Menetelmä kiuaskivien kestävyyden tutkimiseen

Saunologian saunalaboratoriossa on viimeisen puolen vuoden ajan lämminnyt kiuas ympäri vuorokauden. Löylyistä ovat nauttineet kuitenkin vain harakat ja kivet, sillä lämmityksen tavoitteena on ollut paljastaa miten kestäviä erilaiset kiuaskivet todellisissa oloissa ovat. Nyt kaksiosaisessa julkaisuissa esitellään ensin uusi tutkimusmenetelmä, Saunologian kiuaskiviprotokolla 1.0. Siinä kivet kokevat 150 lämmityskertaa, 450 lämmitystuntia ja 2100 löylynheittoa!


Kiuas ja kivet ovat sauna-asioista jatkuvia spekulaation kohteita. Spekuloitavaa riittää, sillä faktoja kiukaiden tai kivien välisistä eroista on niukasti. Kiukaita on testattu tällä vuosikymmenellä vielä jonkun kerran, mutta kiuaskivet ovat lähes kokonaan unohtuneet. Saunologian kivikausi-artikkelisarjan tässä osassa esitellään vakava yritys tehdä asialle jotain!

Kiuaskivissä on aiemman tiedon perusteella useampia saunakäyttöön vaikuttavia ominaisuuksia. Näitä ominaisuuksia ovat mm. lämmönjohtavuus, lämpökapasiteetti, ulkonäkö, muoto ja kestävyys. Kestävyys on ominaisuuksista hankalimmin arvioitava. Tiedetään, että kiuaskivet ikääntyvät yleensä olennaisesti kiukaita nopeammin ja sen seurauksena alkavat hajoamaan. Kivien ladonta muuttuu, löylyhuoneeseen tulee kiviroskaa, lämpiäminen hidastuu, energiankulutus lisääntyy ja kiuas voi vaurioitua. Tästä syystä kivien kestävyyttä olisi syytä ymmärtää paremmin. Myyntimiehet puhuvat pinta- tai koristekivistä tarkoittaessaan kiviä, joiden kestävyys on tavanomaista heikompi. Mitään standardia tai ylipäänsä määrällistä mittaria kivien kestävyydellä ei kuitenkaan ole olemassa.

Lisäymmärrys kivien kestävyydestä olisi monella tapaa höydyllistä. Ensinnäkin edes kivivalmistajat eivät osaa sanoa kovinkaan tarkkaan kuinka pitkään kivet kestävät, tai kuinka usein niitä pitäisi vaihtaa. Toisekseen vertailutieto eri kivivaihtoehtojen mahdollisista eroista voisi esimerkiksi perustella rahan käyttöä eri hintaisten kivien välillä.

190511-kivet-uunissa-graniitti-rapakivi-1617
Lopulta kivi hajoaa.

Aiempia tutkimusmenetelmiä

Saunaharrastajilla on kivilaatujen kestävyydestä erilaisia mielipiteitä, mutta asiaa ei ole vakavasti ottaen koskaan pyritty selvittämään. Eräs syy on se, ettei uskottavaa menetelmää tutkimukseen ole ollut olemassa. Olemassa olevia ratkaisuja kiuaskivien kestävyyden on erittäin vähän.

Viimeisin, ja käsittääkseni ainoa, kiuaskiviä erityisesti koskeva tutkimus tehtiin TM Rakennusmaailman toimesta vuonna 2005 (kts. pidempi juttu tutkimuksen tuloksista). Siinä kestävyyttä koeteltiin pirstoutumis- tai pirstolukutestillä, joka kopioitiin keramiikan lämpöshokin testistandardista DIN 51068/1, jota Saunologian lämpöshokkitestissä esiteltiin.

190511-kivet-uunissa-lumihanki-1665
Saunologian lämpöshokkitestissa kivet kuumennettiin jopa 800-asteisiksi.

