MinBaS Område 2 Rapport nr 2:7 Mineral Ballast Sten

Transkript

1 MinBaS Område 2 Rapport nr 2:7 Mineral Ballast Sten 1 MinBaS projekt nr 2,2 Framtida betong Delprojekt 2,23 Utnyttjande av alternativa typer av ballast i betong Krossad ballast i betong Ballast - Karakteristik, Bruksreologi Delrapport 1 i pågående arbete Björn Lagerblad, Mikael Westerholm, Cement och Betong Institutet Stockholm december 24

2 2 Delrapport 1 i pågående arbete Framtida Betong Krossad ballast i Betong Ballast-Karakteristik Bruksreologi Sammanställd av Björn Lagerblad och Mikael Westerholm Cement och Betong Institutet

3 3 INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 ORIENTERING Undersökta material MATERIALKARAKTERISTIK Petrografisk analys Petrografisk analys av fillermaterial Petrografisk analys sand Bergartstextur och Mineralgräns Fri glimmer Petrografisk analys-diskussion Kornform/bildbehandling Fillerfraktionen Sandfraktioner Siktkurvor Vanlig sikt Lasersikt Andra egenskaper Specifik yta Sandekvivalent Petrologiskt/mineralogiskt bedömning med avseende på lämplighet i betong Täkter KROSSBALLASTENS EGENSKAPER I BRUK Mikrobruksreologi- finmaterialets egenskaper Effekt av specifik area Inverkan av finmaterialets kornform Sammanfattning mikrobruksreologi Cementbruksreologi- -2 mm fraktionens egenskaper Inverkan av olika ballastmaterial Inblandning av naturballast Inverkan av kornstorleksfördelningen Inverkan av den specifika arean hos ballastens finmaterial Inverkan av ballastens kornform Effekt av filler Inverkan av flytmedel Inverkan av brukets pastavolym Sammanfattning bruksreologi APPENDIX...61

4 4

5 1 Orientering 5 I det hittills utförda arbetet har vi karakteriserat och testat utvalda grus från olika täkter. Forskningsprogrammet står beskrivet i MinBas Rapport nr 2:1. Av de forskningsområden som finns redovisat i forskningsprogrammet finns delmoment 1 (Definiera och kvantifiera ballast egenskaper) och 2 (Arbetbarhet/reologi) och delar av 3 (Definiera relevanta egenskaper) i denna rapport. Man vet sedan tidigare att sand från krossat berg har en stor variation. En del har man kunnat använda som ballast i betong medan andra har ställt till med problem framför allt när det gäller rörlighet. Kalksten och kvartsit som helkross används redan idag både i Sverige men framför allt internationellt. Man vet också att granitiska bergarter ställer till med problem och att dessa bergarter är de vanligast förekommande både som berg och som bergtäkter i Sverige. Ett viktigt syfte med denna undersökning är därför att få fram vilken variation man har när det gäller sammansättningen av kross från granitiskt berg och hur detta påverkar betongs rörlighet. För att få fram detta har ett antal befintliga bergtäkter valts ut och analyserats. För att få fram skillnaderna och dess effekt på rörligheten har krossballasten undersökts med samma metodik. För att tillgodogöra oss tidigare kunskaper har vi försökt använda och komplettera analyser från krossgrus som använts i andra undersökningar. En del material är samma som undersökts i KTH/CBI projekt (rapport TRITA-LWR 2-2) och MinFo projekt (rapport A-2-3 och A 2-3.1). En del material kommer från ett nyligen avslutat SBUF-projekt (11213). En del data i detta projekt har gjorts med insatser från detta projekt. När det gäller krossballast har man sedan länge använt stenen (>8 mm) som ballast i betong och vet hur man skall anpassa proportionering för detta. Det som ställer till med problem är framför allt finfraktionerna varför vi framför allt i denna del av projektet undersökt och karakteriserat -2 mm fraktionen. Om man kan klara av finpartiklarna blir det enklare att klara av betongen som helhet. De olika krossprodukterna har skickats till oss och är inte nödvändigtvis det bästa. Man kan därför inte döma ut enskilda täkter på grund av denna undersökning. Fimaterialet från kross har karakteriserats med hjälp av olika typer av siktkurvor (vanlig sikt och lasersikt), BET-yta, sandekvivalent, bildbehandling och petrografi i tunnslip och SEM. Samma material har undersökt med avseende på sin effekt på de reologiska egenskaperna. Vi har utgått från de olika grussorternas egenskaper och undersökt hur det påverkas av förändrad sortering, vilka delar av kurvan som ställer till med störst problem och i vilken grad man kan förbättra egenskaperna genom att tillföra flytmedel. Detta har korrelerats med grusets effekt på betong. Det här redovisade materialet är huvudsakligen en resultatredovisning med en för betong relevanta tolkningar. Arbetet fortsätter med fler analysvariabler och specifika undersökningar varför en slutrapport inte föreligger förrän projektet avslutas under 25. Materialkarakteristiken är sammanställd av Björn Lagerblad. Bruksreologin är sammanställd av Mikael Westerholm. SEM-undersökningarna har utförts av Mauriuz Kalinowski, XRDundersökningarna av Leif Fjällberg, bildanalysen av Marie Holmgren och sandekvivalent undersökningarna av Fredrik Öhlund. Projektet är finansierat av MinBaS, SBUF, CBI s A-finansiering. Medverkande företag har varit Cementa, Betongindustri och NCC och fillerleverantörer som kollektiv.

6 1.1 Undersökta material 6 Bergtäkt Ort Även undersökt i Stöningsberget (NCC) Umeå C i MinFo-KTH Gladö Kvarn (Swerock/NCC) Huddinge/Stockholm D i MinFo-KTH Kleva (NCC) Tranås SBUF Kolmetorp (NCC) Motala SBUF Vambåsa (Skanska) Ronneby SBUF Enhörna (Jehander) Södertälje Nytt Kållered (Sabema) Mölndal Nytt Vändle (Swerock) Västerås Nytt Arlanda (NCC) Sigtuna Nytt Hargshamn (NCC) Östhammar A i MinFo-KTH Brännland (NCC) Umeå B i MinFo-KTH Kungälv (Färdig Betong) Kungälv SBUF Luleå (Skanska) Luleå SBUF Olunda (Skanska) Uppland SBUF Bro (Jehander) Upplands Bro Nytt Stenungssund (NCC) Stenungssund E i MinFo-KTH Skyttorp (NCC) Uppsala G i MinFo-KTH Underås (Jehander) Södertälje Naturgrus referens

7 2 Materialkarakteristik Petrografisk analys Det undersökta materialet är krossat berg från olika täkter framför allt från gammalt berg i den Svenska urbergsskölden. Berg beskrivs med hjälp av petrografisk analys. Denna analys kan göras på många sätt och det finns flera typer av nomenklatur för att beskriva berget. När det gäller krossgrus som produkt och dess sammansättning är det genetiska ursprunget emellertid oväsentligt utan vad behöver endast veta vad för typ av partiklar som förekommer i gruset. Detta kan man göra genom en anpassad petrografisk analys. Petrografi är läran om bergarters bildning och sammansättning. En bergart består av en uppsättning mineral med en speciell sammansättning. De olika partiklarna i gruset består dels av fragment av bergarter dels av enskilda mineral. Bergarterna får olika namn dels beroende på hur de har bildats dels på vilken uppsättning mineral de innehåller. För de gruset från undersökta bergtäkterna har vi använt en plutonisk-magmatisk terminologi. Plutonisk betyder att det är en djupbergart som kylts långsamt vilket ger en relativt grov korntextur vilket vi kan observera i gruset. Ballast för användning i betong finns normerat i SS-EN I SS-EN finns en terminologi för petrografisk beskrivning. De magmatiska bergarterna indelar man grovt i granit/syenit/granodiorit/diorit och gabbro. Indelningen är baserad på mineralogin som i sin tur beror på den kemiska sammansättningen. Huvudindelningen är baserad på mängd kvarts där graniten innehåller mycket och gabbron ingen kvarts. Ofta använder man här begreppet sur för de kvartsrika och basisk för de kvartsfattiga. Enligt SS-EN (fritt översatt från engelska) är; Granit en ljust färgad bergart som innehåller alkalifältspat och kvarts tillsammans med glimmer (biotit och muskovit). Syenit en ljust färgad bergart, kemiskt intermediär mellan granit och gabbro. Typiskt innehåller den mer än 6 % alkalifältspat och små mängder mafiska mineral som hornblände och biotit. (Mafiska mineral innehåller järn (Fe) och Mg)) Granodiorit är en intermediär bergart med en sammansättning mellan granit och diorit. Den innehåller måttliga mängder kvarts. I sitt ursprung är den rik på biotit, hornblände och pyroxen. (Pyroxen omvandlas med tiden till horblände) Diorit är en bergart med en sammansättning mera basisk än granodiorit. Den domineras av plagioklas, fältspat, hornblände, och ibland biotit och pyroxen. Kvarts saknas eller förekommer i liten mängd. (Pyroxen omvandlas med tiden till horblände) Gabbro är en mörk bergart som domineras av kalciumrik plagioklas fältspat och ibland något olivin, biotit och hornblände. (Pyroxen och olivin omvandlas med tiden till horblände. Diabas tillhör samma familj) Berggrunden i Sverige domineras av bergarter med granitisk till granodioritisk sammansättning, dvs. de innehåller fri kvarts. De flesta bergtäkterna ligger i dessa bergarter. Dessutom är de granitiska bergarter besvärligast att använda som ballast till betong och är därför mest relevanta att undersöka.

