Undersökning av eventuella rörelser och sprickor i en betongplatta på ESS. Viktor Börnfors och Victoria Haraldson

Transkript

1 Undersökning av eventuella rörelser och sprickor i en betongplatta på ESS Viktor Börnfors och Victoria Haraldson TVBM-5114 Examensarbete Byggnadsmaterial LTH 2018

2 Copyright c Viktor Börnfors & Victoria Haraldson, 2018 ISSN Institutionen för Bygg- och Miljöteknologi, Avdelningen för Byggnadsmaterial, Lunds Tekniska Högskola, Lund Lunds Tekniska Högskola Institutionen för Bygg- och Miljöteknologi Byggnadsmaterial Box 118 SE LUND

3 Förord Denna rapport är slutprodukten av ett examensarbete på civilingenjörsutbildningen Väg- och Vattenbyggnad vid Lunds Tekniska Högskola. Examensarbetet har genomförts på avdelningen för Byggnadsmaterial, institutionen för Bygg- och Miljöteknologi, i samarbete med Skanska ESS Construction HB (Skanska). Handledare för arbetet var Katja Fridh, verksam vid avdelningen för Byggnadsmaterial, samt Björn Johansson, teknisk chef hos Skanska. Arbetets examinator är Lars Wadsö. Vi vill tacka vår handledare Katja Fridh för allt stöd och all feedback vi fått längs vägen. Vi vill även tacka Björn Johansson, Hadi Taremi och Joanna Soltysiak för deras support under arbetets gång uppe på ESS. Ett stort tack riktas till Mikael Sarner på EXACT som, trots ett ständigt bråkigt väder, försåg oss med mätvärden. Största tacksamhet riktas även till samtliga verksamma vid avdelningen Byggnadsmaterial vid LTH som förutom att ha försett oss med arbetsplatser även varit ovärderliga bollplank under arbetets gång. Vidare vill vi tacka Peter Skopal som introducerat oss till ett, för oss, nytt typsättningsprogram, samt Lena Zetterqvist som med sin expertis inom matematisk statistik bidragit till rapportens analytiska delar. Ett sista tack riktas till Bodil och Pär Börnfors som korrekturläste rapporten. Victoria Haraldson & Viktor Börnfors Lund, juni 2018 I

4 Abstract This thesis evaluates the thermal movements and shrinkage in a 20 m 20 m concrete slab with a thickness of 500 mm. Furthermore, it examines regulatory measures and other actions taken to prevent movements as well as cracks. The main purpose is to examine whether the observed movements are equivalent with the calculated movements and if not, whether the difference is of any concern. By the examination of a large and thick slab this thesis contributes to the existing body of research in the field of concrete foundations. The research is based on a field study in northern Lund, Sweden and the collected data is evaluated using different statistical methods as well as logical reasoning. The main results from the study indicate that some of the observed movements are greater than the calculated. However, all movements could be explained by theory regarding shrinkage and thermal movements. The outcome of the field study should be seen as positive regarding shrinkage and movements; thus, the thesis describes a so far successful design and casting which should be of interest for researchers and for companies dealing with concrete slabs of large dimensions. II

5 Sammanfattning Den här rapporten utvärderar en betongplattas termiska rörelser samt krympning. Betongplattan är approximativt 20 m 20 m lång och bred, samt har en tjocklek om 500 mm. Vidare undersöks vilka åtgärder och föreskrifter som hindrar plattan från att spricka eller utsättas för stora termiska rörelser. Huvudsyftet är att utvärdera om de observerade rörelserna skiljer sig från de beräknade och, om så är fallet, undersöka om skillnaden är av kritisk storlek. Genom undersökning av en platta med stora dimensioner bidrar rapporten till existerande forskning inom betonggrunder. Forskningen baseras på en fältstudie som utförts i norra Lund, Sverige. Insamlade data utvärderas med hjälp av statistiska metoder, samt logiska resonemang. Resultaten av studien visar på att vissa observerade rörelser överstiger de beräknade. Dock kunde samtliga rörelser förklaras av teori gällande termiska rörelser och krympning. Resultatet av fältstudien kan betraktas som positivt med avseende på rörelser och sprickbildning. Rapporten beskriver en än så länge lyckad design och gjutning av en platta med stora dimensioner och bör således vara av intresse för företag som antingen projekterar eller producerar plattor av större dimensioner. III

6 Innehåll Förord Abstract Sammanfattning Innehåll I II III V 1 Inledning Bakgrund Syfte Frågeställningar Avgränsningar Metod 3 3 Teori Betong Betongens uppbyggnad Cement Ballast Vatten Tillsatsmedel Hållfasthetsutveckling Betongens hårdnande Värmeutveckling Krympning Självuttorkning Plastisk krympning Autogen krympning Uttorkningskrympning Beräkning av total krympning Tvärsnitt och dimensioners inverkan på krympning Cementens inverkan på krympning Ballastens inverkan på krympning Tillsatsmedels inverkan på krympning Armeringen och dess konfigurations inverkan på krympning Längdändring av temperatur Sprickor i betong Spricktyper Inverkan och sprickors betydelse Fältstudie Bakgrund och förutsättningar Plattans geometri Gjutning av intilliggande sektioner Betong IV

7 4.1.4 Armering i D Behandling av betongyta Krav på temperaturmätning Krav på maximal sprickbredd Gjutningar september Gjutningsanförande Mätdata från gjutningarna i september Beräknad total krympning Krympning i tidig ålder Tillåten maximal horisontalkraft på pålarna Beräknad temperaturberoende töjning och krympning under vintern 2017/2018 och resulterande kraft på pålarna Material och lastparametrar Temperatur och hållfasthet Pålarnas styvhet Minsta temperatur i plattan Krafter verkande på pålar vid en enhetlig termisk last om 1 C Total kraft som verkar på pålarna Ytterligare kantarmering runt gjutzonerna Rörelser december april Mätmetod Utfall rörelse Analys och diskussion Temperaturer Krympningsberäkningar Jämförelse av beräknade rörelser och observerat utfall T-test Direktmetoden Wilcoxon signed rank test Tolkning av resultat Utvärdering av de största skillnaderna mellan observerade och beräknade rörelser Uniforma eller asymmetriska rörelser Direktmetoden, test av längder Tolkning av resultat Verifikation av pålar vid kraftigast observerad rörelse Åtgärder för att förhindra rörelser och sprickor Material Produktionstekniska åtgärder Värme- och hållfasthetsutveckling Reliabilitet och validitet Felkällor Slutsats 80 8 Vidare forskning 81 V

8 Tabeller 1 Kemisk sammansättning av råmaterialet för portlandklinker De viktigaste klinkerkomponenterna i portlandcement Anläggningscements kemiska sammansättning Mekaniska krav på betong Stenmaterials längdutvidgningskoefficient Egenskaper hos använd betong Använt betongrecept Beräknad total krympning efter 100 år Krympning under konstruktionstiden Test av pålar Hållfasthetsvärden för använda pålar Verifikation av pålar vintern 17/18, utan isolering Verifikation av pålar vintern 17/18, med isolering Längder och area vid varje mättillfälle Förändring av uppskattad area och längder mellan mättillfällen Förändring i area och längder sen nollmätning Definitioner av använda temperaturer Värden för olika temperaturmått Temperaturbedömning Autogen krympning vid alla mättillfällen Uttorkningskrympning vid samtliga mättillfällen Total krympning vid samtliga mättillfällen Beräknad och observerad rörelse mellan mättillfällen Beräknad och observerad rörelse sen nollmätning Observerade rörelser testade mot beräknade Wilcoxon signed rank test Sammanställning Wilcoxon Signed Rank Test Ytterligheter mellan beräknade och observerade rörelser Temperaturskillnader som förklarar ytterligheter Mätfel som förklarar ytterligheter Absolut rörelse för varje längd mellan varje mättillfälle Verifikation av pålar, observerade rörelser VI

