Ekologisen betonin ja betonointitekniikoiden kehittäminen arktisella alueella

Johdanto

Betoni-lehdessä 3/2019 kirjoitimme yleisesittelyn uudesta ARCTIC-ecocrete-projektistamme, jonka rahoitus tuli Interreg Nord EU-ohjelmasta. Hanke päättyi kesällä 2021 ja tässä artikkelissa kerromme sen päätuloksia. Hankkeessa oli mukana Oulun yliopiston Kuitu- ja partikkelitekniikan yksikkö, Luulajan teknillinen yliopisto Ruotsista ja Sintef Narvik Norjasta. Oulun yliopistolla tutkimme täysin uusia, vielä standardoimattomia pakkasessa kovettuvia sideainereseptejä. Luulajan ryhmä tutki masuunikuonaa sisältävää betonia ja sitä, miten perinteisen betonin jäätymisenestoaineet soveltuvat ekobetonille. Sintefin rooli oli tutkia vesikiertoista betonin lämmitysjärjestelmää sekä betonin lämpötilaa kylmkuljetusten aikana. Teimme aktiivista yhteistyötä eri alojen teollisuuskumppanien, kuten Saint Gobainin, Oulun Energian, Peabin, HeatWorkin ja Veidekken, kanssa.

Alhaisen lämpötilan tiedetään hidastavan sementin reaktiivisuutta ja lujuuden kehittymistä, mikä viivästyttää valumuottien tai -kehikkojen poistoa ja pitkittää rakennusaikoja. Lämmitysjärjestelmät ja esimerkiksi erittäin hienoksi jauhettu sementti toki mahdollistavat nopeamman rakennustahdin, mutta kasvattavat energiankulutusta ja hiilijalanjälkeä. Kylmän sään haitalliset vaikutukset ovat vielä merkittävämpiä seossementeillä, jotka sisältävät sementin hiilijalanjälkeä alentavia teollisia sivuvirtoja, kuten rikastushiekkoja, kuonia tai tuhkia. Tämän vuoksi seossementin käyttöä on vältelty kylmäbetonoinnissa, vaikka pohjoisilla alueilla syntyy valtavia määriä näitä mahdollisia seosaineita.

Geopolymeerit potentiaalisia kylmäbetonointiin

Geopolymeerit ovat lupaavia mahdollisia vaihtoehtoja Portland-sementtipohjaiselle betonille. Tyypillisesti geopolymeerit eivät sisällä lainkaan Portland-sementtiä, vaan sideaineena toimii esimerkiksi jokin teollisuuden sivuvirta, joka aktivoidaan reagoimaan ja lujittumaan alkaliaktivaattorilla. Geopolymeereillä voidaan saavuttaa parempi reaktiivisuus, suurempi puristuslujuus, paremmat kestävyysominaisuudet ja nopeampi kovettumisaika verrattuna Portland-pohjaisiin materiaaleihin tavanomaisessa kovetuslämpötilassa (20 °C). ARCTIC-ecocrete-projektissa tutkijat osoittivat, että masuunikuonapohjainen geopolymeeri kovettuu pakkasessa, jopa -10 °C:ssa. Nämä geopolyymerit olivat reaktiivisempia, ja niillä oli parempi lujuuden kehittyminen ja pakkasenkestävyys verrattuna perinteiseen sementtiin: geopolymeerit saavuttivat 4 kertaa suuremman puristuslujuuden. Näin tarvetta lämmitysjärjestelmille ja raaka-aineiden esikäsittelylle ei olisi. Lisäksi havaittiin, että geopolymeerien ominaisuuksia voidaan edelleen parantaa käyttämällä nykyään kaatopaikalle sijoitettua erittäin hienoa rautaa sisältävää teollista sivuvirtaa. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin, että pakkasessa kovetettujen geopolymeerien lujuus palautui, kun lämpötila nostettiin takaisin huoneenlämpöön joko osittain (-10 ja -20 °C) tai jopa täysin ennalleen (-5 °C). Tällaisen geopolymeeribetonin kustannukset arvioitiin 23 % ja hiilijalanjälki 87 % perinteistä betonia pienemmiksi.

