Alkali-kiviainesreaktion mahdollisuus julkisivuissa ja parvekkeissa

Suomea on viime vuosiin saakka pidetty Euroopan viimeisenä alkali-kiviainesreaktiovapaana (AKR) maana Suomen erinomaisen vanhan kallioperän vuoksi [1]. Viimeisen kymmenen vuoden aikana on kuitenkin raportoitu yli 200 AKR-tapausta eri puolelta Suomea [2, 3, 4, 5, 6]. Suurelta osin havainnot ovat silloista, uima-altaista sekä muista betonirakenteista. Varsin harvoin on raportoitu alkali-kiviainesreaktioista julkisivujen tai parvekkeiden osalta. VTT:n esitutkimuksessa vuodelta 2012 [2] 56 havainnosta rakennuksissa oli 19. AKR havainnot vanhoissa betonirakenteissa johtivat kansallisen ohjeen laatimiseen alkali-kiviainesreaktion estämiseksi uudisrakennuksissa. Betoniyhdistyksen julkaisema ohje by74 [7] perustuu suurelta osin RILEMin sekä ruotsalaisten ja norjalaisten ohjeistuksiin.

Tässä artikkelissa tarkastellaan alkali-kiviainesreaktion mahdollisuutta suomalaisten betonijulkisivuissa ja -parvekkeissa betonin mikrorakennetutkimuksissa tunnistettujen kivilajien ja julkaisussa by74 esitetyn kiviaineksen reaktiivisuusluokituksen perusteella.

By74 ohjeen tavoitteena on antaa ohjeistusta AKR:n välttämiseen uudisrakentamisessa sekä ohjeistusta olemassa olevien betonirakenteiden AKR-riskin tunnistamiseen sekä rakenteiden korjaamiseen. Ohje pohjautuu RILEM (International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures) ohjeeseen.

Alkali-kiviainesreaktio

Alkali-kiviainesreaktiossa hydratoituneen sementin alkalit aiheuttavat piipitoisten kiviainesten paisumista betonissa [8]. AKR on aiemmin tyypillisesti jaettu kolmeen eri luokkaan reaktiomekanismin perusteella [9], mutta sekä jaottelu että jopa niiden olemassaolo on kyseenalaistettu ja vain alkali-piidioksidireaktion (ASR) on todettu aiheuttavan betonin paisumista [10]. ASR on yleisin alkali-kiviainesreaktiotyyppi. eaktiossa sementtipastan alkalinen natrium- ja kaliumhydroksidipitoinen huokosvesi ja kiviaineksen sisältämä reaktiivinen piidioksidi reagoivat muodostaen voimakkaasti hygroskooppista (vettä imevää) geeliä. Reaktiossa syntyvä geeli laajenee imiessään vettä, aiheuttaen kasvavaa sisäistä painetta, joka lopulta rikkoo kiviaineksen ja lopulta betonin huokosrakenteen. Kun laajenevan geelin aiheuttama sisäinen paine kasvaa suuremmaksi kuin betonin vetolujuus, pääsee suhteellisen pehmeä reaktiossa syntynyt geeli tihkumaan halkeamien läpi [11].

Alkali-piidioksidireaktion syntyyn vaaditaan kolme asiaa: reaktiivista piidioksidia sisältävää kiviainesta, korkea alkalipitoisuus (pH) huokosissa ja riittävästi kosteutta (RH > 80 % [12]). Jos yksikin näistä puuttuu, ei reaktio käynnisty. Toisaalta reaktio pysähtyy, jos yksikin tekijä reaktion aikana muuttuu alle tai yli kynnysarvon.

AKR aiheuttaa yleensä betonin vaurioitumista. Vaurionopeus riippuu vallitsevista olosuhteista, kuten kosteudesta ja lämpötilasta, sekä kiviaines- ja sementtityypistä. Silloissa reaktio etenee hitaasti, tyypillisesti sitä on havaittu mikroskooppitutkimuksissa 40–45 vuoden ikäisissä rakenteissa. Uima-altaissa reaktio etenee huomattavasti nopeammin, tyypillisesti halkeilua havaitaan noin 20 vuoden ikäisissä rakenteissa. [7] Kuvassa 3 kuntotutkimuksen yhteydessä irrotetun poralieriön katkaisupinnalla silmin havaittavia merkkejä alkali-kiviainesreaktiosta.

