Vuoriteknikkopäivät 2016 RUISKUBETONOINNIN LAATU Vice President EMEA, Normet Oy President, EFNARC

Transkriptio

1 Vuoriteknikkopäivät 2016 RUISKUBETONOINNIN LAATU Janne Lehto Vice President EMEA, Normet Oy President, EFNARC

2 RUISKUBETONOINNIN LAATU BETONITEKNIIKKA Vesi-sementtisuhteen merkitys ruiskubetonin laadulle Ruiskubetonin notkeus ja työstettävyys Hydrataatioprosessin hallinta pitkät kuljetusmatkat ja odotusajat Sementin, seosaineiden ja kiihdytinaineen vuorovaikutus Kiihdytinaineen ja oikean annostelun valinta LAITETEKNIIKKA Betonipumpun pulsaation minimointi KOKONAISVALTAINEN LÄHESTYMISTAPA - HOLISTIC APPROACH TEOLLINEN INTERNET Industrial Internet of Things RUISKUTTAJAN PÄTEVYYS Ruiskuttajatutkinto 2

3 Vesi-sementtisuhteen merkitys ruiskubetonin laadulle Ruiskubetonin ainesosat Lisäaineet Vesi - tehonotkistin - kiihdytin - HCA Sementti - muut lisäaineet Seosaineet - mikrosilika - lentotuhka, masuunikuona Ruiskubetonin korkea laatu perustuu vesi-sementtisuhteen hallinnalle! Betonin koostumus tilavuusosuuksina Lisäaineet <1% Ilma 4% Sementti & seosaineet 12% Vesi 18% Hieno runkoaines 25% Runkoaines < 8 mm Kuidut Karkea runkoaines 41% - teräskuidut - muovikuidut (makro rakenteellinen vahvistus) - muovikuidut (mikro - palosuojaus) 3

4 Vesi-sementtisuhteen merkitys ruiskubetonin laadulle Matala vesi/sementtisuhde vct << 0.45 Sementtipartikkelien etäisyys pieni, hyvä varhaislujuus, korkea loppulujuus, matala huokoisuus ja permiabililitetti Korkea vesi/sementtisuhde vct > 0.45 Sementtipartikkelit hajaantuneet, heikko lujuus, korkea huokoisuus ja permiabiliteetti Suuri vesimäärä levittää sementtipartikkelit liian kaus toisistaan, jolloin hydrataatiotuotteet eivät riitä täyttämään välejä. 4

5 Vesi-sementtisuhteen merkitys ruiskubetonin laadulle Vicat -neula testi, AFA-kiihdytin, sementti 415 kg Korkea vesi-sementti suhde vaikuttaa negatiivisesti ruiskubetonin jäykistymiseen varhaislujuuden kehitykseen hukkaroiskeeseen loppulujuuteen kestoikään, kemialliseen kulutuskestävyyteen (durability) 5

6 Ruiskubetonin notkeus ja työstettävyys Betonin hydrataatioprosessin tarvisema teor. vesimäärä = 25% sementin painosta (teorettinen vs-suhde = 0,25) Käytännössä vettä tarvitaan enemmän betonin tekemiseksi työstettäväksi Ylimääräinen vesi heikentää merkittävästi betonin laatua veden määrä pitää minimoida! Veden määrän minimointi tehdään korkean suoriuskyvyn tehonotkistimilla (superplasticizer / high range water reducer) 6

7 Ruiskubetonin notkeus ja työstettävyys P= Plasticizer (notkistin), SP = Superplacticizer (tehonotkistin), HP = Hyperplacticizer (hypernotkistin) Vettä vähentävä vaikutus / vaatimus: P 5-12%, SP 12%, HP % Perinteiset notkistimet Hypernotkistimet 1930: Lignosulphonate P 8% 1995: Polycarboxylate HP 40%! 1940: Naphthalene SP 15% 1975: Melamine SP 15% 7 - Kemianteollisuuden sivutuotteita tai - Suunniteltu erityisesti betonille niiden synteettisiä johdannaisia - Useita eri tyyppejä, räätälöityä kemiaa - monikäyttötuotteita betoniteollisuuden eri tarpeisiin - vaikutus 0,5-1,5 h - pitkä vaikutus ->4-5 h

8 Ruiskubetonin notkeus ja työstettävyys Betonin hydrataation teoreettinen vedentarve Vesi-sementti suhde tulisi olla aina << 0.45, mieluiten < 0,4 8

9 Ruiskubetonin notkeus ja työstettävyys Painuman mittaus (RB: mm) Leviämän mittaus (RB: cm) SFS-EN 206: Painuma luokka ja painuma (mm) S S S S S

