MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEIDEN KOSTEUSTEKNINEN TOIMIVUUS

TAMPEREEN TEKNILLINEN KORKEAKOULU JULKAISU120 TALONRAKENNUSTEKNIIKKA Virpi Leivo - Jukka Rantala MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEIDEN KOSTEUSTEKNINEN TOIMIVUUS R a k e n n u s t e k n i i k a n o s a s t o T a m p e r e 2 0 0 2

TAMPEREEN TEKNILLINEN KORKEAKOULU JULKAISU 120 TALONRAKENNUSTEKNIIKKA Virpi Leivo Jukka Rantala MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEIDEN KOSTEUSTEKNINEN TOIMIVUUS UDK 699.82 692.51 ISBN 952-15-0938-4 (nid.) ISBN 978-952-15-2753-1 (PDF) ISSN 1237-1483 Rakennustekniikan osasto Tampere 2002

1 ALKUSANAT Julkaisu Alapohjarakenteiden kosteuskäyttäytyminen on laadittu Tampereen teknillisen korkeakoulun Rakennustekniikan osaston Talonrakennustekniikan ja Pohja- ja maarakenteiden laboratorioissa professori Ralf Lindbergin ja professori Jorma Hartikaisen johdolla. Julkaisu on tutkimushankekokonaisuuden Alapohjarakenteiden kosteuskäyttäytyminen toisen tutkimusvaiheen loppuraportti. Julkaisun ovat kirjoittaneet erikoistutkija Jukka Rantala ja tutkija Virpi Leivo. Tutkimuksen rahoittajina ovat olleet Teknologian kehittämiskeskus TEKES sekä Lohja Rudus Oy, NCC Finland Oy, Rautaruukki Oyj, Helsingin kaupungin Geotekninen osasto ja HKR- Rakennuttajat, Turun kaupungin Tilalaitos sekä Tampereen kaupungin Tilakeskus ja Rakennusvalvonta. Tutkimuksen johtoryhmätyöskentelyyn ovat osallistuneet: Pentti Lumme Anssi Suomalainen Osmo Korhonen Kirsi Torikka Jouko Lehtonen Hannu Jokiniemi Reima Johansson Jarmo Love Kalevi Lammi Mats Lindgren Björn Lindgren Raimo Ahveninen Ari-Veikko Kettunen Harri Mäkelä Lasse Pöyhönen Ralf Lindberg Jorma Hartikainen Pauli Kolisoja Jukka Rantala Virpi Leivo Lohja Rudus Oy, johtoryhmän puheenjohtaja NCC Finland Oy Helsingin kaupungin Geotekninen osasto HKR-Rakennuttajat Rautaruukki Oyj Rautaruukki Oyj Turun kaupungin Tilalaitos Turun kaupungin Tilalaitos Tampereen kaupungin Rakennusvalvonta Linterm Oy Linterm Oy Lohja Rudus Oy Humi-Consulting Oy Innogeo Oy TEKES Tampereen teknillinen korkeakoulu Tampereen teknillinen korkeakoulu Tampereen teknillinen korkeakoulu Tampereen teknillinen korkeakoulu Tampereen teknillinen korkeakoulu, sihteeri. Kiitämme rahoittajia ja kaikkia projektiin osallistuneita heidän työpanoksestaan. Tampereella 15.12.2002 Kirjoittajat

2 TIIVISTELMÄ Maanvastaisten alapohjarakenteiden lämpö- ja kosteusolosuhteet poikkeavat rakennusvaipan muiden osien toiminnasta. Alapohja on rakenteena kosketuksissa lämpimien ja kosteiden täyttö- tai pohjamaakerrosten kanssa. Alapohjaa ympäröivissä tavanomaisissa olosuhteissa täyttö- tai pohjamaa muodostuu lähes aina kosteuslähteeksi yläpuolisille rakenteilla. Kosteuden sitoutumis- ja siirtymismekanismit ja etenkin siirtyvän kosteuden määrät riippuvat rakenteeseen muodostuvasta lämpötilakentästä ja tästä syystä lämpötilaan ja kosteuteen liittyviä ilmiöitä tulee tarkastella yhdessä. Täyttökerrokset ovat joko suoraan tai välillisesti yhteydessä maapohjan suuriin vesivarastoihin, pohja- tai orsivesiesiintymiin ja vajovesikerroksiin. Hienoaineksia sisältävä karkearakeinen maakerros pystyy kapillaarivoimien avulla kuljettamaan suuria määriä vettä näistä lähteistä paitsi ylöspäin, myös vaakasuunnassa. Vajovesikerroksesta vaakasuunnassa etenevän kapillaaririntaman etenemänopeus 2 lk salaojasoran vaatimukset täyttävässä materiaalissa on noin 30 cm tunnissa ja rintamassa kulkeutuva vesimäärä jopa 150 kg/m 3. Veden kapillaarien kulkeutuminen alapohjarakenteisiin liittyvissä maakerroksissa tuleekin aina estää karkearakeisella ja riittävän paksulla veden kapillaarisen liikkeen katkaisevalla kerroksella. Täyttökerrosten huokosilman suhteellinen kosteus on käytännössä aina lähellä kyllästyspitoisuutta RH = 100 %, johtuen massan huokosrakenteen yhteydestä vesilähteisiin sekä vajo- ja kapillaarivesien kulkeutumisesta maakerroksissa. Lämmitetyissä rakennuksissa täyttökerrosten lämpötila on noin +15 +17 C -astetta riippuen käytetystä eristepaksuudesta ja sisälämpötilasta. Täyttökerrosten lämpötilakäyttäytyminen noudattaa melko tarkasti yläpuolisten tilojen ja laatan lämpötilamuutoksia, eikä ulkolämpötilojen vuodenaikaisvaihtelulla ole juurikaan vaikutusta täyttökerrosten lämpötiloihin. Alapohjan, kuten kaikkien rakennuksen ulkovaipan osien yli muodostuu lämpötila- ja kosteusero, joka pyrkii tasaantumaan virtauksena rakenteen läpi. Lämpimän ja kostean täyttökerroksen (T t +16 C, RH t 100 %) huokosilman vesihöyrypitoisuus on suurempi kuin tavallisen huoneilman vesihöyrypitoisuus (T s +20, Rh s = 20...40%). Tästä syystä alapohjarakenteen diffuusiovirta kulkee lähes poikkeuksetta pohjamaasta ylöspäin kohti kuivempaa huoneilmaa, jolloin rakenteeseen tiivistyvän kosteuden tai jonkin materiaalikerroksen kriittisen kosteuden ylittymisen riski kasvaa. Useissa tapauksissa alapohjarakenteen kriittisin kohta on pinnoitteen alapinta, mikäli käytetty pinnoitemateriaali on liian tiivis. Maanvastaisten alapohjarakenteiden kosteusteknisessä suunnittelussa tulee tarkastella kolmea tilannetta: 1. Rakenteen kuivumisvaihe, jolloin rakennuskosteuden on päästävä kuivumaan valetusta laatasta joko pohjamaahan tai huoneilmaan. Tällöin rakenne itsessään toimii kosteuslähteenä. 2. Käyttötila, jolloin lämmin ja kostea pohjamaa ja täyttökerrokset toimivat kosteuslähteenä yläpuoliselle lattiarakenteelle. Rakenteen suhteellisen kosteuden nousu ja tiivistymisriski tulee ottaa huomioon kosteusteknisissä tarkasteluissa ja rakenteen on pystyttävä haihduttamaan maasta nouseva kosteus. 3. Vauriotilanteessa (esim. putkivuoto) kosteuslähde on rakenteen sisällä ja rakenteeseen päässeen ylimääräisen veden on päästävä poistumaan joka pohjamaahan tai huoneilmaan.

3 SISÄLLYSLUETTELO ALKUSANAT... 1 TIIVISTELMÄ... 2 SISÄLLYSLUETTELO... 3 1 JOHDANTO... 5 2 MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEIDEN LÄMPÖ- JA KOSTEUSOLOSUHTEET... 6 2.1 Ulkoiset kosteus- ja lämpötilarasitukset...6 2.1.1 Ulkoilman lämpötila ja kosteus...6 2.1.2 Sisäilman lämpötila ja kosteus...6 2.1.3 Maan lämpötila ja kosteus...9 2.2 Sisäiset kosteus- ja lämpötilarasitukset...10 3 HUOKOISEN MATERIAALIN LÄMPÖ- JA KOSTEUSTASAPAINO... 13 3.1 Veden sitoutuminen...13 3.1.1 Hygroskooppinen sitoutuminen...13 3.1.2 Kapillaarinen sitoutuminen...14 3.1.3 Kemiallinen ja osmoottinen sitoutuminen...16 3.2 Veden siirtymismuotoja eri faaseissa...16 3.2.1 Diffuusio...16 3.2.2 Kapillaarinen kosteuden siirtyminen...17 3.2.3 Yhtäaikainen diffuusio ja kapillaarinen liike...18 3.2.4 Veden painovoimainen siirtyminen...18 3.2.5 Haihtuminen ja kosteuskonvektio...19 3.3 Maan ominaislämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus...19 3.3.1 Maan ominaislämpökapasiteetti...19 3.3.2 Maan lämmönjohtavuus...21 3.4 Maanvastaisen alapohjarakenteen alapuolisen maan kosteusolosuhteet...21 3.4.1 Täyttö- ja salaojitusmateriaalien vesipitoisuus...21 3.4.2 Alapohjarakenteiden läpi tuleva kosteus...27 3.4.3 Rakenteiden läpi tuleva kapillaarinen kosteus...27 3.4.4 Alapohjarakenteen läpi diffuusiolla tuleva kosteus...28 4 MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEIDEN KOSTEUS- JA LÄMPÖKÄYTTÄYTYMINEN... 30 4.1 Maanvarainen alapohja stationääritilassa...30 4.1.1 Betonilaatan ja pinnoitteen vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus alapohjarakenteen kosteustasapainoon...32 4.1.2 Sisäilman suhteellisen kosteuden ja pinnoitteen vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus alapohjarakenteen kosteustasapainoon...35 4.1.3 Eristemateriaalin ja pinnoitteen vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus alapohjarakenteen kosteustasapainoon...40 4.2 Tuuletettu maanvastainen alapohja stationääritilassa...43 4.2.1 Tuuletettu lattiarakenne...43 4.2.2 Tuuletetun lattiarakenteen mitoitusperiaatteet...45 5 SEURANTAMITTAUKSET... 49 5.1 Omakotitalo Järvenpää...49 5.1.1 Instrumentoinnit...51 5.1.1 Seurantamittausten tulokset...55

5.2 Rivitalo Pappila...60 5.1.2 Instrumentoinnit...62 5.2.3 Seurantamittausten tulokset...63 5.3 Toimistorakennus Hervanta...69 5.3.1 Instrumentoinnit...71 5.3.2 Seurantamittausten tulokset...73 5.4 Seurantamittausten tarkastelu...77 5.4.1 Mittaustarkkuuden arviointi...77 5.4.2 Tulosten tarkastelu...78 6 ALAPOHJARAKENTEIDEN KOSTEUS- JA HOMEVAURIOT SUOMESSA 88 6.1 Maanvaraisten alapohjarakenteiden vauriotapaukset...88 6.1.1 Maanvaraisten alapohjarakenteiden kosteusvaurioiden luokittelu...88 6.1.2 Tutkitut vauriotapaukset...89 6.1.3 Vauriotapausten analysointi...89 7 ALAPOHJARAKENTEITA SUOMESSA SÄÄTELEVÄT NORMIT JA OHJEET 91 7.1 Rakennusmääräyskokoelman osa C2 (Kosteus. Määräykset ja ohjeet 1998.) 91 7.2 Rakennusten veden- ja kosteudeneristysohjeet RIL 107-2000...91 7.3 Pohjarakennusohjeet RIL 121-1988...92 7.4 Rakennusten ja tonttialueiden kuivatus RIL 126-1979...92 7.5 RT-kortiston mallit...93 7.6 Muiden ohjeistojen maanvaraisia lattiarakenteita käsittelevät ohjeet...94 8 MAANVASTAISILLE ALAPOHJARAKENTEILLE ASETETTAVAT KOSTEUSTEKNISET VAATIMUKSET... 95 8.1 Rakenteellinen toimivuus...95 8.1.1 Lämpö- ja kosteusteknisen mitoituksen reunaehdot...95 8.1.2 Rakenteen lämpötila- ja kosteusolosuhteet eri rakennusvaiheissa...96 8.1.3 Rakenteille sallitut kosteusolosuhteet...97 8.2 Lämmöneristävyys...98 8.3 Höyrynsulku...99 8.4 Pinnoitteen vesihöyrynläpäisevyys...99 8.5 Tuuletetun alapohjarakenteen ilmanvaihto...101 LÄHDELUETTELO... 105 LIITTEET... 107 4

5 1 JOHDANTO Tämä tutkimus on osa Tampereen teknillisen korkeakoulun Talonrakennustekniikan ja Pohja- ja maarakennustekniikan laboratorioissa vuosina 1999 2002 tehtyä tutkimussarjaa, jonka tarkoituksena oli selvittää alapohjarakenteiden lämpö- ja kosteusteknistä toimintaa yhdessä liittyvien tavanomaisten täyttö- ja salaojakerrosten kanssa sekä määritellä pohjamaan maanvastaisille alapohjarakenteille aiheuttamaa kosteusrasitusta. Tutkimuksen taustalla ovat lukuisat maanvastaisissa alapohjissa havaitut kosteusvauriot, joita KTM:n tutkimuksen mukaan on löydetty jopa 25 % kerros- ja pientaloista. Kuntaliiton tutkimuksessa mukaan toimisto-, opetus- ja terveydenhoitorakennuksissa kosteus- ja homevaurioiden tärkeimmät kosteuden lähteet ovat sade, lumi, katto- ja valumavedet (40%) sekä maakosteus (29%) ja eniten vaurioita on alapohjissa (26%) ja vesikatossa (26%) sekä sokkeleissa (14%). Vaurioita tutkittaessa on käynyt selvästi ilmi, että alapohjarakenteet eivät kosteus- ja lämpöteknisesti toimi suunnitellulla tavalla. Alapohjarakenteiden ympäristöolosuhteissa tapahtuvia muutoksia ei juurikaan oteta huomioon, mikäli alapohjien kosteusteknistä suunnittelua tehdään lainkaan. Massiivisten betonilaattojen rakennuskosteuden hidas kuivuminen, muutokset sisäilman lämpö- ja kosteusolosuhteissa sekä lämmitetyn rakennuksen aiheuttama maapohjan lämpeneminen voivat aiheuttaa yllättäviä muutoksia alapohjan kosteustoiminnassa, mikäli alapohjarakenteita ei ole kosteusteknisesti oikein suunniteltu. Kosteuden kulkeutumismekanismit alapohjarakenteissa ja niiden läpi ovat moninaiset. Kosteuden sitoutumis- ja siirtymismekanistit riippuvat suuresti rakenteen lämpötilakentästä ja siitä syystä lämpötilaan ja kosteuteen liittyviä ilmiöitä tulee tarkastella yhdessä. Perinteisesti huomioidun pystysuuntaisen kapillaarisen nousun lisäksi on tarkasteltava myös vaakasuuntaisia kapillaarisia liikkeitä sekä veden kulkeutumista vesihöyrynä huokoisissa materiaaleissa. Salaojituskerros voi toimia moitteetta veden kapillaarisen nousun katkaisevana kerroksena, mutta ei estä vesihöyryn diffuusiovirtaa lämmenneestä maapohjasta kohti kuivempia sisätiloja. Veden kulkeutumismekanismeja ja kosteuslähteitä on maaperässä riittävästi pitämään maapohjan huokosilman suhteellisen kosteuden lähellä RH = 100 %. Tutkimussarjan aiemmassa osassa on määritelty laboratorio-olosuhteissa karkearakeisten maalajien käyttäytymistä materiaaleina tasapainokosteuskäyrien, kapillaarisuuden ja maamassan lämpötasapainon kannalta. Tässä tutkimusosassa tarkasteltiin alapohjarakenteen toimintaa kokonaisuutena ottaen huomioon muuttuvat ympäristöolosuhteet, rakennusaikainen rakennuskosteus ja lattiassa käytettyjen rakennekerrosten, lähinnä pinnoitemateriaalien vaikutukset rakenne poikkileikkauksen kosteustasapainoon. Alapohjarakenteiden lämpö- ja kosteusteknistä toimintaa tutkittiin teoreettisin laskelmin, kosteusvaurioraporttien pohjalta tehdyillä vauriokartoituksilla sekä pitkäaikaisilla koekohteissa suoritetuilla seurantamittauksilla.