8 Hur fin ballast från kross fungerar i betong beror huvudsakligen på kornkurva, kornform och kornyta. Detta i sin tur beror på bergart och krossningsmetod. Mineralogin, bergartens grovlek och textur är viktiga. Framför allt är halten kvarts, fältspat, biotit och hornblände väsentlig. I fält kan man se att många av bergarterna i brotten inte är strikt plutoniskt-magmatiska utan har utsatts för omvandlingar (metamorfos). Exempelvis förkommer bland de mafiska mineralen ingen pyroxen utan hornblände vilket är orsakat av denna metamorfos. I en del fall förekommer det också flera typer av bergarter i samma brott. När det gäller finballasten spelar detta dock en underordnat i förhållande till mineralogin. I gruset får man en blandning av bergarter, men med utgångspunkt från mineralogin och petrologin i denna blandning kan man använda den plutoniskt-magmatiska terminologin. Den petrografiska analysen har, förutom fillern, gjorts på tunnslip (snittade ytor) i polarisationsmikroskop (PM) genom punkt räkning. Ett tunnslip är ett preparat som slipats så tunt att ljusa kan tränga genom det. Metodiken är exemplifierad i Figur Vid analysen flyttas tunnslipet automatiskt ett bestämt avstånd och endast träff i en partikel räknas. Detta ger ett annat resultat än vid vanlig petrografisk analys av ballast, där man räknar antalet korn av olika bergartstyp eller mineral. I princip ger det samma resultat som om man gjorde en punkträkning på ett tunnslip av en specifik bergart, dvs. denna typ av punkträkning ger en analys som baseras på volymandelen av olika mineral i en bergart. Man får en bergart som skulle ha den mineralogiska sammansättningen som en homogen bergart med grusets sammansättning skulle ha. Vi är dock inte främst ute efter att göra en korrekt petrografisk analys utan en som är anpassad för finballast till betong. Alla mineral har en speciell kornform men om två eller flera mineral sitter samman så får man kompositens form. Därför betecknas varje korn där flera mineral sitter samman som en bergart. Om analyspunkten i ett bergartskorn träffar ett mafiskt mineral (biotit, hornblände etc.) betecknas kornet som en mafisk bergart och om det träffar ett ljust mineral som fältspat eller kvarts som en salisk bergart. I grunden blir en bergart med mycket hornblände och lite kvarts exempelvis en granodiorit. Ibland blir bergarten konstig ur petrografisk synpunkt, exempelvis då en kvartsrik bergart samtidigt är rik på hornblände. Detta beror antagligen på inblandning av diabas eller amfibolitgångar i gruset från en granit. Genom att använda petrologiska termologin från blandningen får man en för gruset mer relevant information än genom att använda den strikt geologiska termologin. Fillern (< 63/75 µm, tidigare 75 nu 63 enlig SS) går inte att analysera i tunnslip då den är för fin varför denna fraktion har analyserats på planpolerade (snittade) ytor i svepelektronmikroskop (SEM). Fillern har även analyserats med röntgendiffraktion (XRD). XRD är i grunden en kvalitativ metod som mäter gitteravståndet mellan olika kristallplan i det enskilda mineralet. Varje mineral har unika avstånd och ger en specifik våglängd och därmed en specifik topp i ett röntgendiagram. Genom att mäta intensiteten på de reflekterade strålarna kan man dock få en semikvantitativ bedömning av mängden. XRD har använts då punkträkning i SEM är en mycket dyr metod medan XRD är relativt snabb och billig. Genom att vi även gjort mängdanalys i SEM på samma prov får vi en kalibrering av XRD. 8

9 9 Figur Tillverkning av snittade preparat. Gruset läggs i behållare och packas lätt. Därefter sugs epoxi in i gruset genom vakuum. Preparatet snittas efter att det stelnat i längdriktningen och tunnslip tillverkas. Detta förfarande ger något mera liggande partiklar Petrografisk analys av fillermaterial Filler från 5 bergtäkter har analyserats i svepelektronmikroskop på snittade polerade ytor. Det visade sig att om allt material under 63 µm analyserades tillsammans var det svårt att få fram all information varför fillern subindelades i över och under 38 µm. Analysen har gjorts genom att alla korn på en yta har analyserats (inte punkträkning). Fillerfraktionen innehåller endast fria mineral. I SEM kan man med utgångspunkt från kemin göra en mera kvalificerad mineralogisk bedömning än i tunnslip. Detta medför att mineralen är mera specificerade. Exempelvis så uppdelas fältspaten i plagioklas och kalifältspat. Även mineralet klorit är specificerat. Det är ett flakmineral som i tunnslip är svårt att skilja från biotit med vilket det ofta är sammanvuxet. Klorit är i granitiska bergarter oftast inget primärt mineral utan en nedbrytningsprodukt från biotit eller hornblände. I kornform är det flakigt och liknar därmed biotit. Epidot är i graniter och speciellt granodioriter en nedbrytningsprodukt från plagioklas. Tabell Svepelektronmikroskop < 38 µm. Räknat som % partiklar. Mineral Kungälv Kleva Vambåsa Luleå Kolmetorp Kvarts 13,3 32,1 24,4 25,2 15, Plagioklas 28,2 21,2 29,1 39,8 21,4 Kalifältspat 38,7 43,8 19,9 32,4 Biotit 16, 6,1 11,1 15,6 Muskovit Hornblände 26,6 3,8 Epidot 9, Kalcit Klorit 7,2 1,9 15,6 Fe-oxid 2,6 Antal korn Tabell Svepelektronmikroskop < µm Mineral Kungälv Kleva Vambåsa Luleå Kolmetorp Kvarts 19,1 3,6 27,9 24,6 22, Plagioklas , 26,5 42,9 2,1

10 Kalifältspat 3,8 43,4 43,4 11,3 31,6 Biotit 11, 2,3 14,8 11,5 Muskovit Hornblände 21,1 3,4 Epidot 13,4 Kalcit 2,6 Klorit 3, 12, Antal korn Tabell Röntgen diffraktion < 38 µm. Intensitet hos respektive mineraltopp Mineral/ Kleva Kolme Vam Kung Luleå Olun Under Bro En Kålle Harde bergart torp båsa älv da ås hörna red berga Kvarts Fältspat Glimmer Klorit Hornblän Tabell Röntgen diffraktion (XRD) µm. Intensitet hos mineraltopp Mineral/ Kleva Kolme Vam Kung Luleå Olun Under Bro En Kålle Harde bergart torp båsa älv da ås hörna red berga Kvarts Fältspat Glimmer Klorit Hornblän Tabell Röntgen diffraktion (XRD) < 63 µm. Intensitet hos mineraltopp Mineral/ bergart Vändele Gladö Enhörna Stöningsberget Arlanda Kvarts Fältspat Glimmer Klorit Hornblände

11 11 Fraktionen < 63 µm Intensitet, counts Vändele Gladö Enhörna Stöningsberg Arlanda 1 5 klorit glimmer amfibol kvarts fältspat Figur Stapeldiagram som illustrerar data från tabell Petrografisk analys sand Tabell Petrografisk analys i tunnslip av fragment i de olika siktfraktionerna. Eventuell muskovit är inkluderad i biotit då de har samma kristallform. Räknat som volym % av en hypotetisk bergart.,75-,125 Mineral/ berg Stöning -berget Gladö kvarn Kleva Kolmetorp Vambåsa Underås Enhörn Kålle red Vändle Arlanda Kvarts 34, 34, 37,3 38,3 36,3 48, 28, 26, 3,6 45, Fältspat 2, 39, 51,6 23,6 47,6 25,3 21,5 18, 52,6 2,6 Biotit 36, 12,6,6 22,3 4, 3,3 8, 17,5 1,2 26,6 Hornbländ 4,3 5,3 -,6-3,6 38,5 29,5-1,6 Pyroxen 2,6 - - Salisk 1,3 5, 5, 8,3 6,3 13,6 1, 4, 15, 4,6 Mafisk 1,6 3,6 3, 3,6 2,3 5,6 2, 4,5,3 Övriga,3,6 2,3 1, 1.3,3 1, 4,,6,9,125-,25 Min/berg Stöning Gladö Kleva Kolme Vamb Underå Enhörn Kåller Vändle Arlanda Kvarts , 25, 39, 37,6 34,5 29,5 28,5 46, Fältspat ,3 3,3 33,3 2,3 23, 16,5 22, 22, Biotit 42 11,6 2,3 4, 2,3 7,5 15, 1,5 19,6 Hornblän 8,3-1,6 27,5 19,5 -,6 Pyroxen - Salisk 1 8 1, 17,3 2, 32, 3, 1, 44, 9,3 Mafisk 2 2 1, 5,6,6 5,6 4, 9,5 3,5 2, Övriga 2,,3,5,25-,5 Min/berg Stöning Gladö Kleva Kolme Vamb Underå Enhörn Kåller Vändle Arlanda Kvarts 18,6 29, 33,6 13,6 2,6 25,3 21,5 9, 15, 33,

12 12 Fältspat 22 35,6 4, 2, 19,6 22,6 29,5 13, 13, 7, Biotit 19,6 6,6,3 1, 2,,6 4,5 6,,5 2, Hornbländ,3 1,6 - -,3 26, 6, -,3 Pyroxen,3 - - Salisk 24,3 19,6 24,3 46,3 55,6 44, 1,5 41, 69, 5,3 Mafisk 14,6 7 1,3 9, 1, 6,3 7,5 25, 2,5 7,3 Övriga,3,3 1.,5-1, Min/berg Stöning Gladö Kleva Kolme Vamb Underå Enhörn Kåller Vändle Arlanda Kvarts ,3 6,3 5,6 12,3 15, 3, 6,5 6,3 Fältspat ,6 8,6 7, 14,6 15,5 5, 6,5 1,3 Biotit 4 3,3 3,3,3 2, 1,5 1, Hornbländ - - 4,5 2, Salisk ,6 73, 85,3 66,3 41,5 57, 8,5 78,3 Mafisk ,3 8, 2, 6,3 21, 31,5 6,5 13, Övriga,6 1,-2, mm Min/berg Stöning Gladö Kleva Kolme Vamb Underå Enhörn Kåller Vändle Arlanda Kvarts 4,5 1,6 1, 2,5 1, 3,,5 Fältspat 4 12,5 3,3 1, 7, 1, 4, Biotit,3 1, Salisk 88 81,6 82, 93,6 68,5 62, 89, 88,5 Mafisk 8 1,2 12,6 1,6 21,5 35, 4, 11,,75-,125 Mineral/ Hargs Bränn- Kungälv Luleå Olunda Bro Stenung Skyttorp bergart hamn land sunds Kvarts 33,1 37,3 31,3 44, 33,3 45,5 63,6 Ej anal Fältspat 29, 17,3 2,6 18,8 25, 27,5 17,3 Biotit 1,3 27, 13, 24,8 13, 22, 12,3 Muskovit 4,3 Hornbländ 3,6 11,6 21,3 6,4 19, 1,5 Pyroxen Salisk 2,3 2,6 1,2 4, 1,5 2, Mafisk 4,6 2,3 3,2 5, 1,,3 Övriga 2,6 1,6 5,6 1,6,6,5,125-,25 Miner/berg Hargsh Brännl Kungälv Luleå Olunda Bro Stenungs Skyttop Kvarts ,3 39,2 18, 44, 54,6 33 Fältspat ,3 18, 33, 31, 17,3 4 Biotit , 23,6 17, 18, 16,3 1 Muskovit 1 4 5,9 Hornbländ 4 15, 2, 11,3 1,5 Pyroxen Salisk 58 1,3 12, 12,3 4, 2,6 22 Mafisk 6 4,6 4, 8, 1, 1, 3 Övriga 2,3 1,2,25-,5 Miner/berg Hargsh Brännl Kungälv Luleå Olunda Bro Stenungs Skyttorp Kvarts 2 2,3 12,3 2, 1,6 31, 56,6 Ej anal Fältspat 2 28,6 8, 18,8 26,6 29,5 18,3 Biotit 1, ,3 6,4 14,6 21,5 6, Muskovit 5, Hornbländ 2 6,3 6,3

