Ballastkarakterisering Olika ballasters inverkan på betong

Transkript

1 Examensarbete 10 poäng C-nivå Ballastkarakterisering Olika ballasters inverkan på betong Reg.kod: Oru-Te-EXA096-B104/07 David Sandberg och Lars Johansson Byggingenjörprogrammet 120 p Örebro vårterminen 2007 Examinator: Tord Larsson AGGREGATE CHARACTERISTICS DIFFERENT AGGREGATES EFFECT ON CONCRETE Örebro universitet Örebro University Institutionen för teknik Department of technology Örebro SE Örebro, Sweden

2 Sammanfattning Med de nya hårda kraven på ett sänkt uttag av naturgrus så kommer behovet av alternativt ballastmaterial att öka. Detta har lett till att intresset för krossballast ökat. Betongindustrin har även den utvecklats och självkompakterande betong blir ett allt mer använt material. Den självkompakterande betongens känslighet i kombination med krossballastens intåg på marknaden har lett till att forskning kring krossballasts påverkan på betong blivit intressant. I denna rapport har en del försök utförts för att studera skillnaderna mellan krossballast och naturballast. Försök som utförts är, mekanisksiktning, luftstrålesiktning, bestämning av packningsgrad, bruksprovdels för vct 0,45 och 0,55. Laborationerna har utförts på Björka minerals laboratorium i Glanshammar. Test serier har omfattat sju stycken olika ballast material, tre naturballast, tre krossballast och ett referensmaterial. Den mest övergripande slutsatsen vi kommit fram till är att krossballast generellt ger sämre flytegenskaper än naturballast. i

3 Summary With the new hard guidelines on a lowered usage of natural aggregate the need of alternative aggregate will increase. This has led to an increased interest for crushed aggregate. Within the concrete industries the Self Compacting Concrete (SCC) has been developed and has become a more used material. The SCCs sensitivity to variations in combination with increased interested of using crushed aggregate has led to research involving crushed aggregates influence on concrete has become very interesting. In this treatise we have conducted some studies to identify the differences between natural aggregate and crushed aggregate. The studies conducted are, two different methods of particle size analysis, determination of density and slump flow tests with mortar wct 0,45 and wct 0,55. The studies have been conducted at Björka minerals laboratory in Glanshammar. Our studies have involved seven different aggregates three crushed aggregates, three natural aggregates and one reference aggregate. A general conclusion is that natural aggregate gives the concrete better flow properties than crushed aggregate. ii

4 Förord Vi vill speciellt tacka följande personer: Tomas Cederhammar, Sika AB Laborations personalen, Björka mineral Vi vill även tacka vår handledare Stefan Petersson Örebro den David Sandberg Lars Johansson iii

5 Innehållsförteckning 1 Inledning Bakgrund Syfte Avgränsningar Disposition 1 2 Introduktion Generella egenskaper Ingrediensers inverkan på betongen 6 3 Bruk Framtagning av recept 8 4 Försök Introduktion Förberedning av prover Neddelning Torkning Tvättning Märkning Bestämning av kornstorleksfördelning Syfte Metod Resultat Bestämning av packningsgrad Syfte Metod Beräkningar och resultat Bestämning av specifik yta Syfte Metod Resultat Bruksprovning Syfte Metod Resultat Resultatsammanställning 22 5 Diskussion och slutsatser Diskission Slutsatser 24 6 Referenser 25 7 Bilaga A Protokoll från siktning 26 8 Bilaga B Bilder på laborationsutrustning 32 9 Bilaga C Terminologi 39 iv

6 Kapitel 1 Inledning 1 Inledning I rapporten förekommer en del ovanliga ord samt begrepp. Dessa finns förklarade i bilaga C Terminologi. 1.1 Bakgrund Ballasten kan vara antingen naturgrus, krossat berg eller en kombination av båda. Eftersom naturgrus är en ändlig resurs försöker man av miljöskäl använda sig av krossat material istället för naturgrus då detta är möjligt. Naturgrus ger en något bättre arbetsbarhet och därmed minskat vattenbehov för samma arbetsbarhet. Krossat material å andra sidan bidrar ofta till en ökad tryckhållfasthet tack vare bättre vidhäftning mellan cementlimmet och krossmaterialets ytstruktur. En betong består i regel av flera olika typer av ballast med varierande fördelning av partikelstorlekar. Materialets partikelfördelning åskådliggörs med en siktkurva. I denna rapport studeras eventuella skillnader i utflytningsförmågan när ballasten består av naturgrus eller krossat berg i självkompakterande betong. (källa: 8. Conlab) 1.2 Syfte Syftet med denna rapport är att försöka hitta ett gemensamt pastarecept som kan användas till de olika formerna av ballast. Syftet är även att hitta parametrar i ballasten som har olika påverkan på betongens arbetsbarhet. Parametrar som visar eventuella samband i flytbarhet såsom BET-yta, kornsammansättning, stänglighet, kompaktdensitet, skrymmdensitet och packningsgrad. 1.3 Avgränsningar I denna studie används sju stycken olika ballast från olika täkter varav tre stycken är naturballast, och tre stycken är krossad ballast. Som referensballast används en normsand av naturgrus. Pastareceptet som har tagits fram har provats fram till ett bra utflytnadsmått och en bra konsistens utifrån normsanden. Samma tillsatsmedel såsom superplastiserare (SP-flyttillsatsmedel) och samma cement har använts i alla försök. 1.4 Disposition 1. Introduktion som belyser ballasts påverkan på betongen. 2. Försök och resultat. 3. Slutsatser och diskussioner om de olika parametrar hos ballasten som påverkar arbetbarheten hos betongen. 1

