CRC:n perusominaisuudet

Perinteisesti betoni on usein määritelty sen puristuslujuuden perusteella - 40 MPa:n ja 90 MPa:n betonilla odotetaan olevan hyvin erilaiset ominaisuudet. Tämä muuttuu, kun käsittelyssä on ultrakorkealujuusbetoni (UHPC), jolla muut ominaisuudet ja ominaispiirteet voivat olla yhtä tärkeitä - tai tärkeämpiä - kuin puristuslujuus. Ja kun nyt kerta pääsimme puristuslujuuteen...

Ominaispuristuslujuus

CRC:n (Compact Reinforced Composite/Tiivis teräskuiduilla vahvistettu komposiitti), joka on Hi-Conin käyttämä betonityyppi, puristuslujuus on tyypillisesti 150 MPa 100x100 mm:n kuutiolla mitattuna, mutta koska suunnittelulujuutena käytetään 150x300 mm:n sylinterillä mitattuja puristuslujuuksia, käytämme ominaislujuutena 110 MPa. Saman tyyppisen sementtimatriisilla voisimme saavuttaa jopa 300 MPa, mutta se edellyttäisi erityyppisten kiviainesten käyttöä sekä betonin lämpökäsittelyä. Useimmissa tuotesovelluksissamme emme saisi paljoakaan hyötyä tästä lisääntyneestä puristuslujuudesta - ja se tekisi betonimme paljon kalliimmaksi, ja siten meidän olisi vaikeampaa kilpailla muiden tuotteiden kanssa.

Meiltä on usein kysytty, voimmeko toimittaa 200 MPa:n betonia johonkin projektiin, ja sitten - kun paneudumme asiaan tarkemmin - käy yleensä ilmi, että näin suurelle lujuudelle ei todellakaan ole tarvetta. Oletetaan vain, että suurempi lujuus tarkoittaa, että kestävyys on parempi, taivutuslujuus on suurempi jne. Näin ei välttämättä ole - ja usein on halvempia ja helpompia tapoja parantaa näitä ominaisuuksia kuin suuremmalla lujuudella. Suurimmalle osalle tuotteistamme - vaikka käytämme "matalaa" ominaislujuutta 110 MPa - lujuus ei ole suunnittelussa ratkaiseva tekijä. Suunnittelua hallitsevat enimmäkseen jäykkyys, raudoitus ja halkeilujännitys vetorasituksessa, kuten Tommy Bæk Hansen kirjoitti omassa blogissaan.

Tämä on ollut meidän kokemuksemme - että emme saa paljoa hyötyä suuremmasta puristuslujuudesta tyypillisissä tuotteissamme, kuten palkeissa, parvekkeissa ja portaissa - mutta otamme mielihyvin vastaan kaikki tähän liittyvät kommentit. Muille UHPC-tyypeille suurempi lujuus voi olla järkevää, esim. yhdistettynä esijännitykseen.

Muut mekaaniset ominaisuudet

Kuten olen muualla jo maininnut (linkki), käytämme periaatteessa vain yhtä CRC-perustyyppiä sen dokumentoinnin takia. Muutamme ainoastaan teräskuitujen tyyppiä ja määrää sen mukaan, kuinka raskaasti kuormitettuja valmistettavat elementit tulevat olemaan, jotta voimme välttää makrohalkeamat niissä. Erikoissovelluksissa voimme käyttää muitakin kuituja, mutta teräskuidut sopivat tyypillisesti parhaiten tuotteisiimme, koska niillä on hyvä tarttuvuus, lujuus ja jäykkyys. Alla olevassa kuvassa on esimerkki standardin EN 14651 mukaisen testin tuloksista (taivutustesti lovetulla palkilla). Testasimme yhden seoksen lyhyillä teräskuiduilla ja toisen seoksen sellaisella kuitutyypillä, joka ei hyvin sovellu CRC:lle. Olemme hyvin tietoisia siitä, että muut ultrakorkealujuusbetonit käyttävät pidempiä kuituja, mutta meidän tapauksessamme - koska käytämme aina myös raudoitusteräksiä - olemme rajoittaneet kuidun pituutta vastaamaan raudoituksen betonipeitettä, joka on tyypillisesti 15 mm. Ainoa arvo tästä, jota todellisuudessa käytämme suunnittelulaskelmassamme, on 5 MPa:n ominaishalkeilujännitys, mutta yleensä käytämme mieluummin jännitys-venymä- ja taivutusjännityskäyriä, kuten alla olevassa esimerkissä. Betonin vetokapasiteetin ottaminen huomioon suunnittelussa ei myöskään tuottaisi paljoa lisähyötyä verrattuna raudoitusterästen osuuteen.

Kimmomoduuli korreloi jonkin verran betonin puristuslujuuden kanssa, mutta on hyvin riippuvainen käytettävän kiviaineksen tyypistä, ja meillä tyypillisesti kimmomoduulin arvo on noin 45 GPa. Tämä ei ole kovin paljon korkeampi kuin mitä saavutetaan tavallisella betonilla, ja koska suurin osa rakenteellisista elementeistämme on suhteellisen hoikkia, onkin jäykkyys usein määräävä suunnitteluparametri. Kuten puristuslujuuden osallakin, voisimme käyttää erilaisia kiviaineksia jäykkyyden nostamiseksi ehkä 75 tai 80 GPa:ksi, mutta tämän kustannukset olisivat useimmiten kohtuuttoman korkeita.

