Suhteituksen tekeminen

Betonin suhteituksen tekemiseen on olemassa useita erilaisia menetelmiä. Hyvin toimivalta suhteitusmenetelmältä edellytetään, että se

  • auttaa hallitsemaan keskeisimmät betonin ominaisuuksiin vaikuttavat seikat
  • soveltuu erilaisiin betonilaatuihin
  • on helppokäyttöinen.

Betonin suhteitus tehdään nykyisin pääsääntöisesti tietokoneohjelmien avulla. Betonin valmistajilla on omaan tuotantoonsa muokattuja ohjelmasovelluksia. Tietokoneen käyttö mahdollistaa laajan betonivalikoiman antavan suhteituksen. Lisäksi suhteitus voidaan toteuttaa nopeasti ja helposti. Hyvin suunnitellut suhteitusohjelmat voidaan tarvittaessa liittää osaksi laajempaa tietokantaa, mikä mahdollistaa esimerkiksi valmisbetoniaseman laskutuksen automaattisesti betonimassan tietokoneohjatun valmistuksen yhteydessä.

 

Nykäsen suhteitusmenetelmä

Useimmat suhteitusohjelmat pohjautuvat niin sanottuun Nykäsen suhteitusmenetelmään, joka on Suomessa yleisimmin käytetty manuaalinen suhteitusmenetelmä. Vaikka betonin suhteitus tehdään nykyisin pääsääntöisesti tietokoneavusteisesti,
betonimassan koostumuksen ymmärtäminen ja tietokonesovellusten perusteellisempi hallinta edellyttää, että suhteittaja hallitsee myös perinteisen eli manuaalisen suhteituksen ainakin tavallisen betonin osalta

Suhteitus voidaan tehdä manuaalisesti suhteitusnomogrammin ja koostumuslomakkeen avulla. Kokonaisnäkemyksen saamiseksi tarkastellaan suoritusjärjestyksessä suhteituksen kaikkia vaiheita.

Suhteitus aloitetaan koostumuslomakkeen täyttämisellä:
1. Määrätään nimellislujuus (= suunnittelulujuus) fck.
2. Päätetään käytettävä sementti.
3. Määrätään tavoitenotkeus.
4. Lasketaan tavoitelujuus Kt = kt × fck.

  • ennakkokokeissa yleensä käytetään tavoitelujuuskertoimena kt = 1,20.

5. Lasketaan suhteituslujuus Ks = ks × Kt:

  • ks = 42,5/N
  • Ellei sementin testauslujuutta N tiedetä, käytetään sementin lujuusluokan mukaista lujuutta:
    • 32,5      ks = 1,31
    • 42,5      ks = 1,00
    • 52,5      ks = 0,81.

6. Kirjoitetaan käytettävissä olevien osakiviainesten rakeisuusarvot.
7. Piirretään osakiviaineksista rakeisuuskäyrät.
8. Määritetään suurin raekoko:

  • ainakin alustavasti 90 %:n läpäisyarvoa vastaava raekoko karkeimmasta runkoaineesta.

9. Määritetään yhdistettävän runkoaineen rakeisuusohjearvot:

  • ainakin 0,125 mm # ja 4 mm # seulat (nomogrammin rakeisuusohjeesta).

10. Yhdistetään kiviaineslajitteet siten, että ohjearvovaatimukset täyttyvät.
11. Lasketaan rakeisuusluku H.

Nomogrammissa edetään seuraavasti:
12. rakeisuusluku H, notkeus, murskeen osuus kiviaineksesta (sepeli %), suhteituslujuus Ks ja ilmamäärä. Tällöin nomogrammista saadaan veden (vesi + ilma dm3/m3), sementin ja kiviainesten määrät (kg/m3).
13. Nomogrammista saatu suhteitusseos merkitään koostumuslomakkeeseen, jossa jaetaan kiviaines osakiviaineksiksi prosenttien mukaan.
14. Merkitään kiviainesten sisältämä vapaa vesimäärä vähentämällä mitatusta kosteuspitoisuudesta kiviaineksen absorptiokyky prosentteina ja lasketaan määrät viereiselle sarakkeelle kilogrammoina.
15. Lasketaan työseos A, jossa kiviaineksia lisätään niiden sisältämän vesimäärän mukaan ja vastaavasti suoritetaan vähennys vesimäärästä.

  • tarkistamisen vuoksi osa-aineiden massat ja tilavuudet on syytä laskea yhteen kaikissa sarakkeissa.