13 Pyroxen Salisk 88,6 11,3 33,6 42,4 28,8 13, 11, Mafisk 6 3,6 18,3 11,2 13,3 4,5 3, 13,5-1, Miner/berg Hargsh Brännl Kungälv Luleå Olunda Bro Stenungs Skyttorp Kvarts 19, 2,3 1, 5,3 24, Fältspat 21, 1,6 4,8 14,6 23,5 1, 1 Biotit 19, 4,3 1,6 1,3 9,5 3, Muskovit 4, Hornbländ 1, 2,3 Pyroxen Salisk ,6 83,6 53,3 34, 68,3 83 Mafisk , 8,4 14, 8, 3,6 5 1,-2, mm Miner/berg Hargsh Brännl Kungälv Luleå Olunda Bro Stenungs Skyttorp Kvarts 1,6 2,5 Ej anal 11,5 Ej anal Fältspat 2 1,,5 11, 2, Biotit 4 1,,5 Muskovit Hornbländ Salisk 9, , 81,5 68,5 9, Mafisk 9,8 3 23, 15,5 8,5 8, Bergartstextur och Mineralgräns Bergarterna i bergtäkterna har olika textur vilket märks in petrologin. Vid krossning klyvs berget till mindre korn efter svaghetszoner. Korngränsen mellan mineral är svagare än mineralen i sig, vilket medför att rena mineral anrikas i de finare fraktionerna. Är bergarten grov dvs. har större mineralkorn kommer mineralen att få en större andel i större fraktioner. Detta medför att man med utgångspunkt från andelen mineral/bergart kommer kan få fram hur grov bergarten i täkten var. Detta gör att om bergarten är grov så kommer mineralens ytor att styra partikelns form vilket är betydelsefullt. Mineralgränsen är här definierad som den kornstorleksgrupp där mer än hälften av partiklarna består av rena mineral. Om mineralgränsen ligger i fraktionen under,25 mm (sikt) räknas bergarten som finkornig, i fraktionen mellan,25 och,5 som medelkornig och om den ligger över,5 mm som grov. I de fall vi har analyserat bergarten så stämmer mineralgränsen med bergartstexturen. I klassificeringen har vi delat upp i Mängd mineral i volym % efter tabell = > 9%, 2= 9-6 %, 3= 6-4 %, (mineralgräns) 4= 4-1 %, 5= < 1 % mineral. Tabell Mineralgräns markerad med rött. Data från tabell Stönings berget Gladö Kleva Kolme torp Vam båsa Under ås Enhörna Kålle red Vändle

14 ,75-, ,125-, ,25-, ,5-1mm mm Betecknas grov grov grov medel medel medel grov fin fin 14 Hargs ham Bränn land Kungälv Luleå Olunda Bro Stenung sund Arlan,75-, ,125-, ,25-, ,5-1mm mm Betecknas Fin grov medel medel medel grov grov medel

15 Fri glimmer Som kommer att visas senare så är ger fri glimmer en för betong negativ kornform. Det är därför viktigt att veta inte bara hur mycket fri glimmer som finns i gruset utan även mängden fri glimmer i de olika siktfraktionerna. Detta åskådliggörs i tabell Här kan vi se en koppling mellan mineralgräns och mängden glimmer. I grövre bergarter förkommer biotit som fritt mineral i större fraktioner. I finkorniga bergarter sjunker mängden fri glimmer snabbt då den i de grövre fraktionerna blir är sammanfogad med ett annat mineral (bergart). Tabell Mängd fri glimmer i volym % i respektive fraktion. Efter tabell Fraktion (Textur) µm ,5-1, mm 1,-2, Stöningsberget (grov) 36, 42, 19,6 4, Gladö Kvarn (grov) 12,6 11, 6,6 3, Kleva (grov),6,6,3,3 Kolmetorp (medel) 22,3 2,3 1, 3,3,3 Vambåsa (medel) 4, 4, 2, Underås (medel) 3,3 2,3,6,3 Enhörna (grov) 8, 7,5 4,5 2, Kållered (fin) 17,5 15, 6, 1,5 1, Vändle (fin) 1,2 1,5,5 Arlanda (medel) 26,6 19,6 2, 1, Hargshamn (fin) 1,3 5, 1,3 Brännland (grov) 27, 43, 32, 19, 4, Kungälv (medel) 13, 25, 21,3 4,3 1, Luleå (medel) 24,4 23,6 6,4 1,6 Olunda (medel) 13, 17, 14,6 1,3 Bro (grov) 22, 18, 21,5 9,5,5 Stenungssund (grov) 12,3 16,3 6, 3, Petrografisk analys-diskussion Filler Filler är den svåraste fraktionen att klassificera och bedöma då kornen är små och endast kan identifieras i SEM. Röntgendiffraktion (XRD) ger dock en semikvantitativ bedömning. Detta visas i diagrammen i Figur Detta medför att man kan få en bra bedömning av fillern innehåller genom en relativt enkel röntgendiffraktionsanalys. Genom att slå ihop värdena för klorit och biotit får man en bra uppfattning om mängden flakiga mineral. Ingen av de olika krossbergarterna uppvisar några lermineral (vittringsleror) vilket är vanligt i naturgrus. Detta är en signifikant skillnad.

16 16 Kvarts Kvarts <38 Intensitet XRD R 2 =,9592 Intensitet XRD R 2 =, kvarts i partikel % Kvarts i partikel % Fältspat Fältspat < 38 Intensitet XRD R 2 =,8862 Intensitet XRD R 2 =, Fältspat i partikel % Fältspat i partikel % Glimmer Glimmer <38 Intensitet XRD R 2 =, Glimmer i partiklel % Intensitet XRD 4 R 2 =, Glimmer i partikel % Glimmer +klorit Glimmer +klorit <38 Intensitet XRD R 2 =,7484 Intensitet XRD 4 2 R 2 =, glimmer + klorit i partikel % glimmer + klorit i partikel % Figur Jämförelse mellan mineral i SEM och intensitet i XRD. Data från tabell 2.1.1, 2.1.2, och

17 17 Det är också av intresse att jämföra de olika fraktionerna. Tabell visar en jämförelse mellan mängd mineral i < 38, och i µm fraktionerna. (De olika siktarna beror på misstag i laboratoriet). Resultaten visar att mängden kvarts minskar något medan mängden fältspat ökar med finare korn. I tunnslip är det svårt att skilja biotit och klorit varför en sammanslagning gjorts. Glimmern (biotit och klorit) visar ett oregelbundet beteende men håller liknande halter i alla tre fraktionerna. XRD indikerar en minskning i den finaste fraktionen (< 38). Hornbländet håller ungefär samma halt i alla tre fraktionerna. I alla proven består fragmenten av rena mineral. Skillnaderna måste därför komma från hur olika mineralkorn krossas. Anrikningen av fältspat i den finaste fraktionen beror antagligen på att det är ett sprödare mineral än kvarts. Av stort intresse är att glimmern inte anrikas i de finaste fraktionerna. Detta visar en skillnad mot naturgrus som är anrikad på lera i de finaste fraktionerna. Slutsatsen av jämförelsen blir att man med utgångspunkt från en petrografisk analys av µm fraktionen får en god uppfattning av vad fillern innehåller. Tabell Jämförelse mellan fillerfraktioner och µm fraktionen. Röntgendiffraktion (XRD) ger en indikation på vad fillern innehåller. I tabell 9 och figur 1 kan man jämföra SEM och XRD. Dessa resultat visar att man kan få en uppfattning om mineralinnehållet i fillern genom röntgendiffraktion (XRD). Kvart Fsp Gli+ Amf <38 38/63 75/125 Klor Kungä 13,3 19,1 31,3 28,2 19,1 2,6 23,2, 11, 13, 26,6 21,1 21,3 Kleva 32,1 3,6 37,3 59,9 3,6 51,6 8,,6 Vamb 24,4 27,9 36,3 72,9 27,9 47,6 2,3 4, Luleå 25, , 59,7 24,6 18,8 11,1 17,8 24,8 3,8 3,4 6,4 Kolme 15, 24,6 38,3 53,8 22, 23,6 31,2 23,5 22,3 Tabell Översiktlig indelning i olika bergartstyper. (Baserat på mineralogi i tunnslip) Bergartstyp Salisk granit Mafisk granit Granodiorit Grovkornig Medelkornig Finkornig Stöningsberget x x Gladö Kvarn x x Kleva x x Kolmetorp x x Vambåsa x x Underås x x Enhörna x x Kållered x x Vändle x x Arlanda x x Hargham x x Brännland x x Kungälv x x Luleå x x Olunda x x Bro x x Stenungssund x x

18 2.2 Kornform/bildbehandling 18 Partiklarna i gruset är för små för att kunna identifieras och mätas visuellt. I SS-EN 1262 finns endast krav på flisighetsindex på grov ballast. För att kunna bestämma flisigheten hos fin ballast, då speciellt de finaste kornen, krävs speciella metoder. I den här undersökningen har vi använt mikroskopiska metoder. Den direkta observationen i mikroskop kan sedan med indirekta enklare och billigare metoder. Kornformen har kvantifierats genom bildanalys. Metodiken finns beskriven i MinFo-rapport A2-3:1. I princip måste man analysera både liggande och snittade korn vilket kräver analys av både snittade och liggande partiklar. I snittade preparat kan man inte diskriminera mellan stängliga och flakiga partiklar. I preparat med liggande partiklar lägger sig alla flakiga korn vilket gör att man kan diskriminera de stängliga från de flakiga. Runda och kubiska korn får denna form både snittade och liggande preparat. Alla kornfraktioner har analyserats separat. Filler fraktionen har undersökts i svepelektronmikroskop (SEM) medan de större kornen har undersökts med hjälp av tunnslip i polarisationsmikroskop. Det är samma tunnslip som den petrografiska analysen utförts på. Hittills har endast fem bergarter undersökt i SEM då detta är en dyr och besvärlig undersökning. Detta medför att man kan få kontroll på formen i varje fraktionen vilket möjliggör en jämförelse både inom ett grus och mellan olika grus. Figur visar en bild från tunnslip av snittat preparat i polarisationsmikroskop analyserad med bildanalys. UV-ljus, speciell preparering och filter krävs för att få fram bra kontrats. Varje partikel får ett unikt nummer. Det fodras dock en del arbete med att få fram bra kontrast och att separera alla partiklar från varandra. Det är därför en metod som kräver kunskap och operatörsskicklighet. Figur Tunnslip från snittat preparat i mikroskop efter bildbehandling.

