Tutkimus Suomen siltojen alkalikiviainesreaktioherkkyydestä

Alkalikiviainesreaktio on tullut Suomessa tutuksi lähinnä uimahallien altaiden vaurioissa. Kyseessä on kemiallinen reaktio, jossa sementtikivessä olevat alkali-ionit reagoivat joidenkin kivilajien tiettyjen mineraalien kanssa. Reaktion tuotteena syntyy alkaligeeliä, jolla on taipumus imeä ympäristöstään vettä ja alkaa paisua. Tämä aiheuttaa betonissa sisäisiä jännityksiä ja betoni voi alkaa halkeilla. Reaktion seurauksena alkaligeeliä voi tihkua ja saostua myös betonin pintaan.

Vaurioitumisnopeuteen vaikuttavat oleellisesti vallitsevat olosuhteet, kuten betonin suhteellinen kosteus, lämpötila, kiviaineksen laatu ja käytetty sementti. Reaktio tapahtuu nopeimmillaan piitä sisältävissä kivilajeissa, lämpimissä ja muutoinkin suotuisissa olosuhteissa jopa 2–5 vuodessa. Hitaammin reagoivia kiviä ovat hiekkakivi ja kalkkikivi, joissa reaktion kehittyminen kestää 10–20 vuotta. Suomen ilmastossa ja kotimaisilla betonilaaduilla reaktiota on havaittu tähän saakka vasta 30–40 vuoden käytön jälkeen.

Tapahtuakseen reaktio vaatii ympäristöstä tulevaa kosteutta. Betonin suhteellisen kosteuden täytyy nousta vähintään 80 prosenttiin. Siksi ongelmia esiintyy uimahallien lisäksi muun muassa silloissa. Siltojen kohdalla ilmiöön vaikuttavat myös raudoitus ja ulkoinen kuormitus, auringolle ja sateelle altistuminen sekä pakkanen.

Ulkoisista lähteistä tulevat alkalit voivat voimistaa haitallisen reaktion aiheuttamaa paisumista erityisesti silloin, kun betonissa on halkeamia tai se on erittäin huokoista. Tyypillisiä ulkoisia alkalilähteitä ovat liukkauden torjunnassa käytetyt suolat, merivesi, pohjavesi ja teollisuusprosesseissa käytetty vesi.

Missä ilmiötä esiintyy?

Suomessa alkalikiviainesreaktiota on perinteisesti pidetty harvinaisena. Maamme kallioperän ja käytetyn kivilaadun ominaisuuksista sekä ilmastosta johtuen on oletettu, ettei reaktiota helposti synny. Suomalainenkin kiviaines kuitenkin reagoi korkeassa kosteus- ja alkalipitoisuudessa rapauttaen betonia.

Reaktion esiintymistä edesauttaa suomalaisen sementin varsin korkea alkalisuus. Suomessa reaktiot ovat kuitenkin hitaampia kuin muualla kylmän ilmaston ansiosta. Ilmaston lämmetessä ja muuttuessa tulevaisuudessa nykyistä sateisemmaksi, alkalikiviainesreaktioiden määrä lisääntyy samaan aikaan kun siltakanta ikääntyy.

Liikenneviraston rahoittamassa tutkimuskokonaisuudessa ”Betoniteknilliset taitorakenteet” tutkittiin ensimmäistä kertaa alkalikiviainesreaktion esiintymistä ja laajuutta Suomen silloissa. VTT:n toteuttamassa kyselytutkimuksessa havaittiin 56 selkeää alkalikiviainesreaktion aiheuttamaa vauriotapausta suomalaisissa betonirakenteissa viimeisen 15 vuoden aikana.

Tässä ensimmäisessä tutkimuksessa suuri osa tapauksista raportoitiin Etelä-Suomesta, koska tällä alueella otettiin eniten tutkimusnäytteitä. Toisaalta, kun Pohjois-Pohjanmaan alueella² ja Turun seudulla ilmiötä koskevissa opinnäytetöissä tehtiin mittauksia eniten sikäläisistä silloista, alkalikivireaktiota havaittiin tutkimusalueilla satunnaisia muualla tehtyjä mittauksia enemmän.

1970-luvun sillat otollisia reaktiolle

Tyypillisimmät kohteet alkalikiviainesreaktiolle ovat siltoja ja julkisivuja. Suomen siltakannalle tehdään säännöllisesti viiden vuoden välein silmämääräinen tarkastus selkeän ohjeistuksen mukaan. Sillantarkastuksen tiedot kootaan Taitorakennerekisteriin, josta saa ajantasaista tietoa siltakannan korjaustarpeista.

Tampereen teknillinen yliopisto selvitti siltojen erikoistarkastusraporttien pohjalta tehtyjen tutkimusten perusteella alkalikiviainesreaktion yleisyyttä Etelä-Suomen silloissa⁵. Tutkimuksen kohteena oli 97 eri sillan erikoistarkastusraporttia vuosilta 2001–2014. Kaikkiaan 27 sillan tutkimuksissa oli havaittu alkalikiviainesreaktiota. Yleisintä sekä määrällisesti että suhteellisesti alkalikiviainesreaktio oli 1970-luvulla rakennetuissa silloissa. Suhteellisesti toiseksi eniten reaktiotapauksia oli 1980-luvun silloissa ja vasta sitten 1960-luvun silloissa.

