Kuidut ja lisäaineet betonin halkeilun hallinnassa

Transkriptio

1 TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY Kuidut ja lisäaineet betonin halkeilun hallinnassa tietoutta ja kokeellisia tuloksia XL SILTATEKNIIKAN PÄIVÄT Hannele Kuosa, tutkija, VTT Oy

2 Sisältö Johdanto - Betonin kutistuminen ja halkeilu Varhaisvaihe ja pitkäaikaiskutistuminen Olosuhteet ja betonin koostumus Kuidut kutistumishalkeilun hallinnassa Kutistumista vähentävät lisäaineet (SRA) Kokeelliset tutkimukset (VTT Oy) Koemenetelmät Koetulokset Kuidutuksen vaikutus halkeiluun SRA:n vaikutus kutistumiseen Jatko Kutistumisen ja halkeilun hallinnan erityismenetelmien yhteiskäyttö /39

3 Betonin kutistuminen Varhaisvaiheen kutistuminen (<24 h) Pitkäaikaiskutistuminen (>24 h) Plastisen vaiheen kuivumiskutistuminen + painuma ennen lopullista sitoutumista usein jo ennen jälkihoidon alkua tai sen aikana Havaitaan usein vasta myöhemmin Kemiallinen ja autogeeninen varhaisvaiheen kemiallinen kutistuminen ei aiheuta halkeilu varhaisvaiheen autogeeninen kutistuminen sitoutumisen loppuvaiheessa ja hieman sen jälkeen sementin hydrataation ja sisäisen kuivumisen aiheuttama Kuivumiskutistuminen veden haihtuessa betonista suuri w/c lisää Autogeeninen kutistuminen sisäisen kuivumisen seuraus kun pieni w/c Lämpötila lämpötilaerot rakenteessa (kovettumisen alkuvaiheessa ja myöhemmin) Karbonatisoituminen tilavuuden pieneneminen betonin pintakerroksessa

4 Plastisen vaiheen kuivumiskutistuminen Olosuhteet Veden haihtumisnopeus betonista, kg/m 2 Ilman lämpötila Suhteellinen kosteus (RH-%) Betonin lämpötila Tuulen nopeus Suuri haihtumisnopeus ja suuri kutistuminen Olosuhteen RH-% Olosuhteen lämpötila Haihtumisnopeus Betonin lämpötila Tuulen nopeus Committee Hot Weather Concreting ACI Manual of Concrete Practice, Part 2: Construction practices and inspection, pavements American Concrete Institute, Farmington Hills, USA VTT Oy Hannele Kuosa 4

5 Plastisen vaiheen halkeilu Betoni koostumus Vedenerottumisen suuruus ei korvaa haihtuvaa vettä w/c pieni Silika ja muut erittäin hienojakoiset seosaineet Notkistimet (sitoutumisaika, sementin dispergoituminen) Kutistumisen vähentäminen erityismenetelmin Kutistumista vähentävät lisäaineet Shrinkage Reducing Admixture, SRA Kutistumista kompensoiva paisuva betoni Shrinkage compensating cement, SCC Shrinkage Compensating Admixture, SCA Halkeilun rajoittaminen (määrä/pinta-ala, halkeamaleveydet) Eri tyyppiset kuidut ja niiden yhdistelmät VTT Oy Hannele Kuosa 5

6 Kuivumiskutistumisen aiheuttama halkeilu Olosuhteet - haihtuvan veden määrä ja haihtumisnopeus Betonin koostumus Suurinta suurilla vesi-sementtisuhteilla (w/c) Kutistumista vähentävät lisäaineet (SRA) Muut keinot Rakenteen halkeilun rajoittaminen (määrä, halkeamaleveydet) Estettynä (sisäisesti tai ulkoisesti) kuivumiskutistuminen aiheuttaa halkeilua, kun betonin vetolujuus ylittyy Rakenteen koko ja muoto, haihduttava pinta-ala Kuivumisen tasaisuus (esim. kuivuuko vain yhteen suuntaan) Kuidut

7 Kuidut halkeilun hallinnassa (tässä vain kutistuminen) Kuitutyypit Teräskuidut [SFS-EN :2006] a) Ryhmät (I V) - valmistustapa b) Muoto Pienentävät kovettuneen betonin halkeamien halkeamaväliä Rajoittavat halkeamien leveyttä Pienentävät laattamaisten rakenteiden käyristymistä Eivät oleellisesti vaikuta betonin plastisessa vaiheessa VTT Oy Hannele Kuosa 7