6 2 MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEIDEN LÄMPÖ- JA KOSTEUSOLOSUHTEET Rakennusten maanvastaisten alapohjien, kuten muidenkin rakennusvaipan osien, kosteuslähteet liittyvät sen rajapintojen (ulko- ja sisäilma) olosuhteisiin ja niiden muutoksiin sekä rakenteiden sisäisiin kosteus- ja lämpötilaoloihin. Muutoksia näihin lämpö- ja kosteusolosuhteisiin aiheuttavat vuodenaikojen ja sään vaihtelut, tilojen ilmanvaihtomäärien ja lämpötilojen vuorokautiset ja vuosittaiset muutokset sekä rakenteisiin rakennusvaiheessa sitoutuneen kosteuden kuivuminen. Muista rakennusvaipan osista poiketen alapohjarakenteet ovat joko osittain tai kokonaan kosketuksissa luonnontilaisen kostean maan tai erillisen rakennetun maaaineskerroksen, kuten salaojituskerroksen, kanssa. Tästä johtuen maanvastaisten alapohjarakenteiden ulkoiset kosteusrasitukset poikkeavat huomattavasti maanpinnan yläpuolisten rakennusvaipan osien rasituksista. 2.1 Ulkoiset kosteus- ja lämpötilarasitukset Alapohjien ulkoiset kosteusrasitukset ovat sidoksissa ulkoilman, sisäilman sekä maan lämpötiloihin ja kosteuksiin. 2.1.1 Ulkoilman lämpötila ja kosteus Ulkoilman olosuhteet, etenkin lämpötila vaikuttaa maanvaraisen alapohjan olosuhteisiin varsinkin rakennuksen reuna-alueella. Ulkoilman kosteus vaikuttaa välillisesti maanvaraisen alapohjan olosuhteisiin sisäilman kosteuden kautta. Ulkoilman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden osalta keskimääräisiä tietoja eräillä suomalaisilla paikkakunnilla ajanjaksolta 1961 1990 on esitetty taulukossa 2.1 /35/. Taulukosta voidaan todeta, että korkein keskilämpötila on heinäkuussa, ero maan pohjoisen ja etelän (Sodankylän ja Helsingin) maksimi lämpötilassa on noin 3 C. Vastaavasti alin keskilämpötila on tammikuussa, jolloin Helsingin ja Sodankylän välinen lämpötilaero ja 10 C. Huomattavaa on, että ulkoilman suhteellinen kosteus, RH ei vaihtele paljoakaan vuodenaikojen mukaan, sitä vastoin ilman vesihöyrypitoisuus vaihtelee suurestikin. Ulkoilman kosteus on suurin kesällä heinä-elokuussa, heinäkuussa ilman vesihöyrypitoisuus on yli 2 g/m 3 enemmän kuin muulloin. 2.1.2 Sisäilman lämpötila ja kosteus Sisäilman lämpötilaan ja kosteuteen vaikuttavat mm. rakennuksen käyttötarkoitus, rakennuksen tiiviys, lämmöneristys ja ilmanvaihto. Sisäilman tekniset tavoitearvot lämpötilan osalta on esitetty taulukossa 2.2 /32/. Lämpöolojen tavoitearvoja käytetään sisäilmaston tavoitetason määrittelyssä rakennushankkeen suunnittelussa. Tavoitearvot koskevat huonetilan oleskeluvyöhykettä. Oleskeluvyöhyke alkaa yleensä lattiasta ja ulottuu 1.8 metrin korkeuteen sekä 0.6 metrin päähän seinistä.

7 Lappeenranta Vaasa Jyväskylä Lahti Turku Helsinki Taulukko 2.1 Ulkoilman keskimääräinen kuukausittainen lämpötila ja kosteus ajanjaksolla 1961 1990 /35/. T [ o C] RH [%] p [Pa] υ [g/m 3 ] T [ o C] RH [%] p [Pa] υ [g/m 3 T [ o C] RH [%] p [Pa] υ [g/m 3 ] T [ o C] RH [%] p [Pa] υ [g/m 3 ] T [ o C] RH [%] p [Pa] υ [g/m 3 ] T [ o C] RH [%] p [Pa] υ [g/m 3 ] I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII -5.7 85 331 2,68-6.0 89 337 2.74-8.4 87 268 2.20-10.0 88 234 1.94-7.8 88 286 2.34-9.4 88 248 2.04-5.7 84 327 2.65-6.2 87 324 2.64-8.2 85 267 2.18-9.5 87 243 2.00-7.8 87 283 2.31-8.8 87 259 2.12-2.1 82 426 3.41-2.6 82 410 3.29-3.6 81 374 3.01-4.7 81 342 2.76-3.9 84 379 3.05-3.8 82 373 3.00 3.1 75 576 4.52 3.0 75 572 4.49 2.6 75 555 4.37 1.3 73 491 3.88 1.7 77 534 4.21 2.3 73 529 4.16 9.7 67 811 6.21 9.8 66 804 6.16 9.8 67 816 6.25 8.7 65 735 5.66 8.3 69 760 5.85 9.8 64 780 5.97 15.0 68 1161 8.74 14.9 64 1086 8.18 14.7 67 1123 8.46 14.1 65 1048 7.91 13.7 67 1053 7.96 14.8 65 1096 8.26 17.0 73 1415 10.6 16.5 71 1334 9.99 16.3 73 1355 10.15 16.3 73 1355 10.15 15.7 73 1304 9.79 16.7 70 1332 9.97 15.7 78 1393 10.46 15.2 76 1315 9.89 14.5 80 1324 9.98 14.5 80 1324 9.98 13.9 79 1258 9.50 14.8 77 1299 9.79 11.1 82 1088 8.30 10.3 83 1045 8.00 9.3 86 1013 7.78 9.3 86 1013 7.78 9.2 84 983 7.55 9.5 84 1003 7.69 6.4 83 803 6.23 5.7 86 793 6.17 4.5 87 738 5.76 4.5 87 738 5.76 4.6 87 743 5.80 4.2 87 722 5.64 1.4 86 583 4.61 0.6 89 569 4.51-0.7 90 522 4.15-0.7 90 522 4.15-0.9 90 513 4.09-1.2 91 507 4.05-2.9 86 420 3.37-3.6 90 416 3.34-5.5 89 352 2.85-5.5 89 352 2.85-5.5 89 352 2.85-6.2 90 336 2.73 Oulu T [ o C] RH [%] p [Pa] υ [g/m 3 ] -11.1 86 206 1.71-10.4 85 218 1.81-5.8 82 316 2.57 0.5 74 470 3.72 7.5 67 699 5.40 13.5 65 1009 7.63 16.0 70 1274 9.56 13.7 77 1210 9.15 8.4 82 909 7.00 3.0 85 648 5.08-3.1 88 423 3.40-8.2 88 276 2.26 Joensuu T [ o C] RH [%] p [Pa] υ [g/m 3 ] -11.6 87 200 1.65-10.7 85 212 1.76-5.4 82 327 2.65 0.7 73 470 3.72 8.3 64 705 5.43 14.2 65 1055 7.96 16.4 70 1307 9.76 14.0 78 1250 9.44 8.6 84 944 7.27 3.2 86 665 5.22-2.7 90 447 3.58-8.2 89 279 2.29 Sodankylä T [ o C] RH [%] p [Pa] υ [g/m 3 ] -15.1 85 138 1.16-13.6 84 158 1.33-8.5 80 244 2.00-2.1 72 374 3.00 5.0 66 579 4.51 11.6 65 892 6.79 14.1 69 1113 8.40 11.2 77 1029 7.85 5.9 84 785 6.10-0.2 87 524 4.16-7.4 89 299 2.45-13.1 86 170 1.42

8 Taulukossa 2.2 tavoitearvot on jaettu sisäilmastoluokkien mukaisesti kolmeen osaan. S1: Yksilöllinen sisäilmasto - Tilan sisäilman laatu on erittäin hyvä ja lämpöolot ovat viihtyisät kesällä ja talvella. Tilan käyttäjä pystyy yksilöllisesti hallitsemaan lämpöoloja ja tarvittaessa parantamaan sisäilman laatua tehostamalla ilmanvaihtoa. Lämpöolot ja ilman laatu täyttävät pääsääntöisesti myös loppukäyttäjien erityisvaatimukset, esim. vanhusväestöä, allergikot, hengityselinsairaat. S2: Hyvä sisäilmasto - Tilan sisäilman laatu on hyvä ja lämpöolot vedottomat. Kesän kuumimpina päivinä lämpötila nousee viihtyisän tason yläpuolelle. S3: Tyydyttävä sisäilmasto - Tilan sisäilman laatu ja lämpöolot täyttävät säännösten tarkoittamat vähimmäisvaatimukset. Ilma saattaa ajoittain tuntua tunkkaiselta ja vedon tunnetta saattaa esiintyä. Ylilämpeneminen on yleistä kuumina kesäpäivinä. Taulukko 2.2 Lämpöolojen tavoitearvot Yksikkö Sisäilmastoluokka Enimmäisarvot S1 S2 S3 Huonelämpötila * Talvi o C (21-22)* 20-22 20-23 Kesä *** (23-24)* 23-26 22-27 (35) Huonelämpötilan tilapäinen poikkeama o C ± 0.5 ± 1 ± 2 Asetusarvosta ** Lämpötilaero pystysuunnassa C 2 3 4 Lattian pintalämpötila C 19-29 19-29 17-31 Ilman nopeus Talvi (20 o C) m/s 0.13 0.16 0.19 Talvi (21 o C) m/s 0.14 0.17 0.20 Ilman nopeus Kesä (24 o C) m/s 0.20 0.25 0.30 Ilman suhteellinen kosteus Talvi % 25 45 - - * S1 luokassa huonelämpötilan on oltava tila/huoneistokohtaisesti aseteltavissa välillä 20 24 o C, jos samassa huoneessa on useita henkilöitä, käytetään huonelämpötilan perustasona talvella 21 22 o C ja kesällä 23 24 o C. ** Lämpötilan asetusarvon tulee olla kohdassa huonelämpötila mainituissa rajoissa *** Huonelämpötila ei saa missään ulkoilmaolosuhteissa olla yli +35 C. Kun ulkoilman lämpötila on alle + 15 C, huonelämpötila ei saa olla yli +27 C. Sisäilman kosteuteen vaikuttavat mm. ulkoilman kosteuspitoisuus, huoneen tai huoneiston käyttötarkoitus, sisällä kehitetyn kosteuden määrä, ilmanvaihdon suuruus, rakennusaineiden kyky sitoa ja luovuttaa kosteutta, rakenteiden kautta poistuva kosteusvirta sekä rakenteiden kuivuessa vapautuva kosteus. Sisäilman vesihöyrypitoisuus voidaan esittää seuraavasti: G υ s = υu + (2.1) n V υ s = sisäilman vesihöyrypitoisuus [g/m 3 ]

9 υ u = ulkoilman vesihöyrypitoisuus [g/m 3 ] G = kosteuden tuotto sisällä [g/h] n = ilman vaihtuvuus aikayksikössä [1/h] V = tarkasteltavan tilan tilavuus [m 3 ]. Rakennukset voidaan jakaa sisäilmaan tapahtuvan kosteuden tuoton perusteella esimerkiksi seuraavasti: - tavalliset asuintilat, kosteuslisä ulkoilmaan verrattuna käyttötavan mukaan 3 4 g/m 3 h - toimisto- ja muut julkiset tilat 2 3 g/m 3 h - teollisuudessa kosteuslisä voi olla yli 6 g/m 3 h. 2.1.3 Maan lämpötila ja kosteus Pintaveden pääasiallinen lähde on sade, jonka vuotuinen sademäärä Suomessa on keskimäärin 600 mm eli 0.6 m 3 /m 2. Osa maakerrosten läpi painovoimaisesti huuhtoutuvista sade- ja pintavesistä jää maakerroksiin adsorption ja kapillaarivoimien vaikutuksesta samalla, kun kapillaarivoimat siirtävät vettä usein pitkiäkin matkoja vapaan veden lähteistä, kuten pohja- tai orsivesivarastojen pinnasta ympäristöön. Kuukausittaiset keskimääräiset sademäärät ajanjaksolta 1961 1990 Jyväskylän, Sodankylän ja Helsingin olosuhteissa on esitetty kuvassa 2.1. /37/. 180 160 140 Jyväskylä Helsinki Sodankylä Sademäärä [mm] 120 100 80 60 40 20 0 tammi helmi maalis huhti touko kesä heinä elo syys loka marras joulu Kuva 2.1 Kuukausittaiset keskimääräiset sademäärät ajanjaksolta 1961-1990 Jyväskylän, Sodankylän ja Helsingin olosuhteissa /37/ Alapohjan lähelle kulkeutuvan pintaveden määrään vaikuttavat sademäärän lisäksi maaston muodot, rakennuksen sijainti maastossa, kasvillisuus ja maan pintamateriaalit. Noin 30 % sadannasta virtaa pintavetenä laskuojiin, jokiin, järviin tai mereen ja suurin

