Innovatiivinen vähähiilinen kierrätyskiviainesbetoni

Tutkimuksessa saavutettujen tulosten valossa kierrätyskiviaineksen (kierrätyskiviaineksella tässä tutkimuksessa tarkoitetaan SFS-EN 206 mukaista tyypin A kierrätyskiviainesta, joka on jalostettu murskatusta betonista) käytölle kiviaineksena betonissa nähdään potentiaalia neitseellisen kiviaineksen korvaajana. Kokonaisuutena laadun osalta tullaan kierrätyskiviainesten laadunvalvontaa tarkastelemaan ja ohjeistamaan kansallisesti, jotta niiden käyttö olisi turvallisesti mahdollista. On oleellista, etteivät standardit tulisi kestävän kehityksen esteeksi vaan uusien luontoa säästävien materiaalien käyttö mahdollistetaan. Uusien materiaalien käyttöönotossa kannattaa kuitenkin edetä maltillisesti ja hankkia ensin kokemusta materiaalien toimimisesta betonissa pienillä suhteellisilla käyttömäärillä.

Kierrätyskiviaineksena tutkimuksessa käytettiin purkutyömailta kierrätettyä ja Ruduksen kierrätyskiviainespisteissä murskattua betonia (tyyppi A), jonka osuutta uusiobetonissa ja sen toimivuutta uusiobetonissa tutkittiin laajasti. Betonimurskeen jätestatus (Ei Enää Jätettä – asetus) päättyi 2022, mikä on helpottanut käytäntöjä ja edistänyt betoniteollisuudessa ja rakennustyömailla syntyvän purku- ja ylijäämäbetonin jatkokäyttöä. Jätestatuksen poistuttua asetuksen mukaisia kierrätyskiviaineksia voidaan käyttää pitkälti luonnonkiviaineksen tapaan ilman aiemmin jäteluonteeseen liittyviä hyväksymismenettelyjä. Sen sijaan betonin kiviainesten standardit SFS-EN 12620 ja SFS 7003 rajoittavat kierrätyskiviaineksen käyttömahdollisuuksia standardien kiviaineksille asettamien korkeiden laatuvaatimusten takia.

Tämä tutkimus on saanut tukea ympäristöministeriöltä Vähähiilisen rakennetun ympäristön -ohjelmasta, jonka rahoitus tulee EU:n kertaluonteisesta elpymisvälineestä (The Recovery and Resilience Facility (RRF)).

Hankkeen tausta ja tavoitteet

Kiviainesmarkkinan muutos tulevaisuudessa on väistämätön myös Suomessa, kun pyritään noudattamaan EU-lainsäädännön ja YK:n kestävän kehityksen tavoitteita. Nämä tavoitteet koskevat erityisesti neitseellisten raaka-aineiden käytön vähentämistä ja hiilineutraaliuteen pyrkimistä. Kierrätyskiviaineksen materiaalivirta on kasvava, joten neitseellisiä luonnonvaroja voidaan potentiaalisesti säästää yhä enemmän. Vaikka sementti on keskeinen ainesosa betonin valmistuksessa, sen osuus betonista on 10–15 paino-%. Suurin materiaalikulutus muodostuu runkoaineista, karkeasta ja hienosta kiviaineksesta, joiden lisäksi tarvitaan vielä puhdasta vettä ja betonin lisäaineita. Vaikka kierrätyskiviainesta jo käytetään betonituotannossa korvaamalla osa karkeista luonnonkiviaineksista tietyissä betonituotteissa, nykyinen käyttö on rajoitettu tiettyihin määrä-, laatu- ja raekokorajoihin. Tämä on toistaiseksi vähentänyt niiden hyödyntämistä verrattuna niiden mahdollisuuksiin.

Hankkeen pääfokus oli kiertotalousraaka-aineiden ja vähähiilisten valmistusprosessien mahdollistama betonin päästövähennys ja kiertotalouden yleinen edistäminen kierrätyskiviainesta sisältävien uusien betonireseptien kehittämiseksi, valmistamiseksi ja käyttö ja säilyvyysominaisuuksien selvittämiseksi.

