Ettringiitti ja ohuthietutkimus

Jokainen, joka on lukenut betonirakenteiden kuntotutkimusraportteja, on törmännyt sanaan ettringiitti ja törmääminen on useimmiten ollut negatiivista, sillä ettringiitti on useimmiten liitetty betonin vaurioitumiseen tai riskiin vaurioitua. Totuus ettringiitistä ja sen merkityksestä ja esiintymisestä betonissa ei kuitenkaan ole näin synkkä, vaan ettringiitillä on oma tärkeä osansa sementin reaktioissa.

Jotta voi ymmärtää ettringiittiä pitää ymmärtää sementti ja sen reaktiot

Portlandsementti koostuu klinkkeristä, jonka komponentit ovat silikaattifaasit aliitti (C3S) ja beliitti (C2S) sekä trikalsiumaluminaatti (C3A) ja ferriitti (C4AF).

Kun klinkkeri jauhetaan hienoksi, siihen lisätään kalsiumsulfaattia (kipsiä) sitoutumisajan säätämiseksi ja seosaineita haluttujen ominaisuuksien aikaansaamiseksi. Näin onkin koossa kaikki, mitä tarvitaan ettringiitin muodostumiseen.

Betonia valmistettaessa sementin C3A reagoisi nopeasti veden kanssa muodostaen aluminaattihydraatteja, mikä johtaisi massan nopeaan sitoutumiseen (jäykistymiseen), ellei sementtiin olisi lisätty kipsiä, jolloin alkuvaiheessa hydratoituvan C3A:n osuus on merkittävästi pienempi ja betoni pysyy työstettävänä tarvittavan ajan.

Kalsiumsulfaatin (CaSO4·2H2O) ja C3A:n (3CaO·Al2O3) välisessä reaktiossa muodostuu ettringiittiä: 3CaOAl₂O₃3CaSO₄26-32H₂O. Plastisessa muodossa olevassa sementtipastassa ettringiitin muodostumisella ei ole merkitystä kovettuneen betonin ominaisuuksiin, kaikki kiteytymät ”mahtuvat” plastiseen matriisiin. Toisin sanoen tässä vaiheessa syntyvä primääri ettringiitti on varhainen hydrataatiotuote, jota syntyy ja jota on aina kaikissa portlandsementtisideaineisissa betoneissa.

Kovettuneessa betonissa oleva primääri ettringiitti on raekooltaan niin pientä, että sitä ei ohuthietutkimuksella voi sementtikiven (sementtipastan) sisältä nähdä. Havaitseminen ja toteaminen vaatii elektronimikroskooppitutkimusta (SEM) tai esim. röntgenanalyysiä (XRD). Yleensä tiivistys- ja suojahuokosissa olevat ettringiittikiteytymät ovat sementtikivestä liuennutta ja uudelleenkiteytynyttä alkuvaiheen primääriä ettringiittiä.

Julkisivun kuntotutkimus esimerkkinä

Hyvänä käytännön esimerkkinä toimii eräs julkisivun kuntotutkimus, jossa tehtiin sekä ohuthietutkimuksia, että XRD-analyysejä ettringiitin kartoittamiseksi. Ohuthietutkimuksissa ettringiittiä todettiin julkisivubetonin ilma- ja suojahuokosissa runsaasti etelä- ja länsijulkisivuilla, kun sen sijaan pohjois- ja itäjulkisivuilla ettringiittiä ei huokosissa ollut lainkaan. Hätäinen johtopäätös olisi ollut, että kohteessa on käynnissä ”vakava ettringiittireaktio”, perustuen kiteytymiin huokosissa.

Itse asiassa kyseessä oli tavanomainen säärasituksen aiheuttama kastumisesta ja kuivumisesta johtuva pumppausliike, jonka seurauksena ettringiittiä kulkeutuu sementtikiven sisältä huokosiin. XRD-analyysi osoitti, että betonin ettringiittipitoisuus on tavanomainen ja yhtä suuri kaikilla julkisivuilla.

