5 kriittistä syytä betonin halkeiluun
Betonin halkeilu vaikuttaa rakennusten ulkonäön lisäksi myös niiden rakenteen turvallisuuteen ja käyttöikään. Ilmiö johtuu viidestä kriittisestä syystä, joita ovat kuivumiskutistuma, itsekutistuma, muovinen kutistuma, lämpökutistuma ja autogeeninen (kemiallinen) kutistuma.
1. Kuivumisen aiheuttama kutistuminen vesihäviön vuoksi
Kuivumiskutistuma tapahtuu useimmiten silloin, kun betonin kapillaari- tai geelihuokosissa oleva vesi häviää kyllästymättömässä ilmassa. Huipputehokas betoni kuivuu tavalliseen betoniin verrattuna harvemmin, koska sen huokoisuus on pieni. Kuivumiskutistuman kumulatiivinen vaikutus saa kuitenkin jonkin verran vakavaa voimaa massabetonissa. Betonin vesihäviö on kuin ihmiskehossa, mikä aiheuttaa muutoksia betonin sisäiseen rakenteeseen. Kun näiden muutosten aiheuttama jännitys ylittää betonin vetolujuuden, voi syntyä halkeamia.
2. Muovinen kutistuminen alkukovettumisen aikana
Muovista kutistumista esiintyy plastisessa vaiheessa ennen kovettumista. Korkean suorituskyvyn betonissa on alhainen vesi-geeli-suhde, vähemmän vapaata vettä ja hienojakoisia mineraalisia lisäaineita, jotka ovat herkempiä vedelle, mikä tarkoittaa, että ne eivät vuoda ja menettävät vettä nopeasti. Näiden seikkojen vuoksi korkealuokkainen betoni kärsii todennäköisemmin plastisesta kutistumisesta. Betoni menettää vettä pinnaltaan ennen kuin se on täysin kovettunut, mutta pysyy sisäpuolella vakaassa plastisessa tilassa. Tällainen ero aiheuttaa vetojännityksen pintaan. Kun jännitys kasvaa vetojännitystä suuremmaksi, syntyy halkeamia. Vaikka halkeamat ovat melko ohuita, niitä on paljon ja ne jakautuvat tiheästi betonin pinnalle.
3. Itsekutistuminen - kosteusmuutokset ovat syyllisiä.
Itsekutistuminen tarkoittaa sitä, että betonin suljetussa sisäisessä rakenteessa kosteus vähenee sementin hydrataation myötä. Tällainen ilmiö johtaa kyllästymättömän veden muodostumiseen huokosiin. Tämän seurauksena syntyy alipaine ja betonin itsekutistuminen käynnistyy. Alhaisen vesi-geeli-suhteen vuoksi korkean suorituskyvyn betonissa voi olla suurempi lujuus sen alkuvaiheessa ja nopeampi veden häviäminen. Huokosjärjestelmän suhteellinen kosteus menee alle 80 prosentin. Samalla korkean suorituskyvyn betonin tiivis rakenne estää kosteuden pääsyn ulkopuolelta ja pahentaa siten itsekutistumista.
4. Lämpökutistuminen - Lämpölaajenemisen aiheuttamat vauriot
Lujuutta vaativissa suurissa betonihankkeissa tarvitaan paljon enemmän sementtiä. Tämä lisää hydrataatiolämpöä ja lämmittää järjestelmän nopeammin noin 35-40 ℃:iin. Alkulämpötilan lisäksi korkein lämpötila voi jopa ylittää 70-80 ℃. Betonilla on lämpölaajenemis- ja kylmäsupistumisominaisuuksia ja CTE (lämpölaajenemiskerroin) on 10×10-6/℃. Kun lämpötila laskee 20-25 ℃, voimme laskea kylmäkutistuman olevan noin (2-2,5)× 10-4, kun taas betonin murtovetolujuus on vain 1-1,5 × 10-4. Kylmäkutistuman aiheuttama jännitys voi siis helposti ylittää betonin vetolujuuden. Tämän seurauksena syntyy halkeamia, jotka ulottuvat betonin pinnasta sisälle ja vaikuttavat vakavasti sen rakenteeseen.
5. Autogeeninen kutistuminen - Hydratoinnin sivuvaikutus
Autogeenista kutistumista kutsutaan myös kemialliseksi kutistumiseksi. Sementin hydrataation aikana sementti-vesi-systeemin absoluuttinen tilavuus pienenee ja muodostaa monia huokosia. Hydrataatiota voidaan kuitenkin rajoittaa korkean suorituskyvyn betonissa sen alhaisemman vesi-geeli-suhteen ja hienojakoisten mineraalisten lisäaineiden vuoksi. Kemiallinen kutistuminen on siis vähäisempää kuin tavallisessa betonissa. Huomattavaa on, että autogeenisen kutistumisen aiheuttamat halkeamat vaikuttavat edelleen betonin mikroskooppiseen rakenteeseen. Yhdessä muiden tekijöiden kanssa se voi myös olla halkeamien laukaiseva tekijä.
Edellä mainittujen tekijöiden lisäksi betonin halkeilun toinen pääsyynä on lämpötilan aiheuttama supistumisjännitys. Jännitys johtuu lämpötilan vaihtelusta ja kutistumisesta, joka tapahtuu, kun massabetonissa käytetty suuri sementtimäärä vapauttaa hydrataatiolämpöä.
Ennaltaehkäisy ja torjunta - Miten torjua betonin halkeilua?
1. Optimoi betonin sekoitussuhde
- Sementti
- Aseta etusijalle matala- ja keskilämpöinen sementti hydrataatiolämmön vähentämiseksi.
- Rajoita sementin määrää säilyttäen samalla betonin lujuus ja suorituskyky ja vähentäen lämpötilan nousua.
- Aggregaatit
- Valitse korkealaatuinen kiviaines, jonka raekoko on kohtuullinen.
- Käytä enemmän kiviainesta ja vähemmän sementtilaastia betonin kutistumisen vähentämiseksi. Esimerkiksi hyvin lajitelluilla kiviaineksilla ja keskikokoisella hiekalla voidaan tehokkaasti lisätä betonin tiheyttä.
- NOVASTAR Polykarboksylaattisuperplastisoija (PCE) on erittäin tehokas vettä vähentävä aine, joka liukenee hyvin veteen. Se voi parantaa betonin juoksevuutta ja vähentää sementin määrää lisäämättä vedenkulutusta. Pieni annos tätä veden vähentäjää voi tuoda betoniin hyvän juoksevuuden. Myös kloridi-ionien ja emäksisten aineiden pitoisuus Polykarboksylaattisuperplastisoija (PCE) on melko alhainen, mikä tekee betonista kestävämpää.
2. Rakennusprosessin parantaminen
- Kaada sementti kerroksittain tai osissa kerrospaksuuden ja valunopeuden hallitsemiseksi. Näin betonin sisällä oleva lämpö jakautuu tasaisesti ja vältetään lämpöjännitys tai lämpötilagradientit.
- Tiivistä betoni ihanteellisen tiheyden takaamiseksi ja siten betonin halkeilun estämiseksi.
- Peitä kosteutta eristävä materiaali, kuten muovikalvo, betonin valamisen jälkeen haihtumisen ja halkeilun vähentämiseksi.
- Säädä betonin sisä- ja ulkopinnan lämpötilaa suihkuttamalla vettä betonin pinnalle. Näin voidaan hallita betonin lämpötilaa ja vähentää lämpörasitusta.