8 Kuitutyypit Polymeerikuidut [SFS-EN :2006] Luokka I: Mikrokuidut, halkaisija <0,30 mm Ia: Yksisäikeiset monofilamenttikuidut Ib: Monisäikeiset fibrilloidut Luokka II: Makrokuidut, halkaisija >0,30 mm Yhdistelmä (makro + mikro) VTT Oy Hannele Kuosa 8

9 Mikropolymeerikuidut Parantavat tuoreen betonimassan ominaisuuksia ja käyttäytymistä koossapysyvyys, vedenerottuminen, plastinen painuma, plastisen vaiheen halkeilu Makropolymeerikuidut Kovettuneen betonin kuivumisen ja lämpöliikkeiden aiheuttaman kutistuman ja halkeilun hallintaan Kuitutuotteet Suomessa >30 kuitutuotetta (2015) Kuitubetonin valmistajia ja kuidutettuja valmislaasteja

10 Kuidut halkeilun hallinnassa (vain kutistuminen) Yksi kuitutyyppi Teräskuitu tai polymeerikuitu Samanaikaisesti kaksi polymeerikuitutuotetta Valmiiksi sekoitetut polymeerikuituseokset Samanaikaisesti polymeeri- ja teräskuituja mikropolymeerikuitu + teräskuitu yhdessä 10/39

11 Teräskuitujen ja polymeerimakrokuitujen mahdollisia käyttökohteita (lähinnä sillat) Kutistumishalkeilun rajoittaminen (kovettunut betoni) reunapalkit, siltakannet ja niiden korjaukset, ajotielaatat, maanvaraiset laatat, kävelykadut, kannen muotoiluvalut, vedeneristyksen alla, liikuntasaumalaitteiden tukikaistat, ruiskubetonissa, erilaisissa kulutusrasituksissa

12 Polymeerimikrokuitujen mahdollisia käyttökohteita silloissa Halkeilun rajoittaminen Plastinen vaihe Vedenerottuminen ja painuma Plastisen vaiheen autogeeninen kutistuminen Laattamaiset rakenteet Hyötyä betonin säilyvyydelle Eivät korvaa hyvää jälkihoitoa

13 Kuitujen määrä halkeilun hallinnassa - pienempi kuin rakenteellisessa käytössä Teräskuidut = 7900 kg/m 3 ) yleensä kg/m³ - tapaus- ja kuitutyyppikohtaisesti yleensä vaaditaan tehonotkistus, 1-2 notkeusluokkaa Synteettiset mikrokuidut = 910 kg/m 3 ) 0,6 1,0 kg/m³ (jopa 2,0 kg/m³ ) Synteettiset makrokuidut = kg/m 3 ) 3-9 kg/m 3 yleensä 5 kg/m 3 (esim. laatat/lattiat) Lasikuidut = kg/m 3 ) 0,9 1,5 kg/m 3 (tai 2 4 kg/m 3 ) VTT Oy Hannele Kuosa 13

14 Kuitujen vaikutus betonimassan hintaan (halkeilun hallinta) Kuitubetonin hinta muodostuu useista tekijöistä betonikoostumuksen lähtöhinta kuidun laatu ja hinta kuitujen määrä mahdollinen lisänotkistus annostelukustannukset Esimerkiksi (lisähinta/m 3 betonia) teräskuidut /m 3 synteettiset makrokuidut /m 3 synteettiset mikrokuidut /m 3 yhden notkeusluokan notkistus >9 /m VTT Oy Hannele Kuosa 14

15 Kuitubetonien valmistus ja käyttö Suhteitus ja massan valmistus Työstettävyys, pumpattavuus Valu, viimeistely ja jälkihoito Ilmamäärä Pintalaatu Eurooppalainen betonistandardi [SFS-EN 206:2014] ja BY 65 Suhteituksen muutokset varsinaisen sekoituksen jälkeen Kuitujen lisääminen työmaalla, annostelumenetelmät, autosekoitus Vaatimustenmukaisuus ja vastuut Ohjeistusta ERMCO Guidance to fibre concrete. Properties, Specification and Practice in Europe. European ready mixed concrete organization VTT Oy Hannele Kuosa 15

16 Kutistumista vähentävät lisäaineet (SRA) Orgaanisia pinta-aktiivisia aineita Suomessa suhteellisen vähän kokemusta Muuttavat nopeutta, jolla vesi poistuu betonista Vähentävät kuivumiskutistumista ja halkeilua Vaikutus suurimmillaan kovettumisen varhaisvaiheessa suurempi 28 d kuin 56 d iässä Hidastavat mahdollisten halkeamien syntyä ja pienentävät halkeamaleveyksiä Ympäristön suhteellisen kosteus vaikuttaa, yli RH 70 %:ssa vaikutus heikkenee Vähentävät myös plastisen vaiheen kutistumista ja autogeenista kutistumista Lisäys massan hintaan VTT Oy Hannele Kuosa 16

