Mitä betoni on? Perustietoa betonista Risto Mannonen. Suomen Betoniyhdistys ry. Suomen Betoniyhdistys r.y. 1 (95) Risto Mannonen

Transkriptio

1 Mitä betoni on? Perustietoa betonista 2016 Suomen Betoniyhdistys ry 1 (95)

2 Betoni Määritelmä Rakennusaineena käytettävä, betonimassasta kovettumalla syntyvä tekokivi. Ihmisen maailmassa eniten valmistama materiaali. Syyt materiaalin laajaan käyttöön ovat mm.: Raaka-aineita helposti saatavissa ja valmistettavissa Yksinkertaisen betonin valmistaminen ei vaadi korkeaa ammattitaitoa Lopputulos kestää kosteutta 2 (95)

3 Vuonna 2014 sementtiä valmistettiin maailmassa 4,3 miljardia tonnia. 3 (15)

4 Tällä määrällä valetaan yli 10 miljardia m 3 betonia Tällä betonilla voitaisiin valaa Kairon suuria pyramideja joka toinen tunti! 4 (95)

5 Betonin koostumus Yleisimmin betonin koostumus ilmoitetaan sementin, kiviaineksen ja veden massamäärinä ja ilman tilavuutena kuutiometriä kohden. Koostumus voitaisiin esittää myös paino- tai tilavuusosuuksina, tai prosentteina. Seuraavassa yksi esimerkki tavallisen betonin koostumuksesta em. tavoilla ilmoitettuna: määrä/m 3 paino-% tilavuus-% sementti 250 kg 10,6 8 kiviaines 1920 kg 81,7 72 vesi 180 kg 7,6 18 ilma 20 dm3-2 5 (95)

6 6 (95)

7 Betonin ominaisuudet Betonimassan, eli sementin, runkoaineen, veden ja mahdollisten lisäaineiden ennen kovettumistaan muodostaman seoksen, keskeinen ominaisuus on työstettävyys. Riittävä notkeus takaa hyvän työstettävyyden. Notkeus määritetään yleensä: painumana leviämänä muodonmuutosaikana Lisäksi itsetiivistyvällä betonilla on omat notkeusluokitukset 7 (95)

8 Painumaluokat Luokka S1 S2 S3 S4 S5 1) Painuma mm (95)

9 Leviämäluokat Luokka F1 1) F2 F3 F4 F5 F6 1) Leviämän halkaisija mm (95)

10 Lujuus Kovettuneen betonin ominaisuuksista lujuus on eniten seurattu. Puhekielessä lujuus = puristuslujuus Betonin luokitellaan nimellislujuutensa mukaan: esim. K30 = 30 MN/m 2 tai 30 N/mm 2 tai 30 Mpa (ikivanha tapa oli ilmoittaa tämä 300 kg/cm 2 ) Myös muita lujuuksia mitataan ja vaaditaan, kuten esimerkiksi taivutus- tai halkaisulujuuksia 10 (95)

11 Betoni kestää puristusta hyvin. Perusbetonista (K30) voitaisiin puristuslujuuden perusteella tehdä yli kilometrin korkuinen tasapaksu torni. Betonilla on huono vetolujuus. Kuorma-auton pyörä riittää katkaisemaan lujan epätasaisesti tuetun laatan helposti. Tämän vuoksi betoni joudutaan yleensä raudoittamaan! 11 (95)

12 Esimerkki: 1 betonilaatta 50 cm * 50 cm *5 cm kestää 1000 tonnia tasaista kuormitusta Laatta kestää 50 täyden betoniauton painon 12 (95)

13 Esimerkki: betonilaatta 50 cm * 50 cm *5 cm ei kestä epätasaista kuormitusta Yhden henkilöauton paino riittää katkaisemaan laatan 13 (95)

14 Raudoitetun rakenteen toiminta 14 (95)

15 Leikkauksen vaikutus 15 (95)

16 Pilarin raudoitus 16 (95)

17 Säilyvyys Paitsi mekaaniselle rasitukselle, betoni joutuu myös ympäristörasituksille alttiiksi. Suomessa merkittävät betonin elinikää rajoittavat rasitukset johtuvat pakkasesta ilman hiilidioksidin ja sementin hydrataatiotuotteiden välisistä reaktioista jotka johtavat betoniterästen ruostumiseen 17 (95)

