Concrete Durability Field Testing in Finland. Proceedings of Nordic Concrete Research Symposium, Finland, June 2011, s Holt, E., Kuosa, H., Leivo, M., Vesikari, E. Deterioration by frost, chloride and carbonation interactions based on combining field station and laboratory results. ConcreteLife 09 Workshop: 2nd International RILEM Workshop on Concrete Durability and Service Life Planning, 6-10 September 2009, Haifa, Israel. pp Kuosa, H. Concrete durability field testing - Durafield-project. Proceedings Nordic Concrete Research. NCR. Bålsta, Sweden, 2008, s Kuosa, H., Vesikari, E., Holt, E., Leivo, M. Field and Laboratory Testing and Service Life Modelling in Finland, Nordic Exposure Sites. Input to revisions of EN Workshop Proceeding from a Nordic Miniseminar, Hirtshals Denmark, November The Nordic Concrete Federation, s Kuosa, H. Durafield-projekti - betonin säilyvyyden pitkäaikaiset Kenttätutkimukset ( Durafield project concrete durability field testing ), Betoni, Vol. 4, 2007, s

18 17 (40) 5 Yhteisvaikutuksen laboratoriokokeet Markku Leivo, Hannele Kuosa, Jukka Piironen Tehtävän tarkoituksena oli selvittää laboratoriokokein miten vaurioitumismekanismien yhteistoiminta vaikuttaa odotettavissa olevaan käyttöikään. Laboratoriokokeissa tutkittiin seuraavia yhdistettyjä vauriomekanismeja: karbonatisoituminen ja suola-pakkasrasitus (rapautuma) karbonatisoituminen ja pakkasvaurioituminen (sisäinen) karbonatisoituminen ja kloridien tunkeutuminen pakkasrasitus ja kloridien tunkeutuminen kloridien tunkeutuminen ja kosteuspitoisuus. Lisäksi tutkittiin karbonatisoitumisen ja kloridien kemialliset vaikutukset sementtikiveen. Laboratoriokokeiden rakenne esitetään kuvassa 9. Kuva 9. Yhteisvaikutuksen laboratoriokokeiden toteuttaminen. 5.1 Part A, Suola-pakkasrasitus ja karbonatisoituminen Tavoite Tulokset Koesarjan tavoitteena oli selvittää kuinka karbonatisoituminen vaikuttaa suolapakkas rapautumiseen. Vesisementtisuhde ja sideainelaatu olivat tutkimuksessa muuttujina. Kokeen järjestelyä kuvataan kuvassa 10. Koesarja jakautuu kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa vanhennettuihin kappaleisiin kohdistettiin suolapakkasrasitus ja mitattiin rapautumaa. Toisessa osassa samat jo rapautuneet kappaleet karbonatisoitiin kiihdytetyssä oloissa ja sitten niihin kohdistettiin toinen sarja suola-pakkasrasitusta. Kumpaankin osaan tuli kaksi sarjaa koekappaleita. Toisessa sarjassa ensimmäinen vanhennus oli vuoden kuivuminen ja karbonatisoituminen. Toisessa sarjassa ensimmäinen vanhennus oli vain kuivuminen. Karbonatisoitunut kerros poistettiin kappaleista ennen suola-pakkas

