Betonin halkeilu

Betonin vetolujuuden ylittyessä betoniin muodostuu halkeamia. Rakenteen staattisen toiminnan, säilyvyyden ja ulkonäön kannalta on oleellista, että halkeilu on hallittua ja halkeamaleveydet riittävän pieniä. Betonin halkeilua voidaan rajoittaa paitsi suunnittelemalla rakenne oikein myös valitsemalla sopiva betonin koostumus, työn suoritus ja jälkihoito. Halkeamat lisäävät merkittävästi betonin läpäisevyyttä heikentäen betonin säilyvyysominaisuuksia. Halkeilun seurauksena haitalliset aineet pääsevät tunkeutumaan betoniin helposti ja betonin raudoitusta sekä fysikaalisesti että kemiallisesti suojaava vaikutus vähenee.

Haitallisimpia ovat olosuhteista riippuen yli 0,2...0,4 mm:n halkeamat, jotka ulottuvat raudoitukseen asti. Raudoitustankojen suuntaiset halkeamat voivat aiheuttaa raudoituksen korroosiota laajalla alueella. Laskennalliset halkeamaleveydet rajoitetaankin rakenteiden suunnittelussa olosuhteista riippuen arvoon 0,1...0,3 mm. Betoni voi halkeilla sekä pian valun jälkeen että vasta useiden vuosien ikäisenä. Jo ennen betonin sitoutumista voi tapahtua massan plastisesta kutistumasta ja plastisesta painumasta johtuvaa halkeilua. Kovettuneessa betonissa halkeilua aiheuttavat muun muassa lämpötilaerot, kuivumiskutistuminen, veden jäätymis-sulamissyklit, jotkut kemialliset reaktiot, tulipalo sekä raudoituksen ruostuminen. Halkeilun syynä voivat olla myös huono työsuoritus (muottityö, pinnan käsittely, jälkihoito) sekä rakenteen kantokyvyn ylittävä kuorma. Täältä löydät taulukon, jossa esitetään yleisimpiä betonirakenteissa todettuja halkeamia ja niiden tyypillistä sijaintia, syitä ja syntyaikoja sekä kuinka halkeilua voidaan rajoittaa. 

 

Lämpötilaerojen aiheuttama halkeilu

Rakenteen eri osien väliset lämpötilaerot aiheuttavat jännityksiä. Jos vetojännitykset ovat suurempia kuin betonin vetolujuus, syntyy halkeamia. Vetojännitystä syntyy muun muassa jäähtymisen aiheuttaman kutistumisen seurauksena, kun muodonmuutos ei voi tapahtua vapaasti. Muodonmuutokset estää yleensä toinen rakenneosa tai saman rakenneosan sisempi osa, jonka lämpötila ei laske yhtä nopeasti kuin pintaosan lämpötila. Betonin kovettuessa sementin hydrataatio tuottaa lämpöä. Tämä lämpö poistuu betonista pinnan kautta, jolloin pintaosan lämpötila laskee suhteessa sisäosan lämpötilaan. Näin syntynyt betonin kovettumisvaiheen lämpötilaero voi aiheuttaa halkeamia erityisesti massiivisiin rakenteisiin, joiden sisäosan lämpötila pysyy pitkään korkeana. Alla olevassa kuvassa on esitetty periaatekuva betonirakenteen sisä- ja ulkopinnan lämpötilaerojen aiheuttamista jännityksistä, jotka voivat johtaa halkeamiin. 

Myös talvivalussa muottien liian aikaisen purkamisen jälkeen tai lämpökäsittelyn jälkeen voi rakenneosan pintalämpötila laskea liian nopeasti, jolloin syntyy halkeamia. Betonin kovettumisvaiheen lämpötilaerojen aiheuttamat halkeamat syntyvät noin vajaan vuorokauden tai viimeistään kolmen vuorokauden kuluttua valusta. Halkeamat ovat yleensä verkkomaisia pintahalkeamia ja syvyydeltään muutamasta millimetristä muutamaan senttimetriin. Rakenneosien liittymiskohdissa halkeamat voivat ulottua myöhemmin valetun rakenneosan läpi. Estetyn muodonmuutoksen tilanteissa lämpöjännityksestä aiheutuvat halkeamat menevät laattarakenteiden läpi. Kovettuneeseen betoniin halkeamia voivat aiheuttaa myös ympäristön suuret lämpötilamuutokset ja lämpötilaerot rakenteen poikkileikkauksessa. Halkeilun rajoittamiseksi rakenteet tulee suunnitella siten, että lämpötilan muutoksista aiheutuvat rakenneosien väliset liikkeet pääsevät tapahtumaan. Pintavalujen halkeilun estämiseksi olisi hyvä, jos vanhan alustan lämpötila olisi valuhetkellä massan lämpötilaa korkeampi.