Betoninen kierrätyskiviaines eroaa luonnonkiviaineksesta pääasiassa sen sisältämän alkuperäisen betonin sementtikiven takia, jota on kiinnittyneenä kiviainesrakeisiin. Sen määrä vaihtelee riippuen betonin lujuudesta ja murskausprosessista riippuen. Sementtikivi aiheuttaa kiviaineksen pintaan huokoisen rakenteen, mikä alentaa murskatun aineksen tiheyttä ja aiheuttaa suuremman vedenimun verrattuna luonnonkiviaineksen käyttöön. Lisäksi vanha sementtikivi vähentää betonin puristuslujuutta, koska se on heikompaa kuin puhdas luonnonkiviaines ja heikentää uuden sementtikiven tartuntaa kiviainekseen tarttuen osaksi aiempaan sementtikiveen luoden matriisiin uuden rajapinnan. Mahdolliset kierrätyskiviaineksessa olevat epäpuhtaudet ja alkuperäisen betonin lujuusluokka ja kosteudenkestävyys voivat myös vaihdella alkuperän mukaan, mikä vaikuttaa betonin lopullisiin ominaisuuksiin.

Rakentaminen käyttää noin 40 prosenttia maailman raaka-aineista, aiheuttaa 21–37 prosenttia globaalista CO₂-päästöistä (riippuen siitä, lasketaanko kaikki kasvihuonekaasut vai vain energiaan liittyvät päästöt) ja synnyttää 30 % maailman jätteestä. Onkin tarkoituksen mukaista, että mahdollisimman suuri osa kiviaineksesta voidaan korvata kierrätyskiviaineksella ilman, että betonimassan työstettävyys tai kovettuneen betonin ominaisuudet heikkenevät.

Nykytietämyksen mukaan karkeaa kiviaineksesta voidaan korvata jopa 30 % kierrätyskiviaineksella, jos mitään muita muutoksia ei tehdä. Tämän ylittävä osuus on monissa aiemmissa kokeissa johtanut heikompilaatuiseen ja vaikeammin työstettävään betoniin. Ongelmia ovat aiheuttaneet mm. käytetyn betonin murskauksessa syntynyt hienoaines ja kierrätysbetonien vaihteleva laatu verrattuna luonnon kiviainekseen.

Perinteisissä betoneissa sideaineena käytetyn sementtiklinkkerin valmistus on merkittävä hiilidioksidilähde. Hankkeessa perehdyttiin päinvastaiseen ilmiöön eli karbonatisoitumiseen, jossa hiilidioksidi sitoutuu sementtikiven yhdisteiden kanssa muodostaen kalsiumkarbonaattia. On tunnettua, että betoni murskattuna ja sijoitettuna olosuhteisiin, joissa se on tekemisissä ilman kanssa, karbonatisoituu jopa 60–80 %:sti sitoen itseensä jopa lähes 50 % sen valmistuksen aikana kalkkikivestä vapautuneesta hiilidioksidista (jos sementtikivi on täysin klinkkeripohjainen ja karbonatisoituminen tapahtuu 100 prosenttisesti). Siksi murskeen varastoiminen ja käyttö ovat merkittäviä ilmastonmuutoksen torjujia: betonimurskeesta muodostuu hiilinielu.

Kierrätyskiviaineksen kuvaus

EN-standardit asettavat laatukriteerit kierrätyskiviaineksen käytölle betonissa. SFS-EN 12620 määrittelee betonin kiviaineksille tekniset vaatimukset ja kansallinen soveltamisstandardi tuo kansalliset tarkennukset kiviaineksen käyttöön.

Kierrätyskiviaineksen osalta keskeisiä haasteita ovat alkalireaktiivisuus, puhtaus (orgaaniset epäpuhtaudet, sulfaatit, kloridit) sekä vaihtelu mekaanisissa ominaisuuksissa (kovuus, pakkasenkestävyys ja vedenimu).

Nykytilassa lainsäädäntö ei ole este, vaikkakin standardit rajoittavat kierrätyskiviaineksen käyttöä betonissa määrällisesti ja laadunvarmistusvaatimukset tekevät käytöstä vaikeaa.Tähän on vastattava kehittämällä laatukriteereihin soveltuvia ratkaisuja, jolloin ehkäistään sitä, etteivät standardit tulisi kierrätyskiven käytön esteeksi tulevaisuudessa.

Tutkimuksissa käytettiin CE-merkittyä betonimursketta, Betoroc®. Murske oli peräisin purkutyömailta. Ruduksen kierrätyspisteellä murskattuna betonimurske sai Ei-Enää-Jätettä (EEJ) -statuksen. Kokeita varten murskeesta seulottiin hienoaines pois, jolloin käytännössä tutkimuksiin on saatu karkean kiviaineksen korvaaja, raekooltaan 5–16 mm. Tämä auttoi optimoimaan reseptejä, sillä aiemmin on havaittu, että betonin murskauksessa muodostuva pöly ja muu hienoaines vaikeuttavat toimivia betonimassoja, koska hienoaines nostaa vedentarvetta ja siten vaikuttaa vesi-sementtisuhteeseen ja siten lujuuteen.

