Rakennetulla ympäristöllä on edessään haasteita, joihin perinteiset rakentamisen käytännöt eivät enää vastaa. Maanalaiset lämpövarastot, merituulivoimapuistot ja ikääntyvä infrastruktuuri asettavat betonirakenteille uusia vaatimuksia, jotka vaativat kohdekohtaista tutkimusta ja betonin pitkäaikaisen käyttäytymisen ennustamista. Ääriolosuhteissa turvalliset ja kestävät ratkaisut eivät synny taulukkoarvoista, vaan tutkittuun tietoon perustuvasta suunnitelmallisuudesta.
Betonirakenteiden suunnittelu nojaa edelleen pitkälti tuttuihin ja vakiintuneisiin toimintamalleihin. Perustusratkaisuissa ja muussa perinteisessä rakentamisessa nämä käytännöt puoltavatkin paikkaansa. Rakennusala kohtaa kuitenkin nyt uudenlaisia sovelluksia ja olosuhteita, joihin valmista tietopohjaa tai pitkäaikaista käyttökokemusta ei vielä löydy.
Maanalaiset lämpövarastot vaativat kohdekohtaisesti suunniteltuja betoniseoksia
Maanalaiset lämpövarastot ovat säiliöitä, joihin varastoidaan lämpöenergiaa kuumaan veteen sidottuna myöhempää käyttöä varten. Niillä on kriittinen rooli uusissa energiajärjestelmissä, joissa lämmön kausivarastointi auttaa tasapainottamaan energian tuotantoa ja kulutusta. Ne asettavat kuitenkin betonirakenteille poikkeuksellisia teknisiä vaatimuksia.
”Maanalaisissa lämpövarastoissa betoni altistuu erittäin korkeille lämpötiloille ja toistuville lämpötilanvaihteluille, jollaisia se ei ole koskaan aiemmin kohdannut”, kertoo VTT:n Solution Sales Lead Mika Malkamäki.
”Näihin kohteisiin tarvitaan aivan uudenlaiset betoniseokset, joiden on kestettävä paitsi lämpötilanvaihtelut myös paikalliset olosuhteet, kuten maaperän ja pohjaveden vaikutukset. Yhdessä kohteessa toimiva ratkaisu ei ole sellaisenaan siirrettävissä toiseen, joten suunnittelun on pohjauduttava tutkimustyöhön.”
Merituulivoimapuistot altistavat betonirakenteet useiden rasitusten yhdistelmälle
Toinen nouseva betonirakenteiden käyttökohde on merituulivoimapuistot. Niissä meriympäristön mekaaniset, kemialliset ja biologiset olosuhteet kuormittavat rakenteita merkittävästi ja nopeuttavat niiden ikääntymistä ja vaurioitumista. Lisäksi rakenteita haastavat vaihtelevat ja toisinaan rajut sääolosuhteet, kuten myrskyt ja pohjoisilla alueilla jää.
Myös näissä olosuhteissa turvalliset ja kestävät ratkaisut edellyttävät tutkimukseen perustuvaa materiaaliteknistä suunnittelua, jossa rasitusten yhteisvaikutukset arvioidaan kohdekohtaisesti.
Betonin sideaineiden murros haastaa vakiintuneet ratkaisut
Samaan aikaan kun betonirakenteiden käyttöolosuhteet muuttuvat entistä vaativammiksi, myös betonin materiaalipohja on murroksessa. Betonin sideaineina on hyödynnetty pitkään teollisuuden sivuvirtoja, kuten kivihiilen poltosta syntyvää lentotuhkaa sekä terästeollisuuden masuunikuonaa. Ilmastotavoitteet ja teollisuuden murros vähentävät kuitenkin nopeasti näiden materiaalien saatavuutta. Fossiilisesta energiantuotannosta pyritään irtautumaan, ja terästeollisuus siirtyy kohti vähähiilisiä prosesseja. Uusien prosessien myötä masuunikuonan koostumus muuttuu, eikä sen ominaisuuksia betonin sideaineena vielä tunneta.
Tilalle tarvitaan uusia sideaineratkaisuja, joiden toimivuus vaativissa olosuhteissa on pystyttävä osoittamaan mallintamalla niiden käyttäytymistä pitkällä aikavälillä. VTT:llä onkin jo kehitetty ja testattu näitä ratkaisuja vaativiin käyttöolosuhteisiin.
”Testaamme uusien sideaineratkaisujen soveltuvuutta eri betoniseoksiin, ja tutkimustulokset ovat erittäin lupaavia. Pystymme parantamaan niiden avulla sekä betonin lujuutta että vähentämään merkittävästi sementin tarvetta, mikä pienentää betonin hiilijalanjälkeä”, Malkamäki kertoo.
Ikääntyvä infrastruktuuri tarvitsee tieteeseen pohjautuvaa päätöksentekoa
Kun sekä betonin raaka-aineet että käyttöolosuhteet muuttuvat, korostuu tarve ymmärtää rakenteiden ja materiaalien käyttäytymistä pitkällä aikavälillä. Tämä koskee yhtä lailla uusia betonirakenteita kuin olemassa olevaa, vuosikymmeniä palvellutta infrastruktuuria.