Tutkimusaineisto

Tutkimusaineisto koostuu betonijulkisivujen ja -parvekkeiden kuntotutkimusten yhteydessä otettujen betonilieriöiden mikrorakennetutkimuksessa tunnistetuista kiviaineksista. Aineisto on koottu Tampereen yliopiston ja A-Insinöörit Suunnittelu Oy:n kuntotutkimusraporteista. Mikrorakennetutkimusnäytteitä oli yhteensä 2503 kpl. Rakennusvuodet ovat välillä 1920–1999, ja kuntotutkimukset oli suoritettu välillä 1993–2022. Keskimäärin rakennusten ikä oli 28 vuotta kuntotutkimushetkellä vaihteluvälin ollessa 7–81 vuotta. Kuntotutkimusraporteissa kolmen näytteen kohdalla oli maininta alkali-kiviainesreaktiosta. Kahdessa kivilajia ei tunnistettu tarkemmin, se oli sedimenttistä alkuperää ja kolmannessa kivilajiksi tunnistettiin sertti. Molemmat havainnot kuuluvat luokan III kivilajeihin. Maininta AKR:sta piti etsiä näytteiden yksityiskohtaisesta analyysista, sitä ei ollut nostettu laboratorion tulosten yhteenvetoon.

Ohuthietutkimuksessa tunnistettuja kivilajeja verrattiin by74 julkaistuun luokitukseen kiviainesten alkalireaktiivisuudesta, ks. taulukko 1.

Tunnistetut kiviainekset

Petrograafisessa analyysissa kiviaines on tunnistettu 3681 kertaa. 221 raportissa kiviaineksia ei ollut tunnistettu tai raportoitu. Yleisimmät kivilajit suomalaisissa julkisivu- ja parvekebetoneissa ovat graniitti (1251 mainintaa), gneissi (874) sekä kvartsi tai kvartsiitti (442). Todennäköisesti reagoiva kiviaines (luokka III) oli raportoitu 255 kertaa, jolloin kiviaines on ollut fylliitti (164), erilaiset liuskeet (75), serisiittikvartsi (6) tai savikivi (6). Mahdollisesti reagoiva kiviaines (luokka II) oli raportoitu 470 kertaa. On kuitenkin huomattava, että toiseksi yleisin kivilaji gneissi (874) voi kuulua joko luokkaan I tai luokkaan III riippuen kivessä olevan kvartsin kiderakenteesta. Hienojakoisena se kuuluu luokkaan III. Valitettavasti aineistossa on raportoitu ainoastaan kivilajit, ei niiden tarkempaa kiderakennetta tai niiden mahdollista reaktiivista osuutta.

Aiemman tutkimuksen [6] mukaan uimahalleissa tyypillisin reagoiva kivilaji on gneissi ja suurimman halkeilun aiheuttaa fylliitti. Tällä perusteella julkisivujen ja parvekkeiden AKR-potentiaali on suuri näytteiden gneissi- ja fylliittipitoisuuden vuoksi. Lähes kaikki näytteet sisälsivät gneissiä. Aineistosta tehtiin kuitenkin vain kolme AKR-havaintoa. Merkittävin syy tälle on se, että betonijulkisivuissa ja -parvekkeissa betonin kosteus on korkealla (>80 %) vain syyskuusta maaliskuuhun. Tällöin myös ilman lämpötila on alhainen, mikä osaltaan hidastaa kemiallisia reaktiota.

AKR:n mahdollisuus eri ikäisissä rakennuksissa

Ennen vuotta 1990 valmistuneissa betonijulkisivuissa ja -parvekkeissa kiviainekset kuuluvat suurelta osalta (60–80 %) alkalireaktiivisuuden suhteen luokkaan I. Luokissa II ja III on 20–40 % rakennuksista, ks. kuva 5. Vuosina 1990–1999 rakennetuissa asuinkerrostaloissa mahdollisuus alkali-kiviainesreaktioon on huomattavasti suurempi, sillä vain kolmannes tutkimusaineiston rakennuksista kuuluu luokkaan I ja yli puolet luokkaan II, ks. kuva 6.

Vuosina 1920–1999 Suomeen on rakennettu yhteensä 50 250 asuinkerrostaloa. Jos havainnot tutkimusaineiston kiviaineksen alkalireaktiivisuusluokituksesta muutetaan koko tuota asuinkerrostalokantaa vastaavaksi, saadaan kuvan 7 mukainen kuvaaja. Luokan I kiviaines on yhteensä 33 413 asuinkerrostalossa, luokan II 10 773 kerrostalossa ja luokan III 6067 kerrostalossa. Alkali-kiviainesreaktion mahdollisuus on siten yhteensä 16 839 asuinkerrostalon julkisivuissa ja parvekkeissa.

Betonijulkisivujen ja -parvekkeiden säilyvyysominaisuudet ovat parantuneet merkittävästi 1990-luvun rakennustuotannossa. Raudoitteiden peitepaksuudet alittavat vain harvoin tavoitearvon ja betonin pakkasenkestävyys on yleisesti onnistunut huomattavasti paremmin kuin aiempien vuosikymmenten rakennuksissa [13]. 1990-luvun betonirakenteiden kuntotutkimuksissa on kuitenkin tutkittava muiden vauriomekanismien lisäksi systemaattisesti alkali-kiviainesreaktion mahdollisuus.