19 19 Varje identifierat korn kan bearbetas för att få fram olika geometriska variabler. Den viktigaste variabeln är flakigheten, då denna egenskap försvårar rörligheten i betong. Denna mäts enklast genom att ta fram kortaste/längsta avståndet i varje partikel. Kornen är emellertid oregelbundna vilket gör det svårare. Hur man mäter visas i Figur Den variabel som visat sig ge bäst information och som används i de olika diagrammen är F-aspekt. F-aspect är kvoten mellan det kortaste och längsta avståndet i en anpassad ellipsoid. Alla mätdata med övriga mätdata finns i redovisat i appendix 2. F-radio är kvoten mellan den kortaste och längsta radien. Som passerar genom tyngdpunkten. F-shape är kvoten mellan den kortaste och längsta diametern som passerar genom tyngdpunkten F-aspekt är kvoten mellan längsta och kortast avståndet i en anpassad ellipsoid Figur Olika sätt att flakighet/stänglighet (tvådimensionell) i bildbehandling. Man kan genom bildbehandlig även få fram oregelbundenhet/kantighet och ytans råhet. Hur man gör detta syns i Figur F-surface är kvoten mellan objektets area och den anpassade boxens area Rundhet bygger på kvoten mellan kornets perimeter och area. Råhet bygger på kvoten mellan kornets verkliga omkrets och den hos en anpassad ellips. Figur Olika sätt att räkna ut ytans egenskaper i bildbehandling Fillerfraktionen I SEM kan man med energidispersiv punktanalys få en kemisk analys och därmed kemiskt klassificera vilket mineral som kornet består av. I fillerfraktionen består nästan alltid alla korn av enskilda mineral. Detta medför att man kan klassa alla mineral och göra en bildanalys av varje mineral separat. Resultaten visar som förväntat att partikel formen ges av mineralens

20 2 kristallografiska form. Kvarts och fältspat (plagioklas och ortoklas) ger den mest kubiska formen medan biotit och klorit är flakiga. Fältspaten verkar något mera kubisk än kvarts vilket beror på att kvarts får en flisig brottyta. Hornblände (betecknad som amfibol) är relativt kubisk, betydligt mera kubisk än glimmern (biotit/klorit). Kalcit och epidot har en ganska kubisk form. Epidot är en omvandlig från plagioklas. Kolmetorp mikrometer 1 % kvarts plagioklas ortoklas biotit klorit kalcit,25,5,75 1 F-shape Kungälv < 38 mikrometer 1 75 Kvarts Plagioklas Biotit 5 Klorit Amfibol Epidot 25,25,5,75 1 f-shape Figur Exempel från bildanalys av mineral på snittad polerad yta i SEM: Mera data finns i appendix 1a. Observera att F-shape och inte som tidigare F-aspect har mäts. Det ger ett något lägre värde. Bildanalysatorn på SEM klara inte F-aspect Sandfraktioner I Figur visas grafiskt en sammanställning av mätdata från de olika täkterna. Från liggande korn kan vi se att F-aspect varierar ganska lite vilket medför att inga av proven har signifikant stängliga korn i någon fraktion. Detta medför att de snittade kornen huvudsakligen visar

21 21 flakighet. I den finaste fraktionen µm kan man observera en ganska stor spridning i F- aspect. Generellt ökar kubisiteten med ökad kornstorlek. Det material med mest kubiska/runda partiklar är som förväntat naturgruset från Underås. Även Hargshamn, Enhörna, Vändle, Vambåsa och Kleva har relativa höga värden på F-aspect, dvs. är ganska kubiska. Dessa är grus med låg halt glimmer. De lägsta F-aspect värdena har Brännland, Kolmetorp och Arlanda vilka alla innehåller rikligt med glimmer vilket indikerar att det är glimmern som ger flakigheten. Grovkorniga bergarter med fri mineral och speciellt glimmer i grövre fraktioner ger större flakighet i dessa fraktioner (se Brännland och Stöningsberget). Intressant är att Enhörna har höga värden som tyder på att det är ganska kubiskt, trots att det innehåller rikligt med hornblände och en del biotit. I Figur kan vi se diagram från enbart biotit och hornblände. Detta visar som förväntat att flakigheten kommer från biotiten. Hornblände har en relativt kubisk form. En intressant observation är att biotiten från Luleå är mindre flakig än de andra. Detta visar att man kan få olika tjocklek på biotitflaken. En viss mängd biotit i provet kan ge olika mängd flak. Mera tunna flak ger större besvär i betongen. Om man jämför de olika fraktionerna inom samma grus (Figur 2.2.6) kan man observera att flakigheten avtar med ökande kornstorlek. Detta är markant i gruset från Kungälv, Kolmetorp, Luleå, Stenungssund, Arlanda och Stöningsberget. Dessa är alla bergarter med höga halter biotit men när biotiten är sammanväxt med något annat mineral (bergart) så blir kornet mera kubiskt. Detta medför att med finkorniga bergarter så minskar mängden fri biotit snabbt och kornen blir mera kubiska. Tabell Tabell som visar medelvärde och median för de olika fraktionerna från de olika täkterna. I tabellen har även lagts in mängden fri glimmer i varje fraktion. Täkt,75-,125 Glimm,125- Glimm,25-,5 Glimm,5-1, er i %,25 er i % er i % Underås,58/,58 3,3,58/,59 2,3,58/,58,6,6/,59 Hardeberga,57/,58,62/,62 Hargshamn,44/,43 1,3,52/,53 5,,54/,54 1,3,53/,52 Vambåsa,52/,52 4,,5/,5 4,,54/,54 2,,55/,54 Vändle,51/,5 1,2,5/,49 1,5,59/,49,5,48/,47 Enhörna,48/,47 8,,48/,48 7,5,51/,5 4,5,53/,52 Kleva,48/,47,6,47/,48,6,5/,5,3,5/,46 Kolmetorp,42/,41 22,3,46/,44 2,3,5/,49 1,,54/,55 Olunda,43/,41 13,,46/,43 17,,46/,45 14,6,48/,43 Kungälv,44/,44 21,3,45/,45 25,,41/,4 21,3,49/,55 Kållered,43/,42 17,5,45/,44 15,,46/,45 6,,47/,44 Gladö Kvarn,44/,43 12,6,45/,44 11,,48/,47 6,6,49/,49 Bro,42/,4 22,,44/,42 18,,4/,37 21,5,46/,44 Stenungssund,46/,46 12,3,43/,41 16,3,49/,49 6,,53/,54 Luleå,48/,46 24,8,43/,4 23,6,46/,44 6,4,51/,5 Arlanda,42/,41 26,6,42/,39 19,6,5/,47 2,,52/,5 Stöningsberget,42/,39 2,,39/,35 42,,45/,44 19,6,48/,47 Brännland,38/,35 17,3,36/,32 43,,4/,39 32,,47/,47

22 Tabell Tabell som visar hur många volym % av partiklar som har en F-aspect under,35. Detta värde är taget då det inrymmer ca 7-8 volym % av all glimmer (se diagram i Figur 2.2.6) Mineral/Bergart,75-,125,125-,25,25-,5,5-1, Underås Hardeberga Hargshamn Vambåsa Vändle Enhörna Kleva Kolmetorp Olunda Kungälv Kållered Gladö kvarn Bro Stenungssund Luleå Arlanda Stöningsberget Brännland

23 Figur Bildanalysdata från alla prov och fraktioner. Snittade och liggande korn. Låga värden på F-aspect visar avlånga medan höga värden kubiska/runda partiklar. I snittade korn ger låga värden flakiga/stängliga korn medan i liggande partiklar låga värden endast ger stängliga kor. Kumulativa diagram. 23

24 Figur Analys data från bildbehandling av glimmer (proven innehåller endast biotit) och hornblände separat. Fraktion,125-,25 mm. Kumulativt diagram 24

25 Figur Selektion av analysdata snittade korn i tunnslip. Kumulativa diagram. De är uppdelade efter täkt och visar förändring med kornstorlek. Alla diagram finns i appendix 1b. 25

26 2.3 Siktkurvor 26 Hur ett grus kommer att påverka betongs egenskaper beror inte endast på kornformen utan också på kornkurvan. Denna kan dels mätas med vanlig sikt och med lasersikt. Lasersikten har högre upplösning på de finaste partiklarna och ger därmed mera information om fillern Vanlig sikt Kornkurvan för de olika sandsorterna (-2mm) framgår av Figur Samtliga krossgrus innehåller mera finmaterial än natursanden från Underås och Sätertorp. Hardeberga är tvättat grus av samma typ (kvartsitisk sandsten) som Sandby. Speciellt gruset från Kållered, Stöningsberget, Arlanda Hargshamn och Gladö Kvarn är rikt på filler. Siffervärden finns i Tabell Gruset från Kållered är extremt rikt på filler. Även i fraktionen under,25 mm är krossmaterialet rikare på material än naturgruset men det är inte lika markant. Det verkar typiskt att krossgruset innehåller mera fint material än naturgrusen. I de med höga halter filler kommer detta att ställa till med problem vid betongframställning, även om det till del kan kompenseras med flyttillsats/superplasticerare. Passerar [% ] Gränskurva A Gränskurva B Underås [N] Sätertorp [N] Skyttorp Sandby Brännland Stöningsberget Hargshamn Vambåsa Hardeberga Kolmetorp Kleva Kungälv Luleå Enhörna Kållered Bro Gladö Vändle Arlanda Olunda,1,1 1 1 Sikt [mm] Figur Siktkurva (-2mm) hos de olika grussorterna.

