BETONIN OPTISET TUTKIMUSMENETELMÄT

Betonilaborantti ja -myllärikurssi Jarkko Klami, Asiantuntija (FM) VTT Expert Services Oy

2 6.3.2018 2

Menetelmät

Useita eri menetelmiä ja optisia laitteita, riippuen mitä halutaan selvittää ja millainen näyte tutkittavana? Optisia tutkimusmenetelmiä mm. betonin tutkimukseen

Silmämääräinen tarkastelu Stereomikroskooppi (soveltuu mm. pintahieelle) Fluoresenssimikroskopointi (Ohuthie) Polarisaatiomikroskooppi, Ohuthie (Elektronimikroskooppi - SEM)

Näytteet yleensä ns. ohuthie- tai pintahiepreparaatteja

3 6.3.2018 3

Mihin optisia menetelmiä käytetään?

Betonin tutkimus ja tuotekehitys Laadunvalvonta, valmisbetoniasemat / elementit / työmaat

Yleinen rakenne, hydrataatioaste (valun ulkoiset olosuhteet), rakenne, huokosrakenne, kiviaineksen laatu, sideaine ja seosaineet, vesi-sideainesuhde, pinnoiteaineiden tunkeutumasyvyydet, haitalliset reaktiotuotteet…

Materiaaliselvitykset

Mistä betoni, laasti, rappaus on tehty (koostumus), kerrospaksuudet.

4 6.3.2018 4

Mihin optisia menetelmiä käytetään?

Kuntoselvitykset ja vaurioiden syyt Voidaan todeta mm. betonin kunto, säröilyn aste, kemiallisia

muutoksia ja esim. alkavaa vaurioitumista tai sen riskiä? Auttaa selvittämään vaurioitumiseen johtaneita syitä.

Esim. säärasitus, kemiallinen rasitus, mekaaninen rasitus alkalikiviainesreaktio, tulipalo, jne…

5 6.3.2018 5

Pintahie (PH)

Pintahieellä tarkoitetaan yleensä laboratoriossa valmistettua, hiottua ja kiillotettua tasopintaa. Voidaan valmistaa esim. kuutiosta tai poralieriöstä Tarkastelu stereo- ja/tai pintavalomikroskoopilla Valo heijastuu näytteen pinnasta. (Ohuthieessä

valo kulkee näytteen läpi).

+ preparaatti on nopea ja yksinkertainen valmistaa + iso tutkittava pinta-ala (rakennekoekappaleet) - pintahieen tarkkuus ja informaatiosisältö ohuthiettä

selvästi pienemmät

6 6.3.2018 6

Ohuthie (OH) Leike betonista, laastista, kivestä tai muusta kiinteästä ja

kiteisestä materiaalista. Betoniohuthieen koko esim. 30 x 50 mm. Koko voi hieman

vaihdella riippuen laboratoriosta. Paksuus yleensä noin 25 – 30 µm. Tarkoitus on, että valo kulkee

tutkittavan näytteen läpi. Manipuloimalla näytteen läpi kulkevaa valoa erilaisten polarisaattoreiden, linssien ja himmentimien avulla saadaan tietoa tutkittavan materiaalin (runkoaine, sideaine) rakenteesta ja koostumuksesta.

+ paljon tietoa koostumuksesta, rakenteesta, laadusta, hydrataatiosta… + hyvä tarkkuus ja mahdollista havaita pieniä partikkeleita - näytepreparaatin valmistus hidasta ja vaatii erityisosaamista - pieni näytteen pinta-ala (näytteen edustavuus?)

7 6.3.2018 7

Ohuthiepreparaatin valmistus

Monivaiheinen prosessi, jossa noin parikymmentä erilaista työvaihetta. Sahausta, impregnointia, hiontaa, puhdistusta ja liimausta. Hyvän preparaatin valmistuksen kesto

näytteestä riippuen tavallisesti noin 1,5 – 2 viikkoa. Valmistus vaatii erikoislaitteita, harjoitusta ja

kokemusta. Vain tekemällä voi oppia!

