OHUTHIETUTKIMUKSET BETONIRAKENTEIDEN KUNTOTUTKIMUKSISSA

Aki Schadewitz

1. Yleistä

Ohuthie saa nimensä betonin petrografista analyysiä varten valmistetun preparaatin valmistustavan ja paksuuden mukaan. Preparaatti valmistetaan betonirakenteesta tai -tuotteesta irrotetusta kappaleesta tehdystä aihiosta hiomalla ja sen tarkastelupaksuus on vain 0,025 mm (25 mm eli noin 1/3 hiuksen paksuudesta). Ohuthie on pinta-alaltaan yleensä luokkaa 35 x 55 mm². Myös muunkin kokoisia preparaatteja voidaan valmistaa.
Ohuthiepreparaatin valmistus edellyttää erikoislaitteita sekä pitkäaikaista harjaantumista valmistustekniikkaan. Valmistus on suoritettava niin hienovaraisesti, ettei näytteessä tapahdu muutoksia eikä siihen aiheuteta valmistuksessa uusia vaurioita.
Ohuthieen analysointi suoritetaan polarisaatiomikroskoopilla. Apuna voidaan tarvita joskus fluoresenssilaitteistoa. Mikroskoopissa johdetaan valo hieen alapuolelta ja sitä tarkastellaan yläpuolelta, koska valo läpäisee preparaatin sen ohuuden vuoksi.
Mikroskopointi edellyttää analyysin tekijältä laitetekniikan osaamisen lisäksi pitkä-aikaista perehtymistä betonin petrografiaan ja kokemusta ohuthieanalyysistä. Tekijän tulisi olla hyvin perillä betonin materiaalitekniikasta, betonirakenteiden ja -elementtien valmistuksesta ja niihin liittyvistä ongelmista sekä erityisesti betonin vaurioitumis-prosesseista ja säilyvyyteen liittyvistä seikoista.

2. Ohuthieiden käyttö kuntotutkimuksissa

Tämän esitelmän yhteydessä ei syvennytä ohuthietekniikan suomiin laajoihin mahdollisuuksiin koko betonitekniikan alueella vaan keskitytään lähinnä kuntotutkimukseen. Mainittakoon kuitenkin, että ohuthietekniikkaa voidaan kunto- ja vauriotutkimusten lisäksi hyödyntää varsin laajasti mm. betonin tutkimus- ja kehitystyössä, uudistuotannon virheiden syyn selvittämisessä ja betonirakenteiden laadunvarmistuksessa.
Kuntotutkimuksissa kenttätutkimuksen yhteydessä pystytään rakenteiden tai niistä irrotettujen näytteiden kunnosta tai vaurioista tekemään havaintoja pelkästään silmämääräisesti. Tällöin havaitaan ainoastaan ns. makroskooppiset vauriot ja ilmiöt. Mikäli rakenteissa on jo päällepäin selvästi havaittavia vaurioita ovat ongelmat kehittyneet jo melko pitkälle. Jos rakenteissa esiintyy alkavassa tai kehityksen varhaisessa vaiheessa olevia vaurioprosesseja, jäävät ne pelkällä silmämääräisellä tarkastelulla havaitsematta ja edelleen ottamatta huomioon korjauksessa. Tällöin korjauksen kestoikä saattaa jäädä tavoiteltua huomattavasti lyhyemmäksi
Ohuthietutkimuksen edut verrattuna muihin perinteisiin tutkimusmenetelmiin on havaittu jo melko laajasti ja tekniikan hyödyntäminen on yleistynyt –90 luvulla voimakkaasti erityisesti kuntotutkimuksissa. Jos rakenteissa esiintyy jo näkyviä vaurioita, voidaan ohuthieiden avulla selvittää vaurioiden aiheuttajat. Jos silmin havaittavia vaurioita ei esiinny, käytetään ohuthietekniikkaa varmistamaan, ettei yllätyksiä tule piilevien tai alkavassa vaiheessa olevien vaurioprosessien vaikutuksesta.
Ohuthietekniikka on ainoa menetelmä, jolla riittävän luotettavasti ja laaja-alaisesti pystytään määrittelemään vaurioitumisen syyt ja havaitsemaan piilevät vaurioprosessit. Tutkimuksissa voidaan myös käyttää kustannuksiltaan edullisempaa pintahietekniikkaa, mutta siitä saatava informaatio rakenteen kuntoon ja korjaamiseen vaikuttavista seikoista on selvästi puutteellisempaa. Kaikkia korjaustyön kannalta tarpeellisia havaintoja ei pintahieestä pystytä ollenkaan analysoimaan). Valtakunnan johtavat tutkimuslaitokset käyttävät kuntotutkimuksissa pääasiassa ohuthietekniikkaa.
Myös uudisrakentamisessa on ruvettu viimevuosina käyttämään ohuthietekniikkaa yhä lisääntyvässä määrin varsinkin laadunvarmistukseen (mm. lisähuokoistuksen onnis-tuminen) julkaisun Betonirakentamisen laatuohjeet By 47 2000 julkistamisen myötä.