9 Figurer 1 Ballastens kornstorleks påverkan på hållfasthet Kompaktvolym och porvolym i betong Hållfasthetsutveckling hos betong Klinkermineralens hållfasthetsutveckling Desorptions och absorptionskurva Krympningsförlopp hos betong Två olika typer av armeringsplacering Samband mellan cementpastans längdutvidgning och relativ fuktighet 21 9 Utseende hos plastiska krympsprickor Uppkomst av krympsprickor Överblick över byggnaderna vid ESS Relativ placering av undersökt platta Överblick över längsgående armering Armering i D Värmeutveckling, gjutetapp Mognadsålder, gjutetapp Hållfasthetsutveckling, gjutetapp Värmeutveckling, gjutetapp Mognadsålder. gjutetapp Hållfasthetsutveckling, gjutetapp Relativt fuktighetsförhållande runt plattan Termisk last på pålar vid plattans hörn Extra kantarmering runt gjutsektioner Placering av mätdubbar Normplot, observerade absoluta värden mellan mättillfällen Normplot, beräknade absoluta värden mellan mättillfällen Normplot, observerade värden mellan mättillfälle och nollmätning Normplot, beräknade värden mellan mättillfälle och nollmätning Boxplot över differensen av observerade och beräknade värden Avvikelse från noll - beräknade och observerade värden Skillnader i volatilitet, beräknade och observerade värden Boxplot som illustrerar absolut töjning för plattans längder Test av längders avvikelse från noll Förenklad modell för att illustrera den relativa töjningen Aktuell och framtida längdutvidgningskoefficient hos cementen VII

10 Förkortningar α Hydratationsgrad α a Ballastens längdutvidgningskoefficient α c Betongens längdutvidgningskoefficient α p Cementpastans längdutvidgningskoefficient β as (t) Koefficient beroende av tid β(t, t s ) Koefficient beroende av tid l Längdändring T Temperaturändring ε ca Autogen krympning ε cd Uttorkningskrympning ε cs (t) Total krympning vid tiden t ε csu (t) Krympningens slutvärde γ Partialkoefficient A c Betongens tvärsnittsarea BV Begränsad värmeutveckling CSH Cementgel C n Mängden fullständig hydratiserat cement f ck Cylinderhållfasthet, tryck k RH Korrektionsfaktor LA Lågalkaliskt RF Relativ luftfuktighet SR Sulfatresistent t Betongen ålder vid betraktad tidpunkt t s Betongs ålder vid början av uttorkning vct Vattencementtal W Blandningsvatten W e Fritt vatten W n Icke förångningsbart vatten A Al 2 O 3 Aluminiumoxid C CaO Kalciumoxid F Fe 2 O 3 Järnoxid H H 2 O Vatten S SiO 2 Kiseloxid VIII

11 1 Inledning Inledningsvis beskrivs bakgrunden till denna rapport. En beskrivning av syftet följer för att klargöra vad rapporten strävar efter att uppnå. Därefter presenteras de frågeställningar som rapporten har för avsikt att utreda och besvara. Avslutningsvis redovisas rapportens avgränsningar. 1.1 Bakgrund Detta examensarbete har studerat krympning, temperaturrelaterade rörelser och sprickbildning i betongplattor. Studien har genomförts vid Lunds Tekniska Högskola (LTH), avdelningen för Byggnadsmaterial, i samarbete med Skanska ESS Construction HB (Skanska). Arbetet omfattar en litteraturstudie och en fältstudie. Fältstudien är lokaliserad i norra Lund där Skanska bygger forskningsanläggningen European Spallation Source (ESS). Beställare av anläggningen är European Spallation Source AB. Anläggningen kommer att inrymma världens mest kraftfulla neutronkälla och kommer att användas inom ett flertal vetenskaper, exempelvis materialvetenskap, biologi och geofysik. ESS högteknologiska instrument medför höga krav på byggnadernas design. De höga kraven har medfört komplikationer i utformningen av en bottenplatta i anläggningens experimenthall. Dessa krav och komplikationer, som bland annat inneburit långa gjutstopp, är bakgrunden till denna studie. Denna studie fokuserar på en betongplatta, vilandes på betongpålar, som nyttjas som grund i en av experimenthallarna (D01). Plattan kommer fortsättningsvis benämnas D01. Vid färdigställande kommer D01 att vara 150 meter lång och 50 meter bred med en tjocklek om 500 mm. Eftersom D01 inte är färdigställd inom tidsramen för detta arbete kommer fältstudiens praktiska delar att enbart fokusera på en mindre del av plattan som göts i september Denna del göts i två etapper med dimensioner om approximativt m vardera och bildar tillsammans en betongplatta med en ungefärlig dimension om m. Det som föranledde gjutstoppet av D01 var konstruktörernas krav på att plattans temperatur endast fick variera inom intervallet 10 till 22 C under hela dess livstid. För att uppfylla detta krav, tillsammans med ESS krav om begränsad användning av isolering, skulle stora mängder värmeslingor erfordras. Temperaturkravet uppstod till följd av att pålarna som plattan vilar på riskerar att gå till brott om plattan rör sig för mycket. Utöver kravet på temperatur och rörelser ställs höga krav på begränsning av sprickbildning i plattorna. Vid denna studies färdigställande har Skanska återupptagit gjutningen då ansvaret, gällande temperaturer utanför ovanstående intervall, skrivits över på beställaren. 1

12 1.2 Syfte Det huvudsakliga syftet med arbetet generellt, och fältstudien specifikt, är att bidra till existerande forskning om krympning och temperaturrelaterade rörelser i anläggningskonstruktioners grunder. Det uppnås genom att studera hur en grundplatta rört sig under mätperioden som sträcker sig från december 2017 till april Dessa rörelser har jämförts med beräknade rörelser med avseende på krympning och temperaturvariationer. Arbetet syftar även till att redogöra för hur Skanska och projektets konsulter arbetat för att förebygga rörelser och sprickbildning. 1.3 Frågeställningar Arbetets huvudsakliga frågeställningar är följande: 1. Hur har plattan rört sig relativt den beräknade rörelsen? 2. Kan observerade rörelser förklaras enbart med hjälp av teori gällande krympning och termiska rörelser? 3. Har plattan rört sig uniformt eller är det någon del av plattan som rört sig mer eller mindre än resterande del? Är en eventuell identifierad asymmetrisk rörelse kritisk? 4. Riskerar den största observerade rörelsen att ha medfört brott i någon av pålarna under plattan? 1.4 Avgränsningar Teoriavsnittet behandlar de teorier och den forskning som är relevant för fältstudien och tidigare presenterat syfte. Det innebär att vid behandling av betong som material ligger fokus på de ingående komponenterna i det betongrecept som använts vid gjutning. Andra typer av komponenter, aktuella för andra typer av konstruktioner utelämnas. Vidare behandlar en stor del av teoriavsnittet krympning och sprickor i betong medan övriga fenomen har utelämnats. Fältstudien behandlar endast den del av D01 som göts i september Sprickor och deformationer som uppstår på grund av yttre pålagd last har ej behandlats. 2

13 2 Metod Detta avsnitt beskriver kort den metod som använts för att genomföra examensarbetet. Arbetet utgörs av en litteraturstudie och en fältstudie. Litteraturstudie För att erhålla en god teoretisk grund har en litteraturstudie genomförts där teori om betong generellt, sprickor samt rörelser mer specifikt, behandlats. Det har varit nödvändigt för fältstudien och färdigställandet av arbetet att förstå mekanismerna bakom tidigare nämnda fenomen. Utöver att öka författarnas kunskap bidrar litteraturstudien till läsarens förståelse för den diskussion och de resultat som presenteras. Grunden i litteraturstudien utgörs av Betonghandboken, Material. Boken är omfattande och accepterad både inom forskning och i näringslivet. Utöver Betonghandboken använde sig författarna av ett flertal vetenskapliga artiklar, samt ytterligare böcker inom området. För litteratursökning användes LUBsearch och Lovisa. Fältstudie Arbetet med fältstudien bestod av fyra delar: sammanställning av rapporter, insamling och behandling av data, en analytisk del samt en diskussion. Sammanställning av rapporter Ett flertal rapporter från Skanska, ESS och grundplattans konstruktörer har bearbetats för att erhålla en förståelse för dimensioneringen av platta D01. Det författarna identifierat som viktigt för arbetet har sammanställts och redovisas i fältstudien. Denna sammanställning behandlar nödvändig information såsom material, krav på sprickor, rörelseberäkningar och temperaturmätningar vid gjutning. Insamling och behandling av data För att kunna analysera rörelser i D01 har projektets mättekniker försett författarna med mätdata. Metoden som använts vid mätningar presenteras separat i fältstudien. Mätningarna erhölls i koordinatform och behandlades med hjälp av Microsoft Excel. Analys En jämförelse mellan det beräknade och det uppmätta utfallet genomförs och redovisas. Vidare undersöker författarna huruvida en del av platta D01 tenderar att röra sig mer än resterande del av plattan. Matlab användes för att genomföra de statistiska tester som presenteras. Diskussion Författarna diskuterar hur olika material, föreskrifter och åtgärder påverkat rörelser i plattan samt sprickbildning. 3