Betoroc® pystyy parhaimmillaan sitomaan 30–35 % sementin valmistuksessa kalkkikivestä vapautuneesta hiilidioksidipäästöstä, (teoreettisesti lähes puolet, jos sementti on täysin klinkkeripohjainen), mikä tekee murskeesta hiilidioksidinielun ja todennetusti hiilinegatiivisen tuotteen ¹⁾.

¹⁾ Betoroc®-betonimurskeen hiilikädenjälki infrarakentamiskohteessa raporttiversio 1.1.2021-07-07

Kierrätyskiviaines hiilinieluna

Useilla tekijöillä on vaikutusta kierrätyskiviainesbetonissa käytettävän betonimurskeen itseensä sitoman hiilidioksidin (CO₂) määrään. Karbonatisoituminen riippuu mm. murskeen hienoudesta, betonin koostumuksesta, iästä ja ympäristöolosuhteista, kuten lämpötilasta, kosteudesta ja ilman hiilidioksidipitoisuudesta, jossa betonirakenne sijaitsee. Lisäksi sementtikiven kemiallinen rakenne vaikuttaa karbonatisoitumispotentiaaliin.

Betonin sementtikivi on pääasiassa kalsiumhydroksidia ja kalsiumsilikaattihydraatteja ja muita kalsiumiin sitoutuneita yhdisteitä. Näistä kalsiumhydroksidi (Ca(OH)₂) on voimakkaasti alkalinen yhdiste, joka reagoi ympäröivästä ilmasta betoniin kulkeutuvan hiilidioksidin (CO₂) kanssa. Hiilidioksidin sitoutuminen noudattaa perusreaktiota Ca(OH₂ + CO₂ i CaCO₃ + H₂O, jossa kalsiumhydroksidi sitoo hiilen pysyvästi takaisin kalsiumkarbonaatiksi (CaCO₃).

Betonin pinnalta alkava karbonatisoituminen etenee yleensä nopeasti lähellä pintaa, mutta hidastuu ajan kuluessa, koska muodostuva kalsiumkarbonaatti täyttää betonin huokosia, mikä vaikeuttaa hiilidioksidin kulkeutumista syvemmälle rakenteeseen. Karbonatisoitumisen etenemisen rakenteessa on verrannollinen ajan [t] neliöjuureen, k√t . Ajan ohella kaavassa on kerroin [k], jonka arvo riippuu betonin laadusta (lujuus, tiiviys, vesi-sementtisuhde), pinnasta, pinnoituksesta, kosteudesta ja kosteudelle (sateelle) altistumisesta kuten myös ilman suunnasta ja ilmavirrasta (tuuli). Kun betonirakenne murskataan, karbonatisoitumaton betonin ominaispinta-ala jopa 1000-kertaistuu. Tämä mahdollistaa murskatun betonin karbonatisoitumisen kertaluokkia nopeammin verrattuna murskaamattomaan rakenteeseen.

Tutkimuksessa tutkittiin vanhoja ja uusia betonirakenteita sekä kiihdytettyjä hiilensidonnan kokeita. Neljäkymmentä vuotta vanhan Konalan kiviainestaskun suunnittelulujuus oli C25/30. Muiden suunnittelulujuutta ei saatu selvitettyä mutta, koska kyseessä on 1960-luvun betoni, on lujuusluokka samaa luokkaa kuin Konalan betonilla. Kaikille kolmelle betonille koestettiin keskiarvolujuus noin 70 N/mm². Eli vuosikymmeniä vanha rakenne on saavuttanut huomattavan lujuuden, vaikka sitä ei todennäköisesti oltu alun perin tavoiteltu. Neljäkymmentä vuotta vanhan rakenteen lujuus on todennäköisesti kehittynyt lentotuhkan ansiosta, ja samalla on betonista muodostunut tiivistä. Karbonatisoituminen on ollut siten erittäin hidasta, mikä oli analyyseissä hyvin havaittavissa. Kuusikymmentä vuotta vanhat rakenteet ovat puolestaan todennäköisesti olleet karkeaa puhdasta tai lähes puhdasta portlandsementtiä, mikä on mahdollistanut pitkään jatkuneen lujuudenkehityksen ja siten korkean lujuuden. 1960-luvun sementtivalikoima oli varsin kapea. Selvityksessä löytyi kaksi varsinaista betoniin tarkoitettu sementtiä, Portlandsementti ja Rapidsementti. Se onko tutkimusten 1960-luvun betonien kohdalla betonin valmistaja seostanut betoneja jää arvailujen varaan.

Betonirakenteiden karbonatisoitumistutkimukset

Tutkimuksessa perehdyttiin uusien betonien rakenteiden lisäksi vanhojen, käytössä pitkään olleiden betonirakenteiden hiilinielupotentiaalin selvittämiseen. Analyysit teetettiin Oulun yliopiston Kuitu- ja partikkelitekniikan laboratoriossa.

