Övergång till helkrossballast

Transkript

1 HÖGSKOLAN I HALMSTAD SEKTIONEN FÖR EKONOMI OCH TEKNIK BYGGINGENJÖRSPROGRAMMET Övergång till helkrossballast En studie för Strängbetongfabrikerna i Veddige och Herrljunga Ricard Stålnacke Handledare: Bengt Hjort Examensarbete Halmstad 2009

2 Övergång till helkrossballast Abstract This exam report has been developed in association with Strangbetong AB, Sweden. The natural gravel that is being used as fine aggregate for concrete production today is an ending natural recourse and the Swedish government has decided to strongly reduce the extraction from the year of The only reasonable replacement is aggregates from crushed rocks but this material has other properties than natural aggregates. The concrete manufacturers now have to learn how to use these new fine aggregates in a cost effective way in order to ensure the quality of their concrete production. In this project, crushed aggregates and combination of crushed and natural aggregates have been tested with existing formulas for fresh concrete. The two parameters yield stress and plastic viscosity have been measured which gives a good description of the workability of the fresh concrete. Different methods to make measurements on the dry fine aggregates, has also been tested, to find out if there is any correlations between these parameters and the parameters from the measurement on the fresh concrete.

3 Övergång till helkrossballast Förord Detta examensarbete har utförts vid Sektionen för Ekonomi och Teknik på Högskolan i Halmstad, och i nära samarbete med Strängbetong AB. Arbetet ingår som en avslutande del i byggingenjörsprogrammet och har utförts under vårterminen Det har varit intressant och lärorikt och jag vill här passa på att tacka de personer som har hjälp mig att genomföra arbetet. Till att börja med vill jag tacka Gösta Lindström, teknisk chef på Strängbetong för att ha initierat ett examensarbete inom ett intressant och aktuellt område. Jag vill också tacka Lennart Norberg och Annika Nilsson på Strängbetong i Veddige som har hjälpt till med att få testmaterial levererat till Herrljungas labb. Vidare vill jag tacka Malin Gjertz och Björn Gunnarsson på Strängbetongs labb i Herrljunga där alla tester har utförts för praktisk hjälp och vägledning och för att jag har fått använda lokal och utrustning vid testernas genomförande. Ett särskilt tack riktas till Örjan Peterson på Strängbetongs tekniska avdelning i Stockholm som har hjälpt mig med vägledning, litteratur och praktiska detaljer genom hela arbetets gång. Till sist vill jag tacka min handledare Bengt Hjort vid Högskolan i Halmstad för det stöd och råd han har gett mig under arbetets gång. Halmstad, augusti 2009 Ricard Stålnacke

4 Övergång till helkrossballast Innehållsförteckning Abstract Förord Innehållsförteckning Sammanfattning 1. Inledning Bakgrund Syfte, målsättning Omfattning, genomförande Begränsningar Krossballast Introduktion Svensk berggrund Petrografisk analys Förbättringsmetoder Försök med torra material Introduktion Torkning av material Siktkurvor 0-4, 0-8, Flödesmätning och lös packning Packning med pålagd vikt Försök med färsk betong Introduktion Reometer BT Flytsättmått och T Grundrecept Betongblandning Resultat, mätning av reologi och arbetbarhet C-Packing Introduktion Optimal packning och erforderlig pastamängd Jämförelse av olika materialkaraktäristika Introduktion Viskositet - färsk betong Flytgränsspänning - färsk betong Flödestal torrt material Lös packning torrt material Packning med vikt torrt material Optimal packning 4C torrt material Intensitetsvärden för glimmer...28

5 Övergång till helkrossballast 6.9 Sammanställning av relativa värden Slutsatser Referenser...32 Bilaga A1-A7 Siktkurvor...33 Bilaga B Flödesmätning och lös packning...40 Bilaga C Packningsgrad, packning med vikt...41 Bilaga D1-D9 Optimal packning och pastamängd...42

6 Övergång till helkrossballast Sammanfattning Detta examensarbete har genomförts i nära samarbete med Strängbetong AB och de praktiska försöken har utförts på Strängbetongs labb i Herrljunga. Bakgrunden till arbetet är att det naturgrus som används vid betongtillverkning idag är en ändlig resurs och myndigheterna har beslutat att starkt begränsa uttaget av naturgrus från och med år Den enda rimliga ersättningen är krossgrus/stenmjöl som dock har betydligt sämre egenskaper än naturgrus och som betongtillverkarna nu måste lära sig att använda. I detta arbete har man i första hand velat utvärdera stenmjöl från olika bergtäkter som ligger inom rimliga transportavstånd från Strängbetongs fabriker. Stenmjöl och kombinationer av stenmjöl/naturgrus har provats med befintliga betongrecept. Man har mätt flytgränsspänning och plastisk viskositet vilket ger en god bild av den färska betongens reologi/arbetbarhet. Man har även gjort mätningar på det torra stenmjölet för att kunna se om det finns ett samband mellan dessa parametrar och parametrarna från mätningarna på färsk betong. Vidare har man velat undersöka effekten av olika metoder för att förbättra stenmjölet. Resultaten visar att stenmjölet som väntat ger en klart försämrad reologi av den färska betongen men att en kombination av naturgrus/stenmjöl kanske kan vara en framkomlig väg. För att helt ersätta naturgruset krävs dock förmodligen att man fortsätter utvärdera metoder för att förbättra stenmjölets egenskaper. Rapportens resultat visar inga direkta samband mellan de parametrar man fått fram vid försök med torrt stenmjöl och de efterföljande försöken på färsk betong. Men en del intressanta resultat har framkommit, bland annat en jämförelse mellan två stenmjöl, där det stenmjöl med en klart högre glimmerhalt ändå har en bättre viskositet. Förhoppningsvis kan resultaten av denna rapport ligga till grund för fortsatta försök.

