Aleksi Koskenniemi
BETONIRAKENTEIDEN KUIVUMISEN HALLINTA TAHTIAIKATAULULLA
TOTEUTETUISSA ASUINKERROSTALOHANKKEISSA
Diplomityö
Rakennetun ympäristön tiedekunta
Tarkastaja: Kalle Kähkönen
Tarkastaja: Pauli Sekki
Tammikuu 2022
TIIVISTELMÄ
Aleksi Koskenniemi: Betonirakenteiden kuivumisen hallinta tahtiaikataululla toteutetuissa asuinkerrostalohankkeissa
Diplomityö
Tampereen yliopisto
Rakennustekniikan diplomi-insinöörin tutkinto-ohjelma Tammikuu 2022
Työssä tutkittiin rakennusyrityksen kehittämän kuivatusmallin toimintaa asuinkerrostalohankkei- den betonirakenteiden kuivattamisessa. Työn taustalla on kohdeyrityksessä havaittu systeemisen osaamisen puute betonirakenteiden kuivattamisessa. Työn tavoitteena oli selvittää, mitkä ovat merkittävimmät kuivumisen läpimenoaikaan vaikuttavat tekijät ja voidaanko kuivatusmallia hyö- dyntämällä puolittaa betonirakenteiden kuivumisajat. Lisäksi työn tavoitteena oli esittää suosituk- set kuivatusmallin kehittämiseksi.
Työn teoriaosuudessa käsiteltiin betonirakenteiden kuivumista sekä rakenneteknisestä että tuo- tantoteknisestä näkökulmasta. Rakenneteknisessä tarkastelussa selvitettiin kosteuden sitoutumi- seen ja kuivumiseen vaikuttavia materiaaliteknisiä ominaisuuksia ja rakennusfysikaalisia ilmiöitä.
Lisäksi selvitettiin päällystettävyyden/pinnoitettavuuden edellytyksiä sekä kuivumisen todentami- seen ja arviointiin liittyviä tekijöitä. Tuotantoteknisestä näkökulmasta selvitettiin kuivatusprosessin sidonnaisuus muuhun rakennusprosessiin, sekä kuvattiin kohdeyrityksen tuotantologiikan taus- talla olevaa lean-filosofiaa.
Kuivatusmallin toiminnan selvittämiseksi analysoitiin kolmesta valmistuneesta kohteesta arkistoi- tuja toteumatietoja. Toteumatiedoista selvitettiin tahtituotannon ja kuivumisen näkökulmasta kriit- tiset rakenteet, niiden kuivumisajat ja kuivumisaikoihin vaikuttavat tekijät. Aineistoanalyysin lisäksi tehtiin rakenteiden laskennallisia kuivumisaika-arvioita, sekä kuvattiin kuivatusprosessi kokonai- suuden hahmottamiseksi ja toteumatiedosta havaittujen ongelmien yhdistämiseksi prosessin eri vaiheisiin ja osa-alueisiin.
Aineistoanalyysin perusteella merkittävimmiksi rakenneteknisiksi ongelmakohdiksi tunnistettiin reuna- ja jälkivalujen pitkät kuivumisajat verrattuna perusrakennetyyppeihin, sekä betonilaatujen vaihtelu kerroksittain ja rakenteittain. Olosuhteiden näkökulmasta merkittävimmät haasteet olivat työvaiheiden aikaisen kosteuslisän ja rakenteiden kastumisen hallinnassa. Kuivatusprosessin keskeisimmäksi haasteeksi tunnistettiin kuivumisaikojen hajonta ja heikko ennustettavauus. Ha- vaittuja syitä edellä mainittuun ongelmaan ovat vesikaton valmistumisajankohtien vaihtelu, vaki- oimattomien ja hyväksi todettujen käytäntöjen puute, laadunvaihtelu tuotannonsuunnittelussa sekä runkovaiheen kastumisen mahdollistava tuotantomenetelmä. Havaittujen ongelmien ja haasteiden pohjalta laadittiin eri tuotantovaiheisiin keskittyvät kehitysehdotukset.
Tutkimus osoittaa, että tutkittujen kohteiden kuivumisajoissa on merkittävästi lyhennyspotentiaa- lia. Kuivatusmallin mukaisella toteutuksella voidaan saavuttaa urakoitsijan asettama tavoite, joka vastaa kuivumisaikojen puolittamista yleisellä tasolla tarkasteltuna. Kuivatusmallista ja -proses- sista tunnistettujen kehityskohteiden perusteella kuivatusprosessia voidaan kehittää ja kuivumi- sen läpimenoaikaa lyhentää. Kuivumisaikojen parempi hallinta ja ennustettavuus edesauttavat tuotannon häiriöiden vähentämisessä ja virtauksen parantamisessa. Suositellut kehitysehdotuk- set pohjautuvat kohdeyrityksen kohteisiin ja tuotantologiikkaan, mutta vastaavaa tarkastelua voi soveltaa myös yleisesti asuinkerrostalotuotannon kosteudenhallinnan ja kuivatuksen kehittämi- sessä. Tutkimuksessa esitellään myös toimintamalli toteumatiedon analysoimiseksi, mitä voidaan hyödyntää tulevien hankkeiden toteumatiedon analysoimisessa.
Avainsanat: betoni, kuivuminen, kosteudenhallinta, kuivumisaika, tahtituotanto
Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.
ABSTRACT
Aleksi Koskenniemi: Management of concrete drying in apartment building projects implemented using takt production
Master of Science Thesis Tampere University
Master’s Degree Program in Civil Engineering January 2022
This thesis investigated the operation of a moisture control model developed by a construction company. The work focuses on concrete structures in residential apartment building projects. The background of the work is the lack of systemic expertise in the drying of concrete structures in the target company. The aim of the work was to find out what are the most significant factors influ- encing drying and whether the drying times of concrete structures can be halved by utilizing the drying model. In addition, the aim of the work was to present recommendations for the develop- ment of the drying model.
The theoretical part of the work considers the drying of concrete structures from both structural and production technical point of view. In the structural review, the material technical properties and building physical phenomena affecting the binding and drying of moisture were investigated.
In addition, the effects of coatability and factors related to the verification and evaluation of drying were investigated. From the point of view of production, the connection between the drying pro- cess and the rest of the construction process was investigated, and the lean philosophy behind the production logic of the target company was described.
To determine the operation of the moisture control model, archived data from three completed sites were analyzed. The critical structures, their drying times and the factors affecting the drying times were examined from the production data. In addition to the data analysis, drying time esti- mates of the structures were made, and the drying process was described to understand the big picture and to combine the problems observed in the data with the different stages and parts of the process.
Based on the data analysis, long drying times of edge casting strips, post-castings and special structures compared to the basic structures, as well as the variation of concrete grades, were identified as the most significant structural problems. From the point of view of the drying condi- tions, the most significant challenges were the control of excess moisture during the work phases and wetting of structures. The main two challenges in the drying process were poor predictability and dispersion of drying times. The observed reasons for the above-mentioned problems are the variation of the roof completion times, the lack of non-standardized and proven practices, the variation of quality in production planning, and the production method that allows the frame to get wet during production. Based on the identified problems and challenges, development proposals focusing on different production stages were prepared.
The study shows that there is a significant potential for shortening the drying times in the studied cases. The goal set by the constructor can be achieved by implementing the moisture control model, which corresponds to halving the drying times in general. Based on the research, the drying process can be developed, and the drying times can be shortened. Better control and predictability of drying times help to reduce production disruptions and improve flow. The recom- mended development proposals are based on the goals and production logic of the target com- pany, but a similar analysis can also be applied in general in the development of humidity man- agement and drainage in apartment building production. The study also presents an operating model for data analysis, which can be utilized in analyzing data for future projects.
Keywords: concrete, drying, moisture management, drying time, takt production
The originality of this thesis has been checked using the Turnitin OriginalityCheck service.
ALKUSANAT
Tämä diplomityö on tehty Fira Oy:lle. Työn aiheen kehittämisestä, rahoituksen hankin- nasta ja ohjauksesta vastasivat yhteistyössä Vahanen Rakennusfysiikka Oy ja Fira Oy.
Työn rahoitukseen ja ohjausryhmään osallistuivat lisäksi Peikko Finland Oy sekä Beto- niteollisuus ry. Työn vastuuohjaajana ja tarkastajana toimi professori Kalle Kähkönen.
Työn toisena tarkastajana ja ohjaajana toimi Vahanen Rakennusfysiikka Oy:n asiantun- tija DI Pauli Sekki. Lisäksi työtä ohjasi Firan kehitysjohtaja DI Otto Alhava.
Kiitän kaikkia diplomityön toteutuksen mahdollistaneita rahoittajia ja ohjaukseen osallis- tuneita henkilöitä. Erityiskiitos kuuluu Firan Jouko Soidinaholle, Antti Kauppilalle ja Arif Samaletdinille heidän panoksestaan ja auttavaisesta asenteestaan työn ongelmien rat- kaisemisessa. Lämmin kiitos myös puolisolleni Rosalle, joka jaksoi tukea ja kannustaa jatko-opintojen alusta diplomityöprosessin päätökseen asti.
Espoossa, 13.1.2022
Aleksi Koskenniemi
SISÄLLYSLUETTELO
1.JOHDANTO ... 1
1.1 Tutkimuksen tausta ... 1
1.2 Tutkimusongelma ... 2
1.3 Tutkimuksen tavoitteet ja tutkimusmenetelmät ... 3
1.4 Tutkimusaineisto ja tutkimuksen suoritus ... 3
1.5 Tutkimuksen rajaus ... 4
2.BETONIRAKENTEIDEN KOSTEUS JA KUIVUMINEN ... 5
2.1 Rakennekosteus ja kosteuden sitoutuminen ... 5
2.2 Rakennuskosteus ja kosteuden siirtyminen ... 8
2.3 Kuivuminen ... 9
2.4 Kuivumiseen ja kuivumisnopeuteen vaikuttavat tekijät ... 11
2.5 Päällysteiden ja pinnoitteiden asettamat vaatimukset ... 15
2.6 Kuivumisen todentaminen ... 18
2.7 Kuivumisen arviointimenetelmät ... 22
3.BETONIRAKENTEIDEN KUIVATTAMINEN ... 24
3.1 Kuivatus osana kosteudenhallintaprosessia ... 24
3.2 Kuivumisen rakentamisaikainen nopeuttaminen ... 27
3.3 Lean-filosofia kuivattamisen taustalla ... 32
3.4 Kuivatusprosessin aikasidonnaisuus ... 35
3.5 Kriittiset laatutekijät kuivatusprosessissa ... 37
4.TUTKIMUSKOHTEIDEN AINEISTOANALYYSI ... 39
4.1 Tutkimuskohteiden esittely ... 39
4.2 Aineiston esittely ja reunaehdot ... 40
4.3 Aineiston analysointivaiheet ... 42
4.3.1Rakennetyyppien tarkastelu ... 44
4.3.2Toteutuneiden kuivumisaikojen tarkastelu ... 44
4.3.3Kriittisten mittapisteiden analyysi ... 46
4.3.4Laskennalliset tarkastelut ... 47
4.4 Prosessikuvaukset ... 48
5.TULOKSET ... 50
5.1 Rakennetyyppien tarkastelu ... 50
5.2 Kuivien tilojen rakenteet ... 52
5.2.1Kohde 1 ... 54
5.2.2Kohde 2 ... 59
5.2.3Kohde 3 ... 65
5.3 Märkätilojen rakenteet ... 69
5.3.1Kohde 3 ... 69
5.4 Prosessikuvaukset ... 73
6.JOHTOPÄÄTÖKSET ... 78
6.1 Kuivatuksen haasteet ja ongelmakohdat ... 78
6.2 Suositukset kuivatusmallin kehittämiseksi ... 81
7.YHTEENVETO ... 85
LÄHTEET ... 90
LIITE 1: PROSESSIKUVAUKSET ... 93
LIITE 2: KUIVUMISAIKAKAAVIOT ... 98
LIITE 3: AIKAJANMALLIT ... 102
LIITE 4: KUIVUMISAIKA-ARVIOT ... 107
KÄSITTEET
Diffuusio Tässä työssä diffuusiolla tarkoitetaan vesihöyryn diffuusiota, jossa vesimolekyylien välinen pitoisuusero pyrkii tasoittu- maan korkeammasta pitoisuudesta alhaisempaan.