14 3 Teori Teoridelen behandlar först betongens uppbyggnad och dess ingående komponenter. Eftersom arbetet utgick från en fältstudie kring en anläggningskonstruktion fokuserar första delen på de karakteristiska ingående komponenter hos betong som används vid anläggningskonstruktioner. Vidare presenteras betongens hållfasthetsutveckling. Eftersom studien i sin helhet syftar till att redogöra för krympning, termiska rörelser och sprickor i en grundplatta fortsätter teorisnittet med en sektion om krympning, en om temperaturrelaterade rörelser och avslutas med en sektion om sprickor i betong. 3.1 Betong Betong är ett av världens mest använda byggnadsmaterial, till stor del på grund av dess formbarhet och höga hållfasthet. Olika sammansättningar av betong ger förutsättningar att öka hållfasthet, brandsäkerhet, ljudisoleringsförmåga och värmelagringskapacitet. Det gör betongen till ett attraktivt val för att bygga alltifrån bostäder till broar Betongens uppbyggnad Betong är ett kompositmaterial bestående av vatten, cement och ballast. Därutöver är tillsatsmedel en vanlig komponent i betong som används för att ändra betongens egenskaper. Förhållandet mellan vatten- och cementhalt beskrivs med vattencementtalet, vct, och många av betongens egenskaper kan härledas ur vct. (Fagerlund 1994). Se ekvation 1 för definitionen av vct. vct = W C (1) W = mängd vatten, kg C = mängd cement, kg 4

15 3.1.2 Cement Cement är det hydrauliska bindemedel som binder samman betongen. Cement reagerar med vatten och bildar en cementpasta som hårdnar. Betongens beständighet, hållfasthet och värmeutveckling påverkas av vilket cement som används vid tillverkningen. Det finns flera typer av cement. Vid gjutningarna på ESS används en speciell variant av portlandscement. Portlandcement består av portlandklinker, gips och tillsatsbeståndsdelar (Johansson 1994b). En typisk kemisk sammansättning för cementens råmaterial presenteras i tabell 1. När råmassan bränns bildas ett antal klinkerkomponenter. De viktigaste komponenterna presenteras i tabell 2 (Johansson 1994b). Tabell 1: Kemisk sammansättning av råmaterialet för portlandklinker, (Fagerlund 1999a) tabell 2. Komponent Kemisk beteckning Mängd, % Kalciumoxid CaO Aluminiumoxid Al 2 O Järnoxid Fe 2 O Tabell 2: De viktigaste klinkerkomponenterna i portlandcement (Johansson 1994b), tabell 2.5:2. Komponent Trikalciumsilikat (Alit) Dikalciumsilikat (Belit) Trikalciumaluminat (Celit) Tetrakalciumaluminatferrit (Ferrit) Kemisk beteckning C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF 5

16 Portlandscementens klinkerkomponenter reagerar med vatten och bildar cementgel och kalciumhydroxid. Klinkerkomponenternas hållfasthetsutveckling beskrivs mer utförligt i sektion 3.2. cement+vatten cementgel(csh)+ kalciumhydroxid (CH) (2) Reaktionsformlerna för de enskilda klinkerkomponenterna redovisas i ekvation 3 till 6 (Fagerlund 1994). Förkortningar CaO SiO 2 H 2 O C S H 1: C 3 S-reaktion 2: C 2 S-reaktion 3: C 3 A-reaktion 4: C 4 AF-reaktion 2C 3 S+6H=C 3 S 2 H 3 +3CH (3) 2C 2 S+4H=C 3 S 2 H 3 +CH (4) C 3 A+6H=C 3 AH 6 (5) C 4 AF+2CH+10H=C 3 AH 6 +C 3 FH 6 (6) Kalciumsilikaterna, C 3 S och C 2 S, reagerar och skapar kalciumhydroxid samt CSHgel. C 2 S bidrar med mer CSH-gel och mindre kalciumhydroxid jämfört med C 3 S, se tabell 3. C 3 A-reaktionen bidrar inte med någon kalciumhydroxid och C 4 AF använder sig av kalciumhydroxid när det reagerar (Fagerlund 1999b). Reaktionerna sker genom en bindning av vattnet i det som kallas hydratationsprocessen. Om allt cement hydratiserats kommer cementpastan endast att bestå av CSH-gel, kalciumhydroxid och gelporer. I annat fall kommer en kärna av ohydratiserade cementkorn finnas kvar. Hydratationstillståndet vid en specifik tid brukar ofta anges med hydratationsgrad, vilken definieras som den massandel av cementen som är fullständigt hydratiserat vid en viss tidpunkt, se ekvation 7 (Fagerlund 1994). 6

17 α = C n C (7) α = hydratationsgrad C n = mängden fullständigt hydratiserat cement, kg C = totala mängden cement, kg Den variant av Portlandcement som använts vid gjutningarna på ESS benämns Anläggningscement. Den kemiska sammansättningen för Anläggningscement presenteras i tabell 3. Tabell 3: Kemisk sammansättning och beräknade klinkermaterial för Anläggningscement, (Johansson 1994b), tabell 2.5:4. Oxider, % Klinkermaterial, % CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 SO 3 C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF Anläggningscement har beteckningen CEM I 42.5 BV, LA, SR. Beteckningarna beskrivs nedan. Cement delas in i olika typer beroende på dess beståndsdelar och portlandcement ingår i cementtyp I (CEM I). Cementen placeras därefter i en klass beroende på cementens tidiga och normala hållfasthet. Anläggningscement placeras i klass 42.5, se tabell 4 (Johansson 1994b). Tabell 4: Mekaniska krav på betong, (Johansson 1994a), tabell 2:4:3. Tryckhållfasthet, MPa Klass Tidig hållfasthet Normalhållfasthet 2 dagar 28 dagar och och och

18 Anläggningscement kännetecknas av en begränsad värmeutveckling (BV). En långsammare värmeutveckling innebär en långsammare hållfasthetsutveckling men en högre sluthållfasthet (Johansson 1994b). I de fall då betongen kommer att utsättas för fukt är det motiverat att använda ett lågalkaliskt portlandcement (LA). Det föreligger annars en risk att cementens alkali och fukt tillsammans kan reagera med ballasten. Denna reaktion leder till reaktionsprodukter med en högre volym vilket kan medföra sprickbildning och en sämre beständighet. Anläggningscement är lågalkaliskt eftersom det ofta används i fuktiga miljöer (Johansson 1994b). Anläggningscement är även så kallat sulfatresistent (SR) och det innebär att klinkern som används vid tillverkningen har låg aluminiumhalt. Det är nödvändigt om betongen ska vara beständig mot höga koncentrationer av sulfat i omgivningen. Risken är annars att aluminatkomponenterna i cementen reagerar och bildar ettringitkristaller. Dessa kristaller kan sedermera förorsaka expansion och sprickor i den hårdnade betongen (Johansson 1994b) Ballast Bergartsmaterial, och ersättningsmaterial för dessa, avsedda för tillverkning av betong benämns ballast (Johansson 1994a). Bergartsmaterialen kan ha en väsentligt skild mineralogisk sammansättning och struktur, så kallad petrografisk sammansättning. Det kan exempelvis skilja sig i kornstorlek, kornfogning och mineralorientering. Den petrografiska sammansättningen kan ge information om bergartens tekniska egenskaper. Bergartens petrografiska sammansättning kan användas till att ta fram viktiga egenskaper hos ballast. Ballastens egenskaper har betydande inverkan på betongens hållfasthet. Dessa egenskaper hos ballast uppnås bäst med krossat material. Höghållfast betong bör innehålla ballast med hög egen hållfasthet, seghet och en skrovlig, finkornig ytstruktur. Det är dock inte ballasten som avgör betongens tryckhållfasthet, utan det är i huvudsak cementpastan som är den svagare länken (Höbeda & Johansson 1975). Betongens sammansättning och dess egenskaper påverkas bland annat av ballastens gradering och dess maximala kornstorlek. Ballastens graderingskurva bestäms genom siktning av torrt material på siktar med olika standardmått. Graderingskurvan anger den totala mängd som passerat varje sikt. Genom att öka maximal kornstorlek sänks graderingskurvan och vattenbehovet minskar. En större storlek medför således att hållfastheten kan öka genom det minskade vattenbehovet. Denna ökning av hållfasthet kan dock motverkas av att betongen blir mer inhomogen. En alltför stor kornstorlek leder till en minskad hållfasthet, se figur 1 (Johansson 1994a). 8

