Betonin pakkasenkestävyys – vesi-sideainesuhteen, ilmamäärän ja sementtityypin vaikutus

Tausta

Pakkasrasitus erityisesti jäänsulatusaineiden yhteydessä on edelleen yksi tärkeimmistä betonin kestävyyshaasteista pohjoismaisissa olosuhteissa [1]. Vauriot ilmenevät tyypillisesti betonipinnan rapautumisena sekä joissakin tapauksissa myös sisäisinä vaurioina. Riittävä suola-pakkaskestävyys saavutetaan käyttämällä riittävän alhaista vesi-sideainesuhdetta ja lisäksi huokostamalla betoni. Pohjoismaissa betonin pakkasenkestävyyttä jäänsulatusaineilla arvioidaan lähes yksinomaan laattakokeen (CEN/TS 12390-9:2016:fi) [2] avulla. Keski-Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa on käytössä muita testausmenetelmiä. On kuitenkin epävarmaa, kuinka hyvin eri testimenetelmät ottavat huomioon betonin koostumuksen vesi-sideainesuhteen, ilmamäärän ja sementtityypin osalta.

Betonin valmistuksessa siirrytään yhä enemmän seostettujen sementtien käyttöön. Seossementeillä (CEM II ja CEM III) on positiivisia vaikutuksia joihinkin säilyvyysominaisuuksiin, kuten esimerkiksi kloridien tunkeutumiseen ja lisäksi ne usein kasvattavat betonin loppulujuutta. Kuitenkin pakkasenkestävyyteen seosaineilla on usein negatiivisia vaikutuksia, esimerkiksi masuunikuona kasvattaa rapaumatasoa laattakokeessa [3].

Tämä artikkeli perustuu Mian Ammar Shafqatin diplomityöhön, joka valmistui Aalto-yliopistossa vuonna 2026 [4]. Työn ohjaajana toimi TkT Teemu Ojala sekä DI Ahsan Iqbal ja työtä valvoi prof. Jouni Punkki. Diplomityössä tutkittiin sideainetyypin, vesi-sideainesuhteen ja huokostuksen vaikutuksia betonin suola-pakkaskestävyyteen. Kokeellinen osuus toteutettiin Aalto-yliopiston betonitekniikan laboratoriossa.

Diplomityö keskittyy betonipinnan rapautumisen, betonin sisäisen vaurion ja kosteuden siirtymisen arviointiin laattakokeen aikana. Tutkimuksessa tarkasteltiin lisäksi betonipinnan rapautumisen kehittymisen sekä sisäisen rapautumisen ja suomalaisen P-luvun laskennan välisiä yhteyksiä. Tavoitteena oli parantaa pakkasenkestävyyden tulkintaa käytännön sovelluksissa. Tässä artikkelissa betonin vedenimutuloksia ei käsitellä, mutta ne on esitetty julkaistussa diplomityössä.

Koejärjestely

Koematriisi koostui 14 betonimassasta, jotka perustuivat kolmeen sideainetyyppiin, kolmeen vesi-sideainesuhteeseen ja kahteen ilmamäärätasoon. Erilaisten betonimassojen avulla pyrittiin saamaan vastauksia asetettuihin tutkimuskysymyksiin. Valitut sideaineet ovat Suomessa yleisesti käytettyjä sementtityyppejä (CEM I, CEM II/B ja CEM III/A), ja ne eroavat toisistaan koostumukseltaan ja kuonasisältönsä puolesta. Kaikissa betonimassoissa käytettiin luonnonkiviaineksia, joiden maksimiraekoko oli 16 mm. Betonien notkeustavoitteena oli painumaluokka S3. Yhteenveto betonimassojen koostumuksista on esitetty taulukossa 1.

Pakkasenkestävyyttä arvioitiin teknisen spesifikaation (CEN/TS 12390-9) mukaisella laattakokeella, jossa betonipinnan rapautumista NaCl-liuoksessa seurattiin 56 jäätymis-sulatussyklin aikana. Sisäistä vauriota arvioitiin ultraäänen läpäisymittauksella suhteellisen dynaamisen kimmomoduulin (RDM) muutosten kautta, ja vedenimua mitattiin syklien aikana kosteuden tunkeutumisen selvittämiseksi. Lisäksi betoneille tehtiin kapillaarinen vedenimukoe ja painekyllästyskoe huokoisuuden määrittämiseksi.

Koetulokset

Puristuslujuus

Betonien puristuslujuudet määritettiin särmältään 100 mm:n kuutiokoekappaleilla 28 vrk:n iässä. Kuutioiden keskiarvotulokset ovat esitetty kuvassa 1.

