Tutkimus ja kehitys | NRO 2/2024
Betonin testauslaitoksille järjestetään vuosittain tasotestauksia. Vuonna 2023 vuorossa oli puristuslujuus sekä huokosanalyysi ohut- tai pintahieellä. Puristuslujuuden osalta hajonta oli vähäistä, mutta huokosanalyysien tuloksissa havaittiin runsaasti hajontaa. Huokosanalyysien hajontaa tulee vähentää ja tämä edellyttää toimenpiteitä huokosanalyysien tekijöiltä.
Betonin testauslaitoksille järjestetään vuosittain tasotestauksia. Kokeissa on aina mukana betonin puristuslujuus ja lisäksi jokin muu testaus. Vuonna 2023 tasokokeissa testattiin betonin puristuslujuutta sekä huokosanalyysia. Tasokokeet organisoi Aalto-yliopisto yhteistyössä Insinööritoimisto KJ Oy:n kanssa. Insinööritoimisto KJ Oy hoiti koekappaleiden valun ja niiden lähetyksen osallistujille, ja Aalto-yliopisto on hoitanut tulosten analysoinnin ja raportoinnin. Tasokokeisiin osallistui yhteensä 12 eri testauslaitosta ja joidenkin tahojen osalta kokeisiin osallistui eri toimipisteitä tai useampi puristuskoneita. Puristuslujuuden osalta eri testausyksiköitä oli yhteensä 15 kpl. Yksi osallistujista, Aalto-yliopisto, ei ole akkreditoitu testauslaboratorio.
Huokosanalyysitestauksiin osallistui yhteensä 8 testausyksikköä. Huokosanalyysi jaettiin kahteen osaan. Testausyksiköille lähettiin kiertävä ohuthie ja siten 7 testausyksikköä analysoivat samat ohuthieet. Testausyksiköille lähettiin myös betoninäytteet kahdesta eri betonista ja testausyksiköt valmistivat ohutja/tai pintahienäytteet ja analysoivat ne. Betonit valittiin niin, että ne olisivat huokostukseltaan lähellä huokosjaon vaatimustasoa.
Puristuslujuuskoekappaleet valmistettiin Pielisen Betoni Oy:n toimittamasta valmisbetonista, jonka lujuusluokka oli C40/50, raekoko #18 mm ja notkeusluokka S2. Sideaineena betonissa käytettiin CEM I 52,5 N tyypin sementtiä. Koekappaleet valettiin muovisiin lieriömuotteihin ja ne tiivistettiin tärypöydällä. Koekappaleet merkittiin valujärjestyksen mukaisesti tunnuksilla (A1…A90). Koekappaleet purettiin muoteista 1 vrk ikäisinä ja laitettiin vesisäilytykseen +20 ± 2°C. Koekappaleet otettiin pois vesialtaista 14 vrk ikäisinä ja lähettiin osallistujille. Koekappaleet jaettiin testauslaitoksille niin, että jokainen testauslaitos testasi järjestysnumeroiltaan vaihtelevia koekappaleita.
Koekappaleiden puristus ohjeistettiin tapahtuvan 28 vrk iässä. Lisäksi ohjeistettiin, että koekappalepaketit säilytetään avaamattomana huoneenlämmössä, kunnes paketit avattiin 6 tuntia ennen puristuskoetta. Puristuskoe tehtiin standardin SFS-EN 12390-3 mukaisesti ja ennen puristuskoetta määritettiin koekappaleiden tiheys. Standardista poiketen tiheys pyydettiin ilmoittamaan 1 kg/m3 tarkkuudella. Puristuspinnat voitiin hioa tai rikittää ja tämä raportoitiin tulosten ilmoittamisen yhteydessä. Puristuslujuustulokset on analysoitu lieriölujuuksina, koska koekappaleet ovat lieriöitä.
Puristuslujuuskokeissa testattiin kaikkiaan 90 koekappaletta. Puristuslujuuden tasokokeeseen osallistuivat seuraavat testauslaitokset:
Yksittäisiä testausyksiköitä oli siten kaikkiaan 15 kpl. Koetulosten osalta testausyksiköt on esitetty anonyymisti kirjaimilla A…O, jotka ovat eri järjestyksessä kuin ylläesitetyssä listauksessa.
