Uudistuneet ohjeet – Betonin lujuuden arviointi rakenteesta kimmovasaralla

Kimmoarvon ja puristuslujuuden välisen kansallisen riippuvuuden määrittäminen

Suomessa on aiemmin ollut yleisesti käytössä Liikenneviraston julkaisu 21/2016 Kimmovasaran käyttäjän ohje. Kyseinen ohje on korvautunut edellä mainituilla standardeilla, eikä Liikenneviraston ohjetta voi enää käyttää. Standardin SFS 7508 vuoden 2021 version julkaisun jälkeen kuitenkin havaittiin, että uusi standardi antoi jopa 1–1,5 lujuusluokkaa liian alhaisia lujuusarvioita verrattuna porakoekappaletuloksiin. Standardin riippuvuus perustui 1960-luvulta peräisin oleviin saksalaisiin tutkimuksiin, sillä suomalaisia tutkimustuloksia ei vuonna 2021 ollut saatavilla.

Suomessa haluttiin määrittää kansallinen riippuvuus kimmoarvon ja puristuslujuuden välille, jotta kimmovasaralla voitaisiin saada mahdollisimman oikea lujuustaso. Tätä varten tehtiin koesarja Aalto-yliopistossa ja lisäksi tehtiin kimmovasaratestauksen tasokoe. Näiden perusteella määritettiin uudet, suomalaiset riippuvuussuhteet kimmoarvon ja puristuslujuuden välille. Uudet riippuvuussuhteet on esitetty SFS 7508:2024:n liitteessä B. Uusilla riippuvuussuhteilla saadaan suoraan betonin lujuusluokka-arvio, jossa on otettu huomioon vaadittavat varmuusmarginaalit sekä testaukseen liittyvät tulosten hajonnat ja rakenteessa olevalle betonille standardien olettama 15 % alempi lujuustaso verrattuna betonin valukoekappaleiden tuloksiin. Taulukot on esitetty erikseen molemmille tavallisille kimmovasaratyypeille R/N & Q.

Aalto-yliopiston tutkimus

Kansallisen riippuvuussuhteen määrittämiseksi käynnistettiin projekti, jossa betonin valmistajat toimittivat Aalto-yliopistolle testikuutioita. Aalto-yliopisto määritti koekuutioista kimmoarvot sekä puristuslujuudet. Kimmoarvot määritettiin sekä R- että Q-tyypin vasaralla. Lisäksi mitattiin myös ultraäänen nopeus, vaikka ultraäänen nopeuden ja puristuslujuuden välille ei määritetty kansallista riippuvuutta. Ultraäänen nopeus ei ole Suomessa virallinen testausmenetelmä betonin puristuslujuuden arvioimiseksi betonirakenteista.

Testaukset tehtiin kesällä 2023. Neljä eri betonin valmistajaa toimitti Aalto-yliopistolle 150 mm koekuutioita. Betonien koostumukset vaihtelivat, mutta betonin valmistajia pyydettiin erottelemaan, onko kyseessä huokostettu vai huokostamaton betoni, mikä on betonin kiviaineksen maksimiraekoko ja onko koekappaleet valmistettu teräs- vai muovimuotilla. Koekappaleita testattiin eri ikäisinä, kuitenkin niin, että testaaminen tapahtui 7–91 vrk ikäisinä. Ennen testausta koekappaleita säilytettiin Aalto-yliopistossa vedessä, kunnes ne testauspäivänä otettiin pois vedestä klo 10. Testaaminen tapahtui iltapäivällä noin klo 14. Kaikkiaan testattiin 120 koekuutiota.

Testauksessa koekappaleet punnittiin ja mitattiin, jonka jälkeen koekappaleet asetettiin testipuristimeen testausta varten. Koekappaleita kuormitettiin 5 MPa kuormituksella 240 sekunnin ajan, jolloin koekappaleista määritettiin kimmoarvot R- ja Q-tyypin vasaralla sekä mitattiin ultraäänen nopeus. Eri testaukset tehtiin eri kuution särmille ja testauskohdet oli merkitty etukäteen sabluunan avulla. Kimmovasaratestauksissa käytettiin yhdeksää mittauspistettä, joiden mediaaniarvoa käytettiin testituloksena. Lopuksi koekappale kuormitettiin murtoon ja betonin puristuslujuus määritettiin.

R-tyypin kimmovasaran ja puristuslujuuden välinen riippuvuus on esitetty kuvassa 3. Lineaarisella riippuvuussuhteella päästään varsin korkeaan selitysasteeseen (0,9321). Eksponentiaalisella riippuvuudella jäädään hieman huonompaan selitysasteeseen R² = 0,9045).