Rakennusmaailman testissä kivinäytteitä kuumennettiin 20 kertaa 450-asteisessa keramiikkauunissa 15 minuuttia ja sen jälkeen jäähdytettiin 3 min ajan jääkylmässä vedessä ja tämän jälkeen kuivattiin puoli tuntia 110 asteessa. Ensisijainen mittari oli se, kuinka monesta lämmityskerrasta 6 testikappaletta keskimäärin säilyivät ehjänä. Artikkelissa mainitaan myös massakadon punnitseminen ja pirstaloitumisen visuaalinen tarkastelu, mutta näiden tuloksia ei raportoitu. Tuloksena pirstoluvut vaihtelivat kivimalleittain 5-20 välillä. Järjestely vastaa jossain määrin kivien lämpiämistä jatkuvalämmitteisessä kiukaassa, mutta siihen liittyy erilaisia ongelmia.

Tulokset olivat keskenään jossain määrin ristiriitaisia sillä samankaltaisista kivilaaduista saatiin erilaisia tuloksia. Tuloksissa oli myös ongelmana mittarin ”kattoefekti”, eli mittaus ei kyennyt erottelemaan tuotteita käytetyllä mitta-asteikolla. Kolmas käytännön ongelma on menetelmän työintensiivisyys. Jokainen sykli kesti vähintään n. 50 minuuttia, jolloin 20 toistoa tarkoitti noin 16 tunnin työtä, yli kohta normaalia työpäivää. Tämä pitää vielä kertoa kymmenellä mikäli eri näytteitä ei prosessoida rinnakkain. Mikäli tätä tutkimusta hoitaa ihmislaborantti, nousee tutkimuksen hintalappu korkeaksi.

Viimeisenä tässä DIN-normista muokatussa kokeessa epäilyttää järjestelyn edustavuus. Standardissa keramiikkaa lämmitetään 950 asteeseen ja prosessia toistetaan korkeintaan 30 kertaa tai kunnes kappale halkeaa. Rakennusmaailman lämpötilat olivat matalampia ja toistoja 20. Tutkimuksessa ei myöskään raportoitu mihin lämpötilaan kivet olivat ennen jäähdytystä lämmenneet, sillä 15 minuuttia tavanomaisessa uunissa ei välttämättä riitä lämmittämään kiveä kokonaisuudessaan, vaikka lähtölämpötila olikin 110 astetta (340 asteen lämpötilan nousu edellyttäisi kovaa 22 asteen minuuttivauhtia; DIN-testissä on sama menettely mutta näytteen koko 50x50 mm).

Uuden menetelmän esittely

Uuden menetelmän keskeinen tavoite on ekologinen validiteetti. Tämä tarkoittaa, sitä että menetelmän tuottamat havainnot vastaisivat mahdollisimman hyvin kiuaskivien todellisessa käytössä tapahtuvaa ikääntymisestä. Tämä edellyttää valintaa simuloitavan kiuastyypin suhteen sillä kerta- ja jatkuvalämmitteisten kiukaiden kiviin kohdistama kuorma on hyvin erilainen. Vaikka kertalämmitteiset kiukaat ovat saunan ystävien sydäntä lähellä, ovat ne marginaalisia tuotteita, minkä takia tämä menetelmä suunnattiin jatkuvalämmitteisten kiukaiden käytön simulointiin. Tarkemmin sanottuna nimenomaan sähkökiukaan, tosin tulosten pitäisi olla samansuuntaisia puukiukaiden kanssa.

190528-kiuaskiviprotokolla-pohjakivet_20181111_124248
Kivitila ja pohjatäyttö ennen koesarjan aloittamista.
Saunologian kiuaskiviprotokolla 1.0

Simuloitavaa käyttötapausta täytyy vielä täsmentää. Yksityis- ja yhteiskäyttö vaikuttaa olennaisesti kiukaan käyttötapaan. Yksityissaunassa sauna lämmitetään tarpeen mukaan, saunotaan korkeintaan pari kolme tuntia, ja annetaan jäähtyä. Yhteisökäytössä olevat saunat ovat parhaimmillaan kuumina lähes ympäri vuorokauden, suurimman osan ajan tyhjän panttina. Koska Saunologia on yleisesti ottaen kuluttajien asialla ja yksityissaunat ovat lukumääräisesti maamme suurin saunaklusteri, otetaan mallia sieltä.