19 18 (40) rasitusta. Toinen vanhennuskierros oli kummallekin kiihdytetty karbonatisoituminen. Kuva 10. Karbonatisoitumisen ja suola-pakkasrasituksen koesarjan toteutus. Karbonatiasoitumisen pakkasrapautumista kiihdyttävästä vaikutuksesta saatiin osin ristiriitaisia tuloksia. Koesarjoissa vaikutus oli hyvin selvä, mutta sideaineen vaikutus oli osin ristiriitainen aikaisempiin oletuksiin nähden. Kuonan vaikutus ei näissä kokeissa ollut erilainen muihin sideaineisiin verrattuna. Karbonatisoituneiden koekappaleiden rapautumat olivat vain muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta suuremmat kuin standardimenetelmällä mitatut suola-pakkasrapautumat. Kokeissa, missä jo kardonatisoidut kappaleet olivat olleet suola-pakkasrasituksessa, ei toinen karbonatisoitumiskierros ja sitä seuraava suola-pakkasrasitus juurikaan lisännyt rapautumaa. Rapautumanopeus oli huomattavasti hitaampi kuin ensimmäisellä suola-pakkaskierroksella. Sen sijaan kokeissa, joissa ensimmäisellä suola-pakkasrasituksella kappaleet olivat vanhennettuja, mutta eivät karbonatisoituneita, rapautuma oli varsin vähäinen. Kun näiden kappaleiden annettiin karbonatisoitua ja sen jälkeen laitettiin suola-pakkasrasitukseen, kasvoi rapautuma merkittävästi. Kuvassa 11 esitetään rapautumatuloksia eri vanhennus käsittelyillä.

20 19 (40) Kuva 11. Koekappaleiden vanhennuksen vaikutus suola-pakkasrapautumaan Johtopäätökset ja merkitys Suola-pakkasrapautuman määrittämisessä on koekappaleiden ikääntymisellä hyvin suuri merkitys. Näiden kokeiden mukaan merkittävin tekijä näyttäisi olevan pinnan karbonatisoituminen, joka selvästi lisäsi rapautuman määrää. On huomattava, että hyvin huokostetuilla massoilla, joilla rapautuma on vähäistä, tämä lisääntynyt rapautuma on myös vähäinen. 5.2 Part B, Pakkasvaurioituminen ja karbonatisoituminen Tavoite Tulokset Koesarjojen tavoitteena oli selvittää sisäisen pakkasvaurioitumisen ja karbonatisoitumisen yhteistoimintaa. Vaikutusta tutkittiin kumpaankin suuntaan, eli sekä karbonatisoitumisen vaikutus pakkasvaurioitumiseen että pakkavaurioiden vaikutus karbonatisoitumissyvyyteen. Pakkasvaurioitumisen (sisäisen) vaikutus karbonatisoitumiseen oli yllättävän vähäinen. Vaikka betoniin pakkasvaurioitumisesta syntyy halkeilua, ei karbonatisoituminen juurikaan kiihtynyt. Ilmeisesti halkeilu on pääsääntöisesti pinnan suuntaista, eikä siten vaikuta karbonatisoitumiseen suuresti. Kuvassa 12 esitetään sisäisen vaurioitumisen vaikutus karbonatisoitumissyvyyteen. Eri sisäisen vaurioitumisen asteet on saatu aikaan kohdistamalla kappaleisiin eri määrä jäädytys-sulatuskierroksia.

21 20 (40) Kuva 12. Esimerkki pakkasvaurioitumisen vaikutuksesta karbonatisoitumissyvyyteen. Karbonatisoitumisella ei juurikaan havaittu olevan vaikutusta pakkasvaurioitumiseen (sisäiseen). Pinnassa tapahtuvalla karbonatisoitumisella ei ollut vaikutusta sisälle betoniin Johtopäätökset ja merkitys Karbonatisoitumisen kiihtyminen pakkasvaurioitumisen johdosta on mitattavaa ja käyttöikämitoituksessa huomioon otettavaa, vaikkakin merkitykseltään kohtuullisen pieni. 5.3 Part C, Karbonatisoituminen ja kloridien tunkeutuminen Tavoite Tulokset Näissä koesarjoissa tavoitteena oli selvittää kloridien tunkeutuman ja karbnonatisoitumisen yhteistoimintaa. Lisäksi selvitettiin karbonatisoitumisen ja kloridien kemialliset vaikutukset sementtikiveen. Tällä tavoitteena oli varmistaa, ettei käytetyt nopeutetut karbonatisoitumiskoejärjestelyt vaikuttaneet kemiallisiin reaktioihin sementtikivessä. Kloridien tunkeutumisella näytti olevan karbonatisoitumista hidastava vaikutus. Ilmeisesti tämä vaikutus johtui lähinnä tasapainokosteuspitoisuuden kasvusta. Kosteammissa kappaleissa karbonatisoituminen eteni hitaammin. Karbonaisoitumisella havaittiin merkittävä vaikutus kloridien tunkeutumiseen. Karbonatisoituneen betonin kloridivastus oli heikentynyt erittäin paljon. Kuvassa 13 esitetään tuloksia tästä vaikutuksesta. Tämän koejärjestelyn mukaan näytti karbonatisoituneen betonikerroksen kloriditunkeutumavastus olevan lähes olematon. Kuvassa kloridien tunkeutumaa kuvataan tunkeutumakertoimella (nonsteady state migration value D nssm ).