27 2.3.2 Lasersikt 27 Kornkurvan för de olika sandsorternas finmaterial (-.25 mm sikt) bestämdes med en lasersikt. Resultatet från denna analys framgår av Figur Metodiken ger inte samma resultat som vid vanlig siktning med hål. Den längsta diametern mäts, vilket åstadkommer att stängliga och i viss mån flakiga partiklar blir relativt större. Resultaten visar att det kan vara stora skillnader i finhet mellan finmaterial från olika kross och naturgrus. Generellt är kurvan för natur och kross liknande, men ser man närmare så innehåller naturgrus relativt mera av ultrafiller (< 1 µm) än krossgrus. Undantagen är Skyttorp, Hargshamn och Vändle som har höga halter av ultrafint material. Detta ger en stor inre yta vilket måste beaktas vid betongblandning. Då dessa grus dessutom innehåller höga halter av filler (se vanlig sikt) så krävs det flytmedel för att häva den stora inre ytan. Ser man på antalet partiklar under 63/75 µm så liknar kross och naturgrus varandra. 1 9 Underås [N] Sätertorp [N] Hargshamn Brännland Passerar [%] Stöningsberget Skyttorp S andby Enhörna Bro Kållered Kolmetorp Vambåsa Hardeberga Kleva Underås [N] Sätertorp [N] 3 2 Olunda Kungälv Luleå Vändle 1 Arlanda Gladö Storlek [µm] Figur Partikelstorleksfördelning (-,25 mm) hos finmaterialet från olika grussorter enligt lasersikt.

28 28 Tabell Siffervärden från siktarna. Täkt Vanlig sikt < 75µm Vanlig sikt < 25µm Lasersikt <1 µm Lasersikt <63µm Underås 5,7 22,8 16,6 43,6 Sätertorp 3,8 23,1 11,5 36,1 Hargshamn 17,2 3,6 19,7 6,8 Vambåsa 13,8 43,6 5,3 26,4 Vändle 1,3 27,9 11,5 3,1 Enhörna 14,3 41,5 5,5 24,2 Kleva 9,5 3,6 6,6 26,3 Kolmetorp 11,4 37,9 5,3 27,4 Olunda 14,8 22,3 6,7 3,3 Kungälv 8,5 37,9 3, 14,7 Kållered 32,6 5,8 8,6 36,4 Gladö kvarn 17,1 46,7 7,6 28,3 Bro 8,3 27,8 4,9 21,8 Skyttorp 9,5 26,9 19,6 54,9 Luleå 12,9 37 5,4 26,3 Arlanda 17,8 37,9 8,3 34,6 Stöningsberget 18,8 49,8 9,8 46,6 Brännland 8,9 35,4 7,9 37,9 Olunda 14,8 35,5 6,7 28,2 Hardeberga 2,3 3,6 1, 5,2

29 Andra egenskaper Specifik yta Den specifika ytan (BET- ytan) hos finmaterialet (<,25 mm) i sanden har mäts hos Cementa Research AB och redovisas i tabell Det är mät i olika omgångar med dels -,25 mm och -,125 mm (framsiktat material). Då ytan ökar med finhet så blir värdena för -125 mm större. Vändle, Gladö kvarn, Kolmetorp och Underås har en stor BET-yta. Anledningen kan man finna i en kombination av hög halt filler och ultrafint material. De glimmerika krossgrusen har också en relativt hög Bet-yta vilket kan bero på stora ytan hos glimmer. Tabell Specifik yta enligt BET metoden för fraktionen -,25 samt -,125. Värden med asterisk avser -,125 fraktionen. Finmaterial Specifik yta [m 2 /kg] Vanlig sikt < 63µm Lasersikt <1µm Bro 78 8,3 4,9 Enhörna 61, *118 14,3 5,5 Kållered 115, *23 32,6 8,6 Kolmetorp 249, *378 11,4 5,3 Kleva 84, *139 9,5 6,6 Vambåsa 52, *88 13,8 5,3 Olunda 13 28,2 6,7 Hardeberga 96 2,3 1, Kungälv 87 8,5 3, Luleå 92 12,9 5,4 Arlanda 89 *143 17,8 8,3 Gladö kvarn 28 *394 17,1 7,6 Stöningsberget 976 *141 18,8 9,8 Vändle 414 *428 1,3 11,5 Underås 265, *453 5,7 16, Sandekvivalent Sandekvivalenttesten (SS-EN 933-8) är en variant av slamtest/sedimentationstest. Det är en speciellt i USA vanlig test på kvaliteten på betonggrus. Hela fraktionen -2 mm används, men vi har även testat resultatet på -1 ch -,5 mm. Ett bra betonggrus skall ha ett högt värde. Låga värden ger en hög slampelare vilket påvisar att sanden innehåller en stor andel finmaterial och/eller hög lerhalt. Speciellt mängden ultrafin filler är viktig. Resultaten i -2 mm verkar accentueras i -1 och -,5 mm materialet. Testen verkar framför allt visa effekt av halt finmaterial och lera/glimmer. Grusen från Hardeberga, Kungälv och Kleva ger högst värde. Hardeberga är en tvättad kvartsit med små mängder filler. Även Kungälv innehåller lite filler speciellt ultrafiller (hög Bet-yta, hög LS < 1µm). Kleva har en medelhög halt av filler men den innehåller mycket lite glimmer. Lägst värde har Vändle, Kolmetorp och Enhörna. Det är material med ganska mycket glimmer i finmaterialet. Både Vändle och Kolmetorp innehåller mycket ultrafiller.

30 3 SE-testen verkar registrera en kombination av ler/glimmer halt och ultrafint material och ger därmed en indikation både på mängd och på kvalitet på fillern. Den är därför antagligen en bra kvalité test för rutinprovning. Man måste dock betänka att man idag med superplasticerare bättre kan bemästra höga halter finmaterial än tidigare. Denna test är därför inte lika relevant som den var när den infördes. Tabell 12 Sandekvivalenttest. I kolumn 1 finns gamla värden. I kolumn 2 finns nya värden från den sand som testats i betongförsöken i Liljeholmen. I kolumn 3 och 4 finns värden för finare fraktioner. F-aspect är antalet partiklar med F-aspect <,35 från tabell Det finns ingen Bet-yta från Hargshamn Södra sandby men de måste enligt data från lasersikten vara stora ,5 Specifik F-aspect Sikt LS mm mm mm mm yta µm <63µm <1µm Hargshammar 71 Stor 1,3 17,2 Stöningsberget , 18,8 9,8 Kållered ,5 32,6 8,6 Kleva ,6 9,5 6,6 Kolmetorp ,3 11,4 5,3 Vändle ,2 1,3 11,5 Gladö Kvarn ,6 17,1 7,6 Vambåsa , 13,8 5,3 Kungälv , 8,5 3, Luleå ,4 9,5 5,4 Olunda , 14,8 6,7 Hardeberga ,3 1, (tvättad kvartsit ) Södra Sandby 74 Stor (otvättad kvartsit) Stenungssund ,3 Enhörna , 14,3 5,5 Arlanda ,6 17,8 8,3 Bro , 8,3 4,9 Underås ,3 5,7 16,6

31 2.5 Petrologiskt/mineralogiskt bedömning med avseende på lämplighet i betong I denna undersökning används inte kvalificerad petrologisk klassificering. Detta fodrar att man vet både sammansättning och textur. Exempelvis så betecknar gnejs en textur medan granit betecknar mineralsammansättning. Granit är en djupbergart som innehåller rikligt med fri kvarts tillsammans med fältspat (plagioklas och kalifältspat/ortoklas). Gruset kan innehålla flera bergarter. Även om bergarten är en granit eller gnejsgranit kan den innehålla sliror av basiska bergarter eller diabasgångar. Graniter innehåller i allmänhet inget hornblände och inblandning av små mängder hornblände beror därför antagligen på kontamination av basiska bergartskomponenter. Med utgångspunkt från mineralogin kan man ge gruset en djupbergartsbeteckning vilket är det beteckningssystem som används i denna rapport. Vid betongtillverkning spelar både kornkurva och kornform roll. Typiskt för krossgrusen är att de ofta innehåller relativt höga halter av filler. Mängden av det finaste materialet ultrafillern är också väsentlig då det ger en stor inre yta. Om både mängden filler och ultrafiller är hög ger detta en mycket hög inre yta. Den inre ytan visas också av BET-ytan. Om man jämför de olika mineralen så ger de flesta en relativt kubisk form utom glimmern (biotit och muskovit). Detta medför att glimmern kan ställa till med problem med rörligheten Täkter Stöningsberget Berget innehåller fri kvarts men den innehåller relativt höga mängder biotit och även något hornblände. Detta indikerar en något intermediär (mafisk) granit. Gruset från har sin mineralgräns på något över,5 mm vilket tyder på en relativt grovkornig bergart. Typiskt för stöningsberget är den höga halten av biotit med kornstorlekar på upp till över,5 mm (sikt). Detta syns på F-aspect som visar flakiga partiklar på upp till,5 mm. Gruset är rikt på filler men mängden ultrafiller och BET-ytan är normal. Gladö Kvarn Berget innehåller relativt rikligt med fri kvarts och fältspat vilket indikerar en granit. Den rikliga tillgången på mafiska mineral (biotit) gör den till en mafisk granit. Mineralgränsen ligger på över,5 mm vilket tyder på en ganska grov bergart. Mängden biotit är ganska hög och fri biotit återfinns upp till ca,5 mm. Partiklarna är ganska flakiga på upp till,25 mm. Gruset är rikt på filler och ultrafiller. BET-ytan är hög. Kleva Berget innehåller rikligt med fri kvarts och fältspat vilket tyder på en salisk granit. Mineralgränsen ligger på över,5 mm vilket tyder på att den är relativt grovkornig. Typiskt är den mycket låga halten av biotit i alla fraktioner vilket ger låg flakighet. Både mängden filler, ultrafiller och BET-yta är genomsnittlig. Kolmetorp Berget innehåller rikligt med fri kvarts vilket gör den till en granit. Mineralgränsen ligger mellan,25-,5 mm vilket gör den medelkornig. Biotithalten är hög i alla 31