Kun nämä rajaukset on päätetty, voidaan asettaa selvät vaatimukset menetelmälle:

  • Kivet lämmitetään tyypilliseen lämpötilaan
  • Kiville annostellaan säännöllisesti hallittu määrä vettä
  • Kivien annetaan ”löylynheittojen” välillä hetki jäähtyä
  • Kiuas kokonaisuudessaan saa jäähtyä täysin käyttöjaksojen välillä

Yksityiskohtainen koejärjestely

Lopputuloksena syntyy normaalia kotikäyttöä simuloiva järjestely, jossa kivien lämpörasitus on hallittu ja realistinen. Tässä ehdotuksessa kivien lämmitys suoritetaan perinteisessä sähkökiukaassa ja vettä annostellaan löylyautomaatilla. ”Löylyä heitetään” kymmenen minuutin välein aloittaen 30 minuuttia kiukaan päälle kytkennästä. Vesiannos on kaksi desilitraa (2 dl) ja se sumutetaan parissa sekunnissa kivien päälle n. 20 cm korkeudelta kivien yläpuolelta.

190430-kiuaskiviprotokolla-test-in-progress-2403
Järjestelmän ollessa tikissä höyrystyy kaikki vesi näyttävästi lähes välittömästi suihkutuksen aikana.

Käyttöjakson pituus on kolme tuntia ja kiukaan annetaan jäähtyä jaksojen välillä viisi tuntia. Kiuas on säädetty olemaan jatkuvasti täydellä lämmitysteholla käyttöjakson aikana. Ottaen huomioon ajastukseen liittyvän tarkkuuden, tällä tavalla voidaan suorittaa päivässä kolme käyttöjaksoa, joista jokaisen aikana heitetään 14 kertaa löylyä: eli 9 käyttötuntia ja 42 lämpöshokkia.

Järjestelyn vahvuus on se, että alustavien toimenpiteiden jälkeen koe etenee automatisoidusti. Ihmistä tarvitaan ainoastaan tarkkailemaan, että järjestelmä pysyy toiminnassa tai korjaamaan siinä ilmeneviä häiriöitä.

Koejärjestelyn toinen puoli ovat riippuvat muuttujat eli mittarit. Näiden suhteen Rakennusmaailman esimerkki on käyttökelpoinen. Siinä käytetyt muuttujat olivat: näytteiden hajoaminen, visuaalinen tarkastelu ja massan muutokset. Tätä varten näytteet punnitaan ja valokuvataan ennen testiä. Testiin sisällytettävien näytteiden eheys tarkistetaan lyömällä kahta saman testierän kiveä toisiinsa. Jos kivi murenee tässä vaiheessa, jätetään se pois testistä. Testin jälkeen toistetaan sama järjestely.

Rakennusmaailma testasi kuusi näytettä, mutta tämän kokeen järjestelyissä kävi heti selväksi, että realistinen testi pienimmälläkin kaupallisella (3 kW) kiukaalla edellyttää moninkertaista kivimäärää. Kiukaan kivitilavuus päätettiin jakaa kahtia teräsverkolla, jonka jälkeen tilaa vastusten ulkopuolelle jäi n. 15-20 kivelle, massaltaan yhteensä alle 5 kg. Erikoisen pieni kivitilavuus johtui siitä, että testisarjan näytteet ladottiin kiukaan pohjalla olleiden keraamisten kivien päälle. Vesisuihku suunnattiin kivien päälle n. 20 cm korkeudelta.