18 Betonimateriaalit 18 (95)

19 Betonin osa-aineet Sideaineet: sementti seosaineet Lisäaineet Kiviaineet 19 (95)

20 Rakennussementit Kalkkikivestä sementiksi 20 (95)

21 Sementtiä valmistetaan tarkassa valvonnassa = 21 (95)

22 22 (95)

23 Sementin ominaisuudet Kemiallinen koostumus, seosaineet Sementin reaktiot veden kanssa reaktiotuotteena luja ja kestävä sementtikivi ensin aluminaattiyhdisteet (kipsi) lujuudenkehitys: C 3 S ja C 2 S 23 (95)

24 Sementti veden lisäyksen jälkeen Plastinen tila Betoni sekoitettavissa ja valettavissa Sitoutuminen plastisuuden menetys lämpötila riippuvainen Lujuuden kehitys alkaa ~ 4-6 tunnin kuluttua jatkuu niin kauan kuin vettä ja sementtiä on käytettävissä 24 (95)

25 Sementtien lujuudenkehitys Puristuslujuus (MPa) Pika Rapid Mega Yleis SR Valko Ikä (d) SFS-EN (95)

26 Hienous ominaispinta-alan mukaan (Blaine) m 2 /kg suurempi ominaispinta-ala > enemmän reaktiopinta-alaa > sitoutuminen ja lujuudenkehitys nopeutuu vedentarve Pika~ 530 m 2 /kg, SR~ 330 m 2 /kg, Valko ~ 400 m 2 /kg 26 (95)

27 Sementtilajin tunnus CEM I Portlandsementti CEM II Portlandseossementti CEM III Masuunikuonasementti CEM IV Pozzolaanisementti CEM V Seossementti sisältää seosainetunnuksen Lujuusluokan tunnus 32,5, 42,5 tai 52,5 Varhaislujuuden tunnus R tai N 27 (95)

28 Sementtien seosaineet S masuunikuona L kalkkikivi (orgaaninen hiili 0,50%) LL kalkkikivi (orgaaninen hiili 0,20%) D silika P, Q pozzolaanit V, W lentotuhka T poltettu liuske Pääsääntöisesti CEM I sivuosa-aineita 0 5 % CEM II/A seosaineita 6 20 % CEM II/B seosaineita % 28 (95)

29 SFS-EN 197-1: Vaatimukset lujuusluokittain Lujuusluokka Varhaislujuus Puristuslujuus MPa Standardilujuus Sitoutumis ajan alku Tilavuuden pysyvyys ( paisuma) 2 vrk 7 vrk 28 vrk min mm 32,5 N - 16,0 32,5 R 10,0-32,5 52, ,5 N 10,0-42,5 R 20,0-42,5 62, ,5 N 20,0-52,5 R 30,0-52, (95)

30 Seosaineet Suomessa käytettävät betonin seosaineet ovat: Lentotuhka Masuunikuona Silika Seosaineita käytetään paitsi pienentämään sideainekustannuksia myös kun betonille tavoitellaan uusia ominaisuuksia. Tällaisia ominaisuuksia on esimerkiksi: sulfaatinkestävyys alhainen hydrataatiolämpö kemiallinen kestävyys koossapysyvyys vesitiiveys 30 (95)

31 Lentotuhka Lentotuhka on pozzolaaninen aine, se tarkoittaa, että lentotuhka reagoi sementin hydrataatiossa syntyvän kalsium hydroksidin kanssa muodostaen kalsiumsilikaattihydraattigeeliä. Betoninormin mukaan suurin sallittu lentotuhkalisäys betoniin on 45 % ja pakkasrasitetuissa ja eräissä kloridille alttiissa rakenteisssa 30 % portlandsementtimäärästä. Vähän rasitetuissa rakenteissa (rasitusluokat X0 ja XC1) lentotuhkalisäys voi olla merkittävästi suurempikin. 31 (95)