10 Ruiskubetonin hydrataatioprosessin hallinta HCA = Hydration Control Agent Kemiallinen kalvo suojaa sementtipartikkelit ja estää hydrataatioprosessin alkamisen betonin kuljetuksen aikana Annostelu 0,3-2 % betoniasemalla ja mahdollinen lisäys betoniautossa HCA vaikutus poistuu silmänräpäyksessä kiihdytinaineen vaikutuksesta Lujuudenkehitys maksimoidaan kiihdytinaineen päästessä reagoimaan tuoreiden sementtipartikkileiden kanssa HCA:lla voidaan pitää betoni auki pitkään jopa useita vuorokausia! 10

11 Sementin valinta Sementin sitoutuminen ja lujuuden kehitys määräytyvät käytetyn sementin erityisominaisuuksien mukaan Ruiskubetonoinnissa käytettävät yleisimmät sementtityypit (lujuusluokka 42,5 tai 52,5) - CEM I portlandsementti (max 5 % seosaineita) C 3 A- pitoisuus (9 13 %) sulfaatinkestävä portlandsementti (C 3 A < 3 %) - CEM II portlandseossementti (6-20% seosaineita) Sulfaatinkestävää versiota käytetään erityisesti kemiallisesti rasitettuihin kohteisiin (esim. suolavesi) 11

12 Sementin, seosaineiden ja kiihdyttimen vuorovaikutus Kiihdytinaine reagoi ainoastaan sementin kanssa! Lentotuhkaa tai granuloitua masuunikuonaa sisältävät seokset tarvitsevat usein tavallista enemmän kiihdytintä, koska tavallisen portlandsementin on toimittava tehokkaammin saavuttaakseen vaaditun kovuuden Hyvin suuri kiihdytinannos saattaa kuitenkin aiheuttaa muita ongelmia, kuten ruiskubetonin heikon laadun/kestävyyden sekä kustannusten nousua Korkean suorituskyvyn ruiskubetonissa tulisi aina minimimoida seosaineiden määrä ja käyttää ainoastaan CEM I sementtiä! Lentotuhka ei reagoi kiihdyttimen kanssa joten sitoutuminen ja lujuuden kehitys voivat hidastua. 12

13 Kiihdytinaineen ja oikean annostelun valinta Perinteiset kiihdytinaineet ( luku) - alkalinen (emäksinen), korkea ph = esim. vesilasi (sodium/natrium silicate) - vesilasi ei reagoi sementin kanssa, korkea viskositeeti, enemmän liima/jäykistin kuin kiihdytinaine, - heikentää merkittävästi loppulujuutta (28 vrk) - > 40 MPa rakenteiden tekeminen käytännössä vaikeaa tai mahdotonta Alkalivapaat kiihdytinaineet (AFA) - AFA = Alkali Free Accelerator - lievä happo, ph = aito kiihdytinaine, korkea varhaislujuus, parempi työturvallisuus, parantaa betonin loppulujuutta (28 vrk) AFA kehitettiin 1990-luvulla Suomessa laajemmin käyttöön 2000-luvulla ja korvannut alkalia sisältävät kiihdytinaineet käytännössä kokonaan 13

14 Kiihdytinaineen ja oikean annostelun valinta AFA ennakkokokeet työmaalla varhaislujuuden toteamiseksi kolmella eri kiihdytinaineella ja kolmella (3%, 5 % ja 7 %) annostuksella 14

15 Kiihdytinaineen ja oikean annostelun valinta 3 % annostelu 5 % annostelu 12,0 12,0 10,0 10,0 8,0 8,0 5 Mpa - 6 h 5 MPa - 5 h 6,0 6,0 4,0 4,0 2,0 2,0 0,0 4h 6h 8h 0,0 4h 6h 8h Acc A 3 % Acc B 3 % Acc A 5% Acc B 5% 15

16 Kiihdytinaineen ja oikean annostelun valinta 12 7 % annostelu 10 5 MPa 4,5 h h 6h 8h Acc A 7% Acc B 7% 16

17 Ruiskubetonin varhaislujuus Hyvä varhaislujuus mahdollistaa: - paksujen kerrosten ruiskuttaminen kerralla - hukkaroiskeen minimointi - vähemmän rb-työvaiheen aloituksia ja lopetuksia - homogeeninen ruiskubetonirakenne ja vähemmän möksyjä - nopeampi tuenta, seuraavan työvaiheen aloittaminen aikaisemmin - nopeampi peränajo, suurempi työteho, lyhyempi kokonaisaikataulu - alhaisemmat aikaansidonnaiset kustannukset - laadukkaampi lopputulos - parempi työturvallisuus 17