32 32 fraktioner upp till,5 mm vilket gör att den betecknas som en mafisk granit.kornen är flakiga upp till,5 mm. Mängden filler, ultrafiller och Bet-yta är något hög. BET-ytan är anmärkningvärt hög. Vambåsa Berget innehåller rikligt med fri kvarts vilket gör den till en granit. Mineralgränsen ligger mellan,25-,5 mm vilket gör den medelkornig. Halten biotit är låg och bergarten betecknas salisk granit. Kornen är kubiska. Mängden filler är ganska hög medan mängden ultrafiller liksom BET-ytan är relativt låg. Enhörna Berget innehåller fri kvarts m halten amfibol/hornblände är hög. Bergarten betecknas därför som granodiorit. Mineralgränsen ligger mellan,25-,5 mm vilket gör den medelkornig. Halten biotit är medelhög. Karakteristiskt för gruset är den höga halten av hornblände. Detta påverkar dock ej kornformen negativt. Mängden filler är ganska hög medan mängden ultrafiller är moderat och BET-ytan är låg. Kållered Berget är en blandad gnejs. Gruset innehåller dock relativt mycket fri kvarts men även ganska mycket biotit och hornblände. Mineralgränsen ligger mellan,25-,5 mm vilket gör den medelkornig. Den relativt höga halten av både biotit och hornblände gör att gruset mineralogiskt betecknas som en granodiorit. Kornformen är generellt ganska flakig. Mängden filler är extremt hög. Mängden ultrafiller och BET-ytan är relativt hög. Vändle Berget innehåller rikligt med fri kvarts vilket gör den till en granit. Mineralgränsen ligger under,25 mm vilket gör den finkornig. Biotit-innehållet är ganska lågt vilket gör den till en salisk granit. Ett problem med denna bergart är att den är kraftigt omvandlad (seritiserad). Kornformen är bra. Mängden filler är normal men mängden ultrafiller och Bet-ytan är anmärkningsvärt hög. Arlanda Berget innehåller rikligt med fri kvarts vilket gör den till en granit. Mineralgränsen ligger mellan,25 och,5 mm vilket gör den till en medelkornig granit. Halten biotit är ganska hög vilket gör den till en mafisk (intermediär granit). Kornen under,25 mm är flakiga. Fillerhalten är hög medan mängden UF och BET-ytan bara är något över normal. Hargham Berget är rik på kvarts vilket gör den till en granit. Mineralgränsen ligger under,25 mm vilket gör den finkornig. Biotithalten är intermediär. Karakteristiskt för gruset är finkornigheten och att fri biotit endast förkommer i de minska fraktionerna. Kornformen är mycket bra. Både mängden filler och ultrafiller är hög vilket kan ställa till med problem. Brännland. Berget innehåller fri kvarts men i relativt små mängder. Den betecknas därför som granodiorit. Mineralgränsen ligger över,5 mm vilket ger en grov granodiorit. Biotitinnehållet är högt även i fraktionerna över,5 mm. Karakteristiskt för gruset är att det är en grov bergart och att det förkommer fri biotit även i de grövre fraktionerna. Kornformen är distikt dålig lånt upp i kornstorlek.

33 Mängden filler och ultrafiller är normal. 33 Kungälv Berget innehåller fri kvarts men i relativt små mängder. Den betecknas därför som granodiorit. Mineralgränsen ligger mellan,25 och,5 mm vilket ger en medelkornig bergart. Halten mafiska mineral (hornblände och biotit) är relativt hög. Detta beror antagligen på inblandning av diabasgångar/amfibolitpartier. Typiskt är den relativt höga halten av både biotit och hornblände i fraktionerna upp till, 5 mm. Kornformen är ganska dålig i alla fraktioner. Mängden filler och ultrafiller är ganska låg. Luleå Berget innehåller relativt mycket fri kvarts, vilket gör den till en granit. Mineralgränsen ligger mellan,25 och,5 mm vilket gör gruset medelkornigt. Halten mafiska mineral är relativt hög och gör berget till en intermediär granit. Typiskt är den relativt höga halten biotit och inblandningen av hornblände. Kornformen är relativt dålig Att kornformen inte är sämre beror delvis på att biotiten från Luleå inte är lika flakig som biotiten hos de andra. Mängden filler och ultrafiller är genomsnittlig Olunda Berget innehåller relativt lite kvarts vilket gör den till en granodiorit. Halten mafiska mineral är hög, både halten biotit och hornblände. Mineralgränsen ligger mellan,25 och,5 mm vilket gör gruset medelkornigt. Typiskt är den höga halten av speciellt hornblände men även biotit. Kornformen är relativt dålig i de flesta fraktionerna. Mängden filler är relativt hög medan mängden ultrafiller är genomsnittlig. Bro Berget innehåller rikligt med fri kvarts vilket gör bergarten till en granit. Mineralgränsen ligger på över,5 mm vilket gör gruset grovkornigt. Typiskt för gruset är den höga halten av fri biotit även som ganska grova korn. Detta ger en flakig kornform även i de grövre fraktionerna. Mängden filler och ultrafiller är ganska låg. Stenungssund Berget innehåller rikligt med fri kvarts vilket gör den till en granit. Mineralgränsen ligger runt,5 mm vilket gör gruset till relativt grovkornigt. Mängden biotit är relativt hög vilket gör graniten till intermediär. Typiskt är den relativt höga halten fri biotit. Lasersikt är ej utförd. Skyttorp Endast,15-,25 och,5-1, mm är undersökt. Dessa fraktioner visar dock att det är en ganska finkornig granit fattig på biotit. Underås) Bergarterna som givit Underås har varit rika på kvarts vilket indikerar ett huvudsakligen granitisk ursprung. Halterna av mafiska mineral är låg vilket antagligen beror på att dessa mineral brutits ner under bildningen av det glacifluviala gruset. Halten av filler är lägre in i krossballasten men mängden ultrafiller är hög. Detta beror antagligen på att naturgrus i motsats till krossat berg innehåller vittringsleror som är finkorniga.

34 3 Krossballastens egenskaper i bruk 34 De olika ballastmaterialen har studerats i både mikrobruk och bruk. I mikrobruken har endast ballastens finmaterial, fraktionen -,25 mm, studerats. Utvärderingen har utförts vid olika volymandelar finmaterial och resultaten har utvärderats och kopplats till materialkarakteristiken. I bruken har hela -2 fraktionen av ballasten utvärderats. Försöken har gjorts både på ballastmaterialen med den ursprungliga siktkurvan samt med anpassade siktkurvor för att kunna jämföra materialen under samma förutsättningar. Vidare har materialen studerats i bruk med varierande pastavolymer, med fillerersättning, inblandning av naturballast samt med flytmedel. 3.1 Mikrobruksreologi- finmaterialets egenskaper Finmaterialets egenskaper i mikrobruk har undersökts med en pastaviskometer (HAAKE CV2). Analysen ger en beskrivning av mikrobrukets färska egenskaper uttryckt som flytgränsspänning och plastisk viskositet. Med flytgränsspänning avses den spänning i materialet som måste övervinnas innan det kan börja flyta. Den plastiska viskositeten beskriver hur trögt mikrobruket flyter när den väl är satt i rörelse. Metodiken som använts beskrivs utförligt i tidigare utförda arbeten på CBI (Billberg, 1999). De undersökta mikrobruken bestod av cement, vatten och ballastpartiklar mindre än,25 mm. De har proportionerats så att de skall motsvara mikrobruksfasen hos två hypotetiska betonger med 13 % respektive 3 % finmaterial<,25 mm i -8 mm fraktionen av ballasten. Normalt innehåller -8 mm fraktionen hos naturballast ca 13 vikt % finmaterial och eftersom krossprodukter normalt har en förhöjd andel finmaterial undersöktes även mikrobruk med motsvarande 3 % finmaterial. I resultatdiagrammen nedan är mängderna finmaterial redovisade som volymandelen i de aktuella mikrobruken och inte som en del av en fiktiv ballast. Sammansättning hos de provade mikrobruken framgår av tabell Tabell Mikrobrukens sammansättning. Delmaterial Motsvarande % finmaterial<,25 mm Motsvarande 13 % finmaterial<,25 mm Byggcement [g/l] 112,4 971,8 828,2 Finmaterial < 25 µm 351,2 69,8 [g/l] Vatten [g/l] 638,6 554, 472,2 Vct,57,57,57 Volym konc. partiklar,361,446,528 Volymandel finsand,133,261 Motsvarande 3 % finmaterial<,25 mm Resultaten från mätningarna på mikrobruk visar att flytgränsspänningen ökar med andelen finmaterial, se figur Ökningen i flytgränsspänning är ett resultat av att volymkoncentrationen av partiklar ökar med ökande andel ballastmaterial. Vid den lägre andelen finmaterial, 13,3 %, utmärker sig särskilt finmaterialet från Vändle som gav en relativt hög flytgränsspänning. I övrigt är skillnaderna så små att finmaterialet i sig inte torde ge upphov till svårigheter vid betongtillverkning. När andelen finmaterial ökar får de enskilda finmaterialens karakteristik en ökad betydelse och därmed accentueras skillnaderna i flytgränsspänning.