Hygroskooppisuus Huokoisen aineen kyky sitoa kosteutta ilmasta ja luovuttaa kosteutta takaisin ilmaan.
Kosteus Kaasumaisessa, nestemäisessä tai kiinteässä olomuodossa olevaa vettä, joka ei ole sitoutunut kemiallisesti.
Kuivatus Kuivatuksella tarkoitetaan tässä työssä aktiivisia tai passiivi- sia toimenpiteitä, jotka edesauttavat kosteuden poistumista rakenteista.
Kuivuminen Kuivumisella tarkoitetaan kosteuden poistumista rakenteesta tai sitoutumista rakenteen kiinteäksi osaksi.
Lattiapinnoite Lattiarakenteen päällimmäiseksi kerrokseksi asennettava nestemäinen tuote, joka muodostaa kiinteän kulutuspinnan kovettuessaan. Esimerkkinä epoksipinnoite.
Lattiapäällyste Lattiarakenteen päällimmäiseksi kerrokseksi asennettava kiinteä tuote. Päällyste voi olla alustaansa kiinnitettävä esi- merkiksi liimaamalla tai vapaasti asennettuna. Esimerkiksi la- minaatti tai muovimatto.
Rakennekosteus Rakennekosteudella tarkoitetaan tässä työssä rakenteen val- mistusvaiheessa rakenteeseen sitoutunutta kosteutta.
Rakennuskosteus Rakennuskosteudella tarkoitetaan tässä työssä rakentamis- aikana rakenteisiin sitoutunutta kosteutta.
Suhteellinen kosteus Ilman sisältämä absoluuttinen kosteus suhteessa tietyn läm- pötilan kyllästyskosteuspitoisuuteen [%]. RH lyhenne tulee englannin kielen sanoista relative humidity.
1. JOHDANTO
1.1 Tutkimuksen tausta
Maankäyttö- ja rakennuslain (MRL) mukaan rakennushankkeeseen ryhtyvän vastuulla on huolehtia, että rakennus suunnitellaan ja rakennetaan siten, että se on terveellinen ja turvallinen muun muassa sisäilma- ja kosteusolosuhteet huomioon ottaen. Lain (MRL) mukaan rakennustyö on suoritettava siten, että se täyttää hyvän rakennustavan sekä säännösten ja määräysten vaatimukset. Lisäksi rakennuksen omistajan lain edellyttämä velvollisuus on huolehtia rakennuksen käytön aikaisesta terveellisyydestä ja turvallisuu- desta. (MRL 5.2.1999/132). Rakentamisen kosteudenhallintaprosessi on keskeinen osa laissa esitettyjen vaatimusten täyttämistä ja prosessi ulottuu hankesuunnitteluvaiheesta aina rakennuksen käytönaikaisiin toimiin asti. Usein prosessi alkaa viimeistään raken- nuslupavaiheessa vaadittavasta kosteudenhallintaselvityksestä, jossa tulee ottaa kantaa rakenteiden kuivumiseen ja kuivatukseen tavoitetasolla. (BY 201 2018)
Hankkeen edetessä urakoitsija laatii kosteudenhallintasuunnitelman, jossa esitetään konkreettiset toimet, joilla kosteudenhallintaselvityksessä asetetut tavoitteet saavute- taan (RIL 250-2020). Betonirakenteiden kosteudenhallinta on oleellinen osa kosteuden- hallintaprosessia, koska betonin kuivuminen muihin rakennusmateriaaleihin verrattuna on suhteellisen hidasta ja erityisesti tuoreet betonirakenteet sisältävät runsaasti kos- teutta. Betonirakenteiden kuivuminen on monesti tahdistava tekijä rakentamisaikatau- lussa, koska betonin kosteus voi aiheuttaa vaurioita muihin kosteusherkkiin rakennus- materiaaleihin. Esimerkiksi liian kostean betonirakenteen päällystäminen voi johtaa liit- tyvien rakenneosien vaurioihin, kuten päällysteen irtoamiseen tai kemiallisten epäpuh- tauksien muodostumiseen. Lisäksi kuivumiseen käytetty aika heijastuu toiminnan laa- tuun ja rakentamiskustannuksiin. (BY 201 2018; Merikallio 2009)
Rakennushankkeessa betonirakenteiden kuivumiseen vaikuttavat tekijät voidaan esi- merkiksi jakaa olosuhdemuuttujiin, rakentamistapaan ja rakenneratkaisuihin liittyviin muuttujiin (Oksanen 2017). Muuttujat ovat riippuvaisia hankeen eri osapuolista ja niiden taustalla on myös rakentamista ohjaavat määräykset ja ohjeet. Urakoitsijan näkökul- masta keskeisintä on hallita rakentamistapaan ja olosuhteisiin liittyviä muuttujia, joihin urakoitsijalla itsellään on myös parhaimmat vaikutusmahdollisuudet. Hyvällä suunnitte-
lunohjauksella ja yhteistyöllä muiden hankkeen osapuolien kanssa urakoitsija voi osal- taan hallita myös rakenneratkaisuihin liittyviä muuttujia. Betonirakenteiden kuivumiseen vaikuttavien muuttujien suuren määrän sekä jatkuvasti muuttuvan ja kehittyvän rakenta- misympäristön vuoksi kokonaisuuden hallinta nousee erityisen merkitykselliseksi.
1.2 Tutkimusongelma
Tutkimusongelmana on rakennusyrityksen organisaatiossa havaittu systeemisen osaa- misen puute betonirakenteiden tehokkaasta kuivattamisesta asuinkerrostalohankkeissa.
Toteutuneiden kohteiden perusteella kuivattamisprosessia ja siihen liittyviä muuttujia ei hallita kokonaisuutena riittävän hyvin suhteessa yrityksen tavoitteisiin. Lähtötietojen pe- rusteella oleellisina tekijöinä kokonaisuuden hallinnan kannalta ovat esimerkiksi tietotai- don ja vakioitujen toimintatapojen puute sekä kuivatusprosessin integraatio tahtituotan- toon. Kaikkea yksittäisillä henkilöillä olevaa potentiaalista tietoa ei ole saatu levitettyä ja hyödynnettyä asuinrakennusliiketoiminnan sisällä. Lisäksi rakenneosien kustannuksia optimoidaan ymmärtämättä vaikutusta kokonaisuuteen, esimerkiksi käyttämällä halvem- paa, mutta pidempään kuivuvaa betonilaatua.
Tutkimuksen kohteena olevassa organisaatiossa ongelmaan on pyritty hakemaan rat- kaisua vakioidusta kuivatusmallista. Malli on urakoitsijan sisäinen konseptuaalinen ohje kuivumisprosessin hallintaan hankeorganisaatiolle ja erityisesti työmaille. Toimintamal- lina ja ohjeistuksena kuivatusmallin tarkoitus on ohjata tavoitteelliseen ja suunnitelmalli- seen kuivatusprosessiin. Yrityksen tavoitteiden saavuttamista ja jatkuvaa parantamista varten mallin toimivuudesta, kokemuksista ja soveltuvuudesta tarvitaan lisätietoa. Tutki- musongelman pohjalta on laadittu seuraavat tutkimuskysymykset:
Pääkysymys:
Voidaanko kuivatusmallia hyödyntämällä puolittaa betonirakenteiden kuivumisen läpi- menoaika modulaarisessa asuinkerrostalohankkeessa?
Osakysymykset:
Mitkä ovat merkittävimmät kuivumisaikaan vaikuttavat muuttujat kuivatusmallin mukaan toteutetuissa hankkeissa?
Miten kuivatusmallia täytyy kehittää, jotta betonirakenteiden kuivumisen läpimenoaika saadaan puolitettua?
1.3 Tutkimuksen tavoitteet ja tutkimusmenetelmät
Tutkimuksen päätavoitteena on selvittää kuivatusmallin toimintaa aineistoanalyysilla, joka pohjautuu valmistuneista hankkeista kerättyyn dataan. Aineistoanalyysin avulla sel- vitetään, onko kuivatusmallia hyödyntämällä pystytty puolittamaan betonirakenteiden kuivumisen läpimenoaika modulaarisissa asuinkerrostalohankkeissa. Tutkimuksen tois- sijaisena tavoitteena on määrittää saatujen tulosten perusteella kuivatusmallin kehitys- kohteet kuivumisen läpimenoajan puolittamiseksi. Tutkimuksen tavoitteet ja tutkimusme- netelmät on esitetty alla olevassa kuvassa (Kuva 1).
Kuva 1. Tutkimuksen tavoitteet ja tutkimusmenetelmät.
Tutkimusongelman ratkaisua lähestytään reunaehdoiltaan toisiaan vastaavien tapauk- sien kautta, jolloin tutkimusstrategiaa voidaan pitää tapaustutkimuksena. Tutkimuksessa analysoidaan tutkittavia tapauksia pääosin vertailun avulla, mutta myös peilaten tapaus- ten ominaisuuksia teoreettiseen viitekehykseen ilmiöiden ymmärtämiseksi. Tutkimus- strategian voidaan ajatella lähtökohtaisesti täyttävän Erikssonin ja Koistisen (2014) luet- telemat ekstensiivisen tapaustutkimuksen reunaehdot. Erikssonin ja Koistisen mukaan ekstensiivisessä tapaustutkimuksessa muun muassa etsitään tapauksille yhteisiä omi- naisuuksia ja yleisiä malleja usean tapauksen vertailun avulla, sekä käytetään tapauksia välineenä ilmiöiden ja prosessien selittämisessä.