10 osa, noin 50 %, haihtuu takaisin ilmaan suoraan maan pinnalta. Vain osa vapaasta pintavedestä, noin 20 %, painuu syvemmälle maakerroksiin vajo- eli gravitaatiovetenä. Gravitaatiovesi voi liikkua maassa vapaasti painovoiman vaikutuksesta. Osa vajovedestä haihtuu syvemmältä huokosista ennen pohjaveden pinnan saavuttamista ja osa kulkeutuu salaojituskerroksen ja salaojien mukana pois alapohjarakenteen mikrokierron piiristä. Vajovesivyöhykkeellä oleva sitoutumaton vesi on vajoamassa alaspäin, mutta vettä voi myös esiintyä höyrynä, kapillaarivetenä ja adsorptiovetenä. Pohjavesi, sen määrä ja pinnan korkeusasema määräytyvät pohjavesialtaaseen tulevan ja siitä poistuvan veden määrien erotuksena. Pohjaveden poistuma on jatkuvaa veden painovoimaista virtaamista pohjaveden pinnan alapuolisista purkautumiskohdista avovesistöihin tai suoalueille. Pohjavesialtaaseen tulevan veden määrä sen sijaan on riippuvainen sademäärästä ja edelleen pohjaveden saavuttavan vajoveden määrästä. Pohjaveden muodostumisen ja purkautumisen eriaikaisuudesta johtuen pohjaveden korkeus vaihtelee vuodenaikojen, sääolosuhteiden ja maaperän laadun mukaan. Alimmillaan pohjavesi on talven päättyessä, kun routa on kuukausien ajan estänyt veden imeytymisen pohjavedeksi. Korkeimmillaan pohjavesi on heti roudan sulamisen jälkeen. Pohjavesivyöhykkeellä maan huokostila on kokonaan vedellä kyllästynyt. Vedellä kyllästynyttä maata voi olla myös pohjaveden pinnan yläpuolella kapillaarivyöhykkeessä, jonka huokostilassa on pohjavedestä kapillaarivoimien vaikutuksesta noussutta vettä. Vapaan veden lähteestä, esimerkiksi pohja- tai orsiveden pinnasta, vesi pyrkii huokoisessa materiaalissa siirtymään toisiinsa kytkettyjen huokosten muodostamassa putkistoverkossa kapillaarivoimien vaikutuksesta, joiden suuruus riippuu veden ja aineen ominaisuuksista sekä kosteuspitoisuudesta. Kapillaarista siirtymistä vastustavat viskositeetti ja painovoima. Pohjaveden pinnasta nousevan kapillaariveden kohoaminen jatkuu tasoon, jossa nousun aiheuttavat kapillaarivoimat ja sitä vastustava painovoima ovat tasapainossa. Kapillaaristen voimien maan huokossysteemiin sitomaa vettä kutsutaan kapillaarivedeksi ja sen nousukorkeutta vapaan veden pinnasta kapillaariseksi nousukorkeudeksi (vrt. 3.1.2). 2.2 Sisäiset kosteus- ja lämpötilarasitukset Rakennuskosteus Eräs merkittävimmistä alapohjarakenteiden kosteuslähteistä lyhyellä aikavälillä rakentamisen jälkeen on paikalla valettujen betonirakenteiden rakennuskosteus. Tavalliset rakennebetonit sisältävät paljon seosvettä, minkä vuoksi näistä betoneista valettujen rakenteiden kuivumisaika on nykyisiä rakentamisaikatauluja ajatellen melko pitkä. Betonin kuivumiseen on kiinnitettävä erityistä huomiota niissä rakenteissa, joissa kuivuminen pääsee tapahtumaan pääasiassa vain yhteen suuntaan, kuten liittolaatat ja maanvaraiset laatat. Betonin suhteellisella kosteudella tarkoitetaan betonin huokosten ilmatilan suhteellista kosteutta. Huokoisena materiaalina betoni pyrkii tasapainokosteuteen ympäröivän ilman kanssa. Tasapainokosteus riippuu betonin ominaisuuksista, kuten vesisementtisuhteesta, huokosrakenteesta, hydrataatioasteesta ja iästä, sekä vallitsevasta lämpötilasta. Normaalin lattiabetonin vesisementtisuhde on 0.7 0.9. Tällainen betoni sisältää massan valmistusvaiheessa vettä noin 180 200 l/m 3. Betonin suhteellinen kosteuspitoisuus on tällöin RH = 100 %. Rakenteesta laatan kuivuessa poistuvan veden määrä vaihtelee riippuen siitä, miten alkuperäinen vesimäärä sitoutuu eri

11 betonilaatuihin. Osa vedestä sitoutuu kemiallisesti sementin hydratoituessa. Osa vedestä sitoutuu fysikaalisesti adsorptiolla ja kapillaarisesti betonin huokosrakenteeseen. Fysikaalisesti sitoutuvan veden määrä riippuu ympäristön lämpö- ja kosteusolosuhteista. Loput alkuperäisestä seosvedestä on rakennuskosteutta, jonka pitää haihtua betonista, ennen kuin rakenne saavuttaa tasapainokosteuden ympäristönsä kanssa. Tämä haihtuva vesimäärä voi olla jopa kymmeniä litroja yhdessä kuutiometrissä betonia. Kuvassa 2.2 on esitetty kolmen eri lujuusluokan betonilaadun teoreettiset kosteusjakaumat 90 % suhteellisessa kosteudessa, kun alkuperäinen seosvesimäärä on 180 l/m 3 /21/. Taulukossa 2.3 on esitetty jälkihoidon, rakennepaksuuden ja kuivumisolosuhteiden vaikutus erilaatuisten betonien kuivumisaikoihin. Kosteusmäärä [l/m 3 ] 180 160 140 120 100 80 60 40 20 34 101 45 15 108 57 101 79 haihdutettava kosteus, jotta RH 90% tasapainokosteuspitoisuus 90 % RH:ssa kemiallisesti sitoutunut vesi 0 K25 K40 K70 Kuva 2.2 Kosteuden jakautuminen teoreettisesti 90 % suhteellisessa kosteudessa eri lujuusluokan betoneissa, kun alkuperäinen vesimäärä on 180 l/m 3.

12 Taulukko 2.3 Jälkihoidon, rakennepaksuuden ja kuivumisolosuhteiden vaikutus erilaatuisten juuri valettujen betonien kuivumiseen. Muuttuja Betoni 1 vss 0.7 Jälkihoito: 1 vrk muotissa 0,7 14 vrk vedessä 1,0 28 vrk muovikalvo 0,8 14 vrk vedessä+ 14 vrk muovikalvo 1,0 28 vrk vedessä 1,3 Rakennepaksuus: 10 cm 15 cm 18 cm 20 cm 25 cm Kuivumisilmasto: RH=35% RH=60% T=18 o C T=30 o C 0,4 0,7 1,0 1,2 1,8 0,8 0,9 1,0 1,0 0,6 0,7 Betoni 2 vss 0.6 0,5 0,9 0,7 1,0 1,3 0,4 0,8 1,0 1,1 1,5 0,8 0,9 1,0 1,0 0,6 0,7 Betoni 3 vss 0.5 0,5 0,8 0,5 1,0 1,0 0,4 0,8 1,0 1,1 1,4 0,8 0,9 1,0 1,0 0,6 0,7

13 3 HUOKOISEN MATERIAALIN LÄMPÖ- JA KOSTEUSTASAPAINO 3.1 Veden sitoutuminen Alapohjarakenteen eri rakennemateriaalit, mukaan lukien maa ovat fysikaalisesti huokoisia materiaaleja, johon kosteus voi sitoutua: Hygroskooppisesti Kapillaarisesti Kemiallisesti Osmoottisesti 3.1.1 Hygroskooppinen sitoutuminen Huokoinen materiaali voi ottaa kosteutta suoraan ilmasta. Sitoutuvan veden määrä riippuu materiaalista. Hygroskooppinen kosteuden sitoutuminen aiheutuu aineen huokosissa vaikuttavista vetovoimista, jotka vetävät ilman vesimolekyylejä huokosten pintaan ohueksi vesikerrokseksi /22/. Ilman kosteuden lisääntyessä molekyylikerroksen paksuus kasvaa ja vastaavasti ilman kosteuden vähentyessä molekyylikerros ohenee. Vesimolekyylit sitoutuvat aineeseen joko adsorptiolla tai kapillaarikondenssilla /1/. Pienillä suhteellisen kosteuden arvoilla adsorptio on hallitseva ja suurilla suhteellisen kosteuden arvoilla kapillaarikondenssi on hallitseva. Hygroskooppinen tasapainokosteus Aine saavuttaa tasapainon, tietyn vesipitoisuuden (w) ympäristönsä kanssa. Tasapaino riippuu lämpötilasta ja suhteellisesta kosteudesta. Aineen tiettyä lämpötilaa vastaava tasapainokosteuskäyrä (kuva 3.1), sorptiokäyrä voidaan määrittää muuttamalla ympäristön suhteellista kosteutta ja pitämällä lämpötila vakiona. Lähdettäessä kuivasta materiaalista saadaan kastumisen tasapainokäyrä, absorptiokäyrä ja vastaavasti lähdettäessä kyllästetystä materiaalista saadaan kuivumisen tasapainokäyrä, desorptiokäyrä. Tasapainokosteuskäyrässä absorptiolla ymmärretään yleensä sekä adsorptiota ja kapillaarikondenssia. Eri aineilla hygroskooppinen kosteus vaihtelee huomattavasti (esim. puu n. 150 kg/m 3 ja tiili n. 30 kg/m 3 ). Tasapainokosteuskäyrästä (kuva 3.1) voidaan erottaa kolme vaihetta veden sitoutumismekanismin perusteella. Ensimmäisessä vaiheessa alhaisella suhteellisella kosteudella yksittäiset vesimolekyylit sitoutuvat aineen pinnalle vetovoimien vaikutuksesta (käyrä jyrkkä). Seuraavassa vaiheessa vesimolekyyliryhmien adsorptio on hallitseva. Kolmannessa vaiheessa suhteellinen kosteus on niin suuri, että meniskien muodostuminen laajemmassa määrin on mahdollista ja veden sitoutuminen tapahtuu pääasiassa kapillaarikondenssilla (jyrkkä käyrä).

14 3 (kg/m ) Aineen kosteuspitoisuus Desorptio Absorptio Suhteellinen kosteus 0 50 100 (%) Kuva 3.1 Tasapainokosteuskäyrä. Kastumisella ja kuivumisella on yleensä erilainen tasapainokosteuskäyrä, tätä ilmiötä kutsutaan hystereesiksi. Sen syitä ei tunneta tarkoin, mutta sen arvellaan osittain johtuvan: Kostuvan aineen huokosiin jää ilmaa, joiden poistuminen veteen liukenemalla on hidasta. Aineen huokosten muodot ovat sellaisia, että kuivuminen tapahtuu kostumista merkittävästi pienemmässä ilman kosteudessa. Tasapainokosteuksien mittauksissa käytetään liian lyhyitä tasaantumisaikoja. Tasapainokosteuskäyrän tangentti määrittelee materiaalin kosteuskapasiteetin (ξ). Aineen kosteuskapasiteetti on suuri jos pieni suhteellisen kosteuden muutos aikaansaa suuren vesipitoisuuden muutoksen. Kuten edellä on esitetty materiaalin tasapainokosteuskäyrä riippuu lämpötilasta. Rakennusaineille määritellyt tasapainokosteuskäyrät on yleensä määritelty +20 C:ssa. Fukt handbok:n /22/ mukaan tavallisilla rakennusmateriaaleilla tasapainokosteuskäyrät lämpötila-alueilla +20...+50 C eivät eroa toisistaan merkittävästi. 3.1.2 Kapillaarinen sitoutuminen Kapillaarisuus muodostuu molekyylien välisistä vetovoimista eli molekyylien kemiallisista potentiaaleista. Huokoisen materiaalin huokosia voidaan pitää joukkona kapillaariputkia. Maassa kapillaariputkina toimivat rakeiden väliset huokoset. Maalajeissa huokoskanavien läpimitta tavallisesti kasvaa raekoon kasvaessa. Kapillaarisuuteen raekoon lisäksi vaikuttavat myös maalajien kerrostuminen, tiiviysaste ja lämpötila. Jos kaikkien materiaalin sisältämien kapillaarihuokosten säde on vakio r, kapillaarinen nousukorkeus h on vakio riippumatta vallitsevasta kosteuspitoisuudesta. Todellisissa materiaaleissa kapillaariputkien säde ja eri putkien kytkeytyminen toisiinsa vaihtelee huomattavasti. Avoimessa rakenteessa, jossa kaikki huokoset ovat vapaasti kosketuksissa vesilähteen eli vapaan veden pinnan kanssa kaikki tietyn säteen omaavat ja sitä pienemmät kapillaariputket ovat täynnä nestettä tietylle putken säteestä riippuvalle korkeudelle saakka.

15 Kapillaarinen tasapainokosteus Kapillaariseksi tasapainokosteudeksi kutsutaan sitä kosteutta, jonka huokoinen materiaali saavuttaa ollessaan yhteydessä vapaaseen vedenpintaan. Aineen kapillaarinen tasapainokosteus (w) ilmaistaan tavallisesti kapillaarisen nousukorkeuden tai huokosalipaineen funktiona (kuva 3.2). Aineen kosteuspitoisuus Absorptio Desorptio Huokosalipaine Absorptio Desorptio Kapillaarinen nousukorkeus (m) Aineen kosteuspitoisuus Kuva 3.2 Kapillaarisen tasapainokosteuden esittäminen. Kapillaariseen kastumiskäyrään (kapillaarinen absorptio) liittyy voimakas hystereesi ilmiö. Tämä johtuu monimutkaisen kapillaariverkoston kytkeytymisestä toisiinsa ja kapillaarihuokoskäytävien säteen muutoksista. Alunperin kuivassa näytteessä ei ole yhtenäistä vesikalvoa huokosverkoston seinämien pinnalla, mikä estää kosteuden kulkeutumisen mikrohuokosiin, jotka muutoin olisivat täyttyneet. Kosteuspotentiaali pyrkii tasaantumaan huokosverkoston sisällä, jolloin huokosiin voi jäädä ilmaa. Ilman liukeneminen veteen on sitä hitaampaa mitä suurempi ilmarakkula huokoseen on jäänyt. Lisäksi kapillaarinen nousukorkeus on suoraan verrannollinen kostumiskulman kosiniin (cosθ), johon voi liittyä voimakas hystereesi ilmiö. Kapillaarinen kuivumiskäyrä (kapillaarinen desorptio) toteutuu, mikäli alunperin vedellä kyllästyneen materiaalin tai rakenteen annetaan kuivua siten, että sen huokosverkoston alapää on kosketuksissa vesilähteeseen. Yksittäisen kyllästyneen kapillaariputken tapauksessa veden pinta laskee tasolle, joka vastaa huokosalipaineen (p c ) ja hydrostaattisen paineen tasapainotilaa. Huokoisessa materiaalissa kapillaarisen kuivumisen yhteydessä ohuisiin huokostiehyisiin pintajännityksen ja muodostuvan huokosalipaineen vaikutuksesta jää nestettä. Huokoset, jotka pidättävät tätä ns. jäännöseli residuaalikosteutta eivät osallistu nesteen kuljettamiseen. Kapillaarivoimien lisäksi myös muut voimat pidättävät vettä yhtenäisten vallien ja seinämien läheisyydessä, kuten osmoosi ja adsorptio. Kapillaaristen voimien ja adsorption välillä on oleellinen ero. Adsorptio tapahtuu kaasun ja kiinteän aineen välillä, kun taas kapillaariset voimat liittyvät nesteen ja kiinteän aineen väliseen sidokseen. Maamekaniikassa kaikki nämä voimat käsitellään kuitenkin yleensä samana ilmiönä. Yhtenäisen vesivaipan katkettua huokosten seinämien kuivuessa mikrohuokosiin jäänyt jäännöskosteus voi poistua vain haihtumalla. Kuvan 3.2 mukaisesti kapillaarisen absorption ja desorption käyrät poikkeavat selvästi toisistaan. Kapillaarista nousua säätelevät suuret huokoset, jolloin kosteuden nousua