22 21 (40) Kuva 13. Esimerkki karbonatisoitumisen vaikutuksesta kloridin tunkeutumaan. Kemiallisilla TG ja XRD kokeilla todettiin, että kiihdytetyissä karbonatisoitumiskokeissa käytetyt 1% ja 4% CO 2 -pitoisuudet eivät muuttaneet merkittävästi kemiallisia reaktioita tai mineralogiaa karbonatisoitumisessa verrattuna luonnollisessa olosuhteissa tapahtuvaan karbonatisoitumiseen Johtopäätökset ja merkitys Karbonatisoitumisekloridien tunkeutumavastusta heikentävä vaikutus on merkittävä. Tämä rasitusyhdistelmä tulee kyseeseen rakenteissa, jotka ovat jäänsulatussuoloille alttiina talvella ja kesäisin kuivuvat karbonatisoitumiselle edulliseen kosteustilaan. Merirakenteissa suuri kosteuspitoisuus usein hidastaa karbonatisoitumista merkittävästi. 5.4 Part D, Pakkasvaurioituminen ja kloridien tunkeutuminen Tavoite Tulokset Näissä koesarjoissa tavoitteena oli selvittää sisäisen pakkasvaurioitumisen vaikutus kloridien tunkeutumiseen. Pakkasrasitus aiheuttaa betoniin sisäistä halkeilua, jonka merkityksestä kloridien tunkeutumiseen oltiin kiinnostuneita. Pakkasvaurioitumisen yllättävän lievä vaikutus kloridien tunkeutumiseen havaittiin. Ilmeisesti tässä vastaavasti kuin karbonatisoitumisessakin sisäisen halkeilun orientoituminen lievensi vaikutusta. Vaikutus oli kloridien tunkeutumista kiihdyttävä, mutta lievempi kuin oletus oli. Kuvassa 14 esitetään esimerkki pakkasvaurioitumisen vaikutuksesta kloridien tunkeutumaan. Eri sisäisen vaurioitumisen asteet on saatu aikaan kohdistamalla kappaleisiin eri määrä jäädytys-sulatuskierroksia. Kuvassa kloridien tunkeutumaa kuvataan tunkeutumakertoimella (non-steady state migration value D nssm ).