7 Kapitel 1 - Inledning 1 Inledning 1.1 Bakgrund Vid betongtillverkning i Sverige används idag krossat berg som ballast i fraktionen >8 mm. I de mindre fraktionerna 0-8 mm används naturgrus från framförallt rullstensåsar. Naturgruset har en för betongtillverkning gynnsam kornstorleksfördelning och kornform. I många delar av landet råder en lokal brist på naturgrus och myndigheterna vill att återstående rullstensåsar skall bevaras då dessa behövs för vattenbalans och vattenrening. Uttaget av naturgrus skall minskas från dagens 22 miljoner årston till 1 miljon årston år 2020 och den enda rimliga ersättningen är krossgrus. Nästan alla av dagens bergtäkter ligger i granitiskt berg som innehåller glimmer som är ett flakigt mineral vilket är till nackdel vid betongtillverkning då den försämrar den färska betongens rörlighet. Granitiskt berg har dock en varierande sammansättning och det är en stor skillnad i kvalitet mellan krossgrus från olika bergtäkter [1]. Vid ett transportavstånd på mer än 5 mil kommer transporten av ballast att kosta mer än ballasten i sig. Dessutom är det av miljöskäl inte försvarbart att frakta ballast över längre sträckor då detta leder till ökade utsläpp från tunga fordon. Betongtillverkarna måste nu finna metoder för att utvärdera krossgrus från olika bergtäkter inom rimliga transportavstånd [9]. Det har under en rad år bedrivits forskning för att karaktärisera krossgrus och mäta effekten av dess olika materialkaraktäristika på färsk betong. Detta forskningsarbete har sammanställts i CBI RAPPORT 1:2008 [1] och delar av resultaten från denna rapport har legat till grund för detta examensarbete. 1.2 Syfte, målsättning Examensarbetet har initierats av Strängbetong och syftet har i första hand varit att utvärdera krossgrus/stenmjöl från olika bergtäkter som ligger inom rimliga transportavstånd från Strängbetongs betongfabriker och dess lämplighet som ersättning för det naturgrus som används idag. Man måste kunna säkerställa att betongblandningar med stenmjöl ger en betong med lika goda egenskaper, vilket gäller såväl den färska betongens reologi/arbetbarhet som den hårdnade betongen. I detta arbete undersöks endast egenskaperna hos färsk betong och då framförallt de två parametrarna, flytgränsspänning och plastisk viskositet, vilka ger en god bild av den färska betongens reologi. Flytgränsspänning och plastisk viskositet beskrivs i kapitel 4. Man har också velat utvärdera olika mätmetoder med torrt stenmjöl och jämföra resultaten av dessa med efterföljande reologimätningar på 1

8 Kapitel 1 - Inledning den färska betongen för att se om man kan finna en korrelation mellan dessa parametrar. Försök med torra stenmjöl är en snabbare och enklare metod och skulle, om det ger goda resultat, kunna vara en användbar metod för att snabbare göra en första bedömning av olika stenmjöl. Man skulle också på ett enklare sätt kunna utvärdera effekten av olika metoder för att förbättra stenmjölets egenskaper. Ambitionen var från början att även få med kubiserat och vindsiktat stenmjöl från Veddiges bergtäkt för att kunna utvärdera effekten av dessa förbättringsmetoder som finns beskrivna i kapitel 2.4, men detta har tyvärr inte gått att genomföra inom tidsramen för detta arbete. Någon förbättring av stenmjölen, såsom tvättning eller anpassning av graderingskurvor har inte gjorts, utan stenmjölen har provats som de idag levereras från ballastleverantörerna, med undantag för ett fåtal försök med behandlat/kubiserat stenmjöl från Kungsör. Ett och samma recept för en självkompakterande betong (SKB), har använts vid samtliga provblandningar för att på så sätt underlätta jämförelser mellan de olika stenmjölen. 1.3 Omfattning, genomförande Litteraturstudier av tidigare forskning och undersökningar kring krossgrusets inverkan på den färska betongens reologi och olika mätmetoder för att mäta denna reologi har utförts. Egenskaperna hos Stenmjöl och naturgrus från olika bergtäkter har studerats med praktiska försök på Strängbetongs labb i Herrljunga. Torrt material har undersökts genom siktkurvor, flödesmätning och lös packning samt packning med pålagd vikt och vibrering. Tester har sedan utförts på färska blandningar av självkompakterande betong, SKB. Självkompakterande betong beskrivs mer utförligt i kapitel 4. Det är endast förhållandet mellan naturgrus och stenmjöl som har varierats vid betongblandningarna. Vid testerna har man utfört reologimätningar med en s.k. Reometer som mäter flytgränsspänning och plastisk viskositet på färsk SKB. Några av betongblandningarna har även undersökts med flytsättmått och T50. Metoder och resultat av dessa mätningar finns beskrivna i kapitel 4-5. De blandningar som används idag, dvs. med naturgrus och utan stenmjöl används som referensvärden för en bra SKB. Mätdata från försöken har samlats in som underlag till senare beräkningar, analyser och jämförelser. Resultaten har redovisats som exceldiagram i kapitel 4-6 samt i bilagor. Beräkning av optimal packningsgrad har gjorts med datorprogrammet, 4C-Packing, vilket beskrivs i kapitel 5. Därefter har resultaten jämförts i kapitel 7 för att se om man kunnat finna en korrelation mellan de olika parametrarna som framkommit vid labbförsöken. 2

9 Kapitel 1 - Inledning 1.4 Begränsningar Endast ett fåtal av de metoder man känner till för att karaktärisera egenskaperna hos krossgrus har undersökts i detta arbete. Endast ett recept har använts vid samtliga betongblandningar. Undersökningen har begränsats till att omfatta ett fåtal kombinationer av förhållandet mellan naturgrus/stenmjöl. Försöken på färsk betong har inte upprepats utan endast undersökts vid ett tillfälle. 3

