Koekappaleen koko

Betonin puristuslujuus [MPa = N/mm²] tarkoittaa murtokuorman ja puristuspinta-alan suhdetta. Teoriassa, kun vertaillaan saman muotoisten, mutta halkaisijaltaan erisuurien lieriömäisten koekappaleiden puristuslujuuksia ja muiden määritettävään puristuslujuu-teen vaikuttavien tekijöiden oletetaan olevan merkityksettömiä, pitäisi puristuslujuudeksi tulla sama arvo. Muiden tekijöiden, kuten runkoaineen ja porauksen vaikutuksesta lujuu-deksi ei kuitenkaan useimmiten saada saamaa tulosta koekappaleen halkaisijan muuttu-essa. Rakennekoekappaleen halkaisijan vaikutusta testattavasta kappaleesta mitattavaan puristuslujuuteen on tutkittu kansainvälisesti paljon. Tutkimusten johtopäätöksissä on huomattavia eroavaisuuksia. Tutkimukset on pääsääntöisesti tehty rakennekoekappaleilla joiden pituus-halkaisija -suhde (L/D) on 2,0.

Yip et al. [32] ja Meininger [18] ovat havainneet tutkimuksissaan, että poratun rakenne-koekappaleen halkaisijalla ei ole merkittävää vaikutusta mitattavaan puristuslujuuteen.

Molemmissa tutkimuksissa laattamaisista valetuista kappaleista porattiin rakennekoekap-paleita sekä valusuuntaan, että valusuuntaan vasten kohtisuoraan. Valusuuntaan porattu-jen rakennekoekappaleiden lujuuksissa havaittiin, että nimellishalkaisijaltaan 50 mm:n rakennekoekappaleet ovat lujuudeltaan noin kolme prosenttia heikompia kuin 100 mm:n rakennekoekappaleet. Meiningerin tutkimuksessa [18] havaittiin lisäksi, että nimellishal-kaisijaltaan 150 mm:n rakennekoekappaleet ovat noin prosentin verran lujempia kuin 100 mm:n rakennekoekappaleet. Kummassakaan tutkimuksessa rakennekoekappaleiden lu-juuseroja halkaisijan muuttuessa ei pidetty merkittävänä. Tutkimusten perusteella mitat-tavalla puristuslujuudella ei voida sanoa olevan eroa rakennekoekappaleen halkaisijan muuttuessa.

Campbell et al. [33] ja Arioz et al. [34] ovat havainnet tutkimuksissaan, että pienillä ra-kennekoekappaleiden halkaisijoilla saadaan selkeästi matalampi puristuslujuustuloksia kuin suuremmilla halkaisijoilla. Campbell et al. havaitsi tutkimuksessaan [33], että ni-mellishalkaisijaltaan 150 mm:n rakennekoekappaleesta saadaan noin 20 % suurempi pu-ristuslujuus kuin nimellishalkaisijaltaan 100 mm:n rakennekoekappaleesta. Arioz et al.

teki tutkimuksessaan [34] saman suuntaisen havainnoin. Tutkimuksessa halkaisijaltaan 144 mm:n rakennekoekappaleista mitattiin puristuslujuudeksi noin 4-6 % suurempi lu-juus kuin 94 mm:n rakennekoekappaleista. Lisäksi Arioz et al. teki tutkimuksessaan pu-ristuskokeita pienemmillä rakennekoekappalekoilla. Tutkimuksen havaintojen mukaan halkaisijaltaan 69 mm:n rakennekoekappaleista saadaan 4-6 % ja halkaisijaltaan 46 mm:n rakennekoekappaleista 7-11 % pienempiä puristuslujuuksia kuin 94 mm:n rakenne-koekappaleista. Arioz et al. teki tutkimuksia rakennekoekappaleiden

pituus-halkaisija-suhteilla (L/D) 1,0 ja 2,0, edellä esitetyissä lujuuserojen vaihteluväleissä pienempi luku edustaa pituuden ja halkaisijan suhdetta 1,0 ja suurempi suhdetta 2,0.