32 Lentotuhkan rakenne 32 (95)

33 Masuunikuona Masuunikuonaa syntyy raakaraudan valmistuksen sivutuotteena. Kuonan sideaineominaisuudet riippuvat paitsi kuonan kemiallisesta koostumuksesta niin varsinkin sulan kuonan jäähdytystavasta. Nopeasti veden avulla jäähdytetyllä, eli granuloidulla, kuonalla on sementtisiä ominaisuuksia. 33 (95)

34 Silika Silikaa syntyy piin ja ferropiin valmistuksen yhteydessä, kun prosessissa syntyvää SiO 2 -kaasua kiinteytetään. Se on erittäin hienojakoista amorfista piidioksidia ja on kuten lentotuhka pozzolaani. Betonitekniikassa Suomessa silikaa on käytetty perinteisesti korkealujuuksisten betonien valmistamisessa. Tiehallinnon Sillanrakentamisen yleisissä laatuvaatimuksissa, Betonirakenteet SYL 3, sanotaan silikasta seuraavaa: Jos sulfaatinkestävää portlandsementtiä käytetään kloridikorroosiorasitetuissa rakenneosissa kuten meriveden vaihtelualueen ja roiskeiden alaisissa rakenteissa, reunapalkeissa ja risteys- ja alikulkusiltojen pilareissa, lisätään betonin tiiviyden parantamiseksi betonimassaan silikaa 3 5 % sideaineen määrästä. Silikan käyttö kasvattaa betonin vedentarvetta. Silikan kanssa on aina käytettävä notkistavia lisäaineita. 34 (95)

35 Silikarakeen halkaisija on 0,1-0,3 μm 35 (95)

36 Osa-aineiden tyypillisiä hienouksia (ominaispinta-ala Blaine) Sementti m 2 /kg Kuona 400 m 2 /kg Lentotuhka 250 m 2 /kg Kiviaineksen <0,125 mm 100 m 2 /kg Silika m 2 /kg 36 (95)

37 Betonin lisäaineet Betonitekniikassa kutsutaan lisäaineiksi betonimassaan pieninä annostuksilla lisättäviä kemiallisia yhdisteitä, jotka vaikuttavat joko tuoreen tai kovettuneen betonin ominaisuuksiin. 37 (95)

38 Yleistä Syyt lisäaineiden käyttöön voivat olla taloudellisia, eli lisäainetekniikalla pienennetään raakaainekustannuksia. Tyypillinen sovellus on esimerkiksi, kun notkistinta käytetään sementin vähentämiseen tai alkulujuutta nostetaan kiihdytintä lisäämällä. tai teknisiä, eli lisäainetekniikalla tavoitellaan ominaisuuksia, joita ei ilman lisäaineita kyetä saavuttamaan. Tällaisia sovelluksia ovat mm. pakkasenkestävät, nesteytetyt tai itsetiivistyvät betonit sekä korkealujuusbetonit. 38 (95)

39 Lisäainetyypit Notkistimet Tehonotkistimet ja nesteyttimet Huokostimet Kiihdyttimet Hidastimet Tiivistysaineet Injektioaineet Muut 39 (95)

40 Tehonotkistimen käyttö 40 (95)

41 Kiihdyttimen ja hidastimen vaikutus lujuudenkehitykseen 41 (95)

42 Kiviainekset Valtaosa betonin tilavuudesta on runkoainetta eli yleensä kiveä. Idea betonin valmistuksessa onkin juuri se, että betoni sisältää mahdollisimman paljon kiveä, joka sitten liimataan sementtiliimalla kiinni toisiinsa. Kiviaineksen suuren tilavuusosuuden saamiseksi tulee kiviaineksen olla hyvin pakkautuvaa, eli raekooltaan sellaista, että tiivistämisen jälkeen kiviainesrakeiden välissä on mahdollisimman vähän tyhjää tilaa, 42 (95)

