Vähähiilisen betonin kuivuminen

Taustaa

Masuunikuonaa on käytetty sementin seosaineena tiettävästi jo 1800-luvulta alkaen. Suuri osa kuonabetoneiden ominaisuuksistakin on varsin laajasti tutkittuja ja tunnettuja. Masuunikuonalla on useita vaikutuksia betonin ominaisuuksiin, joista esimerkiksi kuonabetoneiden tiivis huokosrakenne ja sen mahdollistamat korkeat loppulujuudet sekä pienempi vedentarve ovat varsin positiivisia. Toisaalta erityisesti paljon kuonaa sisältävät betonit kärsivät hitaasta lujuudenkehityksestä.

Kuonabetoneiden kuivumisesta on toistaiseksi ollut saatavilla heikosti tutkimustietoa. Hitaampi lujuudenkehitys sekä tiiviimpi huokosrakenne antavat perusteita olettaa, että kuonabetonien kuivuminen eroaa tavanomaisista betoneista. Aaro Happosen diplomityössä ”Vähähiilisen betonin kuivuminen” [1] tutkittiin erilaisten masuunikuonabetonien kuivumista ja kosteudensiirto-ominaisuuksia. Diplomityön kokeellinen tutkimus on toteutettu Aalto-yliopiston betonitekniikan laboratoriossa. Työn ohjaajana toimi DI Pauli Sekki AFRY Buildings Finland Oy:ltä ja valvojana professori Jouni Punkki. Diplomityö valmistui heinäkuussa 2023 ja rahoitettiin betonitekniikan tutkimusrahastosta. Työssä käytetyt betonit valmistettiin Rudus Oy:n Konalan betonitehtaalla ja mittalaitteet olivat lainassa AFRY Buildings Finland Oy:ltä.

Kokeellinen tutkimus

Työssä tutkittiin kuuden eri kuonabetonin kuivumista. Betoneissa käytettiin kolmea eri sideainetta ja kahta eri vesi-sideainesuhdetta. Kaksi sideaineista oli CEM III-tyypin masuunikuonasementtejä CEM III/A (Kolmossementti) ja CEM III/B (70 % kuonajauhetta + 30 % Pikasementtiä). Kolmantena vertailusideaineena toimi tavanomaisesti käytetty CEM II/B-M (Oiva). Muilta osin betonien koostumukset pyrittiin vakioimaan. Työssä tutkittujen betonien koostumukset on esitetty taulukossa 1.

Koekappaleina käytettiin yhden litran peltipurkkeja, jotka simuloivat geometrialtaan ja mittaussyvyyksiltään 125 mm paksua yhteen suuntaan kuivuvaa laattaa. Mittaukset toteutettiin RT 103333 -kortin mukaisesti näytepalamittauksilla, jossa betonin huokosten ilmatilan suhteellista kosteutta mitataan betonista irrotetuista näytepaloista. Suhteellisen kosteuden mittauksia tehtiin yhteen suuntaan vakio-olosuhteissa kuivuvista kappaleista 5 mm, 20 mm sekä 50 mm syvyyksiltä. Samoilta syvyyksiltä mitattiin 60–90 päivän iässä kastumisjaksolle altistettujen kappaleiden kosteutta. Lisäksi suhteellista kosteutta mitattiin tiiviisti säilytetyistä ainoastaan kemiallisesti kuivuvista koekappaleista. Suhteellisen kosteuden mittausten lisäksi betoneista arvioitiin kosteudensiirto-ominaisuuksia Nilssonin ja Bergströmin esittelemää ”the tin can method” -menetelmää [2] soveltaen. Menetelmä perustuu haihtuvan massan mittaamiseen, minkä perusteella voidaan arvioida laskennallisesti materiaalin kosteudensiirto-ominaisuuksia. Koekappaleita säilytettiin Aalto-yliopiston rakennustekniikan laitoksen vakio-olosuhdehuoneessa, jossa lämpötila oli noin 20 °C ja ilman suhteellinen kosteus noin 45 %.

Koetulokset

Kuivuminen vakio-olosuhteissa

20 mm syvyydessä erot betoneiden kuivumisessa olivat varsin pieniä (kuva 1.). Vesi-sideainesuhteeltaan vastaavien CEM II/B-M ja CEM III/A betoneiden kuivuminen oli hyvin samankaltaista. CEM III/B betoneiden kuivuminen oli kuitenkin selkeästi hitaampaa 20 mm syvyydessä. 50 mm syvyydessä korostuu ero vesi-sideainesuhteiden välillä (kuva 2.). V/s-suhteen 0,60 betoneiden välillä erot ovat varsin pieniä, kun taas v/s-suhteen 0,45 betoneiden osalta CEM III-tyypin betonit ovat mittausaikavälillä keskimäärin noin 2 %-yksikköä kuivempia kuin CEM II/B-M betoni.

Kemiallinen kuivuminen

Mittaustulosten perusteella ainoastaan kemiallisesti kuivuvien koekappaleiden suhteellinen kosteus vaihteli sekä sideaineen, että vesi-sideainesuhteen mukaan (kuva 3.). Tuloksista voidaan havaita, että molemmilla tutkituilla CEM III -tyypin sideaineilla kuivuminen on nopeampaa kuin vastaavan v/s-suhteen CEM II/B-M sideaineella. Mittausvälillä 30–90 päivää kuivuminen on nopeinta CEM III/B betoneilla, ja mittausvälillä 90–180 päivää vastaavasti CEM III/A betoneilla. Tulosten perusteella CEM III/A sideaineella on tutkituista sideaineista korkein kuivumispotentiaali, kun kuivuminen tapahtuu ainoastaan kemiallisen sitoutumisen kautta.

