Betoni on luja rakennusmateriaali, mutta mikä on betonin lujuus?

Betonin lujuus on monimutkainen, mutta erittäin tärkeä asia, koska betonirakenteiden turvallisuus ja käyttöikä ovat osittain riippuvaisia rakenteessa olevan betonin puristuslujuudesta. Betonin lujuudella voidaan puhekielessä tarkoittaa betonin lujuusluokkaa, betonin puristuslujuutta koekappaleissa tai rakenteessa, betonirakenteen lujuutta tai joskus jopa betonin säilyvyyttä. Yhtä betonin lujuuden määritelmää ei kuitenkaan ole olemassa, vaan betonin lujuutta arvioidaan tilastollisilla menetelmillä. Kun puhutaan betonin lujuudesta, on tärkeää tietää menetelmät, joilla se on mitattu.

Betonin lujuusluokka

Betonin lujuusluokka merkitään esimerkiksi C35/45. Siinä C35 tarkoittaa valetusta koekappaleesta, standardilieriöstä, puristamalla määritettyä puristuslujuutta megapascaleina. 45 on 150 millimetrin kuutiosta määritetty puristuslujuus megapascaleina. Mikä on siis betonin lujuus tässä tapauksessa? Asiaan pätee sama sääntö, kuin kaikkeen mittaamiseen yleensäkin: yhtä lukua ei ole olemassa vaan se on tulos, joka on saatu tietyllä tavalla tehdyllä kokeella. Jotta betonin puristustuloksia voi tulkita, täytyy siis tietää testaustapa. Suomessa kaikki puristuslujuuden arvot muutetaan 150 mm kuutiolujuuksiksi, jotta lujuutta voidaan arvioida standardin mukaan.

Betonin lujuuden mittaaminen on tärkeää tehdä standardin mukaan

Betonikoekappaleen lujuuteen vaikuttavat useat seikat. Esimerkiksi lieriön ja kuution muotoisen koekappaleen antama puristuslujuus (N/mm2) on erilainen, koska eri kokoisia ja muotoisia kappaleita puristamalla saa eri lujuuden. Puristuslujuuteen vaikuttavat

  • koekappaleen muoto
  • koekappaleen murtotapa
  • kiviainesrakeiden koko suhteessa koekappaleeseen
  • puristusnopeus
  • kappaleen päiden puristuspintojen suoruus
  • puristimen rungon jäykkyys
  • tiivistämisen onnistuminen
  • kappaleen säilytysolosuhteet

Puristuslujuuden määrittämiseen pitää käyttää Betonistandardin mukaisia testausmenetelmiä, koska niiden tarkkuus ja toistettavuus on tutkittu. Standardeissa kerrotaan myös, kuinka suuri hajonta mittaustuloksissa on laboratorion sisällä ja laboratorioiden välillä, silloin kun kokeet tehdään standardin mukaan.

Betonin kovettumiseen vaikuttaa aika ja lämpötila

Betonin lujuus kasvaa ajan kuluessa ja on ensimmäisinä vuorokausina nopeampaa kuin myöhemmin. Yleensä betonin puristuslujuudella tarkoitetaan 28 vuorokautta kovettuneen betonin lujuutta, joka on standardin mukainen aika. Arvosteluikä voi olla myös esimerkiksi 91 vuorokautta. Betonin lujuus on siis hyvin paljon riippuvainen siitä, milloin kappaleita puristetaan.

Kovettuminen on kylmässä hitaampaa kuin lämpimässä

Rakenteissa betonin lujuudenkehityksen nopeuteen vaikuttaa myös betonin lämpötila. Kovettuminen on kylmässä hitaampaa kuin lämpimässä. Lähellä nollaa astetta kovettuminen pysähtyy kokonaan. Rakenteessa olevan betonin puristuslujuus voi siis olla hyvinkin pieni, vaikka betonin lujuusluokka olisi korkea. Näin tapahtuu, kun betoni kovettuu kylmässä. Betonin laadunvalvonnassa valetut koekappaleet säilytetään +20 C asteessa.

Betonin lujuutta rakenteessa voidaan arvioida mittaamalla kovettumisen aikaiset betonin lämpötilat. Kovettumisaika pystytään muuttamaan niiden perusteella vastaamaan +20 C asteen säilytyksessä tapahtuvaa kovettumisaikaa.

Myös sementin reaktiolämpötila vaikuttaa kovettumiseen

Korkea kovettumislämpötila alentaa betonin lujuutta verrattuna siihen, mitä se olisi +20 C asteen säilytyksen jälkeen. Massiivisissa betonirakenteissa lämpötila nousee sementin reaktiolämmön vaikutuksesta. Toisinaan betonirakenteita myös lämmitetään kovettumisen nopeuttamiseksi.

Betonin puristuslujuuden arvioiminen

Betonin valmistuksessa puristuslujuutta seurataan EN206-standardin mukaisesti, ja siinä on määritelty myös näytteenotto ja menetelmät. Betonista otetaan näytteitä ja niistä valmistetaan koekappaleita, jotka säilytetään laboratoriossa vakio-olosuhteissa ja puristetaan.

Betonin puristuslujuuden vaatimuksenmukaisuus perustuu normaalihajontaan ja 95 % varmuustasoon tietyn lujuuden saavuttamiseksi. Jos lujuusluokka on C35/45, betoninvalmistaja tähtää hajonnasta riippuen esimerkiksi puristustulokseen 45 + 6 = 51 MPa. Standardin mukaan yksittäinen puristuslujuustulos saa alittaa nimellislujuuden 4 MPa eliyksittäinen puristustulos voi olla myös 41 MPa, ja betonin täyttää vielä puristuslujuusvaatimuksen. Yksittäinen puristustulos voi siis vaihdella esimerkiksi 41 ja 55 MPa välillä, vaikka lujuusluokka on sama C35/45.

