Säilyvyysominaisuudet 1990-luvun betonielementtijulkisivuissa ja parvekkeissa

Taustaa

Suomen kerrostalorakentaminen lähti huomattavaan nousuun teollistumisen ja siitä syntyneen kaupungistumisen myötä. Noin puolet nykyisestä kerrostaloasuntokannasta on rakennettu 1960- ja 1970-luvuilla. Valtaosa näistä kerrostaloista on toteutettu betonielementtitekniikalla. Elementtirakentaminen vauhdittui BES-tutkimuksen valmistuttua 1969 [1]. Edelleen asuinkerrostaloissa käytetään samoja tai siitä kehitettyjä liitostekniikoita.

Betonin säilyvyysominaisuuksiin alettiin kiinnittää huomiota 1970-luvulla, kun rakennuksissa huomattiin vaurioita suhteellisen pian rakennusten valmistumisen jälkeen. Esimerkiksi vuoden 1976 betoninormeihin tuli vaatimus betonin lisähuokostuksesta [3]. 1989 ilmestyneessä Betonin säilyvyysohjeessa betonin lujuusluokka, kloridipitoisuuden maksimiarvo sekä suojahuokossuhde määräytyi ympäristörasituksen mukaan [4]. Vuoden 1992 ohjeessa näitä suosituksia tarkennettiin ja korjattiin [5]. Vuosien 1960–1990 betonijulkisivujen ja -parvekkeiden säilyvyysominaisuuksissa on aiemmassa tutkimuksessa todettu puutteita. Näissä rakenteissa on todettu myös merkittäviä korroosio- ja rapautumavaurioita [6].

Diplomityön tavoitteena oli selvittää, vaikuttivatko säilyvyysohjeiden suositukset betonin säilyvyysominaisuuksia parantavasti sekä saada yleiskäsitys 1990-luvun betonijulkisivujen ja -parvekkeiden kunnosta.

Tutkimusaineisto

Tutkimuksessa käytetty aineisto on kerätty A-Insinöörit Oy:n tekemistä kuntotutkimuksista. Kohteita oli yhteensä 28 ja ne ovat sijoittuneet pääkaupunkiseudulle sekä Pirkanmaalle. Rakennukset ovat valmistuneet vuosien 1990–1996 välillä ja ne ovat olleet keskimäärin 22 vuoden ikäisiä kuntotutkimuksen tekohetkellä. Tutkimusaineiston näytteiden määrät ja niille tehdyt tutkimukset on esitetty taulukossa 1.

Peitepaksuuksista

Raudoitteiden peitepaksuussyvyydet ovat parantuneet merkittävästi vanhempaan rakennuskantaan verrattuna. Suurin osa peitepaksuuksista ylittää vaaditun 25 mm syvyyden. Alle 10 mm syvyydellä sijaitsevia raudoitteita havaittiin koko aineistossa vain 11 kappaletta. Peitepaksuuksia ei ole mitattu mahdollisten näkyvien vaurioiden kohdalta.

Klinkkeri- ja tiililaattapintaisilla julkisivuilla tulokset ovat yhtä hyviä, kun pinnassa olevan laatan paksuus vähennetään mitatusta syvyydestä. Parvekkeilla alle 25 mm syvyydellä sijaitsevia raudoituksia löytyi 7,9 %, joka on hieman enemmän kuin betonijulkisivuilla.

Karbonatisoitumisesta

Kuvassa 4 on esitetty karbonatisoitumiskerroinjakauma viidelle yleiselle julkisivupintatyypille 1990-luvulla. Yleisesti ottaen betonin karbonatisoituminen on edennyt hitaasti julkisivun pintatyypistä riippumatta. Poikkeuksen tähän tekee maalattu muottipintainen betoni.

Karbonatisoituminen etenee hitaasti (k<1 mm/a^0,5) pesubetoni-, valkobetoni- ja tiililaattapintaisissa elementeissä. Näillä pintatyypeillä hitaan karbonatisoitumiskertoimen osuus on 78–92 prosentin välillä. Myös klinkkerilaattapintaisissa julkisivuissa suurin osa (63 %) karbonatisoitumisesta edustaa hidasta karbonatisoitumista. Selvän poikkeuksen tähän tekee muottipintaiset maalatut julkisivuelementit, joilla melkein 50 % näytteistä karbonatisoituminen etenee nopeasti (k>3 mm/a^0,5). Muilla pintatyypeillä nopean karbonatisoitumisen osuus on vain 0–5 %.

