Sari Talla
Maarakentamiseen soveltuvan rikinpoistotuotebetonin pakkasenkestävyys
Diplomityö, joka on opinnäytteenä jätetty tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 05.12.1997
Diplomityö: Maarakentamiseen soveltuvan rikinpoistotuotebetonin pakkasenkestä
vyys
Päiväys:05.12.1997 Sivumäärä: 88
Professuuri: Rakennusmateriaalitekniikka
Valvoja: Professori Vesa Penttala
Ohjaaja:DI Jarmo Liimatainen
Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää puolikuivamenetelmän rikinpoistotuotteen ja lentotuhkan seoksen ominaisuuksia maarakentamisessa. Erityisesti keskityttiin materiaalien pakkasenkestävyyteen oletetuissa käyttöolosuhteissa, minkä lisäksi selvitettiin rakentamisen ja rakenteiden mitoittamisen kan
nalta tärkeitä materiaaliominaisuuksia. Kehitettävien rikinpoistotuotebetonien tuli saavuttaa kuukauden iässä 3 MPa:n puristuslujuus ja niiden tuli olla alkuperäisessä kosteuspitoisuudessaan pakkasenkestäviä.
Kirjallisuustutkimuksessa selvitettiin lyhyesti puolikuivamenetelmän rikinpoistotuotteen ominaisuuksia ja erilaisia pakkasenkestävyyden testausmenetelmiä.
Alustavissa kokeissa valmistettiin 10 koostumukseltaan erilaista rikinpoistotuotebetonia, joista kuukau
den puristuslujuuden ja pakkasenkestävyyden perusteella valittiin kolme betonia (A, G ja H) varsinai
siin kokeisiin. Betonit koostuivat erilaisina yhdistelminä rikinpoistotuotteesta, lentotuhkasta, masuuni- kuonasta, sementistä ja vedestä.
Varsinainaisiin kokeisiin valituille rikinpoistotuotebetoneille määritettiin puristuslujuudet 1 ja 3 viikon sekä 1 ja 3 kuukauden iässä, kimmomoduulit kolmessa eri vesipitoisuudessa, pakkasenkestävyys alku
peräisessä kosteuspitoisuudessa, kapillaarinen vedenimu sekä suojahuokossuhde. Rikinpoistotuotebe- tonilla G tutkittiin vielä valmistuksen jälkeen vedensaannin vaikutusta koekappaleisiin ja niiden puris- tuslujuuksiin sekä pakkasenkestävyyttä eri kosteuspitoisuuksissa.
Varsinaisten kokeiden rikinpoistotuotebetonit saavuttivat tavoitelujuuden kuukauden iässä, mutta niiden kolmen kuukauden puristuslujuuden tulokset ylittävät huomattavasti tavoitelujuuden. Kimmomoduulin arvot vaihtelivat välillä 1700-3400 MPa, vesipitoisuuden kohottaminen pienensi betoneilla A ja H kimmomoduulin arvoa, mutta betonilla G kimmomoduulin arvo pysyi ennallaan. Kaikki kolme betonia olivat alkuperäisessä kosteuspitoisuudessaan pakkasenkestäviä. Kapillaarisen vedelläkyllästysasteen kaikki kolme betoni saavuttivat nopeasti, nopeimmin betoni G 12 minuutissa ja hitaimmin betoni A noin kahdessa tunnissa. Kaikkien kolmen betonin suojahuokossuhteet olivat erittäin pieniä, tulokset olivat välillä 0,033-0,045. Betonin G koekappaleet kestivät kastumisen 12 tuntia valmistamisen jälkeen ja niiden puristuslujuus oli 75 % vertailulujuudesta. Vuorokauden iässä kastuneiden koekappaleiden puristuslujuus oli 90 % vertailulujuudesta ja myöhemmin kastuneiden puristuslujuudet ylittivät vertailu- lujuuden. Betonin G koekappaleet kestivät 20 %:n kosteuspitoisuuden kasvun emien pakkasenkestävyy
den menettämistä.
Tehtyjen kokeiden perusteella rikinpoistotuotebetoni saavutti jo hyvinkin pienillä sementtimäärillä kuukauden iässä tavoitelujuuden 3 MPa. Rikinpoistotuotebetonit olivat pakkasenkestäviä alkuperäisessä kosteuspitoisuudessaan ja ne kestävät myös pienen kastumisen ilman pakkasenkestävyyden menettämis
tä.
Author: Sari Talla
Name of the thesis: Freeze-thaw resistance of desulphurization product concrete used in soil engineering
Date:05.12,1997 Pages: 88
Professorship: Building Materials Technology
Supervisor: Professor Vesa Penttala
Instructot: Jarmo Liimatainen, M.Sc. (Eng.)
The purpose of this master diesis was to study the properties of mixtures which consist of desulphuri
zation product (DP) from wet-dry process and fly ash and which were used in soil engineering and.
The special emphasis was put on freeze-tiiaw resistance of materials in assumed conditions. Furthermo
re the important material properties from the point of view of construction and stmcture dimension were studied. The developed DP concretes were to reach a compressive strengtii of 3 MPa in one month’s age and they were to be freeze-thaw resistant in Uieir orginal moisture content. In the literature study the properties of desulphurization product and different freeze-thaw tests were shortly cleared up.
10 DP concretes which were different by tiieir content were made in die preliminary tests. From these concretes were chosen tiiree concretes (A, G, H) to die primary tests on die basis of their compressive strength at the age of 28 days and freeze-tiiaw resistance. These concretes consisted of desulphurization product, fly ash, blast furnish slag, cement and water in different combinations.
In die primary phase of die study die compressive strengtiis at die age of 1 and 3 weeks as well as 1 and 3 months, the moduli of elasticity widi three different water content, freeze-thaw in the original mois
ture content, capillary water absorption and protective pore ratio were determined for the second phase chosen DP concretes. Furthermore after the production water curing effect on the test specimens and on tiieir compressive strengths as well as freeze-thaw resistance in different moisture contents were studied witii die DP concrete G.
The chosen DP concretes reached die aimed compressive strengtii at die age of one month but their compressive strength results at die age of 3 montiis exceeded considerably the aimed compressive strength. The moduli of elasticity varied between 1700 MPa and 3400 MPa, increasing of moisture content diminished elasticity modulus value of concretes A and H but the elasticity modulus value of concrete G remained the same. All three concretes were freeze-thaw resistant in their original moisture content. The capillary degree of saturation was reached quickly by all the three concretes: the concrete G reached it quickiest in 12 minutes whereas die lowest concrete A in approximately two hours. The protective pore ratios of all the tiiree concretes were very small. The results were between 0,033 and 0,045. The test specimens of concrete G could be wetted at die age of 12 hours and their compressive strength was 75 % of the strengtii of die comparison concrete at die age of 28 days. The compressive strengtii of test specimens wetted at die age of 24 hours was 90 % of the strength of comparison con
crete and die compressive strengths of those concretes which were wetted later than at the age of 24 hours exceeded the compressive strengtii in comparison. The test specimens of concrete G endured increase of moisture content of 20 % before they lost their freeze-thaw resistance.