18 Ruiskubetonin varhaislujuus Ruiskubetonin varhaislujuusluokat SFS EN Esimerkki korkean suorituskyvyn ruiskubetonista: - sementti SR CEM I 42,5 450 kg, - vs-suhde < 0,4 - kiihdytin AFA 5 % - tunnelin lämpötila 14 C o Lujuusluokka J 1 Betoni voidaan ruiskuttaa ohuina kerroksina kuivalle alustalle. Ruiskutuksen jälkeen rakenteelta ei edellytetä lujuutta ensimmäisten tuntien aikana ruiskutuksesta. Lujuusluokka J 2 Betoni ruiskutetaan edellistä paksumpina kerroksina ja suuremmalla teholla. Betonia voidaan myös ruiskuttaa vaikeissa olosuhteissa kuten alustalle, jossa on jossain määrin vedenvuotoa. Luokka mahdollistaa louhintayön välittömän jatkamisen. Lujuusluokka J 3 Luokka on tarkoitettu erittäin rikkonaisen ja voimakkaasti vettä vuotavan kallion ruiskubetonointiin. Luokkaa J 3 käytetään vain erikoistapauksissa 18

19 Ruiskubetonin varhaislujuus Uusimman sukupolven tehonotkistuskemikaalien (hypernotkistimet) ja alkalivapaan kiihdytinaineiden (AFA) tulo markkinoille luvun alkupuolella on mahdollistanut korkean suorituskyvyn ruiskubetonin toteuttamisen. 19

20 Ainesosat runkoaineet 2 EFNARCin suositus ruiskubetonin runkoaineen yhdistetyn runkoaineen rakeisuuskäyrä alueeksi Läpäisyarvo (%) Seulakoko (mm) ENC 301 SpC

21 Pulsaatio ruiskubetonoinnissa Perinteisen betonpumpun (2- mäntäpumppu) pulssin erottaa valkoiseksi muuttuvasta suihkusta, jolloin ruiskusuuttimesta tulee ulos paineilmaan sekoittunutta kiihdytinainetta Oletus 2000-luvun alusta alkaen Ruiskutettavaan rakenteeseen syntyy kiihdytinainekasaumia ja epähomogeenisuutta, millä voi olla negatiivinen vaikutus rb:n laadun kannalta 21

22 Betonipumpun pulsaation minimointi Crossrail project, UK Korkean pulsaation ruiskutuksella tehdystä rakenteesta poratuissa näytteissä näkyy kiihdytinainekasaumista johtuvia juovia ja epähomogeeninen rakenne. 22

23 Betonipumpun pulsaation minimointi Crossrail project, UK 10% Epähomogeeninen lujuuden kehitys on merkki pulsaatiosta! 8% Increased number of stripes with increased accelerator dosage or increased pulsation... Or both. 23

24 Betonipumpun pulsaatio ruiskubetonoinnissa Crossrail, UK, project outcome: Conventional sprayed concrete equipment can pulse and cause significant structural issues! 24

25 Betonipumpun pulsaation minimointi Perinteinen betonipumppu korkea pulsaatio Betonin virtaus Kiihdytinaineen virtaus Matalan pulsation ruiskubetonipumppu Pulsaation minimointi tarkoittaa pulssien määrän minimointia sekä yksittäisen pulssin minimointia betonipumpun sylinterien älykkäällä ohjauksella Pulssien määrä eri kokoisilla betonisylintereillä - 1 m3 betonia: Sylinterikoko D200 mm x L800 mm 35 pulssia Sylinterikoko D150 mm x L600 mm 94 pulssia 2,7 kertainen määrä! 25

26 26 Low Pulsation Spraying - Spraymec 8100 on Crossrail UK

27 27 Matalan pulsaation ruiskutus - Spraymec 8100 Leppävaara

28 Betonipumpun pulsaation minimointi Laadukkaan ruiskubetonin tekeminen edellyttää: Matalan pulsaation betonipumppaus Jatkuvan virtauksen kiihdytinainepumppauksen synkronoituna betonipumpun tuottoon Hyvin työstettävän betonin, jotta betonisylinterin täyttöaste voidaan maksimoida Pätevän ruiskuttajan Lopputulos Crossrail -project UK: Matalan pulsaation ruiskutuksella tehty koelaatan halkaisu näyttää homogeenisen ruiskubetonirakenteen, jossa ei ole kiihdytinainekasaumia. 28

