Loikka-hanke: Vähähiilisten betonien säilyvyysominaisuudet

Taustaa

LOIKKA-hanke on Aalto-yliopiston ja teollisuuden yhteishanke betonin päästöjen vähentämiseksi. Hankkeen tavoitteena on puolittaa betonin valmistuksesta aiheutuvat CO₂-päästöt. Nopein ja tehokkain tapa vähentää betonin päästöjä on sideaineen päästöjen vähentäminen, aiheuttaahan sementti valtaosan betonin valmistuksen päästöistä. LOIKKA-hankkeessa keskitytään ensisijaisesti masuunikuonan hyödyntämiseen. Masuunikuona on erittäin tehokas seosaine ja sitä voidaan käyttää betonissa suuria määriä. Siten masuunikuonalla voidaan vähentää merkittävästi betonin valmistuksen päästöjä.

Masuunikuonaa on käytetty Euroopassa jo 100 vuoden ajan ja sen vaikutukset betonin säilyvyyteen tunnetaan varsin hyvin. Masuunikuonalla on tunnetusti positiivisia vaikutuksia betonin säilyvyyteen, se muun muassa parantaa betonin kemiallista kestävyyttä ja hidastaa kloridien tunkeutumista. Masuunikuonalla on kuitenkin selkeä negatiivinen vaikutus betonin pakkassuolakestävyyteen ja myös betonin ikääntyminen (karbonatisoituminen) vaikuttaa kuonabetonin pakkassuolakestävyyteen selvästi voimakkaammin kuin portland-sementistä valmistettuun betoniin. Yleisesti 50 %:n kuonamäärää pidetään kriittisenä raja-arvona pakkassuolakestävyyden kannalta, näin myös Väyläviraston Infrabetonien valmistusohjeessa [1].

Ahsan Iqbal on tehnyt diplomityönsä aiheesta Vähähiilisten betonien säilyvyysominaisuudet (Durability Properties of Low-Carbon Concretes) [2]. Työssä tutkittiin betonien lujuus- ja säilyvyysominaisuuksia käytettäessä eri sideaineita. Diplomityö on tehty Aalto-yliopiston betonitekniikan laboratoriossa ja työn ohjaajana toimi Fahim Al-Neshawy ja valvojana prof. Jouni Punkki. Diplomityö valmistui syyskuussa -22 ja työ on osa LOIKKA-hanketta.

Kokeellinen tutkimus

Tutkimuksen koeohjelma koostui yhdeksästä betonista, joissa käytettiin eri sideaineita. Sideaineiden kuonamäärät vaihtelivat alueella 0…79 %. Betonien vesi-sideainesuhde pidettiin vakiona (0,45), samoin kiviainesten määrä. Betonien tavoitepainuma oli 150 ± 25 mm ja tavoiteilmamäärä 5,0 ± 1,0 %. Sideaineiden erilainen vedentarve huomioitiin säätämällä betonin notkeutta tehonotkistimen avulla. Betonien koostumukset on esitetty taulukossa 1.

Tuoreen betonin ominaisuudet on esitetty taulukossa 2.

Betonien pakkasenkestävyyttä tutkittiin laattakokeella. Pakkassuolakestävyys tutkittiin CEN/TS 12390-9 mukaisesti ja pakkasenkestävyys ilman klorideja CEN/TR 15177 mukaisesti. Molemmissa tapauksissa määritettiin sekä rapauma että suhteellinen dynaaminen kimmomoduuli. Lisäksi koekappaleita vanhennettiin CO₂-kammiossa standardin EN 12390-12 mukaisesti. Kammion CO₂-konsentraatio oli 3,0 ± 0,5 % ja koekappaleita pidettiin kammiossa 62 vuorokautta. Käsittelyn jälkeen koekappaleiden karbonatisoitumissyvyys mitattiin ja koekappaleille tehtiin laattakokeet.

Laattakokeiden lisäksi betonien säilyvyysominaisuuksia arvioitiin kapillaarisen vedelläimu- ja painekyllästyskokeen avulla ja lisäksi betoneille teetettiin ohuthieanalyysit.

Koetulokset
Puristuslujuus

Betonien puristuslujuudet määritettiin 7, 28 ja 91 vuorokauden ikäisinä käyttäen 100 mm:n koekuutioita. Keskimääräiset tulokset on esitetty kuvassa 3.