On the basis of die tests made in diis master diesis DP concrete reached die aimed compressive strengtii of 3 MPa with a fairly small amounts of cement at the age of one montii. Desulphurization product concretes were freeze-thaw resistant in tiieir original moisture content and tiiey endured also fair increa
se of water content without losing tiieir freeze-thaw resistance._____________________________________
TIIVISTELMÄ 2
ABSTRACT 3
SISÄLLYSLUETTELO 4
ALKUSANAT 7
1. JOHDANTO 8
KIRJALLISUUSTUTKIMUS
2. RIKINPOISTOTUOTTEIDEN KÄYTTÖ BETONITEKNIIKASSA 9
2.1 Puolikuivamenetelmässä syntyvä rikinpoistotuote 9 2.2 Puolikuivamenetelmän rikinpoistotuotteen mekaaniset
ominaisuudet 18
2.3 Puolikuivamenetelmän rikinpoistotuotteen pakkasenkestävyys 22
3. PAKKASENKESTÄVYYDEN MÄÄRITTÄMINEN 25
KOKEELLINEN TUTKIMUS
4. KOESUUNNITELMA 34
4.1 Alustavat kokeet 34
4.2 Varsinaiset kokeet 35
5. RIKINPOISTOTUOTEBETONIN OSA-AINEET 36
5.1 Sementti, masuunikuona ja vesi 36
5.2 Lentotuhka 38
5.3 Rikinpoistotuote 39
6. KOEJÄRJESTELYT 41
6.1 Massojen valmistus 41
6.2 Koekappaleiden valmistus 41
6.3 Koekappaleiden säilytys 43
6.4 Mekaanisten ominaisuuksien määritys 44
6.4.1 Puristuslujuus 44
6.4.2 Kimmomoduuli 45
6.5 Säilyvyysominaisuuksien määritys 46
6.5.1 Pakkasenkestävyys 46
6.5.2 Kapillaarinen vedenimu 48
6.5.3 Suojahuokossuhde 49
7. ALUSTAVIEN KOKEIDEN TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU 50
7.1 Koetulokset 50
7.1.1 Puristuslujuus 50
7.1.2 Pakkasenkestävyys 52
7.2 Koetulosten tarkastelu 54
7.3 Betonien kustannusvertailu ja valinta varsinaisiin kokeisiin 55
8. VARSINAISTEN KOKEIDEN TULOKSET 57
8.1 Puristuslujuus 57
8.2 Kimmomoduuli 59
8.3 Pakkasenkestävyys 61
8.4 Kapillaarinen vedenimu 63
8.5 Suojahuokossuhde 63
8.6 Valmistuksen jälkeen koekappaleeseen imeytyneen veden vaikutus
puristuslujuuteen 64
8.7 Pakkasenkestävyys eri kosteuspitoisuuksissa 65
9. KOETULOSTEN TARKASTELU 68
9.1 Puristuslujuus 68
9.2 Kimmomoduuli 71
9.3 Pakkasenkestävyys 72
9.4 Kapillaarinen vedenimu 73
9.5 Suojahuokossuhde 73
9.6 Koekappaleiden herkkyys vedensaannille valmistuksen jälkeen 74 9.7 Pakkasenkestävyys eri kosteuspitoisuuksissa 75
10. TUTKIMUKSESSA KEHITETTYJEN RIKINPOISTOTUOTE-
BETONIEN KUSTANNUSVERTAILU JA SOVELTUVUUS 76
MAARAKENTAMISEEN
11. YHTEENVETO 78
KIRJALLISUUSLUETTELO 81
LIITTEET 84
Liite 1 Alustavien kokeiden pitkäaikaispuristuslujuudet 85
Liite 2 Varsinaisten kokeiden betonien yksittäisten koekappaleiden
kimmomoduulien, puristuslujuuksien ja tiheyksien arvot 86
Liite 3 Kapillaarisen vedenimun koesarjojen kuvaajat 87
ALKUSANAT
Olen tehnyt tämän diplomityön kokeellisen osuuden Teknillisen korkeakoulun raken
nus- ja yhdyskuntatekniikan osastolla vuonna 1994. Diplomityö on osa tutkimusta, jonka tavoitteena oli selvittää rikinpoistotuotteen ja lentotuhkan käyttöä maarakennus-
betoneissa.
Työn valvojana toimi professori Vesa Penttala ja ohjaajana DI Jarmo Liimatainen.
Tutkimuksen rahoittajina ovat toimineet ABB Fläkt Oy, City Rock Oy, Espoon Sähkö Oy, Helsingin kaupungin energialaitos (HKE), Imatran Voima Oy, Vantaan kaupunki ja Vantaan Sähkölaitos Oy sekä Teknologian kehittämiskeskus TEKES. Kaikille ra
hoittajille haluan lausua parhaimmat kiitokseni.
Lisäksi haluan kiittää ohjaajaani kärsivällisyydestä ja opastuksesta työni aikana sekä koko TKK:n Rakennusmateriaalitekniikan laboratorion henkilökuntaa ja opiskelutove- reitani saamastani avusta. Erityiskiitokseni haluan osoittaa vanhemmilleni, jotka ovat tukeneet minua koko opiskeluaikani ajan sekä Jyrille kärsivällisyydestä työtä tehdes
säni.
Espoossa 05.12.1997
1. JOHDANTO
Kivihiilivoimalaitoksissa syntyy suuria määriä rikinpoistotuotetta. Pääkaupunkiseudun voimaloissa syntyy puolikuivamenetelmän rikinpoistotuotetta ja lentotuhkaa yhteensä noin 200 000 tonnia vuodessa. Rikinpoistotuote on yleensä sekoitettu lentotuhkaan ja sijoitettu lähes kokonaan maanläjitysalueille. Kaupunkien läheltä, lyhyiden kuljetus
matkojen päästä kivihiilivoimaloista on kuitenkin entistä vaikeampi löytää uusia sijoi
tus- tai maanläjitysalueita. Ns. kaatopaikkasijoituksen aiheuttamat kustannukset ovat myös voimaloille merkittäviä. Jos rikinpoistotuotteelle voidaan löytää hyötykäyttöä esim. maa- tai tienrakennuksessa, voidaan saavuttaa merkittäviä taloudellisia säästöjä.
Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää kivihiilivoimaloiden puolikuivassa ri- kinpoistomenetelmässä syntyvän rikinpoistotuotteen ja lentotuhkan seoksen ominai
suuksia maarakentamisessa, esimerkiksi pengermateriaalina tai tien alusrakenteessa.
Erityisesti keskityttiin materiaalien pakkasenkestävyyteen oletetuissa käyttöolosuhteis
sa, minkä lisäksi selvitettiin rakentamisen ja rakenteiden mitoittamisen kannalta tärkei
tä materiaaliominaisuuksia ja mitoitusparametrejä. Tutkimus jakautuu kirjallisuus
tutkimukseen ja kokeelliseen tutkimukseen.
Kirjallisuustutkimuksessa selvitettiin rikinpoistotuotteen ja lentotuhkan seosten ominai
suuksia ja erilaisia pakkasenkestävyyden testausmenetelmiä. Kokeellisen tutkimuksen alustavissa kokeissa haettiin rikinpoistotuotteen, lentotuhkan, masuunikuonan ja se
mentin seoksia, joiden puristuslujuus olisi 28 vuorokauden iässä 3 MPa ja jotka olisi
vat pakkasenkestäviä alkuperäisessä kosteuspitoisuudessaan. Alustavien kokeiden pe
rusteella valittiin kolme seosta, joista valmistetuille betoneille määritettiin puristuslu
juus, tiheys, kimmomoduuli, pakkasenkestävyys, kapillaarinen vedenimu ja suojahuo- kossuhde sekä veden vaikutus kimmomoduuliin, puristuslujuuteen ja pakkasenkestä
vyyteen.
KIRJALLISUUSTUTKIMUS
2. RIKINPOISTOTUOTTEIDEN KÄYTTÖ BETONITEKNIIKASSA
Kivihiilen poltossa syntyvistä savukaasuista poistetaan Suomessa rikkiä neljällä eri menetelmällä: märkämenetelmällä, puolikuivamenetelmällä, lifac-menetelmällä ja leijukerrosmenetelmällä. Tässä diplomityössä on tutkittu puolikuivamenetelmän, jota kutsutaan myös märkä-kuivamenetelmäksi, tuottaman rikinpoistotuotteen soveltuvuutta maarakentamiseen sekä siitä, lentotuhkasta ja sideaineista valmistetun rikinpoistotuo- tebetonin pakkasenkestävyyttä käyttöolosuhteissaan.
2.1 Puolikuivamenetelmässä syntyvä rikinpoistotuote
Puolikuivamenetelmässä kuumaan kivihiilen polton savukaasuun sumutetaan erillisessä reaktorissa hienojakoinen alkalinen liete, jona yleisimmin käytetään kalsiumoksidista ja vedestä valmistettua kalsiumhydroksidilietettä. Lietteen määrää säädetään niin, että koko sen sisältämä vesimäärä ehtii haihtua, jolloin reaktori on ns. kuivapohjainen.
Syntynyt tuote erotetaan sähkö- tai letkusuodattimella jälkierottimessa. Puolikuivame
netelmän lopputuotteena muodostuu kalsiumsulfiitin, kipsin, kalsiumhydroksidin ja lentotuhkan seosta. Lentotuhkan määrä lopputuotteessa riippuu käytetyn lentotuhkan esierotuksen tehokkuudesta (Helenius et ai. 1988, s. 9).
Puolikuivamenetelmän kolme pääosaa ovat esierotin, SC^-reaktori ja jälkierotin. Esi
merkkinä on tässä Salmisaaren voimalaitoksessa käytössä oleva Fläktin Drypac -rikin- poistomenetelmä (Siitonen 1991, s. 12), kuva 1.
Lopputuote on kuivaa, juoksevaa materiaalia, joka käsittelyominaisuuksiltaan muistut
taa lentotuhkaa. Rikinpoistotuotteet ovat hienorakeisia materiaaleja, joiden keski- raekoko on 10- 0 pm. Raekoko vastaa luonnonmateriaaleista lähinnä silttiä. Puolikui-
vamenetelmän stabilisaatin (lentotuhkan ja rikinpoistotuotteen seoksen) ominaispinta- ala on 340-420 m2/kg ja sen kiintotiheys on 2,25-2,50 t/m3, irtotiheys on 0,60-0,95 t/m3 (Helenius et ai. 1988, s. 17).
