Kierrätyspuun käytössä rikkomaton aineenkoetus (NDT) on tehokas tapa selvittää puuosien mekaanisia ominaisuuksia. Kestäväksi materiaaliksi luokiteltavan kierrätyspuun käyttöpotentiaalia voidaan lisätä parantamalla rakennusosien uudelleenkäyttöskenaarioiden suunnittelua ja päätöksentekoa kaupunkitasolla. Päätöksenteon tukeminen ja tarkentaminen on tarpeen purkuhankkeen varhaisessa vaiheessa, sillä materiaalin laatu heikkenee merkittävästi, jos puuosien talteenotto tapahtuu purkamalla.

Teksti: Lukas Seidl, Salzburgin ammattikorkeakoulu, Shammi Keya, Karelia-ammattikorkeakoulu, Lena Seiwald, Salzburgin ammattikorkeakoulu, Sina Hage, Jade ammattikorkeakoulu, Hermann Huber, Salzburgin ammattikorkeakoulu sekä Timo Pakarinen ja Mikko Matveinen Karelia-ammattikorkeakoulu

Ilmastonmuutoksen kiihtyessä rakennusalan kiertotalous, joustavuus ja sopeutumiskyky nousevat yhä voimakkaampaan rooliin

Rakennettu ympäristö aiheutti noin 15,3 gigatonnia (37 %) maailmanlaajuisista hiilidioksidipäästöistä (CO2), minkä lisäksi rakennusmateriaalien tuotannosta syntyi 3,6 gigatonnin hiilidioksidipäästöt (UNEP 2021). Rakennusmateriaalien osuus maailmanlaajuisesti louhituista materiaaleista on 50 prosenttia, ja myös 33 prosenttia jätteestä ja vedenkulutuksesta liittyy rakennusmateriaalien tuottamiseen. Alalla on siis merkittävä rooli luonnonvarojen ehtymisessä.

Euroopan unionin Green Deal painottaa rakennusmateriaalien kestävän käytön olevan välttämätöntä, jos suunniteltu hiilineutraalius aiotaan saavuttaa vuoteen 2050 mennessä. EU:n päästövähennystavoitteista 17 % perustuu energiatehokkuuden parantamiseen ja 15 % kysyntäpuolen toimenpiteisiin ja edellä mainittuun materiaalien kiertokulun edistämiseen (IEA, 2022). Rakennusalalla on siis edessään murroksen aikakausi, jossa rakennusmateriaalien kiertokulkua helpotetaan tilannekohtaisiin haasteisiin mukautuvilla teknologioilla ja onnistuneita toimintamalleja levitetään maasta toiseen.

Puun kaskadikäyttö on askel kohti kestävää arvoketjua

Kaskadikäytön ensimmäisessä vaiheessa puu toimii rakennusten puurakenteiden materiaalina. Rakennuskäytön jälkeen puu tavallisesti murskataan kartonki- ja huonekaluteollisuuden raaka-aineeksi, minkä jälkeen siitä viimeisessä vaiheessa tuotetaan polttamalla energiaa ja lämpöä kaukolämpöverkkoon. Kaskadiprosessissa puun laatu raaka-aineena kuitenkin heikkenee jokaisessa vaiheessa. Kestävyyden näkökulmasta huomattavasti tehokkaampi lähestymistapa olisi käyttää rakennepuu uudelleen rakennusmateriaalina, koska tällöin rakennepuun hiilivarastot säilyvät ja lopputuotteen valmistukseen kuluu suhteellisen vähän energiaa. Rakenne-elementtien ja -materiaalien erottaminen ja osiin purkaminen vaativat kuitenkin huomattavasti aikaa, henkilötyövoimaa ja rahaa.

Puretun puumateriaalin talteenottoon liittyy rajoitteita

Materiaalien talteenotto purkamalla rakenteita osiin, niiden murskaamisen sijaan, on lupaava lähestymistapa, joka on noussut esiin osana laajempaa kestävän kehityksen murrosta. Kanadaa, Saksaa ja Japania vertaileva tapaustutkimus ”Barriers for Deconstruction and Reuse/Recycling of Construction Materials (Rakennusmateriaalien purkamisen ja uudelleenkäytön/kierrätyksen esteet)” nostaa kuitenkin esiin muutamia yleisiä haasteita, joita Nakajiman ja Russelin (2014) [2] mukaan esiintyy materiaalista riippumatta:

• Kierrätetyn materiaalin luontaisen arvon heikko arvostus
• Alan vallitsevat käsitykset osiin purkamisen kalleudesta
• Tehokasta osiin purkamista haittaavat tiukat ajalliset rajoitukset
• Jätehuoltokäytäntöjen riittämättömyys
• Puutteellinen yhteistyö alihankkijoiden välillä
• Puutteelliset markkinat uudelleenkäytettäville materiaaleille
• Materiaalien erotusprosessien ajallinen kesto
• Rakennusosien uudelleenkäyttöä haastava sääntely
• Osiin purkamisen kustannusten epäselvyys
• Standardoitujen ”hyvien käytäntöjen” puute

Puretuista rakennuksista saatu käsittelemätön rakennepuu päätyy Euroopassa tämänhetkisissä kierrätysprosesseissa tyypillisesti hakkeeksi, joka jatkojalostetaan lastulevyiksi ja kuljetuslavojen osiksi tai käytetään biomassaenergian tuotantoon. Käytetyllä rakennepuulla olisi kuitenkin runsaasti potentiaalia uudelleenkäyttöön rakenteissa, jos sen ominaisuuksia ei ensin heikennettäisi murskaamalla. Rakennuksista puretun rakennepuun uudelleenkäyttöä rajoittaa tällä hetkellä muun muassa hakkeeksi jalostamisen vakiintuneisuus ja siten sen kustannustehokkuus kierrätysmenetelmänä. Käytetyn rakennepuun uudelleenkäytölle ei myöskään ole standardeja tai sertifiointeja. Massiivipuumateriaalit, kuten liimapuu, ja kulttuurihistoriallisesti arvokkaat hirret muodostavat tutkituissa kunnissa poikkeuksen eurooppalaiseen käytäntöön, sillä ne käytetään suoraan uudelleen.

Käsitellyn puun uudelleenkäytön ja kierrätyksen heikko tuntemus sekä kaatopaikalle sijoittamisen helppous asettavat lisähaasteita puun uudelleenkäytölle/kierrätykselle. Kun talteen otettua materiaalia ei tunneta riittävän hyvin, puujätteen laadun heikkenemistä ei osata huomioida, mikä estää puun uudelleenkäytön alkuperäisen käyttökohteen kaltaisiin tarkoituksiin.

Rikkomaton aineenkoetus (NDT, nondestructive testing), NDT-menetelmä

NDT-menetelmä voidaan määritellä materiaalin tai rakenteen mekaanisten ja fysikaalisten ominaisuuksien ja vikojen testaamiseksi materiaalia tai rakennetta vahingoittamatta ja sen eheyteen kajoamatta. Hyödyntämällä NDT-menetelmää purettavassa rakenteessa jo varhaisessa vaiheessa voidaan parantaa valikoivan osiin purkamisen tarkkuutta, jolloin toivottu tuotelaatu on mahdollista saavuttaa aiempaa nopeammin, energiatehokkaammin ja edullisemmin. Loppukäyttäjä pystyy suunnittelemaan nykyisten rakenteiden valikoivan osiin purkamisen tehokkaammin ja järjestämään uudelleenkäyttöskenaarion tehokkaammin jo ennen purkamista.

NDT-menetelmä soveltuu myös työnlaadun ja mahdollisen tulevan käytön turvallisuuden arviointiin. NDT:n merkittävimpänä etuna voidaan pitää kykyä määrittää testatun materiaalin parametreja ja yksityiskohtaisia fyysisiä kuvauksia missä tahansa vaiheessa rakenteen elinkaarta.

Puun nykyiset NDT-menetelmin määritettävissä olevat puuelementtiparametrit yhdessä asiaankuuluvien menetelmien kanssa:

Perinteiset menetelmät vs. NDT-menetelmät: Tapaustutkimus Itävallasta

Perinteiset puun lujuusominaisuuksien mittausmenetelmät, kuten kolmen tai neljän pisteen taivutus, eivät rakennusmateriaalien kierrätyksen yleistyessä enää edusta nykyaikaa, koska ne muuttavat mitatun materiaalin ominaisuuksia tehden siitä samalla käyttökelvottoman. Salzburgin ammattikorkeakoulun, Karelia AMK:n ja Jade AMK:n yhteistutkimuksessa mitattiin käytetyn puun lujuusarvoja liikkuvalla NDT-menetelmällä ja tulosten havaittiin korreloivan varsin hyvin todellisten lujuusarvojen kanssa.