Muutakin, kuin primääriä ettringiittiä

Tämän ”tavanomaisen” ettringiitin lisäksi betonissa voi esiintyä ns. myöhäisen ettringiittireaktion synnyttämää ettringiittiä (engl. delayed ettringite formation, DEF). Ilmiön syynä on yleensä liian voimakas lämpökäsittely elementtitehtaalla tai paikallavalun liian korkeaksi noussut lämpötila betonin kovettumisvaiheen aikana. Näissä tapauksissa sementin reaktio häiriintyy ja se johtaa myöhempään ettringiittireaktioon. Ilmiö vaatii, että betonin lämpötila on yli 60…70 °C esimerkiksi lämpökäsittelyn tai hydrataation seurauksena. Alle tämän lämpötilan ei ilmiötä tapahdu.

Voimakkaita lämpökäsittelyjä oli erityisesti 1970-luvulla elementtien valmistuksessa. Nykyisin riski on lähinnä massiivivaluissa. Kiteytyneen ettringiitin tilavuuden kasvu voi olla 130–140 % lähtöaineiden tilavuuteen verrattuna ja se voi aiheuttaa paisuntaa, halkeilua ja lujuuden heikkenemistä. Lisäksi huokosiin kiteytyvä ettringiitti voi muuttaa (heikentää) suojahuokostetun betonin pakkasenkestävyyttä.

Sitä, onko huokosten ja halkeamien ettringiittikiteytymissä kyseessä myöhäisessä ettringiittireaktiossa syntynyt kiteytymä vai kosteusrasitetusta betonista liuennut ja uudelleen kiteytynyt hydrataation alussa syntynyt primääri ettringiitti, ei voi ratkaista ohuthietutkimuksella, vaan se edellyttää muita tutkimuksia ja rakenteessa olevan betonin historiaselvitystä.

Sulfaatti- ja sulfidikorroosio

Betoniin tunkeutuneet sulfaatit reagoivat sementin reaktiossa syntyneen portlandiitin (Ca(OH)₂) kanssa, muodostaen kipsiä. Sulfaatti-ionit jatkavat reagointia muodostuneen kipsin ja kalsiumaluminaattihydraattien, monosulfaatin tai hydratoitumattoman C3A:n kanssa muodostaen ettringiittiä. Reaktiossa muodostuneen ettringiitin tilavuus on merkittävästi suurempi verrattuna reaktion lähtöaineisiin ja seuraukset voivat olla samanlaisia kuin myöhäisessä ettringiittireaktiossa aiheuttaen betonin vaurioitumista paisumisen ja lujuuden menetyksen kautta.

Korroosioriski riippuu lukuisista betonin koostumus- ja tiiveysominaisuuksista sekä sulfaattityypistä ja sulfaattirasituksen muodoista.

Sulfidimineraalit voivat hapen ja betonin alkalisten huokosliuosten vaikutuksesta hapettua rautahydroksidiksi ja sulfaateiksi. Reaktioketjussa syntyy alkali- ja kalsiumsulfaatteja (ettringiittiä) sekä rautahydroksidia. Rautahydroksidi puolestaan voi aiheuttaa ruostevalumia betonin pintaan. Standardi SFS-EN 12620 +A1 Betonikiviainekset rajoittaa kokonaisrikin määrää kiviaineksessa.

Reaktiot muistuttavat alkali-kivianesreaktiota siinä, että mekanismit ovat käytännössä monimutkaisia, samoin kuin reaktioon vaadittavat olosuhteet ja pitoisuudet.

Ohuthietutkimustulosten ymmärtäminen ja sudenkuopat

Koska ohuthietutkimus on kvalitatiivinen analyysimenetelmä edellyttää se tutkijalta hyvää perehtyneisyyttä ja paitsi oman tutkimusalan, niin myös betonitekniikan tuntemusta siten, että ymmärtää ohuthietulosten merkityksen laajemmassa kontekstissa ja sitä, että puhuvatko ohuthietutkija, kuntotutkija ja korjaussuunnittelija samaa kieltä ja ymmärtävätkö he toisiaan – eivät välttämättä. Syntyy mahdollisesti ”rikkinäinen puhelin”, jossa analyysitulokset ketjussa muuttuvat.