Paineilma Kalkkiliete Esiero- *-
Savu
kaasut
kattilasta Reak-
Pölynerotin
Puhallin Savupiippu
Tuhka
siilo Loppu
tuote- siilo
Kierrätys- siilo
Kostutin
Kierrätetty
materiaali Kalkin-
sammutm Reaktio Ca(0H)2+S02+02 -»
CaS0VCaS04+K20 H20
Tuhka/
# Са80з/Са504/Са(0Н):
Lämpö
Samanaikainen Kuiva partikkeli absorptio ja
kuivuminen
Kuva 1. Rikinpoisto puolikuivamenetelmällä (Siitonen 1991, s. 12).
Rakeinen materiaali tiivistyy parhaiten tietyssä vesipitoisuudessa, jota kutsutaan opti- mivesipitoisuudeksi. Puolikuivamenetelmän stabilisaatin optimivesipitoisuus on 20-35
% (paranettu Proctor). Pienikin optimivesipitoisuuden ylitys muuttaa materiaalin juok
sevaksi (Helenius et ai. 1988, s. 21).
Lopputuotteen kemiallinen koostumus riippuu hiilityypistä, rikinpoistoasteesta, kalk- kiylimäärästä ja lentotuhkapitoisuudesta. Ilman lentotuhkan esierotusta lopputuotteen tuhkapitoisuus voi olla jopa yli 70 %. Puolikuivamenetelmän lopputuote sisältää yleensä pieniä määriä raskasmetalleja. Raskasmetallit ovat kuitenkin niukkaliukoisessa muodossa.
Taulukossa 1 on esitetty Salmisaaren voimalaitoksen lopputuotteen kemiallinen koos
tumus. Näyte on otettu linjalta ennen lopputuotesiiloa (Siitonen 1991, s.44).
Rikinpoistojätteiden sisältämät vesiliukoiset aineet ovat yksi tärkeimmistä tekijöistä arvioitaessa mahdollisia ympäristöhaittoja. Taulukossa 2 on esitetty Salmisaaren mär- käkuivamenetelmän jätteen ja saman voimalaitoksen lentotuhkan stabilisaatin ravistelu- testin tulokset. Liukoisuustestit, lähinnä ravistelu- ja kolonnitestit, ovat aggressiivisia testejä, joissa lyhyen koeajan perusteella pyritään kuvaamaan tulevien tuhansien vuo
sien aikana tapahtuvaa liukenemista. Liukoisuustesteissä eri aineiden liukenemiselle saadut tulokset ovat näin ollen usein teoreettisia maksimiarvoja. Liukoisuustestit, eri
tyisesti ravistelutestit, antavat tietoja vain siitä, mitkä aineet mahdollisesti liukenevat jätteistä merkittävässä määrin. Lisäksi ravistelutesteillä voidaan helposti verrata eri jätteiden ominaisuuksia keskenään (Ranta et ai. 1990, s. 25).
Taulukko 1. Salmisaaren voimalaitoksen rikinpoistotuotteen kemiallinen koostumus sekä kipsin ja Lifac-tuotteen kemiallinen koostumus (Siitonen 1991, s. 55).
KIPSI SALMISAARI LIFAC
pH 7,6 11,2 10,5
kosteus % 6,4 5,2 -
puhtaus % CaSC>4 • 2 H2O 96,6 — —
Kuiva-aineesta:
Kok. Sp-% 18,4 13,8 1,3
S032"p-% 0,06 30,6 2
SO42" (lask.) 55,1 4,6 1,5
CaO p-% (AAS) 33,8 44,3 12,2
C032"p-% 0,8 11,5 4,5
Ca(OH)2 p-% (sokerini.) 0,04 5,6 0,7
TG < 0,1 25 —
CaO p-% (sokerini.) 0,1 3,5 0,7
etyl.glyk.m. 0,04 1,3 0,8
Alumiini Al203 p-% < 0,3 0,5 16,9
Rauta Fc203 p- % <0,1 0,4 6,2
Kalium K2O p-% <0,02 0,1 1,9
Magnesium MgO p-% 0,02 0,9 2,5
Natrium Na20 p-% < 0,008 1,2 U
Pii SÍO2 p-% < U 1,5 34,2
Kromi Cr p- % < 0,03 < 0,03 0,01
Laskettuna:
CaC03 1,3 19,2 7,5
CaS04 • 2 H20 98,8 8,3 2,6
CaS03 • У2 H20 0,1 49,3 3,2
CaCl2 0,01 3,6 1,3
Liukoiset, vesiliuoksesta:
kloridi p-% 0,006 2,3 0,8
fluoridi p-% 1,5-2,8 1,4-2,3 1,5-1,7
kalium ppm, AAS 3,2 470 -
magnesium ppm, AAS 6,6 65 -
natrium ppm, AAS - ei analysoitu
8 6800 “
Taulukko 2. Salmisaaren märkä-kuivamenetelmän rikinpoistojätteen ravistelutestin tulokset.
Rikinpoistomotteen ja lentotuhkan suhde on 65:35 (Ranta et ai. 1990, s. 30).
Varastointiaika
L/S 1)
Salmisaaren jäte 4/88 3 pvä 30 pvä 300 pvä
0,63 0,58 0,70
Salmisaaren jäte, erä 9/88 irto 3 pvä 30 pvä
0,25 0,72 0,72
300 pvä 0,61
pH 11,2 10,2 9,7 11,8 12,4 12,2 9,5
nitriitti mg/l 24 — — 150 82 81 74
nitraatti 40 - - 720 390 290 140
kloridit 2100 - - 23000 10000 10000 12000
sulfaatit 1500 - - 840 910 920 1500
kalsium 5500 - 4500 8600 4700 4200 3300
arseeni mg/l 0,10 0,038 0,007 0,030 0,018 0,026 0,042
barium 0,69 0,46 1,27 2,63 1,48 0,63 1,35
kadmium 0,0006 - - 0,005 0,0005 - -
kromi 1,52 1,36 0,21 0,57 0,78 0,56 0,93
kupari 0,02 - - 0,011 0,006 - -
molybdeeni 2,06 2,00 2,06 1,27 0,78 0,91 0,65
nikkeli 0,01 -- - 0,024 0,001 - -
lyijy 0,02 - - 0,010 0,003 - -
seleeni 0,15 0,034 0,041 -- - - -
sinkki 0,014 - 0,021 0,11 0,049 0,043 0,006
1) ravistelutestissä saadun suodoksen määrä (ml) jaettuna ravisteluissa käytetyn jätteen kuiva- ainemäärällä (g)
Vertailun vuoksi on taulukossa 3 esitetty yleisesti maarakennuskohteisiin hyväksytty
jen materiaalien ravistelutestien tulokset. Märkä-kuivamenetelmän rikinpoistojätteistä liukenee melko vähän haitallisia metalleja, varsinkin hyvin lujittuneista jätekappaleis- ta, joita oli varastoitu yli 300 vuorokautta optimaalisissa olosuhteissa. Ainoastaan kromia ja molybdeenia liukeni enemmän kuin vertailumateriaaleista.
Taulukko 3. Muutamien vertailuaineiden liukenemisominaisuudet ravistelutestissä (Ranta et ai. 1990, s. 41).
