Betonin tiivistyslaadun arviointi

Betonin tiivistyksestä

Betonin tiivistyksen kannalta betonin huokosista olennaisia ovat tiivistyshuokoset sekä jossain määrin myös suojahuokoset. Tiivistyshuokoset ovat ei-toivottuja huokosia ja ne syntyvät tahattomasti betonin sekoituksen ja valun aikana. Suojahuokoset ovat sen sijaan hyödyllisiä ja niitä tarvitaan parantamaan betonin pakkasenkestävyyttä. Raja suoja- ja tiivistyshuokosten välillä on yleensä 0,8 mm, tätä suuremmat huokoset ovat tiivistyshuokosia, eivätkä ne juurikaan paranna betonin pakkasenkestävyyttä. Tiivistyshuokosten määrä sekoituksen jälkeen voi olla 5–20 % tuoreen betonin tilavuudesta ja tiivistyksen jälkeen niiden määrä on pudonnut muutamaan prosenttiin. Tiivistyshuokosten määrä vaikuttaa olennaisesti betonin mekaanisiin ominaisuuksiin. Tutkimukset osoittavat, että jo 1 %-yksikön lisäys tiivistyshuokosissa voi vähentää lujuutta 5–9 %. Tehokkaalla tiivistyksellä voidaan vähentää tiivistyshuokosten määrää, mutta toisaalta riskinä on betonin erottuminen.

Erottuminen tarkoittaa betonin komponenttien kuten kiviainesten, sementtipastan ja ilmahuokosten epätasaista jakautumista betonirakenteen sisällä betonin valun ja tiivistyksen seurauksena. Erityisesti kiviaines erottuu helposti sementtipastasta tiheyserojen vuoksi. Kun betonia ei tiivistetä, kiviainekset rakeet eivät juurikaan liiku, koska sementtipastan viskositeetti on varsin korkea, poikkeuksena lähinnä itsetiivistyvä betoni. Betonin tiivistys vibraamalla muuttaa kuitenkin olennaisesti sementtipastan reologisia ominaisuuksia, ja kiviainesrakeet pyrkivät alaspäin painovoiman vaikutuksesta.

Liian pitkäkestoinen tiivistys tai liian tehokkaan täryttimen käyttäminen lisää betonin erottumisriskiä. Myös betonin koostumuksella on vaikutuksia: erottumisriski kasvaa betonin notkeuden kasvaessa, samoin betonin ilmamäärän kasvaessa erottumisriski kasvaa. Erottumisherkimpiä betoneita ovat S4 tai S5-notkeusluokan huokostetut betonit. Itsetiivistyvät betonit eivät yleensä ole kovinkaan erottumisherkkiä, koska niitä ei tärytetä. Sinänsä jonkin asteinen erottuminen on luonnollinen ilmiö betonille, onhan kiviainesten tiheydet selvästi sementtipastan tiheyttä suurempia. Kuitenkin mikäli erottumistaso nousee liian suureksi, se vaikuttaa negatiivisesti betonin mekaanisiin ja säilyvyysominaisuuksiin. Erottuminen ei useinkaan näy betonipinnalla, poikkeuksena on hyvin voimakas erottuminen, mikä näkyy raitoina ja suurina huokosina betonin pinnassa.

Optimaalinen tiivistys on tasapainoilua kahden edellä mainitun epätoivotun ilmiön välillä: riittämätön tiivistys jättää betoniin ylimääräisiä tiivistyshuokosia, mutta toisaalta liian tehokas tiivistys voi johtaa betonin erottumiseen. Käytännössä betonia tulisi tiivistää niin kauan, että aikakin valtaosa tiivistyshuokosista poistuisi betonista, mutta ei kuitenkaan niin kauaa, että betoni merkittävästi erottuisi.