17 Kokeelliset tutkimukset (2016 VTT Oy) Kuidutuken vaikutus halkeiluun Plastinen vaihe (ennen lopullista sitoutumista) Estetyssä kuivumiskutistumisessa (1 d alkaen) Kutistumista vähentävät lisäaineet (SRA) Plastisen vaiheen kutistuminen < 24 h Kuivumiskutistuminen Shrinkage Drain (Schleibinger Testing Systems ) Tavanomainen kutistumapalkki (500x100x100 mm 3 ) Työstettävyys, ilmamäärä ja huokostuksen laatu Massa (AVA) ja ohuthieet Vaikutus huokostukseen eri lämpötiloissa ( o C)

18 Koemenetelmät (VTT Oy) Plastisen vaiheen halkeilu estetty kutistuminen (laatat) (periaate: ASTM C Evaluating Plastic Shrinkage Cracking of Restrained Fiber Reinforced Concrete (Using a Steel Form Insert)). Veden haihtumisnopeus >1 kg/m 2 tunnissa yleensä +36 ± 3 C yleensä RH 30% ± 10 % Tuuli n. 5 m/s = 18 km/h (VTT:n kokeissa) ja 0,5 mm halkeama vertailulaattaan Estetyn kutistuman muotti mm 2 h100 mm 18/39

19 Laitteisto plastisen vaiheen halkeilun mittaamiseen (VTT Oy) 2 tuuletinta Mittausanturit = Lämpötila RH-% Tuulen nopeus Veden haihtumisnopeus (2 laattaa kerralla) Lämmitin ja Kosteudenpoistaja Betonin sitoutumisajan määritys 19/39

20 Plastisen vaiheen halkeilu Olosuhdemittaukset koko kokeen ajan massan lopulliseen sitoutumiseen asti 20/39

21

22 Halkeilu estetyssä kuivumiskutistumisessa RH 50±2 % (T = 20±2 o C) 1 d valusta Kuivuminen vain renkaan pystypintojen kautta Seurataan ja mitataan halkeamien muodostumista

23 Kutistumakartio (shinkage cone) Schleibinger Testing Systems Kutistumakartio alkuvaiheen muodonmuutosten mittaamiseen. Mittaa laserilla massan muodonmuutosta pinnasta. pinnan vajoamisnopeus Eri kokoiset kartiot betonille ja laastille Kartio mahdollistaa kokonaiskutistumisen laskemisen Suuri resoluutio Lämpötilakontrolli, massan lämpötilan mittaus Sitoutumisajan määrittäminen välttämätöntä nollahetken kalibroimiseen 23/39

24 Shrinkage drain (Schleibinger Testing Systems) kutistumapalkki alkuvaiheen kutistuman mittaukseen pituudenmuutokset < 24 h (muovi päällä) sitoutumisesta/jäykistymisestä alkaen kuivumiskutistuminen >24 h RH 50%:ssa Palkki L = 1000 mm, A = 100 x h60 mm 2 Toinen pää kiinteä, toisessa päässä anturi Neopreeni erottaa sivut muotista Tavanomainen kutistumapalkki Pitkäaikaiskutistuma RH 50 %:ssa Alkaen 24 h valusta

25 Kuidutuksen vaikutus halkeiluun Kuidut: Suomen TPP Oy Betonimassat REF Vertailu (W eff /(Sementti + 2xSilika) = 0,37) A Yhdistelmä-makro-polypropyleenikuitu Forta Ferro 54 B Teräskuitu CHO 75/40 HD + Mikro-polypropeenikuitu PM 12/

26 Massojen ominaisuudet 26/39

27 Plastisen vaiheen halkeilu 27/39

28 Plastisen vaiheen halkeilu CCR = Crack Reduction Ratio B (teräskuitu + mikrokuitu) Määritetty suure Keskimääräinen halkeamaleveys (aritmeettinen), mm b) c) A (yhdistelmäkuitutuote) Massa REF A B 0,51 0,10 0,00 Halkemapinta-ala/laatta, mm ,0 CCR d (halkeamaleveys), % CCR A (halkeamapinta-ala), % REF 28/39 +