Rakenteissa olevan betonin lujuus ja sen määrittäminen

Laboratorio-olosuhteissa betonikoekappaleet tiivistetään ja säilytetään testausstandardien mukaisesti, mutta käytännössä betonirakenteita ei tiivistetä yhtä hyvin, eikä rakenteiden jälkihoito ole yhtä hyvää kuin koekappaleilla.

Betonin lujuus rakenteissa on siis alempi kuin koekappaleissa, ja siksi rakenteena toimivan betonin puristuslujuus saadaan kertomalla lujuusluokka 0,85. Puristuslujuuden mitoitusarvo saadaan jakamalla tulos vielä osavarmuuskertoimella, joka esimerkiksi murtorajatilassa on 1,35 toteutusluokassa 3.

Lujuuden määrittäminen valmiista rakenteesta

Valmiissa rakenteessa olevan betonin lujuutta tutkitaan yleensä poraamalla rakenteista koekappaleita tai tekemällä kimmovasaramittauksia. Rakenteessa olevan betonin lujuuden selvittäminen on tarpeen, jos esimerkiksi tehdään korjaussuunnittelua, halutaan tietää onko rakenteessa olevan betonin lujuus riittävä suunnitelluille kuormille tai jos epäillään rakenteiden toteutuksen tai betonin laadun vaatimuksenmukaisuutta. Näihin tutkimusmenetelmiin liittyy hyvin paljon epävarmuustekijöitä, jotka vaikeuttavat rakenteen kelpoisuuden arvioimista. Asiaa on tutkittu maailmalla paljon, ja siitä on paljon erilaisia mielipiteitä.

Ohjeet rakenteessa olevan betonin puristuslujuuden määrittämisestä

Betoniyhdistys on julkaissut helmikuussa 2017 ohjeen puristuslujuuden määrittämisestä valmiista betonirakenteesta. Siinä käsitellään näytteiden ottamista ja tulosten tilastollista arviointia. Riippuen siitä, selvitetäänkö betonirakenteen lujuutta vai betonirakenteen vaatimuksen mukaisuuden arviointia, tulee porakappaleita ottaa vähintään 3 tai 15.

Rakenteista saadaan eri osista erilaisia lujuuksia, jotka riippuvat esimerkiksi

  • valumenetelmistä
  • rakenteen kovettumislämpötiloista
  • kovettumisajasta
  • käytetystä sideaineesta
  • jälkihoidosta
  • rakenteen koosta ja mittasuhteista

Koekappaleiden ja valmiista rakenteesta otettujen kappaleiden lujuuksien suhde

Suoraa korrelaatiota betonilaboratoriossa valmistettujen koekappaleiden ja valmiista rakenteesta porattujen kappaleiden välille on hyvin vaikea löytää. Taulukossa 1 on esitetty arvoja porattujen kappaleiden ja valettujen koekappaleiden lujuuksien suhteelle. Arvot vaihtelevat välillä 0,60–2,15.

Taulukko: Tyypillisiä arvoja eri rakenneosista poratun kappaleen ja standardin mukaan valetun koekappaleen lujuuksien suhteelle (lähde: Concrete Society Project Report 3: 2004)

Standardi SFS-EN 13791, In-situ compressive strength, käsittelee rakenteissa olevan betonin lujuuden määrittämistä. Standardin liitteessä A on lueteltu porattujen kappaleiden lujuustuloksiin vaikuttavia tekijöitä:

  • Kappaleen kosteus. Vedellä kyllästetty kappale antaa 10–15 % pienemmän lujuustuloksen kuin ilmassa kuivattu kappale.
  • Tiivistyshuokoset. 1 % huokosia pienentää lujuutta 5–8 %
  • Poraussuunta versus valusuunta. Pystyrakenteista pystysuoraan porattu kappale on lujempi kuin vaakasuoraan porattu.
  • Valuvirheet, kuten kiviaineksen tai veden erottuminen.
  • Kappaleen koko ja pituuden ja leveyden suhde.
  • Kappaleen puristuspintojen suoruus ja yhdensuuntaisuus
  • Koekappaleen puristuspintojen käsittely – rikitys tai hionta.
  • Poraamisen onnistuminen. Kappaleet saattavat vaurioitua poraamisen aikana.
  • Raudoitus

Betonin lujuus eri tapauksissa on määritelty standardissa

  • Betonin standardilujuus, määritetään koekappaleilla testausstandardien
    • EN 12350-1
    • EN 12390-2 ja
    • EN 12390-3 mukaan.
  • Poratun kappaleen lujuus määritetään standardin EN 12504-1 mukaan.
  • Betonin lujuus rakenteessa (In-situ compressive strength) ja Betonin ominaisuuslujuus rakenteessa (Characteristic in-situ compressive strength) määritetään standardin SFS-EN 13791 mukaan.

Betonirakentamisen osapuolet

Valmisbetonituotannossa betonin valmistaja toimittaa betonia rakentajalle, joka valaa betonin rakenteiksi. Suomessa betoninvalmistajat eivät yleensä tee urakointia vaan toimittavat valmisbetonia työmaalle yleensä pumppuun. Osa betonista myydään pumpattuna valukohteeseen. Suunnittelija määrittelee betonin lujuusluokan eli suunnitellun betonin puristuslujuuden. Elementtituotannossa betonin ja rakenteiden valmistaja on yleensä sama yritys.

Back to top