 

Kuivumiskutistumisen aiheuttama halkeilu

Betonin kuivumiskutistumisen aiheuttamia halkeamia syntyy, kun kutistuminen ei voi tapahtua vapaasti. Betoni kuivuu hitaasti, minkä vuoksi kuivumiskutistumisen aiheuttamia halkeamia syntyy pitkän ajan kuluessa. Kuivumiskutistuminen johtuu sementtikiven tilavuuden pienenemisestä, kun vesi haihtuu sen huokosista. Kutistumista tapahtuu sitä vähemmän, mitä enemmän betonissa on kiviainesta, joka vastustaa kutistumista. Kuivumiskutistuminen pienenee myös, jos betonimassan vesimäärää vähennetään.

Koska vesi haihtuu betonista pinnalta, halkeamia syntyy usein rakenteen pintaosaan. Syntyvät halkeamat ovat yleensä verkkomaisia, ja niitä on usein vaikea erottaa kovettumisvaiheen lämpötilaerojen aiheuttamista halkeamista. Kuivumiskutistuminen voi aiheuttaa halkeamia myös, jos toisissaan kiinni olevat rakenneosat kutistuvat eri nopeudella tai niiden loppukutistumat ovat erikokoiset.

Betonin jälkihoito on tehtävä huolellisesti, ettei betonin vesipitoisuus pääse laskemaan ennen kuin betoni kestää kutistumisesta johtuvat vetojännitykset. Rakenteet tulee myös suunnitella siten, että kutistuminen ja lämpötilanmuutoksista aiheutuvat tilavuudenmuutokset pääsevät vapaasti tapahtumaan.

Kuivuminen ja kutistuminen riippuvat ajasta. Massiivinen rakenne kuivuu ja kutistuu hitaammin kuin ohut rakenne. Kun rakenteen eri osat ovat poikkileikkausmitoiltaan erilaiset, osat kuivuvat eri tahdissa. Tällöin betoniin syntyy sisäisiä jännityksiä. Raudoitus vastustaa kuivumiskutistumista. Rakenne, jossa on tiheä raudoitus, kutistuu vähemmän kuin harvaan raudoitettu rakenne. Tiheä raudoitus jakaa halkeamat tasaisesti rakenteeseen, jolloin halkeamat jäävät pieniksi.
 

Mikrohalkeamat

Kaikessa betonissa esiintyy mikrohalkeamia erityisesti kiviainesrakeiden ympärillä, mutta myös betonin pinnalla. Mikrohalkeamiksi kutsutaan halkeamia, joiden leveys on < 0,05 mm. Niitä on yleensä vaikea erottaa betonin pinnalta. Paras tapa pienentää mikrohalkeamien määrää ja leveyttä on pitää betonin kovettumisolosuhteet (lämpötila ja kosteus) mahdollisimman tasaisina. Halkeamia syntyy betonin osa-aineiden erilaisen laajenemisen vuoksi vaiheessa, jossa betonin vetolujuus on vielä alhainen. Myös korkealujuusbetonien sisäinen kuivuminen hydrataation vaikutuksesta aiheuttaa mikrohalkeilua. Mikrohalkeamien välttämiseksi betonin esisäilytysajan ennen mahdollista lämpökäsittelyä tulee olla vähintään kolme tuntia ja lämpötilan nostonopeuden korkeintaan 10...15 °C tunnissa.

 

Halkeamien itsetiivistyminen

Halkeamien itsetiivistymisellä tarkoitetaan ilmiötä, jossa halkeamaan kulkeutuu aineita, jotka tiivistävät sen. Itsetiivistymistä tapahtuu, jos seuraavat ehdot ovat voimassa:
  • Betonissa on hydratoitumatonta portlandsementtiä (kalkkia) ja vettä.
  • Halkeaman leveys ei vaihtele ajan kuluessa.
  • Läpivirtaava vesi ei ole kemiallisesti syövyttävää (hapanta).
  • Läpivirtaus ei ole niin voimakasta, että tiivistymistuotteet huuhtoutuvat pois.
  • Vesi voi haihtua betonin pinnalta.
Esimerkiksi ulkona olevat, sateelle alttiit rakenteet ja useimmat toispuoleisen vedenpaineen kuormittamat rakenteet täyttävät edellä mainitut ehdot. Tiivistymistä tapahtuu, kun sementtipastan kalsiumhydroksidi karbonatisoituu ja syntyvät kalsiumkarbonaatti- ja kalsiumhydroksidikiteet kulkeutuvat halkeamaan, johon ne kiteytyvät, kun vesi haihtuu pois. Tämä ilmiö tuo myös kalkkihärmettä betonipintaan. Vapaan kalsiumhydroksidin lisääntyminen betonissa parantaa itsetiivistymistä. Tiivistyneellä halkeamalla on myös pieni vetolujuus, jota ei kuitenkaan voida hyödyntää.
 
Katso myös aiheesen liityvät muut sivut:
 
Plastinen kutistuma
Plastinen painuma
Autogeeninen kutistuminen
Betonin säilyvyys
                                                                                                                                                                                                                                             
                                                                                                                                                                                                                              palaa sivun alkuun