19 Figur 1: Ballastens maximala kornstorleks påverkan på hållfasthet beroende på cementens hållfasthet, (Petersons 1994a), figur 11.3: Vatten När betongen härdat består den av fast massa och porer. Den fasta massan består delvis av det kemiskt bundna vattnet som bands in under hydratationsprocessen. Betongens porer är delvis luftfyllda och delvis vattenfyllda. Materialets fuktinnehåll utgörs av det förångningsbara vattnet som avgår när materialet uppnår 105 C. Vid upphettning till 1000 C kan allt vatten antas ha försvunnit från betongen. Det icke förångningsbara vattnet är det sista att avgå från betongen vid upphettning. I figur 2 illustreras de olika delarna förångningsbart vatten, kompaktvolym, förångningsbart vatten och luftfyllda porer (Fagerlund 1994). Blandningsvatten, W b, som inte binds kemiskt till cementen skapar porer i betongen. Om betongen får membranhärda, det vill säga härda utan vattentillförsel och med förhindrad avdunstning, sker en inre självuttorkning. Det kemiskt bundna vattnets volym minskar till 75 % av ursprungsvolymen under de kemiska reaktionerna och resterande 25 % bildar då porer. Volymen för de självuttorkade porerna blir därför 0.25W n. Mängden fritt vatten, W e, kan beräknas med ekvation 8 (Fagerlund 1994). 9

20 Figur 2: Kompaktvolym och porvolym i betong, (Fagerlund 1994), figur 10.7:1. W b = blandningsvatten W e = fritt vatten W e = W b 0.25αC (8) Hur stor andel av porerna som är fyllda med fritt vatten anges med porfyllnadsgraden, S, se ekvation 9 (Fagerlund 1994). S = Vattenfylld porvolym Total porvolym = vct 0.25α vct 0.19α (9) Betongens fukthalt, W, och fuktkvot, u, har betydelse för krympningen av betongen, se ekvation 10 och 11 (Fagerlund 1994). W = W e V (10) m 0 = total vikt V = total volym u = W e m 0 (11) Tillsatsmedel För att förändra betongens egenskaper tillsätts olika tillsatsmedel. Med utgångspunkt i vilken verkan tillsatsmedlen har på betongen delas de in i olika klasser, exempelvis accelererande, vattenreducerande eller luftporbildande. En hög andel vatten i blandningen skapar luftporer i betongen vilket leder till sämre hållfasthet. För att erhålla en hög arbetbarhet på betongen utan att tillsätta för stora mängder 10

21 vatten tillsätts vattenreducerande medel. Det vattenreducerande medlet fungerar så att det finfördelar cementkornen och därmed ökar flytförmågan. Fördelen är att vid samma betongsammansättning ökas arbetbarheten, alternativt att bibehållen konsistens medför att vattenhalten kan minskas (Byfors 1994). Det finns tre speciella varianter av vattenreducerande tillsatsmedel: accelererande, retarderande och luftporbildande. Den accelererande varianten bidrar till snabb hållfasthetstillväxt och en snabbare sättningstid. Det retarderande tillsatsmedlet förlänger tidsperioden som betongen befinner sig i sitt plastiska tillstånd vilket kan underlätta vid långa transporter av betongen. Luftporbildande vattenreducerare har fördelen att mikroskopiska luftbubblor uppstår i betongen och minskar risken för frysning, samtidigt som hållfastheten i betongen inte minskar vilket annars kan ske vid användning av vanliga luftporbildande medel (Rixom & Mailvaganam 1999). 3.2 Hållfasthetsutveckling Hållfasthetsutvecklingen är viktig för den härdade betongen och beror på många olika faktorer, exempelvis temperaturutveckling, tid, uttorkning och ingående komponenter. Betongens mognad kan bestämmas utifrån tid och temperatur och kan då ge en bild av betongens hållfasthet. Betongens mognadsutveckling kan även beskrivas med hydratationsgraden, se ekvation 7 (Burström 2001) Betongens hårdnande När de olika delmaterialen i betongen blandas startas flera reaktioner som påverkar betongens hållfasthetsutveckling. Betongen genomgår fyra olika faser (Burström 2001), vilka beskrivs nedan och visualiseras i figur 3. Fas 1: Under den första fasen, som även benämns färsk betong, tillstyvnar betongen men så pass lite och långsamt att den lätt kan formas och vibreras. Fas 2: Fas två kallas den unga betongen. Betongen är under denna fas mycket känslig för uttorkning eftersom den största förändringen i egenskaper och hårdnandet sker då. I denna fas löper betongen stor risk för sprickbildning. Fas 3: I fas tre sker den stora hållfashetstillväxten, de mekaniska egenskaperna förbättras och betongen kan i stort sett ha ett funktionssätt som kan liknas vid den sista fasen, hårdnad betong. 11

22 Fas 4: Fas 4 kallas även hårdnad betong. Vid standardcement uppnås den sista fasen efter 28 dygn och har använts som norm eftersom den då uppnått god hållfasthet. Hydratationen av cementen fortsätter men i en betydligt långsammare takt än tidigare. Figur 3: Hållfasthetsutveckling hos betong, (Burström 2001), figur Hållfasthetsutvecklingen och den slutliga hållfastheten påverkas av ett flertal faktorer. Klinkerkomponenterna som är beskrivna i avsnittet påverkar hållfasthetsutvecklingen i olika grad. Figur 4 visar hur de olika komponenternas tryckhållfasthet ökar över tid. C 3 S, är den komponent som är viktigast för cementens hållfasthetsutveckling. Dess hållfasthet ökar markant tidigt efter gjutningen. På längre sikt når dock C 2 S en något högre hållfasthet. Relationen mellan C 3 S och C 2 S används för att påverka cementens hållfasthetstillväxt. Ett långsamthärdande cement (LH) har således ett relativt lågt värde på förhållandet C 3 S/C 2 S medan ett snabbhärdande cement har ett relativt högt värde och då högre andel C 3 S(Fagerlund 1994). 12

