Olen menneen kesän aikana opetellut käyttämään itselleni uutta tutkimuslaitetta, isotermistä kalorimetriä. Se näyttelee isoa osaa tutkimukseni luotettavuudenarvioinnissa. Pyrkimykseni on osoittaa, että hiilidioksidi saa tuoreessa betonimassassa reaktion aikaiseksi, ja juuri tämän varmistamiseen kalorimetri on omiaan.
Suurin osa kemiallisista reaktioista betonin sideaineissa vapauttaa lämpöä. Isoterminen kalorimetri mittaa jatkuvasti lämpötehoa reagoivasta näytteestä. Kun lämpöteho suhteutetaan kuluneeseen aikaan, saadaan tuloksena kemiallisen reaktion kokonaisaste eli hydrataatiolämpö.
Hydrataatiolämpö korreloi hyvin portlandsementtipohjaisten systeemien puristulujuuden ja muiden mekaanisten ominaisuuksien kanssa. Kalorimetrillä voidaankin arvioida kovettuneen sementtipastan tai laastin puristuslujuutta, jolloin voidaan kokeilla eri lisäaineiden vaikutusta loppulujuuteen valmistamatta suurta määrää massaa ja koekappaleita puristuslujuuden testausta varten.
Lämpötehon määrittämisen hyödyt
Kalorimetria-analyysillä pystytään arvioimaan samankaltaisten massojen suhteellinen sitoutumisaika käytettäessä eri lisäaineita vertaamalla näytteiden hydrataatioprofiilia. Profiileja vertaamalla nähdään, kuinka paljon nopeammin tai hitaammin toisen massan sitoutuminen tapahtuu.
Kalorimetria soveltuu sulfaattipitoisuuden optimoimiseen, sillä sen avulla pystytään määrittämään kalsiumsulfaatin liukenemisen ajankohta ja tarvittaessa lisäämään reseptiin kipsiä hydrataatioreaktion hillitsemiseksi. Tämä on myös mielenkiintoinen yksityiskohta tutkittavaksi, sillä epäilen hiilidioksidin kuluttavan kalsiumin loppuun ennenaikaisesti.
Isoterminen kalorimetri on sopiva työkalu myös mittaamaan pozzolaanista aktiivisuutta. Kalorimetrillä on näin ollen mahdollista optimoida vaihtoehtoisten, pozzolaanisten sideaineiden käyttö.
Erittäin hyvä työkalu vihreämmän betonin kehittämiseen, siis! Isoterminen kalorimetri on myös yksikertainen ja helppo käyttää, mutta haasteena on tulosten tulkinta. Koska laitteesta saa ulos kuvaajia, ei valmiita vastauksia ole tarjolla. Tulkinta vaatii betonin kemian tuntemusta, ja kuten jo aiemmin olen paljastanut, minulla se on kovin rajallista. Etunani on kumminkin oppimishalu ja maanmainio konsultti! Olen saanut asiantuntijalta apua vastausten etsimiseen ja alkanut itsekin hahmottaa ilmiöitä hydrataation aikana.
Ja ilokseni voin kertoa, että tulokset ovat erittäin tyydyttäviä tässä vaiheessa! Hiilidioksidi selvästi kiihdyttää hydrataatioreaktiota, kuten toivoinkin asian olevan. Tosin pelkkää etua siitä ei ole. Oletettavasti hiilidioksidi kuluttaa jo reaktion alkuvaiheessa sementtimatriisin kalsiumin, ja näin ollen betoni ei kehitä lujuutta enää myöhäisemmässä vaiheessa.
Oletuksesta varmistukseen
Kalorimetria-analyysillä pyrin tässä tutkimuksessa sekä validoimaan, että optimoimaan. Pyrkimykseni on osoittaa hydrataatioprofiilien avulla, että hiilidioksidi todella sitoutuu tuoreeseen massaan ja aiheuttaa siinä reaktion. Olen myös systemaattisesti haarukoimalla etsinyt optimaalista seosainesuhdetta siten, ettei kovettuneen betonin halutut ominaisuudet heikkenisi liikaa.
Kalorimetrian avulla on tutkimuksen aikana voitu todeta hiilidioksidin kiihdyttävä vaikutus laastimassassa. Alkuvaiheen reaktioiden lämpöteho (W) muuttuu hiilidioksidin osallistuessa reaktioihin. Kuvaajassa on joidenkin laastimassojen hydrataatioprofiileita. Näissä massoissa vertailtavana muuttujana on ollut hiilidioksidin määrä. Kaikissa vertailtavissa massoissa sementistä on korvattu 30 % masuunikuonalla.
Suurinta lämpötehoa ei kuitenkaan tuottanut suurin määrä hiilidioksidia. Kuvaajassa punainen käyrä esittää lämpötehon käyrää massalle, jossa on varsin maltillinen määrä hiilidioksidia. Testisarjan suurin hiilidioksidipitoisuus on massassa, jonka lämpötehoa kuvaa vihreä käyrä.
Koska lähtökohtana reseptin optimoinnissa on vaihtoehtoisten sideaineiden käyttö betonin valmistuksessa, oli tärkeää tehdä kalorimetria-analyysi myös masuunikuonan käyttäytymisestä. Alla olevassa kuvaajassa on esitetty sellaisten massojen lämpötehoja, joissa sementistä on korvattu eri pitoisuuksia masuunikuonalla. Näihin massoihin ei ole lisätty hiilidioksidia, jotta analysoinnissa ja optimoinnissa pystytään hyödyntämään tuloksia myös pelkän masuunikuonan vaikutuksesta. Aiemmasta kuvaajasta poiketen, alla olevat käyrät käyttäytyvät loogisesti: mitä vähemmän sementtiä massassa on, sitä pienempi sen lämpöteho on. Sininen käyrä kuvaa massaa, jossa sideaineena on käytetty pelkkää seossementtiä.
Mielestäni oli kiehtovaa huomata, että hiilidioksidi voi kiihdyttää masuunikuonaa sisältävän massan hydrataatioreaktion alun yhtä tehokkaaksi, kuin massan pelkällä sementillä ilman hiilidioksidia. Tämä huomio tukee teoriaa, että sementtiä olisi mahdollista korvata vaihtoehtoisilla sideaineilla menettämättä kuitenkaan betonin lujuusominaisuuksia. Hiilidioksidin määrä on kuitenkin pidettävä maltillisena, jotta reaktio pysyy käynnissä.
Kalorimetria-analyyseistä on pääteltävissä, että hiilidioksidi toimii kiihdyttävänä lisäaineena sementtipohjaisissa massoissa tiettyyn pisteeseen. Myös masuunikuonan optimaalinen käyttöaste on löydettävissä kalorimetrin avulla. Näillä askelilla pääsee jo hyvän matkaa vihreämpää huomista rakennettaessa!
Ja hei, Jukalla se vasta olikin mainio ajatus betonin päästöjen vähentämiseksi! Mutta joku muu saa ottaa tästä kopin 😉
Olen omaksunut uuden ajattelutavan itseltään Thomas Alva Edisonilta: En ole epäonnistunut. Olen vain löytänyt 10 000 tapaa, jotka eivät toimi.
Tästä motivoituneena aionkin jakaa ensi kerralla myös niitä toimimattomampia tapoja tehdä tutkimusta!
Elli Tykkä
Projektipäällikkö