3. Näytteenoton suunnittelu

Näytteenotto on aina suunniteltava huolellisesti. Näytemäärällä ja näytteen irrotuskohtien valinnalla on oleellinen merkitys tutkimuksen kattavuuten ja tulosten luotettavuuteen. On harkittava etukäteen millä tarkkuudella ja luotettavuudella halutaan kohdetta tutkia. Kustannukset eivät saisi pelkästään ohjata tutkimuksen laajuutta tai näytteenottomäärää, sillä tutkimuskulut ovat yleensä vain murto-osa korjausprojektin kokonaiskustannuksista. Tulosten luotettavuudella sekä kattavuudella on sen sijaan suuri merkitys korjaustyön onnistumisen ja korjauskustannusten muodostumisen sekä korjauksen kestoiän kannalta.
Näytteitä on irrotettava kaikista erilaisista rakennetyypeistä vähintään luokkaa 5 näytettä / rakennetyyppi. Kun esimerkiksi asuinkerrostalossa on julkisivua, sokkelia, parvekepieltä, -laattaa ja –kaidetta, kasvaa kokonaisnäytemäärä 20 – 30 kpl:een melko nopeasti. Lisäksi on huomioitava, että näytteiden tulee edustaa eri rasitusolosuhteita (esim. eri ilmansuunnat, korkeussuhteet, vaaka- ja pystypinnat) sekä vaurioituneita ja vaurioitumattomia, suojattuja ja suojaamattomia kohtia. Kohteessa saattaa olla myös eri tyyppisiä pintamateriaaleja kuten esimerkiksi sileä betoni, pesubetoni, maalattu tai ruisku-pinnoitettu betoni, laattapintainen betoni jne. Ne kaikki saattavat käyttäytyä säilyvyys-mielessä jossakin määrin eri tavalla.
Muita näytemäärään ja tutkimukseen laajuuteen vaikuttavia seikkoja ovat kohteen koko, sijainti ja rakentamisen ajankohta sekä onko kohteessa eri aikoina rakennettuja osia.

4. Näytteenotto

Näyte ohuthiettä varten irrotetaan rakenteesta kuntotutkimuksen yhteydessä yleensä timanttiporalla tai -laikalla. Varsin sopiva ja yleisin näyte on halkaisijaltaan Æ 50 mm:n (ellei max. raekoko ole kovin suuri) porauslieriö, joka on pituudeltaan vähintään 60 mm:n luokkaa. Ohuissa rakenteissa, kuten sw-elementin ulkokuori, porataan näyte yleensä rakenteen läpi. Myös joissakin paksummissa rakenteissa (kuten parvekepielet, -laatat ja –kaiteet) voidaan näyte porata rakenteen läpi. Tällöin saadaan samasta näytteestä toisesta päästä ohuthienäyte ja toisesta esim. vetolujuus- tai jokin muu tutkimusnäyte. Näytteen halkaisijan on tällöin oltava vähintään 3 x kiviaineksen max. raekoko.
Näytteet on irrotettava suurta varovaisuutta noudattaen. On muistettava, ettei näytteeseen saa aiheuttaa irrotuksen yhteydessä uusia vaurioita, jotka luonnollisesti aiheuttavat tulkintavaikeuksia mikroskopoinnissa.
Timanttiporakone on ankkuroitava rakenteeseen aina tukevasti ja sen on oltava muutenkin jäykkärakenteinen. Käsivaraporakoneita ei tule käyttää. Laikkakoneella irrotetun näytteen on yleensä oltava kooltaan suurempi kuin porausnäyte. Ulkobetoni-rakenteissa on näytteessä oltava mukana aina rakenteen ulkopintaa.
Näytteenottokohdat on merkittävä esim. näytteenottokarttaan. kaikille näytteille annetaan oma tunnus, joka merkitään itse näytteeseen. On hyvä merkitä myös ulko-/sisäpinta tai ylä-/alapinta. Näytteet on pakattava tiiviiseen muovipussiin välittömästi irrottamisen jälkeen, jotta leikkauspinnat eivät pääse karbonatisoitumaan.