Sauvatäryttimet keksittiin jo 1930-luvulla ja erityisesti viimeisten vuosikymmenien aikana sauvatäryttimet ovat kehittyneet entistä tehokkaimmiksi. Täryttimet toimivat aikaisempaa korkeammilla taajuuksilla ja suuremmilla amplitudeilla. Samanaikaisesti betonin notkeudet ovat kasvaneet, betonin korkeampi notkeustaso säästää työtä valun yhteydessä. Pelkästään pumppauksen yleistyminen on kasvattanut selvästi betonien notkeustasoja. Myös kiviainesten osalta siirrytään entistä enemmän murskattuihin kiviaineksiin. Käytännössä tarvitaankin yhä enemmän notkistavia lisäaineita ja tehonotkistimet ovat kehittyneet koko ajan tehokkaimmiksi. Betonissa käytetään aikaisempaa enemmän seosaineita ja muita lisäaineita, myös nämä vaikuttavat betonin reologisiin ominaisuuksiin ja sitä kautta myös betonin tiivistettävyyteen. Kokonaisuutena voidaankin todeta, että betoni on vuosien kuluessa muuttunut notkeammaksi ja myös erottumisherkemmäksi ja samalla tiivistyskalusto on kehittynyt tehokkaammaksi.

Huolimatta edellä mainituista merkittävistä muutoksista, betonin tiivistysprosessi on edelleen työmaahenkilöstön subjektiivisesti valvomaa. Perinteisesti on ohjeistettu lopettamaan tiivistys, kun betonin pinnalle ei enää nouse ilmakuplia. Oletetaan että tällöin valtaosa tiivistyshuokosista on poistunut betonista. Tämän käytännön luotettavuutta ei ole kuitenkaan vahvistettu betonin erottumisen kannalta. Betonin erottumiseen on kiinnitetty varsin vähän huomiota. Tiivistyshuokosten nouseminen pintaan ja betonin erottuminen ovat kaksi eri ilmiötä. Siten on nähty selkeä tarve betonin tiivistyslaadun yksityiskohtaiselle tutkimukselle.

Tutkimuksen tavoitteet

Hassan Ahmedin väitöskirjatutkimuksessa tavoitteena oli arvioida betonin tiivistyslaatua analysoimalla betonin erottumista sekä tiivistyshuokosten määrää betonissa. Tutkimus keskittyi analysoimaan näiden tekijöiden välistä suhdetta. Tutkimuksessa analysoitiin sekä tuoretta että kovettunutta betonia.

Betonin erottumisen osalta päätavoitteena oli kehittää reaaliaikainen mittausmenetelmä, joka voisi havaita betonin erottumisen tuoreesta betonista jo tiivistyksen aikana. Tämä mahdollistaisi tiivistysajan säätämisen niin, ettei merkittävää erottumista pääsisi tapahtumaan. Kovettuneen betonin osalta keskityttiin erilaisten indikaattorien kehittämiseen betonin erottumisen mittaamiseksi. Tällä hetkellä ei ole standardoitua menetelmää betonin erottumisen arvioimiseksi.

Tiivistyshuokosten osalta tavoitteena on analysoida ilmakuplien nousua betonin pinnalle jo tiivistyksen aikana. Haluttiin tarkistaa voidaanko tiivistysaika optimoida sen perusteella, milloin ilmakulien nousu loppuu. Kovettuneen betonin osalta tavoitteena on tutkia tiivistyshuokosten ominaisuuksia betoninäytteissä, joita oli tiivistetty eri pituisia aikoja. Tavoitteena oli saada selkeämpi käsitys tiivistyshuokosten määrästä ja jakautumisesta betonin sisällä.

Erottumisen seuranta tuoreessa betonissa AC-impedanssispektroskopian (ACIS) avulla

ACIS on ainettarikkomaton sähköinen testausmenetelmä, jonka avulla mitataan materiaalin impedanssia johtamalla siihen vaihtovirtaa eri taajuuksilla. Betonin kiviainesten sähkönjohtavuus on sementtipastaa alhaisempi ja siten kiviainesten tilavuuden kasvu näkyy betonin kokonaisresistiivisyyden (BR = Bulk Resistivity) kasvuna. Teoreettisesti betonin erottumista voidaan siten arvioida reaaliaikaisesti kokonaisresistiivisyyden muutosten avulla.