7 Kapitel 2 Introduktion 2 Introduktion Hela introduktionen är en sammanfattning av Oskar Espings Rapport (källa: 2. O.Esping) 2.1 Generella egenskaper Flödesbeteende Det är viktigt att dela upp vätskor eller blandningar i grupper för att lättare kunna förstå deras beteende. Vätskor kan delas in i tre huvudgrupper. Vätskor med newtonsk beteende, generellt icke-newtonskt beteende och viskoplastiskt icke-newtonskt beteende. Den uppdelningen gör skillnad på hur vätskorna uppträder när de flyter ut. En newtonsk vätska uppvisar ett linjärt samband mellan skjuvhastigheten och skjuvspänningen. När skjuvhastigheten är noll är även skjuvspänningen noll. En generell icke-newtonsk vätska visar på antingen ett förtunnande (pseudoplastiskt) eller ett förtjockande beteende vid ökad flythastighet. Men i likhet med en newtonsk vätska så är skjuvspänningen noll när skjuvhastigheten är noll. En viskoplastisk icke-newtonsk vätska har en flytgränsspänning. Flytgränsspänningen är den skjuvspänningen som vätskan måste anbringas för att börja flyta. När flytgränsspänningen är passerad och vätskan börjat flyta så kan den uppvisa ett linjärt samband (Bingham-plastiskt (ideal)) eller ett till början förtunnande beteende för att vid högre skjuvhastighet anta ett linjärt samband (Bingham-plastisk (icke-ideal)). Ideala vätskor som exempelvis vatten uppvisar ett newtonskt beteende men det finns många viktiga vätskor som uppvisar ett icke newtonskt beteende som exempelvis blod, kosmetika och betong. 2

8 Kapitel 2 Introduktion Figur 1. Flödestyper visade som kurvor och deras karakteristiska form (källa: 2. O.Esping) Nedan visas förklaringar till kurvorna i figur 1 1. Newtonska: Viskositeten är konstant vid olika skjuvhastigheter 2. Generell icke-newtonska: a) Skjuv-förtjockande: Viskositeten ökar kontinuerligt när skjuvhastigheten ökar. b) Skjuv-förtunnande: Viskositeten minskar kontinuerligt när skjuvhastigheten ökar. 3. Visckoplastisk icke-newtonska: a) Skjuv-förtunnande med flytgränsspänning: Viskositeten minskar kontinuerligt när skjuvhastigheten ökar efter det att flytgränsspänningen uppnåts (σ app ). b) Bingham-plastisk (Ideal): Följer Bingham-modellen idealt. Över flytgränsspänningen (σ 0 ) så är den viskositeten konstant och kallas den plastiska viskositeten. c) Bingham-plastisk (Icke-ideal): Över den uppenbara flytgränsspänningen så minskar viskositeten med ökad skjuvhastighet. När skjuvhastigheten blir högre (plastiska området) blir viskositeten mer och mer konstant. Om man extrapolerar kurvan från det linjära området så får man flytgränspäningen (σ 0 * ) 3

9 Kapitel 2 Introduktion Bingham-modellen Bingham modellen är en enkel metod att beskriva Bingham-plastiska (ideala) vätskor. Dessa vätskor beskrivs med Ekvation 1. { σ } σ = σ 0 + η & pl γ > σ 0 [Pa] (Ekv. 1) Där η pl är den plastiska viskositeten, γ& är flythastigheten (illustreras avγ i figur 1), σ 0 är den extrapolerade flytgränsspänningen, ofta kallad Bingham-flytgränsspänning. Nackdelen med Bingham-modellen är att den inte klarar av Bingham-lastiska (icke ideala) vätskor. Modellen fungerar dock relativt bra för att beskriva betong och bruk då dessa uppvisar ett Bingham-plastiskt (idealt) beteende i begränsat intervall av flythastighet. Interna krafter Partiklars effekt i upplöst tillstånd visas av tabell 1 Verkande kraft Partikel storlek d [mm] Mekanisk > 1 Kapillär 1 0,1 Flockulerande 0, Kolloidala Tabell 1. Verkande krafter i en lösning Mekaniska krafter som kan försämra flytegenskaperna är friktion och vidhäftning mellan större partiklar i bruket. Ojämna ytor och stängliga partiklar ger en ökad friktion och vidhäftning. Kapillära krafter kan uppstå speciellt vid små partiklar om inget överflödigt vatten finns tillgängligt. Detta kan göra att massan blir koherent och kan då flyta i form av klumpar. Flockbildande krafter uppkommer på grund av att kristallint material är täckt av elektriska laddningar. Dessa laddningar samlas speciellt kring vassa kanter och hörn. Olika laddningar dras till varandra och bildar på så sätt flockar. De flockbildande krafterna bidrar till att ge pastan sin flytgränsspänning (viskoplastisitet) och dess tidsberoende (thixotropi). Detta påskyndas av en svagt joniserande vätska.genom adsorbtion skapar partiklar en laddad yta som sedan attraherar joner av motsatt laddning från den fria vätskan och bildar på så sätt ett dubbelt lager. Finns det då tillräckligt med fri vätska i ett för litet utrymme mellan partiklarna så kommer partiklarna att stöta bort varandra. Eftersom den specifika ytan ökar med mindre partiklar så kommer även vätskebehovet och den repulsiva kraften att öka. Om det finns för lite vätska eller att partiklar av motsatt laddning tillsätts så kommer pastan att klumpa ihop sig. I en vätska med starkt joniserande kraft som vatten spelar den repulsiva kraften mellan dubbla lager en stor roll för brukets flödesegenskaper. 4

10 Kapitel 2 Introduktion Tidsberoende Med tidsberoende menar man hur materialet har förändrats beroende på vad som skett i materialets historia. Det finns vätskor som om de utsätts för skjuvspänning, så att de börjar flyta, så kommer dess viskositet minska/öka men om skjuvspänningen upphör så kommer vätskan med tiden att återgå till ursprungsstadiet. Vätskor som uppvisar ett sådant beteende kallas thixotropa (viskositeten minskar) eller anti-thixotropa (viskositet ökar). Denna egenskap är viktig att ta hänsyn till när man ska utföra analyser av cementbaserade vätskor. Vad som ger upphov till thixotropin i cementbaserade vätskor är att när man utsätter den för skjuvspänning så kommer flockarna som bildats av de flockbildande krafterna att brytas upp. När flockarna bryts upp så minskar det inre motståndet och då minskar viskositeten. När vätskan sen får vila så kommer de flockbildande krafterna återbilda flockarna och viskositeten återgår till sitt ursprungsvärde. 5

