Alkali-kiviainesreaktion vaurioiden korjaaminen betonipadoissa
Tourula, Eetu (2020)
2020
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-12-18
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202012188988
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202012188988
Tiivistelmä
Työn päätavoitteena oli selvittää mahdollisia korjausmenetelmiä alkali-kiviainesreaktion vaurioittamille patorakenteille. Samalla työssä selvitettiin alkali-kiviainesreaktion patorakenteille aiheuttamia vaurioita, vaurioiden seurauksia ja reaktion yleisyyttä patorakenteissa. Työssä perehdytään myös itse alkali-kiviainesreaktioon ja siihen vaikuttaviin seikkoihin. Työssä käsitellään myös esimerkkikohdetta, jossa tutkitaan alkali-kiviainesreaktion olemassaoloa ja sen aiheuttamia vaurioita.
Alkali-kiviainesreaktio on betonissa betonin huokosveden sisältämien alkaleiden ja hydroksidi-ionien sekä betonin kiviaineksen sisältämän reaktiivisen piin (yleensä kvartsimineraalissa) välillä tapahtuva kemiallinen reaktio. Reaktiossa syntyy alkalipiigeeliä, joka absorboi vettä ja laajenee. Rakenteille haitallisen laajenemisen on todettu alkavan betonin suhteellisen kosteuden ylittäessä 80 %. Betonirakenteiden pinnalla havaittavia merkkejä alkali-kiviainesreaktiosta ovat verkkohalkeilu, halkeilun yhteydessä esiintyvät värjäytymät (tummat, märän näköiset alueet halkeamien ympärillä) ja rakenteiden laajentuminen/muodonmuutokset. Halkeilu avaa väylän muille turmeltumisilmiöille tunkeutua syvemmälle betoniin ja altistaa rakenteen jäätymis-sulamissyklien aiheuttamalle rapautumiselle.
Tutkimuksessa selvitettiin kirjallisuudesta erilaisia patokohteita maailmalta, joissa alkali-kiviainesreaktio on havaittu ja millaisia vaurioita patorakenteisiin oli syntynyt. Tyypillisiä ongelmia padoissa ovat olleet geometrian muutokset ja rakenteiden laajentuminen. Geometrian muutokset ja laajentuminen ovat aiheuttaneet myös haitallisia jännityksiä rakenteisiin. Joissakin tilanteissa rakenteisiin on syntynyt suuria halkeamia, jotka ovat aiheuttaneet riskin kantavuuden alenemiseen. Verkkohalkeilu yhdessä pakkasen aiheuttamien vaurioiden kanssa on rapauttanut betonin pintaa useissa kohteissa heikkoon kuntoon.
Ainoa keino alkali-kiviainesreaktion pysäyttämiseksi on betonin suhteellisen kosteuden rajoittaminen. Suhteellisen kosteuden rajoittaminen voi patorakenteissa olla erittäin haastavaa. Jos suhteellista kosteutta ei voida rajoittaa, on silloin keskityttävä korjaamaan reaktion aiheuttamia ongelmia, kuten halkeilleen betonipinnan tiivistäminen injektoimalla tai haitallisten jännitysten ja muodonmuutosten hillitseminen lovia sahaamalla.
Tutkimuksen perusteella ei voida antaa kaikkia patorakenteita koskevia yksityiskohtaisia ohjeita korjaamiseen, koska vaurioiden ilmeneminen voi poiketa eri rakenteiden välillä rakenteen geometriasta ja alkali-kiviainesreaktion ominaisuuksista kuten aggressiivisuudesta johtuen. Kaikkia patorakenteita koskien on ensimmäisenä pyrittävä kuitenkin suhteellisen kosteuden rajoittamiseen. The aim of this work was to find out ways to repair concrete dams affected by alkali-aggregate reaction. This study investigated effects of alkali-aggregate reactions to concrete dams and reactions popularity in concrete dams. The basics of the alkali-aggregate reaction were also studied. Existence and effects of the alkali-aggregate reaction was investigated in the example dam structure.
Alkali-aggregate reaction is a chemical reaction between alkalis and hydroxide-ions in concrete pore water and silica in aggregate. Reactive silica is usually found in quartz mineral. Alkali-silica gel is formed in the reaction. The alkali-silica gel is hydroscopic and when it absorbs water it expands. Harmful expansion starts when relative humidity of concrete is 80 % or over it. Pattern cracking, discolouration (usually darker, wet looking areas around cracks) and expansion or deformation of structures are signs of alkali-aggregate reaction that can be seen on concrete surfaces. Cracking provides a way for other deteriorating mechanisms to penetrate to the concrete and exposes the structure to deteriorating of freeze-thaw cycles.
Different kind of concrete dams with damage caused by alkali-aggregate reaction from all over the world were investigated from literature in this research. The type of the damage was also investigated from those dams. Typical problems caused by alkali-aggregate reaction in concrete dams are changes in geometry of the dam and expansion of the structures. Changes in the geometry and expansion of the structure may cause harmful and unexpected stresses to the structures. In some case large cracks have appeared to the structures and have caused a risk of reduced load bearing capacity. Pattern cracking with freeze-thaw cycles have deteriorated the concrete surfaces to poor condition in many cases.