23 22 (40) Kuva 14. Pakkasvaurioitumisen vaikutus kloridin tunkeutumaan Johtopäätökset ja merkitys Kloridien tunkeutuman lisääntyminen pakkasvaurioitumisen johdosta on mitattavaa ja käyttöikämitoituksessa huomioon otettavaa, vaikkakin merkitykseltään kohtuullisen pieni. 5.5 Part E, Kloridien tunkeutuminen ja kosteuspitoisuus Tavoite Tulokset Tavoitteena oli selvittää kokeellisesti, miten kloridit vaikuttavat betonin tasapainokosteuskäyrään (desorptioisotemi; T = 20 o C). Tavoitteena oli saada myös tietoa siitä, onko tässä vaikutuksessa eroja, kun betonin koostumus kuten erityisesti sideaine ovat erilaisia. Tavoitteena oli saada tuloksia kolmella eri kloridipitoisuudella. Tulokset haluttiin sekä ilmaistuna betonin säilytysolosuhteen suhteellisen kosteuden (RH-%) ja betonin kosteuspitoisuuden (p.-%) että säilytysolosuhteen RH-%:n ja betonin vedelläkyllästysasteen (S) välisenä yhteytenä. Vedelläkyllästysaste, ilmaisee, kuinka suuri osuus betonin kokonaishuokostilavuudesta on täyttynyt vedellä. Kokeissa oli mukana 6 erilaista vesi-sideainesuhteen 0,50 betonikoostumusta, 3 sideaine-koostumusta ja 3 ilmamäärää. Koekappaleiden (3 rinnakkaiskoekappaletta, a 100x100x10 mm 3 ) kloridipitoisuudet, aikaansaatiin imeytys-kuivatussyklein (16, a (5 + 2) d), jossa käytettiin liuoksia, joiden kloridipitoisuudet olivat n. 0 % (vesijohtovesi), 3 % ja 10 %. Tasapainokosteudet aikaansaatiin säilyttämällä koekappaleita ensin suhteellisessa kosteudessa RH 95 % ja tämän jälkeen suhteellisissa kosteuksissa RH 65 % ja RH 50 % niin kauan, että koekappaleiden paino tasaantui (yhteensä n. 1,5 vuotta). Lopuksi määritettiin koekappaleiden huokostilavuudet, kuivapainot ja kloridipitoisuudet. Kuvissa 14 ja 15 on esitetty esimerkkejä saaduista desorptiokäyristä ja Kuvassa 16 on esitetty tasapainokosteudet suhteellisissa kosteuksissa RH 95 %, RH 65 % ja RH 50 % arvioidun betonin kloridipitoisuuden funktiona. Kuva sisältää tulokset tutkimuksen kaikkien betonien (6) osalta. Kloridit vaikuttivat betoniin

24 23 (40) muodostuvaan kosteuspitoisuuteen (Kuva 1) ja vedelläkyllästysasteeseen (Kuva 16). Suurinta tämä vaikutus oli ympäristön suuressa suhteellisessa kosteudessa. Vaikutuksen suuruus oli jossain betonikohtaista (sideainetyyppi, ilmamäärä). Kuva 14. Kahden betonin desorptiokäyrät RH-% - kosteuspitoisuus (p.-%) kolmella eri kloridipitoisuudella. Kloridipitoisuudet vastaavat alkuvaiheen imeytys-kuivatussykleissä käytettyjä liuoksia. Vastaavat arvioidut betonien kloridipitoisuudet olivat 0,02 p.-%, 0,53 p.-% ja 0,77 p.-%. Kuva 15. Kahden betonin desorptiokäyrät RH-% - vedelläkyllästysaste (S) kolmella eri kloridipitoisuudella. Kloridipitoisuudet vastaavat alkuvaiheen imeytys-kuivatussykleissä käytettyjä liuoksia. Vastaavat arvioidut betonien kloridipitoisuudet olivat 0,02 p.-%, 0,53 p.-% ja 0,77 p.-% Johtopäätökset ja merkitys Betonin kosteuspitoisuudella ja vedelläkyllästysasteella on merkitystä mm. betonin karbonatisoitumisen ja pakkasen aiheuttaman vaurioitumisen kannalta. Kloridit vaikuttavat betoniin tietyssä kosteusolosuhteessa muodostuvaan kosteuspitoisuuteen. Tuloksia voidaan hyödyntää käyttöikämallinnuksessa.