Puristuslujuustulokset noudattivat odotettuja trendejä vesi-sideainesuhteen ja huokostuksen suhteen. Huokostamattomalla, alhaisimman vesi-sideainesuhteen 0,40 betonilla saavutettiin korkein lujuus (64,1 MPa). Huokostettujen betonien lujuudet jäivät alimmillaan hieman yli 30 MPa. Betonin huokostuksella oli selvä negatiivinen vaikutus lujuuteen: esimerkiksi betoni CEM II-0,5-2A antoi noin 26 % korkeamman lujuuden kuin vastaava huokostettu betoni (CEM II-0,5-5A). Kolmesta sementtityypistä CEM III/A antoi korkeimmat lujuudet kaikilla v/s-suhteilla. Tämä osoittaa, että kuonan vaikutus on merkittävä jo 28 vrk:n puristuslujuudessa, 91 vrk:n lujuudessa vaikutus on vieläkin suurempi.

Betonin huokoisuus

Kapillaariseen vedenimukokeeseen ja painekyllästyksen perustuvassa ilmahuokosanalyysissa voidaan erottaa kovettuneen betonissa kapillaarisesti täyttyvät huokoset sekä ilmahuokoset. Kapillaarinen huokoisuus riippuu pääasiallisesti vesi-sideainesuhteesta eikä huokostus muuta merkittävästi kapillaarista huokosjärjestelmää. Sementtityyppi vaikuttaa jossain määrin kapillaariseen huokoisuuteen.

Ilmahuokoset pitävät sisällään sekä suojahuokoset että tiivistyshuokoset. Kovettuneesta betonista mitattu ilmahuokosten määrä korreloi varsin hyvin tuoreen betonin ilmamäärän kanssa, mutta on tyypillisesti noin 1 %-yks. alhaisempi [5]. Ilmahuokosten määrä riippuu siten huokostuksesta, mutta ei vesi-sideainesuhteesta eikä myöskään sementtityypistä.

Ilmahuokosanalyysien tulokset ovat esitetty taulukossa 2. Sideainetyyppien väliset erot olivat odotetusti pieniä. Kokeen perusteella ilmahuokosten määrä saavutti pääosin tavoiteilmamäärän huokostetuissa betoneissa, kun taas huokostamattomissa massoissa ilmamäärä pysyi johdonmukaisesti alhaisena. Kapillaarisessa huokoisuudessa oli selkeä ero vesi-sideainesuhteiden 0,40 ja 0,50 välillä, mutta välillä 0,50 ja 0,60 ero oli pienempi. Osassa tapauksissa vesi-sideainesuhteella 0,50 saavutettiin korkeampi huokoisuus kuin v/s-suhteella 0,60.

Betonin rapautuminen

Betonien väliset erot rapaumamäärissä selittyivät pääasiassa huokostuksella ja vesi-sideainesuhteella. Myös sideainetyypillä oli osin merkittävä vaikutus. Rapauma-arvot kasvoivat jäätymis-sulatussyklien myötä kaikissa betoneissa, mutta sekä rapautumisnopeus että suuruusluokka vaihtelivat huomattavasti. Huokostuksen roolin korostamiseksi tulokset esitetään erikseen huokostetuille ja huokostamattomille betoneille (kuvat 2 ja 3).

Eri betonimassojen välillä nähtiin eroavaisuuksia jo rasituksen varhaisessa vaiheessa. Huokostamattomat betonit rapautuivat paljon jo ensimmäisten syklien aikana. Esimerkiksi betoni CEM II-0,4-2A saavutti noin 0,70 kg/m²:n rapauman 14 syklin jälkeen, kun taas huokostetut betonit samalla v/s-suhteella pysyivät alle 0,26 kg/m²:ssä. Huokostamattomat betonit rapautuivat varsin lineaarisesti kokeen aikana, kun taas huokostetut betonit eivät juurikaan rapautuneet ensimmäisten 14 syklin jälkeen. Kaikkien huokostettujen betonien rapaumat pysyivät verrattain alhaisina. Kokonaisrapauma oli v/s-suhteella 0,40 alle 0,40 kg/m², minkä lisäksi rapaumat olivat korkeammillakin v/s-suhteilla suhteellisen alhaisia (v/s-suhteella 0,50 alle 0,70 kg/m² ja 0,60 alle 1,20 kg/m²).

Vesi-sideainesuhteen vaikutus oli huomattava sekä huokostamattomilla että huokostetuilla betoneilla. Huokostamattomat betonit korkeammilla v/s-suhteilla rapautuvat varsin nopeasti ja voimakkaasti laattakokeessa.