23 Figur 4: Klinkermineralens hållfasthetsutveckling, (Johansson 1994b), figur 2.5: Värmeutveckling Cement reagerar med vatten i en exoterm process.värmeutvecklingen startar direkt när cementen blandas med vattnet. Den maximala värmeutvecklingshastigheten sker timmar efter gjutning vid användning av Standard Portlandcement. Efter det avtar reaktionshastigheten men värmeutvecklingen fortsätter så länge det finns cement som reagerar. Olika sorters cement binder olika mängder vatten. Cement med hög alkalihalt binder vanligtvis störst mängd vatten (Johansson 1994a). Betong med lågt vct kommer att generera en hög värmeutveckling eftersom lågt vct innebär en hög andel cement som reagerar exotermt. Värmeutvecklingen leder till en temperaturökning som skiljer sig över betongens tvärsnitt och orsakar spänningar som i sin tur kan leda till sprickbildning (Persson 1992). 3.3 Krympning Varje poröst material, såsom betong, binder fukt. Ju högre relativ luftfuktighet (RF), desto mer fukt kan materialet binda. Vattnet binds först genom absorption, det vill säga genom ytkrafter mot de inre materialen. Vid RF över 45 % bildas krökta menisker i betongens porer. Detta medför att ytterligare vatten binds genom kapillärkondensation. När materialet befinner sig i fuktjämvikt med omgivningen existerar en jämviktsfukthalt och jämviktfuktkvot vars storlek ökar med RF. När RF motsvarar 0 % är jämviktsfukthalten noll och när RF är 100 % är i stort sett alla porer fyllda med fukt. En jämviktskurva, även kallad sorptionsisoterm, beskriver förhållandet mellan hur mycket vatten som binds i materialet vid jämvikt med omgivningen och den relativa luftfuktigheten. Dess utseende beror på huruvida materialet nått sin fuktnivå via uppfuktning eller uttorkning (Wu et al. 2017). Absorptionsisotermen beskriver situationen när materialet uppfuktats och desorptionsisotermen beskriver situationen när materialet torkats ut, se figur 5. Fukthalten är högre vid uttorkning 13

24 än vid uppfuktning när RF överstiger cirka 30 %. Figur 5: Desorptions- och absorptionskurva, (Nilsson 1994), figur 14.3:2. Krympning innebär en kontraktion av betongens volym och kan ge upphov till sprickbildning (Wu et al. 2017). Den totala krympningen kan delas in i krympning vid tidig ålder och långsiktig krympning. Krympning vid tidig ålder är den krympning som sker under de första 24 timmarna efter gjutning och långsiktig krympning är krympning som sker därefter. Krympning vid tidig ålder består av plastisk och autogen krympning (Esping 2007). Både vid tidig och långsiktig krympning kan krympningen härledas till tre sorters krympning: autogen krympning, uttorkningskrympning och temperaturrelaterad krympning (Wu et al. 2017) Självuttorkning Självuttorkning sker när cementpastan får härda utan vattentillförsel och förhindras att avdunsta (membranhärdning). Luftfyllda porer bildas när det kemiskt bundna vattnet krymper till 75 % av sin ursprungsvolym under de kemiska reaktionerna. Volymen självtorkade porer blir därmed 0,25W n. Cementreaktionen är kraftigt beroende av RF. Om RF understiger % avstannar reaktionen nästan helt och reaktionen dämpas även vid höga RF-halter. Lågt vct skapar en mycket kompakt betong med en liten tillgång till fritt vatten. Ett lågt vct och en hög hydratationsgrad kan medföra självuttorkning av betongen (Persson 1992). Genom att beräkna porfyllnadsgraden med hjälp av vct och hydratationsgraden, se ekvation 7, erhålls en bild av självuttorkningen. En lägre porfyllnadsgrad innebär en större självuttorkning. Vid gjutning av grövre konstruktioner kan självuttorkningen 14

25 orsaka problem då härdningsvattnet har svårt att ta sig från ytan till tvärsnittets mitt (Persson 1992) Plastisk krympning Plastisk krympning uppstår när nygjuten betong utsätts för uttorkning medan betongen fortfarande befinner sig i ett plastiskt tillstånd och innan det egentliga hårdnandet har börjat (Ljungkrantz et al. 1994a). Avdunstningsförhållanden påverkar krympningshastigheten som i sin tur påverkar risken för sprickbildning. Vad som påverkar dessa förhållanden är omgivningens fukt- och temperaturförhållanden, betongytans temperatur och exponering. Vidare påverkar mängden cementpasta den plastiska krympningen där en ökad mängd cementpasta bidrar till ökad krympning (Ljungkrantz et al. 1994a) Autogen krympning Den autogena krympningen uppstår till följd av betongens självuttorkning och kan definieras som den makroskopiska volymminskning av cementpastan som sker efter den initiala sättningen då cementet hydratiserar. Vad som kännetecknar autogen krympning är att det är den krympning som inte beror på förlust av betongens ingående komponenter, temperatur eller till följd av en yttre kraft (Wu et al. 2017). Vissa studier påvisar att autogen krympning främst drabbar högpresterande betong med högt cementinnehåll (Tazawa 1996) Uttorkningskrympning Uttorkningskrympning uppstår när betongen härdar och det sker en vattenavgång av det förångningsbara vattnet varvid cementpastan dras samman. Vid omväxlande RF sker krympning i olika utsträckning men den första krympningen är den mest avgörande för betongkonstruktionen och kan skapa olägenheter, se figur 6. Vattenavgången är sällan uniform och skapar som effekt olika fuktnivåer i betongens olika lager. De olika fuktnivåerna skapar inre spänningar i betongen. Utsidan av betongplattan torkar fortare och med anledning av det fukthärdas betongen (Ferguson et al. 1988). 15

26 Figur 6: Krympningsförlopp, (Jonasson 1994), figur 15.2:1. Uttorkningskrympning är en av de största orsakerna till sprickor i betongplattor på mark. Krympningen i betongplattorna startas direkt när vattnet kommer i kontakt med cement och resterande delar i betongblandningen. Vid högre halter av vatten och cement löper betongen större risk för sprickbildning till följd av krympning. Underliggande materials fuktinnehåll har även en inverkan på uttorkningskrympning (Shadravan et al. 2015). Data från en omfattande studie som löpte över 30 år visar att nästan 50 % av den slutliga uttorkningskrympningen inträffade inom de två första månaderna och efter det första året hade nästan 80 % inträffat (Nmai et al. 1998) Beräkning av total krympning Den autogena krympningen utgör tillsammans med uttorkningskrympningen den totala krympningen, se ekvation 12 (Eurocode ). Ekvationerna nedan användes av konstruktörerna till plattan på ESS och kommer därför att ligga till grund för författarnas beräkningar. Resterande del av avsnittet är baserat på Eurocode-2 (2008). ε cs = Total krympning ε cd = Uttorkningskrympning ε ca = Autogen krympning ε cs = ɛ cd + ε ca (12) Uttorkningskrympningen beror på tiden och beräknas enligt ekvation 13. Koefficienterna β(t, t s ) och k h beror på den fiktiva tjockleken som beräknas enligt ekvation 16

27 14. β(t, t s ) beror även på antalet dagar sedan gjutning och beräknas enligt ekvation 15. ε cd (t) = β(t, t s ) k h ε cd,0 (13) h 0 = 2 A c u (14) β(t, t s ) = (t t s ) (t t s ) h 3 0 (15) β(t, t s ) = koefficient t = betongens ålder betraktad tidpunkt, dagar t s = betongens ålder vid början av uttorkningskrympning, dagar k h = koefficient som beror på h 0 ε cd = nominellt värde på oförhindrad uttorkningskrympning h 0 = fiktiv tjocklek på betongplatta, mm A c = betongens tvärsnittsarea, mm 2 u = omkretsen för den del av tvärsnittet som exponeras för uttorkning, mm Den andra delen att beräkna för att erhålla den totala krympningen vid en specifik tidpunkt är den autogena krympningen, ε ca (t), vilken beräknas enligt ekvation 16. Ekvationerna för 17 och 18 används i beräkningen av den autogena krympningen. ε ca (t) = β as (t) ε ca ( ) (16) ε ca ( ) = 2.5(f ck 10) 10 6 (17) β as (t) = koefficient beroende av tid f ck = cylinderhållfasthet, Pa ε ca ( ) = slutlig autogen krympning β as (t) = 1 exp( 0.2t 0.5 ) (18) 17

