Alkalikiviainesreaktio

Alkalikiviainesreaktio eli AKR (englanniksi alkali-aggregate reaction, AAR) on kemiallinen reaktio, jossa kiviaineksen tietyt mineraalit sekä sementtikiven huokosveden alkalit ja hydroksyyli-ionit reagoivat keskenään aiheuttaen betonin rapautumista. Reaktiossa syntyy reaktiotuotteena alkaligeeliä. Alkaligeeli imee herkästi vettä ympäristöstään, jonka seurauksena se alkaa paisua.  Alkaligeelin paisumisen tuloksena betoniin aiheutuu sisäisiä jännityksiä, jotka voivat aiheuttaa betonin halkeilua. Lisäksi alkaligeeliä voi alkalikiviainesreaktion seurauksena myös tihkua sekä saostua betonin pintaan.

Mikäli betoni on erittäin huokoista tai siinä on halkeamia, voivat ulkoisista lähteistä tulevat alkalit lisätä alkaligeelin paisumista. Ulkoisia alkalilähteitä ovat yleensä suolat, joita käytetään liukkauden torjunnassa, pohjavesi, merivesi sekä teollisuusprosesseissa käytetty vesi.

Reaktion aiheuttamaa halkeilua ei välttämättä silmämääräisesti huomaa. Kuitenkin tarpeeksi pitkälle edettyään sen voi huomata betonin pinnassa olevasta verkkomaisesta tai epäsäännöllisestä halkeilusta. Kun reaktio on edennyt pitkälle, saattaa se betonin sisällä olla jo niin voimakas, että halkeamat jatkuvat betonin pintaan asti. Halkeilun seurauksena esimerkiksi betonin pakkasrapautumisen riski kasvaa.

Jotta alkalikiviainesreaktio voi ylipäänsä tapahtua, tulee betonin suhteellisen kosteuden olla vähintään 80 prosenttia. Kosteuden lisäksi kiviaineksen tulee olla reaktiivista sekä alkalisuuden suhteellisen korkeaa, jotta reaktio toteutuu. Reaktio ei siis voi käynnistyä, mikäli yksikin näistä kolmesta ehdosta puuttuu. 

Betonin vaurioitumisnopeuteen vaikuttavat olennaisesti lämpötila, betonin suhteellinen kosteus, käytetty sementti sekä kiviaineksen laatu eli vallitsevat olosuhteet. Nopeimmin, jopa noin 2-5 vuodessa, reaktio tapahtuu suotuisten olosuhteiden vallitessa kivilajeissa, jotka sisältävät piitä. Hitaammin, noin 10-20 vuodessa, reagoivat kalkkikivi sekä hiekkakivi. Alkalikiviainesreaktiota on tähän mennessä havaittu kotimaisilla betonilaaduilla Suomen ilmastossa vasta noin 30-40 käyttövuoden jälkeen. Alkalikiviainesreaktio voidaan todeta luotettavasti ainoastaan ohuthietutkimuksella.

Alkalikiviainesreaktion tyypit ja toiminta 
Alkalikiviainesreaktiot jaetaan kolmeen eri ryhmään sen mukaan, mikä kiviaines reaktioon osallistuu. Ryhmät ovat:

 Alkalipiidioksidireaktio (alkali-silica reaction) 

Ensimmäinen havaittu ja eniten tutkittu AKR:n muoto. Sitä syntyy heikosti kiteytyneiden piidioksidi muotojen ja betonin huokosveden sisältämän hydroksyyli- ja alkali-ionien reagoidessa. Reaktiossa syntyy kalsiumsilikaattigeeliä, jonka kyky imeä vettä aiheuttaa geelin paisumista. Paisuminen taas aiheuttaa betonin huokosverkostoihin painetta, joka riittävän suureksi kasvaessaan aiheuttaa betoniin sisäistä säröilyä. Reaktion nopeus riippuu piidioksidin muodosta sekä veden alkalihydroksidipitoisuudesta.

 Alkalisilikaattireaktio (alkali-silicate reaction)

Hyvin samankaltainen kuin alkalipiioksidireaktio, mutta puhtaan piidioksidin sijaan kivessä on silikaattimineraalien ja piidioksidin sekafaasi. Paisumista aiheuttava reaktio on sama kuin alkalipiidioksidireaktiossa, mutta vettä imevän geelin toiminnassa ja reaktiotuotteissa on eroja. Kolmesta alkalikiviainesreaktioista alkalisilikaattireaktio on hitain.

 Alkalikarbonaattireaktio (alkali-carbonate reaction)

Esiintyy savipitoisissa dolomiittikivissä. Reaktiossa kalsiumkarbonaatti ja magnesiumkarbonaatti hajoavat samanaikaisesti betonin alkaliliuoksessa. Betonin säröily ei johdu piioksidireaktion tapaan muodostuneen geelin, vaan saven paisumisesta. Saven mineraalit imevät vettä ja aiheuttavat paisumista. Paisuminen on nopeaa ja aiheuttaa voimakasta betonin halkeilua.

Alkalikiviainesreaktion esiintyminen 
Alkalikiviainesreaktiota esiintyy enimmäkseen uimahalleissa, mutta aika ajoin sitä esiintyy myös silloissa, padoissa, perustuksissa sekä pysäköintihalleissa. Uimahalleissa aiheuttajana on yleensä korkea suhteellinen kosteus. Siltojen kohdalla aiheuttajina ovat puolestaan ulkoiset rasitukset (aurinko, sade, pakkanen) sekä siltojen raudoitus.

Alkalikiviainesreaktiota on pidetty Suomessa harvinaisena ja sitä on havaittu lähinnä siis altaiden vaurioina uimahalleissa. Suomen ilmaston, kallioperän sekä Suomessa käytettyjen kivilaatujen ominaisuuksien on oletettu tekevän ilmiön syntymisestä epätodennäköistä. Kylmän ilmaston takia alkalikiviainesreaktio on Suomessa hitaampaa kuin lämpimämmän ilmaston maissa. Korkeassa alkali- ja kosteuspitoisuudessa myös suomalainen kiviaines reagoi ja rapauttaa betonia.

Alkalikiviainesreaktion estäminen 
Reaktio voidaan estää, tai sen etenemistä hidastaa estämällä veden tunkeutuminen betonin halkeamiin ja kapillaaritiehyihin.

Uimahallien altaita on vielä 2000-luvulle asti rakennettu ilman vedeneristämistä, joka on myös todennäköinen syy altaiden huonoon kuntoon. Myös uimahallin ja veden lämpötilojen ollessa korkeat, reaktion vaikutukset kiihtyvät. Alkalikiviainesreaktion merkkejä on löydetty laboratoriokokeissa useissa vedeneristämättömissä uimahalleissa.

Lähteet 

Kemialliset reaktiot