Kaivon- Masuuni Masuuni Kevyt Kevyt Puna- Valko- Hiekka-
rengas -kuona - sora sora tiili tiili moreeni
< 2 mm murske kuona < 2 mm < 2 mm < 2 mm < 2 mm < 2 mm pelletti
A В
L/S 1) 0,80 0,87 0,9 0,67 0,32 0,78 0,74 0,8
pH 12,7 12,0 11,8 9,5 9,4 9,2 11,9 6,7
kalsium — — — — 28 11 8 2,0
fluoridi - - - - 7,2 0,4 2,0 -
kloridi -- - -- - 25 20 14 -
sulfaatti - - - - 230 58 43 --
arseenini g/l 0,002 < 0,002 < 0,001 0,11 0,028 0,22 0,007 < 0,002
barium 0,58 0,23 0,017 0,11 0,15 0,25 0,08 0,23
kadmium < 0,0002 < 0,0005 < 0,0005 < 0,0005 < 0,0002 - - < 0,001
kromi 0,035 0,0013 0,002 0,006 0,003 0,01 0,19 0,003
kupari 0,014 0,0023 0,010 < 0,01 0,005 0,005 0,002 < 0,02
molybdeeni 0,012 0,008 0,02 0,11 0,048 0,33 0,06 < 0,005
nikkeli < 0,001 0,0002 0,0007 < 0,01 0,013 0,004 0,001 < 0,01 lyijy 0,008 0,004 0,0005 0,002 < 0,001 0,004 < 0,001 < 0,01
seleeni 0,004 0,001 < 0,002 < 0,01 0,004 -- - -
sinkki 0,013 0,013 0,007 0,02 0,16 0,14 0,023 0,08
1) ravistelutestissä saadun suodoksen määrä (ml) jaettuna ravisteluissa käytetyn materiaalin kuiva- ainemäärällä (g)
Märkä-kuivamenetelmän jätteistä liukenee suoloja, haitallisimpina nitriitit ja nitraatit, jotka vahingoittavat esimerkiksi vesistöjä. Liukenevien suolojen perusteella rikinpois- tojätteitä ei voida sijoittaa tai käyttää maarakentamisessa korvaavana materiaalina il-
man rajoituksia. Rikinpoistojätteiden suotovesi voi huonontaa sijoituspaikan ja sen ympäristön pohjavettä (Ranta et ai. 1990, s. 43).
Mäkelä et.al tutkivat molybdeenin, kloridin ja sulfaatin liukoisuuksia lentotuhka- rikinpoistotuoteseoksista lyhennetyllä 16 vuorokauden diffuusiotestillä. Testissä saadut liukoisuudet on kerrottava kahdella, jotta niitä voidaan verrata ohjearvoihin, jotka on laadittu 64 vuorokauden testille (Mäkelä et ai. 1995, s. 44). Testien tulokset on esitet
ty kuvissa 2-4. Mäkelä et ai.:n tutkimuksessa käytetyt sijoituskriteerit perustuvat hol
lantilaisiin sijoituspaikkaryhmien ohjearvoihin. Kriteerit ovat seuraavat:
ryhmä 1 A - sijoitus eristämättömänä pysyvästi kosteaan paikkaan,
ryhmä 1 В - sijoitus eristämättömänä ajoittain kosteaan sijoituskohteeseen ja ryhmä 2 - sijoitus eristettynä (vanhat ohjearvot).
Lentotuhkan määrä (%) 100
95 95 70 70 70 50 33
0 5 10 15 20 25 30
Pitoisuus (mg Mo/m2/16 d)
*) Molybdeenin ohjearvot ryhmä 1 A 14 mg/m*/64 d ja ryhmä 1 В 48 mg/m*/64 d
Kuva 2. Molybdeenin liukoisuus lentotuhkaa ja rikinpoistotuottetta sisältävistä koekappaleista (Mäkelä et ai. 1990, s. 44).
Kloridit osoittautuivat kriittisimmiksi tutkituista liukenevista aineista. Sijoituspaikka- ryhmään 1 A seosmateriaalia ei voi sijoittaa ollenkaan ja sijoituspaikkaryhmään 1 В vain, jos lentotuhkan osuus on yli 90 % ja sijoituspaikkaryhmään 2, jos lentotuhkan osuus on yli 70 %.
Lentotuhkan määrä (%)
Pitoisuus (mg Cl/m2/16 d)
Klondm ohjearvot ryhmä 1 A 18 000 mg/m’/W d ja ryhmä 1 В 54 000 mg/mV64 d ja ryhmä 2 150 000 mg/m*/64 d
Kuva 3. Kloridin liukoisuus lentotuhkaa ja rikinpoistotuotetta sisältävistä koekappaleista (Mäkelä et ai. 1990, s. 46).
Lentotuhkan määrä (%) 100
95 95 70 70 70 50 33
0 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 70,000 Pitoisuus (mg S04/mz/16 d)
*) Sulfaatin ohjearvot ryhmä 1 A 27 000 mg/m*/64 d ja 1 В 80 000 mg/m*/64 d
**) näytekappale (36) 'A vuotta vanha ennen kuin tehtiin
Kuva 4. Sulfaatin liukoisuus lentotuhkaa ja rikinpoistotuotetta sisältävistä koekappaleista (Mäkelä et ai. 1990, s. 47).
Mäkelä et ai. tutkivat myös eri sideaineiden vaikutusta lentotuhka-rikinpoistotuotese- oksen liukoisuusarvoihin. Molybdeenin ja sulfaatin liukoisuuksia voitiin pienentää sideaineiden käytöllä, kloridin liukoisuus sideainetta sisältävistä näytteistä oli lähes samalla tasolla kuin vastaavista pelkästään lentotuhkaa ja rikinpoistotuotetta sisältävis
tä seoksista (Mäkelä et ai. 1995, s. 52-57).
Ranta et ai. tutkivat Södertäljen puolikuivamenetelmän rikinpoistotuotteesta (RPT) ja Salmisaaren lentotuhkasta (LT) valmistetun stabilisaatin (RPT:LT = 65:35) vesisuo- doksen toksisuutta vesikirpputestillä (Daphnia magna) ja mutageenisuutta Ames- testillä. He tekivät testit vertailun vuoksi myös lentotuhkan suodoksille (Ranta et ai.
1987, s. 121). Testien tulokset on esitetty taulukossa 4.
Taulukko 4. Toksisuustestien tulokset (Ranta et ai. 1987, s. 123).
Suodos L/S-suhde Akuutti toksisuus
Daphia magna LC50 (24 h)
Mutageenisuus Ames-testi Salmonella TA 100
Stabilisaatti 1,6 18 % Ei mutageeninen
Stabilisaatti 4 - Ei mutageeninen
Lentotuhka 1,2 66 % Ei mutageeninen
Lentotulika 4 - Ei mutageeninen
Vesikirpputestissä oli stabilisaatin suodos toksisempi kuin lentotuhkan vastaava suo- dos. Tulosten mukaan stabilisaatin suodos on laimennettava noin viisinkertaisesti, ettei suodoksista aiheutuisi akuuttia toksisuutta vesikirpulle Daphnia magna. Ames-testissä suodokset eivät olleet mutageenisia testatuilla annoksilla, joista korkeimmat olivat jo lievästi toksisia testibakteerille (Ranta et ai. 1987, s. 123).
2.2 Puolikuivamenetelmän rikinpoistotuotteen mekaaniset ominaisuudet
Puristuslujuus
Lähes kaikki puolikuivamenetelmän rikinpoistotuotteen käyttövaihtoehdot hyödyntävät rikinpoistotuotteen sisältämän lentotuhkan putsolaanisia lujittumisominaisuuksia. Pot- solaani on hienoksi jakautunut pii- tai alumiiniyhdisteitä sisältävä materiaali, jossa näillä yhdisteillä ei yksinään ole lujittumisominaisuuksia, mutta ne reagoivat joutues
saan kosketuksiin veden ja kalsiumhydroksidin kanssa ja muodostavat lujittuneita tuotteita (Ranta et ai. 1987, s. 44). Rikinpoistotuotteen ja lentotuhkan stabilisaatin lujuus riippuu niiden suhteesta, vesipitoisuudesta, iästä ja tiivistysasteesta (Helenius et ai. 1988, s. 23). Myös sitoutumislämpötila ja käytettävät lisäaineet (esim. sementti ja masuunikuona) vaikuttavat stabilisaatin lujittumiseen (Ranta et ai. 1990, s. 49). Häk
kinen on tutkinut pelkän Salmisaaren rikinpoiston lopputuotteen kovettumista ilman muita seossideaineita. Koekappaleet valmistettiin IC-laitteella ja seosveden määrä va
littiin mahdollisimman pieneksi. Pelkän rikinpoistotuotteen puristuslujuudeksi saatiin 28 vuorokauden iässä 0,56 MPa, vesi-rikinpoistotuotesuhde oli 0,46 (Häkkinen 1990, s. 48).
Stabilisaatit eivät löyhässä tilassa (D < 80 %) lujitu lainkaan ja hyvin tiivistettyinä ne lujittuvat 300 vuorokaudessa enintään puristuslujuuden arvoon 5-6 MPa (Ranta et ai.
1990, s. 49). Kuvasta 5 näkyy selvästi tiheyden vaikutus rikinpoistotuotteen stabili
saatin puristuslujuuteen. Koeskappaleiden tiivistyksessä on käytetty tärylevyä.
Säilytysolosuhteet; lämpötila ja kosteuspitoisuus, vaikuttavat myös stabilisaattien pu- ristuslujuuksien kehitykseen, kuten taulukoista 5 ja 6 voidaan havaita. Ympäristön lämpötilan laskiessa alle +5 °C lentotuhkilla tai rikinpoistotuotestabilisaateilla ei enää saavuteta lujuudenkehitystä ilman lisäsideaineita.