Huokosanalyysin osalta valettiin kolme betonia eri ilmamäärillä. Kaikkien betonien osalta lujuusluokka oli C30/37, notkeusluokka S2, kiviaineksen maksimiraekoko 18 mm ja vesi-sideainesuhde 0,52. Betonin toimitti Pielisen Betoni Oy. Betonin ilmamäärää säädettiin sekoitusaikaa muuttamalla. Kaikki kolme betonia lähettiin yhdelle testausyksikölle, joka valmisti ohuthieet ja teki ohuthieanalyysit kaikille kolmelle betonille. Betonien mitatut ilmamäärät sekä huokosjaot on esitetty taulukossa 1.
Tulosten perusteella valittiin tasokokeeseen betonit 1 ja 2, koska haluttiin testata betoneita, joiden huokosjaot ovat mahdollisimman lähellä vaatimustasoja. Betoneista 1 ja 2 lähetettiin betonilieriöt testausyksiköille, koekappaleet merkittiin A (=Betoni 2) ja B (= Betoni 1). Testausyksiköt valmistivat betoninäytteistä ohut- ja/tai pintahieet sekä tekivät huokosanalyysit. Lisäksi betonista 1 valmistettu ohuthiepari lähetettiin kiertämään yhteensä seitsemään testausyksikköön. Kaksi testausyksikköä analysoi betoninäytteet sekä ohut- että pintahieellä, yksi testausyksikkö vain pintahieellä ja loput ohuthieellä. Ohut- ja pintahieet on eritelty tulosten analysoinnissa. Molemmista betoninäytteistä saatiin yhteensä 12 tulosta. Näytteiden valmistus ja ohuthieanalyysit pyydettiin tekemään BY72 mukaisesti lukuun ottamatta pintahieitä.
Huokosanalyysin tasokoe oli käytännössä kolmiosainen:
a) Kiertävän ohuthieen analysointi
b) Kahden betoninäytteen analysointi (ohut- tai pintahieen valmistus + analysointi)
c) Neljän aikaisemmin valmistetun näytteen ristiintestaus
Huokosanalyysin tasokokeeseen osallistuivat seuraavat kahdeksan testauslaitosta:
Näistä kiertävän ohuthieen analysointiin osallistui 7 tahoa, koska yksi testausyksikkö ei tehnyt ohuthieanalyyseja.
Kiertävän ohuthienäytteen osalta testausyksiköt on esitetty anonyymisti roomalaisilla numeroilla I…VII, jotka ovat eri järjestyksessä kuin ylläesitetyssä listauksessa. Betoninäytteiden osalta tulokset on esitetty anonyymisti kirjaimilla a…h.
Kaikkien koekappaleiden (90 kpl) keskimääräinen puristuslujuus (lieriölujuus) oli 48,6 MPa ja vastaava keskihajonta 1,26 MPa. Variaatiokertoimena tämä tarkoittaa 2,6% (vuonna -22: 2,7%). Hajontaa voidaan pitää alhaisena. Alhaisin yksittäinen lujuustulos oli 43,9 MPa ja korkein 52,3 MPa. Testausyksiköiden N ja O testaukset tehtiin 36 vrk ikäisenä 28 vrk sijaan. Tämä johtui laiteongelmista testausyksikössä.
Koska koekappaleita oli varsin suuri määrä, potentiaalisena riskinä on, että koekappaleiden valmistuksesta aiheutuu hajontaa esimerkiksi niin, että viimeisenä valmistetut koekappaleet poikkeavat alkuvaiheen koekappaleista. Kuvassa 2 on esitetty puristuslujuus koekappaleen järjestysnumeron funktiona. Hajonta on varsin tasaista järjestysnumeron suhteen lukuun ottamatta yhtä alhaisempaa lujuustulosta (puristuslujuus 43,9 MPa). Samoin yksi lujuustulos (52,3 MPa) vaikuttaisi olevan muita korkeampi. Syitä näihin poikkeaviin lujuustuloksiin ei voida tietää, poikkeama voi johtua koekappaleesta tai testauksesta. Kokonaisuutena voidaan arvioida, että koekappaleet olivat riittävän tasalaatuisia tasokoetta varten.
Tasokokeessa on olennaista arvioida testausyksiköiden keskinäisiä eroja. Eri testausyksiköiden koetulokset on koottu taulukkoon 2.
