Hydrataatiolämmön aiheuttaman vaurioitumisriskin hallinta massiivibetonivaluissa

Abstract

Massiiviset betonirakenteet altistuvat vaurioitumisriskille, joka johtuu sementin ja veden hydrataatioreaktiossa vapautuvasta lämmöstä. Tämä lämpö vapautuu erityisesti reaktion alkuvaiheessa, jolloin betonin ominaisuudet muuttuvat nopeasti. Vaurioitumisriski liittyy ensisijaisesti jäykistyvän betonin lämpömuodonmuutosten estymisestä aiheutuvaan halkeiluun sekä myöhäiseen ettringiittireaktioon, joka voi kosteuden vaikutuksesta aiheuttaa paisumista ja halkeilua. Diplomityön tutkimusongelmana käsitellään hydrataatiolämmön aiheuttamaa vaurioitumisriskiä massiivibetonivaluissa ja sen hallintaa riskin tunnistamisen, arvioinnin sekä ennaltaehkäisyn näkökulmista, hyödyntäen kansainvälistä kirjallisuuskatsausta ja tapaustutkimusta.

Riskinhallintaa toteutetaan tyypillisesti lämpötilan raja-arvoja ja lämpötilanhallintakeinoja soveltamalla. Kansainvälisesti myöhäistä ettringiittireaktiota ehkäistään usein 70 °C maksimilämpötilarajalla ja lämpöhalkeilua 20 °C lämpötilaeron rajalla. Suomessa varaudutaan lisäksi massiivibetonin lujuuden alenemiseen, jos lämpötila ylittää 60 °C, vaikka tätä käytäntöä ei yleisesti hyödynnetä kansainvälisesti. Diplomityössä esitetään, että lujuuskatoa ei tulisi huomioida laskennallisesti ilman yksiselitteistä kokeellista näyttöä huomioimisen tarpeellisuudesta.

Lämpötilan hallinnassa käytetään eri keinoja, kuten sideaineen määrän ja laadun säätelyä, esijäähdytystä, nesteputkijäähdytystä sekä rakentamisen hallintaa. Suomessa sideaineen säätelyä rajoittaa lujuudenvarmistuksen lisäksi betonin pakkassuolakestävyyttä kuvaava P-luku, jonka asettamia rajoituksia sideainemäärille, vesi-sideainesuhteelle ja masuunikuonalle tulisi jatkotutkimuksena tarkastella kriittisesti. Esijäähdytys on kustannustehokas keino betonin alku- ja maksimilämpötilan alentamiseen, mutta toistaiseksi harvoin käytetty Suomessa. Jos sideaineen säätely ja esijäähdytys eivät riitä, voidaan turvautua nesteputkijäähdytykseen sen korkeista kustannuksista huolimatta.

Diplomityön tapaustutkimuksessa tarkastellaan nesteputkijäähdytetyn Hessundinsalmen sillan kannen lämpötilakentän kehitystä kolmiulotteisella elementtimenetelmällä käyttäen SOFiSTiK-ohjelmistoa. Arvioinnin lähtötietojen todetaan sisältävän merkittäviä epävarmuustekijöitä, joista tärkeimpiä olivat sideaineen lämmöntuottomalli, betonin alkulämpötila ja betonin ominaislämpökapasiteetti. Jatkotutkimustarpeena esitetään adiabaattisen lämpötilannousun selvittämistä suomalaisille betoneille. Työ korostaa tapauskohtaisen riskinarvioinnin ja tarkkojen lähtötietojen merkitystä luotettavan riskinarvioinnin saavuttamisessa.

Työn tuloksena esitetään yksityiskohtainen kuvaus vaurioitumisriskin hallintaprosessista ja tarjotaan sille kehitysehdotuksia. Tärkeimpinä haasteina riskinhallinnassa pidetään riskin arvioinnin monimutkaisuutta, kansallista kokemuksen puutetta ja osapuolten yhteistyön tarvetta. Riskinhallintaprosessin kehittämiseksi ehdotetaan, että suunnittelija laatisi lämpötilanhallintaehdotuksen osana kilpailutusasiakirjoja, mikä mahdollistaa riskin varhaisen tunnistamisen, betonin lujuusluokan ja P-luvun tarkastelun ja riskinhallinnan budjetoinnin.

Massive concrete structures are susceptible to damage risks caused by the heat generated during the hydration reaction of cement and water. This heat release is particularly intense during the early stages of the reaction when the properties of the concrete are rapidly changing. The primary risks include cracking due to restrained thermal deformation of hardening concrete and delayed ettringite formation which under the influence of moisture can cause expansion and cracking within the structure. This thesis addresses the problem of hydration heat-induced damage risks in massive concrete pours and examines its management from the perspectives of risk identification, evaluation and mitigation, utilizing insights from an international literature review and a case study.

Risk management typically involves applying temperature limits and thermal control measures. Internationally, delayed ettringite formation is often mitigated by setting a maximum temperature limit of 70 °C, while thermal cracking is managed with a 20 °C temperature differential limit. In Finland, additional precautions are taken to address the potential strength reduction of massive concrete if temperatures exceed 60 °C, although this practice is not widely used internationally. The thesis argues that strength reduction should not be included in strength development evaluation without clear experimental evidence of its necessity.

Thermal control measures include adjusting the amount and type of binder, pre-cooling, post-cooling using embedded cooling pipes and construction management. In Finland, binder regulation is further restricted by the frost-salt resistance parameter known as the P-value. These restrictions which affect binder quantities, water-binder ratios and the use of ground granulated blast-furnace slag (GGBFS), should be critically reviewed in future research. Pre-cooling is a costeffective method for reducing initial and maximum concrete temperatures but remains rarely used in Finland. If binder adjustments and pre-cooling are insufficient, post-cooling with embedded cooling pipes can be employed despite its high costs.

The case study in this thesis examines the temperature field development in the post-cooled deck of the Hessundinsalmi Bridge using a three-dimensional finite element method with SOFiSTiK software. The analysis highlights significant uncertainties in the input data, particularly in the binder heat generation model, the initial concrete temperature and its specific heat capacity. Future research should prioritize investigating the adiabatic temperature rise of Finnish concretes. The study emphasizes the importance of case-specific risk assessments and accurate input data for achieving reliable evaluations.

The thesis presents a comprehensive description of the damage risk management process and proposes improvements. Key challenges in risk management include the complexity of risk assessment, a lack of national experience and the need for collaboration among project stakeholders. To improve the process, it is recommended that designers prepare a thermal management proposal as part of the bidding documents. This would enable early risk identification, evaluation of strength and P-value requirements for concrete, and effective budgeting for risk management.