Perinteisen betonin seostaminen ja lisäaineet

Tämän projektin puitteissa ei vielä edetty geopolymeerien laboratoriomittakaavan laastikokeita pidemmälle. Geopolymeerien lupaavista tuloksista huolimatta puutteellinen lainsäädäntö, standardit sekä tieto pitkän aikavälin toimivuudesta ovat rajoittaneet niiden laajaa käyttöä rakennustyömailla. Tämän vuoksi projektissa tutkittiin myös perinteistä sementtiä ja siitä valmistettua betonia, joka sisältää osittain ympäristöystävällisempää seosainetta ja vaadittavia lisäaineita. Yksi tapa nopeuttaa ekosementin reaktiivisuutta alhaisissa lämpötiloissa onkin lisäaineiden ja kiihdyttimien käyttö. Tulokset osoittivat, että optimoimalla lisäaineet yhdessä lyhytkestoisen huoneenlämmössä tapahtuvan esikovetuksen kanssa, saa -10 °C:ssa kovetettu seossementtilaasti saman 28 päivän lujuuden kuin perinteinen 20 °C:ssa kovetettu sementtilaastinäyte. Tämän ansiosta lämmitysjärjestelmän tarve arvioitiin merkittävästi pienmmäksi ja hiilidioksidipäästöt kutakin 1 m2 lämmitettyä betonikehikkoa kohti laski 48 kg:sta vain 0,5 kg:aan.

Toisaalta voitaisiin käyttää jo laajalti käytössä olevia perinteisen betonin jäätymisenestoaineita, joiden käyttäytymistä ekobetonin kanssa ei kuitenkaan tunneta. Niinpä Luulajan yliopiston tutkimusryhmä valmisti masuunikuonapohjaisia ekobetoninäytteitä, jotka sisälsivät eri määriä jäätymisenestoainetta ja masuunikuonaa. Tuloksista havaittiin, että 50 % masuunikuonaa ja 50 % Portland-sementtiä sisältävä betoninäyte, joka oli kovetettu -15 °C:ssa, saavutti jopa 28 MPa:n lujuuden 28 päivässä riippuen jäätymisenestoaineen määrästä. Laskelmien mukaan tämän betonin kustannukset olisivat 12 % ja hiilijalanjälki 43 % perinteistä betonia pienemmät.

Vesikiertoinen lämmitysjärjestelmä

Sintef Narvikin norjalainen tutkimusryhmä tutki vesikiertoista lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmää, joka samanaikaisesti tasaa betonin lämpötilaeroja. Vesikiertoinen lämmityjärjestelmä on uutta teknologiaa, joka perustuu vanhaan keksintöön. Pääperiaate on yksinkertainen: betonin sisään valetaan putkia, joiden pinta-ala vastaa vain noin 2 % betonin tilavuudesta. Tämän jälkeen valetun betonin lämpötila on säädettävissä kiertävän veden avulla. Lopputuloksena on parempilaatuinen lopputuote ja mahdollisuus valmistaa ohuita betonirakenteita pakkasessa. Lisäksi lämmitysjärjestelmä voi alentaa merkittävästi kylmäbetonointikustannuksia, koska sen hyötysuhteeksi on määritelty 94 %. Kerrostalojen rakennuskustannusten arvioitiin alenevan 34 %. Mikäli samoja putkia hyödynnettäisiin lattialämmityksessä rakennuksen käyttövaiheessa, kustannukset voivat laskea jopa 65 %. Järjestelmällä on siis monia lupaavia puolia, mutta tällä hetkellä vuokrauskulut ovat vielä korkeat ja vuokraus on mahdollista vain Norjassa.

Betonin lämpötila kylmäkuljetuksessa

Sintef Narvik tutki myös betonin jäähtymistä betonikuorma-autolla ja helikopterilla tehtävien kylmäkuljetusten aikana. Betonin lämpötilan laskun suuruutta ja nopeutta on tähän mennessä tutkittu vain vähän. Lämmönvaihtelun tutkimiseksi Sintef Narvik kehitti omat lämpötila-anturinsa, jotka sijoitettiin betonin sisään kuljetuksen ajaksi. Lisäksi tutkijat ottivat infrapunakuvia rakennustyömailta ja mittasivat muottiin kaadetun betonin lämpötilan. Mittaukset osoittivat, kuinka tärkeää kuljetuksen tarkka ennakointi on: betonin lämpötila nousi yhden asteen kuorma-auton seisoessa paikallaan kuljettajan lyhyen tauon aikana.

Sintef on aloittanut kartoituksen uudenlaisen betonikuorma-auton kehittämiseksi. Tavoitteena on kehittää auto, joka mittaa ja säätelee betonin lämpötilaa sekä kuumina että kylminä päivinä. Auton rummun ympärille rakennettaisiin tuulelta suojaava kaappi, johon kanavoitaisiin moottorin lämpöä betonin lämpötilan ylläpitämiseksi. Lämpiminä päivinä betoni suojattaisiin kuumentumiselta hyödyntämällä liikkuvaa autoa ympäröivää tuulta rummun jäähdyttämisessä.