1.1 Tutkimuksen tausta
Kesällä 2016 havaittiin Liikenneviraston (nykyinen Väylävirasto) rakennuttamassa sil-lassa ja junaradan ylittävässä kansirakenteessa betonin puristuslujuusongelmia. Raken-teista tehtyjen tutkimusten mukaan lujuuskadon aiheutti betonissa ollut liian suuri ilma-määrä. Kummassakin tapauksessa laadunvalvonnassa oli selviä puutteita. Havaittujen on-gelmien jälkeen laadunvalvontaa on tehostettu. Havaittujen puristuslujuusonon-gelmien jäl-keen Liikennevirasto tutki kaiken kaikkiaan 93 vuosina 2005-2016 rakennettua siltaa var-mistuakseen, että silloissa ei esiinny lujuuskatoa. Havaittujen ongelmien jälkeen siltojen erikoistarkastuksissa on alettu enemmän kiinnittää huomiota kantavien rakenteiden pu-ristuslujuusvaatimuksen täyttymiseen, minkä myötä tehtävien puristuskokeiden määrät ovat kasvaneet merkittävästi.
Olemassa olevista rakenteista puristuslujuutta tutkitaan timanttiporaamalla rakenne-koekappaleita, jotka ovat yleensä halkaisijaltaan 70...100 mm ja rakennekoekappaleiden pituuden ja halkaisijan välinen suhde on 1,0. Halkaisijaltaan 50 mm rakennekoekappa-leita timanttiporataan yleensä vain ontelolaatoista. Siltojen tutkimuksissa rakennekoekap-paleen halkaisijan tulee olla vähintään 80 mm. Suomessa noudatettavan standardin SFS 7022 [1] mukaisesti rakennekoekappaleista määritettävää puristuslujuutta verrataan kuu-tiolujuuteen siten, että rakennekoekappaleiden puristuslujuutta korotetaan rakenne-koekappaleen halkaisijasta riippuvalla korjauskertoimella. Standardissa esitetyt korjaus-kertoimet esiintyvät kirjallisuudessa ensimmäisen kerran tiettävästi 1980-luvulla, jonka jälkeen erityisesti infrarakentamisessa käytettävät pakkasenkestävät betonilaadut ovat ke-hittyneet merkittävästi. Standardin SFS 7022 [1] mukaisten puristuslujuuksien korjaus-kertoiminen taustatietoja ei ole enää saatavilla, minkä seurauksena ei ole tiedossa millai-silla betonilaadulla ja olettamukmillai-silla korjauskertoimet on muodostettu.
Rakennekoekappaleista ja standardikoekappaleista määritettävään puristuslujuuteen vai-kuttavat koon lisäksi monet tekijät, joiden vaikutusta ei ole tarkasti tiedossa ja tekijöiden vaikutukseen ei oteta kantaa eurooppalaisissa tai Suomen kansallisissa standardeissa ja ohjeissa. Koekappaleiden päiden tasoittaminen tehdään Suomessa yleensä koneellisesti hiomalla tai käyttämällä rikkiseosta, molemmat tekniikat ovat hyväksyttyjä eurooppalais-ten standardien mukaan. Tiedossa ei kuieurooppalais-tenkaan ole, saadaanko molemmilla tasoitustek-niikoilla määritettyä sama puristuslujuus. Rakennekoekappaleiden timanttiporaamisen vaikutusta rakennekoekappaleiden lujuuteen ei ole esitetty eurooppalaisissa standar-deissa. Tiedossa ei myöskään ole, millainen vaikutus huomattavan kuluneen timanttiterän käytöllä on rakennekoekappaleista määritettävään puristuslujuuteen. Eurooppalaisten
standardien mukaisesti koekappaleiden valamiseen voidaan käyttää sekä teräksestä että muovista valmistettuja muotteja. Standardeissa ei kuitenkaan esitetä, vaikuttaako muotti-materiaali koekappaleiden puristuslujuuteen.
