Mistä tiedetään, onko vesivoimalarakenteiden halkeilun syynä alkalinen kiviainesreaktio ja kuinka tuota reaktiota hillitään tai korjataan? Tällaisiin kysymyksiin lähti Eetu Tourula etsimään vastauksia tutkielmassaan. Tutkimuskohde löytyi PVO-Vesivoiman Isohaaran voimalaitokselta Kemijoelta.

Alkalikiviainesreaktioita esiintyy betonirakenteissa ympäri maailman. Kiviainesreaktiota ei voida varmasti tunnistaa rakenteista pelkästään silmämääräisesti, vaan siihen tarvitaan laboratoriotutkimuksia. Reaktio tulee yleensä esiin betoniin ilmestyvien halkeamien myötä.

– Alkalikiviainesreaktiolle tyypillinen verkkohalkeiluvaurio voi olla muidenkin turmeltumisilmiöiden kuten pakkasrapautumisen aiheuttamaa. Reaktio ilmenee yleisimmin 30–50 vuotta vanhoissa betonirakenteissa ja esimerkiksi siltoihin kohdistuneessa tutkimuksessa reaktio havaittiin rakenteen ollessa keskimäärin 42 vuotta vanha, Eetu Tourula kertoo.

Tourulan diplomityön tavoitteena oli löytää mahdollisia korjausmenetelmiä alkalikiviainesreaktion vaurioittamille patorakenteille. Samalla työssä selvitettiin alkalikiviainesreaktion patorakenteille aiheuttamia vaurioita ja vaurioiden seurauksia.

Pohjolan Voima tekee paljon tutkimusyhteistyötä

Eetu Tourulan alkalikiviainesreaktiota käsittelevä diplomityön aihe otettiin PVO-Vesivoimassa mielellään vastaan. Pohjolan Voima tekee paljon tutkimusyhteistyötä korkeakoulujen ja muiden oppilaitosten kanssa ja lopputyön tekijöihin suhtaudutaan myönteisesti. Tourula valmistui rakennustekniikan diplomi-insinööriksi Tampereen yliopistosta loppuvuonna 2020. Työtä ohjasi omaisuudenhoidon asiantuntija Matti Åman PVO-Vesivoima Oy:stä. Työ tehtiin yhteistyössä Sweco Rakennetekniikka Oy:n kanssa.

– Työn aiheena ollut alkalikiviainesreaktio on melko tuore ilmiö ja siihen on nyt alettu herätä ja puuttua. Tourulan lopputyön yhteydessä minullekin selvisi, että nämä reaktiot ovat koko Suomea koskeva ongelma. Suomessa oli pitkään sellainen käsitys, että täällä sitä ei edes esiinny, vaikka Tanskassa ja Ruotsissa se on yleinen, Matti Åman kertoo.

Poralieriönäytteillä ongelmien syihin

Alkalikiviainesteaktion vaurioiden selvittämisen tekee haasteelliseksi se, että reaktio saattaa esiintyä rakenteissa vain paikallisesti. Siksi ensin on selvitettävä reaktion laajuus, jotta osataan valita oikeat korjaustoimenpiteet oikeassa laajuudessa.

Eetu Tourula kertoo diplomityötään varten ottaneensa poralieriönäytteitä Isohaaran voimalaitokselta.

– Otimme ohuthienäytteet sekä tutkimme myös vetolujuutta. Näytteistä kävi ilmi, että rakenteissa oli alkalikiviainesreaktioita, mutta vetolujuudet olivat kohtuullisella tasolla, Tourula kertoo.

Ohuthienäyteestä pystytään tutkimaan alkalikiviainesvaurioiden lisäksi korroosion ja suolojen aiheuttamia vaurioita sekä betonin koostumusta ja rakennetta. Matti Åman kertoo tulosten olleen odotettuja. Näytetulokset ovat lähtötietoja korjaussuunnittelulle.

Injektointi toistaiseksi parhaaksi havaittu korjauskeino

Matti Åmanin mukaan PVO-Vesivoiman voimalaitoksilla on tähän saakka käytetty korjausmenetelmänä pääasiassa injektointia. Sillä on pyritty sulkemaan halkeamat, jotta veden virtaus ja sen aiheuttama korroosio saataisiin hallintaan. Halkeamissa virtaava happipitoinen vesi kiihdyttää korroosiota.

– Korjaukset ovat kuitenkin kalliita, jos niitä joudutaan tekemään usein. Reaktiohan etenevä, riippuen siitä, kuinka paljon alkalista kiviaineista betonissa on. Etenemisnopeus riippuu paljon olosuhteista, Åman kertoo.

Diplomityössään Tourulakin tuli siihen lopputulokseen, että mikäli rakenteen kosteutta ei voida rajoittaa, on reaktion aiheuttamien vaurioiden kuten halkeilun ja muodonmuutosten korjaaminen ja hillitseminen ainoa keino pidentää rakenteen käyttöikää. Yhtä pätevimmäksi nostettavaa korjauskeinoa ei siis vielä ole.

– Injektointi on Isohaaran voimalassa havaittu hyväksi tavaksi tiivistää vuotavia betonirakenteita. Parhaiten reaktio saataisiin pysäytettyä, jos kosteus pystyttäisiin alentamaan alle 80 prosentin suhteellisen kosteuden. Patorakenteissa se ei kuitenkaan ole mahdollista, hän toteaa.

Eetu Tourula kertoo, että myös rakenteiden jännittämisellä voidaan hillitä muodonmuutoksia.

– Suurissa patorakenteissa on muodonmuutoksia ja laajentumisen aiheuttamia haitallisia jännityksiä onnistuttu hillitsemään sahaamalla rakenteeseen lovia, jotka tarjoava rakenteelle tilaan laajentua, hän kertoo.

Jotkin korjausmenetelmät, kuten betonin uudelleen alkalointi tai raudoitteiden katodinen suojaus,  voivat myös käynnistää reaktion tai kiihdyttää sitä.

– Jos siis on pienikin epäilys siitä, että betonissa on alkalikiviainesreaktio, niin tilanne kannattaa ehdottomasti tutkia kunnolla, jotta ei tehdä isompaa vahinkoa, Tourula lisää.

Matti Åmankin toteaa, että aiemmin kaikki verkkohalkeamat luokiteltiin suoraan pakkasvaurioiksi.

– Nyt onneksi tiedetään paremmin. Suomen Betoniyhdistykseltä odottelemme parhaillaan ohjeistusta näiden reaktioiden estämiseksi uusissa rakenteissa.

– Toiveissa olisi tietenkin, että löytyisi kustannustehokas ja pysyvä keino, Åman toteaa.

Alkalikiviainesreaktio betonirakenteissa

  • Alkalikiviainesreaktio vaatii tapahtuakseen reagoivaa kiviainesta (reagoiva mineraali yleensä kvartsi), betonissa esiintyviä alkaleja (natrium ja kalium) ja runsasta pitkäaikaista kosteutta.
  • Kuivassa betonirakenteessa rakennetta vahingoittavaa reaktiota ei tapahdu, vaikka siinä esiintyisikin reagoivaa kiviainesta ja alkaleita.
  • Alkalikiviainesreaktio tapahtuu Suomessa hitaasti reagoivan kiviaineksen laadun ja matalan lämpötilan seurauksena.