190528-kiuaskiviprotokolla-marka-esimerkki-2055

Koesarja ja näytteiden valinta

Esitettyä koejärjestelyä testattiin talvikaudella 2018-2019. Tämän uuden kokeilun suurimmat kysymysmerkit koskivat sitä, kuin pitkään yhtä testiä on ajettava, jotta valituilla muuttujilla on havaittavissa ikääntymisen merkkejä. Tätä varten aloitettiin lyhyellä pilottijaksolla, jossa havainnoitiin ikääntymistä sekä tarkoitusta varten perustetun laboratorion lämpö- ja kosteuskäyttäytymistä tutkimuksen aikana. Parissa kymmenessä päivässä havaittiin järjestelyn toimivan sekä laboratorion olosuhteiden pysyvän haluttuina (lämpötila-alue n. 12-38 astetta) tutkimuksen ajan. Kiuaskivien lämpötila kohosi myös jaksolla yli 200 asteen ja käytetty vesiannos höyrystyi lähes kokonaisuudessaan.

190528-kiuaskiviprotokolla-lampomittari_20181111_124248
Kiukaan pintalämpötila puolen tunnin lämmityksen jälkeen ennen ensimmäistä vesisuihkua.Saunologian kiuaskiviprotokolla 1.0

Toinen tärkeä parametri oli laskennallinen arvio kiukaan käyttömääristä yksityiskäytössä. Jos arvioidaan, että saunaa lämmitettäisiin ympäri vuoden 1,5 kertaa viikossa ja joka kerralla heitettäisiin keskimäärin yhdeksät löylyt puolentoista tunnin , tulisi löylyn heittokertoja tulisi 702 ja lämmitysaikaa 156 h. Lämmitysajasta tosin kaikki aika ei välttämättä täydellä teholla.

Suositukset kiuaskivien vaihtoon ovat ympäripyöreitä, mutta kotikäytössä suositellaan vaihtoa parin vuoden välein. Tästä voidaan arvioida, että simulaatiossa pitäisi päästä vähintään tähän. Päädyin lopulta siihen, että koesarjat kestivät mahdollisimman tarkkaan 50 pv, tuottaen 150 lämmityskertaa, 450 lämmitystuntia ja 2100 löylynheittoa.

190430-kiuaskiviprotokolla-kivilaatikot-2456
Rautakaupoista shoppailtuja kivilaatikoita.

Koesarja toteutettiin kolmessa osassa, joissa jokaisessa testattiin kahta erityyppistä kiveä. Olosuhteet sarjojen välillä pysyivät muutoin samoina, eikä siihen tehty muutoksia. Kivet ladottiin huolellisesti samojen periaatteiden mukaan (kts. artikkeli sähkökiukaan kivien vaihdosta) pystysuuntaisesti ja pintakerrokseen kiviä juuri sen verran, ettei vastuksia näkynyt. Tarkka kivimäärä määrittyi siis sen mukaan miten ladonta onnistui. Testin jälkeen näytteet poistettiin näytetyyppi kerrallaan ja kiuas siivottiin näytteistä irronneesta kivimurskeesta.

190528-kiuaskiviprotokolla-puoli-taytto-20181119_114521
Kiukaan kivitila on jaettu teräsverkolla kahtia ja kivitilan pohja täytetty keraamisilla kivillä. Saunologian kiuaskiviprotokolla 1.0

Koejärjestely oli toteutettu niin, että samassa kiukaassa voidaan rinnakkain testata kahta kivinäytesarjaa. Testiin haluttiin ensisijaisesti edullisia ja yleisesti saatavilla olevia luonnon kivilajeja. Kivinäytteet hankittiin ensisijaisesti rautakaupoista satunnaisotannalla ostamalla sähkökiukaisiin tarkoitettuja 5-10 cm kokoisia kiviä 20-25 kg laatikollinen. Poikkeuksena Suomen Kiauskiven oliviinikivinäytteet, jotka valmistaja toimitti pyynnöstä, kun sopivan kokoisten kivien ostaminen osoittautui parin yrityksen jälkeen vaikeaksi. Tästä huolimatta kivet olivat kooltaan ja erityisesti massaltaan muita testattuja kookkaampia, keskipainoltaan 480 grammaa.