1.4 Tutkimusaineisto ja tutkimuksen suoritus
Tutkimuksen teoriaosuudessa esitellään rajausten mukaisen kuivatusprosessin merkit- tävimpien osatekijöiden teoriaa kuivumisilmiön ymmärtämiseksi. Merkittävimpinä teki- jöinä voidaan pitää tahtituotantologiikkaa, osasarjarakentamista ja betonin kuivumisteo- riaa. Teorian ja kohdeyrityksen toimintamallin pohjalta luodaan rakennusprosessiin aika-
sidotut ja nykytilaa vastaavat prosessikuvaukset. Prosessien mallintamisen keskeisim- pänä tarkoituksena on pyrkiä kuvantamaan kuivatuksen ja kosteudenhallinnan prosessi kokonaisuuden hahmottamiseksi. Prosessikuvausta käytetään apuna reflektoitaessa ai- neistoanalyysin havaintoja kuivatuksen kokonaisuuteen ja riippuvuuksiin prosessin eri osa-alueista. Prosessikuvaus on keskeinen apuväline tehtäessä johtopäätöksiä toimin- nasta saadun palautteen eli jälkidatan perusteella.
Kuivatusmallin toiminnan empiirisen tason tarkastelu tehdään toteutuneiden kohteiden perusteella. Tarkastelussa hyödynnetään valmistuneista kohteista kerättävää dataa ja havaintoja. Lisäksi kuivatusmallin toimintaa tarkastellaan soveltuvien laskentamenetel- mien, kuten by2020 -betonin kuivumisaika-arvio ohjelmiston perusteella. Tutkimusai- neisto koostuu kolmen hankkeen työmaa-aikaisista kosteusmittaustuloksista, työmaiden jatkuvatoimisen olosuhdeseurannan mittaustuloksista, tuotantosuunnitelmista ja -aika- tauluista, suunnitelmista sekä kuormakirjoista (käytetyt materiaalit). Tutkimusaineisto ja sen reunaehdot on esitelty tarkemmin luvussa 4.2.
Tutkimusaineistosta pyritään löytämään kuivumisen kannalta kriittisimmät rakenneosat eri kohteissa suhteessa kohdeyrityksen asettamiin tavoitteisiin. Yksittäisten mittapistei- den datasta muodostetaan tuotannon aikajanat, joissa esitetään kuivumisen kannalta keskeisimmät työvaiheet, kosteusmittaustulokset ja muut vaikuttavat tekijät. Eri tapauk- sista pyritään tunnistamaan tahtiaikataulun ja tavoitteen kannalta kriittisimmät tekijät. Li- säksi tarkasteltavien rakenteiden kuivumisaikoja verrataan laskennallisesti saatuihin kui- vumisaikoihin. Aineiston analysointivaiheet on esitetty tarkemmin luvussa 4.3.
1.5 Tutkimuksen rajaus
Kuivatusmallin toiminnan tarkastelu rajataan koskemaan kohdeyrityksen kehittämän asuinkerrostalohankekonseptin (”konseptitalo”) mukaisia hankkeita. Konseptitalo-malli määrittelee sekä tuotteen että toteutusprosessin reunaehdot. Konseptitalon rakenteet koostuvat pääosin betonielementeistä.
Tutkimuksen teoriapohja rakentuu konseptitalon mukaisen tuotantologiikan ja betonin kuivumiseen vaikuttavien tekijöiden ympärille. Tutkimuksessa käsitellään työmaan aika- taulun kannalta merkittävimpien betonirakenteiden kuivattamista. Merkittävimpiä betoni- rakenteita kuivumisen kannalta ovat lähtökohtaisesti paikallavalukaistat, yhteen suun- taan kuivuvat/kerrokselliset vaakarakenteet sekä massiiviset paikallavalurakenteet. Tut- kimuksessa tarkastelu on rakennetyyppikeskeistä. Tutkimuksen ulkopuolelle rajataan kustannusvaikutusten tarkastelu.
2. BETONIRAKENTEIDEN KOSTEUS JA KUIVU- MINEN
2.1 Rakennekosteus ja kosteuden sitoutuminen
Betoni on huokoinen rakennusmateriaali, joka koostuu vähintään kolmesta perusosa- aineesta, joita ovat sementti, vesi ja kiviaines. Lisäksi betonissa käytetään erilaisia lisä- ja seosaineita betonimassalta haluttujen ominaisuuksien, kuten työstettävyyden saavut- tamiseksi. Betonin ominaisuuksia säädellään perusosa-aineiden suhteita muuttamalla sekä lisä- ja seosaineita lisäämällä. (BY 201 2018)
Valmistusvaiheessa lisättävä vesi muodostaa sementin kanssa reagoidessaan sement- tipastan, joka kovettuessaan muuttuu sementtikiveksi ja sitoo runkoaineen yhteen. Se- menttikivi muodostuu hydrataatiotuotteista, hydratoitumattomasta sementistä, vedestä ja huokosista. Sementin ja veden välistä reaktiota kutsutaan hydrataatioreaktioksi. Hyd- rataatio on kokonaisuudessaan kompleksinen prosessi ja aiheen kemiallista näkökulmaa on käsitelty tarkemmin esimerkiksi julkaisuissa Lea’s Chemistry of Cement and Concrete (Lea & Hewlett 2003) ja Portlandsementin hydrataatio (Viirola ja Raivio 2000). (BY 201 2018)
Kosteuden kannalta oleellista on ymmärtää, että hydrataatioreaktiossa osa valmistuk- sessa käytetystä vedestä sitoutuu kemiallisesti ja osa fysikaalisesti. Kemiallisesti sitou- tuvan veden määrä on noin 20 painoprosenttia käytetyn sementin massasta tai vaihto- ehtoisesti esitettynä noin 25 % hydratoituneen sementin massasta, riippuen hydratoitu- misasteesta (Viirola & Raivio 2000; Merikallio et. al. 2007). Täydellinen hydrataatio edel- lyttää todellisuudessa kuitenkin noin 35–45 painoprosenttia vettä sementin määrästä (Viirola & Raivio 2000). Loppu vesimäärä on sementtikiven huokosrakenteeseen fysi- kaalisesti sitoutunutta ja haihtumiskykyistä. Veden ja sideaineen suhdetta kutsutaan vesi-sideainesuhteeksi, joka vaihtelee betonin suhteutuksesta riippuen. Vesi-sideaine- suhteen vaihdellessa myös kemiallisesti ja fysikaalisesti sitoutuneen kosteuden suhde muuttuu. Eri betonilaaduilla on erilainen huokosrakenne, minkä seurauksena myös nii- den kyky sitoa kosteutta vaihtelee.
Puhuttaessa betonin kuivumisesta tarkoitetaan useimmiten nimenomaan fysikaalisesti sitoutuneen veden poistumista rakenteesta. Fysikaalisesti sitoutunut vesi voidaan jakaa huokospintaan absorboituneisiin vesimolekyylikerroksiin, kapillaarikondenssin vaikutuk- sesta vapaana olevaan veteen sekä huokosten ilmatilassa olevaan vesihöyryyn. Betoni kuivuu ajan saatossa hygroskooppiseen tasapainokosteuteen eli tilaan, jossa betonin
huokosilman suhteellinen kosteus vastaa ympäröivän ilman suhteellista kosteutta. Ta- sapainokosteus riippuu vallitsevasta lämpötilasta sekä betonin ominaisuuksista, kuten huokosrakenteesta, v/s-suhteesta, hydrataatioasteesta ja iästä (Leivo & Rantala 2002).
Alla olevassa kuvassa (Kuva 2) on esitetty periaate betonin kiinteän aineen, huokosten ja kosteuden jakautumisesta. (BY 201 2018; Merikallio, Niemi & Komonen 2007).
Kuva 2. Periaatekuva kiinteän aineen, huokosten ja kosteuden jakautumisesta be- tonissa. (Betonghandbok 1997, viitattu Merikallio 2009).
Betonin kosteuspitoisuus ja suhteellinen kosteus
Betonissa fysikaalisesti sitoutuneen kosteuden määrä voidaan ilmoittaa painoprosent- teina (p-%) betonin kuivapainosta tai massana tilavuusyksikköä kohden (kg/m3). Raken- tamisessa betonin kosteuspitoisuutta kuvataan kuitenkin usein huokosilman suhteelli- sena kosteutena (RH %). Suhteellinen kosteus tarkoittaa huokosilmassa olevan vesi- höyryn absoluuttisen kosteusmäärän (g/m3) suhdetta saman lämpötilan kyllästyskos- teuspitoisuuteen. Huokosilman suhteellinen kosteus on vahvasti riippuvainen lämpöti- lasta, ollen päinvastainen ilman kosteuden lämpötilariippuvuuteen. Suhteellinen kosteus ei kerro huokosten pintaan kiinnittynyttä kosteutta. Kosteuspitoisuuden (kg/m3 tai p-%) ja suhteellisen kosteuden välille voidaan kuitenkin muodostaa hygroskooppinen tasapai- nokäyrä eli sorptiokäyrä, joka kuvaa kosteuspitoisuutta suhteellisen kosteuden funktiona tietyllä lämpötilalla. (BY 201 2018; Merikallio et. al. 2007)
Sorptiokäyrän muoto vaihtelee riippuen siitä, lisääntyykö betonin kosteuspitoisuus (ab- sorptio) vai laskeeko kosteuspitoisuus (desorptio). Lisäksi sorptiokäyrän muoto ja beto- nin kosteusominaisuudet vaihtelevat runsaasti betonilaadun ja lämpötilan muuttuessa.
(BY 201 2018). Merikallio et al. (2007) tuovat hyvin esille, että sorptiokäyriä voidaan pitää vain suuntaa-antavina, koska betonin kosteustilan luotettavaa arviointia varten sorptio- käyriä pitäisi muodostaa jokaiselle betonilaadulle eri lämpötiloissa ja lisäksi huomioida hystereesi-ilmiö. Käytännössä betonilaatujen koostumusta vaihdellaan huomattavasti muiden kuin kosteusominaisuuksilta haluttujen ominaisuuksien perusteella. Kosteuden kyky siirtyä ja jakautua eri betonilaaduilla eli toisin sanoen eri betonilajien kosteusomi- naisuudet ovat huomattavan kompleksinen kokonaisuus, jota on tutkittu kansainvälisesti pitkään (mm. Nilsson 1980, Zhang & Zhang 2014, Olsson et. al. 2018). Tämän tutkimuk- sen rajauksen puitteissa betonin kosteusominaisuuksiin ja kosteuden siirtymismuotoihin paneudutaan vain pintapuolisesti siten, että kosteuden sitoutuminen ja siirtyminen voi- daan ymmärtää työn tavoitteisiin nähden riittävällä tasolla.
