Loikka-hanke: Kiihdyttimien vaikutus vähähiilisten betonien lujuudenkehitykseen

Taustaa

Ioanna Orfanoudaki teki diplomityössä aiheesta: Effects of accelerators on early strength development of low-carbon concretes. Työssä tutkittiin kiihdyttimien mahdollisuuksia nopeuttaa vähähiilisten sideaineiden lujuudenkehitystä. Diplomityö valmistuu loppuvuodesta 2022 ja sen ohjaajana toimi Anna Antonova ja valvojana prof. Jouni Punkki. Diplomityössä tutkittiin CEM III/A ja CEM III/B-tyyppisten kuonasementtien lujuudenkehityksen kiihdyttämistä niin, että voitaisiin saavuttaa vastaava lujuudenkehitys kuin CEM II/B-tyypin sementillä (Oiva-sementti). Kuvassa 1 havainnollistettu periaatteellisesti sementtityyppien eroja lujuudenkehityksen suhteen sekä diplomityön tavoitetta.

Kiihdyttimien annostuksen määrittäminen

Betonin sitoutuminen ja alkulujuuden kehitys ovat riippuvaisia kemiallisista reaktioista, jotka tapahtuvat kahden ensimmäisen vuorokauden aikana. Koska reaktiot tuottavat lämpöä, muutoksia kemiallisissa reaktioissa voidaan analysoida lämpötilamittausten avulla.

Kiihdyttimien tarvittava annostus arvioitiin mittaamalla eri sementtityypeistä valmistettujen laastien lämmönkehitystä. Kokeissa käytetyt sementin ja niiden kuonamäärät on esitetty taulukossa 1 ja tutkitut kiihdyttimet vastaavasti taulukossa 2.

Kokeissa käytettiin laastia betonin sijaan, koska näin pystyttiin tekemään enemmän kokeita. Laastissa kiviaineksen (0–2 mm) ja sementin painosuhde oli 1,5 ja vesisideainesuhde 0,4. Laasti valettiin muoviastiaan (kuva 3) ja muoviastia sijoitettiin lämpöeristettyyn laatikkoon (kuva 4). Laastiin asennettiin termolanka, joka avulla laastin lämpötilaa mitattiin. Lämpöeristetyn laatikon lämpöhäviöt määritettiin etukäteen lämpötilan funktiona ja näin lämpömittausten perusteella pystyttiin määrittämään laastin lämmöntuotto.

Esimerkki laastin lämpötilamittauksesta on esitetty kuvassa 5. Mahdolliset ympäröivän tilan lämpötilaerot vaikuttavat lämmöntuottoon ja siksi tulokset muunnettiin vastaamaan kypsyyttä +20 °C:ssa. Kiihdyttimien optimaalinen annostus arvioitiin vertaamalla lämmöntuottoja eri kiihdytinannnostuksilla (kuvat 6 ja 7). Sementeillä CEM III/A ja CEM III/B optimaaliset kiihdytinannostukset on esitetty taulukossa 3. Kiihdyttimen A3 osalta valmistaja antoi suositeltavan annostuksen ja kokeissa käytettiin kyseistä annostusta.

Kiihdyttimien lisääminen aikaisti hydrataatiopiikin ajankohtaa, mutta maksimilämpötilaan kiihdyttimillä ei ollut juurikaan vaikutusta. CEM III/A-tyypin sementillä oli selkeästi voimakkaampi piikki hydrataatiolämmössä verrattuna CEM III/B-tyypin sementtiin. Tämä on oletettavaa, koska sementtien kuonamäärissä suuri ero. Kiihdyttimellä A1 saavutettiin CEM III/A-tyypin sementillä vastaava lämmöntuotto kuin tavoitteena käytetyllä CEM II/B-tyypin sementillä.

Betonin alkulujuuden kehitys

Betonikokeissa käytettiin vesi-sideainesuhteena arvoa 0,40 ja sementtimäärä oli 430 kg/m3. Betonin alkulujuus määritettiin 16, 24, 39 ja 48 ikäisinä käyttäen 150 mm:n kuutioita. Lisäksi määritettiin puristuslujuus 7 ja 28 vrk ikäisinä käyttäen 100 mm:n kuutioita. Jälkimmäiset tulokset korjattiin vastaamaan 150 mm:n kuutiolujuuksia. Lujuudenkehitys eri kiihdyttimillä on esitetty kuvissa 8 ja 9.

Kiihdyttimistä vain kiihdyttimellä A3 saavutettiin parannus alkulujuuksiin (≤ 2 vrk), mutta vastaavasti 7 ja 28 vrk lujuudet alenivat. Sementillä CEM III/A kiihdytin A3 kasvatti alkulujuudet jopa sementin CEM II/A tasolle, mutta 7 ja 28 vrk lujuuksissa jäätiin alemmalle tasolle (kuva 8). Sementillä CEM III/B kiihdytin A3 lähes tuplasi alkulujuudet verrattuna kyseiseen sementtiin ilman kiihdytintä. Kiihdyttävästä vaikutuksesta huolimatta jäätiin alkulujuuksissa alle sementin CEM II/B tason (kuva 9).

Betonin lämmönkehitys

Betonin lämmönkehitystä mitattiin samoin menetelmin kuin laastikokeissa. Sementillä CEM III/B lämmöntuotto korreloi kohtuullisen hyvin puristuslujuustulosten kanssa. Sen sijaan CEM III/A sementillä korrelaatio oli osin epälooginen. Esimerkiksi sementti CEM III/A kiihdyttimellä A3 tuotti vähemmän lämpöä kuin CEM III/A ilman kiihdytintä. Lujuudenkehitys oli kuitenkin nopeampaa kiihdytintä käytettäessä. Siten tulosten perusteella voidaan arvioida, että kiihdyttimien vaikutukset eivät ainakaan osin näy suoraan lämmönkehityksessä.

Johtopäätökset

Kiihdyttimien avulla voidaan kiihdyttää sementtien CEM III/A ja CEM III/B hydrataatiota, mutta maksimilämpötiloihin kiihdyttimillä ei ole juurikaan vaikutusta. Tutkituista kiihdyttimistä yksi vaikutti selkeästi alkulujuuksiin kuitenkin samalla heikentäen 7 ja 28 vrk lujuuksia. Kyseisellä kiihdyttimellä CEM III/A sementti pystyttiin kiihdyttämään vastaavalle alkulujuustasolle kuin CEM II/B.

Betonin lämmöntuotto korreloi lujuudenkehityksen kanssa kuitenkin muutamin poikkeuksin. Lämmöntuoton ja lujuudenkehityksen riippuvuudet edellyttävät lisätutkimuksia, sillä lämmöntuoton mittaaminen on yksikertaisin työkalu lujuudenkehityksen arviointiin.