8 6.3.2018 8

Ohuthietutkimus

Betonin petrografia / ohuthietutkimus Tutkimus tapahtuu

polarisaatiomikroskoopilla, jossa on tyypillisesti myös fluoresenssivalon käyttömahdollisuus. Voidaan tutkia jotain tiettyä asiaa (esim.

huokosjako) tai tehdä yleinen kunto/rakenne/koostumus selvitys. Yleisenä pohjana tutkimuksille toimii mm.

standardi ASTM C856

9 6.3.2018 9

Tyypillisiä tutkittavia tekijöitä (OH)

Betonin runkoaine Mineraalien ja kivilajien tunnistus. Niiden rapautuminen ja esim.

mahdolliset mineralogiset muuttumistulokset sekä haitalliset mineraalit. Koko ja muoto (merkitystä mm. betonin huokostuksen onnistumiseen) Jakautuminen ja orientaatio (vaikuttaa mm. betonin lujuuteen) Huokoisuus ja säröt (vaikuttaa mm. betonin lujuuteen) Tartunta sideaineen välillä (vaikuttaa mm. betonin lujuuteen) Huokosten kerääntyminen runkoainekappaleiden pinnoille

(kiillemineraalit voivat kerätä suojahuokosia)

10 6.3.2018 10

Tyypillisiä tutkittavia tekijöitä (OH)

Betonin sideaine Koostumus ja mahdolliset seosaineet Hydrataatioaste Vesi-sideainesuhde Huokoisuus (mm. huokosjako) Karbonatisoituminen (vaikuttaa mm. teräskorroosioon)

Betoni yleisesti Säröily ja sen syy (kuivumiskutistuminen, pakkasrapautuminen,

valutekniikasta johtuvat säröilyt, autogeeninen säröily, tulipalo, alkalikiviainesreaktio…)

Muuttuminen (esim. reaktiotuotteet, tulipalo, kemiallinen rasitus) Teräkset ja niiden korroosio Betoniin kuulumattomat ainekset?

11 6.3.2018 11

Betonin huokosjako (huokosanalyysi)

VTT-TEST-R003-00-2010 Huokosjako Kovettuneen betonin ilmahuokosparametrien määrittäminen

Betonin suuntaa-antava kokonaisilmamäärä Suojahuokosten (Ø = 0,02 – 0,8 mm) ilmamäärä Betonin suojahuokosten ominaispinta-ala Suojahuokosten huokosjako

Huokosjaon tulos määrittelee betonin pakkasenkestävyyden

suunnitellun käyttöiän ja rasitusluokan, XF1 – XF4 mukaan. By 65 Betoninormit 2016, taulukko L4.3, s. 158.

Huokosjako ilmaisee laskennallisen arvon suurimmalle etäisyydelle

sementtipastan mistä tahansa pisteestä lähimmän suojahuokosen pinnalle, yksikkönä mm.

12 6.3.2018 12

Betonin huokosjako / huokosanalyysi

Huokosanalyysi tehdään betonin ohuthiepreparaateista polarisaatiomikroskoopilla (myös mahdollista pintahieestä?) Analyysilaitteistolla luodaan ”kuvitteellinen”

pisteverkko sekä analyysiviiva. Lasketaan pisteisiin sekä analyysiviivalle osuvat huokoset, runkoainerakeet ja sementtipasta. Vähintään 1500 pistettä Analyysiviivan pituus min. 2300 mm Analysoitava pinta-ala min. 3000 mm2

13 6.3.2018 13

Yleiskuva betonin ohuthieestä

runkoaine

sementtipastaa

ilmahuokoset

14 6.3.2018

Tavanomainen huokosrakenne

• Huokosjako L ≈ 0,20 mm

• Suojahuokoset n. 2,5 til-%

• Kokonaisilma n. (3 til-%)

kiviaines

sementtipasta

huokoset

15 6.3.2018 15

Huokosjako L ≈ 0,10 mm Suojahuokoset n. 8 - 10 til-% Kokonaisilma n. (11 - 12 til-%) Betonin tiheys n. 2000 kg/m3

Runsaasti pieniä ja pyöreitä suojahuokosia

16 6.3.2018 16

Huokoset jakautuneet epätasaisesti

17 6.3.2018 17

Isot huokoset kerääntyvät runkoainekappaleiden alle (huono huokostus)

18 6.3.2018 18

Kymmenien suojahuokosten muodostama rypäs

19 6.3.2018 19

Runsasta säröilyä

20 6.3.2018 20

Alkalikiviainesreaktion aiheuttamaa säröilyä

21 6.3.2018 21

Ettringiittikiteytymän lähes kokonaan täyttämä ilmahuokonen

22 6.3.2018 22

Runkoainekappale (myloniitti), joka on alkalikiviainesreaktiivinen

PALVELUJA HUOMISEN MENESTYKSEEN

www.vttexpertservices.fi