Tutkimuksia varten olemassa olevista rakenteista porattiin näytteitä betoniin sitoutuneen hiilidioksidimäärän selvittämiseksi. Kaksi rakenteista oli noin viisi vuotta vanhoja koerakenteita. Lisäksi otettiin näytteet neljäkymmentä vuotta vanhasta käytössä olevasta kiviainestaskusta Helsingin Konalassa sekä arviolta kuusikymmentä vuotta vanhoista betoniseinistä Lahdessa ja Porvoossa. Uudet rakenteet olivat alttiina ulkoilmalle ja ajoittaiselle sateelle. Kivitaskusta ja Porvoossa betoniseinästä porattu betoni oli suorassa yhteydessä ulkoilmaan, mutta ne eivät käytön aikana pääosin olleet altistuneet suoralle kastumiselle. Lahden betonit olivat sekä sisäpinnasta että ulkopinnasta.

Karbonatisoitumissyvyydet analysoitiin pH-indikaattorilla ja termogravimetrianalyysillä (TGA) analysoitiin betonin karbonatisoitumisasteet eri syvyyksillä betonirakenteessa.

TGA:lla voidaan erottaa lämpötilan funktiona eri kemiallisten yhdisteiden hajoamisreaktiot esimerkiksi kalsiumhydroksidin ja kalsiumkarbonaatin hajoaminen CaCO₃ i CaO + CO₂. Varsinaiset karbonatisoitumissyvyydet ja -määrät jäävät erillisen tutkimusjulkaisussa julkaistavaksi, mutta tässä voidaan todeta, että vanhoissa rakenteissa karbonatisoituminen oli vaihtelevaa. Kuivassa sisätilassa varsin syvälle edennyttä ja ulkona erittäin vähäisestä karbonatisoitumisesta aina pidemmälle edenneeseen karbonatisoitumiseen. Mm. rakenteen ilmansuunnalla vaikuttaa olleen tässä merkitystä.

Betonin laskennallinen hiilidioksidimäärä

Vapautuvan hiilidioksidin määrä ja siten karbonatisoitumisaste voidaan laskea sementtikemian kaavoilla, kun tiedetään betonin resepti. Menetelmä ei ole tarkka vaan suuntaa antava. Jotta laskelmat olisivat tarkkoja, pitäisi käytetty sementti ja sen klinkkerin koostumus ja seosaineet ja niiden määrät, tietää tarkasti.

Neljäkymmentä vuotta vanhan betonin osalta laskennan perusteena käytettiin tiedossa olevaa 1980-luvun perusreseptiä. Tuolloin käytössä oli klinkkeripohjaista sementtiä (n. 180–200 kg/m³) ja betoniin sekoitettiin erikseen lentotuhkaa (n. 120 kg/m³). Vettä sekoitettiin n. 180 kg/m³. Analyysissä 1960-luvun betonin sementin oletettiin olevan puhtaasti klinkkeripohjainen. Koska vanhojen betonien alkuperäisistä suhteituksista ei ole tarkkaa tietoa, ei tulosten tarkkuudenkaan oleteta olevan tarkkoja, mutta on toki suuntaa antavia. Uusien betonien valmistusreseptit ja sideaineet ovat tiedossa.

Laskennallisesti saatiin tulokseksi, että vanhan betonin pinta oli karbonatisoitunut lähes täysin ja rakenteen sisältä betoni oli karbonatisoitunut vain vähän (>20 mm syvyydellä pinnasta). Uudet betonit olivat karbonatisoituneet vastaavasti pinnaltaan kokonaan, mutta sisäosaltaan eivät lainkaan. Tarkemmat tulokset julkaistaan erillisessä artikkelissa myöhemmin.

Edellä mainituille betoninäytteille tehtiin Kaakkois-Suomen ammattikorkeakoulun Kymilabsissa nopeutettu hiilidioksidivanhennus, ts. rinnakkaistutkimus, jossa näytteet karbonatisoitiin laboratoriossa hiilidioksidilla ennen TGA-analyysia. Tällöin saatiin ulkopinnan betonille ja sisärakenteen betonille täysi karbonatisoituminen, ja tätä arvoa voitiin käyttää referenssinä määritettäessä rakenteen varsinaista karbonatisoitumisastetta. Pintabetonien osalta ei laboratoriossa tehty karbonatisoiminen oleellisesti lisännyt sitoutuneen hiilidioksidin määrää betonissa. Sen sijaan sisärakenteen karbonatisoitumisaste kasvoi käsittelyssä selvästi.