Myös sementtityypillä oli varsin selkeä vaikutus rapaumaan huokostetuilla betoneilla. Sementillä CEM III saatiin korkein rapauma-arvo kaikilla tutkituilla v/s-suhteilla. Vastaavasti CEM I:n sementti antoi pienimmät rapauma-arvot. Tulokset ovat sopusoinnussa aikaisempien tutkimusten kanssa, joissa on havaittu masuunikuonan osuuden lisäävän rapaumamäärää. Sen sijaan huokostamattomilla betoneilla (kuva 4) sementtityypin vaikutus oli päinvastainen. Koesarja oli tosin tältä osin varsin suppea, sillä vain kolme sementtityyppiä tutkittiin v/s-suhteella 0,50. Huokostamattomilla betoneilla sementti CEM III antoi alhaisimman rapauma-arvon ja sementti CEM I korkeimman rapauma-arvon.

Rapautumisnopeuden analyysi

Rapautumisnopeus jäädytys-sulatuskokeessa noudattaa usein kaksivaiheista lineaarista trendiä, joka voidaan jakaa alku- ja loppuvaiheeseen. Alkuvaiheen (0–14 syklin) aikana rapauma-arvo kasvaa nopeasti. Puolestaan loppuvaiheessa (14–56 sykliä) kehitys on tasaisempaa ja lähes lineaarista 56 sykliin asti. Koska alkuvaiheen rapaumaan vaikuttaa merkittävästi betonipinnan ominaisuudet kuten pinnan karbonatisoitumismäärä, voisi loppuvaiheen rapautumisnopeus olla luotettavampi indikaattori suola-pakkaskestävyydelle. Kuvassa 4 on esitetty kokeen loppuvaiheen rapautumisnopeus ilmaistuna rapauma yhtä jäätymis-sulamissykliä kohden.

Loppuvaiheen rapautumisnopeuksissa havaittiin selviä eroja, suurimmillaan loppuvaiheen rapautumisnopeuden erot olivat yli 100-kertaiset. Huokostettujen betonien rapautumisnopeudet jäivät hyvin alhaiselle tasolle verrattuna huokostamattomiin betoneihin. Lisäksi v/s-suhteella oli selvä vaikutus rapautumisnopeuteen huokostamattomilla betoneilla, kun taas huokostetuilla betoneilla v/s-suhteen vaikutus jäi varsin vähäiseksi. Huokostetuilla myös sementtityypillä oli lievä vaikutus loppuvaiheen rapautumisnopeuteen.

Sisäisen vaurion kehittyminen

Betonin sisäistä vauriota arvioitiin suhteellisen dynaamisen kimmomoduulin (RDM) avulla 56 jäätymis-sulatussyklin jälkeen (kuva 5). Tulokset osoittavat selkeän eron huokostettujen ja huokostamattomien betonien välillä. Koska huokostettujen betonien RDM-arvot olivat lähellä tai jopa yli 100 % kaikilla v/s-suhteilla, ei sisäistä vaurioitumista ollut tulosten perusteella tapahtunut. Joissakin tapauksissa havaittiin jopa lievä kimmomoduulin kasvu.

Sitä vastoin huokostamattomat betonit osoittivat johdonmukaista RDM:n vähenemistä, ja vaurio kasvoi v/s-suhteen kasvaessa. Alhaisimmalla v/s-suhteella (0,40) vaurioituminen oli rajallista, mutta v/s-suhteilla 0,50 ja 0,60 RDM-arvot laskivat merkittävästi. Tämä indikoi pakkasvaurioista betonin mikrorakenteessa. Sideainetyyppien väliset erot olivat suhteellisen pieniä verrattuna huokostuksen ja v/s-suhteen vaikutukseen. Tästä voidaan päätellä, että riittävän suojahuokosrakenteen puuttuminen on hallitseva tekijä sisäisen vaurion kehittymisessä.

Rapautumisen korrelaatio P-luvun kanssa

Koebetonien P-luvut laskettiin Väyläviraston Infrabetonien valmistus -ohjeen [6] mukaisesti. Rapauma-arvon riippuvuus betonin P-luvusta on esitetty kuvassa 6. Laskelmissa on käytetty mitattua tuoreen betonin ilmamäärää. Ohjeiden mukaisesti massat, joilla P-luku on alle 20, on rajattu tarkastelun ulkopuolelle. Jäljelle jääville betonimassoille havaitaan selvä trendi, jossa rapautuminen vähenee P-luvun kasvaessa. Sementtityyppien välillä ei ole merkittäviä eroja riippuvuudessa. Tämä viittaa siihen, että P-luku pystyy arvioimaan varsin hyvin betonin suorituskykyä laattakokeessa. P-lukuun vaikuttaa erityisesti betonin vesi-sideainesuhde, ilmamäärä ja sementtityyppi ja kaikilla niillä on selkeä vaikutus rapaumaan, kuten tässä tutkimuksessa on osoitettu.