10 Kapitel 2 - Krossballast 2 Krossballast 2.1 Introduktion Idag används krossat berg i fraktionerna > 8 mm vid betongtillverkning i Sverige medan man som finballast i fraktionen 0-8 mm använder sig av naturgrus. Detta naturgrus måste nu på grund av regeringens miljömål gradvis ersättas. Krossat berg är då det enda rimliga alternativet. Ballast från krossat berg får en mer flisig och sträv struktur än naturgrus vilket är till nackdel vid betongtillverkning då det försämrar betongens rörlighet. Dessutom innehåller krossad ballast mer finmaterial/filler vilket ytterligare förändrar betongens egenskaper [8]. En övergång till krossballast leder generellt till en ökning av cementbehovet [3]. Detta medför att man inte kan använda sig av samma recept som tidigare vid betongtillverkning utan man måste lära sig att proportionera betongen korrekt med krossgrus/stenmjöl. Man behöver också utvärdera olika metoder för att förbättra kvaliteten hos det krossade gruset. Det finns många aspekter som måste undersökas vid övergång till krossballast bl.a. hur luftporsystemet, frostbeständigheten, krympning och hållfasthet påverkas. Forskning om detta pågår [3]. 2.2 Svensk berggrund En stor del av den svenska berggrunden består av granitiskt berg som är känt för att vara problematiskt vid betongtillverkning. De bergtäkter som används idag ligger i allmänhet i granitiska berg och det är framförallt innehållet av glimmer, ett flakigt mineral, som ger problem. Granitiskt berg har dock en varierande sammansättning och det är en stor skillnad i kvalitet mellan krossgrus från olika bergtäkter [1]. Betongtillverkarna måste nu utvärdera krossgrus från olika bergtäkter inom rimliga transportavstånd, vilket också har varit ett av syftena med detta examensarbete. 2.3 Petrografisk analys Genom att göra petrografiska analyser av prover från olika bergtäkter får man fram volymandelar av olika mineral. Undersökningar har visat att mängden fri glimmer har stor negativ inverkan på de reologiska egenskaperna. Även innehåll av vittrade eller leromvandlade korn kan ge problem trots en i övrigt bra kornform. Mängden fri glimmer är störst i fraktionen runt 0,125 mm, vilket tillhör fillerfraktionen (<0.063 mm enligt SS 12620) [1]. Det har också visat sig att det är stor spridning mellan prover från olika bergtäkter [1]. På tre av de stenmjöl som ingår i denna rapport har analyser gjorts med avseende på intensitetsvärden för glimmer [2] vilka beskrivs i kapitel

11 Kapitel 2 - Krossballast 2.4 Förbättringsmetoder Det finns flera olika metoder för att förbättra krossgrusets egenskaper och här beskrivs kortfattat några av dessa metoder: Kubisering (VSI-krossning) innebär att ballastkornen utsätts för nötning så att de får en rundare och mer gynnsam form. Genom vindsiktning och magnetseparation kan större delen av fillerfraktionen avlägsnas tillsammans med en del av de oönskade glimmerkornen [8]. Försök har visat att vindsiktning kan ge en potentiell cementbesparing på ca. 10 % och en kombination av kubisering och vindsiktning kan ge en potentiell cementbesparing på ca. 15 % för vissa krossgrus [3]. Omsiktning för att anpassa kornkurvan och tvättning av materialet för att minska fillerhalten kan ge bra resultat [1]. I detta examensarbete är stenmjölet från Kungsör behandlat genom kubisering. 5

12 Kapitel 3 Försök med torra material 3 Försök med torra material 3.1 Introduktion Försök med torra material syftar till att finna en korrelation mellan de resulterande variablerna och de reologiska variablerna som fås vid blandningarna med färsk betong. En större noggrannhet för att med nedan beskrivna metoder karaktärisera materialet fås om man delar upp materialet i fler fraktioner som testas var för sig. I dessa försök har man dock av praktiska skäl använt hela fraktionen för naturgrus respektive stenmjöl. De material som ingår i försöken är dels de olika naturgrus 0-8 mm som används idag och dels stenmjöl 0-4 mm från tre olika bergtäkter. Detta för att kunna bedöma stenmjölens potential att helt eller delvis kunna ersätta naturgruset. Naturgrusen som används som finballast vid svensk betongtillverkning idag består av fraktionen 0-8 mm. Stenmjölens fraktion är däremot 0-4 mm vilket följer Europeisk Standard för finballast. Det här innebär att blandningar med stenmjöl kommer att ha ett partikelsprång 4-8 mm i dessa försök. Grovballasten som används vid samtliga betongblandningar i dessa försök är 8-16 mm. 3.2 Torkning av material Ca 1,2 kg material torkades i värmekärl vid 180ºC och därefter bestämdes korngraderingen med siktkurvor. Figur 3.1 Torkning av ballast. 6

13 Kapitel 3 Försök med torra material 3.3 Siktkurvor 0-4, 0-8, Siktkurvor bestämdes dels för finballasten: stenmjöl 0-4 och naturgrus 0-8 samt även för grovballasten Dessa värden används vid beräkning av optimal packning med 4C-Packing enligt kapitel 6. Siktningen utfördes med en maskinsikt under fyra minuter. Siktkurvor enligt bilaga A1-A7. Figur 3.2 Siktapparat. 7

14 Kapitel 3 Försök med torra material 3.4 Flödesmätning och lös packning Bestämning av flödestal för torrt stenmjöl ger en relativt god bild av materialets kornform och ger därmed en parameter för att karaktärisera materialet. Flödestalet är den tid, uttryckt i sekunder, som det tar för ett ballastmaterial av en bestämd volym att rinna genom en tratt med standardiserade mått. Den apparat och mätmetod som har används i dessa försök är enligt Europeisk Standard EN 933-6:2001 (E). Denna standard innebar att utrustningen var avsedd för finballast 0-4 mm, varför fraktionen 4-8 mm siktades bort före provning av natursand [5]. Packningsgraden ger en uppfattning om hur de enskilda partiklarna packar sig i förhållande till varandra och man får därmed ett riktvärde på hålrumsvolymen och den erforderliga pastamängden [1]. Materialets packningsgrad varierar för olika material beroende på kornform, ytstruktur och gradering. Packning beskrivs mer utförligt i kapitel 5. De finns olika sätt att bestämma packningsgraden men i dessa försök används endast lös packning som beskrivs i detta kapitel och packning med vikt och vibrering enligt kapitel 3.5. Mätning av flödestiden gjordes manuellt med tidtagarur. Figur 3.3 Flödesmätning. 8