16 rajoittaa suurimman kapillaarihuokosen huokosen säde r, kun taas kuivumista säätelevät pienet mikrohuokoset ja niihin jäävä jäännöskosteus. Kostumis- ja kuivumiskäyrien eroon liittyen olisi syytä tutkia erilaisia välitiloja, joissa osittain kostea näyte jätetään kuivumaan tai kapillaarisen nousun annetaan tapahtua osittain kosteaan näytteeseen. 3.1.3 Kemiallinen ja osmoottinen sitoutuminen Kemiallisesti sitoutunut vesi on joko ioni- tai molekyylisidoksella sitoutunutta. Sidosenergia on hyvin suuri muihin sidosmuotoihin verrattuna, kuten esimerkiksi kidevedellä. Kemiallisesti sitoutunut vesi katsotaan olevan osa materiaalia eikä sitä oteta yleensä huomioon kosteusteknisissä tarkasteluissa. Osmoottinen sidos johtuu diffuusiosta puoliläpäisevän kalvon läpi ja tästä syntyvästä ns. osmoottisesta paineesta. Tämä kosteuden sitoutumismuoto esiintyy yleisesti eloperäisissä aineissa, joiden solukalvo on puoliläpäisevä ja aineissa on vesiliukoisia komponentteja. 3.2 Veden siirtymismuotoja eri faaseissa 3.2.1 Diffuusio Diffuusiossa höyrystyneet vesimolekyylit siirtyvät korkeammasta konsentraatiosta alhaisempaan. Diffuusiossa potentiaalina on siis vesihöyrypitoisuuksien ero, joka voidaan ilmoittaa joko kosteuserona tai osapaine-erona. Mikäli huokoset eivät sisällä vettä ja niiden koko on suurempi kuin vesimolekyylin keskimääräinen vapaa matka, voidaan vesihöyryn massavirta pinta-alaa kohti laskea kaavasta (3.1) (Fick n ensimmäisen lain sovellus) /22/: dp g = δ p (3.1) dx Kaavassa 3.5 potentiaalina on osapaine-ero. Mikäli potentiaalina käytetään kosteuseroa, kaava tulee muotoon (3.2) /22/: dv g = δ v (3.2) dx Vesihöyryn läpäisevyysarvojen δ v ja δ p välillä vallitsee yhteys (3.3) /22/: δ v = 461,4 (273 + t) δ p (3.3) Stationääritilasssa (kosteusvirta ei ole ajasta riippuva) kosteusvirran g kaava (3.4) yksinkertaistuu muotoon (Kaava 3.4): v2 v1 v2 v1 δ v = g = (3.4) L L δ v jossa v 2 ja v 1 ovat kosteuspitoisuudet rakenteen eri puolilla. Termiä L/δ v = Z v nimitetään vesihöyrynvastukseksi.

17 Epästationääritilassa (kosteusvirta on ajasta riippuva) kosteusvirran kaava (3.1) voidaan esittää muodossa (kaava 3.5) /22/: dw g = Dw (3.5 dx missä D w on kosteusdiffusiteetti, joka voidaan laskea kaavasta (3.6) tai (3.7) /22/: dv Dw = δ v (3.6) dw δ vvs (T ) Dw =, (3.7) ξ missä ξ on kosteuskapasiteetti, (dw/dx) Epästationääritilan kosteusvirran kaava ratkaistaan yleensä käyttäen numeerisia menetelmiä. Lähteen /15/ mukaan yleisesti oletetaan, että maassa kosteuden liike nesteenä on vallitseva ja siksi vesihöyryn diffuusion vaikutukset maassa jätetään usein huomioonottamatta. 3.2.2 Kapillaarinen kosteuden siirtyminen Vapaan veden lähteestä, esimerkiksi pohja- tai orsiveden pinnasta, vesi pyrkii huokoisessa materiaalissa siirtymään toisiinsa kytkettyjen huokosten muodostamassa putkistoverkossa kapillaarivoimien vaikutuksesta, joiden suuruus riippuu veden ja aineen ominaisuuksista sekä kosteuspitoisuudesta. Kapillaarista siirtymistä vastustavat kitkavoimat ja painovoima. Pohjaveden pinnasta nousevan kapillaariveden kohoaminen jatkuu tasoon, jossa kohonneeseen vesimassaan kohdistuvat kapillaarivoimat ovat tasapainossa. Kapillaaristen voimien maan huokossysteemiin sitomaa vettä kutsutaan kapillaarivedeksi ja sen nousukorkeutta vapaan veden pinnasta kapillaariseksi nousukorkeudeksi. Kapillaarista siirtymistä voidaan myös kuvata Darcyn lailla, jossa potentiaalina on huokosalipaine, p c. Darcyn lain mukaan kosteuden siirtyessä nesteenä kosteusvirta on (3.8) /22/: k dpc g = [kg/m 2 s], (3.8) η dx missä η on viskositeetti ja k permeabiliteetti (kg/m). Huokosalipaine p c on kapillaaripaineen p cap vastaluku (P c = - P cap ). Permeabiliteetti riippuu huokosalipaineesta p c, joka edelleen riippuu kosteuspitoisuudesta w. Siten kaava (3.8) voidaan kirjoittaa muodossa, jossa potentiaalina on kosteuspitoisuus ja kaava saa saman muodon kuin diffuusiotapauksessa kaava (3.1). Kapillaarista kosteuden siirtymistä voidaan arvioida olettamalla kostuva alue täysin kyllästyneeksi liikkuvaksi rajapinnaksi, jolloin märän rintaman etenemänopeus aineessa on (3.9):

18 x = B t (3.9) missä x [m] on rintaman tunkeutumissyvyys ja B [m/ s] kokeellisesti määritetty tunkeutumiskerroin. Kertoimen B arvo riippuu faasirajan meniskin muodosta, pintajännityksestä, kosketuskulmasta ja nesteen viskositeetista. Koska faasirajan muoto on riippuvainen vesipitoisuudesta, tunkeutumiskerroin on myös materiaalin vesipitoisuuden funktio. Olettamalla kapillaarinen nousu täysin kyllästyneen rintaman etenemäksi maamassassa, absorboituneen veden kokonaismäärä W [kg/m 2 ] voidaan antaa kaavalla: W = A t missä imeytymiskerroin A [kg/(m 2 s)] on myös kokeellisesti määritettävä kerroin. 3.2.3 Yhtäaikainen diffuusio ja kapillaarinen liike dv = dv CAP + dv EDC (3.10) Yhtäaikainen diffuusio ja kapillaarinen liike voidaan laskea periaatteessa yhdistämällä kosteusvirtojen yhtälöt. Teoreettisissa tarkasteluissa ja laskelmissa vesipitoisuuden muutosgradientti dv huokoisessa materiaalissa voidaan jakaa kahteen osaan: kapillaarisista voimista johtuvaan kosteuden lisääntymiseen δ CAP ja haihtumis-, diffuusio ja kondensaatiokierrosta johtuvaan kosteuspitoisuuden kasvuun eli hygroskooppiseen kosteuden lisääntymiseen δ EDC (evaporation diffusion condensation) /24, 25/ (3.11) Nämä kaksi kosteuspitoisuuden kasvugradienttia johtuvat eri mekanismeista, joten ne voidaan määrittää erikseen niin numeerisessa mallinnuksessa kuin koetilanteessakin. Alueella, jossa kosteus on kriittistä kosteutta alempi otetaan huomioon vain diffuusio ja vastaavasti alueella, jossa kosteus on kriittistä kosteutta suurempi otetaan huomioon vain kapillaarinen liike. 3.2.4 Veden painovoimainen siirtyminen Vedenläpäisevyys kuvaa nesteen virtausta painovoimaisesti tietyssä huokoisessa aineessa. Aineen rae- ja huokoskoostumus sekä rakeiden ja huokosten muoto vaikuttavat vedenläpäisevyyteen. Lisäksi vedenläpäisevyyteen vaikuttavat nesteen ominaisuudet: ominaispaino ja dynaaminen viskositeetti. Veden painovoimaista siirtymistä täysin vedellä kyllästetyssä maassa ja laminaarisen virtauksen alueella kuvaa Darcyn laki (Kaava 3.12) /26/: v = k H, (3.12) missä v on veden nopeus [m/s], k on vedenläpäisevyys [m/s] ja H on hydraulinen gradientti [m/s]. Maalajien vedenläpäisevyysarvoja on esitetty taulukossa 3.1. /26/

19 Taulukko 3.1 Vedenläpäisevyyden arvoja. Maalaji Vedenläpäisevyys k [m/s] Sora 10-1... 10-3 Hiekka 10-2... 10-6 Siltti 10-5... 10-9 Savi < 10-9 3.2.5 Haihtuminen ja kosteuskonvektio Materiaalin pinnasta tapahtuva haihtuminen voidaan laskea kaavan 3.13 mukaan. missä ( ν ν ) g = β (3.13) α p i ko β =, (3.14) ρi ci α ko on konvektion lämmönsiirtokerroin ρ i = ilman tiheys = 1,2 kg/m 3 c i = ilman ominaislämpö = 1010 J/kg ºC ν p on pinnan vesihöyrypitoisuus ν i on ilman vesihöyrypitoisuus [g/m 3 ] 4 α 2 t, missä t on pinnan ja ilman lämpötilaero. ko Konvektiossa vesihöyry siirtyy ilmavirran mukana. Ilmavirtausten syntymiseen tarvitaan rakenteen eri puolille erilaiset ilman kokonaispaineet. Ilmanpaine-eroja aiheuttavat mm. tuuli, lämpötilaerot ja ilmanvaihtojärjestelmän puhaltimet. Ilmavirran liikkuessa lämpimästä kylmempään vesihöyry kondensoituu eli tiivistyy. Vastaavasti ilmavirran liikkuessa kylmästä lämpimämpään rakenne kuivuu. Kosteuden konvektiota voi tapahtua raoissa, rei issä sekä huokoisessa materiaalissa. Reikien ja rakojen kautta tapahtuva kosteuden konvektio on merkityksellinen verrattuna huokoisissa materiaaleissa tapahtuvaan konvektioon. Konvektion kosteusvirta lasketaan kaavasta (3.15) /3/: G = vr missä G on kosteusvirta [kg/s), v kosteuspitoisuus [kg/m 3 ] ja R ilmavirta [m 3 /s]. (3.15) 3.3 Maan ominaislämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus 3.3.1 Maan ominaislämpökapasiteetti Kaikkien maan perusmineraalien tiheys ρ 2650 kg/m 3 ja ominaislämpökapasiteetti C p 755 J/kg K ovat lähellä toisiaan. Veden tiheys on alle puolet mineraalien tiheydestä ρ w = 1000 kg/m 3, mutta sen ominaislämpökapasiteetti on yli kaksinkertainen mineraaleihin verrattuna. Koska ilman tiheys on vain noin 1/1000-osa veden tiheydestä, se jätetään

20 huomioimatta maan ominaislämpöä määritettäessä. Maamateriaalin ominaislämpökapasiteetti on maan eri osatekijöiden tilavuusosilla painotettu summa: C = f s C s + f w C w (3.16) missä C f s C s f w C w = maamateriaalin ominaislämpökapasiteetti = maan mineraalien tilavuusosakerroin = maan mineraalien ominaislämpökapasiteetti = maassa olevan veden tilavuusosakerroin = veden ominaislämpökapasiteetti. Luonnontilaisessa maassa kiinteä aine muodostuu mineraalien lisäksi orgaanisesta materiaalista, jolloin kaava (3.16) voidaan esittää muodossa (3.17): C = f m Cm + f 0 C0 + f w C w (3.17) missä f o on orgaanisen materiaalin tilavuusosakerroin ja C o vastaava ominaislämpökapasiteetti. Taulukossa 3.2 on esitetty maan tyypillisempien mineraalien, veden ja ilman lämpöparametrien arvoja lämpötilassa T = 300 K. Tilavuusosakerrointen summa kaavassa (3.18) on f m + f = 1 w f a (3.18) missä f a = ilman tilavuusosa maan huokosissa. Tyypillisissä mineraalimaalajeissa kiinteän aineen tilavuusosakerroin f m vaihtelee välillä 0.45...0.65 ja maamassan kokonaisominaislämpökapasiteetti kuivan maan arvosta C =1 MJ/m 3 K täysin kyllästyneen maan arvoon C = 3 MJ/m 3 K. Taulukko 3.2 Maan tyypillisempien mineraalien, veden ja ilman lämpöparametrien arvoja lämpötilassa T = 300 K. Aine Tiheys Ominaislämpökapasiteetti Lämmönjohtavuus Terminen diffuusiokerroin ρ [kg/m 3 ] C p [J / kg K] k [W / m K] α 10-6 [m 2 / s] Graniitti 2630 775 2.79 1.37 10-6 Kvartsiitti 2640 1105 5.38 1.80 10-6 Kvartsi 2660 755 8.8 4.38 10-6 Orgaaninen aines 1300 1923 0.25 0.10 10-6 Vesi 1000 4200 0.598 0.15 10-6 Jää 920 2065 2.2 1.16 10-6 Ilma 1.16 1000 0.025 22.6 10-6

21 3.3.2 Maan lämmönjohtavuus Maan lämmönjohtavuus λ, toisin kuin sen ominaislämpökapasiteetti, riippuu voimakkaasti maan huokosissa olevasta ilmamäärästä. Ilma on veteen ja etenkin mineraalirakeisiin nähden lämmöneriste, joten korkea ilman tilavuusosakerroin pienentää merkittävästi maan lämmönjohtavuutta. Maan ominaislämpökapasiteetti voi muuttua huokosissa olevan vesimäärän kasvaessa kolmin- tai nelinkertaiseksi, mutta samalla maan lämmönjohtavuus voi kasvaa yli satakertaiseksi. Maan lämmönjohtavuus on myös riippuvainen kiinteän ainesosan rakeiden koosta, muodosta ja jakautumisesta maamassassa. Maan ominaislämmönjohtavuutta on arvioitu kaavan (3.19) avulla tapauksissa, joissa maassa on edustettuna kaikki kolme osatekijää: mineraalirakeet, vesi ja ilma. Maa voidaan nyt otaksua kontinuumiksi vesimassaksi, johon ilma ja kiinteät partikkelit ovat sekoittuneet. k = f w λ + κ f w f w s s s + κ f λ + κ f s s a a + κ f a a λ a (3.19) missä λ w, λ a ja λ s ovat veden, ilman ja kiinteiden partikkelien lämmönjohtavuudet, κ s maan kiinteän aineen tilavuusosan lämpötilagradientin suhde veden lämpötilagradienttiin ja vastaavasti κ a ilman lämpötilagradientin suhde veden lämpötilagradienttiin. Terminen diffuusiokerroin α [m 2 /s] on massan lämmönjohtavuudesta ja lämpökapasiteetista riippuva kerroin, joka määrittää aineen lämmönjohtokyvyn suhteessa sen kykyyn varastoida energiaa (3.20): λ α = ρ c p (3.20) Suuren termisen diffuusiokertoimen omaavat materiaalit reagoivat nopeasti lämpötilanmuutoksiin ympäristössään. Mitä pienempi terminen diffuusiokerroin materiaalilla on, sitä kauemmin kestää tasapainotilan saavuttaminen lämpötilamuutosten yhteydessä. 3.4 Maanvastaisen alapohjarakenteen alapuolisen maan kosteusolosuhteet 3.4.1 Täyttö- ja salaojitusmateriaalien vesipitoisuus Karkearakeisten täyttö- ja salaojakerrosten vesipitoisuutta kartoitettiin tutkimussarjan ensimmäisessä osassa /20./ laboratoriokokein sekä kapillaarisen että hygroskooppisen tasapainokosteuden selvittämiseksi eri tyyppisissä maalajeissa. Määrittämällä karkeasti eri tavoin maakerroksissa kulkeutuvan ja niihin varastoituvan veden määrät voidaan vauriokohteiden vesipitoisuusmittausten perusteella arvioida kosteusongelmaan johtaneita syitä ja edelleen kohdentaa korjaustoimenpiteet oikein. Lisäksi normaalissa

