Dipl.ins. Pekka Vuorinen ITSETIIVISTYVÄ BETONI MUOTI-ILMIÖ VAI CONCRETE OF THE FUTURE

Transkriptio

1 Dipl.ins. Pekka Vuorinen ITSETIIVISTYVÄ BETONI MUOTI-ILMIÖ VAI CONCRETE OF THE FUTURE Itsetiivistyvän betonin valmistus perustuu uudentyyppisten ns. kolmannen sukupolven tehonotkistinten käyttöön sekä betonin side- ja kiviaineiden hienopään entistä huomattavasti tarkempaan hallintaan. IT-betoni tiivistyy omalla painovoimallaan eikä siten tarvitse (eikä salli) lisätiivistystä tärytyksen muodossa. Se samalla myöskin leviää omasta painostaan; ITbetonit ovat todella notkeita eli niiden kartioleviämä on tyypillisesti yli 600 mm ja parhaimmillaan jopa 750 mm. Leviämä ei kuitenkaan ole itseisarvo; IT-betonin on oltava hyvin koossapysyvää, erottumatonta ja melko tiksotrooppista massaa pysyäkseen kasassa eri valutilanteissa. Onnistuneesti suhteitettuna ja oikeaoppisesti valettuna se sitten tarjoaakin tiiviin, huokosettoman ja tasavärisen betonipinnan vaikeissakin valutilanteissa. Japanissa 1980-luvun loppupuolella käynnistyneen IT-betonin kehitystyön taustalla oli yhtäältä nopeasti edennyt lisäaineteknologian kehitys sekä toisaalta painava tarve vähentää vaikeiden ja suurten betonointien työvaltaisuutta. Jälkimmäisessä oli tärkeänä perusteena myös ammattitaitoisten betonointikuntien vähentyminen sekä tätä kautta betonirakenteiden ja etenkin betonipintojen laadulliset ongelmat. Self compacting concrete tai själv kompakterande betong onkin tänään maailmalla betonitutkimuksen muotisana ja yksi tärkeä osatekijä betonirakentamisen laatua ja terveellisempää työympäristöä kehitettäessä. Orastavat markkinat näyttävät jo nyt, ettei se jää ainoastaan lyhyen kauden muoti-ilmiöksi vaan pyrkii tulevaisuuden rakennusmateriaaliksi. LAATUVAATIMUKSET KASVAVAT KOKO BETONIRAKENTAMISEN KETJUSSA Itsetiivistyvän betonin käyttö tulee paikallavalurakentamisessa asettamaan aivan uuden tason vaatimuksia betonimassan tehdas- ja työmaakohtaiselle laadunvalvonnalle sekä muottitekniikalle. Valmistustekniikkaan sisältyvät ja betonin osa-aineiden annosteluun liittyvät virhemarginaalit pienentyvät selvästi normaalibetoniin verrattuna. Näiden vaikutuksia joudutaan valvomaan tiheällä laatukammalla, joka tulee vaatimaan ko. henkilökunnalta kouluttautumista ja uutta asennettakin laatukysymyksiin. Laadunvalvonta tulee seuraamaan IT-betonia työmaalle, jossa on tehtävä viimeinen päätös

2 betonin kelvollisuudesta muuttua plastisesta massasta betonirakenteeksi. Tärkeää roolia tässä näyttelevät vastuuhenkilöt. IT-betonin tulo työmaalle vaatii uutta betonirakentamisen vastuujakoa betonintoimittajan laatuvastaavan, työmaan betonityönjohtajan sekä rakennesuunnittelijan kesken; todennäköisesti myös muottitoimittaja on mukana pelissä jollakin panoksella. Muottitekniikka näyttelee työmaan kannalta suurinta roolia IT-betonin käytössä. Kun viestit maailmalta vahvasti viittaavat muottikuormien mitoituksen lähtevän hydrostaattisen paineen arvoista, oikeaoppinen muottirakentaminen kaikkine nyansseineen tulee jatkossa korostumaan. Kuullut ja saadut kokemukset osoittavat, ettei itse muottirungon kestävyys välttämättä ole IT-betonin käyttöä rajoittava tekijä; muottilevyt ja -pinnat rajallisine paineenkestokykyineen voivat olla suurempi ongelma. Asia lieneekin kiinnostavimpia ja samalla tärkeimpiä tutkimuskohteita juuri käynnistyneessä kansallisessa IT-betonin tutkimushankkeessamme. Kysymykseen, mitä IT-betoni tuo tullessaan, ei voi olla lisäämättä sanoja imago ja yleinen laatutason nousu. Betonin