Tutkimuksen aikaan standardi EN 13791 Betonin puristuslujuuden arviointi rakenteista ja rakenneosista [2] oli uudistumassa. Nykyisin voimassa olevassa standardissa koekap-paleita ohjeistetaan kuivattamaan vähintään 72 tuntia ennen puristuskokeiden suoritta-mista, jotta koekappaleiden työstämisestä (poraus, sahaus ja hionta) koekappaleisiin imeytynyt ylimääräinen kosteus ehtii poistumaan. Uudistuvassa standardissa uusi ohjeel-linen kuivatusaika on 16...24 tuntia. Tutkimuksen yhteydessä haluttiin selvittää, vaikut-taako lyhennetty kuivatusaika rakennekoekappaleista määritettävään puristuslujuuteen.
Betonin puristuslujuutta voidaan arvioida myös useilla ainetta rikkomattomilla tutkimus-menetelmillä. Suomessa yleisin ainetta rikkomaton tutkimusmenetelmä on kimmova-sarointi. Tutkimuksen yhteydessä haluttiin selvittää, kuinka paljon kimmovasaralla mää-ritetty arvio puristuslujuudesta eroaa todellista mitatuista puristuslujuuksista.
Ennen tutkimuksen aloittamista Tampereen teknillisen yliopiston Vaativien rakenteiden tutkimusryhmä teki esiselvityksen Betonin puristuslujuus. Esiselvitys: Tausta ja määrit-täminen koetuloksista [3]. Esiselvitys tehtiin keväällä 2018 Liikenneviraston ohjauk-sessa. Esiselvityksessä selvitettiin kirjallisuustutkimuksen keinoin, kuinka rakenne-koekappaleiden puristuslujuustuloksista päädytään betonin mitoituslujuuteen. Tämän diplomityön työn lisäksi tutkimuksen aiheesta tehtiin myös toinen diplomityö, jossa tut-kittiin betonin toimintaa osana taivutettua rakennetta. Tällä diplomityöllä saadaan lisätie-toa betonin puristuslujuuden eroista taivutustilanteessa ja rakennekoekappaleista määri-tettynä.
1.2 Tutkimuksen tavoitteet
Tutkimuksen perusteella halutaan selvittää, millainen vaikutus rakennekoekappaleiden halkaisijalla on rakennekoekappaleista määritettävään puristuslujuuteen, kun rakenteissa käytetään nykyaikaisia betonilaatuja. Erityisesti tutkimuksessa painotettiin infrarakenta-misessa yleisesti käytettäviä pakkasenkestäviä betonilaatuja, joiden lieriölujuus vaihteli välillä 30...50 MPa. Tutkimustulosten perusteella pyritään selvittämään, kuinka eri ko-koisten rakennekoekappaleiden puristuslujuudesta saadaan määritettyä suunnittelulujuus.
Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, millainen vaikutus rakennekoekappaleiden timant-tiporaamisella on rakennekoekappaleista määritettävään puristuslujuuteen. Timanttipo-rauksen vaikutusta selvitetään vertaamalla rakennekoekappaleiden puristuslujuutta valet-tujen vastaavan kokoisten koekappaleiden lujuuteen. Timanttiporauksen vaikutuksen li-säksi tutkimuksessa selvitetään, millainen vaikutus hyvin kuluneen timanttiterän käytöllä on rakennekoekappaleista määritettävään puristuslujuuteen.
Tutkimuksessa on tavoitteena selvittää, saadaanko Suomessa pääsääntöisesti käytetyillä koekappaleiden päiden tasoitusmenetelmillä määritettyä sama puristuslujuus. Yleensä koekappaleiden päiden tasoitus tehdään Suomessa joko koneellisesti hiomalla tai rikki-seoksella tasoittamalla. Tutkimuksen perusteella selvitetään lisäksi, millainen vaikutus rakennekoekappaleen kosteuspitoisuudella on koekappaleista määritettävään puristuslu-juuteen. Kosteuspitoisuutta tarkastelevan tutkimusosan perusteella selvitetään millainen vaikutus standardin EN 13791 [2] uudistuksella on rakennekoekappaleiden puristuslujuu-teen. Lisäksi kosteuspitoisuutta tarkastelevassa tutkimusosassa selvitetään kuinka paljon standardilieriön täysin vedellä kyllästäminen vaikuttaa koekappaleen puristuslujuuteen, kun tulosta verrataan kuivana puristetun standardikoekappaleen lujuuteen.