5. Ohuthieen valmistus

Ohuthieen valmistus on monivaiheinen ja erikoisosaamista sekä -laitteita vaativa prosessi, johon ei tässä yhteydessä syvennytä tarkemmin. Pääpiirteissään hieen valmistus etenee seuraavalla tavalla. Betoninäytteestä irrotetaan kooltaan noin 35 x 55 mm² ja paksuudeltaan noin 5 mm oleva kappale. Kappale kiinnitetään työlasille ja impregnoidaan tyhjiössä UV-valossa fuorisoituvaa väriainetta sisältävällä epoksihartsilla. Tämän jälkeen näytteen pinta hiotaan ja siihen kiinnitetään objektilasi. Näyte halkaistaan sahaamalla ja objektilasille jäänyt osa betoninäytteestä hiotaan erikoislaittein tarkastelupaksuuteensa, joka on aikaisemmin mainittu 0,025 mm. Lopuksi näytteen päälle kiinnitetään 0,6 mm:n paksuinen suojalasi.

6. Keskeiset havainnot kuntotutkimuksen yhteydessä

Kuntotutkimuksen yhteydessä keskitytään ohuthietutkimuksessa pääasiassa betonin ja betonirakenteen kannalta säilyvyyteen vaikuttaviin seikkoihin sekä vaurioitumiseen ja muihin betonin laatua tai kuntoa heikentäviin ilmiöihin. Ohuthieelle suoritetaan ns. mikroskooppinen yleistarkastelu, jossa tehdään havaintoja mm. seuraavista seikoista:
pinnoitteen/-teiden ominaispiirteet
betonin karbonatisoituminen
huokosrakenne ja pakkasenkestävyys
vauriot ja niiden aiheuttajat
huokostäytteet ja agressiviset reaktiot
runkoaineksen ja sideaineen tartunta
runkoaineksen laatu