Suurin yksittäinen testauslaitoksen keskihajonta oli 2,03 MPa ja tämä oli testauslaitoksessa L, jossa oli mukana yksittäinen alhaisempi lujuustulos (43,9 MPa). Mikäli kyseinen yksittäinen lujuustulos poistettaisiin aineistosta, kyseisen testausyksikön keskihajonta olisi 0,36 MPa.
Eri testausyksiköiden mittaustulosten keskiarvojen 95% luottamusvälit on esitetty kuvassa 3. Luottamusvälien laskennassa huomioidaan testausyksikön tulosten keskihajonta sekä koekappaleiden lukumäärä. Kuvan 3 perusteella voidaan arvioida, että ainakin testausyksikön N tulos poikkeaa tilastollisesti merkittävästi joidenkin muiden testausyksiköiden tuloksista. Toisaalta kyseinen testausyksikkö suoritti testaukset 8 vrk myöhemmin verrattuna muihin testausyksiköihin (myös testausyksikkö O teki testaukset 8 vrk myöhässä). Mikäli koetuloksia korjattaisiin InfraRYL:in ikäkorjaustermin mukaisesti, korjattu tulos (O) ei enää poikkeaisi merkittävästi muiden testausyksiköiden tuloksista.
Yksittäisten tulosten vaihtelut tutkimusyksiköiden kesken on esitetty kuvassa 4. Yksittäisiä tuloksia tarkasteltaessa on huomioitava, että vaihtelua aiheutuu myös koekappaleiden sisältämästä hajonnasta. Siten yksittäisien tulosten perusteella on vaikea arvioida testauslaitosten tarkkuutta. Yksittäisissä tuloksissa havaitaan selvästi yhden alhaisemman koekappaleen vaikutus testausyksikön L tuloksiin. Mikäli kyseinen yksittäinen koetulos poistettaisiin virheellisenä, testausyksikön L keskimääräinen lujuus nousisi arvoon 48,8 MPa ja minimiarvo olisi 48,3 MPa.
Tasokokeessa oli mahdollisuus joko hioa puristuspinnat tai rikittää ne. Kaksi testausyksikköä ilmoitti käyttäneensä rikitystä ja loput 13 hiontaa. Puristuslujuustulokset eriteltynä käsittelytavan mukaan on esitetty taulukossa 3. Kuten taulukosta havaitaan, pintojen käsittelytavalla ei ollut merkittävää vaikutusta puristuslujuuden keskiarvoon tai hajontaan. Tätä ei voi kuitenkaan yleistää koskemaan kaikkia puristuslujuustestauksia.
Kaikkien koekappaleiden keskimääräinen tiheys oli 2392 kg/m3 ja vastaava keskihajonta 8,1 kg/m3. Variaatiokertoimeksi tulee näin 0,3% (vuonna -22: 0,5%). Testausyksiköiden keskimääräiset koetulokset on esitetty taulukossa 4. Keskimääräiset tulokset sekä yksittäisten tulosten vaihteluvälit on esitetty kuvassa 5. Tiheyden osalta havaitaan, että testausyksiköt C ja H saivat hieman muista poikkeavia tiheysarvoja. Poikkeamat keskiarvosta olivat 14 ja -12 kg/m3. Kokonaisuutena tiheyserot olivat kuitenkin varsin pieniä.
Yksi testausyksikkö valmisti ohuthieet ja samat ohuthieet kierrätettiin yhteensä seitsemässä testausyksikössä. Kuvassa 6 on esitetty tulokset huokosjaon osalta.
Tuloksissa havaitaan varsin suurta hajontaa. Tässä tapauksessa tutkittiin samaa näytettä ja kuitenkin hajonta oli varsin suuri. Käytännön tilanteessa hajonnan lähteitä on vielä enemmän, mm. näytteenotto rakenteesta / koekappaleesta, ohuthieen valmistus jne. Mitattu hajonta on laadunvarmistusmenetelmäksi liian suuri. Hajontaa kasvatti selvästi yksi selvästi korkeampi tulos (VI: 0,38 mm). Mikäli suurin ja pienin tulos poistettaisiin joukosta, jäljelle jäävien seitsemän testausyksikön keskiarvo olisi 0,28 mm, keskihajonta 0,016 mm ja variaatiokerroin 6%. Tämä osoittaa, että suurin osa testausyksiköistä sai varsin saman tasoisia arvoja. Kiertävät ohuthienäytteet eivät olleet laadultaan täydellisiä. Kolme testausyksikköä raportoi puutteista, todettiin että ohuthieet oli hiottu osin puhki.