Menetelmän toimivuutta tutkittiin seitsemän betoninäytteen avulla, jotka merkittiin koodeilla S130-1…4, S90-1, S90-2 ja S50-1. Neljä ensimmäistä tiivistettiin 130 sekuntia, kaksi seuraavaa 90 sekuntia ja viimeinen 50 sekuntia. Koekappaleet tiivistettiin tärypöydällä ja siten tiivistysajat ovat verrattain pitkiä. ACIS-mittauksia tehtiin tietyin välein tiivistyksen aikana. Kukin näyte valettiin PVC-muottiin, jonka koko oli 510 × 150 × 100 mm³ ja johon oli asennettu mittauselektrodit. Mittauselektrodit (ME) asetettiin muotin ylä-, keski- ja alapintaan, ja maadoituselektrodit (GE) sijoitettiin vähentämään sähkökentän leviämistä kerrosten välillä.

Impedanssimittausten vertailua varten sovellettiin kahta lisämenetelmää: poranäytteiden tiheysmittauksia ja digitaalista kuva-analyysiä (DIA). Kuvan 1 mukaisesti kustakin näytteestä otettiin kolme 75 mm poranäytettä ylä-, keski- ja alaosasta, joiden tiheydet mitattiin. Digitaalista kuva-analyysia varten leikattiin pystysuuntainen noin 20 mm paksuinen viipale, ja karkeiden kiviainesten suhde (RCA) ylä-, keski- ja alaosassa laskettiin MATLAB-ohjelmistolla. Tarkempia tietoja menetelmistä ja valetusta betonista löytyy julkaisusta [1].

Kuva 2 näyttää kokonaisresistiivisyyden arvojen muutokset tiivistysajan funktiona näytteiden S130-1- ja S90-2- ylä-, keski- ja alapinnoille. Näytteen S130-1 yläkerroksen resistiivisyys nousi jyrkästi 90 sekuntiin asti, mikä todennäköisemmin johtuu tiivistysilman nousemisesta ylöspäin. Keski- ja alakerrokset osoittivat pienempiä vaihteluita, mutta alakerroksen resistiivisyys alkoi nousemaan noin 70 s tiivistyksen jälkeen. Oletettavasti kiviaineksen osuus alaosassa kasvoi betonin erottumisen seurauksena. Näytteen S90-2 kohdalla yläkerroksen resistiivisyys pieneni tasaisesti lyhyen alkukasvun jälkeen, mikä todennäköisesti johtuu kiviainesten erottumisesta. S90-2 keski ja alakerrosten käyttäytyminen muistutti S130-1 trendiä, mutta osoitti vielä nopeampaa muutosta. Tämä samankaltainen käyttäytyminen viittaa siihen, että molemmat näytteet, S130-1 ja S90-2, olivat erottuneita, kiviainesten osuus alakerroksessa kasvoi tiivistyksen vaikutuksesta.

Erottumisen tason arvioimiseksi kullekin näytteelle määriteltiin resistiivisyyspohjainen erottumisindeksi (SIBR) lopullisten resistiivisyysarvojen (BR) erona ylä- ja alaosien välillä:

SI_BR = BR_final (top) – BR_final (bottom) (1)

missä SI_BR on BR-erottumisindeksi (Ω • m), BR_final (top) on yläosan lopullinen BR-arvo [Ω • m] ja BR_final (bottom) on alaosan lopullinen BR-arvo [Ω • m]. Huomionarvoista on, että vaikka sekä kahta tutkittua betonia (S90-1 ja S90-2) tiivistettiin täsmälleen sama aika, S90-2:n SI_BR-arvo oli viisi kertaa suurempi kuin S90-1, mikä osoittaa selvästi suurempaa erottumista.