16. Lasketaan lopullinen annos: annosmäärä kerrotaan työseos A:n luvuilla.

Esimerkki

Suhteitetaan betoni, jonka nimellislujuus on C35/45. Käytetty sementti on normaalisti koettuva seossementti CEMII/B-M(S-LL) 42,5N, jonka koestuslujuus 28 vuorokauden iässä on 49 MPa. Tavoitepainuma betonille on 90 mm. Betoni on pakkasenkestävää. Tavoiteilmamäärä on 6 % (= 60 dm3/m3). Betonin maksimiraekoko on 16 mm. Kiviaines on yhdistetty ja rakeisuusluvuksi (H) on saatu 455 ja sepelipitoisuus on 30 %. (Voit kerrata kiviainesten yhdistämistä suhteituksen taustatiedot -osuudessa).

Sivun alalaidassa on tulostettavat BETONIN KOOSTUMUS ja BETONIN SUHTEITUS -lomakkeet, joita tarvitset tässä harjoituksessa. 

Kiviaineksista tiedetään tiheys, absorptiokyky sekä kosteus:

 

Tiheys
[Mg/m3]

Absorptiokyky 
[%]

Kosteus
[%]

0/1 2,68 0,4 5,3
0/8 2,68 0,4 2,2
8/16 3,00 0,2 1,0

 

Betonin koostumus määritetään käyttäen suhteituslomaketta seuraavasti:
1. Piirretään tunnetun rakeisuusluvun (H= 455) kohdalta pystysuora viiva, kunnes törmätään haluttuun notkeuteen (90 mm).
2. Jatketaan vetämällä vaakasuora viiva kunnes vastaan tulee sepeliprosentin (30 %) pystyviiva.
3. Piirretään vinoviivojen suuntaista suoraa, kunnes saavutaan lasketun suhteituslujuuden
Ks pystyviivalle.
Ks = fck × kt × 42,5/N  = 45 × 1,2 × 42,5/49 = 47 MN/m2.
4. Jatketaan vaakasuoraan, kunnes kohdataan oletetun ilmamäärän (60 dm3/m3) pystyviiva, josta edetään vinoviivojen suuntaisesti vettä + ilmaa -asteikolle.
5. Asteikon vesi + ilma -piste (234 dm3/m3) yhdistetään viivalla nomogrammissa vinosti oikealla olevaan laskettuun suhteituslujuuteen Ks = 47.
6. Kiviaines- ja Sementti-asteikoilta luetaan kohdassa 5. piirretyn suoran leikkauspisteistä kiviaineksen ja sementin määrät.
7. Siirretään ainemäärät Betonin koostumus -lomakkeelle:
vesimäärä = (Vvesi+Vilma) - Vilma.

Alla olevalla videolla on kuvattu tämän suhteituksen eteneminen.

Suhteitusesimerkki jatkuu

Lopuksi määrätään lopullinen seos.

Kun kiviainesfraktioiden kosteuspitoisuudet tunnetaan, voidaan niiden sisältämät teholliset vesimäärät laskea. Tehollinen vesi [%] = kokonaisvesi [%] - absorboitunut vesi [%]

Kiviainesfraktioiden sisältämät teholliset vesimäärät lasketaan yhteen ja tämä summa vähennetään seokseen lisättävästä vesimäärästä. Runkoainemääriä lisätään niiden sisältämän vesimäärän painolla -> työseos A.

Korjaukset suhteitukseen

Notkeus suhteituksessa

Suhteitus tulee aina tarkistaa ennakkokokein, sillä suoritettu suhteitus on ainoastaan arvio ainemääristä. Ennakkokokeisiin kuluu myös notkeuden tarkistaminen. Mikäli notkeus poikkeaa tavoitteesta, pyritään ensimmäiseksi selittämään poikkeaman syy. Notkeuspoikkeaman syyt voidaan ryhmitellä seuraavasti:

A. virheet lähtöarvoissa:

  • suhteituksessa virheellinen rakeisuus, sepeliprosentti, kiviainesten tiheys tai kiviainesten kosteus
  • suhteitusvirhe, esimerkiksi nomogrammin käyttö väärin
  • lisäaineen määrä

B. annostusvirheet:

  • kiviainesten, sementin, veden tai lisäaineen mittaus

C. piilotekijät eli muut tekijät, joita suhteitusmenetelmä ei ota huomioon:

  • epätasainen rakeisuus eli mutkat rakeisuuskäyrässä
  • ohjearvot saavuttamatta
  • raemuoto ja rakeiden pinnan laatu
  • filleriosan rakeisuus ja raemuoto
  • sementtilaji
  • lisäaine ei toimi odotetulla tavalla vallitsevissa olosuhteissa.

Jos poikkeama kuuluu A- tai B-ryhmään, virhe korjataan, valmistetaan uutta betonia ja suoritetaan taas mittaus. Mikäli vaihtoehdot A ja B ovat poissuljettuja, jää jäljelle jokin piilotekijä. Tällöin tehdään notkeuden korjaus. Notkeuskorjausta tehdessä on syytä korostaa, että betonimassan notkeutta muutetaan sementtiliiman määrää muuttamalla. Vesi-sementtisuhteen on pysyttävä samana. Vesi-sementtisuhteen muuttaminen muuttaa betonin lujuutta ja muita betonin ominaisuuksia.