Tasokokeeseen osallistui yhteensä 8 testausyksikköä. Näistä kaksi teki sekä ohut- että pintahieanalyysit, yksi teki vain pintahieanalyysin ja loput 5 teki ohuthieanalyysit. Koetulokset on esitetty huokosjaon osalta kuvassa 7.
Betoninäytteiden huokosanalyysien osalta havaitaan aika lailla samat ilmiöt kuin kiertävän ohuthienäytteen osalta, huokosjakotuloksissa on runsaasti hajontaa. Kuten kiertävälläkin näytteellä, vaihtelua aiheuttaa muutamat yksittäiset tulokset, erityisesti testausyksiköiden c-2 ja e tulokset poikkeavat muista tuloksista. Taulukkoon 5 on koottu sekä kiertävän näytteen että betoninäytteiden huokosjakomittausten keskimääräiset tulokset.
Variaatiokertoimet vaihtelivat ohuthieen osalta välillä 9…13%, kun taas pintahieellä variaatiokerroin oli 20…28%. Pintahietuloksia oli lukumääräisesti selvästi vähemmän ja siten yksi poikkeava tulos vaikuttaa selvästi enemmän hajontaan. Sekä betonilla A ja B pienin huokosjako saatiin pintahieanalyysissa. Kokonaisuutena voidaan arvioida, että menetelmän tyypillinen hajonta tutkituilla näytteillä oli luokkaa 0,040 mm.
Edellisissä testauksissa havaittujen suurien hajontojen vuoksi päätettiin tehdä vielä ylimääräinen ristiintestaus-kierros, jossa 4 aikaisemmin analysoitua näytettä lähettiin kahteen muuhun testausyksikköön testattavaksi. Näytteet valittiin betonista A niin, että kahden näytteen (R1 (b-1) ja R2 (e)) huokosjaot olivat aikaisemmassa testauksessa alhaisimmat ja vastaavasti kahden näytteen (R3 (c-2) ja R4 (h-2)) olivat korkeimmat. Ristiintestauksen tulokset on esitetty kuvassa 8.
Ristiintestaus vahvisti pitkälti aikaisemmin tehtyjä havaintoja. Erityisesti pintahienäytteiden R2 osalta huokosjaon vaihtelu oli suurta (0,05 mm). Ohuthieiden osalta tulosten erot olivat pienempiä 0,02…0,03 mm. Toisella pintahienäytteellä (R4) vaihtelu oli myös pientä, mutta kyseisen näytteen osalta toinen lisäkoe jäi tekemättä.
Näytteet R1 ja R2 valittiin ristiintestaukseen niiden alhaisen huokosjakotuloksen vuoksi. Molempien näytteiden osalta kaksi muuta testausyksikköä sai korkeampia huokosjakoarvoja. Siten tulosten perusteella voidaan arvioida, että alkuperäinen arvo oli liian pieni. Toisaalta näytteet R3 ja R4 valittiin korkeiden huokosjakoarvojen perusteella. Näytteen R3 osalta yksi testausyksikkö sai vieläkin korkeamman huokosjakoarvon, erot tosin olivat pieniä. Näytteen R4 osalta ristiintestaus jäi puutteelliseksi, mutta lisämittauksessa saatiin alkuperäistä hieman pienempi huokosjako.
Ristiintestauksen perusteella voidaan arvioida, että jotkut yksittäiset tulokset varsinaisessa testauksessa olivat poikkeavia, esimerkiksi R1 (b-1) ja R2 (e) näytteiden alkuperäiset tulokset. Ristiintestauksen tulosten perusteella avulla ei kuitenkaan pystytä määrittään tarkemmin tuloshajonnan lähteitä/syitä.