SI_BR-indeksin luotettavuuden varmistamiseksi määriteltiin myös toinen erottumisindeksi karkeiden kiviainesten osuuden perusteella, SI_RCA:

SI_RCA = RCA(top) – RCA(bottom) (2)

missä SI_RCA on kiviaineserottumisindeksi prosenttiyksikköinä, RCA(top) on yläosan RCAarvo [%] ja RCA(bottom) on alaosan RCA-arvo [%]. Edellä esitettyjen kahden erottumisindeksin SI_RCA ja SI_BR välillä oli vahva negatiivinen korrelaatio (R = -0,948), mikä osoittaa, että ACIS-mittaukset pystyvät arvioimaan tehokkaasti karkeiden kiviainesten osuutta betonissa. Huomionarvoista on, että näytteen S90-1 SI_RCA-arvo oli noin kolmasosa S90-2 arvosta, mikä viittaa selvästi suurempaan erottumiseen samasta tiivistysajasta huolimatta.

Erottumisen taso arvoitiin myös tiheyksien perusteella lasketulla erottumisindeksillä, SIcore__{core_DEN}.

SI_{core_DEN} = Density(top) – Density(bottom) (3)

missä SI_{core_DEN} on kiviaineserottumisindeksi [kg/m³], ja Density(top) sekä Density(bottom) ovat ylä- ja alaosan betonien tiheydet [kg/m³]. Tiheysindeksiin vaikuttaa kiviainesten painumisen lisäksi myös ilmakuplien nouseminen ylöspäin. Aiemmin mainittujen indeksien tapaan betonilla S90-1ä oli pienempi SI_{core_DEN}-arvo kuin betonilla S90-2. Näiden havaintojenperusteella ACIS-mittaukset ovat käyttökelpoinen menetelmä havaitsemaan kiviaineksen erottumista betonissa reaaliaikaisesti tiivistysprosessin aikana.

Erottumisen arviointi kovettuneessa betonissa

Koska kovettuneen betonin erottumisen arvioimiseksi ei ole standardoituja menetelmiä, tutkimuksessa kehitettiin kolme erottumisindeksiä. Indeksit on kuvattu tarkemmin julkaisussa [2]. Indeksien määrittämiseksi tiivistettiin kaksi ryhmää betonia käyttäen eri tiivistysaikoja. Ensimmäinen ryhmä tiivistettiin tärysauvalla ja betonit merkittiin kirjaimella ‘P’, jota seurasi tiivistysaika sekunteina, vaihteluvälin ollessa 12–40 sekuntia. Toinen ryhmä tiivistettiin tärypöydällä ja merkittiin kirjaimella ”T” tiivistysajan vaihdellessa 40–140 sekunnin välillä. Kaikki betonit olivat huokostettuja, ilmamäärän ollessa 6,0 ± 1,0 %. Poikkeuksena kaksi näytettä, P6_8 ja P40_8, joissa ilmamäärä oli korkeampi (8 %), kyseiset betonit tiivistettiin 6 ja 40 sekunnin ajan.

Erottumisen analysoimiseksi koekappaleista sahattiin näytteet kuvassa 3 esitetyllä tavalla. Vaakasuoran viipaleiden (25 mm) tiheys määritettiin, ja viidelle kymmenestä viipaleesta laskettiin kiviainesten jakautuma digitaalisen kuva-analyysin avulla. Samalla tavalla pystysuoran osan kiviainesten jakautuma määritettiin.

Kunkin viipaleen tiheydet mitattiin ja tulokset esitettiin tiheyden jakaumakuviona. Kuvassa 4 on esitetty selvästi erottuneen betonin tiheysvaihtelut. Kuvasta havaitaan, että tiheydet betonipinnan läheisyydessä ovat selvästi alhaisempi kuin näytteen pohjaosissa. Tiheysmittausten perusteella laskettiin erottumisindeksi, SI_{slice_DEN}N, joka on vaakasuorien viipaleiden tiheyksien keskihajonta. Erottuminen on sitä suurempaa, mitä suurempi SI_{slice_DEN} on. Kyseinen erottumisindeksi toimii vain vaakasuorille viipaleille ja kerralla tulee tarkastella yhtä valukerrosta. Esim. vaakasuoraan poratuista näytteistä ei voida määrittää kyseistä erottumisindeksiä.