Eurooppalaisten standardien mukaan koekappaleiden valamiseen voidaan käyttää teräk-sestä tai muovista valmistettuja muotteja. Tutkimuksessa selvitetään, onko muottimateri-aalilla vaikutusta koekappaleista määritettävään puristuslujuuteen. Muottimateriaalia tut-kiva tutkimusosa tehdään muista tutkimusosista poiketen käyttämällä puristuskokeissa koekappaleina standardikuutioita.
Tutkimuksen puristuskokeiden yhteydessä tehdään myös vertailevaa puristuskoetutki-musta ainetta rikkomattomalla tutkimusmenetelmällä. Tutkimusmenetelmänä käytetään kimmovasarointia. Tutkimuksessa selvitetään, kuinka paljon kimmovasaralla määritetty arvio puristuslujuudesta eroaa todellisesta mitatusta puristuslujuudesta. Lisäksi kim-movasaratutkimuksella selvitetään, vaikuttaako koekappaleiden kosteuspitoisuus tai hier-retyn pinnan hiominen kimmovasaralla määritettävään puristuslujuuteen.
1.3 Tutkimuksen rajaukset
Tutkimuksessa keskitytään tutkimaan betonin puristuslujuutta vain puristuskokeiden avulla. Puristuskokeiden rinnalla tehdään vertailevaa tutkimusta kimmovasaramittauk-silla, joiden tulokset eivät kuitenkaan ole suoraan verrattavissa mitattuihin puristuslujuuk-siin. Tutkimuksessa kimmovasaramittausten ja todellisten puristuslujuuksien välisiä suh-teita tarkastellaan ainoastaan suuruusluokkatasolla. Tutkimuksessa käytettävät koekappa-leet valmistetaan, jälkihoidetaan, valmistellaan (timanttiporaus, -sahaus ja päiden tasoit-taminen) ja puristuskokeet suoritetaan velvoittavien standardien mukaisesti. Tutkimuk-sen puristuskokeet suoritetaan nimellisesti betonin ollessa 91 vuorokauden ikäistä. Tut-kimuksen huomattavan suuren koekappalemäärän seurauksena puristuskokeiden suorit-tamisessa sallitaan ±7 vuorokauden aikaikkuna.
Tutkimuksen ennakkovalmisteluissa käytettävien betonilaatujen määrä rajattiin neljään laatuun. Betonilaadut valittiin siten, että ne edustavat mahdollisimman hyvin yleisesti käytettyjä pakkasenkestäviä infrabetonilaatuja. Yhdeksi betonilaaduksi valittiin huokos-tamaton betonilaatu, jonka nimellislujuus on sama kuin tutkimuksen yhden huokostetun betonilaadun lujuus.
Yleensä rakennekoekappaleet timanttiporataan valetuista todellisista rakenteista. Tässä tutkimuksessa pääosa rakennekoekappaleista timanttiporataan halkaisijaltaan 150 mm ja pituudeltaan 300 mm standardilieriöistä, joissa ei ole raudoitusta. Timanttiporaukset suo-ritetaan pienikokoisista lieriömäisistä valukappaleista, jotta kaikille tutkimuksessa keske-nään verrattaville koekappaleille pystytään järjestämään mahdollisimman identtiset val-mistus-, jälkihoito-, ja säilytysolosuhteet.
Tutkimuksen koejärjestelyiden suunnittelu ja valmistelu, sekä koekappaleiden valmista-minen ja puristuskokeet kuuluvat osaksi diplomityön suorittamista.