Kuivumisajat päällystettävyyden raja-arvoihin

Betonin kuivumista tarkasteltaessa kiinnostusta herättää erityisesti päällystämisen kannalta riittävän matalan kosteuden saavuttamiseen kuluva aika. Taulukossa 2 on esitetty työssä mitattuja arvioita kuivumisajoista päällystettävyydelle esitettyihin raja-arvoihin. Tulokset eivät ole yleispäteviä, vaan soveltuvat ainoastaan keskinäiseen vertailuun. Tulosten perusteella CEM III betoneilla saavutettiin raja-arvot pääsääntöisesti nopeammin kuin saman v/s-suhteen CEM II/B-M betoneilla. Poikkeuksen tekee v/s 0,60 CEM III/B, jolla pintaosan raja-arvon saavuttamisessa kuluu huomattavasti muita betonilaatuja enemmän aikaa. Työssä arvioidut kuivumisajat olivat CEM III betoneilla jopa viikkoja nopeampia kuin vastaavan v/s-suhteen CEM II/B-M betonilla. Tavanomaisesta poikkeavasti CEM III betoneiden kuivumisaikojen havaittiin olevan suuremmat pintaosassa kuin syvemmällä betonissa.

Kuivuminen kastumisjakson jälkeen

Kastumisjaksolle altistettujen kappaleiden suhteellista kosteutta mitattiin kastumisjakson loputtua 90 päivän iässä. Kuvassa 4 on esitetty kastumisjaksolle altistettujen betonien suhteellinen kosteus 50 mm syvyydessä. Tuloksien perusteella kastumisjakso hidasti CEM III betoneiden kuivumista enemmän kuin vastaavan vesi-sideainesuhteen CEM II/B-M betonin. Erityisen haitallista kastuminen vaikuttaa tulosten perusteella olevan matalan v/s-suhteen kuonabetoneille.

Kosteuden haihtuminen ja kosteudensiirto-ominaisuudet

Kosteudensiirto-ominaisuuksilla kuvataan kuinka hyvin kosteus liikkuu materiaalissa nesteenä tai höyrynä. Työssä saatujen tulosten perusteella CEM III betonien kosteudensiirto-ominaisuudet ovat heikommat kuin CEM II/B-M betoneilla riippumatta vesi-sideaine -suhteesta. Myös v/s-suhteen vaikutuksen kosteudensiirto-ominaisuuksiin havaittiin olevan pienempi CEM III-tyypin sideaineilla. CEM III/A ja CEM III/B sideaineiden väliset kosteudensiirto-ominaisuuksien erot olivat hyvin pieniä. Käytännössä tämä tarkoittaa, että kuonabetoneilla syvällä betonirakenteessa oleva vesi liikkuu hitaammin kohti pintaa, ja täten haihtuminen on hitaampaa.

Tulosten vertailu

Kuvassa 5 on verrattu kemiallisesti kuivuvien kappaleiden kuivumista yhteen suuntaan kuivuvien kappaleiden kuivumiseen vesi-sideaine-suhteen 0,45 betoneilla. Kuvasta havaitaan, että kemiallisen kuivumisen ja yhteen suuntaan kuivuvan kappaleen 20 mm syvyyden välinen ero on pienempi CEM III betoneilla kuin CEM II/B-M betonilla. Havainnon perusteella voidaan arvioida, että masuunikuonabetoneilla kemiallisen kuivumisen osuus kuivumisesta on suurempi, ja vastaavasti haihtumisen osuus pienempi kuin tavanomaisilla betoneilla. Havainto tukee esitettyä tuloksia masuunikuonabetonien heikommasta kyvystä siirtää kosteutta.

Johtopäätökset

Tutkimuksen tulokset ovat rohkaisevia masuunikuonabetonien käytettävyyden suhteen rakenteissa, joissa kuivumiselle on asetettu vaatimuksia. Matalan v/s-suhteen kuonabetonien kuivuminen on ensimmäiset puoli vuotta valusta jopa nopeampaa kuin tavanomaisen betonin. Toisaalta korkean v/s-suhteen ja korkean kuonamäärän betonit voivat tulosten mukaan kuivua hitaammin kuin tavanomaiset betonit. Kuonabetoneita käytettäessä kosteudenhallinnan merkitys kasvaa suuremman kuivumisen hidastumisen vuoksi. Lisäksi erilaisten kuivumismekanismien osuuksien myötä myös olosuhteen muutosten vaikutuksen kuivumiseen voidaan olettaa eroavan tavanomaisista betoneista.

Kirjallisuus

[1] A. Happonen, ”Vähähiilisen betonin kuivuminen”, Diplomityö. Aalto-yliopisto, Rakennustekniikan laitos, Espoo 2023.
[2] L.-O. Nilsson & K. Bergström, The tin can method for determining moisture transport properties of concrete. 2020. E3S Web of Conferences, 172, 14005.