43 Kiviainekset Betonissa käytetyt kiviainekset ovat joko luonnon muovaamaa tai kalliosta tai sorasta murskattua ja seulottua kivimateriaalia. Betonia valmistettaessa kiviaineesta on tiedettävä: Rakeisuus (raekokojakauma) Kiintotiheys Vedenimu Kosteus 43 (95)

44 Sallitut poikkeamat 4/12 44 (95)

45 Kiintotiheys ja vedenimeytyminen Määritetään standardin SFS-EN (95)

46 Vesi betonin valmistamisessa Vettä tarvitaan betonin valmistamisessa, jotta: Betonimassalle saadaan riittävä notkeus Sementti tarvitsee kovettumiseensa vettä Betonin lujuus määräytyy betonin vesisementtisuhteen mukaan, eli suuret vesimäärät johtavat suuriin sementtimääriin ja siten kalliiseen betoniin. 46 (95)

47 Vesi-sementtisuhteen yhteys betonin puristuslujuuteen eri sementeillä (betoni huokostamaton, ilmaa 20 dm3/m3) puristuslujuus MPa ,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 vesi-sementtisuhde Yleis N=50 MPa Rapid N=55 MPa Valko N=77 MPa 47 (27)

48 Veden soveltuvuus betonin valmistukseen SFS-EN 1008 mukaan Talousvesi soveltuu aina Betoniteollisuuden kierrätysvesi, pohjavesi, luonnon pintavesi tai teollisuuden jätevesi soveltuu usein, mutta ne on aina on testattava Merivesi ei sovellu raudoitetun tai jännitetyn betonin valmistukseen Viemärivesi ei sovellu betonin valmistukseen 48 (95)

49 Suuret vesimäärät Vesimäärän liian suuri määrä betonin betonin valmistamisessa johtaa usein rakenteen halkeiluun johtuen kuivumiskutistumasta massiivisten rakenteiden lämmönkehityksestä, koska vesimäärän kasvaessa myös sementtiä on lisättävä massaan 49 (95)

50 Vesi valun jälkeen Betonin kovettuminen perustuu sementin ja veden reaktioon, siksi on tärkeää, että betoni ei valun jälkeen kuivu, vaan pidetään kosteana = jälkihoito Vaadittava jälkihoitoaika riippuu betonin lämpötilasta ja betonille asetettavista vaatimuksista. Kesällä viikko lienee käytännössä minimiaika. Talvella tarvittava aika voi olla paljon pitempikin. Erityisen vahingollista on, mikäli vesi haihtuu betonin pinnalta betonin ollessa vielä plastisessa tilassa! 50 (95)

51 Plastinen kutistumahalkeilu Määritelmä: Plastinen kutistumahalkeilu alkaa, kun tuoreen betonimassan pinnalta haihtuu enemmän vettä kuin betonista erottuu 51 (40)

52 Plastinen kutistuma Plastinen kutistuma ja siitä johtuva halkeilu on ensikädessä riippuvainen ulko-olosuhteista ja betonin lämpötilasta. Toisaalta betonin vähäinen vedenerottuminen kasvattaa halkeilun riskiä. 52 (40)

53 Veden haihtuminen betonipinnasta kertoo ilmassa olevan veden määrän kertoo betonin kyvystä haihduttaa vettä kertoo haihtumisnopeuden ja tuulen vaikutuksen siihen 53 (40)

54 Veden haihtuminen vettä haihtuu sitä enemmän, mitä kovempi on tuuli vettä haihtuu sitä enemmän, mitä vähemmän ilmassa on vettä H 2 O vettä haihtuu sitä enemmän, mitä lämpimämpää betoni on 54 (40)

55 55 (40)

56 56 (40)

57 Kuivumiskutistuma 57 (40)

58 Kuivumiskutistuma on seurausta ylimääräisen veden haihtumisesta kovettuneesta betonista. Kutistuma on sitä suurempi mitä enemmän betonin valmistamiseen on käytetty vettä Suuret kutistumat johtavat betonin halkeiluun 58 (40)

59 Kiviaineksen ylänimellisrajan vaikutus kuivumiskutistumaan K30 BETONI, YLEISSEMENTTI Kutistuma, mm/m 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 8 mm 16 mm 32 mm 64 mm 0, Painuma /mm 59 (40)