Jo pienillä määrillä lisäsideainetta voidaan rikinpoistotuotestabilisaatin lujuudenkehi- tystä nopeuttaa ja saavutettavaa loppulujuutta parantaa. Kuvassa 6 on esitetty 2 %:n sementin lisäyksen vaikutus stabilisaatin (RPT:LT = 3:7) lujuudenkehitykseen.
CLra 1,2
1
V)
f 0,8
IA
I 06
£
0.4
1300 1320 1340 1360 1380 1400
■ 20 + 20S D 40 + 40S
♦ 60 +60s
Tiheys [kg/m3]
Kuva 5. Koebetonien tiheyden vaikutus puristuslujuuteen. Koesarjan betoneissa RPT:LT oli 1:1 ja ne sisälsivät 6 % sementtiä. Koesarjan tunnuksista ilmenee vesipitoisuus ja tiivistysaika tärylevyllä (Liimatainen et ai. 1995, s. 39).
Taulukko 5. Kuivasäilytyksen vaikutus rikinpoistotuotebetonin puristuslujuuteen (Liimatainen et ai. 1995, s. 54).
Puristuslujuus [MPa]
ja hajonnat
28d 56d
Tiheys [kg/m3]
ja hajonnat
28d 56d
Vertailu 1) 4,4 5,6
0,04 2,0
1410 1420
9 60
Kuivasäilytys 2) 4,1 3,6
0,4 0,2
1220 1250
19 5
1) Säilytys kokoajan RH 95 %, +20 °C.
2) Säilytys 28d RH 45 %, +20 °C, jonka jälkeen 28d RH 95 %, +20 °C.
Taulukko 6. Kylmäsäilytyksen vaikutus rikinpoistouotebetonin puristuslujuuteen (Liimatainen et ai. 1995, s. 56).
Puristuslujuus [MPa]
ja hajonnat
28d 56d
Tiheys [kg/m3]
ja hajonnat
28d 56d
Vertailu 1) 4,4 5,6
0,04 2,0
1410 1420
9 60
Kylmäsäilytys 28d 2) 1,0 3,4
0,1 0,4
1430 1370
3 19
Kylmäsäilytys 56d 3) 1,0 2,0
0,1 0,5
1430 1410
3 43
1) Säilytys kokoajan RH 95 %, +20 °C.
2) Säilytys 28d RH 95 %, + 10 °C, jonka jälkeen 28d RH 95 %, + 20 °C.
3) Säilytys kokoajan RH 95 %, + 10 °C.
CL(0 5
</>
33
CZ)
•c
CL
GBS0
3 7 28 91
Aika [dl
Kuva 6. Sementin lisäyksen vaikutus rikinpoistotuotebetonin puristuslujuuteen (tunnuksella GBS0 on sementitön betoni) (Liimatainen et ai. 1995, s. 59).
Kuvassa 7 on esitetty rikinpoistotuotteen ja lentotuhkan suhteen vaikutus stabilisaattien puristuslujuuteen. Stabilisaattiin on lisätty sementtiä P40/7 100 kg/m3 ja massa oli notkeaa.
Kuva 7. Rikinpoistotuotteen ja lentotuhkan suhteen vaikutus rikinpoistotuotebetonin puristus- lujuuteen (Klinckowström 1992, s. 65).
Kimmomoduuli
Kimmomoduulin (E) laskeminen betonin normaalilujuudesta on esitetty kaavassa 1 (Betoninormit 1990, s. 11).
E = 5000 *—-—Vk (1)
2400 ’ v '
jossa
E on kimmomoduuli [MPa], p on betonin tiheys [kg/m3] ja K on betonin nimellislujuus [MPa].
Pelkistä hienoaineksista valmistettuihin ja alhaisen puristuslujuuden omaaviin beto- neihin kaavaa ei kuitenkaan voida käyttää, sillä se antaa tulokseksi aivan liian suuria arvoja. Märkä-kuivamenetelmän lopputuotteelle yksiaksiaalisella puristuskokeella määritetyn kimmomoduulin E arvon riippuvuudeksi puristuslujuudesta on käytetty
lineaarisen regressioanalyysin avulla saatua kaavaa 2 (Ranta et ai. 1987, s. 52). Ab- roksimaation korrelaatiokerroin on 0,85.
E = 153 a - 16 800 , (2)
jossa
E on sekanttimoduuli maksimijännityksen kohdalla [kPa] ja a on puristuslujuus [кРа].
Vastaavasti stabilisaatin kimmomoduulin riippuvuus ilmaistaan kaavalla 3 (Ranta et.ai.
1987, s. 53).
E = 187 ct - 32 700 , (3)
jossa
E on sekanttimoduuli maksimijännityksen kohdalla [kPa] ja a on puristuslujuus [кРа].
Kokoonpuristuvuusominaisuudet riippuvat suoraan rikinpoistotuotebetonin puristuslu- juudesta eli näin ollen seossuhteesta, vesipitoisuudesta ja tiheydestä sekä säilytysolo
suhteista. Puolikuivamenetelmän stabilisaatin kimmomoduulin E arvot ovat välillä 40- 140 MN/m3 (Helenius et ai. 1988, s. 23).
2.3 Puolikuivamenetelmän rikinpoistotuotteen pakkasenkestävyys
Aikaisempien tutkimusten ja kokemusten perusteella rikinpoistotuotebetonilla on huo
no pakkasenkestävyys. Eri tutkimusten pakkasenkestävyyden tuloksia on vaikea verra-
ta toisiinsa, koska niiden koekappaleiden koostumukset, säilytysolosuhteet ja testaus
menetelmät ovat olleet erilaiset.
Ruotsissa testattiin pakkasenkestävyyttä massoilla, jotka koostuivat Södertäljen rikin- poistotuotteesta, Västerås in lentotuhkasta, portlandsementistä, luonnonhlekasta (maksimiraekoko 2 mm), huokostimesta sekä vedestä. Massat olivat notkeita. Pakka- senkestävyyskoe poikkesi Suomen standartoidusta kokeesta. Koekappaleet olivat koko kokeen ajan osittain vedessä, joka jäätyi ja suli sykleittäin 28 syklin ajan (Hartlén et ai. 1986, s. 49). Täysin ilman vaurioita säilyivät massat, joissa oli hiekkaa ja sement
tiä 20 % kuiva-aineksesta (sisältää hiekan). Koekappaleet, joissa oli hiekkaa ja 10 % sementtiä, hilseilivät vedenpinnan alapuolelta kokeen aikana. Koekappaleet, joissa ei ollut hiekkaa ja sementtiä oli 10 %, eivät kestäneet jäädytys-sulatuskoetta (Hartlén et ai. 1986, liite 4:1).
Salmisaaren stabilisaatti on luokiteltu paisumisensa perusteella geotekniikassa routi
mattomaksi (Ranta et ai. 1990, s. 55). Vuosaaren puhdistamon alueelle syksyllä 1988 rakennetussa koepenkereessä havaittiin tammi-heinäkuussa 1989 enimmillään 10 mm paisuminen. Lämpötilahavaintojen perusteella voitiin kuitenkin todeta, että routa oli paisumisen tapahtuessa jo sulamassa, joten paisuminen ei johtunut routimisesta, vaan kemiallisista reaktioista (Ranta et ai. 1990, s. 57).
Klinckowström tutki diplomityössään notkeiden masssojen sekä harkkomassojen pak
kasenkestävyyttä. Käytetty rikinpoistotuotteen ja lentotuhkan suhde massoissa oli 1:1.
Notkeassa rikinpoistotuotemassassa oli kuonaa 12 % ja P40/7 sementtiä 3 % rikinpois
totuotteen ja lentotuhkan yhteismäärästä sekä notkistinta 2,2 % ja huokostinta 0,14 % veden määrästä. Harkkomassat sisälsivät hiekkaa 20 ja 50 % rikinpoistotuotteen, len
totuhkan ja hiekan yhteismäärästä ja sementtiä noin 2 % sekä kuonaa noin 6 % kuivi
en ainesten yhteismäärästä, massat sisälsivät myös vaihtelivia määriä huokostinta ja notkistinta (Klinckowström 1992, liite 8). Yksikään massoista ei ollut pakkasenkestä- vää standardin SFS 5447 mukaan tehdyn jäädytys-sulatuskokeen perusteella. Harkko-
massoissa käytetyillä lisäaineilla ei saavutettu parempaa pakkasenkestävyyttä. Masso
jen puristuslujuudet 28 vuorokauden iässä vaihtelivat 3,1-7,8 MPa:n välillä. Taulu
kossa 7 on esitetty Klinckowströmin tekemän jäädytys-sulatuskokeen tulokset.