Kivien lukumäärä testisarjassa vaihteli välillä 10-20 kpl, paino 249-480 gr., yhteispaino vaihteli kuitenkin maltillisemmin 4,2-5,2 kg välillä. Painon vaihtelu selittyy osittain oliviinin ja peridotiitin muita korkeammalla ominaispainolla. Kokovaihtelut vaikuttivat osaltaan ladontaan ja siihen kuinka monta näytettä kiukaaseen sopi. Pienempien kivien ladonnasta tulee väistämättä tiiviimpi, minkä takia erän kokonaispaino ei vaihtele niin paljoa.

OD pieni Oliviini vulkaniitti peridot, pen OD iso peridot, ural
yht paino 4971 4796 4884 5261 5202 4273
kpl 20 10 17 17 14 14
keskipaino gr 249 480 287 309 372 305
selviytymis% 60% 80% 76% 88% 71% 86%
jäännös m 99% 99% 95% 95% 100% 96%
Ostopaikka Bauhaus Rautanet + valmistaja Hong Kong Bauhaus K Parkon Kauppa -
Brändi Parhaat Löyly Oliviini kiuaskivi Parhaat Löyly Misa Parhaat Löyly Vitau, Eesti
Alkuperäinen valmistaja Sauna-Eurox Suomen Kiuaskivi Ky Sauna-Eurox (Suomi) Sauna-Eurox Tuntematon, Venäjä

Venäläinen peridotiitti ei rakenteeltaan täysin vastaa kotimaista, mutta koska sitä myydään tällä kauppanimellä, on se luokiteltu samoin. Venäläisen näytteen päämineraalikoostumus on jälleenmyyjän mukaan duniitti, eli runsaasti oliviinia sisältävä variaatio (kts. http://www.geologia.fi/index.php/2018/06/25/magmakivien-luokittelu/). Misan markkinoiman, ilmeisesti Pennalassa tuotetun peridotiitin, mineraalisisältö on myöhemmin esitettävien kuvien perusteella hornblendiitin eli sarvivälkkeen kaltainen.

190528-kiuaskiviprotokolla-era2-sumussa-1591
Ensimmäiset kivinäytteet valmiina testiin

Koesarjojen näyteparit olivat seuraavat:

  1. Oliviini ja pieni 5-8 cm oliviini-diabaasi
  2. Vulkaniitti ja kotimainen peridotiitti
  3. Venäläinen peridotiitti ja keskikokoinen 7-12 cm oliviini-diabaasi

Koesarjat vietiin läpi marraskuusta 2018 huhtikuuhun 2019 välisenä aikana. Tutkimuslaitteisto toimi kokonaisuudessaan yllättävän hyvin, vaikka se oli kustannussyistä koottu edullisista komponenteista. Ainoastaan satunnaiset varokkeen laukeamiset ja kelloajastimen hajoaminen pidensivät testijaksoja parilla päivällä kunnes ongelmat oli havaittu ja korjattu. Oli suorastaan yllättävää, että lämmityslaitteena käytetyn pikkukiukaan vastukset kestivät yli 1300 käyttötuntia toimintakykyisinä! Jos saunaa lämmittäisi vain kerran viikossa tunnin kerrallaan, niin voisi ennustaa vastusten tällä tavoin kuormitettuna kestävän yli 15 vuotta.

Mutta miten kävi kivinäytteiden?

Artikkelin seuraavassa osassa kerrotaan tarkemmin millaisia kiviä uunista tuli ulos ja mitä tuloksista voidaan päätellä näytteiden eroista

Kiitokset: Matti Hämäläinen avusta tutkimuslaitteiston rakentamisessa, Narville testikiukaan lahjoittamisesta, Henkalle laboratorion valvonnasta ja Suomen Sauna-seuran tutkimus- ja kulttuurijaostolle materiaalikustannuksiin kohdistuneista avustuksista.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Kuka Lassi A Liikkanen?

Saunologi ja saunan suunnittelun tutkimusmatkalainen. Johtava nykyaikainen suomalaisen saunan asiantuntija. Työkseni suunnittelen parempia digitaalisia palveluita. Minulla on pitkä historia tieteellisestä tutkimuksesta ja opetan satunnaisesti Aalto-yliopistossa.