Tasokokeessa 2023 testattiin betonin puristuslujuutta sekä huokosanalyysia. Tasokokeisiin osallistui kaikkiaan yhteensä 12 eri tahoa. Joillakin osallistujille kokeisiin osallistui useampia toimipisteitä tai useampia puristuskoneita. Puristuslujuuden osalta eri testausyksiköitä oli yhteensä 15 kpl. Huokosanalyysikokeeseen osallistui yhteensä 8 testausyksikköä. Huokosanalyysitestaukset jaettiin kolmeen osaan. Testausyksiköille lähettiin kiertävä ohuthiepari ja siten 7 testausyksikköä analysoivat samat ohuthieet. Lisäksi testausyksiköille lähettiin betoninäytteet kahdesta eri betonista ja testausyksiköt valmistivat ohut- ja/tai pintahienäytteet ja analysoivat ne. Loppuvaiheessa tehtiin lisäksi ylimääräinen ristiintestaus neljälle aikaisemmin testatulle näytteelle.
Puristuslujuustulosten analysoinnin perusteella todettiin, että testattavat koekappaleet olivat riittävän tasalaatuisia ja myös testausyksiköiden väliset erot olivat pieniä. Keskimääräinen puristuslujuus (lieriölujuus) oli 48,6 MPa ja vastaava keskihajonta 1,26 MPa. Variaatiokertoimena tämä on 2,6%. Vastaavissa tasokokeissa vuonna 2022 puristuslujuuskokeiden keskiarvo oli 44,9 MPa ja keskihajonta 1,22 MPa (2,7%) eli tulokset ovat hyvin samalla tasolla. Puristuslujuuskokeissa havaittiin yksi selvästi muita huonompi koetulos. Ei voida varmuudella tietää, johtuuko poikkeama koekappaleen laadusta vai testauksesta. Siten tulosta ei poistettu aineistosta. Mikäli tulos poistettaisiin, kyseisen testausyksikön hajonta pienenisi merkittävästi ja myös koko aineiston hajonta pienenisi jonkin verran. Puristuslujuuden osalta tasokokeet eivät edellytä lisätoimenpiteitä.
Puristuslujuuskokeessa tiheyden osalta keskihajonta oli pieni 8,1 kg/m3, mutta kuitenkin kahden testausyksikön tulokset näyttäisivät hieman poikkeavan muiden testausyksiköiden tuloksista.
Huokosanalyysien hajonnat olivat korkeita. Kiertävän näytteen yksittäiset huokosjakotulokset vaihtelivat välillä 0,25…0,38 mm ja keskihajonta oli 0,038 mm. Betonin A huokosjaot vaihtelivat välillä 0,16…0,26 mm (keskihajonta = 0,027) ja betonin B vastaavasti välillä 0,17…0,33 mm (keskihajonta = 0,040). Pintahieet antoivat keskimäärin 0,02 mm pienempiä huokosjakoja kuin ohuthieet, mutta toisaalta hajonta oli suurempaa.
Hajontaa aiheutti erityisesti 1…2 poikkeavaa testitulosta. Hajontoja pyrittiin analysoimaan tarkemmin järjestämällä ylimääräinen ristiintestaus neljälle näytteelle. Ristiintestauksen perusteella voidaan arvioida, että jotkut yksittäiset testitulokset olivat todennäköisesti poikkeavia.
Kokonaisuutena voidaan todeta, että huokosanalyysien hajonnat ovat liian korkealla tasolla erityisesti, kun huomioidaan menetelmän käyttö osana betonin laadunvarmistusta. Hajonnan lähteitä ei kuitenkaan näiden tulosten perusteella voida yksiselitteisesti eritellä. Jatkossa huokosanalyysien hajontaa tulee pystyä vähentämään. Tähän tavoitteeseen pääsemiseksi suositellaan seuraavia toimenpiteitä:
Tavoitetasona yhdestä betonista tehtäville analyyseille (esim. tasotestaukset) olisi keskihajonta korkeintaan 0,020 mm. Tällä hetkellä keskihajonta on keskimäärin luokkaa 0,040 mm.
Huokosanalyysien kehitystyön koordinointi soveltuu hyvin Betoniyhdistyksen Laadunvarmistus-toimikunnalle ja sen työryhmälle: Huokosanalyysit.
Vuosikokouksessa 2023 sovittiin että vuonna 2024 testataan betonin puristuslujuuden lisäksi laattakoe rasitusluokissa XF2 ja XF4, väliaineena 3% NaCl-liuos.
Kuvagalleria
Artikkeliin liittyviä aiheita