Suomessa on runsaasti vanhaa infrastruktuuria, erityisesti vesivoimalaitosten massiivisia patorakenteita. Pitkä käyttöikä voi luoda harhaanjohtavan mielikuvan rakenteiden kestävyydestä.
”Suunnitteluratkaisuja tehdään monesti yhä puutteelliseen tietoon perustuen, ja riskienhallintaa tehdään yllättävän vähän. Se, että infrastruktuuri on toiminut luotettavasti vuosikymmeniä, ei vielä kerro sen todellisesta kunnosta tai turvallisesta jäljellä olevasta käyttöiästä”, Malkamäki muistuttaa.
VTT tuottaa tiedepohjaista analyysiä vaativien ja ikääntyvien betonirakenteiden nykykunnosta ja jäljellä olevasta turvallisesta käyttöiästä, erityisesti vauriomekanismien ja materiaalien käyttäytymisen mallintamisen avulla. Tämä antaa infrastruktuurin omistajille ja päätöksentekijöille tavanomaisia kuntotutkimuksia realistisemman kuvan siitä, kuinka nopeasti toimenpiteisiin on ryhdyttävä ja miten vaurioitumista voidaan hidastaa.
Kun valmiita vastauksia ei löydy – tutkimus osaksi suunnittelua
Vaativat käyttöympäristöt ja uudet materiaaliratkaisut tuovat rakentamiseen tilanteita, joihin ei ole olemassa valmiita standardeja tai pitkän aikavälin käyttökokemusta. Tällöin turvallinen ja kestävä suunnittelu edellyttää uuden tutkimustiedon tuottamista jokaisesta käyttöympäristöstä.
VTT:llä on vuosikymmenten kokemus betonirakenteiden tutkimuksesta äärimmäisen vaativissa olosuhteissa, kuten ydinjätteen loppusijoittamiseen liittyvistä ratkaisuista. Tätä osaamista hyödynnetään nyt myös muissa vaativissa betonirakenteissa, joiden käyttöolosuhteet asettavat suunnittelulle uusia vaatimuksia.
Tutkimus voi kohdistua esimerkiksi betonin lujuusominaisuuksiin, virumiseen ja väsymiseen, kemiallisten ja fysikaalisten rasitusten aiheuttamiin vauriomekanismeihin, korroosioon, alkalikiviainesreaktioon tai viivästyneeseen ettringiittireaktioon (DEF).
”Meillä on käytössämme Suomen oloissa ainutlaatuiset kokeelliset testaus- ja analyysimenetelmät sekä valmius rakentaa projektikohtaisesti juuri kyseiseen käyttöympäristöön sopivia tutkimusasetelmia. Pystymme reagoimaan täysin uudenlaisiin haasteisiin, joihin ei löydy valmiita käytäntöjä tai tutkimusmetodeja”, Malkamäki kertoo.
Tutkimusinsinööri Hanna Iitti suorittamassa betonin olosuhdetestausta korkeassa lämpötilassa tarkoitusta varten suunnitelluissa autoklaaveissa.
Tutkimus ei ole laastari, joka napataan hyllystä
Tulevaisuuden betonirakentaminen edellyttää, että tiede ja tutkimus tuodaan osaksi suunnittelua jo varhaisessa vaiheessa.
”Meillä on jo kaikki tarvittava tieto ja osaaminen käsissämme. Nyt esiin nousevat uudet sovelluskohteet, joiden vaatimukset ylittävät kaiken aiemman. Tämä haastaa rakentamisen aivan uudella tavalla. Tutkimus ei ole laastari, joka napataan hyllystä, kun on jo melkein valmista, vaan sen on oltava mukana jo esisuunnitteluvaiheessa, jotta rakentaminen on kestävää ja turvallista tulevaisuudessakin”, Malkamäki kiteyttää.
Kehitämme ratkaisuja mm. seuraaviin vaativiin kohteisiin:
- Maanalaiset lämpövarastot: betonin käyttäytymisen arviointi korkeissa lämpötiloissa ja pitkäaikaisessa lämpösyklisessä rasituksessa
- Merituulivoimaloiden perustukset ja vesivoimapadot: pitkäaikaiskestävyyden arviointi erilaisissa vesistöympäristössä ja äärimmäisissä sääolosuhteissa
- Ikääntyvä kriittinen infrastruktuuri: vaurioanalyysit ja jäljellä olevan käyttöiän ennustaminen
- Ydinjätteen loppusijoituslaitokset ja muut äärimmäisen vaativat ympäristöt: betonirakenteiden pitkäaikaiskäyttäytymisen, vauriomekanismien ja tiiveyden mallinnus jopa satojen tuhansien vuosien aikajänteellä
Haluatko keskustella omasta kohteestasi? VTT:n asiantuntijat auttavat arvioimaan käyttöolosuhteita, tunnistamaan riskit ja tuomaan tutkimukseen perustuvan tiedon osaksi suunnittelua jo varhaisessa vaiheessa.