Taulukko 7. Klinckowströmin kokeiden eri massojen jäädytys-sulatuskokeessa kestämä syl- kimäärä (Klinckowströn 1992, s. 82).
Sylkien määrä, kpl 0-massa LTPORT RPLMK H20 H50
Lisäaineelliset 5 13 13 5 13 +
koekappaleet 34
Lisäaineettomat ei ei ei 5 13
koekappaleet ollut ollut ollut
RPLMK on notkea rikinpoistotuotemassa, H20 ja H50 ovat harkkomassoja (20 ja 50 % hiekkaa) 0-massa on lentotulikapohjainen massa, jossa sideaineena on P40/7 sementtiä ja masuunikuonaa KJ 400 LTORT on notkea lentotulikamassa, jossa sideaineena on P40/7 sementtiä
3. PAKKASENKESTÄVYYDEN MÄÄRITTÄMINEN
Pakkasenkestävyydellä tarkoitetaan kovettuneen betonin kykyä kestää vaurioitumatta toistuvien jäätymis- ja sulamisvaiheiden vaikutusta. Pakkasvauriot johtuvat betonin huokosissa olevan veden jäätymisestä. Vesi laajenee noin 9 % jäätyessään ja aiheuttaa betonin sisään painetta. Jos veden jäätymisestä syntyvä paine ylittää betonin vetolu
juuden, betoni vaurioituu. Riittämätön pakkasenkestävyys johtaa betonin säröilyyn, joka aluksi aiheuttaa lujuus- ja muodonmuutosominaisuuksien heikkenemisen ja lopul
ta johtaa betonin lohkeiluun ja rapautumiseen.
Betonin pakkasenkestävyys on varsin monen tekijän summa. Yhä enemmän on kiinni
tetty huomiota betonin sisäisten ominaisuuksien lisäksi myös ulkoisiin tekijöihin, joi
hin kuuluvat kaikki ne olosuhteet, joiden alaisena betonirakenne käyttöikänsä aikana joutuu olemaan. Koska vesi jäätyessään laajenee, on selvää, että jäätymisen vaurioit
tava vaikutus on sitä voimakkaampi mitä kosteampaa betoni on (Vuorinen et ai. 1987, s. 11).
Betonille samoin kuin lähes kaikille huokoisille ja hauraille materiaaleille voidaan löytää nk. kriittinen vedelläkyllästysaste, jolla tarkoitetaan sitä määräosuutta betonin huokostilavuudesta, minkä vesi voi korkeintaan täyttää, jotta betoni kestäisi toistuvasti jäätymisrasitusta. Kriittistä vedelläkyllästysastetta voidaan pitää täysin materiaaliomi
naisuutena. Normaaleilla betoneilla sen arvo on yleensä välillä 0,80-0,95. Rakenteissa olevan betonin pakkasenkestävyyteen vaikuttaa ratkaisevasti, kuinka korkeaksi betonin todellinen vedelläkyllästysaste nousee suhteessa kriittiseen vedelläkyllästysasteeseen.
Todellinen kyllästysaste riippuu ympäristötekijöiden kostuttavasta vaikutuksesta, ts.
onko betoni kosketuksissa veteen, joutuuko betonipinta altiiksi sade- tai valumisvesille vai onko betoni täysin kuivissa olosuhteissa. Todellista vedelläkyllästysastetta ei voida määritittää tarkasti laboratorio-olosuhteissa (Jokela et ai. 1980, s. 88).
Betonin pakkasenkestävyyden arvioimiseen käytetään Suomessa yleensä standardisoitu
ja jäädytys-sulatuskoetta (SFS 5447), suolapakkaskoetta (SFS 5449), jäätymislaajene- makoetta (SFS 5884) tai betonin huokossuhdetta (SFS 4475). Myös standardeista poikkeavia kokeita on käytetty, kuten esimerkiksi kriittistä vedelläkyllästysastetta.
Yhdysvalloissa käytetään pakkasenkestävyyden määrittämiseen kriittistä pakkaslaajen- tumismenetelmää (ASTM C 671) tai nopeaa jäädytys-sulatusmenetelmää (ASTM C 666), jossa on kaksi eri tapaa toteuttaa koe. Vaakasuorien betonipintojen rapautumisen vastustus pakkasrasitukselle, kun pintoihin vaikuttaa jäänsulatuskemikaaleja, voidaan määrittää standardin ASTM C 672 mukaisella testillä. Ruotsalainen ns. Boräs-koe (SS 3 72 44) on tavallaan parannettu versio ASTM C 672 -menetelmästä.
Jäädytys-sulatuskokeet
Suomalaisessa jäädytys-sulatuskestävyyden määrittämisessä käytetään automaattista pakkasarkkua, jolla voidaan säädellä jäädytys-sulatussyklien kestoa ja saavutettavia lämpötiloja. Yleensä syklin pituus on 8 tuntia, josta 6 tuntia on jäädytystä, 1,5 tuntia sulatusta ja 0,5 tuntia veden poistoa. Jäädytys tapahtuu ilmassa -20 °C:een lämpötilas
sa ja sulatus vedessä +20 °C:een lämpötilassa. Kokeen pituus on standardin mukaan 50 tai 100 sykliä. Standardi ei aseta koekappaleiden muodolle muita vaatimuksia kuin, että niiden tiheys on voitava määrittää (SFS 5442 mukaan). Yleensä käytetään 100*100*500 mm:n palkkeja tai 100*100*100 mm:n kuutioita. Koekappaleiden kun
toa voidaan tarkastella jäädytys-sulatusjaksojen välillä silmämääräisesti tai mittaamalla ultraäänen etenemisnopeutta koekappaleessa. Koetuloksina esitetään jäädytys- sulatusjaksojen jälkeiset silmämääräiset havainnot tai lasketaan kestävyyskertoimet puristuslujuudelle, taivutusvetolujuudelle tai ultraäänen läpimenoajalle (SFS 5447, 1988). Puristus- ja taivutusvetolujuuksien kestävyyskertoimet lasketaan jäädytys- sulatuskokeen jälkeisen lujuuden ja koestettujen vertailukappaleiden lujuuksien suhtee
na. Ultraäänen nopeuden kestävyyskerroin lasketaan jäädytys-sulatuskokeen jälkeisen ja alkuperäisen ultraäänen nopeuden suhteen neliönä.
Amerikkalaisessa nopeassa jäädytys-sulatuskokeessa käytetään yleensä koekappaleina 75*100*400 mm palkkeja. Koe kestää joko 300 sykliä tai kunnes kimmomoduulin arvo on 60 % alkuperäisestä arvosta. Koe voidaan toteuttaa kahdella eri tavalla. Mene
telmässä A jäädytys ja sulatus tapahtuu vedessä ja menetelmässä В jäädytys tapahtuu ilmassa ja sulatus vedessä. Kuvassa 8 on esitetty kaaviokuva tyypillisestä menetelmän A laitteistosta. Molemmissa menetelmissä lämpötilan pitää lasketa +5 °C:sta -18
°C:een ja kohota jälleen takaisin +5 °C:een vähintään kahdessa ja enintään viidessä tunnissa. Menetelmässä A sulatusjakson pitää olla vähemmän kuin 25 % kokonaissyk- lin ajasta ja menetelmässä В vähemmän kuin 20 % kokonaissyklin ajasta. Vähintään 36 syklin välein koekappaleet poistetaan jäädytys-sulatuslaitteistosta ja niiden pituus mitataan ja niiden kimmomoduuli määritetään joko poikittaisten äänitaajuuksien tai ultaäänen läpimenonopeuden perusteella (Pigeon et ai. 1995, s. 62).
1
2 3 4 5 6
7 8 9 10 11
- Copper container - Reference specimen - Compressor - Cooling liquid
-Temperature recording system - Insulated cover
- Rubber seal - Insulated container - Cooling plate - Concrete specimen - Electric heater
Kuva 8. Kaaviokuva amerikkalaisesta nopean jäädytys-sulatuskokeen (ASTM C 666) testaus- laitteistosta jäädytykselle ja sulatukselle vedessä (Pigeon et ai. 1995, s 63).
Jäätymislaajenemakokeet
Suomalaisella jäätymislaajeneman testausmenetelmällä voidaan määrittää jäätymislaa- jenema eli dilaatio joko betonimassasta valmistetuille tai rakenteesta irrotetuille koe
kappaleille. Jäätymislaajenema ilmoittaa vedellä kyllästetystä betonista mitatun suh
teellisen muodonmuutoksen ja lämpötilakertoimen mukaan lasketun suhteellisen muo
donmuutoksen erotuksen lämpötilassa -20 °C. Koekappaleina käytetään 300 mm kor
keita lieriöitä. Koe aloitetaan aikaisintaan betonin ollessa 21 vuorokauden ikäinen.