25 24 (40) Kuva 16. Tasapainokosteudet suhteellisissa kosteuksissa RH 95 %, RH 65 % ja RH 50 % arvioidun betonin kloridipitoisuuden (p.-%) funktiona. Kuva sisältää tulokset tutkimuksen kaikkien betonien (6) osalta Jatkotutkimustarpeet Saadut tulokset tulisi hyödyntää käyttöikämallinnuksessa. Lisäkokeilla tulisi selvittää kloridien vaikutusta betonin kosteuteen kuivuvan betonin lisäksi (desorptio) myös kastuvan betonin tapauksessa (aborptio). Tulisi myös arvioida, miten kloridit vaikuttavat betonirakenteiden kosteuspitoisuuteen erilaisissa käytännön olosuhteissa ja kuinka suuri merkitys tällä on betonin käyttöiän kannalta. Viitteet Markku Leivo, Esko Sistonen, Fahim Al-Neshawy, Jukka Piironen, Hannele Kuosa, Erika Holt & Cecilia Nordqvist. Effect of interacted deterioration parameters on service life of concrete structures in cold environments, Laboratory test results VTT Research Report VTT-R , Holt Erika & Leivo Markku. Concrete Durability Based on Coupled Laboratory Deterioration by Frost, Carbonation and Chloride. Nordic Concrete Research NCR The Nordic Concrete Federation 1/2011 Publication No. 43. pp Concrete durability based on coupled deterioration by frost, carbonation and chloride. 1st International Congress on Durability of Concrete (ICDC) Trondheim, Norway, June 18-21, (In process). H. Kuosa, M. Leivo, E. Holt, C. Nordqvist, J. Piironen, R.M. Ferreira. Effect of frost deterioration on chloride penetration and carbonation testing results and field verification. IABMAS th International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management. Vila Erba, Lake Como, Italy, July 8-12, (In process).

26 25 (40) 6 Vaurioitumismallinnus 6.1 Tavoite Olli-Pekka Kari & Esko Sistonen Tutkimuksen osassa oli tavoitteena selvittää kloridien, karbonatisoitumisen ja jäätymisen yhteisvaikutus betonin vaurioitumiseen perustuen matemaattiseen malliin [1]. Kosteuden ja lämpötilan sekä ulkopuolisen kloridirasituksen vaihtelut tuli huomioida mallinnuksessa. Lisäksi erillistapauksena selvitettiin simulaatiolla kloridien tunkeutumaa halkeamien kautta. Mallinnuksessa tutkittiin seitsemää eri betonilaatua; Vesi-sementtisuhde vaihteli välillä ja laatuina käytettiin tavanomaisen yleissementin lisäksi rapid -tyyppistä sementtiä tai seoksia, jotka sisälsivät masuunikuonaa tai lentotuhkaa. Taulukossa 1 on esitetty mallinnuksessa tutkitut betonilaadut: Taulukko 1 Tutkimuksessa käytetyt betoniseokset 6.2 Tulokset Keskeisimpänä tuloksena tutkimuksessa kehitettiin laskentamallia eri vaurioitumisilmiöiden yhteisvaikutuksen arvioimiseksi. Kehitetty malli perustui ryhmään differentiaaliyhtälöitä, joilla voidaan simuloida joko yksittäisiä vaurioitumismekanismeja tai näiden kokonaisvaikutusta. Tutkimuksessa huomioitiin seuraavat vauriomekanismit: betonin ilmassa tapahtuva karbonatisoituminen, kosteuden tunkeutuminen ja vaihtelu, lämpötilan vaihtelut, kloridien tunkeutuminen sekä sisäinen ja ulkoinen rakenteen jäätyminen. Kuvassa 17 on esitetty periaatteellinen kuva laskentojen kulusta; Edennyt pakkasrapautuma FS lisää kloridien tunkeutumaa ja konsentraatiota rakenteessa ajan tn jälkeen karbonatisoitumisen Carb vaikuttaessa. Kuvaan 1 lisätty myös tapaukset, joissa ilmiöt eivät vaikuta. Rakenteeseen aiheutuva halkeilu on käsitelty rakenteen sisällä ja pinnalla olevien diffuusiokertoimien suhteella. Saadut karbonatisoitumissyvyydet eivät ylittäneet 25 millimetrin syvyyttä rakenteen pinnasta tutkituilla betonilaaduilla (pois lukien alkuperäisen pintakerroksen jäätymisrapautuminen) 25 vuoden rasituksen aikana laskentatulosten perusteella. Karbonatisoituminen oli tällöin vähäisintä tavanomaisia sementtilaatuja käytettäessä. Masuunikuonan käyttö sideaineen osana lisäsi vastaavasti karbonatisoitumista.