15 Kapitel 3 Försök med torra material Materialet som passerade genom tratten fick rinna ner i ett kärl med bestämd vikt och volym, och fick då en lös packning. Kärlet ströks av och vikten på materialet bestämdes. Genom att bestämma packningsgraden vid lös packning får man ytterligare en parameter för karaktärisering av materialet. Packningsgraden är kvoten mellan uppmätt packningsdensitet och kompaktdensitet: C = där : ρ uppmätt ρ kompakt ρ uppmätt = m mätt V mätt H 3.1 L H 3.2 L Vilket ger packningsgraden: C = m mätt ρ kompakt V mätt H 3.3 L C = andel av uppmätt volym som utgörs av kompakt m mätt = massan av det uppmätta och löst packade D V mätt = volymen av det uppmätta och löst packade provet Am 3 E ρ kompakt = det aktuella materialets kompaktdensitet Akg ë m 3 E 9

16 Kapitel 3 Försök med torra material TABELL 3.1 Resultat från flödesmätning och lös packning. Nr. Material, finballast Flödestal, medel [s] C lös packning, medel [%] 1 Magra natur ,25 0,526 2 Magra stenmjöl ,488 3 Östad stenmjöl ,486 4 Veddige natur ,75 0,519 5 Veddige stenmjöl ,75 0,501 6 Kungsör stenmjöl (kubiserat) ,25 0,502 7 Magra natur/magra stenmjöl (50/50) Magra natur/östad stenmjöl (50/50) Veddige natur/stenmjöl (50/50) - - Utförliga beräkningar enligt bilaga B. Kommentar: Det fanns ej tid att utföra mätningar enligt de gråmarkerade fälten inom ramen för detta examensarbete. Det vore dock önskvärt att ta fram dessa för jämförelserna i kapitel Packning med pålagd vikt Vid packning med pålagd vikt och vibrering användes Strängbetongs apparat för detta ändamål och som består av en 305 mm hög stålcylinder med en invändig diameter på 160 mm samt en separat vikt med en utvändig diameter på 155 mm. I försöken mättes 3 kg ballast upp i cylindern som sedan placerades på ett vibratorbord. Vikten placerades ovanpå ballasten och vibrering utfördes sedan under 30 sek. för resp. ballast. Därefter mättes h 0 enligt figur 3.4. Eftersom cylinderns volym samt materialets densitet och uppmätta massa är kända, kan man beräkna packningsgraden C, enligt samma princip som vid lös packning i kapitel 3.4. Dessa värden används vid beräkning av optimal packning med 4C-Packing i kapitel 5. 10

17 Kapitel 3 Försök med torra material Figur 3.4 Packning med vikt och vibrering. TABELL 3.2 Resultat från packning med vikt och vibrering. Nr. Material, finballast C packning med vikt och vibrering, medel [%] 1 Magra natur 0-8 0,708 2 Magra stenmjöl 0-4 0,675 3 Östad stenmjöl 0-4 0,662 4 Veddige natur 0-8 0,698 5 Veddige stenmjöl 0-4 0,696 6 Kungsör stenmjöl (kubiserat) 0-4 0,695 7 Magra natur/magra stenmjöl (50/50) - 8 Magra natur/östad stenmjöl (50/50) - 9 Veddige natur/stenmjöl (50/50) - Utförliga beräkningar enligt bilaga C. Kommentar: Det fanns ej tid att utföra mätningar enligt de gråmarkerade fälten inom ramen för detta examensarbete. Det vore dock önskvärt att ta fram dessa för jämförelserna i kapitel 6. 11

18 Kapitel 4 Försök med färsk betong 4 Försök med färsk betong 4.1 Introduktion Vid försök med färsk betong har en självkompakterande betong, SKB, använts. En självkompakterande betong (SKB), karaktäriseras av att den inte behöver vibreras utan flyter ut till sin slutliga position med hjälp av sin egenvikt. Betongen ska fylla betongformen helt samt omsluta all armering och ingjutningsgods utan att separera. Den hårdnade betongen har lika goda egenskaper som traditionellt vibrerad betong. Självkompakterande betong har stora ergonomiska fördelar på arbetsplatsen då man kan undvika det tunga och bullrande vibreringsarbetet. [10] Vid tillverkning av SKB används olika typer av filler och effektiva superplasticerare som förhindrar sammanklumpning av finpartiklarna och frigör vatten. Det här förbättrar den färska betongens egenskaper. [1] Det finns flera olika metoder att mäta arbetbarhet/rörlighet eller så kallad reologi hos färsk betong. Den vanligaste metoden är sättmåttet vilket är en fungerande metod vid styvare konsistenser. För lösare konsistenser, som är fallet vid SKB, används bland annat flytsättmått och T50. Det finns dock mätapparater, viskosimetrar, som på ett mer nyanserat sätt kan mäta de reologiska egenskaperna. Färsk betong är en partikelsuspension, dvs. en uppslamning av fasta partiklar i vatten och kan beskrivas som en så kallad Binghamsvätska vars egenskaper bäst kan beskrivas med två parametrar, flytgränsspänning och plastisk viskositet [4]. 12

19 Kapitel 4 Försök med färsk betong Binghams vätskemodell: τ = τ 0 + µ pl γ ' H 4.1 L τ = D τ 0 = D µ pl = plastisk sd γ ' = skjuvhastighet As 1 E 1 µ pl τ 0 γ ' Figur 4.1 Diagrammet visar sambandet mellan skjuvspänning och skjuvhastighet enligt Binghams vätskemodell [5]. För att beskriva en vätskas eller en färsk betongs egenskaper med denna ekvation krävs att τ bestäms vid minst två olika skjuvhastigheter. Lutningen på den linje som förbinder dessa punkter är ett mått på den plastiska viskositeten [4]. Flytgränsspänningen beskriver materialets initiala motstånd mot att flyta ut medan den plastiska viskositeten beskriver hur trögt betongen flyter när den satts i rörelse. 13