29 Estetyn kutistuman renkaiden halkeilu Suurin halkeamaleveys (keskiarvo renkaan korkeudelle 15 mittauskohtaa) Halkeamaleveyksien summa (keskiarvo)

30 Estetyn kutistuman renkaiden halkeilu CCR = Crack Reduction Ratio Massa A Massa B CRR(suurin halkeamaleveys) CRR(suurin keskimääräinen halkeamaleveys) CRR(keskimääräinen halkeamaleveyksien summa) A (yhdistelmäkuitutuote) B (teräs+mikro) + REF kuidut 30/39

31 Yhteenveto Kuitujen vaikutus halkeiluun Tutkimus suuntaa antava Koemenetelmät soveltuivat hyvin, hyvä käsitys kuitujen vaikutuksista Sekä plastisessa että kuivumisvaiheessa Numeerinen tulos (CCR-%) Kuidutus pienensi Plastisessa vaiheessa halkeamaleveyttä % ja halkeamapinta-alaa %. Estetyssä kuivumisessa halkeamaleveyttä 78 % ja halkeamien kokonaismäärää %. Tässä tutkimuksessa käytetyillä annostuksilla parhaiten toimi teräskuitujen ja synteettisten mikrokuitujen yhdistelmä Lähes yhtä hyvin toimi synteettinen yhdistelmäkuitutuote, joka koostuu kahdesta eri tyypin polymeerikuidusta (toinen kierteitetty) 31/39

32 Kutistumista vähentävän lisäaineen (SRA) vaikutukset (osa tuloksista, kokeet kesken) Betonikoostumus Osa-aineet Määrä Pikasementti CEM I 52,5 R, kg/m Tehollinen vesi, kg/m w/c 0,50 Kiviaines (<16 mm), kg/m Tehonotkistin, % sementistä Xx - 0,20 Huokoistin, % sementistä xx-xx SRA, % sementistä 1,5 32/39

33 Massan ilmamäärä, % SRA:n vaikutus huokostuksessa Huokostinannostus, % sementistä SRA 1 Ilmamäärä kuten vertailussa SRA2 Ei muodostu suojahuoksia, vaikka annostusta lisätään oleellisesti (0,015%:sta 0,6 %:iin sementistä) 33/39

34 Tulokset kutistumakartiolla Betonipinnan alkuvaiheen vajoaminen oli hitaampaa SRA-massoissa Ero kuitenkin poistui jo 0,5 tunnin kuluttua mittauksen aloittamisesta (ehkä SRA vaikutti viskositeettiin)

35 Tulokset kutistumakartiolla Sitoutumisen alkaessa pinnan vajoaminen hidastui nopeasti Lämpölaajeneminen nähtävissä kaikissa massoissa tämän jälkeen SRA-massat eivät kutistuneet yhtä voimakkaasti kun vertailu SRA vaikutti jo hydrataation alkuvaiheessa VTT Oy Hannele Kuosa 35

36 Pituuden muutos (µm/m) sitoutumisesta alkaen mitattuna Shrinkage drain -kutistumapalkeilla kutistuu muovi pois päältä 6 d kutistuu 1 d 1 d 6 d 36/39

37 Kuivumiskutistuminen (>24 h) suhteellisessa kosteudessa RH 50% (T = +21 o C) 37/39

38 Yhteenveto Kutistumista vähentävä lisäaine (SRA) SRA pienensi kutistumista vaikutusta jo alkuvaiheessa, kun ei vielä kuivumista SRA vähensi selvästi kutistumista 24 h jälkeen, kun betoni sai kuivua Vaikutus suojahuokostukseen: Yhdellä tutkitulla SRA:lla voimakas vaikutus huokostimen toimintaan Kahdella tutkitulla SRA:lla ei vuorovaikutusta huokostimen kanssa 38/39

39 Kutistumisen ja halkeilun hallinnan erityismenetelmät - tarvittava jatko, kokeellinen ja käytäntö: Kuidut SRA Paisuva betoni? Sisäinen jälkihoito? Erilaiset kaupalliset tuotteet Erilaiset betonit (w/c, sementti, seosaineet, kiviaines ) Erilaiset annostukset - Erityismenetelmien yhteiskäyttö Kuidut + SRA Kuidut + Paisuva betoni - tietämys (2017) SRA + Paisuva betoni SRA + Kuidut + Paisuva betoni Kuidut + sisäinen jälkihoito SRA + sisäinen jälkihoito Paisuva betoni + sisäinen jälkihoito Kuidut + SRA + sisäinen jälkihoito j.n.e. - jatkossa 39/39

40 Kiitos!