Your i ndus t ry, ou r focus

BETONIN OPTISET TUTKIMUSMENETELMÄT

BETONILABORANTTI JA -MYLLÄRIKURSSI

JARKKO KLAMI

Menetelmät

• Useita eri menetelmiä ja optisia laitteita, riippuen mitä halutaan selvittää ja millainen näyte tutkittavana?

• Optisia tutkimusmenetelmiä mm. betonin tutkimukseen• Silmämääräinen tarkastelu, makroskooppinen tarkastelu• Stereomikroskooppi (soveltuu mm. isoille näytteille, pintahieelle)• Fluoresenssimikroskopointi (ohuthie ja pintahienäytteet)• Polarisaatiomikroskooppi, ohuthie• (Elektronimikroskooppi – SEM, erittäin pienet näyteet, esim. yksittäiset sementtirakeet)

• Näytteet yleensä ns. ohuthie- tai pintahiepreparaatteja

- 2 -

näytekooko

Mihin optisia menetelmiä käytetään?

• Betonin tutkimus ja tuotekehitys• Hydrataatiotuotteiden muodostuminen, huokosrakenne, reaktiot, mikrorakenne...

• Laadunvalvonta, testaus (valmisbetoniasemat / työmaat)• Yleinen mikrorakenne, hydrataatioaste (valun ulkoiset olosuhteet), huokosrakenne,

kiviaineksen laatu, sideaine ja seosaineet, vesi-sideainesuhde, pinnoiteaineiden tunkeutumasyvyydet, haitalliset reaktiotuotteet…

• Materiaaliselvitykset• Mistä betoni, laasti, rappaus on tehty (koostumus), kerrospaksuudet, kerrosten väliset

tartunnat, työsaumat, jne.

- 3 -

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…

- 4 -

Pintahie (PH)

• Pintahieellä tarkoitetaan yleensä laboratoriossa valmistettua preparaattia, joka on hiottua ja kiillotettu tasopinta.

• Voidaan valmistaa erilaisista koekappaleista esim. kuutiosta tai poralieriöstä.

• Tarkastelu stereo- ja/tai pintavalomikroskoopilla• Valo heijastuu näytteen pinnasta. (vrt. ohuthieessä valo kulkee näytteen

läpi).

+ preparaatti on nopea ja yksinkertainen valmistaa

+ iso tutkittava pinta-ala (rakennekoekappaleet)+ rakenne- ja materiaalikerrosten tunnistus, kerrosten tartunnat.

- pintahieen tarkkuus ja informaatiosisältö ohuthiettä selvästi pienemmät

- 5 -

Ohuthie (OH)

• = Leike betonista, laastista, kivestä tai muusta vastaavasta kiinteästä ja kiteisestä materiaalista.

• Betoniohuthieen koko esim. 35 x 50 mm2. Koko voi hieman vaihdella riippuen valmistustavasta (laboratoriosta).

• Paksuus noin 25 – 30 µm. Tarkoitus on, että valo kulkee tutkittavan näytteen läpi.

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

+ paljon tietoa koostumuksesta, mikrorakenteesta, laadusta, hydrataatiosta, seosaineista…

+ hyvä tarkkuus ja mahdollista havaita pieniä partikkeleita- näytepreparaatin valmistus hidasta ja vaatii erityisosaamista

- pieni näytteen pinta-ala (näytteen edustavuus?)

- 6 -

Ohuthiepreparaatin valmistus

• Monivaiheinen prosessi, jossa noin parikymmentä erilaista työvaihetta. Sahausta, impregnointia, hiontaa, kuivausta, pesua ja liimausta.

• Hyvän preparaatin valmistuksen kesto näytteestä riippuen tavallisesti noin 1,5 – 2 viikkoa.

• Valmistus vaatii erikoislaitteita, harjoitusta ja kokemusta. Vain tekemällä voi oppia!

- 7 -

Ohuthietutkimus

• Betonin petrografia / ohuthietutkimus

• Tutkimus tapahtuu polarisaatiomikroskoopilla, jossa on tyypillisesti myös fluoresoivan valon käyttömahdollisuus.

• Voidaan tutkia jotain tiettyä asiaa (esim. huokosjako) tai tehdä yleinen kunto/rakenne/koostumus selvitys.

• Yleisenä pohjana tutkimuksille toimii betonille mm. standardi ASTM C856-18a

- 8 -

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. työstettävyyteen ja betonin huokostukseen)• 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)• Alkalikiviainespotentiaalin arviointi

- 9 -

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?

- 10 -

Betonin huokosanalyysi

VTT-TEST-R003-00-2010 Huokosjako / By-ohje 2020-• Kovettuneen betonin ilmahuokosparametrien määrittäminen

• Betonin suuntaa-antava kokonaisilmamäärä• Suojahuokosten (Ø = 0,025 – 0,8 mm) ilmamäärä• Betonin suojahuokosten ominaispinta-ala• Suojahuokosten huokosjako, mm

• Huokosjaolla voidaan todeta betonin pakkasenkestävyys suunnitellun käyttöiän ja rasitusluokan, XF1 tai XF3 mukaan.

Standardi SFS 7022:2019, taulukko A.1, s. 18.(By 65 Betoninormit 2016, taulukko L4.3, s. 158. HUOM: uusi versio tulossa 2020)

• Huokosjako ilmaisee laskennallisen arvon suurimmalle etäisyydelle sementtipastan mistä tahansa pisteestä lähimmän suojahuokosen pinnalle, yksikkönä mm.

• Huom: Menetelmän päivitys vuoden 2020 aikana. => By-ohje

- 11 -

Huokosjako VTT-TEST-R003-2010

• Huokosanalyysi tehdään betonin ohuthiepreparaateista (2 - 3 kpl) polarisaatiomikroskoopilla

• Analyysilaitteistolla luodaan ”kuvitteellinen” pisteverkko sekä analyysiviiva. Lasketaan pisteisiin sekä analyysiviivalle osuvat huokoset, kiviainerakeet ja sementtipasta.

• Analyysipisteitä min. 1500 kpl• Analyysiviivan pituus min. 2300 mm• Analysoitava pinta-ala min. 3000 mm2

• Kaupallisesti tarjolla myös ”vastaavia” huokosanalyysejä => vastaavuus joskus epäselvä?

- 12 -

Yleiskuva betonin ohuthieestä

- 13 -

ilmahuokosetrunkoaine

sideaine

Tavanomainen huokosrakenne

- 14 -

ilmahuokoset

HuokosjakoL ≈ 0,20 mm

Suojahuokosetn. 2,5 til-%

Kokonaisilman. (3 til-%)

sideaine

runkoaine

Runsaasti pieniä suojahuokosia

HuokosjakoL ≈ 0,10 mm

Suojahuokosetn. 8 - 10 til-%

Kokonaisilman. (11 - 12 til-%)

Betonin tiheysjopa < 2000 kg/m3

- 15 -

Huokoset jakautuneet epätasaisesti

- 16 -

Isot huokoset kerääntyvät kiviaineskappaleiden alle

- 17 -

Huokosten muodostama ”rypäs”

- 18 -

Runsasta mikrosäröilyä fluoresoivassa valossa

- 19 -

Ettringiittikiteytymän lähes kokonaan täyttämä ilmahuokonen

- 20 -

Alkali-kiviainesreaktio – AKR

- 21 -

Silikageeliä suojahuokosessa

Runsasta halkeilua. Halkeamat täyttyneet silikageelillä.

Kiviaineskappale (myloniitti), joka on alkali-kiviainesreaktiivinen

- 22 -