11 Kapitel 2 Introduktion 2.2 Ingrediensers inverkan på betongen Olika ballastmaterial har olika påverkan på betongens arbetsbarhet och utflytnadsmått. Skillnader på de olika ballasterna utgörs av att de oftast har en stor skillnad i andelen finfiller. Partiklar först och främst < 0,063 mm vilka har stor betydelse för hur mycket vatten den färdiga betongen kräver. Ett sätt som industrin kompenserar vattenbehovet med är att tillsätta plastiserande flymedel SP(superplastiserare). Krossat material bidrar ofta till en ökad, tryckhållfasthet tack vare bättre vidhäftning mellan cementlimmet och kross - materialets ytstruktur. Figur 2. Hur olika betongingredienser inverkar på konsistensen (källa: 2. O.Esping) På bilden (figur 2) åskådliggörs ingrediensers olika påverkan (i förhållande till varandra) på betongen. Mycket vatten gör att skjuvgränsen blir låg, likaså viskositeten. En ökad cementmängd minskar. Om pastavolymen (cement och vatten) ökas ger det en låg skjuvgräns med en hög viskositet. Kantiga ytor och stängliga partiklar ger en ökad friktion och vidhäftning. Det är krafter som försämrar flytegenskaperna. Fillermaterialet är den mest finkorniga delen av ballasten. Dess egenskaper påverkar i hög grad betongens arbetbarhet. Om fillermaterial får tillräckligt mycket vatten ger det en ökad arbetbarhet men om vatten saknas får det motsatt effekt. Luftporbildande medel ökar betongens luftinnehåll för att förbättra dess frostbeständighet och dess utflytnadsbarhet. Med flyttillsatsmedel kan vatteninnehållet reduceras med bibehållen arbetsbarhet. 6

12 Kapitel 2 Introduktion Betongens egenskaper påverkas av ballastens partikelfördelning. I en färsk betong där partikelfördelningen ligger nära det ideala, är partiklarnas spridning i storlek fördelat på ett sätt så att inga håligheter mellan partiklarna uppstår. Det betyder att varje partikel är omgiven av en optimal mängd partiklar av mindre storlek. Dessa partiklar är i sin tur omgivna av en optimal mängd partiklar av en ännu mindre storlek osv. Det gäller att proportionera valda delmaterial på ett sådant sätt att dess sammanlagda siktkurva så lite som möjligt avviker från idealkurvan. De minsta partiklarna utgörs av filler, cement, slagg, flygaska och silikastoft. Betongens tryckhållfasthet står i direkt relation till vct-talet, men även ballastens beskaffenhet spelar roll då det är ballasten som tar upp tryckkrafterna. Det finns olika typer av filler med olika speciella egenskaper några av de mest använda är mycket finkornigt stenmaterial, kalkfiller, flygaska, silikastoft och slagg (ofta granulerad masugnsslagg) (källa: 8. Conlab) (källa: 9 Hildebrand) 7

13 Kapitel 3 Bruk 3 Bruk 3.1 Framtagning av recept Recept visar hur fördelningen av betongens ingredienser och det används för att få så lika egenskaper i betongen vid varje blandning). När recept för bruksprovning skulle tas fram utgick vi ifrån ett recept (källa: 2. O.Esping) som visas i figur 3 Flyttillsats 0,3% vatten 33,5% Cement 25,0% Ballast 41,1% vct 0,45 Figur 3. Utgångsrecept i volymprocent. Detta recept är avsett för bruk med största ballast diametern 0,5 mm och de är baserade på ett normalt SKB (självkompakterande betong) recept. Då bruksförsöken skulle utföras med största ballastdiametern 4 mm (även kallat 0-2 grus) så behövdes utgångsreceptet skalas om. Vid omskalningen användes naturgruset från ett av naturgrusens siktkurva. Fraktionerna 0 mm 0,25 mm antogs utgöra de 41,1% ballast i bruket. Volymen av ballasten beräknades med hjälp av kompaktdensiteten som bestämts tidigare. Eftersom volymen av ballasten nu var känd så kunde även vikten av cement, vatten och flyttillsatsmedel beräknas. När alla ingrediensers vikter var beräknade så adderades fraktionerna 0,5 mm 2 mm (vilket ökade andelen ballast) och de nya volymförhållanden bestämdes vilkes visas i figur 4 Flyttillsats 0,2% Vatten 22,6% Cement 16,8% Ballast 60,4% vct 0,45 Figur 4. Omskalat recept 8

14 Kapitel 3 Bruk För att anpassa vårt recept till våra laborationer så blandades först en sats bruk med det omskalade receptet. I vår receptanpassning användes normsand som ballast material. För att få ett bra referensbruk gjordes därefter justeringar på receptet. Ett bra utflytnadsmått för referensbruket är runt 250 mm (källa: 3. Tomas Cederhammar). Recepten som testades visas i tabell 2. Recept vct 0,45 Blandning Nr Cement % 16,8 17,3 17,8 17,9 19,1 Vatten % 22,6 23,2 23,9 24,1 25,6 Ballast % 60, Flyttillsats % 0,2 0,5 0,35 1 0,35 Utflyt (mm) konsistens trög trög bra lös lös Tabell 2. Justeringar av referensrecept för vct 0,45 Blandning 1 blev väldigt styv och gav inget utflyt alls. Receptet ändrades för att öka både cementpastavolymen och mängden flyttillsatsmedel. Blandning 2 var fortfarande trögt men fick ändå ett utflytnadsmått på 230 mm. Pastavolymen ökades ytterligare samtidigt som mängden flyttillsatsmedel minskades (för att göra bruket mindre separationsbenäget). Blandning 3 uppvisade bra flytegenskaper och fick ett utflynadsmått på 250 mm. För att skapa en uppfattning om vad som sker vid användning av en stor mängd flyttillsatsmedel så ökades dosen flyttillsatsmedel markant. Blandning 4 blev som väntat väldigt lös och separerade även lite grann, den fick ett utflytnadsmått på 330 mm. Eftersom blandning 3 fick ett bra utflytnadsmått så användes det receptet och ett litet snabbtest gjordes på utflytningsförmågan. Två blandningar gjordes med två av naturgrusen som ballast och dessa visade på väldigt styv konsistens och knappt mätbart utflytnadsmått. Så ytterligare en justering av referensreceptet var nödvändigt. Blandning 5 testades vilket gav en lös konsistens (men ej separation) och ett utflytnadsmått på 270 mm. Receptet till blandning 5 testades på samma sätt till naturgruset och bruken visade då att det blev få mätbara variationer. Receptet till blandning 5 antogs som referensrecept för vct 0,45. 9