negatiivinen maine harmaana ja huonolla ammattitaidolla toteutettuna perusrakennusmateriaalina on mahdollista siirtää historiaan kertaheitolla näin ainakin paikallavalettujen betonipintojen osalta, mutta miksei myös arkkitehtonisten betonielementtien osalta. Tämä asettaa kuitenkin koko betoniteollisuuden sen historian ehkäpä kovimpaan haasteeseen. Vaativa materiaali vaatii myös vaativat ja ammattitaitoiset tekijät. VALMISTUS JA LAADUNVALVONTA Itsetiivistyvän betonin valmistuksen kulmakiviä on ns. betonin hienoainespään tuntemus ja hallinta sekä etenkin käytettävään sementtilaatuun ja muuhun hienoainekseen soveltuvan tehonotkistimen (tai mieluummin supernotkistimen) löytäminen. IT-betonin suhteituksessa on kyse löytää täydellisesti pakkautuva osa-ainepaketti, joka sopivin viskoosein ja tiksotrooppisin ominaisuuksin saadaan pysymään erottumattomana massana nestemäisenäkin. IT-betonin suhteituksen materiaalitekijöitä ovat: Sementti: periaatteessa kaikki sementtilaatumme sopivat, karkeudesta on kuitenkin etua Seosaineet: lentotuhka soveltuu hyvin käytettäväksi hienona ainesosana, se voi jopa korvata muun fillerimateriaalin. Kuitenkaan huokostetun IT-betonin kanssa niitä ei tule käyttää, jos ne eivät ole jalostettuja tuotteita Erittäin hienot kiviainekset: kalkkikivijauheet ja -fillerit (tai kalliista vaihtoehdoista kvartsikivijauheet) soveltuvat erinomaisesti ja ovat betonin useita ominaisuuksia ajatellen parhaita fillereitä Normaalit kiviainekset: perusfillerit ja -betonisorat soveltuvat hyvin; hyvällä fillerillä voidaan tapauskohtaisesti korvata erikoisfillerit, jos sideainekombinaatio on muutoin sopiva. Karkean kiviaineksen maksimiraekoko on IT-betonilla tyypillisesti 12 tai 16 mm, mutta suurem-piakin on maailmalla käytetty Tehonotkistimet: soveltuvia tyyppejä on markkinoilla jo useita. IT-betonin pastaosuuden reologisten pminaisuuksien hallinta ja siten itsetiivistyvän ja erottumattoman massan saavuttaminen on pitkälti kiinni oikean tehonotkistin-sementti-hienoaines -kombinaation löytämisessä Ns. stabilaattorit: niillä voidaan hillitä erottumistaipumusta ja osin paikata huonoa (ei parasta mahdollista) pastakoostumusta. Stabilaattorit ovat tyypillisesti polysakkaridi-pohjaisia hyytelöintiaineita Huokostimet: säänkestävän betonin valmistukselle IT-betoniteknologiaa käyttäen ei näyttäisi olevan tämän hetken tietämyksen mukaan esteitä; IT-betoni on itsessään tiivistä ja hyvän huokosrakenteen aikaansaaminen valettuun rakenteeseen jopa normaalibetonia helpompaa, kun suuritehoinen tärytys jää pois. Asia on tärkeimpiä em. tutkimushankkeessa selvitettäviä asioita. IT-betonin valmistuksessa tärkein tekijä on suhteituksessa määritetyn vesisideainesuhteen

3 toteutuminen eli käytännössä oikean vesimäärän saaminen betoniin. Se onkin sitten vaikein hallittava tekijä kiviaineksen vaihtelevan kosteuspitoisuuden takia. Muutoin betonin sekoituksessa ollaan tekemisessä erikoisbetonin kanssa; osa-aineiden annostelujärjestyksestä ja sekoitusajasta on monia eri käsityksiä, samoin valmistukseen parhaiten soveltuvista sekoitintyypeistä. Kuitenkin sekä pakko- että vapaapudotussekoittimet ovat Suomessa tehdyissä kokeissa toimineet hyvin. IT-betonin laadunvalvonta keskittyy yhtäältä jo ennen valmistuksen aloitusta tapahtuviin ennakkokokeisiin, toisaalta normaalia selvästi tiukempiin tuotannon laadunvalvontaan niin tehtaalla kuin työmaallakin. Ennakkokokeiden yhteydessä suoritetaan IT-betonin tarkempi analysointi tulevan käyttökohteen mukaan. Tällöin laadunvalvontamenetelmiä