Q-tyypin vasaran ja puristuslujuuden välinen riippuvuus on esitetty kuvassa 4. Selitysaste on samaa tasoa kuin R-tyypin vasaralla (0,9273). Eksponentiaalisen riippuvuuden R² = 0,9147.

Koesarjassa määritettiin myös seuraavien tekijöiden vaikutuksia:

• Betonin huokostus
• Testausikä (7…21 vrk vs. 21…91 vrk)
• Kiviaineksen maksimikoko (8 mm vs. 16 mm)

Millään edellä mainituista tekijöistä ei havaittu olevan merkittävää vaikutusta kimmoarvon ja puristuslujuuden väliseen riippuvuuteen. Lisäksi käytön kannalta olisi hankalaa, jos riippuvuudelle olisi eri versioita esimerkiksi huokostuksen osalta. Rakennetta testattaessa voi olla vaikea tietää, onko betoni huokostettua ja myös millaista ilmamäärää huokostettu betoni edellyttäisi. Edellä mainittujen tekijöiden aiheuttama mahdollinen lisähajonta tulee otetuksi huomioon varmuusmarginaaleja laskettaessa.

Kimmovasaratestauksen tasokoe

Seuraavassa vaiheessa syksyllä 2023 järjestettiin eri tutkimuslaboratorioiden testaajille yhteinen tasokoetilaisuus Tuusulassa Ruskon Betoni Etelä Oy:n hallissa, johon oli järjestetty testauskohteiksi 3 kpl 600 × 600 × 1200 mm3 testirakennetta, joiden betonilaadut olivat C25/30, C35/45 ja säänkestävä C30/37. Testirakenteiden lujuudet määritettiin olosuhdekoekappaleilla. Tasokokeeseen osallistui 14 testaajaa 9 yrityksestä ja kukin käytti testauksessa omaa kimmovasaraansa, joita oli sekä R että Q tyyppiä. Kimmoarvojen testaus suoritettiin em. standardien mukaisesti.

Tutkimuksessa ei arvioitu betonin lujuutta, vaan ainoastaan kirjattiin saadut kimmoarvot, joista laskettiin mediaanit ja näiden perusteella määritettiin kaikkien testaajien kimmoarvojen mediaanien hajonnat kullekin koebetonille.

Uuden suomalaisen kimmoarvojen ja betonin puristuslujuuden välisen riippuvuuden määritys tutkimustulosten perusteella

Uudet riippuvuudet on esitetty Standardin SFS 7508:2024 liitteen B taulukoissa, joissa esitetään kimmoarvojen perusteella betonin lujuusluokka-arviot. Riippuvuudet määritettiin SFS-EN 13791-standardin mukaisella tapauskohtaisen korrelaation menetelmällä, josta on esitetty laskentaesimerkki standardin SFS 7508 kohdassa D.5.

Kimmoarvon ja betonin puristuslujuuden yleisen kansallisen riippuvuuden määrityksen vaiheet:

1. Aallon laboratoriotutkimusten testitulosten edustavuus tarkastettiin tulosten standardoitujen poikkeamien avulla (ei-edustavat: |ri|≥2). Hyväksyttyjen testitulosten perusteella määritettiin riippuvuus betonin lujuuden ja kimmoarvon välille regressioanalyysin avulla. Todettiin, että lineaaristen mallien selitysasteet olivat riittävän hyviä, jotta niitä voitiin hyödyntää. Regressioanalyysistä saatu residuaalihajonta kuvaa puristus- ja kimmovasaratestien toistettavuuden sekä betoninäytteiden lujuusvaihtelun yhteisvaikutukset hajontaan.
2. Tasokokeen tuloksista laskettiin testin uusittavuuden hajonta, kun eri henkilöt suorittivat testauksen eri laitteilla, näin oli mahdollista arvioida eri testauslaitosten välistä tulosten vaihtelua.
3. Laskettiin toistettavuuden ja uusittavuuden hajontojen perusteella menetelmän yhdistetty keskihajonta.
4. Määritettiin riippuvuuksien turvalliset alarajafunktiot siten, että 90 % todennäköisyydellä todellinen lujuus on näiden yläpuolella.
5. Koska standardin SFS-EN 1992-1-1 kohdan A.2.3(1) mukaan rakenteesta mitatun betonin puristuslujuuden oletetaan olevan 15 % alempi kuin vastaavan betonin valetulla koekuutiolla, korjattiin riippuvuutta korottamalla lujuusarviota 15 %.
6. Näin korjatut alarajafunktiot muunnettiin lujuusluokittain kimmoarvojen ja betonin puristuslujuusluokkien taulukkoarvoiksi