Hanketta varten purettiin 50 vuotta vanhan koulurakennuksen puinen kattoristikko, josta tutkimusryhmä sai käyttöönsä noin 4 metrin pituisia, poikkileikkaukseltaan 14 cm x 10 cm suuruisia kuusipalkkeja. Kukin näyte luokiteltiin visuaalisesti, minkä lisäksi selvitettiin näytteen tiheys ja kosteuspitoisuus. Myöhemmin puun mekaanisia ominaisuuksia tutkittiin lentoaikamenetelmällä (ToF) sekä liikkuvalla NDT-menetelmällä, joka mittaa puupalkin läpi pituussuunnassa kulkevan ääni-impulssin etenemisnopeutta lähettimestä vastaanottimeen. Ajastin mittaa äänen etenemisnopeuden mikrosekunnin tarkkuudella, ja saatua mitta-arvoa käytetään yhdessä puun tiheysarvon kanssa taivutusjäykkyyden laskentaan. Menetelmän tarkkuuden varmistamiseksi samoille palkeille tehtiin myös nykyisen standardin mukainen neljän pisteen taivutustesti.

ToF-tuloksia tarkasteltaessa on syytä muistaa, että puun lujuuden määrittäminen ToF-menetelmällä edellyttää myös puun kosteuspitoisuuden ja raakatiheyden määrittämistä. Kosteuspitoisuuden mittaus on melko suoraviivaista eikä kajoa rakenteeseen, mutta raakatiheydestä saa rikkomattomin menetelmin ainoastaan karkean arvion, esimerkiksi vuosirenkaan leveyden perusteella. Tarkka mittaus edellyttää esimerkiksi kartioporattua näytettä. Luotettavuuden todentamiseksi tuloksia (laskettua lentoaikaa) tulee valitusta menetelmästä riippumatta verrata tuloksiin, jotka saavutetaan testatun elementin levätessä tuella tai tukiessa muita kuormaavia lisäelementtejä.

Tulosten mukaan lujuusarvojen korrelaatio TOF-menetelmän ja neljän pisteen taivutustestin välillä on merkittävä. Laskettu determinaatiokerroin 0,74 osoittaa liikkuvan menetelmän lujuusarvojen vastaavan todellisia arvoja suhteellisen tarkasti. TOF-menetelmän tarkkuuden parantamiseksi on kuitenkin suoritettava lisätestejä, joilla selvitetään mahdollisten muiden parametrien, kuten kosteuspitoisuuden, puulajin tai rakenteen (halkeama- ja oksapitoisuus), vaikutusta tuloksiin. Tämän tutkimuksen tavoitteena on tarjota puuteollisuuden ammattilaisille liikkuva, rikkomaton NDT-menetelmä, jolla käytetyn puun mekaanisia ominaisuuksia voidaan määrittää tarkasti jo rakennuspaikalla.

Testausmenetelmien välinen korrelaatio

Palkkinäytteillä dynaamisten MOE-arvojen suorien mittausten keskiarvo oli 12,829 N/mm² ja epäsuorien vastaavasti 12,487 N/mm². Oksattomilla näytteillä keskiarvo oli 15,367 n/mm² (suora mittaus). Keskimäärin palkkinäytteiden dynaamiset MOE-arvot olivat siis 16,52 % alhaisemmat kuin oksattomien näytteiden. Palkkinäytteiden pienempiä dynaamisia MOE-arvoja selittävät paitsi oksattomien näytteiden lyhyys palkkinäytteisiin verrattuna myös puuvirheiden puuttuminen oksattomista näytteistä. 

Testausmenetelmänä käytetyn lentoajan (ToF) tarkkuus on havainnollistettu kuvassa 8 esittämällä staattisten ja dynaamisten MOE-arvojen tulokset. Dynaamisen (MOE_dyn) ja staattisen kimmokertoimen (MOE_sta) väliselle korrelaatiolle laskettiin monikorrelaatiokerroin (R). Kumpikin testi laskentoineen suoritettiin kahdenlaiselle näytteelle: kokonaisille 3 000 mm pitkille näytteille (palkkinäyte) ja 360 mm pitkille virheettömille näytteille (oksaton näyte). 