60 60 (40)

61 Betoni ja lämpö 61 (95)

62 Betonin lämpötilaa on seurattava, koska lujuudenkehitys johtuu paitsi ajasta varsinkin rakenteen lämpötilasta. Lujuus tulee tietää, jotta tiedetään, koska muotit voidaan purkaa koska jälkihoito voidaan lopettaa koska jäätymislujuus saavutetaan Lisäksi liian korkea lämpötila vahingoittaa betonia. 62 (95)

63 Betonimassan lämpötila 63 (95)

64 Lujuusvaatimuksia 0,5 0,8 K Älä päästä kuivumaan 64 (95)

65 Betonin jäätyminen Betoni ei saa jäätyä nuorena (lujuus < 5 MPa) Oheinen tapaus Lahdesta (95)

66 Jälkihoidon tarve 66 (95)

67 Korkeat lämpötilat Liian korkea lämpötila aiheuttaa ensisijassa lujuuskatoa ja saattaa myös johtaa myöhemmin betonin vaurioitumiseen. Korkeita lämpötiloja esiintyy kovassa lämpökäsittelyssä massiivirakenteissa 67 (95)

68 Esimerkki massiivirakenteesta Lämpötila 68 (95)

69 Betonin väri Betonin väriin vaikuttaa: Sementin väri (harmaa- / valkosementti) Kiviaineksen hienon osan väri Käytetyt pigmentit Vesi-sementtisuhde Useat betonin valuvaiheen olosuhteet: betonin lämpötila jälkihoito muottimateriaali yms. 69 (95)

70 Esimerkki vaaleusvaihtelusta Keilaniemessä 70 (95)

71 Väribetonit Musta Punainen Keltainen Ruskea Vihreä Valkoinen Sininen rautaoksidi rautaoksidi rautaoksidi rautaoksidi kromioksidi vihreä titaanioksidi (kobolttipohjainen) 71 (95)

72 BETONIN OMINAISUUDET JA VAATIMUKSET 72 (95)

73 Kaikkea Suomessa valmistettavan betonin ja rakenteiden laatua valvotaan kolmannen osapuolen toimesta (yleisimmin Inspecta- Sertifiointi) Betonin osalta tutkittavia ominaisuuksia on puristuslujuus notkeus pakkasenkestävyys Rakenteiden tulee olla suunnitelmanmukaisia. Tärkeä seikka on terästen suojabetonipeitteen paksuus. 73 (95)

74 Puristuslujuuden valvonta Vaatimukset on annettu yksittäiselle koetulokselle jokaiselle betonilaadulle (jäsenelle) ko. betonityypin koko tuotannolle (perheelle) 74 (95)

75 Notkeuden valvonta Nykyisin betonit luokitellaan notkeutensa perusteella valvottavissa oleviin luokkiin. Aikaisemmin luokitus tapahtui vaikeasti mitattavan muodonmuutosajan perusteella. Nyt notkeus luokitellaan pääsääntöisesti painuman mukaan. 75 (95)

76 Pakkasenkestävyys Pakkasenkestävyys todetaan seuraavasti: Muodostetaan samantapaisista betoneista arvosteluerä Betonille tehdään ennakkokokeet Laatua valvotaan tuotannon aikana Määräajoin tehdään tasokokeet 76 (95)

77 Betonissa syntyy pakkasvaurioita, kun huokosissa oleva vesi jäätyy. Koska jään tilavuus on vettä suurempi, synnyttää jäätyvä vesi painetta, joka rikkoo ympäröivää betonia. Betonin valmistamisessa käytetty vesi on kovettuneessa betonissa kolmessa eri muodossa: kemiallisesti sitoutuneena sementtiin geelihuokosissa kapillaarihuokosissa 77 (95)