20 Kapitel 4 Försök med färsk betong 4.2 Reometer BT-2 Reologimätningar för samtliga betongblandningar har vid dessa försök gjorts med en Reometer BT-2 från Schleibinger Testing Systems [6]. Figur 4.2 Rheometer BT-2 BT-2 är en Reometer avsedd för att mäta flytgränsspänning och plastisk viskositet på färsk SKB. Reometern består av en 20 liters behållare som fylls med färsk betong och en mätenhet som via en centriskt placerad axel monteras ovanpå behållaren. Mätenheten roteras manuellt ett varv med hjälp av handtaget. I de två mätsonderna registreras kontinuerligt hastighet [m/s] och kraftöverföring [Nmm]. Beroende på rotationshastigheten registreras ett stort antal mätningar under ett varv. Vid dessa försök var antalet registrerade mätningar i genomsnitt mer än etthundra mätvärden per varv. Eftersom de två mätsonderna är placerade på olika avstånd från centrumaxeln kommer de hela tiden att ha två olika skjuvhastigheter, vilket krävs för att Binghams modell ekvation 4.1, ska gälla. Tack vare att det räcker med att rotera mätenheten ett varv kommer mätsonderna hela tiden registrera mätvärden från orörd betong. Utifrån dessa mätvärden räknar sedan mätenheten automatiskt ut den relativa flytgränsspänningen och den relativa plastiska viskositeten vilket ger en god beskrivning av betongens reologiska egenskaper. Mätresultaten lagras i mätenheten och kan sedan trådlöst överföra data till en Palmdator och sedan vidare till en dator där uppgifterna kan redigeras och skrivas ut. 14

21 Kapitel 4 Försök med färsk betong 4.3 Flytsättmått och T50 Utöver dessa reologimätningar gjordes även mer traditionella mätningar av SKB med flytsättmått och T50 för några av blandningarna, enligt tabell 4.3. Provning av flytsättmåttet gjordes genom att placera en sättkon (Abrams kon) ovanpå en fuktad plywoodskiva med en markerad cirkel med diametern 50 cm. Sättkonen fylldes med färsk betong varefter den lyftes upp och från detta ögonblick mättes tiden som det tog för betongen att flyta ut till en medeldiameter på 50 cm. Den tid detta tog i sekunder motsvarar T50 måttet. När betongen upphört att flyta ut mättes dess diameter vilken då motsvarar flytsättmåttet. Det fanns inte möjlighet att utföra dessa mätningar på samtliga betongblandningar vilket hade varit önskvärt då dessa tester ger ytterligare värden som kan jämföras med övriga resultat. Figur 4.3 Flytsättmått och T50. 15

22 Kapitel 4 Försök med färsk betong 4.4 Grundrecept Ett och samma grundrecept för självkompakterande betong har använts till samtliga blandningar för att endast få en jämförelse mellan de olika stenmjölens inverkan. Receptet har således konstanta materialmängder, konstant vct och samma flytmedel och dosering. Det är endast finballasten som har varierats i de olika blandningarna, vilket framgår av kapitel 4.6. TABELL 4.1 Grundrecept för 1 m 3 (mängder ej angivna enligt önskemål från Strängbetong) Mängd Cement SH Vatten - kg - kg Kalkfiller IG 200 Ballast 0-8 ( varieras ) Ballast 8-16, Östad - kg - kg - kg Flyttillsatsmedel Glenium ACE 30 -kg Lufthalt -% VCT 0,49 Vid provblandningarna i detta arbete har blandningsvolymen varit cirka 25 liter, vilket var maxkapacitet för den betongblandare som användes vid försöken. Då dessa mindre blandningsvolymer fick något sämre flytegenskaper än fullskaleblandningar med samma recept, ökades flytmedelsdosen med 10 % för att få en godtagbar SKB. 16

23 Kapitel 4 Försök med färsk betong 4.5 Betongblandning Innan betongblandningarna gjordes, kontrollerades ballastens fuktkvot genom att först väga upp cirka 1,2 kg av respektive ballastsort, som sedan torkades enligt samma procedur som beskrivits i kapitel 3.2. Därefter vägdes materialet på nytt och fuktkvoten bestämdes enligt: µ = Hm fuktig m torr L m torr H 4.2 L µ = m m fuktig = fuktig D torr = torr D Vattenmängden i recepten kompenserades med hänsyn till ballastens fuktkvot för att bibehålla rätt vct. Ballast, cement och kalk hälldes i blandaren som sedan kördes i en minut. Därefter tillsattes vatten och flyttillsatsmedel i nämnd ordning och blandaren kördes ytterligare en minut. Betongen provades sedan i Reometer BT-2 samt i förekommande fall med flytsättmått och T50 som beskrivs i kapitel

24 Kapitel 4 Försök med färsk betong 4.6 Resultat, mätning av reologi och arbetbarhet Tester har utförts både med 100 % stenmjöl och med 100 % naturgrus och även med en kombination i förhållandet 50/50. Att använda sig av en kombination av stenmjöl och naturgrus kan vara ett alternativ på kortare sikt för att minska användningen av naturgruset. TABELL 4.2 Resultat från reologimätning med BT-2 Nr. Material, finballast Relativ flytgränsspänning [Pa] Relativ plastisk viskositet [Pa s] 1 Magra natur 420, ,70 2 Magra stenmjöl 433, ,87 3 Östad stenmjöl 659, ,07 4 Magra natur/magra stenmjöl (50/50) 558, ,28 5 Magra natur/östad stenmjöl (50/50) 476, ,71 6 Veddige natur 133, ,75 7 Veddige stenmjöl 1 225, ,24 8 Veddige natur/stenmjöl (50/50) 268, ,21 9 Kungsör stenmjöl (kubiserat) 303, ,88 Kommentar: Genom att tillföra betongblandningen flytmedel (så kallad superplasticerare) kan man få ner flytgränsspänningen men inte den plastiska viskositeten [4]. Därför är den plastiska viskositeten den reologiska parameter som i första hand har studerats i detta arbete. 18

25 Kapitel 4 Försök med färsk betong TABELL 4.3 Resultat från mätning av flytsättmått och T50 Nr. Material, finballast Utbredningsmått [cm] T50 [sek] Kommentar 1 Magra natur Magra stenmjöl Östad stenmjöl Magra natur/magra stenmjöl (50/50) Magra natur/östad stenmjöl (50/50) Veddige natur Veddige stenmjöl Veddige natur/stenmjöl (50/50) 75 2 Tendens till Bruksseparation 9 Kungsör stenmjöl (kubiserat) 75 1,5 Bruksseparation 19