7. Ohuthiehavaintojen analysointi

Seuraavassa käsitellään lyhyesti kuntotutkimuksen näkökulmasta ohuthieissä havaittuja yleisimpiä ilmiöitä sekä niiden aiheuttajia ja merkitystä.
Pinnoitekerrosten lukumäärästä voidaan päätellä rakenteen mm. pinnoitushistoria. Pinnoitteiden tiiveys
yikertoo esimerkiksi huoltomaalauksen onnistumisesta ja maalityyppien oikeellisuuden kosteusteknisesti. Eri
yikerrosten kontaktit toisiinsa tai pinnoiteyhdistelmän kontakti alustaansa kertoo pinnoittamisen
yionnistumisesta ja rtoamisriskistä sekä uudelleen pinnoituskelpoisuudesta.
Pinnoitteessa havaitut, optisilta ominaisuuksiltaan asbestia muistuttavat kuidut, ovat usein miten asbestia.
yiTämä on kuitenkin aina varmistettava erikoisanalyysin avulla, koska asbestipitoisen pinnoitteen poisto on
yisuoritettava asbestityöstä annettuja määräyksiä noudattaen.
Betonin karbonatisoituminen nähdään joissakin ongelmatapauksissa (esim. pesu-betoni) joskus paremmin
yikuin pelkästä porausnäytteestä indikaattoriliuoksella. Halkeaman ikää tai syntymisajankohtaa voidaan
yiarvioida sen seinämien karbonatisoitumisen avulla.
Lisähuokoistuksen onnistuminen ja betonin pakkasenkestävyys voidaan arvioida huokosrakenteen
yitarkastelussa. Tämä vaatii kuitenkin erittäin laajaa kokemusta. Huokosrakenteen analyysissä voidaan tehdä
yijohtopäätöksiä myös betonin tiiveys-ominaisuuksista (tiivistyshuokoset).
Huokosten täytteisyys voi kertoa mm. valmistuksen aikaisesta virheellisestä lämpökäsittelystä, runsaasta
yikosteusrasituksesta tai kemiallisesti aggressiivisen ympäristön aiheuttamasta rasituksesta. Huokosten
yitäyttymisasteesta voidaan tehdä havaintoja betonin pakkasenkestävyyden heikkenemisestä tai jopa tämän
yiominaisuuden menettämisestä. Huokostäytteiden kiteytymispaine saattaa paljastua myös rakenteen
yikäyristymisen tai pintamateriaalien irtoamisen aiheuttajaksi.
Halkeiluanalyysistä selviää usein halkeilun aiheuttaja, jos informaatiota on riittävästi. Halkeilun aiheuttajista
yitavallisimpia ovat rakenteen elinkaaren eri vaiheissa ja eri syistä aiheutuneet kutistumishalkeamat,
yikuormitusperäiset halkeamat ja pakkasrasituksen aiheuttamat halkeamat. Myös raudoitusteräksen
yikorroosiotuotteiden paisuntavoima aiheuttaa ohuthieissä havaittavia betonin halkeamia.
Seosaineiden esiintymisen yhteydessä saattaa ilmetä esimerkiksi silikan heikosta dispergoitumisesta ajan
yikuluessa ja kosteusrasituksessa aiheutuvaa geeliytymistä ja sen seurauksena paisuntavoiman betonille
yiaiheuttamaa halkeilua. Lentotuhkan esiintyminen seosaineena saattaa joskus olla syynä betonin
yilisähuokoistuksen epäonnistumiseen. Lentotuhkan palamaton hiili sitoo itseensä lisäilman.
Runkoaineksen laatu vaikuttaa suoraan myös betonin laatuun ja lujuuteen. Harvinainen, mutta ei
yiSuomessakaan kokonaan pois suljettu mahdollisuus on alkalisesti reaktiivisen kiviaineksen aiheuttama
yibetonin rapautuminen. Pesubetonin pintakivenä on tavattu ulkomaista alkalisesti reaktiivista tuontikiveä.
yiMuutamia tapauksia ja vähäisiä ongelmia on löytynyt myös kotimaisesta runkoaineksesta valmistetuista
yirakenteista.
Sideaineen ja runkoaineen tartunta toisiinsa tai tartuntapinnoilla esiintyvät häiriöt kertovat mm. betonin
yivalmistuksen aikaisista virheistä ja betonin laadun puutteista (esim. puutteellinen sekoitus tai tiivistys,
yivedenerottuminen,...).

8. Johtopäätösten tekeminen tutkimustuloksista

Johtopäätösten tekeminen tutkimustuloksista tulee perustua järjestelmälliseen analyysiin. Analyysissä on syytä keskittyä ennen kaikkea rakenteen kunnon ja korjaamisen kannalta keskeisimpiin ja oleellisimpiin seikkoihin. Vähämerkityksellisiin seikkoihin ei ole syytä takertua. Tärkeimmät havainnot ja ilmiöt on syytä ryhmitellä sopivalla tavalla ja koota taulukkomuotoon, jolloin johtopäätösten tekeminen helpottuu. Esimerkiksi betonin karbonatisoituminen ja terästen suojakerrosmittausten tulokset samaan tai lisähuokoistuksen onnistuminen ja mahdolliset pakkasvauriot sekä vetolujuustulokset samaan taulukkoon.
Johtopäätöksiä tehtäessä on informaatiota kerättävä useammilla rinnakkaisilla menetelmillä ja vertailtava niistä saatuja havaintoja keskenään. Ohuthieistä saatu informaatio on vain yksi, mutta hyvin keskeinen ja tärkeä osa kokonaisuutta. Myös muilla menetelmillä saadut tulokset on huomioitava. Rakenteen kunnosta saadaan sitä luotettavampi kuva, mitä useammalla eri menetelmällä on saatu samansuuntaisia tuloksia.
Kuntotutkimus on kuin palapeli, jossa kokonaisuus selviää kunnolla vasta kun kaikki palat ovat koossa ja omilla paikoillaan. Kuntotutkimuksessa ovat palapelin eri paloja mm. rakennesuunnitelmat, kohteella suoritetut silmämääräiset havainnot ja kenttä-mittaukset, laboratoriossa suoritetut erilaiset tutkimukset sekä lisäksi tutkijan kokemus ja ammattitaito.
Paras asiantuntija johtopäätösten tekemiseen on itse kuntotutkimuksen suorittaja, koska hän on selvillä kohteen taustatiedoista, näytteenottokohdista, paikallisista rasitusolosuhteista, kaikista tutkimustuloksista ja myös tilaajan tavoitteista. Ohuthieanalyysin tekijä ei voi tehdä pitkälle meneviä johtopäätöksiä itse rakenteiden kunnosta, koska häneltä puuttuvat yleensä edellä mainitut tiedot kokonaisuudesta. Kohteen kuntotutkijan olisikin sen vuoksi syytä antaa ohuthietilauksen yhteydessä selkeää informaatiota rakenteen ja kohteen taustatiedoista, jolloin hieanalyysin tekeminen helpottuu ja tarkentuu.