Tällä prosessilla varmistettiin, että kimmovasarakokeesta johdettu lujuusarvio on tilastollisesti luotettava ja sisältää sekä mittausmenetelmän epävarmuuden että tarpeellisen varmuusmarginaalin. Lopputuloksena saatu uusi riippuvuustaulukko kasvatti vuoden 2021 standardiversion liitteen B lujuusarvioita noin 1–1,5 lujuusluokkaa ja on nyt lähellä porakoekappaleilla saatavaa lujuustasoa.

SFS 7508 liitteen B taulukoiden käyttö luonnollisesti edellyttää, että testaus on suoritettu standardien SFS-EN 13791 ja SFS 7508 mukaisesti. Näiden standardien ohjeiden mukaisesti on myös mahdollista määritellä tapauskohtaisesti näitä yleisiä riippuvuuksia tarkempi kimmoarvon ja betonin lujuuden välinen riippuvuus tietyin ehdoin, esimerkiksi yksittäisen valmistajan betonille. Tämä voi olla perusteltua lähinnä vain, jos valmistettava betoni tai käytettävä kiviaines poikkeaa normaalisti käytetyistä laaduista.

Betoniyhdistyksen ohje by 72 Betonin laadunvarmistus – osa 3 – Ohje betonin kimmovasaratestaukseen

Betonirakenteen puristuslujuusluokan arviointi kimmovasaralla

Suomessa on edellä kuvatun mukaisesti määritetty kansallisesti noudatettava kimmoarvon ja betonin puristuslujuusluokan välinen yleinen riippuvuus. Yleinen kansallinen riippuvuus mahdollistaa erilaisten ja eri betonilaaduilla valmistettujen betonirakenteiden betonin puristuslujuusluokan arvioimisen kimmovasaran avulla.

Kimmovasaratestauksen soveltuvuus

Kimmovasaratestaus ei sovellu rakenteessa olevan betonin lujuuden tai lujuusluokan arvioitiin, mikäli:

• betonin ei ole normaalipainoista (2000–2600 kg/m³)
• betonipinnan karbonatisoitumissyvyys ylittää 5 mm:ä. Mikäli rakenteen ikä on alle 1 vuosi, voidaan olettaa, että karbonatisoitumissyvyys ei ylitä 5 mm:ä
• testattava betonirakenne on jäässä
• muottipinnassa on käytetty muottikangasta tai betonin pinnassa pintakovetinta
• betoni on vahingoittunut tulipalossa
• betonipinta on rapautunut esim. kemiallisen tai pakkasrasituksen vuoksi
• epäily puristuslujuuden vaatimuksenmukaisuudesta perustuu betonin korkeaan maksimilämpötilaan (> 60 °C) kovettumisvaiheessa

Kimmovasaran käyttö ohjeen by 72 mukaisesti

Ohjeessa by 72 esitetään ja ohjeistetaan mm.:

1. kimmovasaratestauksessa tarvittavat välineet, laitteistot ja laitteistojen tarkastus,
2. testauskohtien valinta,
3. kimmovasaratestauksen työvaiheet,
4. ittaustulosten laskenta/tarkastus (kimmoarvojen suuntakorjaus, hyväksyttyjen kimmoarvojen mediaani ja -mediaanien mediaani),
5. betonin puristuslujuusluokan määritys ja
6. mittaustulosten raportointi.

Tutkittavan betonirakenteen tai testauserän betonin puristuslujuusluokka määritetään testauskohtien hyväksyttyjen kimmoarvojen mediaanien ja mediaanien mediaanin perusteella. Betonin puristuslujuusluokan arvioinnissa on otettu huomioon 1) kimmovasarointiin liittyvät testaushajonnat sekä 2) rakenteessa olevan betonin ja valetun koekappaleen välinen lujuuden yleinen muuntokerroin 0,85.

• Kimmovasaratyypillä R määritettyjen suuntakorjattujen kimmoarvojen tulee täyttää taulukossa 2 esitettyjen sarakkeiden 1 ja 2 vaatimukset, jolloin tutkittavan betonin puristuslujuusluokka saadaan sarakkeesta 3. Lyöntisuunnan mukainen korjauskerroin esitetään R-tyypin vasaralle ohjeessa by 72.
• Kimmovasaratyypillä Q määritettyjen kimmoarvojen tulee täyttää taulukon 3 molempien sarakkeiden 1 ja 2 vaatimukset, jolloin tutkittavan betonin puristuslujuusluokka voidaan määrittää sarakkeesta 3.