Puristuslujuus 7 vrk ikäisenä laski selvästi kuonamäärän kasvaessa. Poikkeuksena oli Kolmossementti, jolla saavutettiin jo varsin korkea lujuus 7 vrk ikäisenä. Kolmossementillä saavutettiin myös korkein 28 vrk lujuus ja muutoinkin kuonamäärän vaikutus lujuuteen 28 vrk kohdalla oli jo vähäisempi. 91 vrk ikäisenä korkeimmat puristuslujuudet saavutettiin CEM III/B-tyypin sementeillä. Lujuuksien vertailuun vaikuttaa myös sementtien erilaiset normilujuudet, jotka vaihtelivat välillä 32,5…52,5 MPa. Tulosten perusteella voidaan kuitenkin havaita, että masuunikuonan tehokkuuskerroin loppulujuuden suhteen on korkea. Samoin masuunikuonan hidastava vaikutus lujuudenkehitykseen on helppo havaita.

Pakkassuolakestävyys

Pakkassuolakestävyyttä arvioitiin laattakokeen avulla. Kokeessa lämpötila vaihtelee alueella +20…-20 °C. Kokeet tehtiin 150×150×50 mm³ koekappaleille ja koekappaleista määritettiin rapauma sekä sisäinen vaurio eri ajankohtina. Sisäistä vauriota arvoitiin suhteellisen dynaamisen kimmomoduulin avulla. Kokeessa käytettiin väliaineena 3 % NaCl liuosta. Koetulokset on esitetty kuvassa 4.

Koetulosten perusteella pakkassuolakestävyyden voidaan arvioida heikentyvän kuonamäärän kasvaessa. Betoninormien BY65 [3] vaatimustasot rasitusluokissa XF2 ja XF4 vaihtelevat välillä 0,25…0,65 kg/m², P-lukubetonien vaatimustasot ovat osin vielä tiukemmat. Koetulokset tukevat vallitsevaa käsitystä, jonka mukaan 50 % kuonamäärä kriittinen määrä pakkassuolakestävyyden kannalta. Sideaineilla joiden kuonamäärä oli > 50 % antoivat selvästi suuremmat rapauma-arvot kuin sideaineet joilla kuonamäärä oli < 50 %.

Pakkassuolakestävyys, vanhennetut koekappaleet

Erillisessä koesarjassa koekappaleita vanhennettiin CO₂-kammiossa (3,0 ± 0,5 %) 62 vuorokauden ajan ennen pakkaskokeiden aloittamista. Kuten kuvasta 5 voidaan havaita vanhentaminen kasvatti merkittävästi rapauma-arvoja.

Kuvassa 6 esitetään sekä vanhentamattomien että vanhennettujen koekappaleiden rapauma-arvot. Pienin rapauma-arvo vanhennetuilla koekappaleilla oli 0,9 kg/m², kun vanhentamattomilla koekappaleilla se oli <0,1 kg/m². Suurin rapauma-arvo vanhennetuilla koekappaleilla oli > 9 kg/m². Kokeessa käytetty vanhennuskäsittely (3,0 ± 0,5 % – 62 vrk) moninkertaisti rapauma-arvot. Toisaalta voidaan arvioida, että käytetty vanhennuskäsittely oli varsin raju.

Pakkasenkestävyys ilman klorideja (Rasitusluokat XF1 ja XF3)

Pakkassuolakestävyyden lisäksi myös betonien pakkasenkestävyys (ilman kloridivaikutusta) määritettiin. Rasitusluokissa XF1 ja XF3 sisäinen vaurio on olennaisempi kuin rapauma. Kuvassa 7 on esitetty vanhentamattomien ja vanhennettujen koekappaleiden suhteelliset dynaamiset kimmokertoimet. Betoninormeissa BY65 [3] tiukin vaatimustaso suhteelliselle dynaamiselle kimmokertoimelle on 85 % (XF3 – 100 v). Siten kaikki betonit täyttävät vaatimukset pakkasenkestävälle betonille ja myös vanhentamisen vaikutus pakkasenkestävyyteen on koetulosten perusteella vähäinen. Useammalla betonilla vanhentaminen paransi RDM-arvoa.

Karbonatisoituminen

Koekappaleiden karbonatisoitumissyvyys mitattiin vanhentamiskokeen yhteydessä (CO₂ kammio, 62 vrk). Keskimääräiset karbonatisoitumissyvyydet on esitetty kuvassa 9. Tulosten perusteella voidaan todeta, että kuona kasvattaa selvästi betonin karbonatisoitumista. Suurimmilla kuonamäärillä saavutettiin lähes kaksinkertainen karbonatisoitumissyvyys verrattuna sideaineisiin, jotka eivät sisältäneet kuonaa.