ovat mm. L- laatikkokoe ja leviämäkoe. Hyvä ja toimiva peruslaadunvalvonnan menetelmä tuotantovaiheessa on leviämäkoe, joka ainakin tässä vaiheessa on palvellut tarkoitustaan; uusia ja parempiakin on varmasti jatkossa tulossa. Joka tapauksessa betonintoimittajan laadunvalvonnan määrä tulee normaaliin verrattuna kasvamaan. MARKKINOITA LÖYTYY USEISTA BETONIN KÄYTTÖKOHTEISTA Varovaiset kyselyt ja kokeet työmaakohteissa ovat kertoneet itsetiivistyvälle betonille löytyvän monenlaisia käyttökohteita, jos vain se hinta olisi sama kuin tavallisella massalla. IT-betoni tulee muuttamaan monellakin tapaa betonivalujen ja betonirakentamisen kustannusrakennetta, jota en tässä yhteydessä kuitenkaan käy tarkemmin selvittämään. IT-betonin hinta on perustellusti kalliimpaa kuin normaalibetonin monestakin syystä; näistä tärkeimmät löytyvät jo aiemmilta riveiltä. Jos tarkastellaan käyttökohteita ja niiden toteutuksen kustannusrakennetta, jonka tunteminen on mielestäni IT-betonin markkinoinnin peruskiviä, alkavat myös todelliset ja potentiaaliset vaihtoehdot selvitä. Näitä ovat tunnetusti suurta tiivistystehoa vaativat, tiheästi raudoitetut ja korkeat betonirakenteet puhumattakaan monista muista vaikeista valukohteista. Uusia oivalluksia ovat tuoneet työmiljööseen liittyvät näkökohdat lähinnä melun poistamisen ja työergonomian parantamisen kautta niin paikallavaluissa kuin elementtitehtaissa. Esimerkkeinä käyttökohteista voisivat olla: Korkeat seinävalut, joissa tiivistys on hankalaa raudoituksen ja korkeuden vuoksi sekä betonin pudotuskorkeus muodostuu liian suureksi Tiheästi raudoitetut teräsbetonirakenteet, joissa kunnollinen tiivistys on usein käytännössä mahdotonta Arkkitehtoniset ja laadukkaat paikallavaletut betonipinnat Erityyppiset korjausrakentamisen valut, joissa valetaan vahvistuksia vanhojen rakenteiden alle tai muutoin piiloon jääviin paikkoihin sekä ohuet raudoitetut tai raudoittamattomat paikkausvalut Ohuet nopean betonoinnin pintavalut raudoittamattomana tai vaikkapa teräskuiduilla raudoitettuna Valut elementtitehtaissa, kun pyritään erinomaiseen valujälkeen sekä samalla nopeutetaan valutapahtumaa ja parannetaan työmiljöötä Jatkossa kaikentyyppiset betonoinnit, joissa pyritään laadullisesti parempaan betonointiin ja

4 samalla vähennetään betonoinnin työvaltaisuutta vähentäen samalla työterveysriskejä. ESIMERKKIKOHDE SEINÄN PUHDASVALUSTA Kohde oli paikallavalettu, muottipinnalle jäävä suurikokoinen teräsbetoniseinä, joka sijaitsee ulkotilassa. Arkkitehdin tavoitteena oli saada yhtenäinen ja tasavärinen puhdasvalupinta, johon ennaltamäärätty kartiomainen muottisiderei itys luo oman pintaa rikkovan symmetrisen kuvionsa, kuten arkkitehti Tadao Andon puhdasvalupintaisissa rakennuksissa. Lukuja ja tekniikkaa: Seinän koko: korkeus noin 7,5 metriä, leveys noin 9 metriä, vahvuus 200 mm Muotti erittäin huolellisesti rakennettu kappaletavarasta, muottipintamateriaali 21 mm:n filmipintainen muottivaneri Laskennallinen ja teoreettinen muottipaine suurimmillaan 170 kn/m 2 Betoni itsetiivistyvä ja säänkestävä K40 12 mm; sementti SR-sementti, leviämä noin 700 mm työmaalla Betonimäärä noin 12 m 3 ; toimitus kolmena kuormana noin puolen tunnin välein Laadunvalvontatoimenpiteinä kustakin kuormasta ilma- ja leviämän mittaus tehtaalla sekä leviämän mittaus ja notkeuden säätö työmaalla Betonointi ns. kuljetuspumpulla muottiin sijoitettujen valuputkien kautta; betonointinopeus noin 4 m 3 15 minuutissa eli nousunopeus yli 2 metriä ensimmäisen 15 minuutin