15 Kapitel 3 Bruk När referensrecept för vct 0,55 (tabell 3) skulle tas fram så utgicks från ett recept med lite större andel ballast jämnfört med vad vct 0,45 receptet innehöll. Cementpastan har en större andel vatten därför är det mer ballast i vct 0,55. Recept vct 0.55 Blandning Nr Cement % 15 16,2 15,4 Vatten % 24,7 26,5 25,3 Ballast % flyttilssats % 0,3 0,3 0,3 Utflyt (mm) Konsistens Trög Lös Bra Tabell 3. Justeringar av referensrecept för vct 0,55 Blandning 8 visade på önskat utflyt men vid ett snabbtest på två av naturgrusen visade det sig att detta receptet likt receptet för 0,45 var för styvt därför användes istället receptet till blandning 7 som referensrecept för vct 0,55 10

16 Kapitel 4 Försök 4 Försök 4.1 Introduktion Ballastegenskaper som påverkar den färdiga betongen mycket är bland annat specifik yta, mängd finmaterial och partiklarnas form. När man talar om en ballast specifika yta menar man ballastens totala omslutningsyta. När ett bruk blandas är det viktigt att alla ballastens partiklar omges av cementpasta för att få ett bruk med låg viskositet och låg flytgränsspänning. Det vill säga att en stor specifik area kräver mer eller effektivare cementpasta för att få önskvärda egenskaper. Med en ökad mängd finmaterial så ökar även den specifika area (se exempel 1). Även partiklarnas form har stor inverkan då en ojämn yta har större area än en sfärisk (se figur 6). Därför är det önskvärt med en god kännedom om ballastens egenskaper. Storlekseffekten kan visas genom att studera hur ytarean förändras hos en kub med sidlängden 10 mm när den gradvis delas ned till kuber med halva sidlängden. Som visas i figur 5. Delningsprocessen som visas i tabell 4 leder till en drastisk förstoring av ytarean. Figur 5. Genom att dela kuben till 8 kuber med halva sidlängden så kommer arean att bli dubbelt så stor.(källa: 2. O.Esping) Tabell 4. Hur ytarean ökar med delningsprocessen av kuben som visas i exemplet. (källa: 2. O.Esping) Figur 6. Storlek och forms förstoringseffekt, illustrerat med en sfärisk och en oregelbunden partikel. (med samma tvärsnittsarea men 5 och 10 gånger större omkrets) (källa: 2. O.Esping) 11

17 Kapitel 4 Försök 4.2 Förberedning av prover Neddelning Då många gånger provet är för stort för en laboration måste ett testprov tas ur totalprovet. För att detta test prov ska representera totalprovet så används en neddelningsapparat. Neddelningsapparaten och utförandet av neddelningen skedde i enlighet med gällande standard. Bilder på använd neddelningsapparat finns i bilaga B (källa: 4. SS-EN 932-2) Torkning Då fuktkvot har stor inverkan på utfallet av försöken så är det viktigt att alla testprov har samma grundförutsättningar. För att få alla prov att ha samma fuktkvot så är torkning att av de säkraste sätten. Proven torkas i en ugn i 110±5 C till en konstant vikt erhålles. Bilder på använd ugn och plåtar finns i bilaga B Tvättning Med tvättning menas att man tar bort alla partiklar mindre än 0,063mm. Detta görs med hjälp av en tvättsikt (0,063 mm) och en skyddssikt (4 mm). Båda sidorna av tvättsikten väts ner. Skyddssikten monteras på tvättsikten för att skydda den mot stora partiklar. Provet hälls över siktarna och spolas med vatten till passerande vatten är klart. Bilder på använda siktar finns i bilaga B Märkning Proven märks upp efter typ. Krossballasten får koderna K1, K2 och K3 och naturballasten får koderna N1, N2 och N3. Referensmaterialet Normsand får koden Norm. 12

18 Kapitel 4 Försök 4.3 Bestämning av kornstorleksfördelning Syfte Syftet med att bestämma kornstorleksfördelningen är att man snabbt ska få en överskådlig blick över hur förhållandet mellan fraktionerna är. Det man speciellt är intresserad av är partiklarna < 2mm och i synnerhet mängden finpartiklar < 0,063mm. Då finpartiklarna bidrar med en stor specifik yta så kommer mängden finpartiklar att ha stor inverkan på ballastens vattenbehov vid blandning Metod Förberedelser Testproven ska vara neddelade till en vikt mellan 600g 900g Testproven ska vara torkade till konstant vikt Utrustning: Alpine luftrålesikt. Skaksikt Siktar (8, 4, 2, 1, 0.5, 0.25, 0.125, och 0,02 mm) Lock och bottenkärl till siktstapeln. Våg som visar 0,01 gram. Brickor, sylar och borstar. Porslinsskål Bilder på använd utrustning finns i bilaga B Utförande 1. Siktarna sätts samman till en siktstapel med ett tätslutande bottenkärl underst. Därefter staplas siktarna med stigande storlek från 0,063 till 8 mm. 2. Testprovet hälls i siktstapeln och locket sätts på. 3. Siktstapeln sätt in i skaksikten och provet körs i 5 min. 4. Siktstapeln monteras isär och kvarvarande material på varje sikt vägs och antecknas, även materialet i bottenkärlet. 5. Materialet i bottenkärlet hälls över 0,02 mm sikten och sätt sin i luftstrålesikten 6. Luftstrålesikten får gå i 3 minuter. 7. 0,02 mm sikten tas ur luftstrålesikten och materialet på sikten vägs och antecknas. 8. Proceduren upprepas för varje test. 13

