BETONIN OPTISET TUTKIMUSMENETELMÄT Your industry, our focus BETONILABORANTTI JA - MYLLÄRIKURSSI JARKKO KLAMI
Menetelmät Useita eri menetelmiä ja optisia laitteita, riippuen mitä halutaan selvittää ja millainen näyte tutkittavana? Optisia tutkimusmenetelmiä mm. betonin tutkimukseen Silmämääräinen tarkastelu Stereomikroskooppi (soveltuu mm. isoille näytteille, pintahieelle) Fluoresenssimikroskopointi (Ohuthie) Polarisaatiomikroskooppi, Ohuthie (Elektronimikroskooppi - SEM) Näytteet yleensä ns. ohuthie- tai pintahiepreparaatteja - 2 -
Mihin optisia menetelmiä käytetään? Betonin tutkimus ja tuotekehitys Laadunvalvonta, testaus (valmisbetoniasemat / työmaat) Yleinen mikrorakenne, hydrataatioaste (valun ulkoiset olosuhteet), huokosrakenne, kiviaineksen laatu, sideaine ja seosaineet, vesi-sideainesuhde, pinnoiteaineiden tunkeutumasyvyydet, haitalliset reaktiotuotteet Materiaaliselvitykset Mistä betoni, laasti, rappaus on tehty (koostumus), kerrospaksuudet? - 3 -
Mihin optisia menetelmiä käytetään? Kuntoselvitykset ja vaurioiden syyt Voidaan todeta mm. betonin kunto, säröilyn aste, kemiallisia muutoksia ja esim. alkavaa vaurioitumista tai sen riskiä? Auttaa selvittämään vaurioitumiseen johtaneita syitä. Esim. säärasitus, kemiallinen rasitus, mekaaninen rasitus alkalikiviainesreaktio, tulipalo, jne - 4 -
Pintahie (PH) Pintahieellä tarkoitetaan yleensä laboratoriossa valmistettua, hiottua ja kiillotettua tasopintaa. Voidaan valmistaa esim. kuutiosta tai poralieriöstä Tarkastelu stereo- ja/tai pintavalomikroskoopilla Valo heijastuu näytteen pinnasta. (vrt. ohuthieessä valo kulkee näytteen läpi). + preparaatti on nopea ja yksinkertainen valmistaa + iso tutkittava pinta-ala (rakennekoekappaleet) - pintahieen tarkkuus ja informaatiosisältö ohuthiettä selvästi pienemmät - 5 -
Ohuthie (OH) = Leike betonista, laastista, kivestä tai muusta vastaavasta kiinteästä ja kiteisestä materiaalista. Betoniohuthieen koko esim. 30 x 50 mm 2. Koko voi hieman vaihdella riippuen valmistustavasta (laboratoriosta). Paksuus noin 25 30 µm. Tarkoitus on, että valo kulkee tutkittavan näytteen läpi. Manipuloimalla näytteen läpi kulkevaa valoa erilaisten polarisaattoreiden, linssien ja himmentimien avulla saadaan tietoa tutkittavan materiaalin (runkoaine, sideaine) rakenteesta ja koostumuksesta. + paljon tietoa koostumuksesta, rakenteesta, laadusta, hydrataatiosta + hyvä tarkkuus ja mahdollista havaita pieniä partikkeleita - näytepreparaatin valmistus hidasta ja vaatii erityisosaamista - pieni näytteen pinta-ala (näytteen edustavuus?) - 6 -
Ohuthiepreparaatin valmistus Monivaiheinen prosessi, jossa noin parikymmentä erilaista työvaihetta. Sahausta, impregnointia, hiontaa, kuivausta, pesua ja liimausta. Hyvän preparaatin valmistuksen kesto näytteestä riippuen tavallisesti noin 1,5 2 viikkoa. Valmistus vaatii erikoislaitteita, harjoitusta ja kokemusta. Vain tekemällä voi oppia! - 7 -