9. Betonin mikrorakennetutkimus ohuthietekniikalla ja edut pintahietekniikkaan verrattuna

Ohuthietutkimukset suoritetaan yleensä polarisaatiomikroskoopilla. Ohuthieestä voidaan tehdä mm. seuraavia havaintoja:
Pinnoitteiden ominaispiirteet, rakenne ja ongelmat (pinnoitetyyppi, maali tai laasti, pinnoitteen osakerrosten
yilukumäärä, kontakti alustaan ja eri kerrosten kontaktit toisiinsa, tiiveys, mahdolliset kuidut).
Keraamisten tai tiililaattojen ominaispiirteet, rakenne ja ongelmat sekä tartunnan laatu alustaan.
yiSaumauslaastin ominaispiirteet, rakenne ja ongelmat.
Betonin karbonatisoitumisen eteneminen (Huom. pesubetoni erityisesti, siitä ei aina saa kunnollista kuvaa
yiindikaattoriliuoksella). Karbonatisoitumisen perusteella mm. halkeaman syntyvaihe.
Betonin huokosrakenne (lisähuokoistuksen onnistuminen, huokosjako, pakkasen-kestävyyden arviointi,
yitiivistyshuokoset, ei kapillaarihuokosia).
Huokosten täytteisyys ja täytteiden laatu (pakkasenkestävyyden aleneminen suojahuokostilavuuden
yipienentyessä, viitteitä rasitusolosuhteista, kemiallisesta rasituksesta, betonin virheellisestä
yilämpökäsittelystä).
Sementin hydratoitumisen aste, likimääräinen vesisementtisuhde, w/c suhteen tavanomaista suurempi
yivaihtelu, sementtityyppi (viitteitä kovettumisolosuhteista hydratoitumattomasta sementistä)
Mahdolliset seosaineet ja niiden aiheuttamat ongelmat (lentotuhka, kuona, silika, huokostuksen
yiepäonnistuminen, geeliytymispaineen aiheuttama halkeilu…).
Runkoaineksen kivilaatu ja rapautuminen, kiviaineksen ja sideaineen tartunta/ tartuntahäiriöt.
Runkoaineksen ja sideaineen tartunta ja mahdolliset ongelmat (mm. vedenerottuminen kontaktipinnoille,
yivarhaispakkasrasituksen aiheuttamat kontaktiongelmat)
Mahdolliset alkalirunkoainesreaktiot (mm. mikrokiteistä kvartsia sisältävät kiviaineet pesubetonin
yipintakivenä).
Halkeilu ja säröt (halkeilun syyn selvittäminen, kutistumahalkeamat, kuormitusperäiset halkeamat
yipakkasrasitushalkeamat, lämpöshokin aiheuttamat halkeamat, tuoreen betonin jäätyminen, yipaisuntapaineen
yiaiheuttamat halkeamat, halkeaman syntyhetki – tuore / kovettunut betoni).
Terästen korroosioaste ja tartunnan laatu sideaineeseen (korroosiotuotteiden paisun-tapaineen aiheuttama
yihalkeilu)

Pintahietutkimuksella on mahdollista käytetystä laitteistosta riippuen selvittää edellä mainituista tapauksista vain kohdat: 1, 2, 11 - joskus, kohta 4 - aina ja kohta 10 – useinmiten osittain. Kohtia 3, 5, 6, 7, 8 ja 9 ei ollenkaan.