Koekappaleet kuivatetaan lämpökaapissa, minkä jälkeen koekappaleiden päihin kiinni
tetään muodonmuutoksen mittauslaitteen mukaiset mittausnastat. Koekappaleeseen imeytetään vettä, minkä jälkeen koekappale asetetaan muodonmuutoksen mittausta varten mittaustelineeseen ja suojataan tiiviisti kumi- tai muovikalvolla. Koekappaleen alkulämpötila mitataan ja sen tulee olla noin +20 °C. Koekappale asetetaan säätölait
teilla varustettuun pakkasarkkuun ja lämpötila lasketaan noin +3 °C:een. Lämpötilan tasaantumisen jälkeen mitataan koekappaleen lämpötila ja määritetään suhteellinen muodonmuutos. Lämpötila lasketaan -20 °C:een ja samoin kuin aiemmin mitataan lämpötila ja määritetään suhteellinen muodonmuutos. Saaduista koetuloksista lasketaan standardissa esitetyillä kaavoilla jäätymislaajenema ja se ilmoitetaan suhteellisena muodonmuutoksena /¿m/m (SFS 5449, 1988).
Amerikkalaisessa kriittisessä jäätymislaajenemakokeessa, ASTM C 671, koekappaleet säilytetään ja käsitellään vastaamaan betonin käyttöolosuhteita, varsinkin todellista vedelläkyllästysastetta. Koekappaleet jäädytetään vesikyllästeisessä paloöljyssä +2
°C:sta -10 °C:een. Heti kun minimilämpötila saavutetaan, koekappaleet siirretään +2
°C:een veteen, jossa ne ovat, kunnes seuraava jäädytyssykli alkaa. Jäädytysjakson aikana sekä lämpötila että pituudenmuutos mitataan säännöllisin väliajoin. Pituuden- muutos mitataan samalla tavoin kuin suomalaisessa jäätymislaajenemakokeessa. Ku
vassa 9 on esitetty kaaviokuva kriittisen jäätymislaajema -menetelmän testauslaitteis- tosta. Jäädytysjakso toistetaan joka toinen viikko ja pituuden muutoksen mittaustulok
sista piirretään kuvaaja ajan funktiona. Kuvassa 10 on esitetty esimerkkikuvaaja. Pak- kasenkestävällä betonilla dilaatio pysyy muuttumattomana tai lähes muuttumattomana toistuvien jäädytysjaksojen aikana. Betoneilla, jotka eivät kestä pakkasrasitusta, dilaa
tio kasvaa hyvin nopeasti siirryttäessä jäädytysjaksosta toiseen. Kriittinen jäätymislaa
jenema on se laajenema, jossa betonin katsotaan vaurioituneen (Pigeon et ai. 1995, s.
60).
Brass Brass retaining strip
-IVOT (transducer) Г\Д/).,/ Wing nut
Thermometer 44 Brass bottom plate
Kuva 9. Kaaviokuva amerikkalaista kriittisen jäätymislaajenemakokeen (ASTM C 671) testa- uslaitteistosta (Pigeon et ai. 1995, s.61).
Kuva 10. Esimerkkikuvaaja amerikkalaisen kriittisen jäätymislaajenemakokeen (ASTM C 671) jäädytysjakson aikana mitatusta pituudenmuutoksesta (Pigeon et ai. 1995, s. 61).
Suolapakkaskokeet
Suomessa betonin pakkas-suolakestävyyttä tutkitaan suolapakkaskokeella SFS 5449.
Koekappaleina käytetään koetta varten valmistettuja 100 mm kuutioita tai rakenteesta porattuja lieriöitä, joiden halkaisija ja korkeus ovat 100 mm. Suolapakkaskoe on muutoin hyvin samanlainen kuin jäädytys-sulatuskoe, mutta jäädytys tapahtuu kylläi
sessä NaCl-vesiliuoksessa, jonka lämpötila on -15 °C. Sulatus tapahtuu vesijohtovesi- hauteessa, jonka lämpötila on +20 ± 2 °C. Jäädytys-sulatussykli koostuu 8 tunnin jäädytysvaiheesta kylmähauteessa ja 16 tunnin sulatusvaiheesta sulatushauteessa. Koe
kappaleiden pakkas-suolakestävyyttä arvioidaan koekappaleiden tilavuudenmuutoksen perusteella, joka määritetään koekappaleiden painonmuutoksena 10 ja 25 syklin jäl
keen (SFS 5449, 1988).
Amerikkalaisella ASTM C 672 -menetelmällä voidaan määrittää vaakasuoran betoni
pinnan pakkasenkestävyys, kun pinnalla vaikuttaa jäänestokemikaali, esim. suola.
Koekappaleina käytetään suorakulmaisia betoniviipaleita, joiden paksuus on vähintään 7,5 cm ja pinnan vaakasuora-ala vähintään 460 cm2. Koekappaleet reunustetaan muo
vikalvolla tai muulla sopivalla materiaalilla, kuten kuvasta 11 voidaan nähdä.
Kuva 11. Amerikkalaisen ASTM C 672 -menetelmän tyypillinen koekappale (Pigeon et ai.
1995, s. 70).
Koekappaleiden pinnalle kaadetaan noin 6 mm:n paksuinen suolaliuoskerros. Suola
liuos on yleensä 4 %:sta CaCl2-liuosta, mutta myös muita jäätymisen estoaineita ja muita konsentraatioita voidaan käyttää. Jäädytys-sulatussykli kestää päivän, jossa jää-
dytysjakso kestää 16-18 tuntia lämpötilassa -17,8 ± 1,7 °C ja sulatusjakso kestää 6-8 tuntia lämpötilassa 23 ± 1,7 °C ja 45-55 %:n suhteellisessa kosteudessa. Joka viiden
nen syklin jälkeen suolaliuos huuhdotaan perusteellisesti pois ja suolaliuos uusitaan.
Betonipinnan rapautumista arvioidaan silmämääräisesti 5, 10, 15, 25 ja 50 syklin jäl
keen (Pigeon et ai. 1995, s. 69).
Ruotsalainen ns. Borås-koe (SS 13 72 44) on hyvin samanlainen kuin amerikkalainen ASTM C 672 -menetelmä. Boräs-kokeessa koekappaleina voi olla joko laboratoriossa valmistetut 150 mm kuutiot tai rakenteesta poratut lieriöt, joiden halkaisija on vähin
tään 95 mm. Testattava pinta voi olla joko valu- tai ulkopinta tai sitten sahauspinta, joka tulee olla laboratoriokappaleilla 50 mm:n päässä valupinnasta ja rakennekappa- leilla 20 mm:n päässä ulkopinnasta. Testipinnalle kaadetaan joko 3 %:sta NaCl-liuosta tai pelkkää vettä. Ennen jäädytys-sulatuskoetta koekappaleita säilytetään tarkoin sää
dellyissä olosuhteissa. Koekappaleet ympäröidään lämpöeristeellä. Koekappaleiden pinnalla on joko suolaliuosta tai vettä ja koekappaleet peitetään ennen jäädytys- sulatuskoetta haihtumisen ehkäisemiseksi. Jäädytys-sulatussykli kestää vuorokauden lämpötilan muutuessa -20 °C:sta +20 °C:een. Lämpötilan pitää olla yli 0 °C ainakin 7 tuntia vuorokaudessa, mutta ei kuitenkaan enempää kuin 9 tuntia. 7, 14, 28, 42 ja 56 jäädytys-sulatussyklin jälkeen pinnalta irronnut materiaali kootaan, kuivataan ja punnitaan. Betonin kelpoisuutta arvioidaan laskemalla 56 syklin aikana irronneen ma
teriaalin paino (kg) suhteessa testattuun alueeseen (m2) ja vertaamalla 56 syklin aikana irronnutta materiaalin painoa 28 syklin aikana irronneen materiaalin painoon (Pigeon et ai. 1995, s. 74).
