Pohjaveden sisältämien aineiden vaikutus teräsbetonirakenteiden suunnittelussa

Abstract

Tämä insinöörityö on tietopaketti rakennesuunnittelijoille suomalaisen pohjaveden yleisestä koostumuksesta, sen aiheuttamista kemiallisista rasituksista teräsbetonirakenteille sekä paineellisen pohjaveden vaikutuksista kloridien tunkeutumisnopeuteen. Työssä perehdyttiin eurokoodiin ja selvitettiin, mitä säilyvyyssuunnittelua koskevia määräyksiä siinä on annettu. Aihe on ajankohtainen betonitunneleiden ja muiden maanalaisten teräsbetonirakenteiden suunnittelussa.

Suomalaisessa pohjavedessä on keskimäärin melko vähän elektrolyyttejä eli siihen liuenneita aineita. Tämä ilmenee alhaisista sähkönjohtavuus-, pH- ja kovuusarvoista. Paikalliset erot ovat kuitenkin suuria ja johtuvat maaperän ominaisuuksista sekä ihmisen toiminnasta. Rannikkoalueilla sekä entisillä merenpohja-alueilla sähkönjohtavuus ja suolapitoisuus ovat keskimääräistä korkeampia. Liuenneiden aineiden pitoisuuksiin vaikuttavat myös maa- ja kallioperän mineraalikoostumus sekä pohjaveden viipymä.

Teräsbetonirakenteille haitallisimmat pohjaveteen liuenneet aineet ovat kloridi ja sulfaatti. Rakenteen säilyvyyteen vaikuttaa myös veden pH-arvo eli sen happamuus. Lisäksi rasituksia aiheuttavat yleensä pohjavedessä vain pieninä määrinä esiintyvä ammonium sekä vapaa hiilidioksidi ja magnesium.

Eurokoodin mukaisessa säilyvyyssuunnittelussa rakennesuunnittelijan tehtävänä on määrittää betoniteräksen betonipeitepaksuus, betonin lujuus, vesi-sementtisuhde sekä rajoittaa betonin halkeamaleveyttä. Eurokoodissa ja kansallisissa ohjeissa on säilyvyyssuunnittelun kannalta puutteita. Kloridipitoisuuksille ei ole annettu minkäänlaisia raja-arvoja ja halkeamaleveyden enimmäisarvot ovat suuria esimerkiksi vanhaan suunnittelustandardiin verrattuna. Suunnittelijan on käytettävä omaa harkintaansa mitoittaessaan rakenteita kemiallisesti aggressiivisessa ympäristössä.

This Bachelor Thesis is an informational tool to structural designers about the general composition of groundwater, chemical stresses it causes to reinforced concrete structures and the effects of pressurized groundwater on chloride’s penetration rate. In addition, the study examines the Eurocode to find out what kind of regulations there are on the durability guidelines. The subject is topical on the design of concrete tunnels and other underground reinforced concrete structures.

There are quite few electrolytes, in other words, dissolved substances in Finnish groundwater. That can be seen as low electrical conductivity, pH and hardness values. Local differences, however, are large due to human activity and the characteristics of the soil. In coastal areas, as well as the former seabed areas, electrical conductivity and salinity are above average. The concentration of dissolved substances is also affected by both the composition of the soil and bedrock and, the groundwater retention time.

The groundwater’s most detrimental substances on reinforced concrete structures are chloride and sulfate. The durability of the structure is also affected by the pH value, free carbon dioxide, magnesium and ammonium, which usually only occurs in small quantities in groundwater.

According to the durability guidelines of Eurocode, the task of a structural engineer is to define the concrete cover, strength and water-cement ratio of the concrete, as well as the maximum crack width. There are shortages in the Eurocode and national guidance about the durability design. There are no threshold values on chloride solution, and the maximum crack width is large in comparison with, for example, the old design standard. Thus the designer must use common sense while designing structures in a chemically aggressive environment.