26 Kapitel 5 4C-Packing 5 4C-Packing 5.1 Introduktion 4C-packing [7] är ett datorprogram med en packningsmodell som används för att beräkna optimal packningsgrad av ballast. Packningsgraden, som är den procentuella andelen av en volym som utgörs av ballasten i sig, ger en uppfattning om hur de enskilda partiklarna packar sig i förhållande till varandra. Principen med 4C-packing är att beräkna den optimala packningen av partiklarna i ballasten så att den volym som inte innehåller ballast blir så liten som möjligt. Denna volym kommer vid betongblandning att fyllas ut med vatten, cement och eventuell filler. För att betongen skall ges rörlighet krävs ytterligare en mängd vatten för att pressa isär partiklarna och minska friktionen mellan dessa. 4Cpacknig kan även ta hänsyn till denna extra mängd vatten vid beräkning av erforderlig pastamängd om man i programmet anger ett värde för excesspasta. Då det ej gick att få fram detta värde under arbetes gång valdes att endast utnyttja den del av programmet som ger optimal packningsgrad och därefter beräkna erforderlig pastamängd utan hänsyn till den extra vattenmängden. Avsikten med dessa beräkningar är endast att få fram jämförelser mellan de olika stenmjölens egenskaper vilket innebär att värdet för excesspasta är av mindre betydelse. Den förenklade beräkningsgången blir alltså att packningsgraden som fås från 4Cpackning motsvarar den procentuella andelen ballast och resterande del motsvarar erforderlig pastamängd. Programmets beräkningar bygger på en matematisk modell med ideala sfäriska partiklar. För att kunna använda modellen på icke sfäriska partiklar, vilket är fallet vid ballast, måste man i programmet mata in följande materialegenskaper för respektive fraktion; kompaktdensitet, kornkurva och packningsgrad (från packning med vikt och vibrering) [7]. 5.2 Optimal packning och erforderlig pastamängd 4C-Packing kan grafiskt visa de olika ballastkombinationer som krävs för att uppnå optimal packningsgrad då två eller tre olika ballastfraktioner ingår. Beräkningsexempel: Packningsgraden 0,780 innebär 1-0,780=0,220=220 liter erforderlig pasta/m 3. Erforderlig pastamängd utgör ytterligare en parameter för att karaktärisera stenmjölen enligt kapitel

27 Kapitel 5 4C-Packing TABELL 5.1 Resultat från beräkningar med 4C-Packing. Nr. Material, finballast C optimal packningsgrad 4C-Packing Erforderlig pastamängd [l/m 3 ] 1 Magra natur 0-8 0, ,0 2 Magra stenmjöl 0-4 0, ,0 3 Östad stenmjöl 0-4 0, ,0 4 Veddige natur 0-8 0, ,0 5 Veddige stenmjöl 0-4 0, ,0 6 Kungsör stenmjöl (kubiserat) 0-4 0, ,0 7 Magra natur/magra stenmjöl (50/50) Magra natur/östad stenmjöl (50/50) Veddige natur/stenmjöl (50/50) - - Utförliga beräkningar enligt bilaga D1-D9. Kommentar: Det fanns inte tid att utföra mätningar enligt de gråmarkerade fälten inom ramen för detta examensarbete. Det vore dock önskvärt att ta fram dessa för jämförelserna i kapitel 6. 21

28 Kapitel 6 Jämförelse mellan olika materialkaraktäristika 6 Jämförelse mellan olika materialkaraktäristika 6.1 Introduktion I detta kapitel görs en sammanställning av olika materialkaraktäristika för att se om man kan finna någon korrelation mellan de olika mätvärdena som framkommit under försöken. 6.2 Viskositet (färsk betong) Viskositet [Pa s] Veddige naturgru s Kungsör stenmjöl (kubiserat) Magra natur Veddige n atur/stenmjöl (50/50) Magra natur/magra stenmjöl (50/50) Magra natur/östad stenmjöl (50/50) Veddige stenmjöl Magra stenmjöl Östad stenmjöl Figur 6.1 Viskositet (färsk betong) Kommentar: Klar trend hur viskositeten ökar för de olika blandningarna. 50/50- blandningar reducerar viskositeten tydligt. Intressant är hur bra det kubiserade stenmjölet från Kungsör är i jämförelse med naturgrusen. Noterbart är också att Veddiges stenmjöl har lägre viskositet än Magra stenmjöl trots att tidigare analyser visar ett klart högre innehåll av glimmer i Veddiges stenmjöl. 22

29 Kapitel 6 Jämförelse mellan olika materialkaraktäristika 6.3 Flytgränsspänning (färsk betong) 1500 Flygränsspänning [Pa] Veddige naturgrus Kungsör stenmjöl (kubiserat) Magra natur Veddige natur/stenmjöl (50/50) Magra natur/magra stenmjöl (50/50) Magra natur/östad stenmjöl (50/50) Veddige stenmjöl Magra stenmjöl Östad stenmjöl Figur 6.2 Flytgränsspänning (färsk betong). Kommentar: Här finns ingen tydlig trend som var fallet med viskositeten. Man kan dock med hjälp av superplasticerare få ner (förbättra) flytgränsspänningen vilket inte är möjligt med den plastiska viskositeten. 23

30 Kapitel 6 Jämförelse mellan olika materialkaraktäristika 6.4 Flödestal (torrt material) Flödestal [sek] Veddige naturgrus Kungsör stenmjöl (kubiserat) Magra natur Veddige natur/stenmjöl (50/50) Magra natur/magra stenmjöl (50/50) Magra natur/östad stenmjöl (50/50) Veddige stenmjöl Magra stenmjöl Östad stenmjöl Figur 6.3 Flödestal (torrt material). Kommentar: Tydligt att stenmjölen har högre flödestal än naturgrusen vilket troligen beror på stenmjölens kantigare kornform. Det finns dock ingen tydlig överensstämmelse med den plastiska viskositeten. 50/50-blandningar har ej provats. 24