Valetuille lieriöille tehdyissä puristuskokeissa on yleisesti havaittu vastakkainen vaikutus suhteessa porattuihin rakennekoekappaleisiin. Suuremmilla valulieriöillä on tyypillisesti saatu pienempiä puristuslujuuksia kuin pienemmillä koekappaleilla. Valettuja lieriöitä on tutkittu pääsääntöisesti koekappaleilla, joiden pituus-halkaisija-suhde on 2,0. Tutkimuk-sissa on tehty yhteinen havainto kokovaikutuksesta, pienempään koekappaleen halkaisi-jaan siirryttäessä kasvaa puristuslujuustulosten hajonta [35]. Sama havainto on tehty myös standardissa EN 13791. Verrattuna halkaisijaltaan 100 mm:n rakennekoekappalei-siin, kasvaa puristuslujuuden vaihtelu pienempii rakennekoekappaisiin siirryttäessä. Tes-tattaessa puristuslujuutta 50 mm:n rakennekoekappaleilla on suositeltavaa tehdä kokeet kolmikertaisella lukumäärällä verrattuna halkaisijaltaan 100 mm:n rakennekoekappalei-siin [2]. Väliarvot välillä 50-100 mm voidaan standardin mukaan interpoloida lineaari-sesti.

Bartlett ja MacGregor ovat tutkimuksessaan [36] koonneet yhteen aihepiiristä aikaisem-min julkaistuja tutkimuksia ja tehneet niistä johtopäätöksi liittyen lujuuseroihin koekap-paleen koon muuttuessa. Tutkimus on tehty vuonna 1994. Aiemmin tässä kappaleessa viitattu Arioz et al. tekemän tutkimuksen [34] tulokset on julkaistu vuonna 2007, joten tutkimuksessa ei luonnollisesti huomioida myöhemmin julkaistun tutkimuksen tuloksia.

Bartlett ja MacGregon ovat tutkimuksessaan [36] löytäneet neljä mahdollista syytä koe-kappaleen halkaisijasta riippuviin lujuuseroihin, mitkä ovat:

1. Timanttiporaus saattaa vaurioittaa rakennekoekappaleen pintoja siten, että po-rauspinnoille muodostuu mikrohalkeamia. Lisäksi timanttiporauksessa läviste-tään runkoainespartikkeleita, jotka voivat lohjeta irti rakennekoekappaleesta pu-ristuskokeen aikana, mikäli runkoainespartikkelin tartunta sementtikiveen on po-rauksen aikana vaurioitunut. Pienillä rakennekoekappaleilla pinta-alan suhde tila-vuuteen on suurempi kuin suurilla rakennekoekappaleilla, jonka seurauksena pie-nien rakennekoekappaleiden vaurioituneella pinnalla on suurempi vaikutus puris-tuslujuuteen kuin suuremmilla rakennekoekappaleilla.

2. Testauskoneen kuormituslevyjen tulee olla riittävän jäykät, mikäli jäykkyys ei ole riittävä, voi kuormituslevyjen taivutusmuodonmuutoksesta aiheutua kuorman keskittyminen testattavan koekappaleen keskiosaan tasaisen jakaantumisen si-jaan. Kuormituslevyn taivutusmuodonmuutoksen seurauksena halkaisijaltaan suuriin koekappaleisiin kohdistuu halkaisuvoimia, jotka aiheuttavat koekappaleen murtumisen tasaista kuormaa pienemmällä voimalla. Tällöin koekappaleen puris-tuslujuus jää luonnollisesti alhaisemmaksi.

3. Betonirakenteissa esiintyy luontaisia lujuuseroja, jotka vaikuttavat pienten raken-nekoekappaleiden puristuslujuustuloksiin oletettavasti voimakkaammin. Esimer-kiksi laattamaisissa rakenteissa yläpinnan betoni on yleensä heikompaa kuin ala-pinnan betoni. Tästä seuraa oletettavasti, että pienten rakennekoekappaleiden pu-ristuslujuustuloksissa esiintyy enemmän hajontaa kuin suurissa.

4. Koekappaleen kokovaikutukselle on esitetty kaksi teoreettista mallia:

a. Heikoimman lenkin teoriassa hauraissa materiaaleissa puristuslujuuden otaksutaan määräytyvän koekappaleen heikoimman materiaaliosuuden mukaisesti. Tämän teorian mukaisesti on luonnollista, että suurissa koe-kappaleissa esiintyy suurempi hajonta heterogeenisen betonin eri lujuuden omaavia elementtejä. Tällöin on myös todennäköistä, että heikompia ai-neksia esiintyy suurissa koekappaleissa pieniä todennäköisemmin. Tästä olettamuksesta seuraa, että suurempien koekappaleiden keskimääräinen puristuslujuus jää pieniä koekappaleita matalammaksi.

b. Summateoriassa koekappaleen puristuslujuus määräytyy kohdassa a esite-tyn eri lujuuden omaavien elementtien summana.