Dynaamisen ja staattisen kimmokertoimen (MOE) välisen korrelaation analyysi oksattomilla näytteillä

Oksattomilla näytteillä oli suurin korrelaatio dynaamisen ja staattisen MOE:n välillä, R = 0,979, mikä viittaa vahvaan lineaariseen korrelaatioon näiden kahden menetelmän välillä. Sonderegger tutkimusryhmineen (2007) sai korrelaation R = 0,938 kuusinäytteillä, joissa ei ollut halkeamia eikä oksia. Vertailun vuoksi palkkinäytteiden korrelaatiot olivat R = 0,785 suoralla mittausmenetelmällä ja R = 0,826 epäsuoralla, eli 19,4 % ja 15,3 % alhaisemmat kuin oksattomilla näytteillä.  Tämä palkkinäytteiden pienempi korrelaatio voi selittyä kokonaisissa palkeissa esiintyvillä vioilla, kuten solmuilla, halkeamilla ja hartsitaskuilla, joita TOF-menetelmä ei havaitse tai havaitsee vain osittain mutta joiden vaikutuksesta staattinen MOE-arvo pienenee (Niemz, Mannes 2012).

Pohdinta

Materiaalien tiiviys- ja lujuusominaisuuksien varhainen testaus ja analysointi on ratkaisevan tärkeää, jos rakennusmateriaaleja halutaan käyttää rakennuksissa uudelleen optimaalisesti – etenkin jos tällaista uudelleenkäyttöä halutaan edistää kaupunkien suuressa mittakaavassa. NDT-menetelmä antaa päätöksentekoon tarvittavaa tietoa valikoivan osiin purkamisen mahdollisuuksista ja auttaa samalla optimoimaan puun uudelleenkäyttöskenaarioita. NDT-testauksella voidaan paitsi tarkentaa rakennuspaikalta talteen otetun puun lajittelua, kuten Itävallassa tehty tapaustutkimus havainnollistaa, myös helpottaa materiaalin lujuusominaisuuksien selvittämistä jo varhaisessa vaiheessa. Osiin purkamisen suunnittelu tehostuu, ja loppukäyttäjä saa talteen otetun puun käyttömahdollisuuksista mahdollisimman realistisen kuvan.

Lähteet

1. YK:n ympäristöohjelma. (2022). (raportti). GLOBAL STATUS REPORT FOR BUILDINGS AND CONSTRUCTION. Noudettu 25. lokakuuta 2023. Saatavilla: https://www.unep.org/resources/publication/2022-global-status-report-buildings-and-construction.
2. Nakajima, S., & Russel, M. (2014). Barriers for Deconstruction and Reuse/Recycling of Construction Materials. The International Council for Research and Innovation in Building and Construction.
3. Michael H. Ramage, Henry Burridge, Marta Busse-Wicher, George Fereday, Thomas Reynolds, Darshil U. Shah, Guanglu Wu, Li Yu, Patrick Fleming, Danielle Densley-Tingley, Julian Allwood, Paul Dupree, P.F. Linden, Oren Scherman, The wood from the trees: The use of timber in construction, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 68, Part 1, 2017, Pages 333-359, ISSN 1364-0321, Saatavilla: https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.09.107.
4. Monika Zielińska and Magdalena Rucka 2021, Non-destructive Testing of Wooden Elements, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. doi:10.1088/1757-899X/1203/3/032058. Saatavilla: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/1203/3/032058/pdf#:~:text=These%20include%20ultrasound%20methods%2C%20impulse,waves%20through%20a%20structural%20element
5. P. Niemz, D. Mannes, “Non-destructive testing of wood and wood-based materials,” Journal of Cultural Heritage, 13S, pp.26–34, 2012.

Lue myös:

• Kohti taloudellisesti kannattavaa kierrätyspuun hyödyntämistä (Puu 2/2024)
• Stark pilotoi rakennustyömaan puutavaran uudelleen käytön mahdollisuuksia edistääkseen kiertotaloutta (3.4.2023)
• Uusi rakentamislaki kirittää ilmasto- ja kiertotaloustoimia (7.3.2023)
• WoodCircus-projektissa etsittiin kiertotalousratkaisuja puurakentamiseen (Puu 2/2022)
• Kiertotalousesimerkkejä maailmalta (Puu 2/2022)
• Hirsirakentaminen – kiertotaloutta vuosisatojen takaa (Puu 2/2022)
• Suursuosittu Tukholman väliaikainen kauppahalli muuntui upeaksi padelhalliksi Ruotsin suurimmassa uudelleenkäyttöprojektissa (23.11.2022)
• Elementit E tuo siirtokelpoisilla puumoduuleilla rakentamisen kiertotalouden uudelle tasolle (9.7.2020)