SI_{slice_DEN}-arvot sekä sauva- (P) pöytätärytetyille (T) näytteille on esitetty kuvissa 5a ja 5b. Erottumisindeksi SI_{slice_DEN}-perusteella ehdotettiin seuraavia erottumistasoja (Segregation Levels):

• SL1: <30 kg/m³,
• SL2: 30–60 kg/m³,
• SL3: 60–90 kg/m³ ja
• SL4: >90 kg/m³.

Hyväksyttävä erottumistaso vaihtelee rakenteiden mukaan. Esimerkiksi vesitiiveissä rakenteissa tai korkeasti rasitetuissa rakenteissa tulee tavoitella mahdollisimman alhaista erottumistasoa. Tarvitaan vielä lisätutkimuksia, jotta hyväksyttävät erottumistasot voidaan määritellä eri käyttötarkoituksiin.

Edellä esitetyn tiheyseroihin perustuvat erottumisindeksin lisäksi tutkimuksessa esitetään kaksi muuta indeksiä erottumisen arvioimiseksi. Indeksit perustuvat karkean kiviainesten (> 5 mm) jakautuman määrittämiseen. Indeksi, SI_{AGG_H}, perustuu karkean kiviainesten osuuden keskihajontaan viidessä vaakasuorassa viipaleessa. Toinen indeksi, SI_{AGG_H}, edustaa pystysuoran leikkeen karkean kiviainesten osuuden keskihajontaa kymmenessä digitaalisesti jaetussa viipaleessa. Lasketut SI_{AGG_H}-arvot on esitetty tutkituille betoneille kuvissa 6a ja 6b, ja vastaavat SI_{AGG_V}-arvot kuvissa 6c ja 6d. SI_{AGG_H}– ja SI_{AGG_V}-indekseille ehdotettiin erottumistasoja seuraavasti: SL1 arvoille alle 3 %, SL2 arvoille 3–4,5 %, SL3 arvoille 4,5–6 % ja SL4 arvoille yli 6 %.

Karkean kiviaineksen osuuteen perustuvien indeksien SI_{AGG_H} ja SI_{AGG_V} toimivuutta arvioitiin vertaamalla niitä tiheyspohjaiseen indeksiin SI_{slice_DEN}. SI_{AGG_H}:n osalta saavutettiin voimakas korrelaatio tiheyspohjaisen indeksin kanssa (R2: 0,846 (P) ja 0,891 (T)). Samoin SI_{AGG_V} korreloi voimakkaasti tiheyspohjaisen indeksin kanssa (R2: 0,758 (P) ja 0,876 T)). Tulosten perusteella betonin erottumista voidaan arvioida sekä tiheyserojen että karkean kiviaineksen jakautuman perusteella.

Erottumisindeksit tarjoavat myös mahdollisuuden analysoida betonin erottumisherkkyyttä. Esimerkiksi voidaan määrittää tiheyspohjaisen erottumisindeksin muutos tärytysajan suhteen. Tutkimuksessa pöytätärytettyjen betonien erottumisindeksi kasvoi 0,6 kg/m³* s suhteessa tärytysaikaan. Erottumisherkällä betonilla tämä arvo on luonnollisesti suurempi kuin vähemmän erottumisalttiilla betonilla. Toinen lähestymistapa olisi tarkastella reseptimuutosten vaikutuksia erottumisindeksiin. Näin voitaisiin optimoida betonin niin, että erottumisherkkyys olisi mahdollisimman pieni.