Only way to stop alkali-aggregate reaction is to reduce relative humidity in concrete. In dam structures it may be extremely difficult. If reducing relative humidity is not possible one must focus on repairing the effects of the alkali-aggregate reaction like grouting the cracks or slot cutting to reduce expansion and harmful stresses.
According to the research, a specific instruction for repairing concrete dams with alkali-aggregate reaction cannot be given because the effects of alkali-aggregate reaction may be different as a result of different geometries of the dams and different characteristics of the reaction for example aggressivity. First thing to consider when starting to repair concrete dams with alkali-aggregate reaction should be reducing the relative humidity.
Alkali-kiviainesreaktio on betonissa betonin huokosveden sisältämien alkaleiden ja hydroksidi-ionien sekä betonin kiviaineksen sisältämän reaktiivisen piin (yleensä kvartsimineraalissa) välillä tapahtuva kemiallinen reaktio. Reaktiossa syntyy alkalipiigeeliä, joka absorboi vettä ja laajenee. Rakenteille haitallisen laajenemisen on todettu alkavan betonin suhteellisen kosteuden ylittäessä 80 %. Betonirakenteiden pinnalla havaittavia merkkejä alkali-kiviainesreaktiosta ovat verkkohalkeilu, halkeilun yhteydessä esiintyvät värjäytymät (tummat, märän näköiset alueet halkeamien ympärillä) ja rakenteiden laajentuminen/muodonmuutokset. Halkeilu avaa väylän muille turmeltumisilmiöille tunkeutua syvemmälle betoniin ja altistaa rakenteen jäätymis-sulamissyklien aiheuttamalle rapautumiselle.
Tutkimuksessa selvitettiin kirjallisuudesta erilaisia patokohteita maailmalta, joissa alkali-kiviainesreaktio on havaittu ja millaisia vaurioita patorakenteisiin oli syntynyt. Tyypillisiä ongelmia padoissa ovat olleet geometrian muutokset ja rakenteiden laajentuminen. Geometrian muutokset ja laajentuminen ovat aiheuttaneet myös haitallisia jännityksiä rakenteisiin. Joissakin tilanteissa rakenteisiin on syntynyt suuria halkeamia, jotka ovat aiheuttaneet riskin kantavuuden alenemiseen. Verkkohalkeilu yhdessä pakkasen aiheuttamien vaurioiden kanssa on rapauttanut betonin pintaa useissa kohteissa heikkoon kuntoon.
Ainoa keino alkali-kiviainesreaktion pysäyttämiseksi on betonin suhteellisen kosteuden rajoittaminen. Suhteellisen kosteuden rajoittaminen voi patorakenteissa olla erittäin haastavaa. Jos suhteellista kosteutta ei voida rajoittaa, on silloin keskityttävä korjaamaan reaktion aiheuttamia ongelmia, kuten halkeilleen betonipinnan tiivistäminen injektoimalla tai haitallisten jännitysten ja muodonmuutosten hillitseminen lovia sahaamalla.
Tutkimuksen perusteella ei voida antaa kaikkia patorakenteita koskevia yksityiskohtaisia ohjeita korjaamiseen, koska vaurioiden ilmeneminen voi poiketa eri rakenteiden välillä rakenteen geometriasta ja alkali-kiviainesreaktion ominaisuuksista kuten aggressiivisuudesta johtuen. Kaikkia patorakenteita koskien on ensimmäisenä pyrittävä kuitenkin suhteellisen kosteuden rajoittamiseen.
Alkali-aggregate reaction is a chemical reaction between alkalis and hydroxide-ions in concrete pore water and silica in aggregate. Reactive silica is usually found in quartz mineral. Alkali-silica gel is formed in the reaction. The alkali-silica gel is hydroscopic and when it absorbs water it expands. Harmful expansion starts when relative humidity of concrete is 80 % or over it. Pattern cracking, discolouration (usually darker, wet looking areas around cracks) and expansion or deformation of structures are signs of alkali-aggregate reaction that can be seen on concrete surfaces. Cracking provides a way for other deteriorating mechanisms to penetrate to the concrete and exposes the structure to deteriorating of freeze-thaw cycles.
Different kind of concrete dams with damage caused by alkali-aggregate reaction from all over the world were investigated from literature in this research. The type of the damage was also investigated from those dams. Typical problems caused by alkali-aggregate reaction in concrete dams are changes in geometry of the dam and expansion of the structures. Changes in the geometry and expansion of the structure may cause harmful and unexpected stresses to the structures. In some case large cracks have appeared to the structures and have caused a risk of reduced load bearing capacity. Pattern cracking with freeze-thaw cycles have deteriorated the concrete surfaces to poor condition in many cases.
Only way to stop alkali-aggregate reaction is to reduce relative humidity in concrete. In dam structures it may be extremely difficult. If reducing relative humidity is not possible one must focus on repairing the effects of the alkali-aggregate reaction like grouting the cracks or slot cutting to reduce expansion and harmful stresses.
According to the research, a specific instruction for repairing concrete dams with alkali-aggregate reaction cannot be given because the effects of alkali-aggregate reaction may be different as a result of different geometries of the dams and different characteristics of the reaction for example aggressivity. First thing to consider when starting to repair concrete dams with alkali-aggregate reaction should be reducing the relative humidity.