Ohuthietutkimus Betonin petrografia / ohuthietutkimus Tutkimus tapahtuu polarisaatiomikroskoopilla, jossa on tyypillisesti myös fluoresoivan valon käyttömahdollisuus. Voidaan tutkia jotain tiettyä asiaa (esim. huokosjako) tai tehdä yleinen kunto/rakenne/koostumus selvitys. Yleisenä pohjana tutkimuksille toimii mm. standardi ASTM C856-18a - 8 -
Tyypillisiä tutkittavia tekijöitä (OH) Betonin runkoaine Mineraalien ja kivilajien tunnistus. Niiden rapautuminen ja esim. mahdolliset mineralogiset muuttumistulokset sekä haitalliset mineraalit. Koko ja muoto (merkitystä mm. työstettävyyteen ja betonin huokostukseen) Jakautuminen ja orientaatio (vaikuttaa mm. betonin lujuuteen) Huokoisuus ja säröt (vaikuttaa mm. betonin lujuuteen) Tartunta sideaineen välillä (vaikuttaa mm. betonin lujuuteen) Huokosten kerääntyminen runkoainekappaleiden pinnoille (kiillemineraalit voivat kerätä suojahuokosia) Alkalikiviainespotentiaalin arviointi - 9 -
Tyypillisiä tutkittavia tekijöitä (OH) Betonin sideaine Koostumus ja mahdolliset seosaineet Hydrataatioaste Vesi-sideainesuhde Huokoisuus (mm. huokosjako) Karbonatisoituminen (vaikuttaa mm. teräskorroosioon) Betoni yleisesti Säröily ja sen syy (kuivumiskutistuminen, pakkasrapautuminen, valutekniikasta johtuvat säröilyt, autogeeninen säröily, tulipalo, alkalikiviainesreaktio ) Muuttuminen (esim. reaktiotuotteet, tulipalo, kemiallinen rasitus) Teräkset ja niiden korroosio Betoniin kuulumattomat ainekset? - 10 -
Betonin huokosanalyysi VTT-TEST-R003-00-2010 Huokosjako Kovettuneen betonin ilmahuokosparametrien määrittäminen Betonin suuntaa-antava kokonaisilmamäärä Suojahuokosten (Ø = 0,02 0,8 mm) ilmamäärä Betonin suojahuokosten ominaispinta-ala Suojahuokosten huokosjako Huokosjaon tulos määrittelee betonin pakkasenkestävyyden suunnitellun käyttöiän ja rasitusluokan, XF1 XF4 mukaan. By 65 Betoninormit 2016, taulukko L4.3, s. 158. Huokosjako ilmaisee laskennallisen arvon suurimmalle etäisyydelle sementtipastan mistä tahansa pisteestä lähimmän suojahuokosen pinnalle, yksikkönä mm. Huom: Menetelmän päivitys vuoden 2019 aikana. - 11 -
Huokosjako VTT-TEST-R003-2010 Huokosanalyysi tehdään betonin ohuthiepreparaateista (2-3 kpl) polarisaatiomikroskoopilla (myös mahdollista pintahieestä?) Analyysilaitteistolla luodaan kuvitteellinen pisteverkko sekä analyysiviiva. Lasketaan pisteisiin sekä analyysiviivalle osuvat huokoset, runkoainerakeet ja sementtipasta. Analyysipisteitä min. 1500 kpl Analyysiviivan pituus min. 2300 mm Analysoitava pinta-ala min. 3000 mm 2-12 -
Yleiskuva betonin ohuthieestä sideaine runkoaine ilmahuokoset - 13 -
Tavanomainen huokosrakenne runkoaine Huokosjako L 0,20 mm Suojahuokoset n. 2,5 til-% Kokonaisilma n. (3 til-%) ilmahuokoset sideaine - 14 -
Runsaasti pieniä suojahuokosia Huokosjako L 0,10 mm Suojahuokoset n. 8-10 til-% Kokonaisilma n. (11-12 til-%) Betonin tiheys n. 2000 kg/m 3-15 -
Huokoset jakautuneet epätasaisesti - 16 -
Isot huokoset kerääntyvät runkoainekappaleiden alle - 17 -
Huokosten muodostama rypäs - 18 -
Runsasta säröilyä - 19 -
Ettringiittikiteytymän lähes kokonaan täyttämä ilmahuokonen - 20 -
Alkalikiviainesreaktio - 21 -
Runkoainekappale (myloniitti), joka on alkalikiviainesreaktiivinen - 22 -