Uusi malli auttaa arvioimaan betonirakenteen ikääntymistä pitkällä aikavälillä

TkL Olli-Pekka Kari kehitti väitöstyössään mallin, jonka avulla voidaan arvioida betonirakenteen säilyvyyttä, kun käyttöikä venyy sadoiksi vuosiksi.

Ominaisuuksiltaan nykyisenlaista betonia on käytetty rakentamisessa vain muutamia kymmeniä vuosia. Uusia betonirakenteita saatetaan kuitenkin suunnitella ajatellen useiden satojen vuosien käyttöikää.

- Pitkäaikaisia ikääntymisilmiöitä on perinteisesti arvioitu menetelmillä, jotka perustuvat lyhytaikaisiin kokeisiin ja usein yksittäisiin ilmiöihin. Ne eivät ota huomioon kaikkia pitkän käyttöiän aikana ikääntymiseen vaikuttavia fysikaalisia ja kemiallisia ilmiöitä, jotka myös muuttavat materiaalin ominaisuuksia, Kari sanoo.

Ydinjätettä varastoon

Väitöstyössä esitettyä mallia sovellettiin suomalaiseen matala- ja keskiaktiivisen ydinjätteen loppusijoitusratkaisuun. Jäte on tarkoitus sijoittaa betonisiiloihin, jotka rakennetaan kalliotiloihin 50–100 metrin syvyyteen.

Valtioneuvoston päätöksen mukaan teknisten vapautumisesteiden tulee kestää vähintään 500 vuotta.

Olosuhteet kalliotilassa vaihtuvat varaston käyttöiän aikana huomattavasti. Ydinjätettä toimitetaan varastoon sadan vuoden ajan. Tämän ajan kalliotilassa on tavallista ilmaa. Varaston täyttövaiheen jälkeen kalliotila suljetaan ja täytetään pohjavedellä.

Ensimmäisessä vaiheessa betoni ikääntyy ilman hiilidioksidin aiheuttaman karbonatisoitumisen seurauksena.  Karbonatisoituminen aiheuttaa muutoksia betonin mikrorakenteeseen ja vaikuttaa betonin ominaisuuksiin myös kalliotilojen sulkemisen jälkeisenä ajanjaksona. Karbonatisoituminen voi pitkälle edetessään johtaa betoniraudoituksen korroosioon.

Kalliotilan sulkemisen jälkeen pohjavesi ja sen sisältämät betonirakenteelle haitalliset ionit tunkeutuvat betoniin. Samanaikaisesti tapahtuu betonin komponenttien liukenemista pohjaveteen. Sekä ionien keskinäiset että ionien ja betonin väliset vuorovaikutukset ohjaavat prosessin kulkua. Pohjaveden sisältämää kloridia voidaan pitää haitallisimpana terästen korroosion mahdollisuutta lisäävänä yksittäisenä tekijänä.

Väitöstyössä simuloitu rakenne oli valmistettu sulfaatinkestävästä betonista.

- Simuloinnin perusteella muutoksia tapahtuu tarkastellulla ajanjaksolla, mutta ne rajoittuvat selkeästi alle 50 millimetrin syvyydelle betonin pinnasta, joka on tyypillinen betoniraudoitteiden asennussyvyys. Se on vähän verrattuna betonirakenteen ja muiden vapautumisesteiden kokonaispaksuuteen. Eivätkä pintaosan vauriot ole laskentatulosten mukaan vakavia. Betoniterästen korroosion mahdollisuutta ei kuitenkaan voi sulkea kokonaan pois, Kari sanoo.

Apuväline suunnittelijoille

Väitöstyössä esitetyn mallin kelpoisuus varmennettiin lukuisilla laboratoriokokeilla. Käytössä oli betonikoekappaleita, joita oli säilytetty 13 vuoden ajan kontrolloidussa olosuhteissa ilmatilassa tai liuoksessa. Kappaleet olivat altistuneet pitkäaikaisesti joko ilman aiheuttamalle karbonatisoitumiselle tai liuoksen sisältämien haitallisten ionien tunkeutumiselle.

- Koetulokset osoittivat mallin uskottavaksi ja käyttökelpoiseksi menetelmäksi arvioitaessa betonirakenteen ikääntymistä varsinkin silloin, kun suunniteltu käyttöikä on useita satoja vuosia, Kari toteaa.

Mallin avulla voidaan Karin mukaan jo suunnitteluvaiheessa tunnistaa piileviä tekijöitä, jotka vaikuttavat betonin turmeltumiseen. Siten malli auttaa suunnittelijoita betonilaadun valinnassa.

Mallia voidaan soveltaa suoraan samankaltaisiin käyttökohteisiin ja eri betonilaaduille määrittämällä sekä vallitsevat ympäristöolosuhteet että tarkasteltavalle betonille materiaalikohtaiset parametrit ennen altistusta.

TkL Olli-Pekka Kari väitteli 27.2.2015 Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulussa, rakennustekniikan laitoksella. Aiheena oli kalliotilassa olevan betonirakenteen pitkäaikaissäilyvyys sovelluksena suomalaisen matala- ja keskiaktiivisen ydinjätteen loppusijoitus. Väitöskirjan nimi on Long-term ageing of concrete structures in Finnish rock caverns as application facilities for low- and intermediate-level nuclear waste.

Väitöskirjan verkko-osoite: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/15114

Lisätietoja:

Olli-Pekka Kari, puh. 050 384 1646, [email protected]