LÄPÄISY % 22 tilanteessa alapohjarakenteisiin kohdistuvan kosteusrasituksen tunteminen on välttämätön reunaehto rakenteiden toimivalle kosteusmitoitukselle. Tutkittavina täyttö- ja salaojamateriaaleina olivat kuvan 3.3 rakeisuuskäyrien mukaiset rakeiset maalajit hiekkamoreenista sepeliin. Taulukkoon 3.3 on koottu tutkittujen materiaalien rakeisuusominaisuudet ja huokosluvut. GEO SAVI SILTTI HIEKKA SORA 0.0006 100 % 0.002 0.006 0.02 0.074 0.125 0.25 0.5 1 2 4 8 16 32 64 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0.0006 0.002 0.006 0.02 0.074 0.125 0.25 0.5 1 2 4 8 16 32 64 C F B A D E Kuva 3.3 Tutkittujen hiekkojen, sorien ja sepelien rakeisuuskäyrät. a 1- luokan salaojasora, b 2 -luokan salaojasora c filleri, d karkea hiekka e sepeli, f - hiekkamoreeni Taulukko 3.3 Tutkittujen hiekkojen, sorien, sepelin ja hiekkamoreenin rakeisuusominaisuudet. Maalaji < 0.074 [%] d 10 d 20 d 60 [mm] d 10 /d 60 e [mm] [mm] A 1 lk 0 1.3 1.5 3.2 0.41 0,38 salaojasora B 2 lk 1.3 0.6 1.1 2.8 0.39 0,31 salaojasora C filleri 5.5 0.08 0.125 0.22 0.57 0,38 D karkea hiekka 0.3 0.6 0.75 1.6 0.47 0,35 E sepeli 0.4 4.1 4.6 6.5 0.71 0,43 F hiekkamoreeni 15 0.038 0.125 4.0 0.03 0,21 Hygroskooppinen tasapainokosteus Maan hygroskooppisesti sitoutuvan kosteuden määrä on huomattavasti vähäisempää kuin kapillaarisesti sitoutuvan, perinteisesti maamekaniikassa hygroskooppinen kosteus jätetäänkin yleensä huomioimatta. Maanvastaisen alapohjarakenteen toiminnan kannalta

23 rakenteen alapuolisen täyttö- ja salaojakerroksen hygroskooppisella kosteudelle on kuitenkin suuri merkitys. Maalajien hygroskooppista tasapainokosteuskäyttäytymistä on tutkittu vähän. Maaaineksen tasapainokosteuteen vaikuttaa mm: rakeisuus ja ominaispinta-ala materiaalien epäpuhtaudet: ruoste, suolat mineraalikoostumus, jolla ei merkitystä suomalaisilla maalajeilla. Tutkituille materiaaleille saatiin kuvan 3.4 mukaiset hygroskooppiset tasapainokosteuskäyrät. Kaikille muille materiaaleille paitsi moreenilla ja karkealla hiekalla hygroskooppinen tasapainokosteus materiaalin kastuessa RH 100%:ssa oli alle 0.5 paino-%. Moreenille hygroskooppinen tasapainokosteus oli suurin, noin 0,8 paino- %. On huomattava, että kuvan käyrät määrittelevät, kuinka paljon materiaaliin sitoutuu vettä kun kuivan materiaalin annetaan kastua. Märän materiaalin annettua kuivua määritellyt tasapainokosteuden olivat hystereesi-ilmiön vuoksi jonkin verran suurempia. Kosteuspitoisuus (paino-%) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 KARKEA HIEKKA MOREENI SORA II SORA I SEPELI FILLERI 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Suhteellinen kosteus RH (%) Kuva 3.4 Tutkittujen materiaalien tasapainokosteuskäyrät Lähteessä /31/ on määritelty tasapainokosteuksia täyttösoralle ja silttimoreenille +20 C:ssa. Lisäksi samojen maalajien kosteus on määritelty -18 C:ssa ja noin 90%:n suhteellisessa kosteudessa. Kokeiden mukaan täyttösoran tasapainokosteus oli noin 0,2 paino-%:a ja silttimoreenin noin 0,5 paino%:a RH 100%:ssa eli 8...10 kg/m 3. Liki samansuuruisia tasapainokosteuden arvoja on saatu myös -18 C:ssa ja noin RH 90%:ssa. Laboratoriokokeiden perusteella voidaan todeta, että tavanomaisilla täyttö- ja salaojitusmateriaaleilla, kuten salaojitussorat, hiekat, moreeni ja murske hygroskooppinen tasapainokosteus materiaalin kastuessa RH = 100% suhteellisessa kosteudessa on alle 2 paino-% materiaalin kuivapainosta. Hienojakoisilla materiaaleilla (hieno hiekka, moreeni) noin 3 paino-%:n kosteuspitoisuuksia voidaan pitää

24 hygroskooppisena kosteutena, kun kostean materiaalin annetaan kuivua tasapainokosteuteensa. Maanvaraisen alapohjarakenteen kosteusteknisen toimivuuden tarkastelussa voidaan lähtökohtana pitää, että rakenteen alapuolisen maa-aineksen huokosten suhteellinen kosteus on RH 100%. Tätä voidaan perustella seuraavasti: Rakennusaikana täyttökerrosten maa-aines on hyvin kosteaa (RH 100%) ja sen ainoa mahdollinen kuivumissuunta on alaspäin, jossa pohjamaan luonnollinen vesipitoisuus on yleensä hyvin korkea ja kuivuminen on näin ollen lähes mahdotonta. Maa-aines on huokosverkostonsa kautta yhteydessä pohjaveteen. Kapillaarivoimat, erityisesti vaakasuuntainen kapillaarinen veden kulkeutuminen voi ajoittain kuljettaa lisää kosteutta kerrokseen. Kapillaarivesi Hygroskooppista tasapainokosteutta merkittävämpi kosteustekijä maapohjassa on veden kapillaarinen liike. Kapillaarisesti pysty- tai vaakasuuntaan kulkeutuvan ja kerroksiin varastoituvan veden määrä voi olla huomattava, mikäli salaojitus- tai täyttökerros sisältää liian paljon hienoainesta. Kapillaarista kosteuden siirtymistä erilaisissa maalajeissa vaakasuunnassa ei ole paljoakaan tutkittu. Näyttöä rakennuksen täyttösorassa tapahtuvasta vaakasuuntaisesta kapillaarisesta kosteuden siirtymisestä on esitetty lähteessä /14/. Harderup on tutkinut rakennuksen kuivatusjärjestelmän toimivuutta asettamalla mittausputkia rakennuksen ympärille ja keskelle. Rankkasateen jälkeen n. 2 päivän kuluttua rakennuksen keskellä olevan mittausputken vedenpinta oli noussut ja vasta n. 1 kuukauden kuluttua vedenpinta oli palautunut normaalille tasolle. Tehtyjen kokeiden ja kirjallisuuden perusteella kerrosten vesipitoisuus riippuu sekä materiaalin kapillaarisista ominaisuuksista että etäisyydestä pohjaveden pinnan tasosta tai muusta vapaan veden lähteestä. Karkearakeisille maalajeille tehtyjen kokeiden perusteella materiaalin rakeisuus ja etenkin rakeiden muodostamien huokosten ja huokosverkoston laatu ja määrä ratkaisevat kulkeutuvan veden määrän, kulkunopeuden ja nousutason. Tasarakeisessa fillerikerroksessa myös huokosverkosto on homogeeninen ja kapillaarisesti nousevan veden määrä on korkea aina nousukorkeuden ylärajalle asti. Tutkitussa fillerissä kapillaarisesti nousevan veden määrä oli yli 300 kg/m 3 /20/ ja nousukorkeus yli 0,40 m vapaan veden pinnasta. Hiekkamoreenissa nousevan veden määrä oli vain puolet fillerin nostamasta vesimäärästä (kuva 3.5). Tämä johtuu moreenin selvästi filleriä pienemmästä huokosluvusta: huokosverkostoon ei yksinkertaisesti mahdu samaa absoluuttista määrää vettä kuin karkearakeisemmalla fillerillä. Hiekkamoreenin kapillaarinen nousukorkeus sen sijaan on huomattavasti suurempi johtuen hienorakeisemmasta materiaalista hienosyisemmästä huokosverkostosta. Kapillaarivoimien vaakasuuntaan kuljettama vesimäärä riippuu kapillaarisen nousukorkeuden tavoin materiaalin rakeisuudesta ja etäisyydestä vesilähteeseen. Kapillaarisen liikkeen edellytyksenä on materiaalin riittävä hienoainespitoisuus. Lisäksi kaikkien tutkittujen materiaalien osalta havaittiin selvä yhteys materiaalin huokosluvun ja kapillaarivoimien vaakasuuntaan kuljettaman vesimäärän välillä.

25 Tasarakeisen fillerin vaakasuuntaan kuljettama vesimäärä oli vielä 0,60 m etäisyydellä vesilähteestä w = 200 kg/m 3. Tarkastellun yhden metrin pituisen maanäytteen matkalla vesilähteestä etenevän vesirintaman etenemänopeus oli tasainen 0,35 m/h. Sen sijaan hiekkamoreeni näytteessä rintaman eteneminen hidastui selvästi pienempien huokosten aiheuttaman virtausvastuksen seurauksena etäisyyden kasvaessa vesilähteeseen. Hiekkamoreenin kuljettama vesimäärä oli myös huomattavasti fillerin vastaavaa pienempi, alle 150 kg/m 3. Vaakasuuntaista kapillaarisuutta tutkittiin kapillaarisen rintaman etenemänopeuden ja siirtyvän vesimäärän suhteen. Hiekoilla ja II luokan salaojasoralla ei kapillaarisessa etenemänopeudessa havaittu suuria eroja. Rintaman etenemänopeus koko tutkitun 1 m pituisen näytteen päähän asti oli noin 0,35 m/h. Hiekkamoreenissa, jossa veden liikettä hidastaa oleellisesti pienten huokosten aiheuttama virtausvastus, rintaman eteneminen hidastuu etäisyyden funktiona vesilähteestä. Veden vaakasuuntainen liike moreenissa oli selvästi hitaampaa kuin karkeampirakeisissa materiaaleissa. Samoin siirtyvän veden määrä oli pienempi johtuen moreenin pienemmästä huokosluvusta (kuva 3.5). Kaikkien materiaalien osalta havaittiin selvä yhteys materiaalin huokosluvun ja vaakasuuntaisesti kapillaarivoimien vaikutuksesta siirtyvän veden määrän välillä. Kapillaarisesti nousevan veden määrä 0,9 filleri karkea hiekka hiekkamoreeni 2 lk salaojasora 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Etäisyys pohjaveden pinnasta [m] 600 500 400 300 200 100 0 0 Vesimäärä [kg/m3] Kuva 3.5 Tutkittujen materiaalien pohjaveden pinnasta kapillaarisesti nostama vesimäärä korkeustason funktiona.

26 Vesimäärä [kg/m 3 ] 350 300 250 200 150 100 Vaakasuuntainen kapillaarisuus, vesimäärä 2lk salaojasora filleri karkea hiekka hiekkamoreeni 50 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Etäisyys v esilähte estä [m] Kuva 3.6 Tutkittujen hiekkojen, II luokan salaojasoran ja hiekkamoreenin vaakasuuntainen kapillaarisuuden kuljettama vesimäärä. Taulukkoon 3.4 on kerätty kapillaarivoimien karkearakeisissa maalajeissa kuljettamia vesimääriä ja mitattuja kapillaarisia nousukorkeuksia. Kapillaarista nousua määrittävät vesimäärät on mitattu 0,20 m korkeudelta vapaan veden pinnasta ja vaakasuuntaista kulkeutumista määrittävät lukemat 0,60 m etäisyydellä vesilähteestä. Taulukko 3.4 Kapillaaristen voimien karkearakeisissa maalajeissa kuljettamia vesimääriä pysty- ja vaakasuunnassa, mitattu kapillaarinen nousukorkeus ja materiaalien huokosluvut. Maalaji Huokosluku Pystysuunta Vaakasuunta e w 20 [kg/m 3 ] h p [m] w 60 [kg/m 3 ] Sepeli 0.43 0 0 0 1 lk salaojasora 0.38 0 0 0 Filleri 0.37 343 0.5 202 Karkea hiekka 0.35 192 0.2 126 2 lk salaojasora 0.31 145 0.5 57 Hiekkamoreeni 0.21 110 > 0.7 169 Pohjavesi Pohjaveden pinnan alapuolella huokostilan oletetaan olevan täysin vedellä kyllästynyttä. Taulukossa 3.5 on esitetty tutkittujen materiaalien vesipitoisuudet pohjaveden pinnan alapuolella laskettuna määritettyjen huokoslukujen perusteella.