31 Kapitel 6 Jämförelse mellan olika materialkaraktäristika 6.5 Lös packning (torrt material) 0,6 0,5 Packningsgrad C lös packning [%] 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Veddige naturgrus Kungsör stenmjöl (kubiserat) Magra natur Veddige natur/stenmjöl (50/50) Magra natur/magra stenmjöl (50/50) Magra natur/östad stenmjöl (50/50) Veddige stenmjöl Magra stenmjöl Östad stenmjöl Figur 6.4 Lös packning (torrt material). Kommentar: Stenmjölen har en lägre packningsgrad än naturgrusen vilket troligen beror på stenmjölens kantigare kornform. Noterbart är att stenmjölet från Veddige har lika hög packningsgrad som stenmjölet från Kungsör trots att det senare är kubiserat. 50/50-blandningar har ej provats. 25

32 Kapitel 6 Jämförelse mellan olika materialkaraktäristika 6.6 Packning med vikt (torrt material) 0,7 Packningsgrad C packning med vikt [%] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Veddige naturgrus Kungsör stenmjöl (kubiserat) Magra natur Veddige natur/stenmjöl (50/50) Magra natur/magra stenmjöl (50/50) Magra natur/östad stenmjöl (50/50) Veddige stenmjöl Magra stenmjöl Östad stenmjöl Figur 6.5 Packning med vikt (torrt material). Kommentar: Tendensen överensstämmer i princip med resultaten från lös packning. 50/50-blandningar har ej provats. 26

33 Kapitel 6 Jämförelse mellan olika materialkaraktäristika 6.7 Optimal packning med 4C-beräkning (torrt material) 1 0,9 Optimal packningsgrad Datorberäkning 4C [%] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Veddige naturgrus Kungsör stenmjöl (kubiserat) Magra natur Veddige natur/stenmjöl (50/50) Magra natur/magra stenmjöl (50/50) Magra natur/östad stenmjöl (50/50) Veddige stenmjöl Magra stenmjöl Östad stenmjöl Figur 6.6 Optimal packning med 4C-beräkning (torrt material). Kommentar: Tendensen överensstämmer i princip med resultaten från lös packning. 50/50-blandningar har ej provats. 27

34 Kapitel 6 Jämförelse mellan olika materialkaraktäristika 6.8 Intensitetsvärden för glimmer (obehandlat stenmjöl) Intensitetsvärden för glimmer Veddige naturgrus Kungsör stenmjöl (kubiserat) Magra natur Veddige natur/stenmjöl (50/50) Magra natur/magra stenmjöl (50/50) Magra natur/östad stenmjöl (50/50) Veddige stenmjöl Magra stenmjöl Östad stenmjöl Figur 6.7 Intensitetsvärden för glimmer (obehandlat stenmjöl). Kommentar: Intensitetsvärden på glimmer har man fått fram genom röntgendiffraktion på fraktionen < 0,075 mm (fillerfraktionen). Ett större värde på intensiteten innebär i princip större mängd av ett mineral i provet men värdet är också beroende av kornstorlek och kristallform. [2]. De enda värden som har varit tillgängliga under detta arbete har varit för följande stenmjöl: Kungsör, Veddige samt Magra. Noterbart är att Veddiges stenmjöl har en klart högre glimmerhalt än Magra stenmjöl men ändå ger Magra stenmjöl en sämre (högre) viskositet i den färska betongen vilket var oväntat då en hög glimmerhalt, enligt tidigare undersökningar, är den enskilda faktor som har störst negativ inverkan på viskositeten. 28

35 Kapitel 6 Jämförelse mellan olika materialkaraktäristika 6.9 Sammanställning av relativa värden 100 Relativa värden Veddige naturgrus Kungsör stenmjöl (kubiserat) Magra natur Veddige natur/stenmjöl (50/50) Magra natur/magra stenmjöl (50/50) Magra natur/östad stenmjöl (50/50) Veddige stenmjöl Magra stenmjöl Östad stenmjöl Viskositet Flytgränsspänning Flödestal C (lös packning) C (packning med vikt) Optimal packn 4C Intensitetsvärden för Glimmer Figur 6.8 Sammanställning av relativa värden. Kommentar: Ovan visas en sammanställning av relativa värden där det högsta värdet av respektive materialkaraktäristika är angivet som 100. Övriga värden anges som procentuella andelar av dessa utgångsvärden. Detta för att kunna avgöra om det finns någon korrelation mellan olika materialkaraktäristika. Av diagrammet framgår att det inte finns några direkta samband mellan dessa värden. Exempelvis innebär inte en lång flödestid automatiskt en hög viskositet. 29

36 Kapitel 7 Slutsatser 7 Slutsatser 7.1 Försök med torra material Stenmjölen har högre flödestal och lägre packningsgrad än naturgrusen, vilket troligen beror på den kantigare kornformen. Ett undantag är dock att stenmjöl från Veddige har lika hög packningsgrad som stenmjölet från Kungsör trots att det senare är kubiserat. Kubiseringen gör kornformen mindre kantig och man hade därför kunnat förvänta sig att stenmjölet från Kungsör skulle ha en lägre packningsgrad. Det är svårt att hitta någon förklaring till detta. Det fanns ej tid att utföra mätningar med 50/50-blandningar mellan naturgrus och stenmjöl, vilket har gjorts vid försöken med färsk betong. Det vore dock önskvärt att ta fram dessa för jämförelserna enligt kapitel 6. Det hade också varit av stort värde att kunna prova olika stenmjöl som hade vindsiktats och kubiserats för att kunna utvärdera effekten av dessa förbättringsmetoder, men detta har tyvärr inte gått att genomföra inom tidsramen för detta arbete. Förhoppningsvis kan ändå resultaten av denna rapport ligga till grund för fortsatta försök. 7.2 Försök med färsk betong Enligt figur 6.1 ser man en klar trend hur viskositeten ökar för de olika blandningarna. 50/50-blandningar reducerar (förbättrar) viskositeten tydligt i jämförelse med att allt naturgrus ersätts med stenmjöl. Det kan troligen vara en framkomlig väg för att minska användningen av naturgrus i avvaktan på att man utvecklar metoder för att förbättra stenmjölen så pass mycket att det helt kan ersätta naturgrusen. Intressant är hur bra det kubiserade stenmjölet från Kungsör är i jämförelse med naturgrusen och det kan ge en indikation på hur kubisering kan fungera som förbättringsmetod. Noterbart är också att Veddiges stenmjöl har lägre viskositet än Magra stenmjöl trots att tidigare analyser visar ett klart högre innehåll av glimmer i Veddiges stenmjöl. Detta tyder på att det kan finnas andra parametrar som kan ha väl så stor betydelse för viskositeten som en hög glimmerhalt. Precis som var fallet med de torra materialen hade det även här varit av stort värde att kunna prova olika stenmjöl som hade vindsiktats och kubiserats för att kunna utvärdera effekten av dessa förbättringsmetoder. 30