Ohuthietutkija tekee kvalitatiivista analyysiä, jonka tuloksena ei saada tiettyä lukuarvoa kuvaamaan analyysitulosta, vaan tutkija määrittää ettringiitin määrän sanallisesti esimerkiksi raportoimalla, että: ettringiittiä ei ole / on vähän / on paljon / lähes kaikki huokoset ovat täynnä, tai että halkeamat ja huokoset ovat monin paikoin täynnä ettringiittiä, jne. Tai vielä täydentämällä, että betonissa on käynnissä ettringiittireaktio. Näistä viimeiseen tutkijalla tuskin edes on perusteita esittää, ellei mahdollisuutta ole myös muilla keinoin kartoitettu.

Kuntotutkija tekee omat johtopäätöksensä ettringiitin merkityksen osalta ohuthieraportin pohjalta. Jotta asia tulisi varmistettua ja ettringiitin merkitys huomioitua, kuntotutkija voi vielä hieman korostaa asiaa ja ohuthieraportista löytyä lause: ”huokosissa on jonkin verran ettringiittiä ja osa pienimmistä huokosista on täynnä ettringiittiä” muuttuu kuntotutkimusraportin yhteenvedossa muotoon:
”huokosiin on kiteytynyt laajalti ettringiittiä ja betonissa on käynnissä ettringiittireaktio”. Näin kuntotukija voi olla ”varmalla puolella” ettringiitin merkityksestä. Ja viimein korjaussuunnittelija saattaa pohtia kannattaako koko rakennetta enää korjata, koska siellä on vakava ettringiittivaurio!

Edellä kuvattua keskinäisen ymmärryksen ongelmaa ja kokonaisuuden ymmärtämistä kuvaa esimerkki julkisivututkimuksesta, jossa lähtökohtana oli julkisivupinnassa todettu verkkohalkeilu. Kohteeseen tehtiin kuntotutkimus ja osana sitä ohuthietutkimus. Ohuthieraportissa todettiin, että ”huokostäytteitä esiintyy kohtalaisen yleisesti, mutta pääosin vähän. Pienimmät huokoset ovat kuitenkin paikoitellen jo täyttyneet kokonaan, mikä todennäköisesti heikentää pakkasenkestävyyttä. Kokonaisuutena arvioituna tutkituissa näytteissä ei ole havaittavissa erityisen merkittäviä betonin laatupuutteita”. Kohteen tutkimuksista kirjoitetussa lausunnossa asia oli muuttunut muotoon: ”raportin perusteella on syytä epäillä, että betonia on lämmitetty liikaa valmistusprosessin aikana, josta osoituksena havaitut ettringiittitäytteet huokosissa.”

Lausunto siis viittasi myöhäiseen ettringiittireaktioon ilman muuta perustetta, kuin että betonin huokosissa on ettringiittiä, jota siis luonnostaan on kaikissa portlandsementtibetoneissa.

Kohteeseen tehtiin täydentävä kuntotutkimus ohuthieanalyyseineen ja niiden pohjalta voitiin todeta, että julkisivupinnan verkkohalkeilu johtuu betonin suuresta sementti- / sementtipastamäärästä (sementtiä yli 500 kg/m³) ja kuivumisen synnyttämästä verkkohalkeilusta. Ettringiittiä todettiin pieniä määriä huokosissa. Voimakkaasta lämpökäsittelystä ei ollut kyse.

Mitä ohuthietutkimuksella sitten voidaan varmuudella päätellä ettringiittihavaintojen pohjalta?

Kiteytymien esiintyminen huokosissa osoittaa betoniin kohdistuneen toistuvan kosteusrasituksen, jonka seurauksena sementtikiven ettringiitti on ainakin osittain liuennut ja uudelleenkiteytynyt huokosiin. Kiteytymien määrällä huokosissa on myös vaikutus betonin pakkasenkestävyyteen. Jos hyvin huokostetun betonin suojahuokosista suurin osa on täynnä kiteytymiä, kosteusrasitetussa betonissa kiteytymät voivat usein olla osittain ettringiittiä ja osittain portlandiittia, on suojahuokosrakenne muuttunut ja betonin pakkasenkestävyys mahdollisesti heikentynyt.

Sen sijaan vastaus kysymykseen onko ohuthietutkimuksessa havaittu ettringiitti primääriä, myöhäisen ettringiittireaktion seurausta, vai onko taustalla sulfaatti- tai sulfidikorroosio edellyttää myös muita tutkimuksia ja selvityksiä.