27 Taulukko 3.5 Tutkittujen täyttö- ja salaojitusmateriaalien vesipitoisuudet pohjaveden pinnan alapuolella laskettuna määritettyjen huokoslukujen perusteella. Maalaji Huokosluku Vesipitoisuus e w [kg/m 3 ] Sepeli 0.43 338 1 lk salaojasora 0.38 313 Filleri 0.37 296 Karkea hiekka 0.35 273 2 lk salaojasora 0.31 243 Hiekkamoreeni 0.21 175 3.4.2 Alapohjarakenteiden läpi tuleva kosteus Tutkimuksessa /4/ on tutkittu erilaisten maanvaraisen alapohjarakenteiden kuivumisnopeutta noin 16 kuukauden ajan. Tutkimuksessa on määritelty koekappaleista poistuvan kosteuden määrä 30%:n suhteellisessa kosteudessa ja +23 C:n lämpötilassa. Koesarjassa on vertailtu laatan alapuolisen maa-aineksen ja höyrynsulun vaikutusta kosteusvirtaan (kuva 3.7). Kuvasta voidaan todeta, että sorakerros toimii jonkinlaisena kosteusvirtaa hidastavana kerroksena. Kuva 3.7 Laatan alapuolisen materiaalin vaikutus kosteusvirtaan. 0,0016 Kosteusvirta, g/m 2 s 0,0012 0,0008 0,0004 w/c= 0,70 Maata vasten Maa+sorakerros Maa+höyrynsulku Maa+sorakerros+höyrynsulku 2 4 6 8 10 12 14 16 Aika, kk 3.4.3 Rakenteiden läpi tuleva kapillaarinen kosteus Alapohjarakenne voi olla kapillaarisessa yhteydessä pohjavedenpinnan tai kostean maapohjan kanssa. Rakenteeseen maasta nousevan veden nopeus voidaan laskea kaavalla 3.22. B g = 2d m [kg/m 2 s] missä d= laatan paksuus (kaava 3.22) Betonin kapillaarisuuteen liittyviä m- ja B arvoja on esitetty taulukossa 3.6.

28 Taulukko 3.6 Betonin m- ja B arvoja, RH = 90 % /3/. Betoni B [kg/m 2 s] m [s/m 2 ] K20 (w/c=0,8) 0,050 (max)...0,021 (RH90%) 6*10 6 K25 (w/c=0,7) 0,028 (max)...0,012 (RH90%) 17*10 6 K30 (w/c=0,6) 0,019 (max)...0,007 (RH90%) 31*10 6 K40 (w/c=0,5) 0,013 (max)...0,005 (RH90%) 48*10 6 Erityyppisten ja paksuisten betonilaattojen yläpintaan nouseva maksimaalinen kosteusvirta tapauksessa, jossa pohjavedenpinta on betonilaatan alapinnassa on laskettu kuvassa 3.9. Käytännössä pohjavedenpinta on yleensä paljon alempana ja kapillaarisen kosteuden on ensin noustava kapillaarisesti täyttö- ja salaojituskerrokseen ja siitä vasta laattaan. Tässä tapauksessa kapillaarisesti nouseva kosteusvirta voi olla jopa vähemmän kuin puolet kuvan 3.9 arvoista. 0,25 Betonilaatan läpi kapillaarisesti nousevan kosteusvirran enimmäisarvot Kosteusvirta, g/m 2 s 0,20 0,15 0,10 X 0,05 X B g = 2 d m X X X X X X X X X K20 K25 K30 K40 0 50 100 150 200 Kuva 3.8 Betonilaatan paksuus,mm Betonilaatan läpi nousevan kosteusvirran enimmäisarvot. 3.4.4 Alapohjarakenteen läpi diffuusiolla tuleva kosteus Maanvaraisen alapohjarakenteen läpi kulkeutuvia diffuusiovirtoja määritettäessä voidaan perustapauksena pitää lämpöeristämätöntä, pinnoittamatonta betonilaattaa, joka on alapinnasta yhteydessä kostean maan kanssa (RH=100%). Diffuusiovirran suuruus riippuu maan lämpötilasta, sisäilman lämpötilasta ja suhteellisesta kosteudesta sekä betonilaatan vesihöyrynläpäisevyysominaisuuksista ja paksuudesta. Kuvassa 3.9 on määritelty diffuusiovirta 80 mm paksun betonilaatan läpi kahdessa sisäilman suhteellisessa kosteudessa (RH 25% ja 50%) ja kahdella betonin vesihöyrynläpäisevyysarvolla pohjamaan lämpötilan vaihdellessa 12 24 ºC.

29 Kosteusvirta, g/m 2 s 0,00016 0,00014 0,00012 0,00010 0,00008 0,00006 0,00004 0,00002 Diffuusiovirta 80 mm betonilaatassa eri betonin vesihöyrynläpäisevyyksillä ja sisäilman RH:ssa Sisäilman RH 25% Sisäilman RH 50% d p =5*10-12 kg/m s Pa d p =2*10-12 kg/m s Pa Kuva 3.9 0 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Pohjamaan lämpötila ( o C) Diffuusiolla betonilaatan läpi nousevan kosteuden enimmäisarvoja.

30 4 MAANVASTAISTEN ALAPOHJARAKENTEIDEN KOSTEUS- JA LÄMPÖKÄYTTÄYTYMINEN Maanvastaisten alapohjarakenteiden kosteuskäyttäytymistä tarkasteltiin laskennallisesti stationääritilassa. Tarkasteluissa käsiteltiin eri tyyppisiä alapohjarakenteita ja niiden toimintaa rakennekerrosten parametriarvojen ja ympäristöolosuhteiden vaihdellessa tapauksessa, jossa rakenteessa siirtyy vesihöyryä diffuusiolla. Stationääritarkasteluissa varioitavina parametreina olivat eristeen, betonin ja lattian pinnoitemateriaalin vesihöyrynläpäisevyys sekä sisäilman suhteellinen kosteus ja pohjamaan lämpötila. Lisäksi tutkittiin yleisesti käytössä olevan korjausmenetelmän eli ns. tuuletetun maanvaraisen alapohjan teoreettista lämpö- ja kosteuskäyttäytymistä diffuusion ja kapillaarisen kosteuden siirtymisen tapauksissa. 4.1 Maanvarainen alapohja stationääritilassa Stationäärisessä tarkastelussa oletetaan, että lämpövuo ja kosteusvirta eivät ole ajasta riippuvia, jolloin pohjarakenteen lämpötila- ja kosteustasapainojakauma voidaan laskea luvun 3.1 kaavoilla, kun tarkasteltavan rakenneleikkauksen raja-arvot ja tarvittavat materiaaliparametrit tunnetaan. Laskelmissa on oletettu, että kyllästyskosteus riippuu lineaarisesti lämpötilasta vaikka tosiasiassa riippuvuus on epälineaarinen. Alapohjarakenteilla staattisen tarkastelun raja-arvoina ovat sisäilman lämpötila t s ja suhteellinen kosteus RH s sekä pohjamaan huokosilman suhteellinen kosteus RH u ja maamassan lämpötila t u. Kaikissa tarkasteluissa yhtenä muuttujana on pidetty pohjamaan lämpötilaa vaihteluvälillä t u = +12... +24 o C huokosilman suhteellisen kosteuden ollessa RH u = 100 %. Erillisenä tarkasteluna on tutkittu sisäilman suhteellisen kosteuden vaikutusta muodostuviin tasapainotiloihin. Sisäilman ja rakenteen yläpinnan lämpötila pidettiin vakiona t s = +19 o C. Rakennemateriaaleihin liittyvinä lämpötila- ja kosteusparametreina käytettiin taulukon 4.1 mukaisia keskimääräisiä arvoja. Suluissa on esitetty variointilaskelmissa käytetyt ääriarvot. Kaikissa laskelmissa tutkittiin lisäksi pinnoitteen vesihöyrynvastuksen vaikutusta muodostuviin tasapainokäyriin. Taulukko 4.1 Laskelmissa käytetyt materiaaliarvot /3/. Materiaali Lämmönjohtavuus λ [W/m C] Vesihöyrynläpäisevyys δ p 10-12 [kg/m s Pa] Vesihöyrynvastus Z p =d/δ p 10 9 [m 2 s Pa/kg] Betoni 1,5 2,0* (1,5 5**) - Lämmöneriste 0,041 1,2 (1,2 7) - solupolystyreeni Lämmöneriste 0,037 1,2 - solupolystyreeni Lämmöneriste 0,041 85 - mineraalivilla Kevytsora 0,12 20 - Puu 0,14 1,0 - Muovikalvo, 0.2mm - - 450 Sitkeä suojapaperi - - 2 Suodatinkangas - - 2 *K30, RH 93%, ** arvo 5 10-12 vastaa usean vuoden vanhaa, vesisementtisuhteen 0,4 betonia

31 Tutkittavina rakennepoikkileikkauksina olivat RT kortiston alapohjaleikkaukset AP 201, AP 204, AP 205 ja AP 206 /30/. Tarkasteltujen alapohjatyyppien kerrosmateriaalit ja -vahvuudet on esitetty kuvassa 4.1. + AP 201 - tasausbetoni 20 mm - betonilaatta 150 mm - solupolystyreeni 70 mm - pohjamaa - S S S S + - + AP 204 - betonilaatta 80 mm - sitkeä suojapaperi - pohjamaa AP 205 - betonilaatta 80 mm - solupolystyreeni 50(/100) mm - sitkeä suojapaperi - pohjamaa + S S S AP 206 - betonilaatta 80 mm - kevytsora 150(/250) mm - suodatinkangas tai sitkeä suojapaperi - pohjamaa - Kuva 4.1 Staattisen tilan laskennoissa tarkastellut alapohjaleikkaukset. Kuvan 4.1 rakennekerrosten lisäksi kaikissa tutkituissa tapauksissa laatta oli pinnoitettu jollakin pinnoitemateriaalilla, jonka vesihöyrynvastus vaihteli välillä Z p ~ 20... 180 10 9 m 2 s Pa/kg. Tarkasteluissa alapohjan kosteustasapainoa tutkittiin erityisesti pinnoitteen kestävyyden kannalta. Tiiviin pinnoitteen alapinnan suhteellinen kosteus on yleensä kriittinen rakenteen toiminnan kannalta maapohjan lämmetessä. Pinnoitteen alapinnan suhteellisen kosteuden tulisi olla alle RH < 75 85%, riippuen käytettyjen pinnoitemateriaalien, erityisesti liimojen kosteudenkestävyydestä. Yleisesti rajana pidetään arvoa RH = 75%, koska tätä suuremmissa suhteellisissa kosteuksissa homekasvu voi olla mahdollista.

32 Laskelmilla pyrittiin selvittämään, millaiset vesihöyrynläpäisevyysominaisuudet omaavat lattiapinnoitteet sopivat tutkituille alapohjatyypeille, kun rakenteen alapuolinen maapohja lämpenee. Tarkasteluissa tutkittiin tasapainotilanteen lämpötila-, kyllästyspaine- ja vesihöyryn osapainejakaumia ja tarkasteltiin käytetyn pinnoitteen alapinnan suhteellista kosteutta maapohjan lämpötilan muuttuessa. 4.1.1 Betonilaatan ja pinnoitteen vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus alapohjarakenteen kosteustasapainoon Betonilaatan ja pinnoitteen vesihöyrynläpäisevyyden vaikutusta alapohjarakenteen kosteustasapainoon tutkittiin varioimalla betonilaatan vesihöyrynläpäisevyyttä välillä δ p ~ 1,5...5,0 10-12 kg/m s Pa. Betonin vesihöyrynläpäisevyysarvo 1,5 10-12 kg/m s Pa vastaa K30-betonia RH 55%:ssa ja arvo 5,0 10-12 kg/m s Pa vanhaa vesisementtisuhteen 0,4 betonia RH 80 90%:ssa. Pinnoitteen vesihöyryvastuksen vaihteluväli oli Z p ~50...180 10 9 m 2 s Pa/kg. Vesihöyrynvastuksen arvo 50 10 9 m 2 s Pa/kg on lähellä linoleum-maton vesihöyrynvastusta ja arvo 180 10 9 m 2 s Pa/kg vastaa julkisen tilan muovimaton vesihöyrynvastusta. Kaikilla tutkituilla alapohjatyypeillä laskettiin 4 parametrien variointitapausta a d alla olevan luettelon mukaisesti. Muut materiaalien lämpötila- ja kosteusparametrit olivat taulukon 4.1 mukaisia. Variointitapaukset: a: betonin vesihöyrynläpäisevyys δ p = 1,5 10-12 kg/m s Pa pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 50 10 9 m 2 s Pa/kg b: betonin vesihöyrynläpäisevyys δ p = 5,0 10-12 kg/m s Pa pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 50 10 9 m 2 s Pa/kg c: betonin vesihöyrynläpäisevyys δ p = 1,5 10-12 kg/m s Pa pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 180 10 9 m 2 s Pa/kg d: betonin vesihöyrynläpäisevyys δ p = 5,0 10-12 kg/m s Pa pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 180 10 9 m 2 s Pa/kg Raja-arvot: sisäilma t s = +19 ºC, RH s = 50 %. pohjamaa t u ~ +12... +24 ºC, RH u = 100 %. Tulosten vertailussa pinnoitteen alapinnan suhteellisen kosteuden mitoittavaksi rajaarvoksi on otettu RH = 75 %. Kuvissa 4.2 4.5 käyrät on katkaistu lämpötilassa, jossa johonkin rakenteen pisteeseen tiivistyi vettä. Tavallisesti tämä piste oli jossakin eristeen alueella. Tiivistymisen jälkeen rakenteen yli suoritettu staattinen diffuusiotarkastelu ei enää pidä paikkaansa.

Pinnoitteen alapinnan suhteellinen kosteus Pinnoitteen alapinnan suhteellinen kosteus 33 AP 201: 100 Betonilaatan vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus pinnoitteen alapinnan kosteuspitoisuuteen AP 201 RH [%] 90 80 70 60 50 40 30 lattiapinnoitteen vesihöyrynvastus: Z p = 50 * 10 9 m 2 s Pa/kg Z p = 180 * 10 9 m 2 s Pa/kg 20 10 betonilaatan vesihöyrynläpäisevyys: alueen yläraja: δ p = 5,0 * 10-12 kg/m s Pa alueen alaraja δ p = 1,5 * 10-12 kg/m s Pa 0 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Pohjamaan lämpötila t [ o C] Kuva 4.2 AP 204: 100 Betonilaatan vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus pinnoitteen alapinnan suhteelliseen kosteuteen. Alapohjatyyppi AP 201. Betonilaatan vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus pinnoitteen alapinnan kosteuspitoisuuteen AP 204 RH [%] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 lattiapinnoitteen vesihöyrynvastus: Z p = 50 * 10 9 m 2 s Pa/kg Z p = 180 * 10 9 m 2 s Pa/kg betonilaatan vesihöyrynläpäisevyys: alueen yläraja: δ p = 5,0 * 10-12 kg/m s Pa alueen alaraja δ p = 1,5 * 10-12 kg/m s Pa 0 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Pohjamaan lämpötila t [ o C] Kuva 4.3 Betonilaatan vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus pinnoitteen alapinnan suhteelliseen kosteuteen. Alapohjatyyppi AP 204.