37 Kapitel 7 Slutsatser 7.3 Jämförelser mellan olika materialkaraktäristika I figur 6.8 visas en sammanställning av relativa värden för att kunna avgöra om det finns någon korrelation mellan olika materialkaraktäristika. Diagrammet visar inte några direkta samband mellan dessa värden. Exempelvis innebär inte en lång flödestid automatiskt en hög viskositet. Resultatet av detta arbete visar alltså inga tydliga samband mellan försök med torra material och de efterföljande försöken med färsk betong. Man bör dock göra många fler försöksserier innan man kan dra några slutsatser. 31

38 9 Referenser Litteratur: [1] Lagerblad B, Westerholm M, Fjällberg L, Gram H-E: Bergkrossmaterial som ballast i betong. CBI rapport 1:2008. ISBN [2] Westerholm M, Lagerblad B, Fjällberg L, Horta A: Rapport pågående arbete, Resultatsammanställning av utfört arbete inom krossballastprojektet: Energibesparing vid framställning av betong baserad på krossat bergmaterial. CBI Betonginstitutet Med tillstånd från: Westerholm M, Lagerblad B genom: Peterson Ö, Strängbetong AB [3] Lagerblad B: Krossballastbetong översikt och framtida planer, CBI:s informationsdag genom: Peterson Ö, Strängbetong AB. [4] Betonghandbok material, Andra, reviderade utgåvan, AB Svensk Byggtjänst och Cementa AB, Stockholm. ISBN [5] Swedish Standards Institut, Svensk Standard SS-EN som innehåller Europastandarden EN 933-6:2001 (E) 2001, vilken avses i denna rapport. Hemsidor: [6] : BT2 SCC Rheometer for Fresh Concrete, [7] 4C-Packing, [8] : Bergkross i betong, krossat berg ersätter naturgrus, [9] : Energieffektiv framställning av betong med krossat bergmaterial, Energimyndigheten forskningsprojekt [10] : Klassificering av självkompakterande betong. SFF, Svenska Fabriksbetongföreningen

39 Bilaga A1 Graderingskurva enligt SS Datum: Magra natur 0-8 Passerande mängd, viktprocent ,125 0,25 0, Fri maskvidd, mm 33

40 Bilaga A2 Graderingskurva enligt SS Datum: Magra stenmjöl 0-4 Passerande mängd, viktprocent ,125 0,25 0, Fri maskvidd, mm 34

41 Bilaga A3 Graderingskurva enligt SS Datum: Östad stenmjöl 0-4 Passerande mängd, viktprocent ,125 0,25 0, Fri maskvidd, mm 35

42 Bilaga A4 Graderingskurva enligt SS Datum: Veddige natur 0-8 Passerande mängd, viktprocent ,125 0,25 0, Fri maskvidd, mm 36

43 Bilaga A5 Graderingskurva enligt SS Datum: Veddige stenmjöl 0-4 Passerande mängd, viktprocent ,125 0,25 0, Fri maskvidd, mm 37

44 Bilaga A6 Graderingskurva enligt SS Datum: Kungsör stenmjöl (kubiserat) 0-4 Passerande mängd, viktprocent ,125 0,25 0, Fri maskvidd, mm 38

45 Bilaga A7 Graderingskurva enligt SS Datum: Östad singel 8-16 Passerande mängd, viktprocent ,125 0,25 0, Fri maskvidd, mm 39

46 Bilaga B Flödesmätning Lös packning Nr. Material finballast Kompaktdensitet [kg/m 3 ] Prov nr tid [s] tid medel [s] vikt avstruket mått, inkl. provbehållare [kg] vikt material [kg] C packning (lös) C packning (lös) medel 1 Magra natur ,5 21,25 0,992 0,754 0, ,990 0,752 0,526 0,526 2 Magra stenmjöl ,932 0,694 0,485 26, ,940 0,702 0,491 0,488 3 Östad stenmjöl ,5 0,982 0,744 0, ,5 29,00 0,964 0,726 0,480 0,486 4 Veddige natur ,995 0,757 0, ,5 20,75 0,980 0,751 0,517 0, Veddige stenmjöl 0-4 Kungsör stenmjöl, (kubiserat) ,5 0,983 0,745 0,502 28, ,980 0,742 0, ,5 0,995 0,757 0,506 26, ,983 0,745 0,498 0,501 0,502 40

47 Bilaga C Nr. Material Kompaktdensitet [kg/m 3 ] Prov nr vikt material [kg] h 0 [m] h ( 0,305- h 0 ) [m] cirkulär tvärsnittsarea A provbehållare [m 2 ] volym material efter packning h x A [m 3 ] C packning med pålagd vikt 1 Magra natur ,0 0,225 0,080 0,020 0,002 0, ,0 0,226 0,079 0,020 0,002 0,713 2 Magra stenmjöl ,0 0,220 0,085 0,020 0,002 0, ,0 0,223 0,082 0,020 0,002 0,687 3 Östad stenmjöl ,0 0,226 0,079 0,020 0,002 0, ,0 0,223 0,082 0,020 0,002 0,650 4 Veddige natur ,0 0,224 0,081 0,020 0,002 0, ,0 0,227 0,078 0,020 0,002 0,711 5 Veddige stenmjöl ,0 0,226 0,079 0,020 0,002 0, ,0 0,228 0,077 0,020 0,002 0,705 6 Kungsör stenmjöl, (kubiserat) ,0 0,228 0,077 0,020 0,002 0, ,0 0,227 0,078 0,020 0,002 0,691 41

48 Bilaga D1 42

49 Bilaga D2 43

50 Bilaga D3 44

51 Bilaga D4 45

52 Bilaga D5 46

53 Bilaga D6 47