Vertailtaessa 1990-luvun julkisivujen tuloksia vanhempaan rakennuskantaan, karbonatisoitumiskertoimien jakauma on selkeästi erilainen. Pesubetonilla hitaan karbonatisoitumisnopeuden osuus on noussut jopa 70 prosenttiyksikköä verrattuna vanhempaan rakennuskantaan. Myös tiililaattapintaisilla julkisivuilla hidas karbonatisoituminen on noussut 25 prosenttiyksikköä. Muottipintaisilla julkisivuilla nopean karbonatisoitumisen osuus on sen sijaan noussut noin 10 prosenttiyksikköä.

Muottipintaisen, maalatun betonin karbonatisoitumiskertoimien jakauma on samansuuntainen vanhemman rakennuskannan kanssa. Näytteitä, joiden karbonatisoitumiskerroin on yli 3 mm/a^0,5 on melkein 50 %, joka on huomattavasti enemmän kuin vanhemman rakennuskannan joukossa. Alle 1 mm/a^0,5 nopeudella eteneviä näytteitä oli n. 5 %, kun vanhemmassa rakennuskannassa niitä oli melkein 20 %. Karbonatisoitumiskerroinjakauman ero muihin julkisivutyyppeihin johtunee pinnan valmistustavasta ja sijainnista. Muottipintaiset elementit ovat voineet sijaita parvekkeiden taustaseinissä, jolloin ne eivät saa viistosadetta osakseen tai alimmissa kerroksissa, jolloin niiden saama viistosade on vähäistä. Olosuhteet ovat kuitenkin kosteat ja karbonatisoituminen pääsee etenemään nopeasti.

Parvekkeilla tulokset ovat myös parantuneet. Parvekekaiteiden ulkopinnassa hidasta karbonatisoitumista (k<1 mm/a^0,5) on vain hieman alle 50 % näytteistä. Hieman nopeampaa (k=1–1,99 mm/a^0,5) karbonatisoitumista on jopa 30 %. Sisäpinta tarjoaa otollisemmat olosuhteet karbonatisoitumiselle ja hidasta karbonatisoitumista on havaittavissa vain 35 % näytteistä. Nopeaa karbonatisoitumista (k>3 mm/a^0,5) on reilu 10 % näytteistä.

Parvekepielillä karbonatisoituminen on edennyt nopeammin kuin kaiteilla. Hidasta karbonatisoitumista on noin 30 %, mutta nopeaa karbonatisoitumista 30 % ulkopinnalla ja 35 % sisäpinnalla. 1,00–1,99 mm/a^0,5 k-kertoimen näytteitä on n. 25 % kummallakin pinnalla.

Parvekelaatalla ylä- ja alapinnan olosuhteet ovat erilaisimmat ja karbonatisoitumiskertoimien jakauma hyvin erilainen. Alapinnalla olosuhteet ovat otollisemmat nopealle karbonatisoitumiselle ja se näkyy nopean karbonatisoitumisen (k>3 mm/a^0,5) jopa 40 % osuutena. Hidasta karbonatisoitumista on vain noin 5 %. Yläpinta on usein päällystetty vesi- ja ilmatiiviillä pinnoitteella ja siten hitaan karbonatisoitumisen osuus on 70 % kaikista näytteistä. Nopeaa karbonatisoitumista on vain muutama prosenttiyksikkö.

Verrattaessa 1990-luvun parvekerakenteita vanhempaan rakennuskantaan ovat tulokset hyvin samansuuntaisia. Parvekeosasta ja sen pinnasta riippuen hitaan karbonatisoitumisen osuus on noussut 10–20 prosenttiyksikköä ja nopean karbonatisoitumisen osuus laskenut 10–20 prosenttiyksikköä.

Betonin karbonatisoitumisesta johtuvia näkyviä yksittäisiä korroosiovaurioita havaittiin noin puolessa kohteista. Ero vanhempaan rakennuskantaan on kuitenkin siinä, että tutkimuksen kohteissa samasta kohteesta ei löytynyt useita vaurioita.