28 3.3.6 Tvärsnitt och dimensioners inverkan på krympning Hur en betongkropps dimensioner påverkar slutvärdet av krympningen är inte helt klarlagt. En del samband har påvisats där en större tjocklek innebär mindre krympning. Detta dimensionsberoende tros dock uppstå till följd av att det inte är krympningens slutvärde som undersökts. Sammantaget är slutvärdet troligen inte dimensionsberoende (Byfors 1980). Uttorkningskrympning leder till olika fuktfördelningar över betongens tvärsnitt vilket resulterar i ojämna krafter och att krympningen blir ojämn över tvärsnittet. Forskning har kommit fram till att den största krympningen sker ytterst i tvärsnittet där den relativa fuktigheten sjunker som mest och snabbast eftersom det utsätts för direkt uttorkning. Ju djupare in i betongprovet desto långsammare sker förändringen av den relativa luftfuktigheten och således sker även krympningen långsammare och blir inte fullt lika utvecklad (Xiaojian et al. 2012). Den slutgiltiga krympningen beror på förhållandet mellan tvärsektion och betongyta exponerad för uttorkning. En större yta exponerad för uttorkning innebär en större krympning (Ferguson et al. 1988) Cementens inverkan på krympning Cementens inverkan på betongens krympning beror på den kemiska sammansättningen. Enligt Carlsson (1938) krymper cementpastan mellan 5 till 15 gånger mer jämfört med betong. Anledningen till pastans krympning finns i de olika cementmineralen. Carlsson (1938) fann att trikalciumaluminat, C 3 A, hade störst inverkan på cementpastans krympning och därefter dikalciumsilikat, C 2 S, och trikalciumsilikat, C 3 S, i fallande ordning Ballastens inverkan på krympning Betongens krympning beror inte enbart på cementpastan krympning utan även på ballastens mängd och egna krympning. Den största påverkande faktorn hos ballasten är dess relativa kompressabilitet och absorptionsförmåga. Högre absorptionsförmåga hos ballasten medför större krympning eftersom det finns mer tillgängligt vatten att torka ut (Tremper & Spellman 1964). Om betongen gjuts med krympbenägen ballast, till exempel sandsten eller skiffer, kommer den totala krympningen att öka avsevärt. Om valet istället blir en mindre krympbenägen ballast, som exempelvis granit eller basalt, kommer krympningen att minska (Hansen & Nielsen 1965). 18

29 Användandet av grov ballast i stor mängd begränsar krympning på två sätt. Det totala användandet av vatten och cementpasta kommer att minska vilket bidrar till minskad krympning. Vidare reduceras krympningen ytterligare eftersom den grova ballasten är motståndskraftig och inte tillåter betongen att krympa i samma utsträckning (Nmai et al. 1998) Tillsatsmedels inverkan på krympning Betongen som används vid gjutningarna i denna studie innehåller vattenreducerande medel och det påverkar i mindre utsträckning krympningen. Slutkrympningen påverkas inte vid användandet av vattenreducerande medel, men den tidiga krympningen kan öka något (Byfors 1994) Armeringen och dess konfigurations inverkan på krympning När armerad betong krymper, skapas stora dragspänningar och det beror till stor del på graden inspänning. Armering används för att öka betongens draghållfasthet. När spänningsgränsen i betongen överskrids kommer det att resultera i sprickbildning (Huang et al. 2017). Huang et al. (2017) undersöker armeringsjärnens utformning och placerings inverkan på betongens krympning och sprickbildning. Huang et al. (2017) utgår från två sätt att placera järnen se figur 7. Figur 7: Armeringskonfiguration, två olika fall. Den första konfigurationen bestod av ett järn som löpte längsgående i betongen. Den andra konfigurationen som undersöktes bestod av fyra armeringsjärn som löpte längsgående. Försöket genomfördes på flera olika diametrar på armeringsstängerna. De olika konfigurationerna duplicerades och det ena provet fick härda övertäckt medan det andra inte härdades övertäckt. Oavsett härdningsförhållanden uppvisade proverna högre krympkrafter vid användning av mer armering i förhållande till tvärsnittet på betongen. Krympkraften var lägre vid användning av fyra armeringsjärn relativt ett järn trots samma andel armering i förhållande till betongens tvärsnittsarea. Det påvisades även att krympkraften i betongen minskade relativt sträckan från armeringsjärnet. Längst från järnet var kraften som minst. Vid samma armeringskonfiguration uppvisade det övertäckta provet lägre krympkrafter då den fria krympningen var mindre (Huang et al. 2017). 19

30 Experimentet av Huang et al. (2017) påvisade att krympningen kommer att påverka betongens sprickbildning. Risken för sprickbildning beräknades för de olika proverna efter 675 timmar. Inget av proverna beräknades att spricka. Det prov som uppvisade högst potential att spricka var provet med störst andel armering jämfört tvärsnittsarean på betongen. För proven med samma andel armeringsjärn kalkylerades risken för sprickbildning till ett högre värde vid endast ett armeringsjärn jämfört med provet med fyra stycken järn. Sammanfattat ökade risken för sprickor med armeringsjärnets diameter och det minskade om armeringens tvärsnittsarea fördelades på fler järn.vid armering på undersökta nivåer i provet gav den yttre armeringen en positivare effekt i form av mindre krympning relativt armering mer centralt i tvärsnittet (Huang et al. 2017). 3.4 Längdändring av temperatur Vid uppvärmning expanderar betongen och vid avkylning sker en kontraktion. Längdändringen erhålls ur ekvation 19 (Ljungkrantz et al. 1994b). där l = längdändring α c = betongens längdutvidgningskoefficient, 1/ C l = längd T = temperaturändring, C l = α c l T (19) Vid temperaturändring och förhindrad rörelse utsätts betongen för påkänningar vilka bland annat påverkas av hastigheten hos temperaturändringen. Betongens längdutvidgningskoefficient, α c, beror på cementpastans längdutvidgningskoefficient, α p, ballastens längdutvidgningskoefficient, α a, volymandelen cementpasta, V p och volymandelen ballast, V a. Vid måttlig temperatur, C, kan betongens längdutvidgningskoefficient förenklat beräknas enligt ekvation 20 (Ljungkrantz et al. 1994b). 20

31 α p = cementpastans längdutvidgnings koefficient, 1/ C α a = ballastens längdutvidgnings koefficient, 1/ C V p = volymandel cementpasta V a = volymandel ballast α c = α p V p + α a V a (20) Cementpastans längdutvidgningskoefficient Längdutvidgningen hos cementpastan påverkas av en temperatureffekt, värmeutvidgning samt av en omfördelning mellan gel- och kapillärvatten vid temperaturändringen. Då temperaturen höjs minskar kapillärkrafterna i gelen och pastan sväller. Svällningen medför att längdutvidgningskoefficienten är stark fuktberoende, ett idealiserat samband presenteras nedan i figur 8. Figur 8: Idealiserat samband mellan cementpastans längdutvidgningskoefficient och omgivningens relativa luftfuktighet samt ålder månader månader 3. >15 år (Ljungkrantz et al. 1994b), figur 18:4:2. 21

32 Ballastens längdutvidgningskoefficient Längdutvidgningskoefficienten hos ballasten är beroende av dess mineralogiska sammansättning, se tabell 5. Tabell 5: Diverse stenmaterials längdutvidgningskoefficienter, α a, inom temperaturområdet 0-60 C, (Johansson 1994a), figur 3.4:2. Material α a, / C Vulkaniska bergarter Granit, syenit, kvartsporfyr, porfyrit Diorit, gabbro Basalt, melafyr, dolerit, diabas Sedimentära bergarter Kvarts, kvartsit, kvartsitisk sandsten, kvartssandsten Tät kalksten, marmor, dolomit, kalkkonglomerat Metamorfa bergarter Gnejs, granulit Sprickor i betong Det finns alltid risk för sprickbildning i betong, både under tillstyvnadsprocessen och efter det att den hårdnat. Olika mekanismer orsakar töjningsrörelser i betongen vilket bidrar till sprickbildningen. När den aktuella töjningen överskrider gränstöjningen, som varierar med betongens ålder, spricker betongen. För att kunna begränsa och styra sprickbildningen krävs lämpliga motåtgärder (Petersons 1994b). Denna sektion inleds med att presentera de sprickor studien har valt att fokusera på, deras typiska utseende, mekanismen bakom deras uppkomst och förslag på motåtgärder. Fortsättningsvis presenteras kartläggning av sprickor. Sektionen avslutas med att presentera sprickors inverkan och betydelse Spricktyper Denna sektion kommer att fokusera på de spricktyper som är kopplat till arbetets fältstudie. Det medför att en del spricktyper utelämnas. För en mer komplett genomgång hänvisas läsaren till Petersons (1994b), som också utgör källan, om ej annat anges, till nedanstående information. Plastisk sättspricka Då betongen är nygjuten sjunker överytan till följd av vattenseparation. Förhindras denna sättning kan sättsprickor uppstå när betongytan styvnat. De plastiska 22