P-luku

Koebetonien P-luvut on laskettu Väyläviraston Infrabetonien valmistusohjeen mukaisesti [1]. CEM III-tyypin sementtien P-luvut on laskettu ilman sementtien erillishyväksyntää. Erillishyväksyntä kasvattaisi P-lukuja, mutta erillishyväksyntää ei ole toistaiseksi CEM III-tyypin sementeille. Kuvassa 10 on esitetty rapauma-arvot laskennallisen P-luvun funktiona. Kuvasta voidaan havaita, että P-luku korreloi varsin hyvin rapauma-arvon kanssa. Samoin kuvasta voidaan havaita, että korkeampien P-lukujen saavuttaminen kuonabetoneilla tulee olevaan haastavaa.

Ohuthieanalyysit

Ohuthieanalyysin avulla voidaan arvioida huokosrakenteen laatua ja siten välillisesti betonin pakkasenkestävyyttä. Tosin infrabetonien (P-lukubetonien) osalta ohuthieanalyysia ei voida käyttää pakkassuolakestävyyden arviointiin. Tässä projektissa haluttiin kuitenkin varmistaa betonien huokosrakenteen laatu ohuthieanalyysin avulla. Koetulokset on esitetty taulukossa 3.

Huokosjakoa pidetään yleisesti toimivana parametrinä arvioitaessa betonin pakkasenkestävyyttä. Tässä tutkimuksessa kaikilla tutkituilla betoneilla saavutettiin alhainen huokosjako (≤ 0,16 mm), mutta toisaalta ominaispinta-alat olivat korkeita. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että suojahuokoset olivat hyvin pieniä ja vaarana on, että ne täyttyvät vedellä, erityisesti kloridirasituksessa.

Koetulokset osoittavat, että pakkassuolarasitetuilla betoneilla huokosjako korreloi huonosti rapauman kanssa. Korkeilla kuonamäärillä rapauma oli suuri, vaikka huokosjako oli alhainen. Sen sijaan pakkasrasitetuilla betoneilla (rasitusluokat XF1 ja XF3) huokosjako näyttäisi korreloituvan hyvin sisäisen vaurion (RDM) kanssa.

Betonien CO₂-päästöt

Betonien CO₂-päästöt laskettiin Betoniyhdistyksen Vähähiilisyyslaskurin avulla [4]. Raaka-aineiden kuljetusmatkoina käytettiin tyypillisiä kuljetusmatkoja. Betonien päästöarvot on esitetty taulukossa 4. Kuten havaitaan, että masuunikuona on erittäin tehokas keino vähentää betonin CO₂-päästöjä. Korkeimmilla kuonamäärillä päästään alle kolmasosaan CEM I tai CEM II/A-sementillä valmistettujen betonien päästöistä.

Johtopäätökset

Diplomityössä tutkittiin kuonan vaikutuksia betonin lujuus- ja säilyvyysominaisuuksiin. Kuona hidasti selkeästi betonin lujuudenkehitystä, mutta toisaalta korkeimmat puristuslujuudet 91 vuorokauden ikäisinä saavutettiin CEM III/B-tyypin sementeillä, joissa kuonan osuus oli noin 70 % sideaineen määrästä.

Kuona heikensi selkeästi betonin pakkassuolakestävyyttä. Kriittisenä pidetty 50 %:n kuonamäärä vaikuttaisi olevan kohdallaan. Mikäli kuonamäärä oli > 50 %, pakkassuolakestävyys aleni selvästi. Koekappaleiden vanhentaminen CO₂-kammiossa kasvatti rapauma-arvon moninkertaiseksi. Onkin tärkeää tutkia tarkemmin karbonatisoitumisen vaikutuksia kuonabetonien pakkassuolakestävyyteen. Myös betonien karbonatisoituminen kasvoi merkittävästi kuonamäärän kasvaessa, CEM I-tyypin sementillä karbonatisoituminen CO₂-kammiossa oli noin 10 mm, mutta CEM III/B-tyypin sementillä vastaava arvo oli noin 25 mm. Kuonamäärällä on myös voimakas vaikutus betonin P-lukuun. Koetulokset vahvistavat kuonan vaikutuksen, rapauma-arvon korrelaatio laskennallisen P-luvun kanssa oli voimakas. Samalla kuitenkin havaittiin, että korkeampien P-lukujen saavuttaminen kuonabetoneilla tulee olemaan haastavaa. Kun seossementeille saadaan Väyläviraston erillishyväksynnät, tilanne tulee hieman helpottumaan, mutta edelleenkin korkeampien P-lukujen saavuttaminen tulee olemaan haastavaa.

Betoneille tehdyt CO₂-päästölaskelmat osoittavat kuonan tehokkuuden päästöjen vähentämisessä. Päästövähennyksiä ei kuitenkaan tule tehdä säilyvyydestä tinkimällä. Erityisesti pakkassuolarasitetuissa rakenteissa masuunikuonaa tulee käyttää harkiten.