Tarkasteltaessa kosteuspitoisuutta ja suhteellista kosteutta on keskeistä ymmärtää läm- pötilan vaikutus huokosrakenteessa olevan kosteuden sitoutumiseen. Lämpötilan nous- tessa ja betonin kosteussisällön pysyessä vakiona, huokosilman suhteellinen kosteus yleensä nousee. Osa huokosrakenteen pintaan absorboituneesta vedestä siirtyy huoko- silmaan, jolloin huokosilman absoluuttinen kosteusmäärä nousee. Kun absoluuttisen kosteuden nousu huokostilassa on suurempaa kuin lämpötilan nousun seurauksena kasvaneen ilman kosteudensitomiskyvyn nousu, niin suhteellinen kosteus kasvaa. Päin- vastoin lämpötilan laskiessa huokosen pintaan absorboituu sitä enemmän kosteutta, mitä enemmän ilman kosteudensitomiskyky laskee ja seurauksena huokosilman suh- teellinen kosteus laskee. On myös tärkeää ymmärtää, että eri betonilaatujen huokosra- kenteen eroista johtuen kosteuspitoisuus voi vaihdella huomattavasti, vaikka huokosil- man suhteellinen kosteus olisi sama. Kosteuspitoisuuden vaihtelua samassa suhteelli- sessa kosteudessa kahden eri betonilaadun välillä on havainnollistettu alla olevassa ku- vassa (Kuva 3). (Merikallio et. al. 2007; BY 201 2018)
Kuva 3. Havainnekuva kahden eri betonilaadun (A ja B) maksimikosteuspitoisuu- den ja tasapainokosteuspitoisuuden erosta 85 prosentin suhteellisessa kosteu-
dessa. (Littmann & Players 2000, viitattu Merikallio 2009).
2.2 Rakennuskosteus ja kosteuden siirtyminen
Ympäristöministeriön asetus rakennusten kosteusteknisestä toimivuudesta (YM, 782/2017) määrittelee rakennuskosteuden rakennusvaiheen aikana tai sitä ennen ra- kenteisiin tai rakennusmateriaaleihin joutuneena kosteutena, joka ylittää rakennuksen käytönaikaisen tasapainokosteuden määrän ja jonka on poistuttava rakenteesta. Betonin osalta rakennuskosteus pitää sisällään betonin valmistusvaiheesta aiheutuvan ja aiem- massa luvussa esitellyn rakennekosteuden. Rakennekosteuden lisäksi betoniin useim- miten sitoutuu kosteutta myös rakennusaikana eli rakennuskosteutena esimerkiksi vesi- sateiden ja vesivuotojen seurauksena. Lisäksi betonin rakennusaikaisina kosteusläh- teinä toimii betonin pintaan asennettavat tasoitteet ja liimat sekä ympäröivät rakenteet, jotka sisältävät kosteutta. (BY 201 2018).
Betoni voi vastaanottaa sekä luovuttaa kosteutta kapilaarisesti ja hygroskooppisesti. Be- tonin kapillaarisuudella tarkoitetaan betonin kykyä kuljettaa vettä huokosrakenteessaan kapillaarivoimien seurauksena. Kapillaarinen kosteudensiirtyminen betonirakenteeseen edellyttää kosketusta nestemäiseen veteen tai materiaaliin, jossa on kapilaarista kos- teutta. Betonin kyky imeä ja siirtää kosteutta kapillaarisesti riippuu betonin lujuudenkehi- tyksen aikana kehittyvästä kapillaarihuokosrakenteesta. Suuremman vesi-sementtisuh- teen betonilaadut sisältävät enemmän kapillaarihuokosia ja näin ollen kapilaarinen kos-
teudensiirtyminen on voimakkaampaa. Hygroskooppisella kosteuskäyttäytymisellä tar- koitetaan puolestaan vesihöyryn kosteuden liikkumista diffuusiolla alemman vesihöyry- pitoisuuden suuntaan (Lindberg 2004). (BY 201 2018; Merikallio et. al. 2007).
Betonin työmaa-aikaisen kastumisen kannalta kapillaarisuus ja kosketus nestemäiseen veteen ovat huomattavasti hygroskooppista kostumista merkittävämpi tekijä (Lindberg 2004). Lindberg tuo artikkelissaan havainnollisesti esille kapillaarisen kastumisen eli suoran vesikosketuksen ja hygroskooppisen kostumisen (niin sanotun vesihöyryn imey- tymisen) välisen suuruusluokkaeron betonin kastumisen kannalta. Yksinkertaistetun suuruusluokkatarkastelun perusteella Lindberg toteaa, että kapillaarisen vedenkulkeutu- misen nopeus on jopa tuhatkertainen verrattuna vesihöyryn diffuusioon. Laskelmassa tuodaan esille, että vesi kulkeutuu kapillaarisesti 100 mm paksun betonilaatan (K25, v/s- suhde 0,7) läpi noin kahdessa vuorokaudessa. (Lindberg 2004). Suuruusluokkatarkas- telun perusteella voidaan todeta, että betonin kastumisen kannalta on oleellista välttää betonirakenteiden suoraa vesikontaktia myös lyhytaikaisesti. Kastuminen on sitä merkit- tävämpää, mitä suuremman vesi-sementtisuhteen betoni on kyseessä sekä mitä myö- hemmin kastuminen tapahtuu (Merikallio 2002a).
2.3 Kuivuminen
Kuten luvussa 2.1 tuotiin esille, betoniin sitoutuu kosteutta sekä kemiallisesti että fysi- kaalisesti. Kosteuden sitoutuessa kemiallisesti betonin molekyylirakenteeseen hydrataa- tioreaktion seurauksena puhutaan sitoutumiskuivumisesta. Fysikaalisesti sitoutuneen kosteuden poistuminen rakenteesta tapahtuu haihtumalla ja tästä puhutaan haihtumis- kuivumisena. (Merikallio et. al. 2007). Betonin ominaisuudet vaikuttavat merkittävästi kosteuden sitoutumismuotojen suhteeseen toisiinsa nähden eli myös eri kuivumistavoilla poistuvan kosteuden määrään.
Tuoreen betonin suhteellinen kosteus on noin 100 % ja betonilaadusta riippuen tämä tarkoittaa painoprosentteina muutamasta prosentista jopa 15 %:in. Tavanomaisilla ra- kennebetoneilla suhteellinen kosteus laskee kemiallisen kuivumisen seurauksena noin 98 %:in. Alhaisen vesi-sementtisuhteen betoneilla suhteellinen kosteus voi laskea pel- kän sitoutumiskuivumisen seurauksena jopa 90 %:in (Norling-Mjörnell 1997). Loppu kos- teus on fysikaalisesti sitoutunutta ja kuivuu haihtumalla. Merikallio nostaa väitöskirjas- saan (2009) esille, että kemiallisesta kuivumisesta riippumatta betonin suhteellinen kos- teus pysyy työmaaolosuhteissa kuitenkin pitkään lähellä 100 %, johtuen muun muassa jälkihoidosta ja kastumisista. (BY 201 2018, Merikallio et. al. 2007)
Haihtumiskuivumisessa kosteus liikkuu rakenteen sisältä sen pintaan ja haihtuu ympä- röivään ilmaan. Rakenteen kuivuessa poikkileikkauksen kosteusjakauma etenee periaa- tetasolla alla olevan kuvan (Kuva 4) mukaisesti. Kuivumisen alkuvaiheessa rakenteen kosteuspitoisuus on suuri, ja kosteus siirtyy pääosin kapillaarisesti ja haihtuu pinnasta.
Kuten aiemmin tuotiin esille, kapillaarinen kosteudensiirtyminen betonissa on huomatta- vasti diffuusiota nopeampaa, jolloin rakenteen kosteuspitoisuus laskee alkuvaiheessa nopeasti. Alkuvaiheen kuivumisnopeus riippuu siis pinnassa tapahtuvan haihtumisen voimakkuudesta. Alkuvaiheen kuivumisen seurauksena pintaosien kosteuspitoisuus las- kee ja kosteus ei pääse enää siirtymään haihduttavaan pintaan kapillaarisesti. Tällöin kuivuminen hidastuu merkittävästi. (Nilsson 1980, BY 201 2018, Merikallio et. al. 2007, Merikallio 2009)
Kuva 4. Periaatteellinen kuva betonin suhteellisen kosteuden jakauman muuttumi- sesta yhteen ja kahteen suuntaan kuivuvan rakenteen kuivuessa vakio-olosuh-
teissa. (Hedenblad 1993, viitattu Merikallio 2009)
Kuivumisen edetessä matka, jonka kosteus siirtyy diffuusiolla syvemmältä rakenteesta kohti haihduttavaa pintaa kasvaa. Toisin sanoen kapillaarisen kosteudensiirtymisen mahdollistavan alueen raja siirtyy poispäin kosteuden haihtumisen mahdollistavasta pin- nasta. Riippuen betonilaadusta, hydrataation edetessä huokosrakenne sulkeutuu niin, että kapillaarihuokoset eivät muodosta enää yhtenäistä verkostoa ja kapillaarinen kos- teudensiirtyminen estyy. Rakenteeseen muodostuu esimerkiksi kuvassa 4 esitetyn käy- rän b mukainen kosteusjakauma, jolloin syvemmällä rakenteessa on enemmän kosteutta kuin pintaosissa. Kuivumisen edetessä myös rakenteen sisäosat siirtyvät hygroskooppi- selle alueelle, jolloin kosteuden siirtyminen sisäosista kohti haihduttavaa pintaa tapahtuu vain diffuusiolla. Kuivuminen jatkuu, kunnes betoni saavuttaa hygroskooppisen tasapai- nokosteuden ympäristönsä kanssa. Esimerkiksi sisätiloihin rajoittuvissa rakenteissa kui- vuminen voi kestää useita vuosia, riippuen muun muassa pinnoitteesta, rakennetyypistä
ja ympäröivistä olosuhteista. Keskeistä on kuitenkin se, että rakenteiden ei tarvitse kui- vua rakentamisaikana hygroskooppiseen tasapainotilaan, vaan kosteuden raja-arvo määräytyy pääosin rakenteen pintaan asennettavien materiaalien perusteella. Päällys- teiden ja pinnoitteiden asettamista vaatimuksista betonin kosteuspitoisuudelle on esitetty lisää kappaleessa 2.5. (BY 201 2018, Merikallio et. al. 2007, Merikallio 2009)
2.4 Kuivumiseen ja kuivumisnopeuteen vaikuttavat tekijät
Betonirakenteen kuivumiseen ja kuivumisnopeuteen vaikuttaa useita eri tekijöitä, hank- keen aikana tehtävistä päätöksistä ja työmaan kosteudenhallinnasta varsinaisen betonin materiaaliominaisuuksiin. Tekijät voidaan jaotella usealla eri tavalla riippuen lähteestä.