Kuten kuvasta 5 havaitaan, 50 vuoden käyttöikä saavutetaan helposti kaikilla julkisivun pintatyypeillä. Vain muottipintaisilla maalatuilla julkisivuilla 25 mm karbonatisoitumissyvyys saavutetaan, kun keskiarvoon lisätään keskihajonta. Parvekkeilla 25 mm syvyydellä oleva raudoitus saavutetaan parvekepielen sisäpinnalla, parvekelaatan alapinnalla sekä parvekepielen ulkopinnalla. Näilläkin syvyys saavutetaan vain yhdistetyllä keskiarvolla ja -hajonnalla.

Pakkasenkestävyydestä ja pakkasrapautumisesta

Betonin pakkasenkestävyys on normien vaatimalla tasolla suuressa osassa julkisivuja. Osuus vaihtelee 55–82 % välillä julkisivun pintatyypistä riippuen. Vanhempaan rakennuskantaan verrattuna pakkasenkestävän betonin määrä on lisääntynyt ja puutteellisen huokostuksen määrä vähentynyt huomattavasti. Vastaavasti parvekkeilla pakkasenkestävää betonia on 52–68 %. Heikoiten pakkasenkestäviä ovat parvekekaiteet ja parhaiten parvekelaatat.

Yli 85 % kaikista julkisivunäytteistä on pakkasrapautumattomia. Kaikilla julkisivutyypeillä pakkasrapautuma on vähentynyt ja se on pienempiasteista kuin vanhemmassa rakennuskannassa. Eniten tulokset ovat parantuneet pesubetonipintaisilla julkisivuilla. Vaikka pakkasenkestämätöntä betonia on edelleen yllättävän suuri osuus, pakkasrapautuminen on harvinaista.

Parvekeosilla yli 90 % näytteistä on pakkasrapautumattomia. Voimakkainta rapautuminen on parvekekaiteissa, joilla havaittiin voimakasta rapaumaa (aste 3) toisin kuin muilla parvekeosilla. Parvekkeiden betonin pakkasenkestävyys on parantunut huomattavasti vanhempaan rakennuskantaan verrattuna.

Betonin pakkasrapautuman vähäinen esiintyvyys on myös havaittavissa vetolujuustuloksista. Alle 0,5 MPa vetolujuustuloksia on vain pesubetonilla sekä valkobetonilla, molemmilla noin 10 %. Parvekeosista vastaavasti niitä on pielillä ja laatoilla. Parvekeosilla heikko vetolujuustulos voi kuitenkin johtua esimerkiksi betonin kiviaineksen suuresta raekoosta.

Rakennuksen silmämääräisissä tarkasteluissa julkisivuilla ja parvekkeilla rapautumisesta johtuvia halkeamia havaittiin yksittäisiä 40 % ja laajoja alueita 10 % kohteista kummallakin. Kuten karbonatisoitumisen tapauksessa, myös tässä yksittäiset havainnot olivat todellakin yksittäisiä. Tästä syystä näkyvien vaurioiden määrä on vähentynyt vanhempaan rakennuskantaan verrattuna.

Huokostäytteistä

Betonin huokosverkoston täytteisyyden määrä on vähentynyt vanhempaan rakennuskantaan verrattuna. Yleisimmin näytteistä löydetty täyte oli ettringiitti. Parvekkeilla ettringiittiä löydettiin jopa 15 %:ssa näytteistä.

Tutkimuksessa löydettiin yhteys huokostäytteisyyden ja pakkasrapautumisen väliltä. Jos huokosverkostosta löytyy ettringiittiä, on pakkasrapautuminen todennäköisempää kuin huokostäytteettömällä betonilla. Pakkasrapautumista on enemmän ja se on aiheuttanut enemmän betonin sisäistä säröilyä.

Alkali-kiviainesreaktion mahdollisuudesta

Tutkimusaineistossa oli raportoitu yhteensä kolme havaintoa alkali-kiviainesreaktiosta. Kahdessa kivilajia ei tunnistettu tarkemmin, se oli sedimenttistä alkuperää ja kolmannessa kivilajiksi tunnistettiin sertti. Molemmat havainnot kuuluvat luokan III kivilajeihin.