19 Kapitel 4 Försök Resultat En sammanställning av de olika siktresultaten visas nedan i diagram 1 och diagram 2. För mer detaljerad rådata se bilaga A Siktdiagram Passerande mängd N3 Norm K1 K2 N1 N2 K ,02 0,063 0,125 0,25 0, Sikt diameter Diagram 1 Kornfördelningskurva fraktioner 0-4mm Siktdiagram Passerande mängd N3 Norm K1 K2 N1 N2 K ,02 0,063 0,125 0,25 0,5 Sikt diameter Diagram 2. Korfördelningaskurva fraktioner 0-0,5mm 14

20 Kapitel 4 Försök 4.4 Bestämning av packningsgrad Syfte Genom att bestämma packningsgraden så fås indikationer på hur ytan på ballastmaterialet ser ut (kantighet och stänglighet). Hur materialets yta ser ut påverkar betongen på flera olika sätt. Ett stängligt material ställer till problem för att det bygger upp en intern friktion som gör att viskositeten ökar. Ett annat problem med stänglig ballast är att partiklarna då får en större yta vilket gör att ballasten kommer att kräva mer vatten vid blandning. Genom bestämning av packningsgraden fås även ballastens kompaktdensitet vilket används vid blandning av bruk och betong Metod Förberedelser: 1. Bestämning av kompaktdensitet Testproven ska vara neddelade till en vikt mellan 1000g 1500g Testproven ska vara tvättade 2. Bestämning av skrymmdensitet Testproven ska ha en volym av drygt 110 ml Fraktioner 4 mm ska vara bort siktade Testproven ska vara torkade till konstant vikt Utrustning: Pyknometrar Termometer Våg med 1 grams noggrannhet. Ugn för torkning av testprov. Liten metallkon med mortelstöt. Diverse skrapor. Plåtar till ugnen. FAA Strikeoff Guide Apparat spatel Bilder på använd utrustning finns i bilaga B Utförande: försöket består av två olika moment, bestämning av kompaktdensitet och bestämning av skrymmdensitet. Bestämning av kompaktdensitet. 1. Pyknometern fylls delvis med vatten och provet förs ned i pyknometern. 2. Pyknometern fylls på med vatten tills den når en bestämd nivå som markeras (i vårt fall hela pyknometern). 3. Locket monteras på och provet får stå i 24 ± 2h. 4. Locket monteras av och vatten fylls på tills markeringen nås (vattennivån kommer att sjunka för att luften i ballastens porer kommer att vattenfyllas och luften att stiga). 5. Temperaturen mäts och locket monteras på igen. 15

21 Kapitel 4 Försök 6. Pyknometern fylld med ballast och vatten vägs och vikten registreras som m Locket monteras av och vattnet hälls försiktigt av (viktigt att inte partiklar från provet följer med). 8. Det blöta provet förs från pyknometer till en bricka som sedan ställs i ugnen 110±5 C. 9. Provet torka tills det är vattenmättat men yttorrt. För att kontrollera om provet torkat lagom länge används den lilla metallkonen och mortelstöten. En del av provet förs ned i metallkonen och packas lätt med mortelstöten. Metallkonen lyfts och provet kommer att rasa ut. När provet antar en form med en liten markerad spets (figur 8) så är det yttort vattenmättat. Figur 8. Hur provet ska rasa samman för att vara vattenmättat och yttorrt. När provet är yttorrt och vattenmättat så vägs det och vikten registreras som m sd. 10. Om provet skulle råka torka lite för länge kan lite vatten adderas och torka ner igen till rätt form fås. 11. Provet förs in i ugnen igen och torkas till konstant vikt som registreras som m d. 12. Pyknometern fylls upp till markering med vatten av samma temperatur som registrerades tidigare. 13. Locket monteras på pyknometern och vikten registreras som m 2. (7.instruktionshäfte) Bestämning av skrymmdensitet. 1. FAA Strikeoff Guide Apparaten monteras enligt anvisningarna. 2. Hålet i konen hålles för med ett finger och testprovet hälls i (figur 9). 3. Testprover rörs snabbt om lite grann med en spatel och fingret tas bort. Figur 9 och 10. Visar steg 2-6 (källa: 6. Tingvall.M) 4. När testprovet runnit igenom stryks kopparbägaren (volym 100cm 3 ) av enligt anvisningarna och vikten registreras(figur 10). 5. Proceduren upprepas 5 gånger per testprov. (5. Instruktionshäfte) 16

22 Kapitel 4 Försök Beräkningar och resultat Vikter registrerade för bestämning av kompaktdensitet visas i tabell 4. Prov Nr K3 K2 N3 N1 N2 K1 Norm m 1 [g] m 2 [g] m sd [g] m d [g] ρ k [kg/m 3 ] Tabell 4. Vikter som registrerats vid bestämning av kompaktdensitet. Kompaktdensiteten bestäms med ekvation 2. ρ k = ρ w m sd m d [Pa] (ekv. 2) (7.instruktionshäfte) m 1 + m 2 ρ k = Testprovets kompaktdensitet i torrt tillstånd [kg/m 3 ] ρ = Vattens densitet ( 998,2 kg/m 3 vid 20 C vilket var vår vattentemperatur) [kg/m 3 ] w m 1 = Vikt av pyknometer innehållande vatten och ballast [g] m 2 =Vikt av pyknometer innehållande endast vatten [g] m = Vikt av yttorrt vattenmättat prov [g] sd m =Vikt av prov torkat till konstant vikt [g] d 17

23 Kapitel 4 Försök Vikter registrerade för bestämning av skrymmdensitet visas i tabell 5. Prov Nr K3 K2 N3 N1 N2 K1 Norm m [g] n=1 m [g] n=2 m [g] n=3 m [g] n=4 m [g] n=5 m [ g] 151, ,8 149, ρ [kg/m 3 ] sk Tabell 5. Vikter som registrerats vid bestämning av skrymmdensitet Skrymmdensiteten bestäms med ekvation 3. ρ sk m = 1000 V [kg/m 3 ] (ekv. 3) ρ sk = Testprovets skrymmdensitet [kg/m 3 ] m = Medelvärdet av uppmätta vikter [g] V = Kopparcylinderns volym (100 cm 3 ) [cm 3 ] Packningsgrad ρ sk = ρ k 100 [%] (ekv. 4) (5.instruktionshäfte) Prov Nr K3 K2 N3 N1 N2 K1 Norm ρ [kg/m 3 ] k ρ [kg/m 3 ] sk Packningsgrad 56% 62% 64% 59% 57% 58% 66% Tabell 6. Ju högre packningsgrad, desto bättre. 18