Muut pakkasenkestävyyden määrittämismenetelmät
Betonin suojahuokossuhteen määrittäminen on epäsuora pakkasenkestävyydentestaus- menetelmä. Koekappaleina voidaan käyttää erilaisia koekappaleita, joiden tiheys on voitava määrittämään ja joiden tilavuuden tulee olla vähintään 0,5 dm3. Koekappaleet kuivatetaan lämpökaapissa, kunnes niiden painonmuutos vuorokauden välein suorite
tussa mittauksessa on pienempi kuin 0,5 %o. Koekappaleisiin imeytetään vettä nor
maalissa paineessa vaiheittain ja niitä säilytetään vedessä, kunnes painon muutos on jälleen pienempi kuin 0,5 %o. Tämän jälkeen koekappaleet asetetaan paineastiaan ja painekyllästetään 15 MPa vedenpaineella 24 tunnin ajan. Painekäsittelyssä koekappa
leeseen tunkeutunut vesimäärä on koekappaleen suojahuokostilavuus. Suojahuokos- suhde on suojahuokostilavuuden suhde kokonaishuokostilavuuteen. Suojahuokossuhde ilmoittaa kuinka suuri osa kokonaishuokostilavuudesta pysyy ilmatäytteisenä vesisäily- tyksessä normaalipaineessa (SFS 4476, 1988). Betonin suojahuokossuhteen tulisi olla vähintään 0,15-0,25 riippuen siitä, kuinka vesipitoiseen paikkaan betoni todennäköi
sesti rakenteessa joutuu (Jokela et ai. 1980, s. 89).
Kriittinen vedelläkyllästysasteen määrittys perustuu kokemukseen siitä, että betoni kestää jäädytys-sulatusrasitusta vain, jos sen vedelläkyllästysaste on pienempi kuin ns.
kynnysarvo, jota kutsutaan kriittiseksi vedelläkyllästysasteeksi. Betonin katsotaan ole
van pakkasenkestävää, jos sen kosteuspitoisuus käyttöolosuhteissaan ei saavuta ja ylitä kriittistä vedelläkyllästysastetta. Kriittinen vedelläkyllästysaste voidaan määrittää yksi- tai monijaksoisella jäädytys-sulatuskokeella. Yksijaksoisessa jäädytys-sulatuskokeessa tarkastellaan koekappaleiden pituuden muutosta kokeen aikana. Monijaksoisessa jäädy
tys-sulatuskokeessa vaurio määritetään mittaamalla koekappaleiden vaurioituminen jäädytys-sulatusjaksojen jälkeen. Kriittisen vedelläkyllästysasteen määrittämisessä käytetään useita koekappaleita (esim. 15 kpl), joiden kosteuspitoisuus säädetään siten, että kyllästysaste vaihtelee välillä 0,6-1,0. Koekappaleiden kosteuspitoisuuden muut
tuminen kokeen aikana estetään pakkaamalla koekappaleet tiiviisti muovipusseihin.
Jäädytys-sulatuskokeessa koekappaleet, joiden kosteuspitoisuus on kriittistä vedelläkyl
lästysastetta suurempi, vaurioituvat. Vaurioituminen todetaan yleensä mittaamalla ult
raäänen nopeus kussakin koekappaleessa ennen jäädytys-sulatusjaksoja ja niiden jäl
keen. Nopeuksien suhteen neliö osoittaa dynaamisen kimmomoduulin jäännöksen.
Vaurioituneiksi katsotaan koekappaleet, joiden dynaamisen kimmomoduulin jäännös on pienempi kuin 0,90 (Kuosa 1984, s. 11). Kuvassa 12 on esitetty tyypillinen koetu
los, jossa vaaka-akselilla on vedellä kyllästysaste ja pystyakselilla dynaamisen kim
momoduulin jäännös. Jokainen piste edustaa yhdellä koekappaleella saatua tulosta.
Kuten kuvasta voidaan todeta, pisteiden kautta piirretyt suorat leikkaavat toisensa kohdassa, jonka vedelläkyllästysaste on kriittinen vedelläkyllästysaste.
“Veo 1,0 r2-
0.5-
BETONI P3
SCR -0,92
•ÍI I;
li«
o 0,5 1.0
Vedelläkyllästysaste S
Kuva 12. Kriittisen vedelläkyllästysasteen määrittäminen dynaamisen kimmomoduulin jään
nöksen (En/Eo) ja vedelläkyllästysasteen (S) mukaan (Kuosa 1984, s. 99).
Käytettävä betonin pakkasenkestävyyden testausmenetelmä tulisi valita sen mukaan, millaista tietoa tarvitaan ko. betonin pakkasenkestävyydestä. Usein tarvitaan useampia erilaisia testejä, jotta betonin pakkasenkestävyyttä pystytään luotettavasti arvioimaan.
KOKEELLINEN TUTKIMUS
4. KOESUUNNITELMA
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kehittää tien alus- tai pengerrakenteessa käytettävä maarakennusbetoni, jossa käytetään huomattavia määriä puolikuivamenetelmässä syn
tyvää rikinpoistotuotetta ja tarpeellinen määrä lentotuhkaa. Kehitettävän rikinpoisto- tuotebetonin tuli saavuttaa kuukauden iässä 3 MPa:n puristuslujuus ja sillä oli oltava käyttöolosuhteissaan riittävä pakkasenkestävyys.
Kokeellinen tutkimus jakautui kahteen osaan: alustaviin ja varsinaisiin kokeisiin. Alus
tavien kokeiden perusteella valittiin käytettävät rikinpoistotuotteen ja lentotuhkan suhteet sekä käytettävät sideainemäärät. Varsinaisissa kokeissa valituille massoille määritettiin betonien mekaanisia ominaisuuksia ja säilyvyysominaisuuksia.
4.1 Alustavat kokeet
Alustavissa kokeissa valmistettiin 10 maakosteaa massaa, jotka koostuivat rikinpoisto- tuotteesta, lentotuhkasta, sementistä, masuunikuonasta ja vedestä erilaisina yhdis
telminä. Massoista valmistettiin koekappaleet puristus-tärytyslaitteella ja koekappaleet pyrittiin säilyttämään todellisia olosuhteita vastaavassa kosteudessa. Koekappaleista määritettiin puristuslujuus 3, 7 ja 28 vuorokauden iässä, ja jäädytys-sulatuskoe aloi
tettiin kuukauden iässä. Pakkasenkestävyys määritettiin kuutioista jäädytys-sulatus- kokeen jälkeen puristuslujuuden perusteella, myös ultraäänikokeen soveltuvuutta tes
tattiin.
4.2 Varsinaiset kokeet
Varsinaisiin kokeisiin valittiin kolme alustavien kokeiden massoista, joista kahden sideaines määrää pienennettiin. Valintaperusteena oli 28 vuorokauden puristuslujuus ja pakkasenkestävyys sekä taloudellisuus. Varsinaisissa kokeissa määritettiin seuraavat betonin ominaisuudet: puristuslujuus, kimmomoduuli, pakkasenkestävyys, kapil- laarinen vedenimu, suojahuokossuhde, valmistuksen jälkeen koekappaleeseen imeytyneen veden vaikutus puristuslujuuteen ja pakkasenkestävyys eri kosteuspi
toisuuksissa. Tutkitut ominaisuudet, tutkimusiät ja koekappaleet sekä niiden lu
kumäärät on käsitelty luvussa 6.2.
5. RIKINPOISTOTUOTEBETONIN OSA-AINEET
Betonin osa-aineina käytettiin sementtiä, masuunikuonaa, vettä, lentotuhkaa ja rikin- poistotuotetta erilaisina yhdistelminä. Betonissa ei käytetty tavallista runkoainetta eikä lisäaineita.
5.1 Sementti, masuunikuona ja vesi
Sementti
Tutkimuksessa käytettiin Partek Sementti Oy:n CEM II В 42,5 yleissementtiä. Ku
vassa 13 on esitetty sementin rakeisuusjakauma ja kuvassa 14 on sementistä otettu elektronimikroskooppikuva.
•■5S' o>
«5 >
vI :<5
Q.
:<a
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
--- —о^$зжкк>
nP»0
в
/о-.У
□ г
y,
■ Р4СУЗ (4/93)■■rS^
y\
1 □ СЕМИ А52.5R
♦ CEMIIA4Z5R
I^LooO^V 0 СЕМ II В 42,5
I
---10 100 Raekoko [pm]
1000
Kuva 13. Sementtien rakeisuusjakauma! (Liimatainen et ai. 1995, s.25). Käytetty sementti on tunnuksella СЕМ II В 42,5.
Masuunikuona
Masuunikuonana käytettiin MK400 kuonaa, joka oli toimitettu laboratorioon 20.05.1992. Kuvassa 15 on esitetty kaikkien sideaineiden rakeisuusjakaumat, myös masuunikuonan tunnuksella MK.
Kuva 14. Sementin CEM II В 42,5 SEM-kuva (Liimatainen et ai. 1995, s. 26).
Vesi
Vetenä käytettiin vesijohtovettä, jonka lämpötila oli alustavissa kokeissa 22 - 24 °C ja varsinaisissa kokeissa 15 - 17 °C.