27 26 (40) Kuva 17. Periaate laskennoissa Simuloidut kloridien tunkeutumasyvyydet olivat suhteellisen suuria verrattuna tavanomaisiin raudoitteiden peitepaksuuksiin (25-75 millimetriä), mikäli rakenne altistui jäätymisrasituksille. Lisäksi kloridien käynnistämän korroosion mahdollinen konservatiivinen kynnysarvo (0.05% betonin painosta) oli joko ylittynyt tai lähellä ylittyä. Kloridien tunkeutumasyvyydet olivat merkittävästi alhaisempia masuunikuonaa tai lentotuhkaa käytettäessä. Kuvassa 18 on esitetty esimerkinomaisesti halkeamien mallinnuksessa käytetty laskentaverkko sekä tuloksien vertailu simulaation ja koetulosten välillä [2]. Kiilamainen laskentaverkko osoittautui kuvaavan optimihalkeaman käyttäytymistä. Saadut simulointitulokset kloridien tunkeutumasta halkeaman kautta täsmäävät hyvin laboratoriossa mitattuihin arvoihin. Kuva 18. Laskentaverkko sekä vertailu simuloidun ja laboratoriotuloksen välillä 6.3 Johtopäätökset ja merkitys Tutkimuksen osassa saadut tulokset korostavat eri vaurioitumismekanismien yhteisvaikutuksen huomiointia laskennoissa. Perinteisin menetelmin suoritettu laskenta, vain yhtä vaurioitumisilmiötä käsitellen voi johtaa merkittävään vaurioitumisen aliarviointiin. Käyttöikälaskennat ja sementtityyppien valinta

28 27 (40) tulisi, mikäli mahdollista, suorittaa tarkastellen vallitsevaa ilmiömaailmaa ja muiden ilmiöiden vaikutusta kokonaisuudessaan. Halkeamien vaikutus voitaisiin huomioida simuloinneissa 6.4 Jatkotutkimustarpeet Eri vaurioitumismekanismeille ja näiden yhteisvaikutuksille tulisi määritellä tilastolliset hajonnat parantamaan tulosten arviointia. Kloridien tunkeutumista halkeamien kautta olisi myös tarpeen selvittää sekä tutkimusmetodeja tarkentaen että lisäanalyysein tarkastellen myös muiden vaurioitumismekanismien yhteisvaikutusta simuloinnissa. Pakkasrapautuman mallinnusta tulisi kehittää vastaamaan tarkemmin itse ilmiöön. Viitteet [1] Kari, O. P., Modelling the Durability of Concrete for Nuclear Waste Disposal Facilities, Licentiate Thesis, Helsinki University of Technology, [2] Sillanpää, M., The effect of cracking on chloride diffusion in concrete, Master thesis, Faculty of Engineering and Architecture, Aalto University, 2010.