24 Kapitel 4 Försök 4.5 Bestämning av specifik yta Syfte Bestämning av specifik yta med BET N 2 metoden är en dyr och opraktisk metod. Fördelen med den är att ballastens specifika yta kan bestämmas väldigt exakt. Syftet med bestämningen är att använda det som referens i analysen av de andra laborationerna. En bra metod för att få en indikation på skillnader i specifik yta Metod Försöket utfördes inte av oss personligen utan prov skickades iväg till ett annat laboratiorium. En översiktlig redovisning av hur laborationen gick till redovisas nedan. Förberedelser av testproven som skickades iväg: Tesproven ska vara neddelade till en vikt av ca 100 g. (endast några få gram används vid försöket) Fraktioner 1 mm ska vara bort siktade. Testproven ska vara torkade till konstant vikt. Apparatur: Micromeritics Flowsorb II 2300 Utförande: Ett litet prov av varje ballast material vägs och placersa i en så kallad kyvett. Kyvetten är sedan innan fylld med en bestämd mängd N 2 -gas och en bärar gas, heliumgas. På ardera sida om kyvetten finns detektorer för N 2 -gas. Provet kyls ned med flytande N 2 - gas så att ett enmolekylärt skikt bildas på ballast materialets yta. När de två detektorerna visar samma ingående som utgående halt N 2 -gas har jämnvikt uppnåtts. När provet sedan värms upp igen mäts minskningen i kvävgashalt från det nedkylda stadiet till det uppvärmda stadiet. Skillnaden i kvävgashalt räknas om till specifik yta. Molekylen har en viss volym vilket gör att ytan som täcks kan beräknas. Ytan beskrivs i m 2 /g (1. MinBas) Resultat Prov Nr K3 K2 N3 N1 N2 K1 Norm Yta BET(m 2 /g) 0,89 0,52 1,14 0,79 1,83 0,54 0,37 Tabell 7. Resultat från BET-analys 19

25 Kapitel 4 Försök 4.6 Bruksprovning Syfte Syftet med bruksprovningen är att se hur brukets viskositet och flytspänning varierar vid ett fixt cementpastarecept och med ballasten som enda variabeln Metod Utrustning som användes till bruksprovningen var: Hobartblandare Utflytnadsmåttskon Glasskiva Våg Till bruksprovningen används neddelad och torkad ballast < 2 mm. Fraktioner > 2 mm bortsiktades. Ballastens vikt var mellan g Recept användes från det nedskalade utgångsreceptet. Varje ballastprov vägdes var för sig och cementpastan vägdes proportionellt från ballastvikten. Blandningsmetoden illustreras i Figur Först gjordes ett antal provningar med naturgruset för att hitta ett bra utflytnadsmått och en bra konsistens. Skillnaderna i naturgrusprovningarna var i förhållandet cementpasta kontra ballast. Dessa skillnader handlade om någon % jämnfört med utgångsreceptet. När ett bra recept hittades fortsatte provningarna med de andra ballastmaterialen. 2. Efter det att bruket blandats hälldes det i en kon med en höjd av 60 mm, bottendiameter 100 mm som konar till 70 mm. Figur 12. Konen placerades på en glasskiva som låg på ett träbord med en uppritad diameter om 250 mm. Konen centrerades mitt i diametern. 3. När konen fyllts och jämnats av lyftes den och tidtagningen startades. När utflytningen nått den uppritade 250 mm diametern stoppas klockan. Efter ytterligare några minuter mättes brukets diameter vid max, och mingräns och ett medelvärde protokollfördes. 4. Efter varje enskilt bruksprov rengjordes, tvättades och torkades utrustningen till nästa prov. 5. När utflytnadsmått på vissa bruksprov i princip var obefintligt gjordes blandningen om med den skillnaden att dubbelt så mycket flyttillsatsmedel tillsattes. Om inga förändringar efter första omblandningen visades så gjordes provet om till dess att utflytnaden kunde uppmätas. Vid vissa prov uppstod det för stora material separationer innan utflytnadsdiametern uppnåddes och kunde därför ej klockas. Synliga separationer mellan ballast och vätska. vid varje nyblandning tillsattes 0,3 ml flyttillsatsmedel. 20

26 Kapitel 4 Försök Figur 11. Brukets blandningsförlopp (Esping.O) Figur 12. Miniutflytnadskon (Esingp.O) Resultat Prov Nr K3 K2 N3 N1 N2 K1 Norm vct 0.45 Cement (g) 259,1 254,5 272,9 335,6 272,8 255,9 271,4 Vatten (g) 116,3 114,2 122, ,5 114,9 122,1 Ballast (g) sp (g) 1,6 1,6 1,7 2,1 1,7 1,6 1,8 Utflyt (mm) / T 25 (s) - - 7,9-8,2 19,1 3,0 sp % 0,7 0,35 0,35 0,35 0,7 1,0 / 0,7 0,35 Prov Nr K3 K2 N3 N1 N2 K1 Norm vct 0.55 Cement (g) 225,5 241,8 205,4 216,1 212, ,9 Vatten (g) 123,6 131,9 122,6 118,4 116,3 125,1 130,9 Ballast (g) sp (g) 1,4 1,5 1,3 1,4 1,3 1,4 1,5 Utflyt (mm) T 25 (s) - 4,9 10, ,1 sp % 0,9 0,3 0,3 0,3 0,6 0,9 0,3 21