Johtopäätökset

Diplomityössä tutkittiin betonin suola-pakkaskestävyyttä tarkastelemalla betonipinnan rapautumista, sisäistä vauriota ja kosteuden siirtymistä. Tulokset osoittavat, että huokostus ja vesi-sideainesuhde vaikuttavat merkittävästi betonin pakkas-suolakestävyyteen. Huokostamattomat betonit rapautuivat nopeasti sideainetyypistä tai vesi-sideainesuhteesta riippumatta, kun taas huokostetut betonit säilyttivät hyvän pakkasenkestävyyden koko kokeen ajan. Suojahuokosten läsnäolo toimii selvästi päämekanismina laattakokeessa jäätymisen aikaisten sisäisten paineiden lievittämisessä.

Tuloksien perusteella vesi-sideainesuhde ei yksinään määritä pakkasenkestävyyttä. Jopa korkeammilla v/s-suhteilla huokostetut betonit suoriutuivat hyvin, kun taas huokostamattomat massat osoittivat vahvaa vaurion kasvua v/s-suhteen kasvaessa. Tässä mielessä huokostus vähentää betonin herkkyyttä v/s-suhteelle ja mahdollistaa myös jossain määrin korkeampien v/s-suhteiden betonimassojen riittävän suola-pakkaskestävyyden. Kuitenkin paras suola-pakkaskestävyyden taso saavutetaan alhaisella vesi-sementtisuhteella ja riittävällä betonin ilmamäärällä.

Suomalainen P-luvun laskenta osoittautui varsin toimivaksi käytännön indikaattoriksi betonipinnan rapautumiselle laattakokeessa. Betonimassat, joilla oli korkeammat P-luvut, osoittivat johdonmukaisesti alhaisempaa rapautumista.

Sideainetyypillä oli toissijainen vaikutus verrattuna huokostukseen ja v/s-suhteeseen, mutta joitakin eroja oli silti havaittavissa. Huokostetuilla betoneilla kuonamäärä kasvattaa betonipinnan rapaumaa laattakokeessa. Huokostamattomilla vaikutus oli päinvastainen, mutta huokostamattomien betonien toimivuus rapautuman osalta oli kaikkiaan huono. Sisäisten vaurioiden osalta sementtityypillä ei havaittu olevan merkittävää vaikutusta.

Tutkimuksessa analysoitiin myös loppuvaiheen (14–56 sykliä) rapautumisnopeutta. Rapautumisnopeuksissa oli suuret erot, jotka johtuivat pääosin betonin ilmamäärästä, mutta myös vesi-sementtisuhteella sekä sementtityypillä oli vaikutusta. Loppuvaiheen rapautumisnopeus voisi olla kokonaisrapaumaa luotettavampi suola-pakkaskestävyyden indikaattori, koska alkuvaiheessa rapaumatasot vaihtelevat mm. pinnan karbonaistoitumistasosta riippuen.

Tulokset tukevat ajatusta myös siitä, että betonipinnan rapautuminen ja sisäinen vaurio eivät aina kehity samalla tavalla. Normaalitilanteissa pinnan rapautuminen on kyllä selvästi merkittävämpi tekijä kuin sisäinen vaurioituminen. Joissakin betoneissa havaittiin merkittävää betonipinnan rapautumista ilman sisäistä rapautumista, mutta päinvastaista tilanne ei tullut vastaan. Siten suola-pakkasrasitettujen betonien osalta pinnan rapautuminen on selvästi tärkein vauriomekanismi.

Lähteet

1. Helsing, E. Review of Frost Requirements on Concrete; RISE Report 78; RISE Research Institutes of Sweden, Borås, 2025. Saatavilla: https://urn.fi/urn:nbn:se:ri:diva-78776
2. CEN/TS 12390-9:2016:fi. Kovettuneen betonin testaus. Osa 9: Jäädytys-sulatuskestävyys jäänsulatusaineilla. Pintarapautuminen. SFS Suomen Standardoimisliitto, Helsinki, 2016.
3. Iqbal, A.; Ojala, T.; Punkki, J. Effect of carbonation on salt-frost scaling of concrete with different binders. Construction and Building Materials, 2024. Saatavilla: https://doi.org/10.2478/ncr-2024-0012
4. Shafqat, M. A. Investigation of surface scaling and internal damage in concrete using the slab test, Diplomityö, Aalto-yliopisto, Espoo, 2026. Saatavilla: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202603092713
5. Alam, R. Evaluation of pore-filling test for freezethaw resistance of concrete, Diplomityö, Aalto-yliopisto, Espoo, 2025. Saatavilla: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202601191473
6. Infrabetonien valmistus, Väyläviraston ohjeita 41/2020, Helsinki, 2020. Saatavilla: https://aineistot.vayla.fi/api/file/ava/Julkaisut/Vaylavirasto/vo_2020-41_infrabetonien_valmistus_web.pdf