Pintaan nousevien ilmakuplien analysointi tiivistyksen aikana

Perinteisesti betonin tiivistys on katsottu riittäväksi, kun ilmakuplien nousu betonin pinnalle loppuu. Tämä käytäntö on hyväksytty Yhdysvaltojen, Australian sekä Britannian ja Euroopan ohjeissa/standardeissa. Esimerkiksi standardi EN 12390-2 suosittelee betonin tiivistämistä niin kauan, kunnes suuria kuplia ei enää nouse pinnalle, mutta varoitetaan kuitenkin erottumisriskistä. Käytännössä tiivistysaika perustuu tiivistystä suorittavan henkilön arvioon kuplien nousun loppumisesta, mikä aiheuttaa huomattavaa subjektiivisuutta tiivistysprosessiin. Tutkimuksessa kuplien nousemista on arvioitu digitaalisen kuva-analyysin avulla, kuten julkaisussa [3] on kuvattu.

Betonin pintaa kuvattiin tiivistyksen aikana 4k-kameralla. Tämän jälkeen video leikattiin pysäytyskuviksi, ja kuvissa olevat ilmakuplat valittiin manuaalisesti MATLAB-sovelluksen avulla. Ilmakuplien valintaa hienosäädettiin edelleen Pythonissa edustamaan kussakin ruudussa juuri nousseita kuplia. Uusien ilmakuplien kumulatiivinen määrä arvoitiin tiivistysajan funktiona, kuten kuvassa 7 esitetään.

Pöytätärytetyllä T80-näytteella havaitaan varsin tasainen kuplien nousunopeus, kun taas muilla näytteillä havaitaan lievää kuplien nousunopeuden hidastumista, erityisesti näytteellä T140 kuplien nousunopeus vähenee selvästi. Toisaalta sauvatärytetyillä betoninäytteillä (kuva 7b) ei havaita ilmakuplien nousunopeuden hidastumista koko testausjakson aikana. Näitä hienovaraisia muutoksia on vaikea havaita paljaalla silmällä työmaalla. Lisäksi nousunopeus ei missään tapauksessa laskenut nollaan, mikä viittaa siihen, että tiivistystä olisi pitänyt edelleen jatkaa.

Kyseiset betoninäytteet tutkittiin erottumisen osalta hyödyntäen SI_{slice_DEN}-indeksiä, ja todettiin, että kaikki tutkitut betoninäytettä olivat erottuneet eri asteisesti. Yksikään näytteistä ei sijoittunut alimpaan erottumistasoon (SL1). Pöytätärytettyjen betonien osalta T80N erottumisindeksi oli 38 kg/m³, näytteen T100 erottumisindeksi oli 70 kg/m³ mikä vastaa erottumistasoa SL3 ja näytteellä T120 vastaavasti 86 kg/m3 (SL3). Näytteelle T140 mitattiin korkein erottumisindeksi 94 kg/m³ (SL4). Sauvatärytettyjen ryhmässä näyte P20 sai erottumisindeksin 49 kg/m³ (SL2) ja vastaavasti P35 sai erottumisindeksin 78 kg/m³ (SL3).

Nämä havainnot vahvasti kyseenalaistavat perinteisen käytännön, jossa ilmakuplien nousun loppumista käytetään tiivistysajan määrittämiseen. Ilmakuplien nousu betonin pinnalla jatkui, vaikka betoni oli jo selvästi erottunut. Lisäksi pöytätärytetyillä näytteillä havaittiin kolme erilaista kuplien nousumallia: tasainen nousu, korkea alkuvaiheen nousunopeus, jota seurasi jyrkkä lasku, tai matala alkuvaiheen nousunopeus, jossa jonkin verran vaihtelua. Tällainen vaihtelu korostaa ilmakuplien nousun epäjohdonmukaisuutta ja osaltaan kyseenalaistaa pintakuplien tarkkailun luotettavuuden, korostaen tarvetta moderneimmille tiivistyksen arviointimenetelmille.