Betonin lujuudenkehityksen epävirallinen arviointi kimmovasaran avulla

Betonivalun kovettuessa työmaalla pitää usein päättää, milloin betoni on saavuttanut sellaisen lujuuden, että muotit voidaan purkaa tai jälkijännitys voidaan suorittaa. Normaalisti rakenteen betonin lujuudenkehitystä arvioidaan mittaamalla rakenteen lämpötilaa ja laskemalla näiden mittausten perusteella betonin kypsyyttä, tätä vanhempi menetelmä on olosuhdekoekappaleiden käyttö. Vaihtoehtona tai täydentävänä menetelmänä voidaan käyttää kimmovasaratestausta. Betoniyhdistyksen oppaan by 72 – osa 3 liitteessä A on kuvattu kimmovasaratestauksen suoritusta tällaiseen lujuuden arviointiin. Menetelmä soveltuu kuitenkin ainoastaan työmaan omien päätösten varmistamiseen, kuten muottien purku- tai jälkijännitysajankohdan arviointiin, mutta ei betonin laadunvarmistukseen. Tällöin pitää myös päätöksiä tehdessä ottaa aina huomioon myös työturvallisuus, siltä varalta, että lujuusarviot ovat virheellisiä.

Ohjeen mukaan suoritetusta testauksesta saadaan tutkittavassa rakenteen kohdassa kimmoarvon mediaani, josta voidaan arvioida betonin puristuslujuus, kun käytössä on valmistajan antama riippuvuuskäyrä tai by 72-osa 3:n liitteessä A esitetty käyrästö. Tulee kuitenkin muistaa, että tällaisen testauksen tarkkuus on vain yhden lujuusluokan tasolla, riippuen tekijän kokemuksesta ja tarkkuudesta.

Tätä menetelmää ei siis saa käyttää betonin virallisena laadunvarmistuksena tai vanhan rakenteen kantavuuden tarkastelussa. Tällaisissa virallisissa arvioinneissa on käytettävä akkreditoituja testauslaitoksia ja noudatettava standardeja SFS-EN 13791 sekä SFS 7508.

Betoniyhdistyksen by 72-osa 3 ohjeen liitteestä A löytyy tarkemmat työohjeet sekä laskuesimerkki tulosten käsittelystä, mutta tässä on listattu tärkeimmät työvaiheet:

1. Valmistelut

1. Tarkista kimmovasara: varmista, ettei laite ole vaurioitunut ja että se on tarkastettu.
2. Valitse testauskohdat: rakenneosan kriittiset tai kylmimmät alueet, testauspinta mieluiten muottipintaa vasten valettu sileä pinta.
3. Hio epätasainen pinta tarvittaessa ja poista sementtiliimakerros.
4. Varmista olosuhteet: pinnan on oltava kuiva ja sula. Jäätynyttä pintaa ei saa testata.

2. Testaus

• Merkitse testausalue (esim. 30 × 30 cm2 ruutu).
• Suorita vähintään 10 iskua tasaisesti testausalueelle, älä testaa samaan kohtaan kahta kertaa.
• Kirjaa ylös kimmoarvot, iskusuunta ja merkitse testauskohta.
• Suositellaan hylkäämään iskut, joiden kimmoarvo on selvästi muista poikkeava, esimerkiksi osuma huokoseen tai kiveen.

3. Tulosten käsittely

• Laske mediaani kimmoarvoista – älä käytä keskiarvoa.
• Mikäli yli 2 arvoa poikkeaa mediaanista yli ±25 %, hylkää mittaus ja toista testaus uudesta testauskohdasta lähistöltä. Älä testaa kohdasta, jossa on jo testausjälkiä.
• R (N)-vasaralla korjaa kimmoarvojen mediaania suuntakorjauksella, jos iskusuunta ei ole vaakasuora.
• Muunna mediaaniarvo puristuslujuudeksi by 72 – osa 3 liitteen A käyrien avulla.
• Raportoi tulokset työmaapäiväkirjaan tai erilliseen testauspöytäkirjaan. Merkitse ylös testauspaikat, -ajankohta, lämpötilat, kimmovasaran tunniste ja saadut mediaanikimmoarvot (ja mahdolliset kimmoarvojen suuntakorjaukset) sekä niiden perusteella arvioidut betonin puristuslujuudet. Näin tuloksiin voidaan tarvittaessa palata myöhemmin.