Jaottelu on havainnollisinta tehdä laajentuen betonin ominaisuuksista rakennetyyppiin ja edelleen kuivumisolosuhteisiin. Jaottelun voidaan ajatella koostuvan yksinkertaistetusti vaiheista, joissa betonin kosteus poistuu huokosrakenteesta rakennuksen ulkopuolelle.
Merikallio (2009) jakaa kuivumisnopeuteen vaikuttavat tekijät alla olevan kuvan (Kuva 5) mukaisesti rakenneratkaisuun, betonilaatuun ja olosuhteisiin.
Kuva 5. Kuivumisnopeuteen vaikuttavat tekijät esitettynä pääpiirteittäin kronologi- sessa järjestyksessä. (Merikallio 2009)
Betonilaatu
Kuten aiemmissa luvuissa on tuotu esille, eri betonilaatujen kosteuden siirto- ja sitoutu- misominaisuudet vaihtelevat merkittävästi. Lisäksi asiaa monimutkaistaa se, että myös yksittäisellä betonilaadulla kosteusominaisuudet vaihtelevat betonin iästä, rakenteen osasta sekä lämpö- ja kosteusolosuhteista riippuen. Ominaisuudet vaikuttavat yksinker- taistetusti rakenteen sisältämän ja siitä poistettavan kosteuden määrään sekä kosteuden
poistumisnopeuteen rakenteen sisältä rakenteen pintaan. Kyse on siis rakenteen sisällä tapahtuvasta kosteudensiirtymisestä. Kosteusominaisuudet määräytyvät betonin/se- menttikiven mikrorakenteen (huokoisuus ja huokosrakenne) perusteella. Keskeisimmät mikrorakenteeseen vaikuttavat tekijät ja tätä kautta kuivumiseen vaikuttavat yksittäiset tekijät ovat vesi-sementtisuhde, hydratoitumisaste, ilmamäärä ja runkoaineen raekoko (RIL 255-1-2014).
Alhaisempi vesi-sementtisuhde lisää betonin tiiviyttä hydratoitumisasteen kasvaessa eli kovettumisen edetessä, mikä kasvattaa vesihöyrynvastusta. Kasvanut vesihöyrynvastus hidastaa kosteuden siirtymistä rakenteen keskiosista pintaosiin ja tätä kautta hidastaa diffuusiolla tapahtuvaa kuivumista. Lisäksi mitä alhaisempi vesi-sementtisuhde on, sitä nopeammin kapillaarihuokoset sulkeutuvat ja kuivumisen alkuvaiheessa tapahtuva ka- pillaarinen kosteudensiirtyminen estyy. Kuitenkin yleisesti ottaen alhaisemman vesi-se- menttisuhteen betonit kuivuvat nopeammin kuin korkeamman vesi-sementtisuhteen be- tonit. Tämä johtuu siitä, että alhaisemman vesi-sementtisuhteen betoneilla kemiallisen kuivumisen osuus kokonaiskuivumisesta on huomattavasti suurempi, sekä alhaisemman seosvesimäärän ja korkeamman sementtimäärän seurauksena haihdutettava vesimäärä on pienempi. Lisäksi hydrataation edetessä riittävän pitkälle, tiiviimmän betonin kastumi- nen on hitaampaa. (Merikallio 2002a, BY 201 2018)
Betonin runkoaineen raekoon ja -määrän kasvattaminen lisää betonin vesihöyrynlä- päisevyyttä, joka osaltaan nopeuttaa diffuusiolla tapahtuvaa kosteudensiirtymistä ja haihtumiskuivumista. Pienemmän runkoaineen raekoon käyttäminen lisää massan alku- peräistä vesimäärää, joka luonnollisesti hidastaa kuivumista. Nopeasti kuivuvien tai toi- sin sanoen nopeasti pinnoitettavien (NP) betonilaatujen toiminta perustuu yleensä alhai- sen vesi-sementtisuhteen lisäksi myös huokostimien käyttöön eli ilmamäärän lisäämi- seen, mikä kasvattaa betonin vesihöyrynläpäisevyyttä. (Merikallio 2002a, BY 201 2018, Nilsson 1980, Neville 2011)
Rakennetyyppi ja geometria
Rakennetyyppi kuvaa kuivumisen kannalta rakenteen kerroksellisuutta, rakennekerrok- sien paksuutta, kuivumissuuntia sekä päällyste- ja pinnoitemateriaalia, jotka kaikki vai- kuttavat kuivumisnopeuteen. Rakennetyypin kerroksellisuus vaikuttaa kuivumissuuntiin, kuivumiselta edellytettäviin kosteusraja-arvoihin sekä siihen, kuinka poistettava kosteus pääsee kulkeutumaan rakenteen haihduttaville pinnoille. Esimerkiksi teräsliittolaatan päälle valetussa rakenteessa kosteus pääsee haihtumaan vain yläpuoliselta pinnalta, jolloin rakenteen sisällä oleva kosteus joutuu siirtymään pidemmän matkan verrattuna saman paksuiseen kahteen suuntaan kuivuvaan rakenteeseen. Rakennepaksuuden
kaksinkertaistuessa tai kuivumisen tapahtuessa vain yhteen suuntaan, kuivumisaika voi jopa nelinkertaistua. Lisäksi rakenteen paksuus ja geometria vaikuttavat poistettavan ve- den kokonaismäärään sekä haihduttavaan pinta-alaan. (BY 201 2018, Merikallio et. al.
2007)
Kerroksellisissa rakenteissa kuivuminen ja seuraavien rakennekerroksien asentamisen ajankohta riippuu muun muassa rakennekerroksien vesihöyrynläpäisevyydestä ja kos- teudensietokyvystä. Esimerkiksi kantavan välipohjarakenteen päälle tulevan askelääne- neristeen ja pintalaatan asennus tulee tehdä vasta kun runkorakenne on kuivunut riittä- västi. Tiiviit rakennekerrokset voivat estää tai hidastaa kosteuden siirtymistä rakenne- kerroksien välillä, mikä vaikuttaa kuivumissuuntiin ja -nopeuteen. Erilaisten rakennerat- kaisujen vaikutusta kuivumiseen on esitetty alla olevassa kuvassa (Kuva 6).
Kuva 6. Erilaisten rakennetyyppien vaikutus kuivumissuuntiin ja haihtumiskuivumi- seen. (Merikallio et al. 2007)
Olosuhteet
Olosuhteiden vaikutus voidaan jakaa rakenteen sisäisiin olosuhteisiin sekä rakennetta ympäröivän tilan ilman ominaisuuksiin. Sisäisillä ja ulkoisilla lämpö- ja kosteusolosuh- teilla on luonnollisesti yhteys, kun kyseessä on hygroskooppinen ja lämpöä johtava ma- teriaali. Sisäiset olosuhteet vaikuttavat pääasiassa kosteuden siirtymiseen rakenteen si- sästä rakenteen pintaan sekä kosteuden sitoutumiseen kemiallisesti. Rakenteen lämpö- tilan vaikutusta kosteuden sitoutumiseen betonin huokosrakenteeseen on käsitelty kap- paleessa 2.1. Ulkoiset olosuhteet vaikuttavat kosteuden siirtymiseen rakenteen pinnasta ympäröivään tilaan ja edelleen pois tilasta. Korkalan (2018) mukaan erityisesti kuivatet- tavaa rakennetta ympäröivän ilman matala lämpötila hidastaa merkittävästi kuivumista.
Keskeistä on ymmärtää, että haihtumiskuivuminen perustuu rakenteen huokosilman ja ympäröivän ilman väliseen vesihöyryn osapaine-eroon.
Merkittävimmät kosteuden poistumiseen vaikuttavat olosuhdetekijät ovat ympäröivän il- man suhteellinen kosteus (RH) ja lämpötila, rakenteen lämpötila sekä ilmanvaihtuvuus.
Kuivatettavaa rakennetta ympäröivän ilman suhteellinen kosteus tulee olla riittävän al- hainen, jotta ilma pystyy vastaanottamaan rakenteesta haihdutettavaa kosteutta. Ympä- röivän ilman suhteelliseen kosteuteen vaikuttaa erityisesti ilman lämpötila. Lämpötilan noustessa ilman kyky sitoa kosteuttaa kasvaa eksponentiaalisesti alla olevan kuvan (Kuva 7) mukaisesti. Ympäröivän ilman lämpötila vaikuttaa myös rakenteen lämpötilaan ja rakenteen lämpötilan noustessa kosteutta siirtävä voima kasvaa.
Kuva 7. Ilman sisältämän vesihöyryn määrän riippuvuus ilman lämpötilasta suh- teellisen kosteuden eri arvoilla. (Ympäristöministeriö, 2016)
Ilmanvaihtuvuus vaikuttaa kosteutta vastaanottavan ilmatilan, esimerkiksi yhden huo- neen, sisäilman kosteuspitoisuuteen. Lisäksi ilmanvaihtuvuus vaikuttaa haihduttavilla pinnoilla tapahtuvaan ilman sekoittumiseen ja ilmavirtauksiin. Haihduttavilla pinnoilla ta- pahtuvat ilmavirtaukset lisäävät merkittävästi haihtumisnopeutta, jos rakenteen pinnan vesihöyryn osapaine-ero on sisäilmaa suurempi (Lindberg 2004). Ilmanvaihdon seurauk- sena saavutettava kuivatettavan tilan kosteuspitoisuus riippuu sekä kuivatettavan tilan että vaihdettavan ilman (ulkoilma) lämpötilasta ja kosteuspitoisuudesta. Esimerkiksi tal- vella kylmä ulkoilma sisältää vain vähän kosteutta ja lämpimään sisätilaan tuotuna sen suhteellinen kosteus laskee, jolloin rakenteesta haihtuva kosteus pystyy sitoutumaan vaihdettuun ilmaan. Kuivatettavan tilan kosteuspitoisuuden vaihtelua on havainnollistettu
alla olevassa kuvassa (Kuva 8). Kuvassa ilman suhteellinen kosteus on laskettu keski- määräisistä olosuhteista ilman kosteuslisää. Kuva on suuntaa-antava ja perustuu aino- astaan ilman ominaisuuksiin. Kuvasta nähdään, että ulkoilman keskimääräisten olosuh- teiden perusteella kesäkuukausina on kuivatustarve, pyrittäessä 50 % suhteelliseen kos- teuteen 20 asteen lämpötilassa. Kuvaan on korostettu vihreällä alue, jossa suhteellinen kosteus pysyy hyvien kuivumisolosuhteiden mukaisena (alle 50 %).
Kuva 8. Havainnekuva ilman suhteellisen kosteuden muutoksesta kuukausittain, kun ulkoilma lämmitetään 20 celsiusasteeseen. Kaavio on laadittu ulkoilman keskimääräisten kuukausittaisten olosuhteiden perusteella. Tiedot ovat Hel- sinki-Vantaalta vuosien 1961…1990 väliltä (Vinha 2017). Lisäksi on esitetty ul-
koilman kosteuspitoisuuden (g/m3) keskimääräinen vaihtelu vuodenajoittain.