aikana. Tauot kuormien välillä noin 20 minuuttia. Eri betonierät olivat valettaessa leviämältään melko samanlaiset. Valu sujui häiriöittä ja muotissa ei havaittu yhtä lievää pullistumakohtaa lukuunottamatta. Muotin purkamisen jälkeen ja betonipinnan kosteuden tasaannuttua havaittiin valujäljen olevan erinomainen; muottiside- ja sähköputkituskohdat sekä varausten ympäristöt olivat virheettömiä ja tasalaatuisen näköisiä niin pinnan kuin värinkin osalta. Aivan seinän reunalla sen yläkolmanneksessa oli havaittavissa hienoista huokoisuutta ja litteitä ilmasulkeumia, joita ei kuitenkaan normaalilta katseluetäisyydeltä helposti havaitse. ESIMERKKIKOHDE KORJAUSVALUSTA Kohde oli vanha vesitorni ja sen säiliön kannatinpilareiden korjaus betonimanttelilla. Pilareiden lähes 40 vuotta vanha betoni oli karbonatisoitumisen ja pakkasrapautumisen kautta tullut tiensä päähän; alkuaan sivumitaltaan 900 mm:n pilareista oli jouduttu poistamaan 100 mm joka sivulta. Alkuperäiset vaihtoehdot korjaukseen olivat ruiskubetonointi tai pystyvalu vaikeaan kapeaan muottiin, jossa raudoitus käytännössä esti sauvatärytyksen. Betonipintavaatimukset jättivät ainoaksi vaihtoehdoksi pystyvalun, jonka massaksi betonintoimittaja ehdotti itsetiivistyvää betonia. Lukuja ja tekniikkaa: Pilarit alkuaan sivumitaltaan 900 mm, vaurioitunut betoni poistettuna 700 mm Pilareita 15 kpl, kunkin korkeus noin 24 metriä

5 Käytetty betoni säänkestävä K40, maksimiraekoko 10 mm Muottina kasettimuotti, korkeus 4 metriä (yhden valukerran korkeus), muottipinta-materiaali filmipintainen muottivaneri Valu pumppuvaluna, pumppausnopeus pumpun tyhjäkäynnillä, massan pudotus muotin yläpinnan tasolta Laadunvalvontatoimenpiteinä kustakin kuormasta ilma- ja leviämän mittaus tehtaalla sekä leviämän mittaus ja notkeuden säätö työmaalla Betonia jouduttiin alussa säätämään lähinnä runkoaineen hienoainespään ja käytetyjen lisäaineyhdistelmien osalta. Myös alussa olivat suurimmat ongelmat betonipintojen laadun osalta. Harjoittelujakson jälkeen työ löysi oman uomansa ja eteni suuremmitta ongelmitta. Kohteen betonivalujen vaativuus huomioiden lopputulos oli valupintojen osalta kohtalaisen onnistunut. ESIMERKKI PINTABETONOINNISTA Kohteessa valettiin koeluontoisesti keskimäärin 70 mm:n raudoittamaton pintabetonilaatta ontelolaataston päälle. Valualue oli yhden huoneiston kokoinen ja vajaat 70 m 2. Ajatuksena oli testata suuren leviämän betonin soveltuvuutta tasaisuusluokaltaan A... A 0 -luokan lattian tekoon ilman perinteisiä betonilattiatyövaiheita nopealla betonoinnilla. Menetelmä voitaisiin yhdistää runkorakentamisvaiheeseen jo siinä vaiheessa, että myös ontelolaataston saumavalut tehtäisiin samalla kertaa; tässä kohteessa siihen ei kuitenkaan ollut kohteen valmiusvaiheesta johtuen mahdollisuutta. Tietoja valusta: raudoittamaton pintalattia noin 70 mm ontelolaataston päälle käytetty betoni IT-betoni K40 12 mm, leviämä työmaalla mm; massan notkeuden säätöön käytettiin työmaalla lisättyä stabilaattoria betonin siirto pumppaamalla; aluksi pumppulinjan päässä supistaja, joka tukkeutumisvaaran vuoksi poistettiin betonointi erittäin nopeasti plaanomaisen massan tavoin; oikaisuun tarvittiin vain yliveto linjaarilla. Paras työkalu pinnan oikaisuun olisi ollut esim. varrellinen 1...1,5 metriä leveä alumiininen oikaisupalkki; nyt kokeiltiin varrellista kumilastaa pinnasta saatiin kova ja tasainen; heikkoa sementtiliimakerrosta ei esiintynyt ja tasaisuus oli suurimmillaan 4 mm 2 metrin mittausmatkalla (oikolaudalla mitattuna).