33 sättsprickorna uppträder vanligtvis en till tre timmar efter gjutning. Sprickmönstret är oftast regelbundet där sprickorna har en bredd upp till 5 mm och ett litet sprickdjup (Hellström 1974). För att förhindra plastiska sättsprickor presenterar Petersons (1994b) följande åtgärder: Minskning av betongens vattenseparation. Ungefär 2 timmars gjutuppehåll vid sektionsändringar. Återvibrering då sättningen upphört men då betongen fortfarande är vibrerbar. Efterbearbetning av ytan, exempelvis stålglättning som sluter sprickorna i ytan men inte nödvändigtvis längre in i konstruktionen. Plastisk krympspricka Plastisk- och autogen krympning är de två huvudsakliga orsakerna till att betong spricker i tidig ålder. Den plastiska krympningen är en följd av en kraftig minskning av vatteninnehållet, exempelvis på grund av avdunstning (Sivakumar & Santhanam 2006). Plastiska krympsprickor uppstår i mycket tidig ålder, vanligtvis inom loppet av några timmar. Dessa sprickor är mycket vanliga i de fall nygjuten betong inte skyddats mot uttorkning direkt efter gjutning. Sprickbildningen uppstår när deformationen av plastisk krympning överstiger betongens gränstöjning (Petersons, 1994). Plastiska krympsprickor är ofta associerat med varma och torra klimat och yttrar sig främst vid horisontell och utsatt betong (ACI-Committee 1999). Sprickorna är ofta en följd av avdunstning men kan även vara en följd av kapillärt tryck som byggts upp (Schmidt & Slowik 2013) (Boshoff & Combrinck 2013). Vattenavdunstning sker antingen till följd av att vattnet absorberar värmeenergi från exempelvis luften, betongen eller solstrålningen, eller till följd av låg fuktighet (Uno 1998) (Sayahi et al. 2014). Samman et al. (1996) visade på att höghållfast betong med hög cementhalt har en högre risk för plastisk krympsprickbildning. De plastiska krympsprickorna kan ha varierande karaktär. Antingen kan sprickmönstret vara oregelbundet eller ha en parallell orientering. Vidare kan den uppstå över armering eller runt fogar, se figur 9 för illustration. Sprickdjupet är oftast litet men kan vara genomgående och sprickbredden är normalt mellan 1 och 2 mm (Petersons 1994b). Sprickornas längd kan variera mellan 50 och 1000 mm och har ett avstånd mellan varandra om 50 till 700 mm. Hur sprickbildningen utvecklar sig beror på hur snabbt avdunstningen sker (Kosmatka et al. 2002). 23

34 Figur 9: Utseende hos plastiska krympsprickor, (Petersons 1994b), figur a. Typiskt utseende b. Parallell orientering c. Oregelbunden orientering d. Vid beläggning e. Vid golv För att förhindra plastisk krympning bör betongen skyddas mot uttorkning och dess fukthärdning stärkas. Åtgärderna ska appliceras innan dess att det fria vattnet på överytan avdunstat (Petersons 1994b). Petersons (1994b) rekommenderar någon av följande åtgärder: Täckning med filt med hög vattenkvarhållande förmåga och vattenbegjutning Täckning med plastfolie Membranhärdning Vidare kan en lämplig betongsammansättning, exempelvis användning av krympreducerande tillsatsmedel, reducera den plastiska krympningen (Lura et al. 2003). Därutöver visade Löfgren & Esping (2006) att vct bör ligga mellan 0.45 och 0.55 för att minska risken för sprickbildning. Slowik & Schmidt (2010) visade att om betongytan täcks med dimbildning minskar risken för sprickbildning genom att den relativa fuktigheten ökar samtidigt som betongen ersätts med en del av det förlorade vattnet. Slutligen kan ett vindskydd användas för att minska avdunstningen och därmed minska risken för sprickbildning (Uno 1998). Krympspricka Krympning är en vanlig orsak till sprickbildning i betongplattor (Shadravan et al. 2015). Krympsprickor kan uppträda en till flera månader in i betongens livscykel. Sprickorna kan uppträda både som ytsprickor och genomgående sprickor. I cementbaserade kompositmaterial, likt betong, leder uttorkningen av den hårdnade cementpastan till krympning och egenspänningar i materialet (Bisschop et al. 2001). Innan fuktjämvikt i materialet uppnåtts ger fuktgradienten upphov till interna krymp- 24

35 ningsbegränsningar. Konsekvensen blir att det bildas interna spänningar eftersom det blir dragspänningar på ytan och tryck inuti materialet. Detta spänningsförhållande kan ge upphov till sprickbildning om krympningen är återhållen. Denna sprickbildning, baserad på icke uniform krympning, yttrar sig som ytsprickor. Dessa ytsprickor kan sedermera tränga djupare in i betongen om betongen krymper ytterligare (ACI-Committee 2008). Genomgående sprickor uppstår då betongen förhindras att kontrahera. Vid förhindrande av sammandragningen bildas dragspänningar. Då dragspänningarna överstiger draghållfastheten spricker betongen genomgående, se figur 10. Förhindrande av sammandragning kan vara av yttre karaktär, exempelvis orsakad av angränsande konstruktionsdelar, eller av inre karaktär, det vill säga då betongens inre del krymper långsammare än ytan. Sprickbredden varierar mycket och sprickbildningen är snarlik temperaturrelaterade sprickor och uppkomsten av sprickor kan ofta vara till följd av både krympning och temperaturrörelser (ACI-Committee 2008). Figur 10: Uppkomst av krympsprickor. (ACI-Committee 2008), figur 3.1. Temperatursprickor Temperatursprickor kan precis som krympsprickor yttra sig både som ytsprickor och som genomgående sprickor. Ytsprickor yttrar sig i samband med betongens avsvalning medan de genomgående sprickorna kan uppstå antingen i samband med betongens avsvalning eller till följd av variationer i omgivningens temperatur. Ytsprickorna har en liten bredd, 0,01 0,1 mm, och har ofta ett djup mindre än 50 mm. Dessa uppstår till följd av att temperaturen i betongen stiger vid cementens värmeutveckling samtidigt som betongen vid ytan har en högre värmeavgång än mitten av betongen. Skillnaden i värmeavgång leder till att en temperaturdifferens i 25

36 betongen skapas vilket medför dragspänning vid ytan och tryck i mitten. Vid alltför stor temperaturdifferens uppstår ytsprickor. En grövre konstruktion innebär, allt annat lika, en större temperaturgradient och därmed större risk för sprickbildning (Petersons 1994b). Avsvalning efter hårdnandet kan även leda till genomgående sprickor. Temperaturen i betongen stiger under dess hårdnande till följd av cements värmeutveckling. Vidare kan medföljande utvidgning av betongen vara förhindrad av angränsande konstruktionsdelar vilket kan resultera i att tryckspänningar i betongen byggs upp. Detta är aktuellt när betongen är ung vilket innebär små plastiska deformationer och därmed relativt små tryckspänningar. Betongen börjar vanligtvis svalna 0,5 2 dygn efter gjutning. Vid förhindrande av sammandragning återgår tryckspänningarna snabbt och istället bildas dragspänningar. Om dragspänningen överskrider draghållfastheten kan betongen spricka genom hela tvärsnittet. Avgörande för uppkomsten av dessa sprickor är hur snabbt avsvalningen sker. En snabbare avsvalning innebär större risk för sprickor (Petersons 1994b). Vid variationer i omgivningens temperatur kan sprickbildning uppstå. Denna sprickbildning är lik den som orsakas av krympning. Speciellt är att sprickbredden kan variera i takt med temperaturrörelserna. Sprickorna är karakteristiskt genomgående och vinkelräta relativt rörelsen som orsakas av temperaturvariationer. De uppkommer om temperaturrörelserna förhindras (Petersons 1994b). Grova konstruktioner har traditionellt sett ansetts ge upphov till höga temperaturskillnader genom tvärsnittet vilket ökar risken för temperatursprickor. Temperaturstegringen kan ofta bli stor, ojämn och långvarig i grövre konstruktioner (Emborg & Bernander 1994). Materialets termiska egenskaper är viktiga för att begränsa sprickbildning som orsakas av temperaturförändringar i betong (ACI-Committee 2008). Den påföljande volymförändringen tillsammans med olika begränsningar till förändring leder till dragspänningar och eventuellt sprickbildning i likhet med ovan presenterad teori (ACI-Committee 2005). Det som främst påverkar temperaturspänningar och sprickrisker i tidig ålder är temperaturutvecklingen följd av hydrationen, den unga betongens mekaniska egenskaper, graden av tvång och temperaturen hos anslutande konstruktionsdelar (Emborg & Bernander 1994). För att undvika ytsprickor under betongens avsvalningsfas behöver temperaturdifferensen mellan betongens inre delar och ytan begränsas (Petersons 1994b). 26