Kuivumisolosuhteisiin vaikuttaa myös tuotantomenetelmät ja työmaan kosteudenhal- linta, joita käsitellään tarkemmin luvussa 3. Kosteudenhallinta liittyy oleellisesti betonin työnaikaiseen kastumiseen, jota on käsitelty kosteuden sitoutumisen kannalta aiemmin luvussa 2.2.
2.5 Päällysteiden ja pinnoitteiden asettamat vaatimukset
Maankäyttö- ja rakennuslain nojalla annetun rakennusten kosteusteknistä toimintaa kos- kevan ympäristöministeriön asetuksen (782/2017) mukaan rakenteissa olevan kosteu- den ja rakennuskosteuden kuivumisasteen tulee mahdollistaa rakenteiden peittäminen
kuivumista hidastavalla ainekerroksella, pinnoitteella tai rakenteella vaurioita aiheutta- matta. Asetuksen mukaan rakenteiden asianmukaisesta kosteuspitoisuudesta ennen seuraavaa työvaihetta tulee huolehtia kosteusmittauksin. Huolehtimisvelvollisuus kos- kee rakennusvaiheen vastuuhenkilöä. Edellä mainitun asetuksen pohjalta on laadittu ympäristöministeriön ohje rakennusten kosteusteknisestä toimivuudesta (YM 2020). Oh- jeessa tuodaan esille, että rakenteiden tulee olla niin kuivia, että haittaa aiheuttavia vau- rioita ei pääse syntymään rakentamisen ja käytön aikana (YM 2020).
Kuivatettavan betonirakenteen päälle asennettavien rakennekerrosten vaurioitumisme- kanismeja ei käsitellä tässä diplomityössä. Työn rajaukseen liittyen on oleellista ymmär- tää, että betonin liiallisesta kosteudesta voi aiheutua vaurioita, kuten päällysteiden vär- jäytymistä, irtoamista alustastaan, mikrobikasvustoa sekä kemiallisia hajoamisreaktioita (Merikallio et. al. 2007). Vauriot voivat tyypistä riippuen aiheuttaa muun muassa sisäil- man laadun heikkenemistä, esteettistä haittaa tai rakenteiden toiminnallisuuden heiken- tymistä. Päällysteen tai pinnoitteen ominaisuudet määrittävät, mikä on betonirakenteelta vaadittu kriittinen kosteuspitoisuus, jolloin vaurioitumista ei tapahdu.
Kriittinen kosteuspitoisuus ilmoitetaan yleensä suhteellisena kosteutena (Merikallio et.
al. 2007). Kappaleeseen 2.1 viitaten, huokosilman suhteellisen kosteuden mittaamiselle ja käyttämiselle päällystämisen arvioinnissa on selkeät perusteet. Suhteellinen kosteus kuvaa painoprosentteina (p-%) tai massana tilavuusyksikköä kohden (kg/m3) määritet- tyjä kosteuspitoisuuksia paremmin betonin sisältämän kosteuden haitallisuuden ympä- röiville rakenteille (Merikallio 2009). Kuten aiemmin on esitetty, betonin huokosilman kos- teus pyrkii tasapainokosteuteen ympäröivän ilman tai päällysteenä olevan materiaalin huokosilman kanssa. Ennen pinnoitusta tai päällystämistä betonin ei kuitenkaan tarvitse kuivua tasapainokosteuteen käytönaikaisen sisäilman kanssa. Lisäksi päällystettävyy- delle asetetun kosteusraja-arvon (päällystysraja-arvo) ei tarvitse alittua koko rakenteen osuudella, vaan kosteutta mitataan tietyllä rakennetyypistä riippuvaisella arvostelusyvyy- dellä (A). (Merikallio et. al. 2007)
Betonirakenteen kuivuessa siihen muodostuu aiemmin esitetyn mukaisesti kosteusja- kauma, jossa rakenteen kosteuspitoisuus kasvaa kuivumisen mahdollistavalta pinnalta kohti rakenteen keskiosaa tai vastakkaista pintaa, jonka kautta kuivuminen ei ole mah- dollista (yhteen suuntaan kuivuvat rakenteet). Riittävän pitkän ajan kuluessa rakenne tasapainottuu kokonaisuudessaan lähelle ympäröivän ilman kosteutta. Kuivumisen ai- kainen kosteusjakauma riippuu pääosin päällysteen tai pinnoitteen vesihöyrynlä- päisevyydestä. Syvemmältä rakenteesta pintaa kohti siirtyvä kosteus voi nostaa pinnan kosteuspitoisuutta merkittävästi, jos rakenteen pintaosien vesihöyrynläpäisevyys on suu-
rempi kuin päällysteen vesihöyrynläpäisevyys. Kosteus siis alkaa hiljalleen keräänty- mään päällystepinnan alle, koska se kulkeutuu nopeammin rakenteen sisäosista pintaan kuin pinnasta päällysteen läpi sisäilmaan. Asiaan vaikuttaa oleellisesti siis myös betonin kosteudensiirto-ominaisuudet, joita on käsitelty aiemmissa luvuissa. Alla olevassa ku- vassa (Kuva 9) on esitetty esimerkkejä kosteusjakaumista ennen ja jälkeen päällystämi- sen. (Merikallio et. al. 2007).
Kuva 9. Esimerkkejä betonirakenteen kosteusjakaumasta ennen päällystystä ja päällystyksen jälkeen. Päällystys muuttaa rakenteen kosteusjakaumaa riippuen päällysteen ja rakenteen vesihöyrynläpäisevyyksien suhteesta. Vasemman reu- nan kuvaajassa kosteus heti päällysteen alla tasaantui arvoon 79 % RH, joka alittaa useille päällysteille yleisesti käytetyn raja-arvon 85 % RH. Oikean yläkul-
man rakenteessa huomataan, että syvyydellä A päällystyshetkellä vallitseva kosteuspitoisuus tasaantuu kohtalaisen tarkasti tiiviin päällysteen alle. Oikeassa alakulmassa rakenne on päällystetty hyvin vesihöyryä läpäisevällä päällysteellä, jolloin kosteus päällysteen alla ei juuri nouse. (muokattu lähteestä RT-103333) Eri lattiapäällysteillä on merkittäviä eroja vesihöyrynläpäisevyydessä sekä kosteuden- sietokyvyssä. Ominaisuuksien perusteella on laadittu yleisiä kosteuden raja-arvoja, ku- ten alla olevassa taulukossa (Taulukko 1) on esitetty. Raja-arvot voivat vaihdella läh- teestä riippuen. Yleisten raja-arvojen lisäksi materiaalitoimittajat määrittävät omille tuot- teilleen alustan pinnoituskelpoisuuden raja-arvoja, joissa on huomioitu kyseisen tuotteen ominaisuudet. Ensisijaisesti tulisikin noudattaa materiaalivalmistajan ohjeita, jotta tuot- teen takuu pysyy voimassa (Merikallio 2009).
Tiivis päällyste, Sd ≥ 50 m
Läpäisevä päällyste, Sd < 10 m
Yhdessä lähteessä esitetyt yleiset kosteuden raja-arvot eri lattiapäällysteille (Betoni.com, perustuu lähteeseen Merikallio, Niemi & Komonen 2007)
2.6 Kuivumisen todentaminen
Kuivumisen todentamista on keskeisintä tarkastella kansallisella tasolla, koska proses- siin vaikuttavat tekijät ovat pääosin kansallisen rakentamista ohjaavien lakien, asetusten ja ohjeiden alaisuudessa. Esimerkiksi edeltävässä luvussa esitetyt kosteuden raja-arvot ennen päällystämistä sekä kosteusmittaustavat vaihtelevat maasta riippuen (Merikallio 2009). Suomessa aihetta on merkittävimmin tutkinut ja aiheesta väitöskirjan tehnyt Tarja Merikallio. Merikallion esittämä ”riittävän kuivumisen määritysprosessi” on esitetty alla olevassa kuvassa (Kuva 10). Prosessin lähtökohtana on varmistaa betonilattian riittävän alhainen kosteuspitoisuus ennen pinnoitusta (Merikallio 2009).
Kuva 10. Kaaviomuodossa esitetty betonilattian ”riittävän” kuivumisen määrityspro- sessi. (Merikallio 2009)
Kuten aiemmin on esitetty, betonin kosteuspitoisuus voidaan määrittää muun muassa painoprosentteina ja huokosilman suhteellisena kosteutena. Suomessa päällystyskel- poisuuden arvioinnissa käytetään ohjeiden mukaan betonin huokosilman suhteellisen kosteuden mittausta. Tästä syystä tässä työssä esitellään vain betonin suhteellisen kos- teuden mittaamiseen ja päällystyskelpoisuuden arviointiin käytetyt yleisimmät mittaus- menetelmät: porareikämittaus ja näytepalamittaus. Lisäksi Suomessa käytetään jaksoit- tain luettavia sekä jatkuvatoimisia seurantamittauksia. Betonin suhteellisen kosteuden mittauksesta on julkaistu uusi ohjekortti huhtikuussa 2021, RT 103333 – Betonin suh- teellisen kosteuden mittaus. Ohjekortissa on käyty yksityiskohtaisesti läpi edellä mainit- tujen mittausmenetelmien periaatteet ja mittaustarkkuuteen vaikuttavat tekijät. Tässä työssä on nostettu esille ainoastaan työn kannalta keskeisiä huomioita mittausmenetel- mien vaikutuksesta kuivumisen määritysprosessiin.
Suhteellisen kosteuden mittaamista käytetään uudistuotannossa betonin kuivumisen seurantaan, riittävän kuivumisen määritykseen, kuivatustarpeen arviointiin sekä betoni- rakenteessa tapahtuvan kutistuman arviointiin. Yleisimmät kertamittalaitteet koostuvat mittapäästä eli lämpö- ja kosteusanturista sekä näyttö-/lukulaitteesta. Porareikämittauk- sessa betonirakenteeseen porataan reikä halutulle syvyydelle, jonka jälkeen reikä ylei- sesti putkitetaan ja tiivistetään. Betonin huokosilman suhteellisen kosteuden annetaan tasaantua tiivistettyyn putkeen. Putken sisään asennetaan joko mittausvaiheessa tai tie-
tyn tasaantumisajan jälkeen mittapää, jonka avulla lämpötila ja suhteellinen kosteus lue- taan. Näytepalamittauksessa betonirakenteesta irrotetaan halutulta syvyydeltä näytepa- loja, jotka asennetaan ja tiivistetään koeputkeen mittapään kanssa. Koeputken ilmatila tasaantuu tasapainokosteuteen näytepalojen kanssa, jonka jälkeen mittaustulos voidaan lukea näyttölaitteella. (RT-103333)
Rakentamisvaiheessa tehtävät kosteusmittaukset määritellään hankkeen kosteudenhal- lintaselvitystä ja -suunnitelmaa tarkentavassa kosteusmittaussuunnitelmassa (RT- 103333). Suunnitelma ottaa kantaa muun muassa mittausten laajuuteen ja ajankohtaan, mittausmenetelmiin, tarkkuusvaatimuksiin, tulosten tulkintaan sekä jatkotoimenpiteisiin.