Suurin osa Suomen silloista on rakennettu 1960-luvulla tai sen jälkeen. Siltojen kantavana rakenteena on enimmäkseen käytetty erilaisia teräsbetonirakenteita. Jännitettyjen- ja teräsbetonisiltojen osuus on 67 % koko siltakannasta. Teräsbetonirakenteet muodostavat merkittävän osan myös puu- ja terässiltojen alusrakenteista, joten betonin osuus siltakannassa on todella suuri.

Mitä alkalikiviainesreaktio aiheuttaa?

Alkalikiviainesreaktion aiheuttamat vauriot vähentävät betonin käyttöikää aiheuttaen halkeilua ja näin edesauttavat muiden hajottavien prosessien etenemistä. Yksittäisen kiviaineen osan tai betonin pinnalla olevan geelin paisuminen voi joskus myös lohkaista osan betonin pinnasta jättäen kuopan betonin pintaan.

Reaktion seurauksena voi syntyä myös pinnan rapautumista. Ongelmaa voimistaa, kun se yhdistyy pakkasrapautumiseen. Pahimmillaan sillan kantavuus menetetään ja sillasta tulee korjauskelvoton.

Miten reaktio voidaan ehkäistä?

Kaikkein tärkein toimenpide alkalikiviainesreaktion on sillan rakenteen pitäminen kuivana. Huolellisesti valmistettu vedeneriste, joka estää veden menemisen sillan betonirakenteisiin, on kaikista paras reaktion torjuja. Vuotavat vedeneristeet pitäisi korjata mahdollisimman pian.

Huomiota tulisi kiinnittää myös betonin eri osa-aineisiin, kuten käytetyn kiviaineksen laatuun sekä sementin alkalipitoisuuksiin. Suotavaa on käyttää sementtilaatua, jonka alkalipitoisuus on mahdollisimman alhainen. Oikea kiviaineksen valinta ja erilaisten sementtiyhdisteiden käyttö vähentävät alttiutta reaktiivisuudelle.

Tutkimuksella on myös tärkeä merkitys. Suomessa ei juuri ole tutkittu kiviainesten laatuja. Laboratoriokokeet, täydennettynä aidoissa betonin olosuhteissa kertyneellä kokemuksella ja tunnetulla toimivuudella, ovat hyvä lähtökohta arvioitaessa kiviaineksen ja betonin alttiutta alkalikiviainesreaktioon.

Liikennevirasto on marraskuussa 2018 käynnistänyt tutkimuksen, jossa tutkitaan suomalaisten siltojen alkalikiviainesreaktioherkkyyttä ja ilmiön laajuutta Suomessa. Samalla kehitetään alkalikiviainesreaktioherkkyyden pikatesti. Tutkimus valmistuu vuoden 2020 aikana.

Kaiken kaikkiaan siltojen kuntojen seuranta on tärkeää turvallisuuden kannalta. Suuri osa Suomen silloista saavuttaa lähivuosina iän, jolloin ne tarvitsevat korjaamista. Kun maassamme korjataan nyt 100–150 siltaa vuodessa, siltojen korjausvelka kasvaa huomattavasti lähivuosina. Korjausta kaipaavia siltoja on eri puolilla Suomea useita satoja, mahdollisesti jopa tuhansia.

Liikennevirasto on joutunut priorisoimaan siltojen korjauksia niin, että vilkkaimmin liikennöityjen väylien sillat korjataan ensin. Toki maamme siltojen turvallisuudesta huolehditaan. Jos määrärahaa kunnostusta kaipaavan sillan korjaukselle ei löydy, sillalle voidaan asettaa painorajoitus tai ääritapauksissa se suljetaan. Lisärahoitukselle on kipeä tarve. Kasvaneet liikennemäärät, raskaan liikenteen ajoneuvojen kasvanut koko ja paino sekä ilmaston muuttuminen kosteampaan ja lämpimämpään suuntaan – kaikki nämä tekijät rasittavat siltoja ja niiden rakenteita aiempaa enemmän.

Lähteet:

1. Alkalikiviainesreaktio Etelä-Suomen silloissa. Jukka Lahdensivu, tekn. toht., David Husaini, tekn. kand., Tampereen teknillinen yliopisto. Rakenteiden elinkaaritekniikka. Julkaisu: Betoni-lehti 3/2015
2. Alkalikiviainesreaktio siltoja vaurioittavana tekijänä Suomessa. Jonne Laakkonen. Opinnäytetyö. Rakennustekniikka, Lapin ammattikorkeakoulu 2018.
3. Alkalikiviainesreaktio Norjassa – ja Suomessa? Punkki, J., Suominen, Artikkeli Betoni-lehdessä 2/1994. Suomen Betonitieto Oy.
4. Esitutkimus alkalikiviainesreaktiosta ja sen esiintymisestä Suomessa. VTT Hannu Pyy, Erika Holt ja Miguel Ferreira. Toteutettu 2011-2012.
5. Alkalipiioksidireaktion laajuuden selvittäminen Suomen silloissa ja mahdollisten esiintymien raportointi. Husaini David. Kandidaatintyö. Tampereen teknillinen yliopisto 2014.