Pitkäaikaiskestävyys

Hoikilla elementeillämme ei olisi kovin tehokasta, jos joutuisimme käyttämään 30 tai 40 mm:n raudoituksien betonipeitekerroksia. Pystymme hyödyntämään CRC:n vähäistä huokoisuutta sekä hyvää kestävyyttä, ja voimme käyttää 15 mm:n betonipeitettä. Tämäkin betonipeitteen paksuus itse asiassa varmistaa hyvän palonkestävyyden, koska voisimme hyvinkin käyttää vielä ohuempaa, vain 8-10 mm:n betonipeitettä, jos ainoastaan pitkäaikaiskestävyys otetaan huomioon.

Kestävyystestaukseen on sisältynyt useita testejä, kuten elohopeaporosimetria, typen imeytyminen ja mikrokalorimetria, mutta tärkeimmät dokumentaatioon liittyvät testaukset ovat olleet karbonatisoitumisen testaus, jäädytys-sulatustestit ja erityinen testi kloridin tunkeutumista varten, jossa raudoitetut palkit on kuormitettuina altistettu suolavedelle. Tämän tarkoituksena on ollut tarkistaa, onko kuormituksessa lisääntyvällä mikrohalkeilulla vaikutusta kloridien tunkeutumiseen. Testaustulosten lyhyt versio on, että karbonatisoitumisen ja kloridien tunkeutumisen nopeus on niin alhainen, että on vaikea määrittää todellista maksimiarvoa suunnittelukäyttöiälle, mutta se on yli 200 vuotta. Niille, jotka ovat erityisen kiinnostuneita näistä asioista, efektiivinen kloridien tunkeumakerroin (Effective chloride transport coefficient) on alle 5 × 10–14 m²/s, ja muut testit (joissa suolavettä käytettiin jopa betonin sekoitusvetenä) ovat osoittaneet, että vaikka raudoitukset ultrakorkealujuusbetonissa ovat olleet yhteydessä kloridien kanssa, ei korroosiota tapahdu, koska vesi ja happi eivät tässä betonissa kulje. Jäädytys-sulatustestauksissa ei ole myöskään todettu mitattavissa olevia vaurioita.

Massan koostumuksen optimointi

Useat muutkin ominaisuudet ovat erittäin tärkeitä CRC:lle, mutta pyydän anteeksi, että olen jo liian pitkäveteinen, joten niitä käsitellään muissa blogikirjoituksissa - ja niihin sisältyy mm. työstettävyys, sitkeys ja ankkurointi. Tähän loppuun mainitsen vain, että olemme hyvin varovaisia optimoidessamme CRC:n koostumusta. Yksi syy on se, että haluamme pystyä käyttämään hyödyksi suurta määrää testausdokumentaatiotamme, joka meille on kertynyt vuosien varrella, ja toinen, että meille on etua tuntea betonimme erittäin hyvin. Jos muutamme joitain parametreja, se saattaa vaikuttaa muihin parametreihin tavalla, joka ei ollut tarkoitus.

Voimme esimerkiksi helposti vähentää CRC:n huokoisuutta, mutta tämä voi johtaa ongelmiin palonkestävyydessä. Nykyisellä seoksellamme meillä ei ole ongelmaa räjähtävän lohkeilun kanssa, ja voimme saavuttaa kantaville elementeille vaadittavan palonkestävyyden. Mutta jos pienennämme vielä huokoisuutta, saatamme joutua lisäämään polypropeenikuituja massaan vaadittavien palonkestävyysominaisuuksien saavuttamiseksi.

Toinen esimerkki liittyy työstettävyyteen ja massan "tahmeaan" luonteeseen, mikä voi vaikeuttaa siistin lopputuloksen saavuttamista muotin "avoimille" pinnoille. Jos massan viskositeettia alennetaan, meillä voi olla ongelmia saada aikaan tarvittava kuidun jakautuminen massassa.

Nämä esimerkit vain kertoakseni, että laiskuus ei ole ainoa syy, miksi olemme muuttaneet niin vähän betonimassaamme vuosien varrella. Testaamme rajoja koko ajan - ja tuloksia voidaan käyttää hyödyksi muun tyyppisissä tuotteissa - mutta olemme tällä hetkellä melko tyytyväisiä siihen, mitä meillä on - ja pystymme yleensä kiertämään sen tuomat rajoitukset.

Pahoittelen vielä postauksen pituutta - mutta tämä on minulle erityisen kiinnostava aihe. Jos kuitenkin olet päässyt loppuun asti ja sinulla on kysyttävää tai kommentteja, ilmoita siitä minulle.

 

Kirjoittaja on Hi-Conin tutkimus- ja kehitysjohtaja Bendt Kjær Aarup.

Jos haluat lisätietoja tästä blogiviestistä, älä epäröi ottaa yhteyttä (englanniksi): Bendt Kjær Aarup

Käännös englanninkielisestä tekstistä: Jarmo Manninen, Hi-Con A/S (Suomi)