Tiivistyshuokosten analyysi kovettuneessa betonissa röntgentomografialla (XCT)

Kovettuneen betonin tiivistyshuokoset ovat jääneet vähälle huomiolle, koska niiden on oletettu poistuvan tiivistyksen aikana. Tässä tutkimuksessa on tutkittu tiivistyshuokosten määrää ja niiden jakaumaa betonin sisällä [4]. Tiivistyshuokosia on tutkittu eri notkeusluokkien betoneilla käyttäen erilaisia tiivistysaikoja.

Tutkimuksessa käytettiin kolmea betonierää, joiden notkeudet säädettiin tehonotkistimen annostuksia muuttamalla notkeusluokkiin S2, S3 ja S4. Jokaisesta erästä valettiin kolme näytettä normaaliin lieriömuottiin. Tiivistys suoritettiin tärypöydällä käyttäen kolmea eri tiivistysaikaa: 5, 20 ja 45 sekuntia. Näin saavutettiin korkea, keskitason ja matala tiivistyshuokosmäärät. Näytteet merkittiin notkeusluokan ja tiivistysajan mukaan (esim. S2-5: notkeusluokka: S2, tiivistysaika: 5 s). Kunkin koekappaleen keskeltä porattiin 70 mm poranäyte. Näytteen skannattiin röntgentomografialla ja tämän jälkeen näytteet sahattiin kymmeneen vaakasuoraan viipaleeseen erottumisen analysoimiseksi tiheysmittausten
avulla.

Tiivistyshuokosten kokonaismäärä määritettiin röntgentomografian avulla. Tiivistyshuokosiksi katsottiin yli 0,8 mm läpimittaiset huokoset. Tulokset on esitetty taulukossa 1. Tiivistyshuokosten hyväksyttävä tasona pidetään yleisesti 1–2 %. Tutkimuksessa betonin notkeus vaikutti tiivistyshuokosten määrään kaikilla tiivistysajoilla: jäykemmissä betoneissa tiivistyshuokosten määrä oli yleensä korkeampi. Tämä trendi on selkeä erityisesti lyhyillä tiivistysajoilla, mutta väheni tiivistysajan kasvaessa; 45 sekunnin tiivistysjalla eri notkeusluokkien tiivistyshuokosten määrät olivat samalla tasolla, mikä viittaa siihen, että suurin osa tiivistyshuokosista oli jo poistunut.

Kuva 8 esittää tiivistyshuokosten 3D-rekonstruktioita 2D-kuvana näytteissä S2–5, S2–20 ja S2–45. Näytteessä S2–5 (kuva 14a) tiivistyshuokosia ovat runsaasti koko näytteen korkeudella. Näytteessä S2–20 (kuva 14b) havaitaan huomattava huokoisuuden väheneminen, ja suuremmat huokoset ovat keskittyneet lähelle näytteen yläosaa. Näytteessä S2–45 (kuva 14c) huokosten määrä vähenee edelleen, erityisesti suurempien huokosten osalta. Tämä kehitys korostaa tiivistysajan merkitystä tiivistyshuokosten määrän osalta.

Kuva 9 esittää tiivistyshuokosprofiilit käyttäen 0,1 mm paksuisia digitaalisia leikkeitä. Arvo on leikkeen keskimääräinen tiivistyshuokosten määrä ja vertailutasona on yleisesti käytetty 2 % tiivistyshuokosten määrä. Näytteellä S2–5 tämä vertailutaso ylittyy useita kertoja, mikä viittaa korkeaan tiivistyshuokosten määrään. Näytteellä S2–20 on vähemmän vertailutason ylityksiä ja pääosin lähempänä betonin pintaa. Pitkään tärytetyssä S2–45 näytteessä 2 %:n vertailutaso ylittyy vain harvakseltaan.