Pinnoitteen alapinnan suhteellinen kosteus Pinnoitteen alapinnan suhteellinen kosteus 34 AP 205: 100 Betonilaatan vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus pinnoitteen alapinnan kosteuspitoisuuteen AP 205 RH [%] 90 80 70 60 Kuva 4.4 AP 206: 50 40 30 lattiapinnoitteen vesihöyrynvastus: Z p = 50 * 10 9 m 2 s Pa/kg Z p = 180 * 10 9 m 2 s Pa/kg 20 10 betonilaatan vesihöyrynläpäisevyys: alueen yläraja: δ p = 5,0 * 10-12 kg/m s Pa alueen alaraja δ p = 1,5 * 10-12 kg/m s Pa 0 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Pohjamaan lämpötila t [ o C] Betonilaatan vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus pinnoitteen alapinnan suhteelliseen kosteuteen. Alapohjatyyppi AP 205. 100 Betonilaatan vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus pinnoitteen alapinnan kosteuspitoisuuteen AP 206 RH [%] 90 80 70 60 Kuva 4.5 50 40 30 20 10 lattiapinnoitteen vesihöyrynvastus: Z p = 50 * 10 9 m 2 s Pa/kg Z p = 180 * 10 9 m 2 s Pa/kg betonilaatan vesihöyrynläpäisevyys: alueen yläraja: δ p = 5,0 * 10-12 kg/m s Pa alueen alaraja δ p = 1,5 * 10-12 kg/m s Pa 0 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Pohjamaan lämpötila t [ o C] Betonilaatan vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus pinnoitteen alapinnan suhteelliseen kosteuteen. Alapohjatyyppi AP 206.

35 4.1.2 Sisäilman suhteellisen kosteuden ja pinnoitteen vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus alapohjarakenteen kosteustasapainoon Sisäilman suhteellisen kosteuden vaikutusta alapohjarakenteen kosteustasapainoon tutkittiin varioimalla sisäilman suhteellista kosteutta välillä RH s ~ 25... 50 %. Pinnoitteen vesihöyryvastuksen vaihteluväli oli Z p ~ 20...180 m 2 s Pa/kg. Kaikilla tutkituilla alapohjatyypeillä laskettiin 12 parametrien variointitapausta a l alla olevan luettelon mukaisesti. Muut materiaalien lämpötila- ja kosteusparametrit olivat taulukon 4.1 mukaisia. Variointitapaukset: a ja i: sisäilman suhteellinen kosteus RH s = 25 % tai RH s = 50 % pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 20 10 9 m 2 s Pa/kg b ja j: sisäilman suhteellinen kosteus RH s = 25 % tai RH s = 50 % pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 30 10 9 m 2 s Pa/kg c ja k: sisäilman suhteellinen kosteus RH s = 25 % tai RH s = 50 % pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 50 10 9 m 2 s Pa/kg d ja l: sisäilman suhteellinen kosteus RH s = 25 % tai RH s = 50 % pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 75 10 9 m 2 s Pa/kg e ja m: sisäilman suhteellinen kosteus RH s = 25 % tai RH s = 50 % pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 100 10 9 m 2 s Pa/kg f ja n: sisäilman suhteellinen kosteus RH s = 25 % tai RH s = 50 % pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 125 10 9 m 2 s Pa/kg g ja o: sisäilman suhteellinen kosteus RH s = 25 % tai RH s = 50 % pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 150 10 9 m 2 s Pa/kg h ja p: sisäilman suhteellinen kosteus RH s = 25 % tai RH s = 50 % pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 180 10 9 m 2 s Pa/kg Raja-arvot: sisäilma t s = +19 ºC, RH s = 25 tai 50 %. pohjamaa t u ~ +12... +24 ºC, RH u = 100 %. Sisäilman kosteuspitoisuuden kasvu nostaa suhteellista kosteutta myös pinnoitteen alapinnassa. Sisäilman kosteuden variointivälillä maapohjan kriittinen lämpötila oli t u =+18 o C, kun sisäilman RH s = 50 %. Kuivemmalla sisäilmalla RH s = 25 % kriittinen lämpötila nousi t u =+21 o C. Alemmissa lämpötiloissa RH:n raja-arvoa pinnoitteen alapinnalla tai kastepistettä rakenteen sisällä ei saavutettu missään tutkitussa kombinaatiossa. Pinnoitteen vesihöyrynvastuksen laskennallinen raja-arvo staattisessa tilanteessa oli Z p =50 10 9 m 2 s Pa/kg. Tätä läpäisevämmillä pinnoitteilla ei kosteuspitoisuus pinnoitteen alla noussut missään tapauksessa yli mitoitusarvon. Sisäilman kosteuden laskiessa huomattavasti tiiviimmätkin pinnoitteet toimivat riskittömästi. Kun sisäilman RH s = 25 % pinnoitteen vesihöyrynvastuksen raja-arvo oli Z p = 125 10 9 m 2 s Pa/kg.

Pinnoitteen alapinnan suhteellinen kosteus 36 AP 201: a) Pinnoitteen alapinnan suhteellinen kosteus RH [%] 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 AP 201: RH s = 50 % p Zp=180 o Zp=150 n Zp=125 m Zp=100 l Zp=75 k Zp=50 j Zp=30 i Zp=20 50 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Pohjamaan lämpötila t u [ o C] b) 100 Sisäilman suhteellisen kosteuden vaikutus pinnoitteen alapinnan kosteuspitoisuuteen AP 201 90 80 70 Z p = 180 * 10 9 m 2 s Pa/kg RH s = 50 % RH s = 25 % RH [%] 60 50 40 30 20 10 Z p = 50 * 10 9 m 2 s Pa/kg 0 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Pohjamaan lämpötila t [ o C] Kuva 4.6 Sisäilman suhteellisen kosteuden ja pinnoitteen vesihöyrynvastuksen vaikutus pinnoitteen alapinnan suhteelliseen kosteuteen. Alapohjatyyppi AP 201.

Pinnoitteen alapinnan suhteellinen kosteus 37 Pinnoitteen alapinnan suhteellinen kosteu s R H [ % ] AP 204: a) 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 AP 204: RH s = 50 % p Zp=180 o Zp=150 n Zp=125 m Zp=100 l Zp=75 k Zp=50 j Zp=30 i Zp=20 50 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Pohjamaan lämpötila t u [ o C] 100 90 80 b) Sisäilman suhteellisen kosteuden vaikutus pinnoitteen alapinnan kosteuspitoisuuteen AP 204 Z p = 180 * 10 9 m 2 s Pa/kg RH s = 50 % RH [%] 70 60 50 40 30 20 10 Z p = 50 * 10 9 m 2 s Pa/kg RH s = 25 % 0 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Kuva 4.7 Pohjamaan lämpötila t [ o C] Sisäilman suhteellisen kosteuden ja pinnoitteen vesihöyrynvastuksen vaikutus pinnoitteen alapinnan suhteelliseen kosteuteen. Alapohjatyyppi AP 204.

Pinnoitteen alapinnan suhteellinen kosteus 38 Pinnoitteen alapinnan suhteellinen kosteus RH [%] AP 205: a) 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 AP 205: RH s = 50 % p Zp=180 o Zp=150 n Zp=125 m Zp=100 l Zp=75 k Zp=50 j Zp=30 i Zp=20 50 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Pohjamaan lämpötila t u [ o C] b) 100 Sisäilman suhteellisen kosteuden vaikutus pinnoitteen alapinnan kosteuspitoisuuteen AP 205 90 80 70 Z p = 180 * 10 9 m 2 s Pa/kg RH s = 50 % RH s = 25 % RH [%] 60 50 40 30 20 10 Z p = 50 * 10 9 m 2 s Pa/kg 0 12 Kuva 4.8 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Pohjamaan lämpötila t [ o C] Sisäilman suhteellisen kosteuden ja pinnoitteen vesihöyrynvastuksen vaikutus pinnoitteen alapinnan suhteelliseen kosteuteen. Alapohjatyyppi AP 205.

Pinnoitteen alapinnan suhteellinen kosteus 39 Pinnoitteen alapinnan suhteellinen kosteus RH [%] RH 206: a) 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 AP 206: RH s = 50 % p Zp=180 o Zp=150 n Zp=125 m Zp=100 l Zp=75 k Zp=50 j Zp=30 i Zp=20 50 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 b) 100 Pohjamaan lämpötila t u [ o C] Sisäilman suhteellisen kosteuden vaikutus pinnoitteen alapinnan kosteuspitoisuuteen AP 206 RH [%] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Z p = 180 * 10 9 m 2 s Pa/kg Z p = 50 * 10 9 m 2 s Pa/kg RH s = 50 % RH s = 25 % 0 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Pohjamaan lämpötila t [ o C] Kuva 4.9 Sisäilman suhteellisen kosteuden ja pinnoitteen vesihöyrynvastuksen vaikutus pinnoitteen alapinnan suhteelliseen kosteuteen. Alapohjatyyppi AP 206.

40 4.1.3 Eristemateriaalin ja pinnoitteen vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus alapohjarakenteen kosteustasapainoon Eristemateriaalin vaikutusta alapohjarakenteen kosteustasapainoon tutkittiin laskemalla eri alapohjatyypit sekä pienen vesihöyrynläpäisevyyden omaavalla (solupolystyreeni) että suuren vesihöyrynläpäisevyyden omaavalla (mineraalivilla) eristeellä. Lisäksi varioitiin solupolystyreenieristeen kerrospaksuutta. Pinnoitteen vesihöyryvastuksen vaihteluväli oli Z p ~ 20...180 m 2 s Pa/kg. Alapohjatyypeillä AP 201 ja AP 205 laskettiin molemmilla kuusi eristeen variointitapausta a f alla olevan taulukon mukaisesti. Muut materiaalien lämpötila- ja kosteusparametrit olivat taulukon 3.1 mukaisia. Variointitapaukset: a: eristeen vesihöyrynläpäisevyys δ p = 1,2 10-12 kg/m s Pa (polystyreeni) eristeen lämmönjohtavuus λ = 0,037 W/m o C pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 20 10 9 m 2 s Pa/kg b: eristeen vesihöyrynläpäisevyys δ p = 85 10-12 kg/m s Pa (mineraalivilla) eristeen lämmönjohtavuus λ = 0,041 W/m o C pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 20 10 9 m 2 s Pa/kg c: eristeen vesihöyrynläpäisevyys δ p = 1,2 10-12 kg/m s Pa (polystyreeni) eristeen lämmönjohtavuus λ = 0,037 W/m o C pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 50 10 9 m 2 s Pa/kg d: eristeen vesihöyrynläpäisevyys δ p = 85 10-12 kg/m s Pa (mineraalivilla) eristeen lämmönjohtavuus λ = 0,041 W/m o C pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 50 10 9 m 2 s Pa/kg e: eristeen vesihöyrynläpäisevyys δ p = 1,2 10-12 kg/m s Pa (polystyreeni) eristeen lämmönjohtavuus λ = 0,037 W/m o C pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 180 10 9 m 2 s Pa/kg f: eristeen vesihöyrynläpäisevyys δ p = 85 10-12 kg/m s Pa (mineraalivilla) eristeen lämmönjohtavuus λ = 0,041 W/m o C pinnoitteen vesihöyrynvastus Z p = 180 10 9 m 2 s Pa/kg Raja-arvot: sisäilma t s = +19 ºC, RH s = 50 %. pohjamaa t u ~ +12... +24 ºC, RH u = 100 %. Tämän lisäksi tutkittiin miten solupolystyreenin eristepaksuus, h e = 50 150 mm, vesihöyrynläpäisevyys δ p =1,2 10-12 kg/m s Pa, vaikuttaa rakenteen kosteustasapainoon alapohjarakenteessa AP205.

Pinnoitteen alapinnna suhteellinen kosteus RH [%] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Eristeen vaikutus pinnoitteen alapinnan suhteelliseen kosteuteen AP 201 41 f e d c b a 0 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Pohjamaan lämpötila t u [ o C] Kuva 4.10 Eristeen ja lattiapinnoitteen vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus pinnoitteen alapinnan suhteelliseen kosteuteen. AP 201 Pinnoitteen alapinnna suhteellinen kosteus RH [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Eristeen vaikutus pinnoitteen alapinnan suhteelliseen kosteuteen AP 205 f e d c b a 0 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Pohjamaan lämpötila t u [ o C] Kuva 4.11 Eristeen ja lattiapinnoitteen vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus pinnoitteen alapinnan suhteelliseen kosteuteen. AP 203.

42 Kuvista 4.10 ja 4.11 voidaan todeta, että käytettäessä eristettä, jonka vesihöyrynläpäisevyys on pieni, pinnoitteen alapinnan suhteellinen kosteus on 2 4% alhaisempi kuin suuren vesihöyrynläpäisevyyden omaavalla eristeellä. Lisäksi rajalämpötila, jossa rakenteen eristekerrokseen alkaa tiivistyä kosteutta on alhaisempi käytettäessä suuren vesihöyrynläpäisevyyden omaavaa eristettä. Tämä näkyy selvimmin AP 205:n variaatioissa, joissa pinnoitteen vesihöyrynvastus on pieni. Eristeen paksuuden ja pinnoitteen vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus pinnoitteen alapinnan suhteelliseen kosteuteen 100 90 a pinnan suhteellinen eus RH [%] n al kost tee Pinnoit 80 70 60 50 40 Zp=180, 50mm eristettä Zp=180, 100mm eristettä 30 Zp=180, 150mm eristettä 20 Zp=50, 50mm eristettä Zp=50, 100mm eristettä 10 Zp=20, 50mm eristettä 0 Zp=20, 100mm eristettä 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Pohjamaan lämpötila t u [ o C] Kuva 4.12 Eristeen paksuuden ja lattiapinnoitteen vesihöyrynläpäisevyyden vaikutus pinnoitteen alapinnan suhteelliseen kosteuteen. Alapohjatyyppi AP 205. Kuvasta 4.12 voidaan todeta, että eristepaksuuden kaksinkertaistaminen alentaa pinnoitteen alapinnan suhteellista kosteutta keskimäärin 5%-yksikköä. Lämmöneristyksen lisäämisellä on kuitenkin suurempi merkitys rakenteen kosteustekniseen toimintaan siltä kannalta, että eristeen paksuntaminen vähentää maahan johtuvaa lämpövuota ja siten maapohjan lämpenemistä.

43 4.2 Tuuletettu maanvastainen alapohja stationääritilassa Seuraavassa tarkastellaan erään yleisesti käytetyn kosteusvaurioituneen alapohjarakenteen korjausmenetelmän, lattiarakenteen tuulettamisen teoreettista kosteusteknistä toimintaa. 4.2.1 Tuuletettu lattiarakenne Kosteusvaurioituneiden maanvastaisten alapohjarakenteiden eräs korjausmenetelmä on vaurioituneen laatan päälle asennettava uusi tuuletettu lattiarakenne, kuva 4.13. Menetelmässä vanhan laatan päälle pintarakenteen poistamisen jälkeen tehdään tuuletusrako esimerkiksi muototeräksellä, profiloidulla muovilevyllä, koolauksella, sepelillä, kevytsoralla tai geokomposiitilla, jonka päälle rakennetaan uusi lattiarakenne jäykällä rakennuslevyllä. Uuden lattiapinnoitteen valinnalle ja sen vesihöyrynläpäisevyysominaisuuksille ei ole rajoituksia. Rakenteen tuuletus järjestetään joko luonnollisena ilmanvaihtona sisäilmaan tai poispuhalluksella ilmaraosta esimerkiksi rakennuksen poistoilmakanavaan. Rakennetta suunniteltaessa on otettava huomioon: uuden rakenteen optimikorkeus (huomioitava esimerkiksi kuinka paljon ovien toiminta sallii lattiakorkeuden nostamista) tuuletusraon jatkuvuus esimerkiksi väliseinien kohdalla (rei itys) uuden lattiarakenteen ääneneristävyysominaisuudet. Kuva 4.13 Periaatekuva alapohjarakenteen korjausmenetelmästä, laatan päälle asennetaan uusi lattiarakenne. Tuuletusvaihtoehtoja. Tuuletusraon ilman sisään ja ulosottoaukot voidaan sijoittaa eri tavoilla (Kuva 4.14), jolloin rakenteeseen muodostuu teoreettisesti erilainen ilmavuo /14/. Vaihtoehdossa a ilmaa otetaan rakoon rakenteen kolmelta sivulta ja neljännen sivun keskellä on poispuhallus. Vaihtoehdossa b ilmaa otetaan rakenteen nurkista ja rakenteen keskellä on poispuhallus. Vaihtoehdossa c ilma otetaan sisään yhdeltä sivulta ja poistetaan vastakkaiselta sivulta sisäilmaan. Kuvassa 4.14c esitetään muodostuva ilmavuo, mikäli rakenteen ne sivut, joissa ei ole ilman sisäänottoa tai poistoa eivät ole ilmanpitäviä.