Suomessa rakennekoekappaleiden halkaisijan vaikutus mitattavaan lujuuteen huomioi-daan muutoskertoimilla kappaleen 2.4 mukaisesti. Ruotsissa lieriömäisen standardi-koekappaleen halkaisijan tai kuutiomaisen standardistandardi-koekappaleen sivumitan sekä raken-nekoekappaleen halkaisijan vaikutus puristuslujuuteen huomioidaan standardin SS 137207:2005 [31] mukaisesti. Standardissa määritetään puristuslujuuden muunnokselle korjausluku, jolla mitattu puristuslujuus jaetaan, mikäli testaukseen käytetyn koekappa-leen halkaisija tai sivumitta poikkeaa referenssikoekappaleesta. Referenssikoekappaleina Ruotsissa käytetään standardikoekappaleille halkaisijaltaan 150 mm kokoista lieriötä ja sivumitaltaan 150 mm kokoista kuutiota. Rakennekoekappaleiden referenssikappaleena käytetään halkaisijaltaan 100 mm kokoista lieriötä. Standardin [31] mukaisten korjauslu-kujen määrittämiseen käytettävät käyrät on esitetty kuvassa 9. Kuvasta havaitaan, että rakennekoekappaleiden sallittu halkaisija voi olla väliltä 50…150 mm. Lisäksi havaitaan, että rakennekoekappaleen halkaisijalla välillä 50…100 mm ei oleteta olevan merkitystä mitattavan puristuslujuuden kannalta.

Huomioitavaa on, että puristuslujuuden muunnokset kuutiolujuudeksi tehdään siten, että muunnetut lujuudet vastaavat huoneilmassa säilytettyjen (kuivat olosuhteet) standardi-kuutioiden lujuutta. Tämä poikkeaa Suomessa voimassa olevan standardin SFS 7022 [1]

ohjeistusta, jonka mukaisesti muunnokset tehdään vastaamaan vedellä kyllästetyn stan-dardikuution puristuslujuutta.

Kuva 9. Koekappaleen kokovaikutuksen huomioivan korjausluvun (jakaja) määrittämi-nen standardin SS 137207:2005 [31] mukaisesti, mukaillen lähdettä [3].

Saksassa koekappaleen koolle ei ole määritetty korjauslukuja. Saksassa voimassa ole-vassa standardin EN 13791 kansallisessa liitteessä DIN EN 13791/A20:2017-02 [37] mu-kaan rakennekoekappaleen halkaisijan tulee olla 100 mm tai 150 mm. Poikkeustapauk-sissa sallitaan halkaisijaltaan 50 mm kokoiset rakennekoekappaleet. Standardin mukaan kuivissa olosuhteissa säilytettyjen, nimellishalkaisijaltaan (L/D-suhteeltaan 1,0) 50 mm, 100 mm tai 150 mm rakennekoekappaleiden puristuslujuudet vastaavat vedessä säilytet-tyjen standardikuutioiden puristuslujuutta.

Yhdysvalloissa voimassa olevassa testausstandardissa ASTM C42/C42M-16 [38] ei esi-tetä korjauslukua koekappaleen halkaisijan muunnokselle. Testausstandardissa kuitenkin ohjeistetaan, että rakennekoekappaleen halkaisijan tulee olla vähintään 94 mm ja pituu-den ja halkaisijan välisen suhteen tulee olla vähintään 1,0. American Concrete Instituten julkaisemassa raportissa ACI 214.4R-10 [35] rakennekoekappaleen halkaisijan vaikutuk-selle esitetään muunnoskertoimet siten, että puristuslujuustulokset muunnetaan vastaa-maan halkaisijaltaan 100 mm rakennekoekappaletta. Raportissa on lisäksi esitetty muun-noskertoimien hajonnat. Muunnoksissa halkaisijaltaan 50 mm rakennekoekappaleiden puristuslujuustulokset kerrotaan luvulla 1,06 ja halkaisijaltaan 150 mm luvulla 0,98. Ker-toimelle 1,06 hajonnaksi on ilmoitettu 11,8 % ja kerKer-toimelle 0,98 1,8 %.