Analyysit osoittavat selkeästi betonin merkittävän hiilidioksidin sidontakyvyn ja sen, että se ei ole marginaalinen ilmiö tapahtui se sitten rakenteen elinaikana tai sen jälkeen. Parhaimmillaan tästä saadaan hyöty kierrättämällä vanhojen rakenteiden betoni ja murskaamalla se sopiviin raekokoihin, jolloin hiilidioksidinsitoutuminen on nopeaa ja tehokasta.

Koska analyyseissä käytettiin todellisia rakenteita, on analyyseissä mukana kiviaines ja tämä tuo epätarkkuutta tuloksiin. Betonista on suurin osa kiviainesta ja sen määrä saattaa paikallisesti vaihdella. Niinpä ei pystytä tarkasti määrittää näytteen eri kemiallisten materiaalien osuuksia näytteessä. Kehittämällä näytteen valmistusta on mahdollista saada lisätarkkuutta analyyseihin.

Kierrätyskiviaineksesta valmistetuille betoneille ja CEVObetoneille tehdyt tutkimukset

Kierrätyskiviaineksesta valmistettiin betoninäytteet seuraavia koesarjoja varten: puristus-, taivutus- ja vetolujuus, pakkasenkestävyys, suola-pakkaskestävyys, kimmokerroin ja Poissonin-luku. Myös Ruduksen vähähiilinen CEVO-betoni oli tässä osassa tutkimusta mukana. CEVO-betonin hiilidioksidipäästöt ovat merkittävästi pienemmät verrattuna referenssibetonin päästöihin. CEVO-betonin etuna on sen nopea lujuudenkehitys verrattuna perinteisiin seosainebetoneihin. CEVO-betoni on tarkoitettu rasitusluokkiin X0 ja XC1 eli lähinnä sisätilojen rakenteisiin.

Mekaaniset ominaisuudet

Kimmokertoimen ja Poissonin-luvun määritys

Puristuslujuus, kimmokerroin (Young’s modulus E) ja Poissonin luku (Poisson’s ratio ν) ovat keskeisiä materiaalin mekaanisia ominaisuuksia kuvaavia suureita, jotka ovat rakennesuunnittelijoille tärkeitä tietoja mm. rakenteiden pitkäaikaismuodonmuutosten arvioinneissa. Määritykset tehtiin koekappaleista, jotka olivat 150 × 300 mm lieriönäytteitä. Kimmokertoimen määritys tehtiin standardin SFS-EN 12390-13 mukaisesti. Kimmokerroin ja Poissonin-luku määritettiin 91 vuorokauden ikäisille näytteille, joiden kiviaineskoostumus on kuvattu taulukossa 1.

Kimmokertoimen ja Poisson-luvun määritykset tehtiin Aalto-yliopiston Rakennustekniikan laitoksella.

Poisson-luku määritettiin kimmokertoimen määrityksen yhteydessä. Kuormituksen aikana mitattiin aksiaalista jännitystä eli kuormitusta pinta-alaa kohden ja aksiaalista venymää eli pituuden muutosta suhteessa alkuperäiseen pituuteen. Muodonmuutoksen mittaamiseen käytettiin venymäantureita, jotka asennettiin näytteen pinnalle pituus- ja poikittaissuunnassa. Mittaukset suoritettiin lineaarisen elastisuuden alueella, 10–40 % näytteen murtokuormasta.

Kierrätyskiviainesta sisältävän betonin kimmokertoimen arvo oli pienempi kuin luonnonkiviaineksesta valmistetun. Lisäksi mitatut tulokset olivat matalampia kuin Eurocode 2 (EN 1992-1-1) standardin laskennallinen rakenteiden mitoitusta varten kehitetty malli. Matalampi arvo saattaa johtua mm. siitä, että kierrätysmateriaalin vanha sementtikivi on huokoisempaa ja siten kokoonpuristuvampaa kuin uusi ja sen heikompi transitiovyöhyke mahdollistaa molekyylitasolla rakenteiden liukumista ja uudelleenjärjestymistä, mikä mahdollistaa suuremman muodonmuutoksen. Poisson-luvut kaikilla betoneilla vastasivat betoneille tottua arvoa.

Mikäli kierrätyskiviaineksia käytetään erittäin vaativissa rakenteellisesti kohteissa, on tärkeää, että arvioidaan erikseen, onko kimmokerroin määritykseen kokeellisesti tarvetta. Muuten saattaa olla hyvä käyttää laskennallista tai taulukkoarvoa pienempää arvoa. Turvallinen arvio laskennallisen arvon pienennyskertoimelle voisi olla 0,8–0,9. Kun kierrätyskiviaineksen käyttömäärä rajataan standardin SFS-EN 206 suosituksiin ei tätä tarvitse huomioida tavanomaisissa rakenteissa.