35 35 I figur ses hur den plastiska viskositeten förändras med volymandelen finmaterial. Även för viskositeten är skillnaderna relativ små vid den lägre volymandelen finmaterial, undantaget materialet från Vändle. När så andelen ökar blir spridningen mellan de olika mikrobruken större vilket sannolikt beror på en ökad partikelinterferens med det minskande avstånd mellan partiklarna. Flytgränsspänning [Pa] Sätertorp (N) Kleva Kolmetorp Olunda Kungälv Bro Brännland Stöningsberget Sandby Vändle Underås (N) Hardeberga Vambåsa Luleå Enhörna Kållered Hargshamn Skyttorp Gladö Arlanda Volymandel finmaterial <,25 mm [%] Figur Inverkan av volymandelen finmaterial<,25 mm på mikrobrukets flytgränsspänning. Plastisk viskositet [Pa s] 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Sätertorp (N) Kleva Kolmetorp Olunda Kungälv Bro Brännland Stöningsberget Sandby Vändle Underås (N) Hardeberga Vambåsa Luleå Enhörna Kållered Hargshamn Skyttorp Gladö Arlanda, Volymandel finmaterial <,25 mm [%] Figur Inverkan av volymandelen finmaterial<,25 mm på mikrobrukets plastiska viskositet.

36 36 I figur är flytgränsspänningen avsatt mot den plastiska viskositeten för mikrobruken med både 13,3 respektive 26,1 vol. - % finmaterial. Resultaten som befinner sig inom det heldragna området utgörs av mikrobruken med 13,3 % finmaterial medan de inom det streckade området utgör de med 26,1 %. Av figuren framgår den stora spridningen i både flytgränsspänning och plastisk viskositet som de olika finmaterialen ger vid en hög volymandel. Skillnaderna är så stora att de skulle resultera i betonger med helt skilda vattenbehov och arbetbarhet. De egenskaper som mikrobruken uppvisar beror av finmaterialets kornform, specifika yta och även i viss mån av dess ytkemiska egenskaper. Eftersom dessa variabler varierar hos de olika finmaterialen är det svårt att peka ut vilken variabel som är av störst betydelse. De finmaterial som ger de styvaste och segaste mikrobruken är de från Kolmetorp och Vändle. Gemensamt för dessa material är att de har en mycket stor specifik yta. Vidare har Kolmetorp, som gav högst flytgränsspänning, även sämre kornform och större andel biotit. Tillsammans ger dessa egenskaper ett mycket vattenkrävande mikrobruk. Flytgränsspänning [Pa] Sätertorp (N) Kleva Kolmetorp Olunda Kungälv Bro Hargshamn Stöningsberget Sandby Vändle Underås (N) Hardeberga Vambåsa Luleå Enhörna Kållered Brännland Skyttorp Gladö Arlanda,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Plastisk viskositet [Pa s] Figur Mikrobrukens flytgränsspänning avsatt mot den plastiska viskositeten vid 13,3 (inom heldraget område) respektive 26,1 (inom streckat område) vol. - % finmaterial Effekt av specifik area Mikrobrukets vattenbehov påverkas bland annat av den specifika arean hos de ingående delmaterialen. I figur och figur har de reologiska parametrarna flytgränsspänning och plastisk viskositet avsatts mot den specifika arean hos de olika finmaterialen. Resultaten indikerar att det råder en god korrelation mellan den specifika arean hos finmaterialen från de krossade ballastmaterialen och mikrobrukens flytgränsspänning. Vid beräkningen av korrelationskoefficienten har dock inte värdena för naturmaterialet från Underås beaktats. Anledningen till det är att naturballast ofta har en mer porös yta än krossballast på grund av vittring. Dessutom innehåller naturballasten i motsats till krossballast vittringsleror som är extremt finkorniga. Vidare är naturballastens korn mer runda vilket gör att de inte ger lika stort bidrag till de reologiska parametrarna genom partikelinterferens som krossprodukterna. Slutligen

37 37 är intresset i det här arbetet att finna samband för bedömning av krossade produkters lämplighet och inte för naturballast. Om värdena för finmaterialet från Underås beaktas blir korrelationen betydligt sämre (r 2 =,4). Korrelationen mellan den specifika arean och den plastiska viskositeten är sämre än för flytgränsspänningen. Resultaten visar än dock på en trend mot högre viskositet med ökande specifik area. Även i denna korrelation har värdena för Underås exkluderats. 16 Flytgränsspäning [Pa] Underås [N] Kross R 2 =, Specifik area [m 2 /kg] Figur Flytgränsspänning avsatt mot finmaterialens specifika area (BET). 4 Plastisk viskositet [Pa s] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Underås [N] Kross R 2 =,63, Specifik area [m 2 /kg] Figur Plastisk viskositet avsatt mot finmaterialens specifika area (BET).

38 3.1.2 Inverkan av finmaterialets kornform 38 I figur och figur är F-aspect värdet för finmaterialen avsatt mot flytgränsspänningen respektive den plastiska viskositeten hos de olika mikrobruken. Resultaten indikerar att det inte råder något som helst samband mellan F-aspect värdet och de reologiska parametrarna. Det dåliga sambandet beror sannolikt på att det är stora skillnader i specifik area mellan de olika finmaterialen. Detta gör att i vissa fall dominerar den specifika arean helt över den goda kornformen och ger andra värden än vad som väntats utifrån en betraktelse av kornformen. 16 Flytgränsspänning [Pa] ,3 % 26,1 % R 2 =,12 R 2 =,751,1,2,3,4,5,6,7 F-aspect Figur Flytgränsspänningen hos mikrobruk med 13,3 % respektive 3 % finmaterial avsatt mot F-aspect värdet. 4 3,5 13,3 % 26,1 % Plastisk viskositet [Pa s] 3 2,5 2 1,5 1,5 R 2 =,148 R 2 =,11,1,2,3,4,5,6,7 F-aspect Figur Plastisk viskositet för mikrobruk med 13,3 % respektive 26,1 % finmaterial avsatt F-aspect värdet.

39 39 För att minimera inverkan av den specifika arean har endast F-aspect värden för finmaterial med specifika arean m 2 /kg använts i figur och figur Vid den jämförelsen erhålls en betydligt bättre korrelation mellan F-aspect värdena och de reologiska parametrarna för mikrobruken innehållande 26,1 % finmaterial. Den bästa korrelationen erhålls för den plastiska viskositeten. Vid 13,1 % finmaterial är korrelationen mellan F-aspect värdena och mikrobrukens reologiska egenskaper dålig. Resultaten i figur respektive figur visar också på att skillnaderna i egenskaper var relativt små vid 13,1 % finmaterial och att de accentuerades med ökande finmaterialinnehåll. Resultaten indikerar därmed att det krävs åtminstone två variabler för att bedöma finmaterialkvaliteten, dvs. kornform och specifika arean. 6 Flytgränsspänning [Pa] ,1 % specifik area m2/kg 26,1 % specifik area m2/kg R 2 =,55 R 2 =,11,1,2,3,4,5,6,7 F-aspect Figur Flytgränsspänning avsatt mot F-aspect för finmaterial med en specifik area mellan 78 och 96 m 2 /kg. 2,5 Plastisk viskositet [Pa s] 2 1,5 1,5 13,3 % specifik area m2/kg 26,1 % specifik area m2/kg R 2 =,5 R 2 =,79,1,2,3,4,5,6,7 F-aspect Figur Plastisk viskositet avsatt mot F-aspect för finmaterial med specifik area mellan 78 och 96 m 2 /kg.

40 3.1.3 Sammanfattning mikrobruksreologi 4 Resultaten visar att finmaterialets karakteristik kan ha stor inverkan på ett mikrobruks reologiska egenskaper. Det är dock först vid en viss volymandel finmaterial som dess karakteristik börjar slå igenom i mikrobrukets reologiska egenskaper. Vid 13 vol.- % var skillnaderna mellan de undersökta finmaterialen så små att en majoritet av dem med stor sannolikhet skulle kunna ersätta finmaterialet i ett naturgrus. Med ökande andel ökade skillnaderna och vid 26 vol.- % var skillnaderna så stora att de sannolikt skulle ge betonger med mycket varierande vattenbehov och arbetbarhet. Eftersom -2 fraktionen av krossballast normalt innehåller finmaterialmängder kring denna nivå kan kvaliteten hos finmaterialet i vissa fall vara avgörande för betongegenskaperna. Resultaten visar på en generell trend mot högre flytgränsspänningar med ökad specifik area hos finmaterialet. Även ett visst samband mellan viskositeten och den specifika arean kunde observeras. Korrelationen mellan dessa var dock något sämre. Mikrobrukens reologiska egenskaper påverkas även av finmaterialets kornform. Resultaten visar på bäst korrelation mellan kornformen och mikrobrukets plastiska viskositet, men även för flytgränsspänningen går trenden mot lägre värden med rundare korn.

41 3.2 Cementbruksreologi- -2 mm fraktionens egenskaper 41 I denna del utvärderades de olika ballastmaterialens inverkan på de reologiska egenskaperna hos bruk med vanlig cementpasta. Bruken karakteriserades med en bruksviskometer (Contec 4) som fungerar enligt samma princip som mikrobruksviskometern och ger således brukens flytgränsspänning och plastiska viskositet. De variabler som studerades var; inverkan av andelen krossad ballast, kornstorleksfördelningens, F-aspect, fillerersättning och flytmedelstillsats. I tabell nedan anges det grundrecept som använts vid provningarna samt receptet för de bruk där ballastens -,25 mm fraktion ersatts med filler. Tabell De utvärderade brukens sammansättning. Delmaterial Grundrecept Med 12 vol-% filler Byggcement [g/l] 635,1 635,1 Ballast -2 mm [g/l] 1147,7 - Ballast,25-2 mm [g/l] - 11, Filler [g/l] - 145,6 Vatten [g/l] 362, 362, Flytmedel* [%] -,15 - *Glenium Inverkan av olika ballastmaterial De olika ballastmaterialen med dess ursprungliga kornstorleksfördelning, se siktkurvorna i figur 2.3.1, har utvärderats i bruk med grundreceptet ovan. Resultaten i figur visar att de olika ballastmaterialen ger bruk med mycket varierande reologi, allt ifrån lättflytande till styva och sega. De ballastmaterial som gav de högsta värdena på brukets flytgränsspänning och plastiska viskositet var Kållered och Brännland. Den huvudsakliga förklaringen till Kållereds placering i diagrammet är dess höga andel finmaterial. Detta visas tydligt längre fram i texten, figur Brännland innehåller också en stor andel finmaterial, men det är många andra ballastmaterial som innehåller lika mycket eller mer som ger en mer gynnsam reologi. Det som skiljer Brännland från dessa är en betydligt sämre kornform (F-aspekt) och det är förmodligen detta tillsammans med finmaterialmängden som ger de höga värdena på viskositeten och flytgränsspänningen. Ballastmaterialet från Hardeberga gav i princip samma reologi som naturballasten från Underås. Karakteriseringen av Hardeberga ballasten visade att den innehåller en relativt liten mängd finmaterial som dessutom har en liten specifik area. Vidare var kornformen god, F-aspect värdet var i princip detsamma som för Underås. Ballastmaterialen från Vändle och Kolmetorp utmärker sig genom att ha höga flytgränsspänningar men låga viskositeter. I mikrobruksmätningarna gav dessa material de högsta flytgränsspänningarna och viskositeterna.