Suhteituksen lujuuskorjaukset
Jos betonin tavoitelujuutta ei saavuteta, suhteitusta joudutaan korjaamaan. Pienet korjaukset, esimerkiksi 1…3 MN/m2, on mahdollista tehdä pelkästään suhteituslujuutta muuttamalla. Suuremmissa korjauksissa muutos on hyödyllistä tehdä tavoitelujuutta muuttamalla, jolloin myös kiviaineksen rakeisuuden muutokset sementtimäärän muuttuessa tulee otettua huomioon.

Betonien suhteitusnomogrammin antama tulos ei välttämättä ole heti ensimmäisellä valmistuskerralla riittävän hyvä, vaan suhteitusta on aina seuraavia valmistuseriä varten parannettava iteroimalla kohti yhä parempaa tulosta.

Esimerkki suhteituksen korjaamisesta

Alkuperäinen suhteitus on tehty arvoilla rakeisuusluku H = 420, painuma 150 mm, sepeliä 0 %, Ks= 47 MN/m2, ilma 20 dm3/m3.
Massan notkeus määritettiin painumana, jonka arvoksi saatiin 90 mm. Notkeuskorjauksen periaate on esitetty alla olevassa kuvassa.
Mitattu notkeuden arvo eli painuma merkitään nomogrammiin. Koska massa on liian jäykkää, sementtiliiman määrää on lisättävä. Tämä tapahtuu siten, että suhteitusviivaa siirretään ylöspäin janan a verran, eli sen verran mitä kyseisen betonin notkistaminen 90 mm:n painumasta 150 mm:iin vaatii. Uutta tavoitenotkeutta kuvaa nyt piste korjattu notkeus. Tällöin korjaus tapahtuu siten, että (vesi+ilma)-sementtisuhde säilyy samana. Sementtiliiman määrä lisääntyy alkuperäisestä noin 16 dm3 (vesimäärä 10 kg ja sementtimäärä 20 kg), ja vastaavasti kiviaineksen osuus laskee noin 50 kg. Kun betonia valmistetaan uudestaan, notkeus tarkistetaan ja todetaan, antaako uusi mittaus painumaksi tavoitellun 150 mm.

Korkealujuusbetonien (> C50/60) valmistus edellyttää monipuolisen sideaine-tehonotkistinyhdistelmien käyttöä, mikä aiheuttaa helposti suuren hajonnan varsinkin betonin notkeudessa ja jossain määrin myös lujuudessa. Korkealujuusbetonien suhteitus edellyttääkin lujuudellisen ja siten myös koostumuksellisen poikkeavuutensa vuoksi huomattavasti enemmän ennakkokokeita kuin tavanomainen betoni. Julkaisussa by 50 Betoninormit 2004 oli esitetty korkealujuusbetonin suhteitusohje. Ohjeet perustuivat naftaleenipohjaisten tehonotkistimien käyttöön. Lisäaineteknologian kehittymisen myötä betoniteollisuudessa on siirrytty tehokkaampien niin sanottujen polykarboksylaattien käyttöön. Tästä syystä kyseisen suhteitusohjeen käyttökelpoisuus heikkeni eikä sitä ole esitetty enää myöhäisemmissä betoninormeissa.

Itsetiivistyvän betonin suhteituksessa voidaan käyttää useita eri raaka-aineita ja suhteitusperiaatteita. Itsetiivistyvän betonin tärkeimmät ominaisuudet ovat notkeus ja juoksevuus, mutta samanaikaisesti betoni ei saa erottua. Lisäksi betonilta vaaditaan
määrätty lujuus ja säilyvyys. 

Työstettävyysominaisuudet on mahdollista saavuttaa lisäämällä betonin hienojen ainesosien määrää. Hienoaineena käytetään lentotuhkaa, kalkkifilleriä, jauhettua masuunikuonaa, silikaa tai luonnonfilleriä. Näitä kaikkia ainesosia ei voida kuitenkaan käyttää samanaikaisesti, ja eräiden ainesosien käyttömääriä betonissa on rajoitettu. Hienoainesta voidaan korvata vettä sitovilla lisäaineilla (stabilaattoreilla). Hienoaineksilla tarkoitetaan itsetiivistyvän betonin kohdalla raekooltaan alle 0,125 mm:n ainesosia, joihin lasketaan mukaan myös sementti. Jotta itsetiivistyvä betoni saadaan juoksevaksi, betonin valmistamiseen tarvitaan tavanomaista suurempi annostus tehokkaita notkistimia