Virumatestaukset

Virumatestien tarkoituksena oli mitata näytteiden pitkäaikaista muodonmuutosta vakiokuormituksen alaisena. Viruman tunteminen auttaa ennustamaan rakenteiden käyttäytymistä, ja arvoja hyödynnetään pyrittäessä estämään pitkäaikaisia vaurioita, kuten painumia ja halkeamia.

Betonin muodonmuutos voidaan jakaa eri tyyppeihin eli se koostuu eri osista: 1) Välitön elastinen muodonmuutos, joka syntyy heti kuormituksen asettamisen jälkeen. 2) Primäärinen viruma, joka kehittyy nopeasti ensimmäisten viikkojen aikana. 3) Sekundäärinen viruma, joka hidastuu ajan myötä, mutta jatkuu vuosia. 4) Tertiäärinen viruma, joka tapahtuu, kun materiaali alkaa rappeutua ja lopulta murtuu. Viimeisin on harvinainen normaaleissa betonirakenteissa ja tavanomaisissa käyttöolosuhteissa. Joka tapauksessa tämä vaatii ajanjaksoa, joka on huomattavasti pidempi kuin oletettu käyttöikä.

Korkea viruma tarkoittaa suurempia muodonmuutoksia pitkäkestoisessa rasituksessa. Ilmiö on tärkeä rakenteellisessa suunnittelussa, erityisesti silloissa, pilareissa ja korkeissa rakennuksissa, sillä pitkäaikainen muodonmuutos vaikuttaa rakenteen stabiliteettiin, kantavuuteen ja säilyvyyteen.

Virumaan vaikuttavat betonin koostumus (sideaine, runkoaineet, lisäaineet, veden ja sementin suhde), kovettumisolosuhteet (lämpötila, kosteus), ympäristöolosuhteet, kuormitustaso ja kuormituksen kesto. Mitä pidempi on kuormituksen kesto, sitä suurempi on kumulatiivinen viruma.

Testejä varten valmistettiin lieriömäiset (Ø100 mm × 200 mm) näytteet, jotka oli kovetettu standardoiduissa olosuhteissa ennen kuormituksen aloittamista.

Näytteet asetettiin pitkäaikaiseen kuormitukseen ja niiden muodonmuutosta seurattiin ajan suhteen. Näytteisiin kohdistettiin pysyvä vakioitu aksiaalinen puristuskuorma, joka oli hieman alle 40 % betonin puristuslujuudesta.

Viruman mittaaminen on pitkäkestoinen koe. Tutkimuksessamme mittaukset kestivät lähes vuoden eli 343 vrk. Mittaukset lopetettiin, kun viruman voitiin todeta tasaantuneen, eikä odotettavissa ollut enää merkittävää muutosta ajan suhteen.

Virumakoe tehtiin seuraaville betoneille: Vertailubetoni, jossa ei ollut lainkaan kierrätyskiviainesta sekä betonit, joissa karkea kiviaines oli korvattu 50 % ja 100 % kierrätyskiviaineksella. Lisäksi viruma mitattiin myös CEVO-betonille ilman ja kierrätyskiviaineksen kanssa. Lisäksi mitattiin yksi GWP.55 betoni, koska haluttiin koestaa yksi CEM III/B sementillä valmistettu vähähiilinen betoni. GWP.55 betoni viruma ja kutistuma oli selvästi pienempi kuin muilla betoneilla, mutta tulos on viitearvojen sisällä. GWP.55-betonin kutistuma oli pieni, ja tämä vahvistaa aiempaa käsitystä vähähiilisten betonien käyttäytymisestä.

Taulukossa 2 esitetään kokonaisvirumat ja kutistumat. Jännitystaso määritettiin 91 vrk:n lujuustasosta.

Yhteenvetona voidaan todeta, että virumat kaikilla koebetoneilla olivat aavistuksen verran korkeammat kuin vertailubetonilla. CEVO-betonia ei voi verrata referenssibetoniin sen eri koostumuksen takia, mutta CEVO-betonien kesken oltiin hyvin tarkasti samassa suuruusluokassa ja kierrätyskiviaines ei merkittävästi vaikuttanut virumaa lisäävästi.

Pakkasenkestävyys kierrätyskiviainesbetonille

Pakkasenkestävyyden tutkimuksissa selvitettiin betoninäytteiden kestävyyttä toistuvaa jäätymistä ja sulamista vastaan. Laattakoe tehtiin ionivaihdetulla eli makealla vedellä sekä 3 %:lla NaCl-liuoksella. Jälkimmäisiä tuloksia ei tässä käsitellä, koska betonit eivät kestäneet kloridiympäristössä eli tulokset ylittivät XF2:lle ja XF4:lle asetetut kansalliset raja-arvot.

Pakkasenkestävyyskokeet tehtiin laattakokeina (CEN/TR 14177, TS-12390-9). Jäädytys-sulatussyklien määrä oli teknisen spesifikaation määrittelemä 56 jaksoa.

Analyysit teetettiin kahdessa eri kaupallisessa laboratoriossa. Tuloksissa on eroa laboratorioiden kesken, mutta menetelmän tarkkuus huomioiden, voidaan tulosten todeta olevan yhteneväiset.

Suhteellinen dynaaminen kimmomoduuli oli kaikilla betoneilla 56 jakson jälkeen yli 100, joten sisäisiä vaurioita ei koebetoneihin syntynyt. FT-0-betonin rapautuminen oli lähes olematonta ja käytännössä samoin FT-50 betonin kohdalla. FT-100-betoneissa oli pientä rapautumista (FT-0 vertailu, FT-50 ja FT-100, karkeasta kiviaineesta korvattu 50 ja 100 % kierrätyskiviaineksella), Näiden tulosten perusteella FT-0-, FT-50- ja FT-100-betoni täyttävät rasitusluokkien XF1 ja XF3 pakkasenkestävyysvaatimukset sadalle vuodelle.

Makealla vedellä tehtyjen pakkasrasituskokeiden tulosten mukaan kierrätyskiviaineesta valmistettu betoni soveltuu kloridittoman ympäristön pakkasrasitukseen. Pinnat eivät näkyvästi rapautuneet eikä betoneihin muodostunut myöskään sisäisiä vaurioita. Sen sijaan kloridiympäristössä niihin syntyi ulkoisia rapautumisvaurioita kierrätyskiviaineksen yhteyteen niihin kohtiin, joissa oli vanhaa sementtikiveä. Näihin paikkoihin alkoi kehittyä jäätymisen vaikutuksesta selviä kuoppia.

Tehtyjen testien perusteella ei kloridiympäristöä siis voida pitää soveltuvana murskatusta betonista tehdyille näytteille.

Tulosten hyödyntäminen

Betonin merkittävä vahvuus kestävän rakentamisen näkökulmasta on pitkä käyttöikä, mikä tekee siitä hyvin soveltuvan kiertotalouden periaatteita tukevaan rakentamiseen. Merkittävä haaste kiertotalouden vakiinnuttamisessa on kuitenkin se, ettei sen käytöstä ole ollut pitkäaikaisia kokemuksia. Kiertotalouden ratkaisut voivat alentaa rakennuksen elinkaaripäästöjä ja Betoroc®-murskeella on kaiken mahdollisuus saavuttaa merkittäviä kustannushyötyjä perinteiseen kiviainekseen verrattuna.

Karbonatisoitumisen synnyttämä hiilinielu on nouseva tutkimusaihe, mutta rakenteiden elinkaaren aikaista hiilen sitomiskykyä on toistaiseksi tutkittu varsin vähän. Vaikka elinkaaren aikana tapahtuva hiilensidonta on huomattavasti vähäisempää kuin betonin murskaamisen jälkeinen karbonatisoituminen, se on silti yksinkertainen ja kustannustehokas keino vähentää päästöjä. Uudisrakennusten osalta betonin murskaaminen ja sitä seuraava karbonatisoituminen tulevat ajankohtaisiksi vasta mahdollisesti kymmenien mahdollisesti yli sadan vuoden kuluttua. Tästä syystä olisi jatkossakin tärkeää tutkia keinoja, joilla voitaisiin edistää karbonatisoitumista jo rakennuksen käyttöiän aikana.

Kierrätyskiviaineksen, lähinnä betonimurskeen, valmistus, käyttö ja sen asettamat vaatimukset betonin kiviaineksena ovat tällä hetkellä monella toimijalla selvityksessä. Nyt saadut tulokset osoittavat, että reseptit toimivat murskeen kanssa, kun hienoaines on seulottu pois. Murskeen muodolla on niin ikään tärkeä vaikutus: pyöreä kiviaines toimii hyvin eri tavalla kuin murskattu kulmikas. Betoni onkin suhteitettava huolella, jotta saavutetut hyödyt eivät mene hukkaan liiallisella sementin käytöllä. Suhteitus itsessään vastaa hyvin paljon murskatun kiviaineksen suhteitusta, mutta suhteituksessa ja valmistuksessa on huomioitava kiviaineksen vedenimu.

Hankkeessa saadut tulokset osoittavat, että kierrätyskiviaineksen käyttö vähähiilisessä betonirakentamisessa on teknisesti mahdollista ja tarjoaa kestäviä ratkaisuja.

Haasteiksi nähdään se, että vaikka tutkimuksen tulokset ovat lupaavia, materiaalin ja sen laadun välistä pitkäaikaiskestävyyttä eri ympäristöolosuhteissa ei ole vielä täysin selvitetty. Erityisesti on mietittävä, voidaanko kierrätyskiviaineksesta valmistettu betoni hyväksyä pakkasenkestävyyttä vaativiin olosuhteisiin (XF1 ja XF3). Pelkästään tämän tutkimuksen perusteella sitä ei voi todeta vaan asia vaatii lisätutkimusta. Kloridiympäristö (XF2 ja XF4) vaikuttaa olevan kierrätyskiviaineksesta valmistetulle betonille liian vaativa. Muuten mekaanisissa ominaisuuksissa ei ilmennyt poikkeavaa verrattuna tavanomaiseen betoniin. Joitain ominaisuuksia voi olla vaativissa kohteissa testata erikseen, mutta tavanomaisissa rakenteissa kierrätyskiviaineksesta tehty betoni on turvalista käyttää. Myöskään CEVO-betonin ja vähähiilisen betonin kohdalla ei havaittu ongelmia mekaanisten ominaisuuksien suhteen. Kierrätyskiviaineksen alkuperä vaikuttaa betonin lopullisiin ominaisuuksiin, mikä edellyttää vastaanotettavan betonin tarkkaa laadunhallintaa ja materiaalin esikäsittelyä.

Kasvava paine vähähiiliseen rakentamiseen ja resurssitehokkuuteen kannustaa rakennusteollisuuden toimijoita ja urakoitsijoita etsimään uusia ratkaisuja. Julkinen sektori ja suuret rakennuttajat voivat toimia edelläkävijöinä ja käyttää kierrätysmateriaaleja osana ympäristötavoitteitaan sekä ottaa kierrätysmateriaalit rohkeasti osaksi omia vähähiilisyysja kierrätystavoitteitaan. Myös koulutusta, teknistä tukea ja osaamista on lisättävä, jotta rakennusalan toimijat oppivat käyttämään uutta materiaalia tehokkaasti.

Tutkimuksen tulokset osoittavat, että kierrätyskiviaineksen käyttö vähähiilisessä betonirakentamisessa on lupaava vaihtoehto, joka osaltaan edistää rakennusalan siirtymää kohti kestävämpiä ratkaisuja. Poliittinen ja kasvava lainsäädännöllinen paine luovat hyvät edellytykset teknologian kehitykselle, mutta lisätutkimuksia tarvitaan erityisesti pitkäaikaiskestävyyden, laadunhallinnan ja markkinoiden hyväksynnän osalta.

Tutkimuksessa ei suositella kuinka paljon luonnonkiviainesta voidaan korvata kierrätyskiviaineksella. Tutkimuksen betonien karkean kiviaineksen osuus vaihteli mutta kaikilla korvausmäärillä saatiin valmistettua betoneja, joiden mekaaniset ominaisuudet olivat lähellä luonnonkiviaineksesta valmistettuja referenssibetoneja. Vaikka tulokset ovat lupaavia, on varmasti hyvä hankkia ensin kokemusta kierrätyskiviaineksesta korvaamalla luonnonkiviainesta pienempiä määriä eli noudattaa standardin SFS-EN 206 Betoni-standardin ohjeistusta 30 %:n korvausmäärästä karkeasta kiviaineksesta (tyyppi A).

Hankkeen tutkimusosuus toteutettiin pääosin Ruduksen Konalan laboratoriossa. Tutkimukseen liittyi osia, jotka toteutettiin betonituote- ja valmisbetonitehtailla sekä ostopalveluna ulkopuolisissa laboratorioissa.

Tutkimuksen yhteydessä valmistui kaksi AMK-lopputyötä ja yksi kandidaatintyö. AMK-lopputyöt käsittelivät kierrätyskiviaineksen vaikutusta betonin pakkaskestävyyteen ja Sadgroven lujuudenkehityskaavan käyttämistä vähähiilisen betonin kypsyyden arvioinnissa. Aalto-yliopiston kandidaatintyönä tehty kirjallisuuskatsaus toi puolestaan valoa kierrätyskiviaineksen käyttöön betoninvalmistuksessa maailmalla.

Tutkimuksen tuloksia on julkaistu myös Nordic Concrete Research -lehdessä (NCR 72, 1/2025) artikkelissa “Assessing the Mechanical Properties and Frost Resistance of Recycled Coarse Aggregate Concrete in Finland” (Tulimaa et al.).