44 a. b. c. Kuva 4.14 Ilmaraon tuuletustapoja. Lattiarakenteen liitoksissa ympäröiviin seinärakenteisiin käytetään erilaisia ratkaisuja riippuen siitä, otetaanko/poistetaanko ilmaa liitoksen kautta vai tuleeko liitoksen olla ilmatiivis. Periaatekuvia seinä- ja poistoilmaputken liitoksista on esitetty kuvassa 4.15. Jalkalista (reikiä) Tiiviste Tiiviste Poistoputki Kuva 4.15 Tuuletetun lattiarakenteen seinä- ja poistoilmaputken periaatekuva. liitoksia, Ilmaraossa liikkuva ilma sitoo itseensä alapuolisesta laatasta haihtuvaa kosteutta. Mitoitusehtona rakenteen suunnitellulle toiminnalle on, ettei ilmaraossa liikkuvan ilman kosteus saavuta kyllästys- tai kriittistä kosteuspitoisuutta, jossa homekasvu ilmaraossa on mahdollista. Tarvittava tuuletusilman määrä riippuu ilmaraon suhteellisesta kosteudesta ja lämpötilasta, tuuletusilman lähtötilanteen suhteellisesta kosteudesta ja lämpötilasta sekä pohjamaan lämpötilasta ja alapohjarakenteen kosteustuotosta. Rakenteen toimintaa on tutkittu Ruotsissa /14/. Rakenteissa tuuletettavana rakenteena käytetään yleensä vesihöyryntiivistä rakennetta. Mittausten mukaan tuulettamalla maanvaraisen laatan yläpintaa voidaan laatan yläpinnan kosteuspitoisuutta alentaa,

45 mutta se ei vaikuta laatan kosteuteen kovinkaan syvälle, mikäli laatan alapinta on kosketuksissa vapaan veden kanssa. Menetelmällä voidaan sa ada alapohjarakenne toimivaksi tapauksissa, joissa alapohjan kosteustuottoa (kapillaarinen nousu, maapohjan lämpeneminen) ei voida taloudellisesti tai käytännöllisesti muilla tavoilla alentaa. 4.2.2 Tuuletetun lattiarakenteen mitoitusperiaatteet Tuuletusraossa (Kuva 4.16), jonka korkeus on b, leveys d ja pituus l, kulkeva kosteusmäärä saadaan kaavan 4.1 mukaan /22/: 0 ( v v ) G = R [kg/s] (4.1) a a 3 missä R= b d u = ilmavirta [m /s] ja u = ilman nopeus raossa. Laskettaessa tuuletusraossa leveysyksikköä (d = 1 m) kohti kulkevaa kosteusmäärää, kaava saa muodon (Kaava 4.2) /22/: ( b u 0 ) ( v a v a ) g = l [kg/m 2 s] ( 4.2) Tuuletusraon ilmavirran suuruus voidaan laskea kaavalla 4.3 /22/: 2 b P Q = A [m 3 a /s] ( 4.3) 12η l missä A on ilmaraon ala = b d, b on ilmaraon korkeus, d ilmaraon leveys ja l ilmaraon pituus. P on paine-ero ja η ilman viskositeetti [Ns/m 2 ] (kuva 4.19). v a 0 b Z x u v_ l v a Kuva 4.16 Ilmaraon mitoituksessa käytettävät määritelmät. Harderupin /14/ mittausten mukaan tuuletetussa ilmaraossa paine laskee 1 2 Pa/m. Oletettaessa, että lämpötila ilmaraossa on muuttumaton, voidaan laskea ilmaraon ilman suhteellinen kosteus kaavalla 4.4 /22/. v a = v 0 k x ( v v ) e a [g/m 3 ] (4.4) missä v a = ilmaraon ilman suhteellinen kosteus [g/m ] v - = alapohjarakenteen (betonilaatan) alla olevan maan suhteellinen 3 kosteus [g/m ] 3

46 v 0 a = ilmarakoon otettavan ilman suhteellinen kosteus [g/m 3 ] (suurin kesällä) k = 1/b u Z = d/q a Z u = ilman keskimääräinen nopeus (m/s) = Q a /A Z = alapohjarakenteen (betonilaatan) vesihöyrynvastus [s/m] x = etäisyys ilman sisäänottokohdasta Ilmaraon ilman suhteellinen kosteus rajoitetaan mitoituksessa yleensä alle RH 75%. Kaavasta 4.4 takaisin johtaen voidaan laskea tarvittava ilmavirran suuruus (4.5). Q a = ln x ( d ) Z ( v v a ln v va 0 ) ( ) Kaavasta 3.3 takaisin johtaen voidaan laskea tarvittava ilmaraon korkeus (4.6). (4.5) 12 η Qa l b = 3 P d (4.6) Kaavan 4.5 avulla voidaan mitoittaa tuulettuvan alapohjarakenteen tuuletukseen tarvittava ilmamäärä. Esimerkkinä tarkastellaan laajaa lämpöeristämätöntä maanvaraista betonilaattaa, jonka alapuolella pohjamaan huokosilman suhteellinen kosteus on Rh = 100 %. Tuuletusraon ilman lämpötila vastaa huoneilman lämpötilaa T s = +20 C ja 3 kosteuspitoisuus lähtötilanteessa huoneilman kosteuspitoisuutta v = 12 g/m (RH 69%). Lattian tuuletuskanavan kokonaispituus on x = 20 metriä sisäänottoaukosta poistoilmaliikkuvan ilman suhteellinen kosteus poistoilma-aukon luona ei saa ylittää raja-arvoa Rh aukolle ja betonilaatan vesihöyrynläpäisevyys δ p = 6,76 10-7 kg/m s Pa. Jos ilmaraossa = 75 %, on vaadittava tuuletusilman määrä pohjamaan lämpötilasta ja betonilaatan paksuudesta riippuen kuvan 4.17 mukainen. Lämpöeristämättömän laatan alapuolella pohjam aan lämpötila on käytännössä laatan lämpötilan tasolla eli T = 20, on tarvittava tuuletusilmamäärä käytännössä tasolla Q = 20 30 m 3 /h. Kapillaarisesti nousevan kosteuden määrä voi olla huomattavasti suurempi kuin diffuusiolla tapauksessa, jossa alapohjarakenne on kapillaarisessa yhteydessä kosteuslähteen kanssa. Tapauksessa, jossa ilmarakoon nousee kapillaarisesti kosteutta ilmaraon ilmavirta voidaan määritellä samalla kaavalla (4.3) kuin diffuusiotapauksessa, kun kapillaarinen kosteusvirta on määritelty kohdan 3.4.3 kaavalla (3.22). Ilmarakoon nousevan kosteuden määrän enimmäisarvoina voidaan pitää kohdassa 3.4.3 kapillaaritarkasteluissa määriteltyjä arvoja (kuva 4.18).

Ilmavirta (m 3 /h) 47 5 4,5 80 mm laatta 4 100 mm laatta 3,5 120 mm laatta 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 16 17 18 19 20 21 22 Pohjamaan lämpötila Kuva 4.17 Tarvittava tuuletusmäärä eristämättömän ja tuuletetun alapohjarakenteen 20 metrin pituisessa tuuletuskanavassa betonilaatan paksuuden ja pohjamaan lämpötilan funktiona. Pohjamaan R h = 100 % ja ilmaraon ja tuuletusilman lämpötila T s = 20 C, v = 12 g/m 3. Betonilaatan läpi kapillaarisesti nousevan kosteusvirran enimmäisarvot 0,25 Kosteusvirta, g/m 2 s 0,20 0,15 B g = 2 d m 0,10 X 0,05 X X X X X X X X X 0 50 100 150 200 X K20 K25 K30 K40 Betonilaatan paksuus,mm Kuva 4.18 Kapillaarisesta ilmarakoon nousevan kosteuden enimmäisarvot betonilaadun ja laatan paksuuden muuttuessa.

48 Esimerkiksi ilmaraon suhteellinen kosteus tapauksessa, jossa 80 mm betonilaatta on kapillaariyhteydessä vaihtelee kuvan 4.19 mukaan. Kuvasta nähdään, että 10 mm il maraon korkeus on riittävä muilla betonilaaduilla kuin K20, jolla turvallinen alle 75%:n ilmaraon suhteellinen kosteus saavutetaan n. 13 mm korkuisella ilmaraolla. Ilmaraon suhteellinen kosteus (%), 80 mm betonilaatta kapillaariyhteydessä 100 95 K20 Ilmaraon suhteellinen kosteus, RH (%) 90 85 80 75 70 X X X X X X X X X K25 K30 K40 X 65 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Ilmaraon korkeus,mm Kuva 4.19 Ilmaraon suhteellinen kosteus, 80 mm betonilaatta kapillaariyhteydessä vedenpintaan. Betonilaadun ja betonilaatan paksuuden vaikutus ilmaraon suhteelliseen kosteuteen on esitetty kuvassa 4.20. Ilmaraon suhteellinen kosteus (%) betonilaatan paksuuden ja kapillaarivastuksen muuttuessa 100 I lmar aon suhteellinen ko steus, RH (%) 95 90 85 80 75 70 X X X X X X X X X X K20, laatta 50 mm K40, laatta 50 mm K20, laatta 200 mm K40, laatta 200 mm X 65 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Ilmaraon korkeus,mm Kuva 4.20 Betonilaadun ja betonilaatan paksuuden (kapillaarivastuksen) vaikutus ilmaraon suhteelliseen kosteuteen

49 5 SEURANTAMITTAUKSET Maanvastaisten alapohjien lämpö- ja kosteuskäyttäytymistä on edellä tarkasteltu liittyvien materiaalien osalta laboratoriossa määritettyinä tasapainokosteuskäyrinä sekä laskennallisesti rakenteiden kokonaiskäyttäytymisen kannalta stationääritilassa. Rakenteiden todellinen käyttäytyminen muuttuvissa ympäristöolosuhteissa voidaan todentaa varmasti vain kenttämittauksilla koekohteissa, joissa seurataan pitkäaikaisesti peruslaatan alapuolisten rakenne- ja täyttökerrosten lämpötilakehittymistä. ja kosteuskenttien Tässä tutkimuksessa seurattiin pitkäaikaisena seurantana kolmea uudisrakennuskohdetta Tampereen ja Järvenpään alueilla vuosien 2001 ja 2002 aikana. Mittauksissa seurattiin maanvastaisen laatan alapuolisten täyttökerrosten lämpötiloja, täyttökerrosten vesipitoisuutta sekä eriste- ja laattarakenteiden suhteellista kosteutta ja lämpötilaa sekä niiden muutoksia suhteessa laatan, sisäilman ja ulkoilman lämpö- ja kosteusolosuhteisiin. Erityistä huomiota kiinnitettiin laatan alapuolisten täyttökerrosten lämpötiloihin ja niiden kehittymiseen suhteessa rakentamisajankohtaan ja rakennusten lämmityksen aloittamiseen. Mittauskohteiden valinnassa pyrittiin mahdollisuuksien rajoissa kiinnittämään huomiota rakentamisajankohtaan. Yksi kohteista oli rivitalorakennus, jonka rakennusvaihe ajoittui loppusyksyyn ja talveen 2001 2002, ja jossa rakennuksen lämmitys aloitettiin helmikuussa 2002. Kesärakentamista edusti Järvenpäässä kesän ja syksyn 2001 aikana rakennettu omakotitalo, jossa käytettiin lämmitysjärjestelmänä ilmakiertoista lattialämmitystä. Kolmas kohde oli toimistorakennus Tampereen Hervannassa, jonka rakennuskausi kesti yli koko talven 2002 ja lämmityskausi alkoi keväällä 2002. Kaikissa mittauskohteissa instrumentoinnit olivat saman kaltaisia. Mitattavina suureina olivat laatan alapuolisen salaojitus- ja täyttökerroksen lämpötila- ja vesipitoisuus sekä laatan ja eristekerrosten suhteellinen kosteus ja lämpötila. Kohteiden instrumentoinnit ja olosuhteet on käyty yksityiskohtaisesti läpi luvuissa 5.1 5.3. 5.1 Omakotitalo Järvenpää Omakotitalo Järvenpään lämmitysjärjestelmänä oli ns. Legalett lämpöperustus. Rakennuksen perustusratkaisuna on maanvarainen laatan alapuolelta ja reuna-alueilta lämmöneristetty betonilaatta. Lattialämmitysjärjestelmä koostuu betonilaatan sisään valetusta ilmakanavistosta, puhaltimen sisältävästä lämmityslaitteesta ja lämmönjaon säätölaitteesta. Lämmitysjärjestelmän ollessa toiminnassa puhallin kierrättää lämmityslaitteessa lämmitettyä ilmaa kanavistossa, jolloin lämpö leviää betoniin ja siitä edelleen lämmittää huoneilmaa. Lämmitystä ohjataan huoneilman lämpötila-antureilla. Omakotitalo Torpan pohjapiirros ja alapohjarakenteen leikkaus on esitetty kuvassa 5.1 Alapohjan rakenneleikkaukset kaikissa mittauspisteissä olivat saman kaltaiset. Betonilaatan paksuus oli h l = 190 mm, alapuolisen polystyreenieristyksen vahvuus he = 200 mm ja mursketäyttökerroksen paksuus h m = 300 mm.

LÄPÄISY % 50 Kuva 5.1 Omakotitalo Järvenpään pohjapiirros ja maanvaraisen alapohjalaatan leikkauskuva. Anturien asennuksen yhteydessä omakotitalo Järvenpään laatan alapuolisesta täyttömurskeesta otettiin näytteet, joiden avulla kalibroitiin vesipitoisuuden mittauksissa käytetyt PTC anturit ja joista määritettiin murskeen rakeisuuskäyrä (kuva 5.2). GEO SAVI SILTTI HIEKKA SORA 0.0006 100 % 0.002 0.006 0.02 0.074 0.125 0.25 0.5 1 2 4 8 16 32 64 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0. 0006 0.002 0.006 0.02 0.074 0.125 0.25 0.5 1 2 4 8 16 32 64 Kuva 5.2. Omakotitalo Järvenpään täyttömurskeen rakeisuuskäyrä.