Vähähiilisten betonien säilyvyysluokitus : Karbonatisoituminen

Abstract

Betonirakenteiden säilyvyyssuunnittelu on saavuttanut murrosvaiheen betonirakenteiden suunnittelua ohjaavassa Eurokodissa EN1992-1-1 havaittujen puutteiden ja markkinoille julkaistujen entistä vähäpäästöisempien seossideaineiden myötä. Uusien seossideaineiden vähäpäästöisyys perustuu entistä korkeampien sementin korvausasteiden käyttöön, joka samalla muuttaa sideaineen kemiallista koostumusta, ja näin myös betonien kemiallisia ja fyysisiä ominaisuuksia vastustaa erilaisten teräsbetonirakenteen säilyvyyden kannalta haitallisten aineiden tunkeutumista rakenteeseen.

Teräsbetonirakenteen säilyvyyden kannalta haitallisia aineita ovat muun muassa kloridit ja hiilidioksidi. Tässä diplomityössä perehdytään vain hiilidioksidin tunkeutumisesta aiheutuvaan korroosioon, ja siihen kuinka tähän varaudutaan säilyvyyssuunnittelussa. Hiilidioksidi tunkeutuu betonin huokoista rakennetta pitkin betoniin diffuusion avulla. Riittävän kosteuden läsnä ollessa hiilidioksidi reagoi sementtikiven emäksisten yhdisteiden kanssa laskien betonin pH-arvon tasolle, joka mahdollistaa raudoitteiden korroosion aktivoitumisen. Hiilidioksidin tunkeutumista rakenteeseen ja sen reagointia sementtikiven yhdisteiden kanssa kutsutaan karbonatisoitumiseksi.

Sideaineiden erilaisten kemiallisten koostumuksien vuoksi myös karbonatisoituminen ja sen etenemisnopeus vaihtelee betonin valmistuksessa käytetyn sideaineen mukaan. Käytetty sideaine siis vaikuttaa suoraan betonin säilyvyysominaisuuksiin, joka johtaa siihen, että edeltävän eurokoodin EN 1992-1-1:2005 mukainen säilyvyysmitoitus ei ole enää tarkoituksen mukainen. Päivitetty eurokoodi EN 1992-1-1:2023 tarjoaa betonin todelliseen suorituskykyyn perustuvan tavan lähestyä säilyvyysmitoitusta. Päivitetyssä eurokoodissa perinteisten rasitusluokkien lisäksi teräsbetonirakenteen vähimmäispeitepaksuuteen vaikutetaan betonin todellista suorituskykyä kuvaavalla säilyvyysluokituksella. Tämä nostaa kuitenkin esiin kysymyksen, kuinka säilyvyysluokkien mukainen suorituskyky saavutetaan? Lisäksi päivitetyssä eurokoodissa esitetään suositusarvot tiettyä säilyvyysluokkaa vastaavalle vähimmäispeitepaksuudelle. Tämä kuvastaa kuitenkin peitepaksuusvaatimusta vain tietyssä olosuhteessa.

Tässä tutkimuksessa suoritettiin standardia EN 12390-12 mukailevia kiihdytettyjä karbonatisoitumiskokeita eri valmistusparametrein valmistetuille betoneille. Tutkittuja valmistusparametrejä olivat sideainetyyppi, vesi-sideainesuhde, sideainemäärä ja ilmamäärä. Tutkimuksessa tarkasteltiin nimenomaan suomalaisia sideaineita. Tutkimuksessa selvitettiin myös, kuinka päivitetyn eurokoodin mukaista suorituskykyperusteista tarkastelua tehdään teräsbetonirakenteille, tarkoituksena mallintaa eurokoodin mukaista suositeltua vähimmäispeitepaksuustaulukkoa tarkemmin Suomen olosuhteisiin vaadittavat vähimmäispeitepaksuudet.