29 28 (40) 7 Käyttöiän mallinnus 7.1 Tavoite Erkki Vesikari & Miguel Ferreira Tutkimuksen tavoitteena oli analysoida laboratoriossa ja kentällä tehdyistä pakkaskokeista saatuja tuloksia, tutkia eri turmeltumistekijöiden keskinäisiä vuorovaikutuksia ja kehittää näiden havaintojen pohjalta käyttöikämitoituksen laskentamalleja. Tavoitteena oli ennen kaikkea parantaa pakkasrapautumisen käyttöikämallien luotettavuutta kenttäkokeista saatujen kokemusten perusteella. Toisena tavoitteena oli selvittää sekä sisäisen pakkasrapautumisen että pinnan rapautumisen vaikutus raudoituksen korroosion aktivoitumisaikaan. Kenttätutkimusten analysoinnissa käytettiin tilastollisia menetelmiä eri materiaaliparametrien, kuten vesisideainesuhteen, ilmamäärän ja sideainelaadun suhteellisten vaikutusten määrittämiseksi. Koska DuraInt-kenttäkokeet oli käynnistetty vasta projektin aikana, koekappaleiden kentällä oloaika oli liian lyhyt (n. 3 vuotta), jotta niistä olisi voinut tehdä luotettavia päätelmiä. Siksi analysoitavana tulosaineistona käytettiin Ruotsissa vuonna 1996 käynnistettyjen BTB-kokeiden tuloksia, joista viimeisimmät oli 12 talvikauden jälkeen mitattuja. Koekenttä on moottoritien varrella lähellä Boråsia. Osassa BTB-koebetoneista oli käytetty suomalaisia sideaineita. Pakkasrapautumisen vuorovaikutuksia muihin turmeltumismekanismeihin, kuten karbonatisoitumiseen ja kloridien tunkeutumiseen tutkittiin laboratoriokokein ja teoreettisesti. Oletuksena oli, että sekä karbonatisoituminen että kloridien tunkeutuminen tavoittavat raudoitusteräkset nopeammin, jos betonissa tapahtuu sisäistä tai ulkoista pakkasrapautumista. Sisäisesti rapautuneilla koekappaleilla tehtyjen karbonatisoitumis- ja kloridien tunkeutumiskokeiden tuloksia käytettiin hyväksi pakkasrapautumisen vaikutusten määrällisessä arvioinnissa. Tämän jälkeen oli mahdollista mallintaa samanaikaisesti tapahtuvan pakkasrapautumisen, karbonatisoitumisen ja kloridien tunkeutumisen eteneminen ja kehittää raudoituksen korroosion käyttöikämalleihin nk. vuorovaikutuskertoimet. Vuorovaikutus-kertoimilla arvioidaan korroosion aktivoitumisajan lyhentyminen pakkasrapautumisen johdosta. 7.2 Pakkasrapautumisen mallintaminen BTB-kenttäkokeiden tuloksiin perustuen Vesisideainesuhteeseen, ilmapitoisuuteen ja sideainekertoimeen perustuva malli Kenttäkokeiden tulosten alustava analysointi osoitti, että betonipinnan rapautuminen oli likimain lineaarinen ajan suhteen, verrannollinen vesisideainesuhteen potenssiin ja kääntäen verrannollinen ilmapitoisuuden potenssiin. Lisäksi nähtiin, että rapautumisnopeus on vahvasti riippuvainen sideainelaadusta. Huolellisten tilastollisten analyysien jälkeen lopulta päädyttiin seuraavaan rapautumismalliin [1].

30 29 (40) V 4,56 ( w/ c) kcem 3,15 0, 61 a t missä: ΔV koekappaleiden tilavuuden pieneneminen, %; t aika, vuosina; w/c vesisideainesuhde; a ilmapitoisuus, %; k cem sideainekerroin. (1) Kuva 19. Yhtälön 1 parametrien B (vakiokerroin), n1 (vesisideaineen eksponentti) ja n2 (ilmamäärän eksponentti) vaihtelu iän mukana. Käyttöikämalli voidaan johtaa rapautumismallista, jos tiedetään, mikä on rapautumisen rajatila ts. suurin sallittu rapautumissyvyys. Muuntamalla Yhtälön (1) tilavuuden muutos vastaavaksi pinnan rapautumissyvyydeksi ja olettaen, että suurin sallittu rapautumissyvyys on dmax keskimääräisen käyttöiän laskentakaavaksi saatiin seuraava [1]. t L; avg missä 0,75 B d max w n c t L:avg 1 a n 2 k exp k cem (2) keskiarvokäyttöikä, vuosina. Lopulta varmuuskertoimella varustettu Yhtälö 2 muunnettiin normien laskentaohjeen mukaiseen kerroinmenetelmämuotoon P-lukuun perustuva malli Suomen rakentamismääräyksissä P-lukua on yleisesti käytetty pakkassuolakestävyyden mittalukuna ja käyttöiän arviointiperusteena. Sen johdosta toinen kehitetyistä malleista perustui P-lukuun. P-luvun oletetaan olevan suoraan verrannollinen pakkasenkestävyyteen ja kääntäen verrannollinen betonipinnan rapautumisnopeuteen. P-luvun laskentaperiaatteet on esitetty yksityiskohtaisesti Liikenneviraston julkaisussa Siltabetonien P-lukumenettely [2]. BTB-kenttäkoetulosten ja tilastollisten analyysien perusteella koekappaleiden tilavuudenmuutoksen ja P-luvun välille saatiin seuraava yhteys [1]: