Rakentaminen Auri Häkkinen 11 kommenttia

Sekoitusprosessin puutteet syynä betoniongelmiin

Juuri valmistunut Aalto-yliopiston rakennustekniikan laitoksen Robust Air –tutkimus osoittaa yhden selkeän syyn betonirakenteissa ilmenneisiin lujuusongelmiin.

Liikennevirasto tutkii parhaillaan lähes 93 siltaa varmistaakseen, ettei niissä ole lujuusongelmia. Betonin lujuusongelmat saivat viraston tutkimaan ensin 18 siltaa pistokoemaisesti ja jatkamaan tutkimusta. Viraston tutkimus on erillinen, se ei liity Robust Air -tutkimukseen. Kuva: Petri Kivinen

Betonin sekoitusprosessin tehokkuudella on merkittävä vaikutus lisäaineiden toimintaan erityisesti silloin, kun käytetään uudentyyppisiä, polykarboksylaattipohjaisia notkistavia lisäaineita.

Tutkimus keskittyi betonin ilmamäärän nousemisen syihin.

Jos sekoitusprosessi ei ole riittävän tehokas, ilmamäärää kasvattavat lisäaineet, huokostimet, toimivat vain osittain sekoituksen aikana ja ilman muodostuminen voi jatkua, kun betonia sekoitetaan työmaalla betoniautossa. Se puolestaan voi johtaa lujuusongelmiin.

Betonin ilmamäärää kasvatetaan noin kuuteen prosenttiin pakkasenkestävyyden lisäämiseksi. Joissakin tapauksissa betonin ilmamäärä on kuitenkin kohonnut sekoituksen jälkeen ja kovettuneesta betonista on mitattu reilusti yli 10 prosentin ilmamääriä.

Ongelmat alkoivat Kemijärven rautatiesillasta

Betoniongelmat alkoivat Liikenneviraston rakennuttamasta Kemijärven sillasta ja TYKS:n radan ylittävästä työmaasta Turussa kesällä 2016.

Juuri valettu rautatiesilta Kemijärvellä jouduttiin purkamaan lujuusongelmien vuoksi. Betonin kohonnut ilmamäärä oli yksi olennaisista tekijöitä lujuusongelmien taustalla.

”Prosessin tehokkuudessa ratkaisevia tekijöitä ovat sekoitin ja sekoitusaika. Ehkä 2–3 minuutin sekoitusaika on riittävä, jos sekoitin on tehokas”, arvioi betonitekniikan professori Jouni Punkki Aalto-yliopiston rakennustekniikan laitokselta.

Liikennevirasto, Betoniteollisuus ry, seitsemän lisäainetoimittajaa sekä kolme valmisbetonitoimittajaa halusivat selvittää ongelman syyt ja rahoittivat tilaustutkimuksen Aalto-yliopiston rakennustekniikan laitoksella. Tavoitteena oli varmistaa betonin suojahuokostuksen stabiilisuus.

Tutkimus perustuu 150 laboratoriokokeeseen

”Teimme alkuvuonna 2017 noin 150 laboratoriokoetta, joissa selvitimme betonin ominaisuuksien ja betonin lisäaineiden vaikutuksia betonin ilmamäärän stabiilisuuteen varsinaisen sekoitusprosessin jälkeen”, Punkki kertoo.

Laboratoriokokeissa simuloitiin käytännön tilannetta, jossa betonia sekoitetaan betoniautossa varsinaisen sekoitusprosessin jälkeen. Kokeissa mitattiin selvästi kohonneita ilmamääriä, kun betonia sekoitettiin 30 minuutin tai 60 minuutin kohdalla varsinaisen sekoituksen jälkeen.

Tulokset osoittavat selkeästi, että polykarboksylaattipohjaiset notkistavat lisäaineet edellyttävät tehokasta betonin sekoitusprosessia.

Riski ilmamäärän nousemiseen riippuu betonin ominaisuuksista, kuten betonin notkeudesta. Notkeilla betoneilla riski on selvästi suurempi kuin jäykemmillä betoneilla.

Yleisenä tendenssinä on ollut aiempaa notkeampien betonien käyttö paremman työstettävyyden vuoksi.

Koko valmistusketjun syytä katsoa peiliin

Punkki korostaa, että vaikka ongelma tulee lisäaineista, tulokset edellyttävät toimenpiteitä koko ketjulta.

”Betonin valmistamisen kehittäminen on jäänyt jälkeen lisäaineiden kehittämisestä. Siitä huolimatta heitän pallon myös lisäainetoimittajille. Tehdyt kokeet osoittavat, että joillain lisäaineilla on mahdollista hallita ilmamääriä ja joillain ei. Näkisin, että tämä on koko valmistusketjun ongelma, työmaata myöten”, Punkki toteaa.

Hän ei halua kuitenkaan laittaa tutkittuja lisäaineita paremmuusjärjestykseen.

Ilmamäärien hallinta tärkeää

Punkki arvioi, että polykarboksylaattipohjaiset lisäaineet ovat monessa suhteessa parempia kuin edeltäjänsä, mutta niitä ei ole niin helppoa käyttää ilmamäärien hallinnan osalta kuin aiempia lisäaineita.

”Ongelmat voidaan välttää, kun betonirakenteiden valmistusprosessiin kiinnitetään tarkempaa huomiota. Jatkossa myös betonin lisäaineita tulee kehittää niin, että tarvittavasta betonin ilmamäärästä muodostuisi mahdollisimman suuri osuus jo varsinaisen sekoituksen aikana. Lisäksi nykyiset betonin laadunvalvontakäytännöt ja betonin pakkasenkestävyyteen liittyvät määräykset kaipaavat kriittistä tarkastelua”, Punkki muistuttaa.

Betoniteollisuus ry:n toimitusjohtaja Jussi Mattila sanoo, että tutkimuksen perusteella tehtävä tärkein suositus valmisbetonin valmistajille on kiinnittää sekoitusprosessiin huomiota.

Hänen mukaansa osa valmisbetonin tuottajista on tähän jo reagoinut betoniongelmien ilmestyttyä.

Betonin valmistajan on tiedostettava ja selvitettävä, millaista sekoitusaikaa käyttää. Aikaan vaikuttaa sekoitin, lisäaineyhdistelmä ja valmistettavalle betonille asetetut laatuvaatimukset.

Betoniteollisuus: ”Kahden minuutin sekoitusaika riittävä”

Mattila arvioi, että kahden minuutin sekoitusaika olisi riittävä ilmamäärän hallitsemiseksi.

Mattila ja Punkki sanovat kumpikin, että valmisbetonia pitäisi tilata pelkän hinnan sijaan laatuominaisuuksilla. Silloin saadaan kuhunkin rakenteeseen oikeanlaista betonia.

Yleensä betonin tilaa urakoitsija.

Liikennevirastolta ehkä laatuvaatimuksiin sekoitusaika

”Tutkimuksen tulokset ovat odotetunlaiset”, Liikenneviraston silta-asiantuntija Jani Meriläinen arvioi.

Hän sanoo, että Liikennevirasto ei aio kieltää tutkimuksen perusteella minkään lisäaineen käyttöä siltojen betonirakenteissa.

”Ehkä laitamme laatuvaatimuksiin sekoitusajan”, Meriläinen sanoo.

Katso myös Seppo Mölsän blogi valmisbetoniteollisuuden laadunvalvonnan puutteista.

 

Keskustelu artikkelista: 11 kommenttia

  • Heikki Mononen

    Mikähän mahtaa olla kiviainesten puhtaus ko. tapauksissa ?

    Vastaa
  • Kari Kalajanniska

    Pyörittämällähän se Betoni autosta tulee ulos työmaalla , eikö sekin vaikuta ilmamääriin , ja kyllähän suunnittelijat määrittelee
    betonin lujuuden rakentamisessa , eikä tilaaja .

    Vastaa
  • Jussi Mattila

    Jutun otsikko antaa valitettavasti virheellisen kuvan tutkimuksen tuloksista.

    Robust Air -tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää huokostavien lisäaineiden toimintaa. Siinä ei selvitetty lainkaan betonin lujuuskysymyksiä, mihin taas vaikuttaa moni muukin tekijä kuin betonin ilmamäärä.

    Robust Air -tutkimus perustui laboratoriokokeisiin. Siksi kokeet jouduttiin tekemään normaalista tuotannosta poikkeavilla materiaaleilla (laboratoriokiviainekset), näihin sovitetuilla resepteillä sekä pienitehoisella laboratoriosekoittimella. Siksi koetulokset kuvaavat vain hyvin vajavaisesti sitä, miten samat materiaalit käyttäytyvät betonia teollisesti valmistettaessa. Suuntaa toki nähtiin. Samasta syystä tutkimuksen tulosten perusteella ei ole mahdollista tehdä johtopäätöksiä siitä, mitkä seikat ovat olleet epäonnistumisten taustalla käytännön kohteissa.

    Robust Air -tutkimuksen yhteydessä Betoniteollisuus ry:n jäsenliikkeet tekivät myös betoniasemillaan eli tuotantomittakaavan laitteilla, materiaaleilla ja todellisilla resepteillä kokeita, jolla selvitettiin sekoituksen tehokkuuden vaikutusta liikailman muodostumiseen. 90 %:ssa näistä kokeista (yhteensä 35 kpl) betonin ilmamäärä pysyi tavoitetasolla pitkittyneestä sekoituksesta huolimatta. Eli liikailman muodostuminen ei ole suinkaan pääsääntö vaan poikkeus.

    Tutkimuksen tärkein välitön anti oli se, että betoninvalmistajat osaavat kiinnittää erityistä huomiota sihen, että lisähuokostettavia massoja sekoitetaan riittävän pitkään, jotta lisähuokostusaine saadaan toimimaan kokonaisuudessaan jo tehtaalla tapahtuvan sekoituksen aikana. Se, mikä on riittävän pitkä sekoitusaika, riippuu paitsi sekoittimesta myös lisäaineista ja muusta reseptistä, ja on selvitettävä aina erikseen ennakkoon kokeilemalla. Tätä yksinkertaistaa se, että notkeat ja hienorakeiset massat todettiin riskialttiimmiksi liian ilman muodostumiselle.

    Kuten edellä tuli jo todettua, betonin lujuusvajeiden taustalla vaikuttaa monia muitakin tekijöitä kuin betonin sekoitusprosessissa onnistuminen. Yhtensä asiaa valaisevana esimerkkinä voi todeta, että Turun T3-sairaalatyömaalla saattoi nähdä Rakennuslehdenkin aikanaan julkaisemissa kuvissa rakenteita, joissa betonin ilmamäärä oli paikoin 100 %, syynä pahoin puutteelliseksi jäänyt betonin tiivistäminen. Kun betonia ei ollut ollenkaan, lujuusvaje oli luonnollisesti täydet 100 %. Tämä kuvaa työmaalla tehtävän tiivistyksen vaikutusta lujuuteen.

    Vastaa
    • Turun T3 -sairaalatyömaalta purettiin myös useita elementtivalmisteisia betoniosia, joiden tiivistäminen ei todennäköisesti ollut puutteellista. Valuvikaisia taisi muutenkin olla tasan yksi kappale? Se sama johon nyt viittaat.

      Vastaa
  • Samantyylisiä ongelmia betonin lisäaineiden kanssa oli jo Halliburtonin Meksikonlahden öljykatastrofissa. Onko sieltä jotain opittavaa?
    P.s. Puhutaan betonin liiallisesta ilmamäärästä – onko todella kyse ilmasta vai muista kaasuista, en ymmärrä miten liäaineiden reaktioissa syntyisi happea ja typpeä ja argonia

    Vastaa
  • Jussi Mattila

    Betonin sisältämässä ilmassa ei ole kyseessä (mistään kemiallisesta reaktiosta johtuvasta) kaasunmuodostuksesta vaan siitä, että huokostava lisäaine sitoo betonia sekoitettaessa seokseen joukkoon joutuvan ilman niin, että kuplat jäävät pieniksi ja jäävät siten betonin rakenteeseen.

    Vastaa
  • Voisiko joku vääntää rautalangasta, mitä on saatu selville ja mitä siitä voi päätellä. Lähinnä tuo, että vajaan sekoituksen takia huokostin ei toimi ja siksi tuottaa liikaa ilmaa betoniin. Kovin on vaikea ymmärtää, miten se on mahdollista.

    Vastaa
  • Olen kyllä odottanut paljon räväkämpiä tuloksia, kun jo kaksi työryhmää on tehnyt tutkimuksia betonin lujuusongelmasta. Robust Airin ongelma on kuitenkin sen tilaajissa. Vikaa ei voi sen vuoksi olla sementissä, lisäaineissa tai tehtaissa. Siksi vika on mylläreissä, kun eivät ole kunnolla sekoittaneet annoksia. Betoninormi vaatii 60 sekunnin sekoitusajan. Mölsän jutussa on tutkimuksessa tehty taulukko, jossa on mitattu ilmamääriä heti tuon vaaditun sekoitusajan jälkeen, sitten 60 minuutin ja 75 minuutin sekoituksen jälkeen. Ilmamäärän ei voi väittää olevan stabiili kuin yhdellä taulukon seoksella. Keskimäärin ilmaa on aluksi se vaadittu noin 5 sitten 10-15 ja lopuksi 8-10 %. No onhan se sekoitus silloin puutteellista, kun ei tule tasaisia tuloksia, mutta ei sekoitus (mylläri, sekoitin tai aika) ole asian ydin.

    Toisaalta betoninormissa sallitaan, että ilmamäärä saa poiketa ennakkokokeen tuloksen määrästä 0,5 % alaspäin ja 4 % ylöspäin. Aivan kuin ilmaongelma olisi ollut jo normin laatijankin tiedossa.

    Tässä linkissä on puolalaisten tutkimus betonin ilmavaivoista. Siinä todetaan, että CEM II/B-S sementti ja polykarboksylaattinotkistin eivät sovi yhteen. http://www.cementynapowietrzajace.polsl.pl/sites/default/files/Copatibility%20of%20superplasticizer.pdf

    Suomessa kaikki kuusi lisäainetoimittajaa myyvät notkistimia, jotka ovat ainakin tuote-esitteiden mukaan polykarboksylaatteja. Samoin suomalainen sementti, jota käytetään massiivivaluissa sisältää tuota sementtityypissä S-kirjaimella merkittyä masuunikuonaa noin 20% vuodesta 2012 lähtien.

    Odotin, että selvityksessä olisi puututtu resursseihin. Laborantti on betoniasemalla ja tekee reseptit. Nyt on vain niin että kyseiseistä titteliä ei ole enää vuosiin löytynyt betoniteollisuudesta, kun kustannuksia on karsittu. Kun tuulimyllytyömaalle vaadittiin laborantti koko päiväksi, niin sellainen kyllä löytyi, mutta työmatkaa tuli 530 km yhteen suuntaan.

    Olisi aivan mielenkiintoista tietää paljonko tarvitaan aikaa, kun tekee kaikki päivittäin, viikoittain ja puolivuosittain TR 62:ssa ja By 65:ssa vaaditut testit. Ne on tehtävä jokaisella valmistuspaikalla. Tässä kohtaa vastuussa olevat päättäjät jo vetävät syvään henkeä, mutta kellotetaan ensin. Resurssipula ei ole ongelma eikä pienet puutteet testeistä haittaa niin kauan kuin tulokset ovat priimaa. Viime vuosina on vain alettu kilpailla hinnan lisäksi resepteillä ja lujuustasolla. Seurantaa tehdään kerran kuussa. Sinne ne varmuuskertoimet ovat sitten menneet, kun ohje on saada yksi alittavakin tulos vuosittain. Kun jännitysvaijerin päät uppoaa betoniin ei enää auta yhtään, että löytyy paperilappu, jossa on oikeanlaisia lukemia lujuuksista ja ilmamääristä. Pienemmät epäonnistumiset saa vielä kuitata läpi ajanpuutteessa tekaistullakin paperilla.

    Tietotaito betonista on hiipunut Suomessa ja oikeastaan kaikki alan tutkimuskin on loppunut, koska siinä ei varmaankaan ole nähtävissä taloudellista menestymistä. Sementin kemia tunnetaan kaiken kaikkiaankin huonosti. Kemistejä jotka kehittävät alan tuotteita ei Suomessa ole. Betonin ja sementin lisäaineitten valmistajia on vain muutama koko maapallolla. Heillä on kyllä valkotakkisia kemistejä pataljoonan tai ainakin joukkueen verran jokaisella.

    Kun meidän mylläri-laborantti valitsee lisäaineitaan, niin hän turvautuu myyntimatkalla olevaan lisäainekauppiaaseen ja siihen mitä muutkin ovat käyttäneet, tai sitten pitää käyttää jonkun kilpailuttamaa tuotetta. Laborantille ”modifioitu polykarboksylaattieetteri” ei sano yhtään mitään.

    Sitä en ymmärrä, että joillakin on vielä aikaa hankkia kannuksia ja pisteitä ideoimalla sementtien ja lisäaineiden sekoituksia. Jos meillä on muutama sementtilaatu, niin aina joku keksii sekoittaa niitä tehtaalla ja saa omia hyviä ja halpoja reseptejä. Eri lisäainevalmistajien tekemien tuotteiden sekoitukset ovat sitten vieläkin arvelluttavampaa kokeilua, sanoisinko sokean kanan nokkimista.

    Lisää tietoa lujuusongelmasta näyttää saavan osallistumalla 1.11.2017 Helsingin messukeskuksen kokoustamossa by:n järjestämään Betonintutkimusseminaariin.

    Vastaa
  • Jussi Mattila

    Kommenttina Hannulle. Tässä on se ongelma, että Robust Air -tutkimuksen pohjalta on tehty mediassa ja keskustelupalstoilla aivan liian pitkällemeneviä johtopäätöksiä.

    Kokeet jouduttiin käytännön syistä tekemään melko perusteellisesti todellisesta tuotannosta poikkeavilla sekoittimilla, raaka-aineilla ja resepteillä. Siksi tutkimuksen tuloksista ei voi todellakaan päätellä, mitä todellisissa betonirakentamiskohteissa esim. Kemijärvellä on todellisuudessa tapahtunut.

    Kokeissa nähtiin, että sekoittamisella voi olla merkittävä vaikutus lisähuokoistuksen muodostumiseen myös sen jälkeen, kun massa lähtee tehtaalta.

    Samoin nähtiin, että liikaa ilmaa syntyy sitä helpommin, mitä hienorakeisempaa ja notkeampaa massa on.

    Mitään sementtiä tai lisäainetta ei voi kokeiden perusteella nostaa esille hyvässä tai pahassa, vaan valmistajien pitää kokeilla käyttämiensä reseptien ja sekoitusajan toimivuus ennakkokokeiden avulla.

    Todellisessa tuotannossa tehtyjen kokeiden perusteella voi todeta, että ilmamäärän nouseminen on kuitenkin poikkeus, ei mikään pääsääntö. Ja riski ilman noususta voidaan hallita mittaamalla betonin ilmamäärä tehtaalla ja työmaalla ennen valua.

    Vastaa
  • Eero Kumpulainen

    Kopioin tähän alle kirjoituksen, jonka laitoin Seppo Mölsän blogin kommentiksi. Siellä kukaan ei ole ottanut kantaa. Olisikohan tällä palstalla joku, joka halaisi kommentoida, kompata tai vaikka ampua alas. Pääasia on, että asia tutkitaan perusteellisesti ja puolueettomasti.

    Lehtijutun mukaan tutkimuksen lopputulos on, että liikaa ilmaa aiheuttaa betonin puutteellinen sekoittaminen. Tietääkseni niin ei tilanne ollut Kemijärvellä eikä Turussa. Kemijärvellä sekoitettiin pitkään, koska kuljetusmatka oli pitkä, Turussa betoniautot seisoivat työmaalla jonossa pitkiä aikoja ja sekoittivat massaa odottaessaan. Kummassakin tapauksessa massaa on sekoitettu ainakin ajallisesti riittävästi. Vai ovatko betoniautojen sekoitussiivet niin epäsopivat, että tehtaalla sekoitettu massa muuttuu autossa puutteellisesti sekoitetuksi ja menee pilalle. Tuskinpa.

    Betonin lisäaineilla on kullakin oma käytettävyysaikansa. Niin on hidastimilla ja niin on notkistimilla, huokostimista en tiedä. Polykarboksylaatilla käytettävyysaika on kenties lyhyempi kuin muilla notkistimilla eikä se siksi sovi pitkien kuljetusten massaksi. Polykarboksylaatin notkistusvaikutus perustuu siihen, että se on eräänlaista saippuaa, joka vaahtoaa kuten pesuaineilla on tapana. Epätoivottavaa vaahtoamista rajoitetaan lisäaineella, jonka tehoaika näyttää olevan lyhyempi kuin notkistimen vaikutusaika. Siksi massa on vielä pitkänkin ajan jälkeen hyvin valettavaa, mutta vaahtoaminen on jo alkanut.

    Edellä olevaa näkökulmaa en ole huomannut otetun esille käynnissä olevassa betonin ilmamääräselvityksessä. Näkökulma ei ole omani, sillä VTT:n tutkija TkT Anna Kronlöf on tuonut ongelman esille jo 15 vuotta sitten tehdyssä tukimuksessa ”Mistä pienet kuplat on tehty?” Asian on siis pitänyt olla kaikkien osallisten tiedossa jo kauan. Koekappaleporauksia voisi satunnaisotannan lisäksi kohdistaa sellaisiin kohteisiin, joissa kuormakirjojen mukaan tehtaan sekoitusajan ja kuorman purkuajan väli on huomattavan pitkä. Samassakin sillassa voi olla eri kohdissa olla eri pituisia kuorman purun odotusaikoja.

    Lopuksi kevennys: Jos polykarboksylaatti on muilta ominaisuuksiltaan niin ylivoimainen notkistin, että sitä halutaan aina käyttää, annetaan betoniauton kuljettajalle yksi jerrykannu lisää, jossa on vaahdonestäjää. Sitä lisätään massaan sitten, kun massaa syystä tai toisesta joudutaan sekoittamaan autossa pitkän aikaa.

    Vastaa

Vastaa

Rakennuslehden pääuutisia