Kuvassa 9 on esitetty ohuthietutkimuksissa löydetyt kivilajit lajiteltuna luokkiin niiden alkali-kiviainesreaktiivisuuden mukaan. Luokitus perustuu julkaisuun by 74 Ohje betonin alkali-kiviainesreaktion hallitsemiseksi 2022 [7]. Luokkaan I kuuluvat kivilajit, joiden alkalikiviainesreaktiivisuus on erittäin epätodennäköistä. Luokan II kivilajeille reaktiivisuus on mahdollista ja luokalle III todennäköistä.

Luokkaan I eli reaktiivisuus erittäin epätodennäköistä kuului 68 näytettä eli 27 % näytteistä. Kolme yleisimmin löydettyä tähän luokkaan kuuluvaa kivilajia olivat kalkkikivet, gneissi ja amfiboliitti. Gneissi voi kuulua joko luokkaan I tai II riippuen sen sisältämän kvartsin raekoosta. Luokkaan II eli alkali-kiviainesreaktiivisuus mahdollista kuului 178 näytettä eli 70 %. Yleisin kiviaine oli granitoidit, jota seuraavat liuskekivi ja kvartsiitti. Alkali-kiviainesreaktiivisuus todennäköistä eli luokkaan III kuuluvia kivilajeja löytyi 9 kappaletta eli 4 % näytteistä. Näytteistä 8:ssa löytyi serisiytyneitä kivilajeja. Lisäksi tehtiin yksittäinen fylliitti-havainto.

Kuvan 10 mukaisesti vanhemmassa rakennuskannassa luokkaan I kuuluvia kivilajeja havaittiin huomattavasti enemmän kuin luokan II ja III kivilajeja. Kun tätä tulosta verrataan kuvaan 9, voidaan havaita, että AKR esiintymisen todennäköisyys on kasvanut uudemmassa rakennuskannassa. Tämän perusteella alkali-kiviainesreaktion mahdollisuutta ei pitäisi enää sivuuttaa. Lisäksi vertailu vanhempaan rakennuskantaan osoittaa, että AKR todennäköisyys on suurempi uudemmassa rakennuskannassa. Laboratorioiden pitäisi etsiä AKR:oon yhdistetyn geelin lisäksi muita siihen viittaavia merkkejä ja sen mahdollistavia tekijöitä, kuten hienorakeista kvartsia.

Päätelmät

Betonirakenteiden säilyvyysominaisuuksien ohjeistuksien julkaisun myötä 1980–1990-lukujen vaihteessa ovat julkisivu- ja parveke-elementtien betonin laatu ja säilyvyysominaisuudet parantuneet selkeästi aiempiin vuosikymmeniin verrattuna. Eniten on parantunut betonin pakkasenkestävyys. Vaikka betonin huokostus on edelleen osittain puutteellista, ovat pakkasrapautumisasteet pysyneet pieninä. Lisäksi raudoitteiden peitepaksuudet ovat lähempänä suunnitteluarvoa ja selkeästi sen alittavat paksuudet ovat lähes hävinneet.

Betonin karbonatisoitumisen suhteen 1990-luvun betonijulkisivut ja parvekkeet saavuttavat yleisesti 50 vuoden käyttöiän. Ainoastaan yksittäisiä paikallisia korroosiovaurioita voi esiintyä aivan lähelle betonipintaa jääneiden raudoitteiden takia. Betonin pakkasrapautumisen osalta 50 vuoden käyttöikää ei tämän tutkimusaineiston perusteella tulla saavuttamaan kaikissa betonirakenteissa. Jo nyt on havaittavissa pakkasrapautumaa noin 10 %:ssa tutkituista rakenteista.

Lähteet

1. BES – Avoimen betonielementtijärjestelmän kehittäminen. Tutkimusraportti 1969. Suomen Betoniteollisuuden Keskusjärjestö ry
2. Tilastokeskus 2020.
3. BY 9. 1976. Betonin säilyvyys: vesirakennusbetoni. Suomen betoniyhdistys ry.
4. BY 32. 1989. Betonirakenteiden säilyvyysohjeet ja käyttöikämitoitus. Suomen betoniyhdistys ry.
5. BY 32. 1992. Betonirakenteiden säilyvyysohjeet ja käyttöikämitoitus. Suomen betoniyhdistys ry.
6. Lahdensivu, J. 2012. Durability Properties and Actual Deterioration of Finnish Concrete Structures. Tampereen teknillinen yliopisto.
7. By 74 Ohje betonin alkali-kiviainesreaktion hallitsemiseksi 2022. Suomen betoniyhdistys ry.