29 Holistic Approach Hypernotkistimet Matala vs- suhde Hyvä työstettävyys Hydrataation kontrollikemikaali (HCA), betonimassa auki ja sementtipartikkelit tuoreina varhaislujuuden maksimoimiseksi 3-72 tuntia Alkalivapaa kiihdytinaine, hyvä varhaislujuus ja loppulujuus, turvallisuus CEM I sementti Mikrosilika Matalan pulsaation betonipumppaus & pätevä ruiskuttaja Korkean suorituskyvyn ruiskubetoni 29

30 Ruiskubetonin varhaislujuus Holistic approach: Paras varhaislujuuden kehitys mahdollista saavuttaa, kun koko betonikemia (notkistin, hca, kiihdytin, jne.) testataan etukäteen ja varmistetaan kemian yhteensopivuus 30

31 Teollinen internet ruiskubetonointiin Visualization & Data analysis Data Mule Data logging Sprayed concrete UG Wireless Access point Data logging Laser scanning

32 Fleet monitoring showing key KPIs and alarms Spraymec MF050D m3 9000m3 Engine 615h Powerpack 540h 75h 85h Spraymec MF050D m3 9110m3 Engine 820h Powerpack 540h 150h Utimec LF100D t 3020t Engine 2920h 20h

33 Sprayed concrete monitoring Accelerator usage Concrete temperature Ambient temperature Accelerator temperature Concrete pump speed Concrete pump hydraulic pressure Concrete (m3) used last shift Accelerator (L) used last shift

34 Miksi ruiskuttajan sertifiointi Kuvan mukaiset ruiskubetoninäytteet ruiskutettu samalla betonimassalla, samasta betonikuormasta, samalla kalustolla, mutta eri operaattorin toimesta. Kysymys: kumman ruiskuttajan valitsette seuraavalle työmaalle? Pätevä ruiskuttaja on viime kädessä tärkein laatutekijä ruiskubetonoinnin laadun takaajana. ja hänen taito ja osaaminen ansaitsee tulla todetuksi ja todistetuksi. 34

35 Ruiskutustekniikka- Hukkaroiske ENC 301 SpC

36 EFNARC Ruiskuttajatutkinto Sertifiointiohjelma päteville ruiskuttajille, jotka kykenevät osoittamaan teoreettisen, teknisen ja käytännön osaamisensa näyttökokeessa. Näyttökoe tehdään 1 työpäivän aikana työmaalla: teoriakoe, ruiskutusnäyttö, haastattelu, yhteenvetokeskustelu. Ruiskuttajan näyttökokeen vastaanottaa tutkinnon vastaanottaja (Examiner), joka on erikseen akkredidoitu EFNARC:n toimesta 3 pv kestävällä tutkinnon vastaanottokurssilla. Tutkinnon vastaanottajien kurssin teoria tunti, Hagerbach Test Gallery. EFNARC kouluttaja käy läpi ruiskuttajan koulutusmateriaalia 36

37 Tutkinnon vastaanottajien kurssi Ruiskubetonin ennakkotestien demostraatio tutkinnon vastaanottaja kandidaateille EFNARC kouluttajan toimesta, Hagerbach Test Gallery. 37

38 Tutkinnon vastaanottajan kurssi Oikeiden ja väärien työmenetelmien demonstronti ruiskubetonilaitteella tutkinnon vastaanottajakanditaateille, Hagerbach Test Gallery. 38

39 Ruiskuttajatutkinto tilanne toukokuu 2016 Lanseerattiin syksyllä 2009 ensimmäisen tutkinnon vastaanottajien kurssin myötä Hagerbach:ssa. 80+ serifioitua tutkinnon vastaanottajaa: Europe 42%, Middle East 5%, Asia Pacific 27%, North America 5% Latin America 21% 200+ sertifioitua ruiksuttajaa: Europe 66% (52% UK), Middle East 4%, Asia Pacific 9% North America 1%, Latin America 20% 39

40 Ruiskuttajatutkinto tilanne toukokuu 2016 EFNARC kurssimateriaali (150 sivun PP -esitys) valmiina neljällä kielellä: English, Spanish, Italian ja Suomi. EFNARC kiittää Mapei, Normet and Putzmeister, tähänastisesta käännöstyöstä Kurssimateriaali ladattavissa ilmaiseksi EFNARC:n sivulta: Käännöstyö jatkuu seuraavaksi: Ranska, Kiina, Hindu,. 40

41 Kysymykset ja lisätiedot EFNARC Presidentti: Janne Lehto, FIN, EFNARC:n Sihteeri: Dr. Roland Harbron, UK,