78 Kemiallisesti sitoutunut vesi Sementtiin täydellisesti hydratoituessa siihen sitoutuu kemiallisesti noin 25% vettä sementin painosta. Yksinkertainen yhtälö kuvaa tätä kemiallista reaktiota: CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Kalsiumhydroksidia on kovettuneessa betonissa omana mineraalina, portlandiittina sekä muissa hydrataatiotuotteissa, esimerkiksi kalsiumsilikaattihydraattigeelissä (CSH-geeli) 78 (95)

79 Geelihuokoset Geelihuokosia syntyy hydrataation sivutuotteena. Niiden tilavuus koko sementtigeelin tilavuudesta on noin neljännes. Geelihuokoset ovat kooltaan erittäin pieniä, läpimitaltaan vain noin 0,1...5 nm. Geelihuokoset ovat normaaliolosuhteissa aina veden täyttämiä. Siitä huolimatta ne ovat pakkasenkestävyyden kannalta ongelmattomia, sillä niissä esiintyvä vesi ei huokoskoon pienuuden vuoksi yleensä jäädy normaaleissa ulko-olosuhteissa. 79 (95)

80 Kapillaarihuokoset Sementti tarvitsee täydelliseen hydrataatioon noin 45% painostaan vettä, eli 25% kemiallisesti sitoutuneena 20% geelihuokosten täytteeksi Loput sekoitusvedestä muodostavat kapillaarihuokosia. Korkea vesi-sementtisuhde saa aikaan betonissa suuren kapillaarihuokoisuuden. 80 (95)

81 Betonin huokostaminen Tehokkain tapa vaikuttaa betonin pakkasenkestävyyteen on betonin lisähuokostaminen. Huokostavia lisäaineita käyttämällä sementtikiveen saadaan syntymään läpimitaltaan noin 0,01...0,5 mm olevia suojahuokosia, jotka eivät kapillaarisen imun vaikutuksesta täyty vedellä. Näihin täyttymättömiin ilmahuokostiloihin kapillaarihuokosissa olevan veden jäätyessä syntyneiden jääkiteiden kasvun aiheuttama paine pääsee purkautumaan. 81 (95)

82 Suojahuokosten toiminta 82 (95)

83 Paitsi ilman määrä myös huokosjako on pakkasenkestävyyden kannalta tärkeä 83 (95)

84 Pakkasrapauma 84 (95)

85 Pakkasvaurio 85 (95)

86 Pakkassuolarapauma 86 (95)

87 Karbonatisoituminen Sementtikiven karbonatisoituminen voidaan yksinkertaisesti esittää reaktioyhtälöllä: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Näin emäksinen kalsiumhydroksidi muuttuu neutraaliksi kalsiumkarbonaatiksi. Ilman hiilidioksidipitoisuus on noin 0,3 87 (95)

88 Karbonatisoitumisnopeus Siihen, kuinka nopeasti karbonatisoitunut kerros etenee betonissa vaikuttaa merkittävästi kaksi seikkaa: betonin tiiveys betonin kosteustila 88 (95)

89 Betonin tiiveyttä kuvaa parhaiten vesisementtisuhde, (käytännöllisistä seikoista johtuen normeissa käytetään mittarina kuitenkin lujuutta) Karbonatisoituminen on nopeaa silloin, kun kapillaarihuokoset ovat ilmatäytteisiä, eli käytännössä sateelta suojassa olevissa rakenteissa. Nopeimmillaan karbonatisoitumisnen on noin 50% suhteellisessa kosteudessa. 89 (95)

90 Karbonatisoitumisnopeus sateelta suojassa Karbonatisoituminen 50 vuodessa ilma 5 % Karbonatisoitumissyvyys [mm] K-lujuus [MPa] 90 (95)

91 Karbonatisoitumisyvyys vs aika karbonatisoitumissyvyys mm K30 K45 aika a 91 (15)

92 Korroosiotuotteet 92 (95)

93 Korroosiotuotteiden suuri tilavuus aiheuttaa terästen paisumista, joka johtaa myöhemmin vaurioitumiseen 93 (95)

94 Esimerkki pintaan jääneistä teräksistä 94 (95)

95 30 vuotta vanha ulkona sateelta suojassa ollut rakenne bukarestilaisella metroasemalla 95 (15)