Mittaukset voidaan jakaa lähtötasomittauksiin, seurantamittauksiin sekä päällystettä- vyysmittauksiin. Eri mittauksia voi koskea eri vaatimukset ja niiden lukumäärä voi vaih- della. Suhteellisen kosteuden mittaaminen edellä esitetyillä menetelmillä on suhteellisen työlästä ja yhdellä mittauskerralla saadaan vain kyseisen ajanhetken tulos, joten mitta- pisteiden määrä on aina rajallinen (Merikallio 2002a). Perusperiaate on, että mittaukset tulee tehdä vähintään kosteammiksi ja kuivemmiksi oletetuista pisteistä eri rakennetyy- peillä. Mittauskohtien ja mittapisteiden määrän valinnassa tulee huomioida ainakin seu- raavat asiat:
• valujen paksuus
• ala- ja välipohjan rakennetyypit
• seinien ja yläpohjan rakennetyypit
• asennettavat päällysteet ja pinnoitteet
• valuajankohdat ja päällystysaikataulu
• kuivumisolosuhteet
• työnaikainen kastuminen (RT-103333)
Varsinainen päällystettävyysmittaus tulee tehdä siinä laajuudessa, että saadaan riittävä varmuus kyseisen mittausalueen päällystyskelpoisuudesta. Päällystettävyyttä arvioita- essa mittaukset suoritetaan aina kahdelta syvyydeltä jokaisessa mittapisteessä siten, että tärkein mittaussyvyys mitataan kahdella rinnakkaisella mittauksella. Mittaussyvyy- deltä saatavan tuloksen tulee kuvata mahdollisimman hyvin kosteuden uudelleenjakau- tumista päällystyksen jälkeen. (RT-103333)
Mittausepävarmuus
Suhteellisen kosteuden mittausten epävarmuuteen vaikuttavat monet tekijät. Mit- tausepävarmuuden merkitys korostuu pyrittäessä mahdollisimman lyhyisiin kuivumis- aikoihin. Betonin hitaan kuivumisen seurauksena jo muutaman prosentin erolla voi olla
merkittävä vaikutus mittaustuloksista tehtyihin johtopäätöksiin ja sitä kautta päällystys- töiden aloitusajankohtaan (Merikallio 2002a). Virheellisen mittauksen tai tulosten tulkit- semisen seurauksena voi olla päällystystöiden viivästyminen merkittävästi tai vaihtoeh- toisesti liian aikaisin tehty päällystys, joka voi johtaa kosteusvaurioihin. Kummin vain, tilanteesta seuraa urakoitsijalle taloudellisia menetyksiä ja työn häiriöitä.
Betonin suhteellisen kosteuden mittaamisen ohjekortissa (RT-103333) mittausepävar- muuden tarkastelu on jaettu kolmeen kokonaismittausepävarmuusluokkaan: ±2, ±4 ja ±6 RH-yksikköä. Jaottelu perustuu siihen, että useimmiten mittauksessa on vain muutama mittausepävarmuuden määräävä päätekijä ja yksittäisten eri epätarkkuustekijöiden tark- kaan arviointiin ei yleensä ole selkeitä laskentaperusteita. Kokonaismittausepävarmuus- luokka huomioi kolme pääryhmää: mittalaite-epävarmuus, mittaussuoritusepävarmuus sekä mittausolosuhde-epävarmuus. Mittalaitteen epävarmuus huomioi muun muassa mittalaitteen kalibrointiajankohdan ja -tarkkuuden sekä anturin stabiiliuden (ryömintä).
Mittaussuoritusepävarmuus huomioi varsinaisen mittaussuorituksen huolellisuuden, ku- ten syvyyden, tiivistyksen ja mittapään soveltuvuuden. Mittausolosuhde-epävarmuus huomioi mittausta ympäröivät olosuhteet (lämpötila) ja niiden vaihtelun mittauksen ai- kana. Ohjeessa esitetään, että mittausepävarmuuden ylittäessä ±4 RH-yksikköä, tulok- sen pohjalta ei tule tehdä tarkkoja johtopäätöksiä. (RT-103333).
Alla olevassa kuvassa (Kuva 11) on havainnollistettu mittausepävarmuuden suuruuden vaikutusta betonirakenteen arvioituun kuivumisaikaan. Kuivumiskäyrän laskenta on suo- ritettu Betoniyhdistyksen by2020 – Betonin kuivumisaika-arvio -ohjelmalla. Esimerkissä on käytetty kololaatan päälle valettua 105 mm paksua jälkivalua, joka on asuinkerrosta- lorakentamisessa esiintyvä välipohjan paikallinen rakennetyyppi. Laskennassa ei ole huomioitu rakenteen työnaikaista kastumista, ja tehokkaat kuivumisolosuhteet on saa- vutettu 7 päivää valusta, jolloin kuivuminen on varsin nopeaa. Esimerkistä huomataan, että 4 prosenttiyksikön mittausepävarmuudesta johtuva suhteellisen kosteuden ero vai- kuttaa kuivumisaikaan noin 35 päivää. Ohjelman mukaan kyseinen rakenne saavuttaa kosteuden raja-arvot (75 %RH B-syvyydellä ja 85 %RH A-syvyydellä) noin 70 päivässä kyseisillä parametreilla. Jos mittausepävarmuuden (±4 RH%) aiheuttama noin 35 päivän ero huomioidaan, niin kuivumisaika voisi olla hypoteettisesti välillä 35…105 päivää, riip- puen siitä, olisiko todellinen mittausepävarmuus ylös- vai alaspäin. Lisäksi tulokseen vai- kuttaa kuivumiskäyrän lineaarisuus. Mittausepävarmuudella ja jo muutamien prosent- tiyksiköiden erolla mittaustuloksissa on siis suuri merkitys pitkään kuivuvan betoniraken- teen päällystämisen arvioinnissa ja suhteellisen kosteuden mittaamisessa.
Kuva 11. Havainnekuva mittausepävarmuuden vaikutuksesta by2020 – Betonin kuivumisen arviointi -ohjelmalla lasketun kuivumisaika-arvion tapauksessa. Ha-
vainnollistus on toteutettu sinisellä piirrettyyn arviointisyvyyden (A) kuivumis- käyrään. Ero kuvastaa väliä 85–89 %RH.
2.7 Kuivumisen arviointimenetelmät
Rakennusprojektin aikatauluttaminen on riskienhallinnan ja kustannustehokkaan toteu- tuksen näkökulmasta tärkeää ja rakennustyön tehokas toteutus edellyttää tehtävien aloi- tushetkien optimointia (Niemelä 2014). Betonirakenteiden kuivumisen arviointi ja yhteen- sovittaminen toteutusaikatauluun on merkittävä osa kosteudenhallintaprosessia, jonka laadukas toiminta edellyttää, että vaadittuun kosteustasoon pääsemiseksi määritetty kui- vumisaika pysyy rakentamisaikataulun puitteissa (Merikallio 2009). Betonirakenteen kui- vumisajan ja pinnoitettavuuskelpoisuuden arviointi edellyttää tietoa siitä, missä vai- heessa rakenteet voivat saavuttaa kuivumiselle otolliset olosuhteet (Niemelä 2014). Olo- suhteiden hallintaan liittyy oleellisesti rakennuksen lämmityksen aloittaminen ja kuivatet- tavien rakenteiden kastumisen estäminen esimerkiksi sääsuojalla tai rakennusvaipan ummistamisella. Lämmitystä ei ole kuitenkaan kannattavaa aloittaa ennen rakennusvai- pan ummistamista. Kuivumisaika-arvioiden perusteella voidaan myös määrittää olosuh- teet, jotka vaaditaan tavoiteaikataulun mukaiseen kuivumisaikaan (Merikallio 2002a).
Betonin kuivumisaikaa voidaan arvioida aiempiin kokemuksiin ja mittauksiin perustuvilla taulukoilla tai kuivumisolosuhteet sekä materiaali- ja rakenneominaisuudet huomioon ot- tavilla laskentamalleilla. Useissa tutkimuksissa (mm. Bazant et al. 1971, Hernandez- Bautista et al. 2016, Sekki & Karvinen 2017) on kehitetty laskentamalleja, jotka ottavat huomioon lämmön- ja kosteudensiirron huokoisessa materiaalissa. Haasteena lasken- tamallien käytölle on kuitenkin materiaaliominaisuuksien puutteellisuus. Vastaavasti kuin
aiemmissa luvuissa on esitetty, Vänttisen et al. (2017) ja Olssonin et al. (2018) tutkimuk- sissa on todettu, että betonin kosteusominaisuuksissa on huomattavia eroja, riippuen mm. betonin koostumuksesta ja laadusta, valmistajasta, lämpötilasta ja iästä. Sekin ja Karvisen (2017), Merikallion (2009) sekä Sekin et al. (2017) mukaan erityisesti betonin kosteuspitoisuudesta ja lämpötilasta riippuvat kosteudensiirto-ominaisuudet vaativat li- sätutkimusta laskentamallien tarkentamiseksi. Tarvittavien kosteusominaisuuksien mää- ritykseen liittyy kuitenkin lukuisia haasteita, kuten tutkimusten pitkä kesto, tutkimusme- netelmien luotettavuus ja kompleksisuus, ominaisuuksien olosuhderiippuvuus sekä eri betonilaatujen määrä (Sekki et al. 2017, Vänttinen et al. 2017).
Suomessa tunnettuja betonin kuivumisaika-arvioiden laadintaan tarkoitettuja työkaluja ovat muuna muassa Suomen Betoniyhdistys ry:n julkaisemat by 1021 Betonirakenteiden kuivuminen sekä by 2020 Betonin kuivumisaika-arvio. By 1021 on Excel-pohjainen las- kentataulukko, joka pohjautuu Merikallion (2002a) kirjaan Betonirakenteiden kosteusmit- taus- ja kuivumisen arviointi. Kirjassa on esitetty, että arviointiohjeisto perustuu betonin kuivumista käsittelevään kirjallisuustutkimukseen sekä Humittest Oy:n toimesta raken- nustyömailla vuosina 1995–2001 tehtyihin tutkimuksiin ja mittauksiin. By 1021 -ohjel- malla rakenteiden kuivumisen tarkastelu tapahtuu yleisellä tasolla ja määritetyssä va- kiokuivumisolosuhteessa, jolloin voidaan vertailla eri rakennetyyppien ja olosuhteiden vaikutusta kuivumisaika-arvioon (Suomen betoniyhdistys ry 2020).