Vastaava ilmiö havaitaan myös S3- ja S4-notkeusluokkien näytteissä. Lyhyillä tiivistysajoilla (S3–5 ja S4–5) tiivistyshuokosten määrä ylittää usein 2 %: vertailutason. Tiivistysajan pidentyessä (S3–20 ja S4–20) 2%:n vertailutaso ylittyy harvemmin, ja pisimmillä tiivistysajoilla (S3–45 ja S4–45) vertailutaso ylittyy vain harvoin. Koesarja osoittaa tiivistysajan merkittävän vaikutuksen tiivistysilman määrään, tiivistysilman kokonaismäärä vähenee olennaisesti tiivistysajan pidentyessä. Pidemmät tiivistysajat tuottavat myös tasaisempia tiivistysilman jakautumia kaikissa tutkituissa notkeusluokissa.

Myös betonin notkeus vaikuttaa tiivistyshuokosten määrään. Notkeusluokan kasvaessa 2 % vertailutason ylittävä alue pienenee, erityisesti 5 ja 20 sekuntia tiivistetyissä näytteissä. Pidemmillä tiivistysajoilla (45 s) notkeusluokan vaikutus vähenee jossain määrin, kaikilla notkeusluokilla päästiin pääosin alle 2% tason.

Betoninäytteiden erottumista arvioitiin tiheyspohjaisen erottumisindeksin SI_{slice_DEN} avulla (kuva 10). S2-notkeusluokassa havaittiin vähäistä erottumista, erottumisindeksin arvot jäivät alle 30 kg/m³. Sen sijaan notkeusluokissa S3- ja S4 erottumisindeksit kasvoivat tiivistysajan myötä, nousten suurimmillaan lähelle 60 kg/m³. Nämä havainnot osoittavat, että jäykemmät betonit ovat selvästi vähemmän alttiita erottumiselle ja hyötyvät pidemmistä tiivistysajoista. Toisaalta notkeammilla betoneilla tiivistys poistaa tehokkaammin tiivistyshuokoset, mutta betonit ovat alttiimpia erottumiselle, erityisesti pidemmillä tiivistysajoilla.

Johtopäätökset ja tulevat tutkimuskohteet

Tämä tutkimus korostaa kokonaisvaltaisen lähestymistavan tarvetta betonin tiivistyksen laadunvalvonnassa. Betonin tiivistyksessä tulee huomioida sekä betonin erottumisriski että tiivistyshuokosten poistuminen betonista. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että nämä ongelmat voivat ilmetä samanaikaisesti tiivistyksen aikana. Betonin erottuminen voi alkaa jo ennen kuin tiivistyshuokoset ovat poistuneet betonista. Havainnot korostavat myös reaaliaikaisen seurannan merkitystä tiivistyksen aikana. Perinteisten indikaattorien, kuten pinnalle nousevien ilmakuplien, sijaan tarvitaan kehittyneempiä menetelmiä, kuten esimerkiksi ACIS-tekniikkaa.

Tutkimuksessa kehitetyt erottumisindeksit tarjoavat hyödyllisen työkalun eri betonilaatujen erottumisherkkyyden arvioimiseen ja mahdollistavat kohdennetut säädöt tiivistysstrategioihin. Yhdistämällä tiivistysajan betonikohtainen arviointi edistyneeseen tiivistyksen monitorointiin parantaisi merkittävästi betonin tiivistyksen laatua.

Tämä tutkimus avaa uusia näkökulmia betonin tiivistyslaadun parantamiseksi. Lupaavia alueita ovat ACIS-seurantajärjestelmän kehittäminen automaattisen kerrosanalyysin avulla sekä älypuhelinsovellusten luominen tiivistystarpeen arviointiin. Toteutuneiden rakenteiden tutkimukset auttaisivat tarkentamaan erottumisindeksejä ja parantamaan luokittelun tarkkuutta. Syvällisempi ymmärrys tiivistyslaatuun vaikuttavista tekijöistä mahdollista tiivistyksen seurantamenetelmien kehittymisen, mikä parantaa betonirakentamisen laatua ja voi johtaa suunnittelun varmuuskertoimien pienentymiseen ja siten tarjota taloudellisia ja ympäristöhyötyjä.