Kiihdytettyjen karbonatisoitumiskokeiden tuloksena tutkittavaksi valituille betoneille pystyttiin määrittämään säilyvyysluokat käyttäen korjauskertoimia, jotka huomioivat kiihdytetyn karbonatisoitumiskokeen ja eurokoodin mukaisen säilyvyysluokkien väliset erot olosuhteissa. Betonien osalta havaittiin karbonatisoitumisnopeuden ja säilyvyysluokituksen kasvavan sementin korvausasteen kasvaessa. Lisäksi vesi-sideainesuhteen ja ilmamäärän havaittiin kasvattavan karbonatisoitumisnopeutta ja säilyvyysluokitusta. Vähimmäispeitepaksuuksien suhteen havaittiin, että eurokoodin mukaiset suositusarvot voivat olla pääsääntöisesti tarpeettoman suuria Suomen ilmastossa. Tämä johtuu lähinnä Suomen ilmastolle tyypillisestä melko korkeasta vuosittaisesta suhteellisesta kosteudesta ja suurista sademääristä. Suomen ilmastolle tyypillisen vuoden ajoittainen vaihtelu kuitenkin aiheuttaa epävarmuutta mallinnukseen.

Durability design of concrete structures is undergoing a transformation due to recognized failures in Eurocode EN 1992-1-1 and the availability of new low-carbon binders in the market. These binders achieve lower emissions primarily because higher cement replacement levels are applied. Replacement modifies the chemical composition of the binder and so on the chemical and physical properties of the hardened concrete. This influences concrete’s ability to resist the ingress of substances that are harmful for the durability of reinforced concrete structures.

Harmful substances affecting the durability of reinforced concrete include, for example chlorides and carbon dioxide. This thesis focuses specifically on corrosion induced by carbon dioxide ingress and its consideration in durability design. Carbon dioxide penetrates concrete through its porous structure by diffusion. In the presence of sufficient moisture, it reacts with alkaline compounds, reducing the pH level of the concrete to a level at which corrosion can become active. This process of carbon dioxide ingress and its reaction with concrete is called carbonation of concrete.

Due to the variation in chemical composition among different binders, both the carbonation process and its rate depend on the type of binder used in the concrete. As a result, the binder directly influences the durability properties of concrete, rendering the durability design methods of the previous Eurocode EN 1992-1-1:2005 less appropriate. The updated Eurocode EN 1992-1-1:2023 introduces a performance-based approach to durability design of concrete. In addition to traditional exposure classes, the updated standard includes exposure resistance classes that describe the actual performance of the concrete and define the minimum concrete cover for reinforcement. However, this raises the question of how the performance required by these classes are achieved. The updated Eurocode provides also recommended values for the minimum concrete cover associated with each exposure resistance class. These values, however, are representative only for specific environmental conditions.

In this study, accelerated carbonation tests in accordance with EN 12390-12 were conducted on concretes produced with varying parameters. The parameters examined included binder type, water-binder ratio, binder content, and air content. The study focused on binders used in Finland. The study also examined how performance-based assessment in accordance with the updated Eurocode is carried out for reinforced concrete structures, with the aim of modelling the recommended minimum cover thickness table of the Eurocode in more detail to reflect the minimum cover requirements under Finnish conditions.

Based on the results of the accelerated carbonation tests, durability classes were determined for the selected concretes using correction factors that account for the differences in conditions between the accelerated carbonation test and the exposure resistance classes defined in the Eurocode. The results showed that increasing the level of cement replacement led to higher carbonation rates and lower durability classifications. Similarly, higher water-to-binder ratios and air contents increased carbonation rates and decreased durability performance. Regarding minimum cover values, it was found that the Eurocode’s recommended values may generally be too conservative for the Finnish climate. This is primarily due to Finland’s typically high annual relative humidity and the high amount of precipitation. Nevertheless, seasonal climatic variations common in Finland introduce a degree of uncertainty into the modeling process.