Betoniyhdistyksen julkaisema uusi by 2020 Betonin kuivumisaika-arvio -ohjelma pohjau- tuu FEM-laskentaan (Finite Element Method) ja mahdollistaa huomattavasti monipuoli- semman kuivumisen mallintamisen. Ohjelmalla laskenta voidaan tehdä todellisen aika- taulun ja rakennuspaikan mukaan niin, että ohjelma huomioi rakennetta ympäröivät olo- suhteet valitun kaupungin ja rakentamisajankohdan mukaan. Ohjelmassa on myös pääl- lystettävyyden riskiarvio, jonka avulla voidaan tarkastella päällysteen alle tasaantuvaa suhteellista kosteutta verrattuna päällysteen kosteudensietokykyyn. Lisäksi ohjelmaan pystyy syöttämään työmaan kosteusmittaustulokset ja olosuhdetiedot. Kosteusmittauk- sia voidaan verrata kyseisen rakenneosan kuivumisaika-arvioon ja ohjata tarvittavia toi- menpiteitä esimerkiksi kuivumisen tehostamiseksi. (Suomen betoniyhdistys ry 2020) Betonin kuivumisaika-arvioiden laatimiseen on olemassa myös muita soveltuvia ohjel- mistoja. Esimerkkejä soveltuvista laskentaohjelmista ovat muun muassa ruotsalainen TorkaS sekä yleiseen rakennusfysikaaliseen mallintamiseen kehitetyt COMSOL Mul- tiphysics- ja WUFI-ohjelmistot. Näiden sovellusten taustalla oleviin laskentaperusteisiin tai ohjelmien käyttöön ei paneuduta tässä työssä. Työssä tehdyt kuivumisaika-arviot to- teutetaan by 2020 Betonin kuivumisaika-arvio -ohjelmalla.
3. BETONIRAKENTEIDEN KUIVATTAMINEN
3.1 Kuivatus osana kosteudenhallintaprosessia
Kosteudenhallinnalla tarkoitetaan rakennushankkeen ja rakennuksen koko elinkaaren aikaista kokonaisuutta, jonka tehtävänä on varmistaa, että rakennus toteutetaan sekä sitä ylläpidetään ja käytetään kosteusteknisestä näkökulmasta toimivasti. Rakennus- hankkeen kosteudenhallintaprosessi perustuu lakien, asetusten ja ohjeiden vaatimuksiin sekä niiden pohjalta määräytyvään niin sanottuun hyvään rakentamistapaan ja lisäksi tilaajan asettamiin vaatimuksiin. Kyseessä on laaja-alainen laadunhallintaprosessi, joka koskee hankkeen kaikkia osapuolia. Kosteudenhallintaprosessiin on luotu valmiita toi- mintamalleja, kuten Kuivaketju10. Alla olevassa kuvassa (Kuva 12) on esitetty kosteu- denhallinnan päävaiheet ja keskeisimpiä tehtäviä eri hankevaiheissa. (Niemelä 2014, RIL 250-2020)
Kuva 12. Kosteudenhallintaprosessin päävaiheet ja keskeisimmät tehtävät eri han- kevaiheissa. (RIL 250-2020)
Kosteudenhallintaprosessin keskeisimmät dokumentit ja samalla työkalut ovat kosteu- denhallintaselvitys ja kosteudenhallintasuunnitelma, joita molempia edellytetään la- kisääteisesti asuinkerrostalohankkeessa. Kosteudenhallintaselvitykseen kootaan muun muassa riskiarvio sekä tilaajan asettamat vaatimukset, tavoitteet ja menettelytavat, joita on noudatettava suunnittelu- ja rakentamisvaiheessa. Rakentamisvaiheen kosteuden- hallinnan kannalta oleellisin työkalu on työmaan kosteudenhallintasuunnitelma, jonka tu- lee perustua kosteudenhallintaselvitykseen. Kosteudenhallintasuunnitelmassa määrite- tään muun muassa toimenpiteet siitä, kuinka työmaan olosuhdehallinta toteutetaan ja rakenteiden kuivuminen varmistetaan. (RIL 250-2020).
Työmaan kosteudenhallinnan pääkohdat voidaan jakaa seuraavasti (RIL 250-2020):
• kosteusriskien kartoitus
• kuivumisaika-arviot
• materiaalivirtojen hallinta ja välivarastointi
• olosuhdehallinta ja suojaus
• kosteus- ja tiiviysmittaussuunnitelma
• organisointi, seuranta ja valvonta
• raportointi
Betonirakenteiden riittävän kuivumisen varmistaminen koostuu yllä esitetyn listan eri osa-alueista. Kuten kappaleessa 2.4 on tarkemmin esitelty, betonirakenteiden kuivumi- seen vaikuttavat tekijät voidaan jaotella pääpiirteittäin rakenneratkaisuun, betonilaatuun ja olosuhteisiin liittyviin muuttujiin. Prosessin kannalta on keskeistä ymmärtää, että ky- seisiin muuttujiin voidaan vaikuttaa eri tavalla hankkeen eri vaiheissa ja hankkeen eri osapuolten toimesta. Ensimmäiset rakenneratkaisuihin vaikuttavat tekijät on voitu mää- rittää jo ennen hankkeen aloitusta kaavoitusvaiheessa. Lisäksi rakennuspaikka asettaa ehtoja esimerkiksi rakennuksen muotoon ja rakenneratkaisuihin. (RIL 250-2020; Nie- melä 2014)
Suunnittelijoiden tehtävä on suunnitella rakennus kosteusturvalliseksi ja kosteutta kes- täväksi muiden teknisten vaatimusten lisäksi (mm. lujuus, vakaus, paloturvallisuus, ter- veellisyys, käyttöturvallisuus, energiatalous ja meluntorjunta) (RIL 250-2020). Tavan- omaisen rakennushankkeen päävaiheiden mukaisesti suunnittelijat määrittävät ennen rakentamisvaiheen aloitusta betonirakenteiden rakennetyypit ja asettavat betonilaadulle reunaehtoja, mikä vaikuttaa oleellisesti kuivumisaikaan. Urakoitsijalla voi kuitenkin olla hankkeen tyypistä ja urakkamuodosta riippuen mahdollisuus suunnittelunohjaukseen, millä voidaan vaikuttaa urakoitsijan kannalta kiinnostaviin ja tärkeisiin tekijöihin. Lisäksi
urakoitsijan on mahdollista esittää vaihtoehtoisia toteutustapoja esimerkiksi rakentami- sen valmistelun aikana ja saada tätä kautta omalla tietotaidolla edistettyä omia intresse- jään jo ennen toteutusta. Merikallion (2002b) mukaan kosteudenhallintasuunnitelman ensimmäisen vaiheen kosteusriskien kartoittamisessa tulee huomioida toteutuksen riskit alla olevan prosessikuvauksen (Kuva 13) mukaisesti, jolloin riskeihin pystytään puuttu- maan ennen toteutusta.
Kuva 13. Rakennustyömaan kosteusriskien kartoitusprosessi
suunnitelmapohjaisesti (Merikallio 2002b). Jos toteutuksessa arvioidaan olevan riskejä, laaditaan työmaalle toimenpideohjeet.
Betonirakenteen valun jälkeen betonilaatuun ja rakennetyyppiin ei pystytä luonnollisesti enää vaikuttamaan, vaan ainoaksi avoimeksi kuivumisaikaan vaikuttavaksi muuttujaksi jää kuivumisolosuhteet ja niiden hallinta (Kuva 5). Kuivumisolosuhteiden hallinnan taus- talla on kosteudenhallintaselvityksessä ja -suunnitelmassa määritetyt tavoiteolosuhteet, rakennetyyppikohtaiset vaatimukset sekä työmaan aikatauluttaminen. Olosuhteiden hal- linnan tavoitteena on estää työmaa-aikainen kastuminen ja optimoida kuivumisolosuh- teet edellä mainittujen seikkojen pohjalta (Merikallio 2002b). Alla olevassa kuvassa (Kuva 14) on havainnollisesti esitetty rakennekosteuden kuivatustarpeen ja kuivumisajan arviointiprosessi. Alla esitetyn prosessikuvauksen voidaan ajatella tarkentavan kuvassa 13 esitetyn prosessikuvauksen kohtaa ”Toimenpideohjeet työmaalle”, koska prosessi- kaavio antaa toimintaohjeet suhteessa rakennetyyppiin ja aikatauluun.
Kuva 14. Rakennekosteuden kuivatustarpeen ja kuivumisajan arviointi rakennekoh- taisesti (Merikallio 2002b)
3.2 Kuivumisen rakentamisaikainen nopeuttaminen
Edeltävien prosessikuvausten (Kuva 14) mukaisesti kuivumisajan arvioinnissa voidaan päätyä ja usein päädytäänkin siihen, että kuivatusjakso ei ole riittävä asetettuihin tavoit- teisiin (aikataulu) nähden. Tällöin joudutaan miettimään toimenpiteitä kuivumisen no- peuttamiseksi, jos rakennekosteutta ei voida hallita rakenteellisin ratkaisuin tai tehdä muutoksia aikatauluun. Kuivumisen nopeuttaminen voidaan jakaa selvästi materiaaliva- lintoja ja rakennetyyppejä koskeviin tekijöihin sekä olosuhdehallintaan. Käytännössä työ- maa-aikainen kuivumisen nopeuttaminen tapahtuu olosuhteiden muuttamisella esimer- kiksi rakennetta tai sisäilmaa lämmittämällä erilaisin menetelmin. Materiaalivalinnat ja rakennetyypit määräytyvät ennen valua ja olosuhdehallinta toteutuu valun jälkeen. Alla olevassa kuvassa (Kuva 15) on jaoteltu useista eri lähteistä koottuja kuivumisen nopeut- tamiseen vaikuttavia osa-alueita ja tekijöitä kokonaisuuden hahmottamiseksi. Jaottelu pyrkii pääpiirteittäin havainnollistamaan. mitä tekijää hallitaan sekä millä menetelmillä ja milloin.
Kuva 15. Kuivumiseen nopeuttamiseen liittyvien tekijöiden pääpiirteittäinen koko- naisuus (koottu lähteistä: Teriö et. al. 2012, BY201 2018, Merikallio et. al. 2007,
Merikallio 2002b, RIL250-2020)
Edeltävän kuvan (Kuva 15) eri osa-alueisiin sijoittuvia kuivumista nopeuttavia yleisiä kei- noja on listattu esimerkiksi Merikallion (2002a) toimesta seuraavasti:
• mahdollisimman suuriraekokoisen ja jäykän massan käyttäminen
• nopeasti kuivuvien betonilaatujen käyttäminen
• kuivatettavan rakenteen kastumisen minimointi
• mahdollisen veden ja lumen poistaminen mahdollisimman nopeasti (mekaani- sesti)
• hyvien kuivumisolosuhteiden luominen (min. 20 °C ja < 50 %RH)
• haihduttavien pintojen pitäminen puhtaina ja paljaina, lisäksi mahdollisen se- menttiliiman poisto hiomalla pinta
• betonin imukäsittely