27 Kapitel 4 Försök 4.7 Resultatsammanställning Nedan visas en sammanställning av resultaten från alla försöken. Alla försöken är godkända och inget ska förkastas. Prov Nr K3 K2 N3 N1 N2 K1 Norm vct 0,55 Utflyt [mm] T 25 [s] - 4,9 10, ,1 sp [%] 0,9 0,3 0,3 0,3 0,6 0,9 0,3 vct 0,45 Utflyt [mm] / T 25 [s] - - 7,9-8,2 19,1 3,0 sp [%] 0,7 0,35 0,35 0,35 0,7 1,0 / 0,7 0,35 Yta BET[m 2 /g] 0,89 0,52 1,14 0,79 1,83 0,54 0,37 Specifik yta [m 2 /cm 3 ] 24,03 13,26 29,18 21,49 47,76 13,72 9,29 Kompden [kg/m 3 ] Skrymden [kg/m 3 ] Packningsgrad 56% 62% 64% 59% 57% 58% 66% Andel Mtrl. < 1 mm 49,40 53,11 67,34 70,83 64,57 69,00 65,04 Andel Mtrl. < 0,125 mm 6,03 8,70 3,16 3,22 1,38 7,37 1,32 Andel Mtrl. < 0,02 mm 0,74 1,14 0,22 0,39 0,33 0,68 0,03 Siktdiagram Passerande mängd N3 Norm K1 K2 N1 N2 K ,02 0,063 0,125 0,25 0, Sikt diameter 22

28 Kapitel 6 Diskussion och slutsatser 5 Diskussion och slutsatser 5.1 Diskussion En övergripande slutsats är att bruk med krossmaterial generellt har sämre arbetsbarhet än vad bruk med naturballast har. Vilket kan bero på att de innehåller en mycket högre andel finpartiklar. Men det finns undantag vilket vi ser i bruksprovningen vct 0,55 där material K2 hade det bästa utflytet efter normsanden. Cementpastan (cement + vatten) har som syfte att fylla upp alla hålrum som finns i ballastmaterialet och hålla alla partiklar ifrån varandra. Med andra ord så har cementpastan två uppgifter att dels klä in alla partiklar och dels att fylla ut de tomrum som finns mellan partiklar. Om ett ballastmaterial har en hög packningsgrad (dvs lite hålrumsvolym) så blir andelen cementpasta som kan täcka alla partiklars yta större (mindre pasta går åt att fylla tomrummen). Detta kan utläsas i försöket genom att de fyra ballastmaterialen (K2, N1, N3, Norm) med högst packningsgrad även har de bästa utflytsegenskaperna. Eftersom alla partiklar ska omslutas av cementpasta är ballastmaterialets specifika yta (även kallat BET-yta) av intresse för att en stor yta kräver mer cementpasta än vad en liten yta gör. En stor mängd finpartiklar kan alltså både vara bra och dåligt i en bruksblandning. Om det finns tillräckligt med vatten (cementpasta) för att hålla partiklarna ifrån varandra så kommer de att göra så att bruket flyter ut bättre men om inte tillräckligt med vatten finns så kommer partiklarna ha rakt motsatt verkan, det vill säga de kommer att göra bruket styvare. Anledningen till att bruket flyter ut bättre med en högre andel finpartiklar är att de väldigt fina partiklarna i ballastmaterialet (som har ungefär samma fraktion som cementen ) drygar ut cementpastan som då ökar i volym. En ökad cementpastavolym bidrar till ett ökat utflyt. Detta kan dock endast ske om det finns tillräckligt med vatten. Detta kan vara en del av förklaringen till de omvända förhållanden mellan K2 och N3. Vid vct 0,45 (mindre mängd vatten) så har N3 ett bättre utflyt än vad K2 hade. Men vid vct 0,55 (en ökad mängd vatten) var förhållandet omvänt så i denna blandning kunde K2 tillgodogöra sig sin höga mängd finpartiklar. Men som K1 visar så kan en stor mängd finpartiklar ha motsatt verkan om det inte finns tillräckligt med partiklar. Ett material som N1 borde visa bra flytegenskaper vid vct 0,45, när det finns ont om vatten, eftersom den har endast en liten andel finpartiklar. Den gör dock inte det för den har låg packningsgrad och en stor yta vilken tar upp all cementpastan. Några direkta linjära samband är svåra att dra med tanke på att det är så många faktorer som inverkar. Det är även svårt att värdera hur de olika egenskaperna påverkar brukets konsistens då värdet av egenskaperna förändras med olika sammansättningar. Vi har diskuterat mycket om hur man skulle gå tillväga för att eventuellt kunna dra några linjära samband. För att kunna göra det så måste man i föröken låsa ytterligare egenskaper. Vi har även kommit på några saker som kunde utförts 23

29 Kapitel 6 Diskussion och slutsatser annorlunda för att få bättre jämförbara värden. Nedan kommer några förslag till förändringar i bruksprovningen som vi tyckte kunde vara intressanta. 1. Vid mätning av T 25 ( tiden det tar för bruket att flyta ut till 250 mm) så borde den ändras till T 22 eller T 20 för att få en tid på de flesta bruksblandningarna. 2. En låsning av utflytnadsmåttet till exempelvis 250 mm skulle göra jämförelse av både vattenbehov och viskositet lättare. Detta kan uppnås genom att man efterhand tillsätter flytillsatsmedel till ett utflyt på 250 mm uppnås. 3. Eftersom variationerna mellan de olika ballastmaterialen har varit stora har vårt pasta recept nästan fått för stor spridning, därför borde pasta volymen ha ökats några procent för att därigenom minska den variationen. 4. Då packningsgraden till viss del beror på förhållande mellan ballastmaterialets olika fraktioner så skulle man efter siktning kunna sätta samman de olika ballast materialen så att de får samma siktkurva. Vi blandning av bruk med samma recept skulle skillnaden i utflyt kunna indikera på hur mycket materialets ytstruktur påverkar utflytet. 5. Vid skalning av recept kanske man istället för att som vi skala ner i volymförhållande istället skala ner receptet med avseende på ytförhållande. En försöksserie på fullskalig betong hade varit intressant att göra. Detta för att se om de egenskapsskillnader som registrerats vid bruksförsök är de samma som hos en betongblandning. 5.2 Slutsatser Fler parametrar måste låsas för att eventuellt kunna dra några linjära samband. Om linjära samband hittas så kan de eventullet användas för att avgör olika parametrars värde En större mängd finpartiklar kan vid rätt förutsättningar vara gynnsamt vilket visas i förhållandet mellan K2 och N3. Krossballast kan med andra ord vara ett bra ballastmaterial vid blandning av betong med hög vct. Vid bruksförsök borde man använda T22 eller T20 för alla bruken flöt inte ut till 250mm vilkt medförde att mängden mättdata blev bristfällig. 24

