Betonin karbonatisoituminen

Betonin karbonatisoituminen on ilmiö, jossa sementtiä valmistaessa kalkkikivestä vapautunut hiilidioksidi pyrkii sitoutumaan takaisin sementtikiveen. Ilmiö tapahtuu hitaasti edeten betonin pinnalta syvemmälle betoniin. Kun karbonatisoitumisrintama on edennyt teräsbetonin sisällä oleviin harjateräksiin asti, betonin alkalisuuden suojaava vaikutus teräksiin lakkaa ja teräs alkaa ruostua.

Karbonatisoitumisesta johtunut raudoituksen ruostuminen ja betonin lohkeilu

Betonin sideaine sementti valmistetaan kuumentamalla kiveä, joka sisältää kalkkia niin, että kiviaineen sisältämät mineraalit sulavat ja reagoivat keskenään. Reaktiossa kiveen sisältynyt hiilidioksidi vapautuu ilmaan.

Ilmiö

Ilman hiilidioksidi karbonatisoi betonin, ja karbonatisoituminen etenee hitaasti betonipinnasta alkaen. Karbonatisoitumisessa ilman hiilidioksidi reagoi veden kanssa muodostaen hiilihappoa (H₂CO₃) joka puolestaan reagoi betonin kalsiumhydroksidin kanssa niin, että reaktiotuotteena syntyy neutraalia kalsiumkarbonaattia.

${\ce {Ca(OH)2 + H2CO3 -> CaCO3 + 2H2O}}$

Tavallisesti betonin pH on noin 13-14, mutta karbonatisoituminen pienentää betonin emäksisyyttä. Betonin tuoma raudoituksen kemiallinen suoja katoaa, kun betonin pH laskee noin yhdeksään. Betonin korkean emäksisyyden muodostaa betonissa käytetyn sementtikiven kovettumisen yhteydessä muodostuva kalsiumhydroksidi eli sammutettu kalkki. Kalkkikivestä polton yhteydessä vapautunut hiilidioksidi pyrkii siis sitoutumaan takaisin sementtikiveen ja muuttamaan kalsiumhydroksidin takaisin kalsiumkarbonaatiksi eli kalkkikiveksi.

Karbonatisoitumisnopeuteen vaikuttavat tekijät

Betonin karbonatisoitumisnopeus riippuu sen tiiveydestä. Tiiviimpi betoni eli matalampi vesi-sementtisuhde johtaa hitaampaan karbonatisoitumiseen.

Karbonatisoituvan aineen eli kalsiumhydroksidin määrän kasvu hidastaa karbonatisoitumisen etenemisnopeutta. Kalsiumihydroksidin määrään taas vaikuttaa betonin sisältämän sementin sideaineen määrä ja laatu sekä myös betonin hydratoitumisaste. Kun sementtimäärää ja hydratoitumisastetta kasvatetaan, betonin karbonatisoitumisnopeus hidastuu.

Karbonatisoitumisen nopeuteen voivat lisäksi vaikuttaa rakennuksen geografinen sijainti ja väestötiheys, jotka vaikuttavat ilman hiilidioksidipitoisuuteen. Lisäksi nopeuteen vaikuttaa suhteellinen ilmankosteus. Karbonatisoituminen tapahtuu nopeimmin 50-70% ilmankosteudessa, jossa vettä on riittävästi reaktion tapahtumiseksi, muttei liikaa tukkiakseen betonin huokoset estäen hiilidioksidin pääsyn betonin sisään.

Vaikutukset

Koska karbonatisoitunut betoni ei enää suojaa raudoitusta korroosiolta, teräsbetonin raudoitus alkaa ruostua. Koska ruoste vie suuremman tilan kuin pelkkä teräs, ruostuva kohta laajenee ja lopulta rikkoo ympäröivän betonin, joka ilmenee halkeamina ja lohkeiluna. Näin teräsbetonin lujuus heikkenee ja se vaikuttaa rakenteiden kantavuuteen. Jos kyseessä on kantava rakenne, voi teräsbetonin rappeutuminen vaikuttaa merkittävästi rakenteen kantokykyyn. Näin riskinä voi olla esimerkiksi sillan sortuminen tai rakennusten kantavien seinien vaurioituminen.

Jos karbonatisoituminen ei ulotu teräksiin asti tai jos betonielementissä ei ole ruostuvia teräksiä, karbonatisoitumisesta ei ole rakenteelle haittaa, vaan se hieman lujittaa rakennetta.

Karbonatisoitumisen tunnistaminen

Karbonatisoituminen ilmenee usein rakenteiden halkeiluna ja betonin värjäyminä jotka johtuvat halkeamasta betonin pinnalle päässeestä ruosteesta. Joskus rakenteesta voi myös lohjeta paloja paljastaen teräsvahvikkeet. Karbonatisoitumisen etenemistä voidaan seurata lohjenneista kappaleista, tai poraamalla näytteitä, joihin valellaan pH-indikaattoriliuosta, joka vaihtaa väriä betonin pH-arvon mukaan. Näin nähdään miten syvälle karbonisaatio on rakenteessa edennyt.

Karbonatisoitumisen estäminen ja korjaaminen

Raudoituksen sijoittaminen tarpeeksi syvälle valmiin betonipinnan sisälle on hyvä keino suojata raudoitusta karbonatisoitumisen aiheuttamalta korroosiolta. Raudoitussyvyys Suomessa on nykyään suurempi kuin esimerkiksi 1970-luvulla, jolloin suuri osa nykyisestä rakennuskannasta on rakennettu ja joissa saattaa näkyä raudoituksen korroosion vaikutus.

Mikäli karbonatisoituminen ei ole vielä alkanut, voidaan sitä hidasta merkittävästi pinnoittamalla betoni karbonatisoitumista estävällä aineella, joka estää hiilidioksidin ja ilmansaasteiden pääsyn betoniin. Nämä pinnoitteet suojaavat betonia yleensä noin kymmenen vuotta, minkä jälkeen käsittely on uusittava. Mikäli karbonatisoituminen on jo alkanut, puhdistetaan esiin tulleet teräsvahvikkeet esimerkiksi hiekkapuhaltamalla, jonka jälkeen pois lohjenneen betonin tilalle valetaan uutta betonia.