37 Anläggningscement används ofta när risken för temperatursprickbildning föreligger. När Anläggningscement används riskerar temperatursprickbildning uppstå när töjningen uppgår till ungefär 0.11 % (Jansson & Fagerlund 1983). Petersons (1994b) presenterar följande motåtgärder för att förhindra genomgående sprickor vid betongens avsvalning: Användning av cement med låg värmeutveckling Låg cementhalt Låg temperatur hos den färska betongen Indelning i lämpliga gjutetapper Anordning av fogar Kylning av betong Inverkan och sprickors betydelse Tailhan et al. (2010) anser att förståelsen av betongens sprickbildning är viktig för att kunna utreda befintliga betongkonstruktioners livslängd. Det strukturella tillståndet hos konstruktionen i fråga och dess skick kan bedömas till viss del med hjälp av sprickbildningen (Farhidzadeh et al. 2013). Det är i princip omöjligt, och heller inte önskvärt, att åstadkomma en sprickfri konstruktion. Däremot kan sprickbildning behöva begränsas då sprickorna kan ha en negativ påverkan på bland annat konstruktionens bärighet och armeringskorrosion, (Petersons 1994b). Inverkan på bärighet Innan brottlast uppnåtts i betongen är det önskvärt med en tydlig sprickbildning för att kunna upptäcka och åtgärda problemet innan skadan sker. Sprickor är generellt inte farliga och behöver ej begränsas. Dock kan mycket breda sprickor ge en indikation på kraftigt reducerad bärighet. En så pass grov sprickbildning kan uppstå till följd av felkonstruktion, överbelastning eller otillräcklig armering. Vidare kan konstruktionens nyttiga draghållfasthet reduceras till följd av ytsprickor som uppkommer till följd av avsvalning eller krympning (Petersons 1994b). Armeringskorrosion Sprickor medför en kortare initieringstid för korrosionen. I närvaro av klorider kan sprickor längs armeringen även innebära en kraftigare korrosion. Däremot har sprickbredden inte någon avgörande betydelse för korrosionen, varken vid korrosion tvärs eller längs armering (Petersons, 1994). I karbonatiserad betong påverkas betongens korrosion upp till fyra års ålder av sprickbredden. Däremot har inverkan av sprickbredd försvunnit efter ungefär 10 år efter gjutning (Petersons 1994b). 27

38 4 Fältstudie Studien behandlar en bottenplatta av betong, benämnd D01. D01 är lokaliserad i norra delen av Lund och är en del av den framtida forskningsanläggningen ESS. Plattan utgör grunden för en av de experimenthallar som ska upprättas. I denna hall kommer högteknologiska och känsliga instrument att installeras. Dessa instrument ställer höga krav på byggnaden i form av krav på bland annat rörelser och sprickor. Plattorna vilar dessutom på pålar av betong som riskerar att gå till brott om tillräckligt stora tvär- eller böjkrafter uppstår. För att hantera ovannämnda krav och risker har Skanska anlitat en konsultfirma för att designa och konstruera plattan efter gällande krav och normer. Detta avsnitt inleds med att behandla bakgrund och förutsättningar så som geometri, material och krav. Nästkommande del presenterar de gjutetapper som göts i september Avslutningsvis presenteras utfallet av mätningar genomförda av projektets mättekniker. Avsnittet grundas i rapporter tillhandahållna av Skanska. Illustrationer, tabeller och beräkningar är, om ej annat uppges, tagna från dessa rapporter. 4.1 Bakgrund och förutsättningar ESS vision är att bygga och driva en världsledande forskningsanläggning med världens mest kraftfulla neutronkälla för att möjliggöra vetenskapliga genombrott i forskning relaterat till ett flertal forskningsområden. Byggprojektet förväntas vara klart i slutet av Anläggningen består av ett flertal byggnader. Denna studie fokuserar på grundplattan i experimenthall D01, se figur 11. När detta arbete tog sin början hade enbart två, sammanhängande, gjutetapper genomförts. Därför kommer mätningar och sprickkartering enbart att genomföras på de delar av D01 som göts i september

39 Figur 11: Överblick över området Plattans geometri När D01 är färdigställd kommer den att ha en area om 150 m 50 m, samt en tjocklek om 500 mm. Plattan designas för att gjutas på plats och undertill stöds plattan av pålar med ett tvärsnitt om, 275 mm 275 mm. För att uppnå sättningskraven har 2500 pålar drivits ned i marken med ett centrumavstånd mellan 1.5 och 1.8 meter. Pålarna är ungefär 9 meter långa och de ansluter och inbäddas 100 mm in i plattans undersida. Denna studies mätningar och sprickkartering behandlar de sektioner som benämns S1064, S1065, S1077 och S1078. Sektionerna göts två och två. S1064 göts tillsammans med S1077 medan S1065 göts tillsammans med S1078. Varje etapp var ungefär 20 m 10 m och bildar tillsammans en sammanhängande sektion om ungefär 20 m 20 m. Placeringen av de första gjutetapperna relativt plattan i sin helhet visas i figur

40 Figur 12: Placering av de sektioner som göts i september Gjutning av intilliggande sektioner Den 6 mars 2018 återupptogs gjutningsarbetet och då göts en intilliggande sektion till den redan existerande plattan. Den sektion som göts angränsar till sektion S1065 och S1078, se figur Betong Betongen som användes för att gjuta etapp S1064, S1065, S1077 och S1078 i september 2017 levererades av AB Sydsten. De karakteristiska egenskaperna hos betongen presenteras i tabell 6. Informationen är hämtad från leveransernas följesedlar. 30

41 Tabell 6: Betongens karakteristiska egenskaper, AB Sydsten Betong, D01 Betongklass C40/50 Stenmax 16mm Sättmått 150mm Cement Anläggningscement CEM I 42.5 MH LA SR Vattenreducerare Max vct 0.40 Exponeringsklass XD3 Högsta kloridhalt 0.10 % Temperatur vid leverans C Betongreceptet för gjutningarna i september presenteras i tabell 7. Tabell 7: Betongrecept C40/50-16-SM140 Recept Material Produkt Mängder Densitet Volym Procent [kg/m3] [kg/m3] [liter] [%] Cement Anläggning Flygaska Emineral Vatten Flyttillsatsmedel Sikament EV O C40/50-16-SM A Sand Fakse Bugt 0/ Stenmjöl Makadam Hardeberga kvartsit 4/ Makadam Hardeberga kvartsit 11/ Luft 20 Totalvatten: 170 Effektivt vatten: vct: Densitet Armering i D01 På grund av de höga kraven på rörelser och beständighet i D01 används stora mängder armering. Den längsgående armeringen (armeringsstänger i både längd och tvärriktning) består till stor del av stänger med dimension ø25/150. Vissa delar av plattan är dock förstärkta med längsgående armering av dimension ø32/150. För sektionerna S1064, S1065, S1077 och S1078 gäller att den nedre längsgående armeringen i S-riktningen är av dimension ø32/150 medan resterande längsgående armering är av dimension ø25/150. Se figur 13, notera att figuren endast visar den generella placeringen av längsgående armeringen och skillnader i lokala områden kan 31

42 förekomma. Figur 14 visar en bild armeringen i D01. Figur 13: Överblick över längsgående armering. Figur 14: Armering i D01. 32