30 Kapitel 7 Referenser 6 Referenser 1. ( ) 2. Esping Oskar, 2007 Early age properties of self-compacting concrete Effects of fine aggregate and limestone filler,chalmers university of technology Göteborg, Sweden. ISBN Intevju Tomas Cederhammar, SIKA 4. SS-EN Ballast - Generella egenskaper - Del 2: Neddelning av laboratorieprov 5. Instruktonshäfte till FFA Strikoff Guide apparatus 6. Tingvall Marcus, karakterisering av delmaterial till betong, arbtetet är ännu ej färdigställt Instruktonshäfte till pyknometrarna 8. ( ) 9. ( ) Texter som vi har tagit del av men ej direkt använt i rapporten. 02,11%20Mimerprogrammet.pdf ( ) ++material&content_url=/plugins/projectdirectory/category.asp&category=2&status= 3&template= ( ) ( ) ( ) ( ) 25

31 Kapitel 8 Bilaga A Protokoll från siktning 7 Bilaga A Protokoll från siktning 26

32 Kapitel 8 Bilaga A Protokoll från siktning 27

33 Kapitel 8 Bilaga A Protokoll från siktning 28

34 Kapitel 8 Bilaga A Protokoll från siktning 29

35 Kapitel 8 Bilaga A Protokoll från siktning 30

36 Kapitel 8 Bilaga A Protokoll från siktning 31

37 Kapitel 9 Bilaga B Bilder på laborationsutrustning 8 Bilaga B Bilder på laborationsutrustning A. B. A) Neddelningsapparat som användes vid neddelning av större prover B) Neddelningsapparat som användes vid neddelning av mindre prover Ugn som användes vid torkning av prover. 32

38 Kapitel 9 Bilaga B Bilder på laborationsutrustning A. B. C. A) Skyddssikt som släpper igenom partiklar < 4 mm B) Tvättsikt som släpper igenom partiklar < 0,063 mm C) Metallram som gör att siktarna står stabilt på vasken Alpine luftstrålesikt. 33

39 Kapitel 9 Bilaga B Bilder på laborationsutrustning A. B. C. D. E. A) Timer inställd på 5 minuter B) Lock till siktstapeln C) Siktstapel (endast en sikt i detta fallet) D) Botten till siktstapel E) Skakapparat FAA Strikeoff Guide Apparat 34

40 Kapitel 9 Bilaga B Bilder på laborationsutrustning Pyknometer fylld med ett prov och vatten. Våg som användes vid bestämning av kornstorleksfördelning. Noggrannhet 0,01g 35

41 Kapitel 9 Bilaga B Bilder på laborationsutrustning Våg som användes för tyngre prover exempelvis vid kontroll om provet är torrt Hobartblandare som användes vid bruksprovet 36

42 Kapitel 9 Bilaga B Bilder på laborationsutrustning Visar hur Hobartblandarens visp ser ut Miniutflytnadskonen fylls med bruk 37

43 Kapitel 9 Bilaga B Bilder på laborationsutrustning Miniutflynadskonen är fylld och redo för att lyftas. Cikeln som är ritad under glasskivan visar 250 mm Min utflytnadskonen har lyfts och har flutit ut. 38

44 Kapitel 10 Bilaga C Terminologi 9 Bilaga C Terminologi Adsorption Antithixotropi Arbetbarhet. BET-yta Cementpasta. Flockbildande krafter Flytgränsspänning Joniserande vätska Kolloidala krafter Kompaktdensitet Kristallin Packningsgrad Plastisk viskositet Reologi Repulsiva krafter Skjuvhastighet Skjuvspänning Skrymdensitet Förloppet när ett fast ämne till sin yta upptar och binder ämnen från en gas eller vätska. Även förloppet när ett gränsskikt mellan vätska och vätska eller mellan vätska och gas attraherar komponenter från endera eller båda faserna. Motsatts till thixotropi Hur betongen flyter ut vid gjutning. Sandkornens/krosskornens specifika ytarea bestämd med BET-N 2 metoden Mix av Vatten och cement. Krafter som uppstår pga. kristallin materia är täckt med elektriska laddningar. Den spänning som måste överstigas i ett material för att det ska flyta. En vätska som innehåller laddade partiklar (joner). Partiklar skapar genom adsorption en laddad yta som attraherar joner av motsatt laddning. Ballastens densitet om man tar bort alla hålrum mellan partiklar Materia uppbyggd av kristaller Grad anges i % och talar om förhållandet mellan skrymdensitet och kompaktdensitet. Se viskoplastisk. Sammansättningsform av vätskors och fasta materials tidsberoende deformationsegenskaper. Krafter som gör att partiklar stöter från varandra. Med vilken hastighet skjuvningen sker. Spänning som uppstår när ett material utsätts för skjuvning Ballastens densitet medräknat alla hålrum. 39

45 Kapitel 10 Bilaga C Terminologi Stänglighet Thixotropi Vct Viskoplastisk Avlånghet hos Sandkornens/krosskornen. Egenskap hos en viskös (tjockflytande) eller geléartad produkt som innebär att denna blir alltmer lättflytande ju längre tid och ju kraftigare den deformeras (t.ex. genom omrörning). Förhållandet (i vikt) mellan vatten - cement, anges med decimaltal ex. 0,45 vilket betyder att det är 45 % vatten och 55 % cement. (Lågt vct indikerar hög hållfasthet). En hybridegenskap hos ett material som gör att det uppträder som ett fast material under flytgränsspänningen men som uppträder som en vätska över flytgränsspänningen. 40