42 Underås [N] Gladö Kleva Kolmetorp Vambåsa Enhörna Kållered Vändle Arlanda Hargshamn Brännland Kungälv Luleå Olunda Bro Skyttorp Hardeberga Sandby Flytgränsspänning [Pa] Plastisk viskositet [Pa s] Figur Flytgränsspänningen avsatt mot den plastiska viskositeten hos bruk innehållande olika -2 mm ballast Inblandning av naturballast I nedanstående försök har inverkan av olika proportioner av kross och naturballast undersökts. I försöken har krossballasten från Arlanda, Bro, Enhörna, Kållered och Vambåsa använts. De har sedan blandats med naturballasten från Underås så andel kross/natur varit: %/1 %, 2 %/ 8 %, 5 %/ 5 %, 8 %/ 2 % och 1 %/ %. Inblandningen innebär dels att det sammanlagda materialets siktkurva förskjuts från den för det rena naturmaterialet till den för krossmaterialet, dels att kornformen hos ballast förändras med ökad andel korssballast. I figur visas hur kornstorleksfördelningen ändras vid inblandningen av Kållered, siktkurvorna för de övriga materialen finns i Appendix 1D.

43 Gränskurva A Gränskurva B 1 % Kållered 8 % Kållered 5 % Kållered 2 % Kållered 1 % Underås Passerar [%] ,1,1 1 1 Sikt [mm] Figur Siktkurvor för olika blandningar av ballast från Kållered och Underås. När ballast från Kållered tillförs stiger brukets flytgränsspänning kraftigt redan vid 2 % andel kross, figur Den kraftiga stegringen i flytgränsspänning beror sannolikt till stor del på det skifte som sker i siktkurvan när andel krossballast från Kållered ökar. Eftersom Kållered innehåller betydlig mer material passerande,5 mm, framförallt i de finare fraktionerna, än Underås sker det en kraftig förskjutning av siktkurvan redan vid små inblandningar. För de andra krossmaterialen ökar flytgränsspänningen betydligt långsammare och först efter mer än 5 % andel börjar skillnaderna mellan de olika krossballastmaterialen att framträda. I figur ses att skillnaderna i plastisk viskositet börjar framträda tidigare än skillnaderna i flytgränsspänning. Vid 5 % kross har viskositeten ökat med ca 1 % för materialen från Arlanda och Kållered. Studeras de olika siktkurvorna i Appendix 1D framgår att siktkurvorna för 2 % Kållered och 5 % Arlanda respektive 5 % Kållered och 1 % Arlanda sammanfaller nästan helt. Resultaten från bruksmätningarna visar att just i dessa punkter är flytgränsspänningarna desamma för de båda materialen, se figur Eftersom Kållered och Arlanda har jämförbara F-aspect värden har de två respektive bruken med Arlanda en större andel material med sämre kornform än bruken med Kållered. Detta verkar dock inte påverka flytgränsspänningen alls. Till skillnad från de uppmätta flytgränsspänningarna är det stora skillnader i uppmätt viskositet för dessa bruk, figur Eftersom kornstorleksfördelningen är densamma för dessa bruk kan skillnaden i viskositet troligtvis helt tillskrivas skillnaderna i kornform.

44 Flytgränsspänning [Pa] Underås [N] Bro Enhörna Kållered Vambåsa Arlanda Andel kross [%] Figur Flytgränsspänningen avsatt mot andelen krossad ballast i % av totala ballastmängden. Plastisk viskositet [Pa s] Underås [N] Bro Enhörna Kållered Vambåsa Arlanda Andel kross [%] Figur Plastisk viskositet avsatt mot andelen krossad ballast i % av totala ballastmängden.

45 45 6 Arlanda 5 Kållered Flytgränsspänning [Pa] Samma kornstorleksfördelning Samma kornstorleksfördelning Andel kross [%] Figur Flytgränsspänningen avsatt mot andelen krossad ballast i % av totala ballastmängden. 1 Plastisk viskositet [Pa s] Arlanda Kållered Olika F-aspect Samma siktkurva Olika F-aspect Samma siktkurva Andel kross [%] Figur Plastisk viskositet avsatt mot andel krossad ballast i % av totala ballastmängden.

46 3.2.3 Inverkan av kornstorleksfördelningen 46 Siktkurvorna för de olika de ballastmaterial som har undersökts i denna rapport varierar över ett stort område. För att kunna undersöka eventuella samband mellan F-aspect och de reologiska parametrarna är en viktig förutsättning att de olika ballast materialen har jämförbara siktkurvor. Därför har fem olika ballastmaterial valts ut och studerats vidare genom att anpassa deras siktkurvor så att de blir enhetliga och jämförelsen av de olika materialen underlättas. I ett första steg anpassades ballastmaterialens siktkurvor till den för naturballasten (Underås), se figur Utifrån den anpassade kurvan justerade sedan siktkurvan dels mot en större andel finmaterial, dels mot större andel material >,5 mm, se figur Passerar [%] Gränskurva A Gränskurva B Underås [N]/ anpassad kurva Bro Enhörna Kållered Vambåsa,1,1 1 1 Sikt [mm] Figur Siktkurvor för de ursprungliga ballastmaterialen samt den kurva som de anpassats till. Passerar [%] Gränskurva A Gränskurva B Anpassad kurva Anpassad kurva+ finmtrl<,25 mm Anpassad kurva+ mtrl>,5 mm Anpassad kurva++ mtrl>,5 mm,1,1 1 1 Sikt [mm] Figur Anpassade siktkurvor med ökad andel finmaterial (+ finmtrl<,25 mm) respektive material>,5 mm (+ mtrl>,5 mm resp. ++ mtrl>,5 mm).

47 47 I figur redovisas resultaten av en anpassning av krossballastens siktkurva till den för naturballasten från Underås. Reologin för samtliga bruk förändras mot lägre flytgränsspänning och plastisk viskositet vid anpassningen av ballastmaterialens siktkurva. Den största förändringen erhålls för ballasten från Kållered följt av Vambåsa. Samtliga bruk med krossballast ger dock en högre viskositet än bruket med naturballast. Skillnaderna i viskositet beror sannolikt på de skillnader i kornform som ballastmaterialen uppvisar. 6 5 Bro Enhörna Bro A Enhörna A Flytgränsspänning [Pa] Kållered Vambåsa Underås Kållered A Vambåsa A Plastisk viskositet [Pa s] Figur Flytgränsspänning avsatt mot plastisk viskositet för bruk innehållande ballast med ursprunglig respektive till Underås anpassad siktkurva. Utifrån den anpassade kurvan ökades sedan andel finmaterial<,25 mm. Med ökad andel finmaterial ökar brukets vattenbehov vilket resulterar i högre flytgränsspänning och plastiska viskositet, figur Flytgränsspänning [Pa] Underås A Underås A+finmtrl<,25 Enhörna A Enhörna A+ finmtrl<,25 mm Bro A Bro A+ finmtrl<,25 mm Kållered A Kållered A+ finmtrl<,25 mm Vambåsa A Vambåsa A+ finmtrl<,25 mm,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, Plastisk viskositet [Pa s] Figur Inverkan av ökad andel finmaterial<,25 mm på brukens flytgränsspänning och plastiska viskositet.

48 48 När siktkurvan justeras mot mindre andel finmaterial (+ mtrl>,5 mm) minskar brukets vattenbehov, vilket kan ses i figur där en tydlig minskning i flytgränsspänning kan ses. Resultaten visar även att viskositeten ökar något för bruken med ballast från Vambåsa, Kållered och Bro. Detta beror troligtvis på ökad partikelinterferens mellan grövre korn till följd av ett begynnande underskott av finmaterial. Flytgränsspänning [Pa] Underås A Underås A+ mtrl>,5 mm Enhörna A Enhörna A+ mtrl>,5 mm Bro A Bro A+ mtrl>,5 mm Kållered A Kållered A+ mtrl>,5 mm Vambåsa A Vambåsa A+ mtrl>,5 mm,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 Plastisk viskositet [Pa s] Figur Inverkan av minskad andel finmaterial<,25 mm (+mtrl>,5 mm) på brukens flytgränsspänning och plastiska viskositet. När andelen finmaterial minskas ännu mer sker ingen ytterligare minskning av flytgränsspänningen, se figur Däremot ökar den plastiska viskositeten ytterligare, troligtvis på grund av ökad partikelinterferens.

49 49 Flytgränsspänning [Pa] Underås A Underås A++ mtrl>,5 mm Enhörna A Enhörna A++ mtrl>,5 mm Bro A Bro A++ mtrl>,5 mm Kållered A Kållered A++ mtrl>,5 mm Vambåsa A Vambåsa A++ mtrl>,5 mm,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 Plastisk viskositet [Pa s] Figur Inverkan av minskad andel finmaterial<,25 mm (++ mtrl>,5 mm) på brukens flytgränsspänning och plastiska viskositet. Resultaten från dessa försök sammanfattas i figur Resultaten visar att det finns en optimal kornstorleksfördelning för varje ballastmaterial där både flytgränsspänningen och den plastiska viskositeten har ett minimum. Innehåller ballastmaterialet mer finmaterial kommer bruket att bli mer vattenkrävande, vilket registreras som en ökning i flytgränsspänning och viskositet. Minskas finmaterialmängden från denna nivå ökar viskositeten samtidigt som risken för vattenseparation ökar. Flytgränsspänning [Pa] Anpassad kurva Anpassad kurva + finmtrl<,25 mm Anpassad kurva + mtrl>,5 mm Anpassad kurva ++ mtrl>,5 mm Underås Bro Enhörna Kållered Vambåsa,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, Plastisk viskositet [Pa s] Figur Inverkan av ballastens kornstorleksfördelning på bruks reologiska egenskaper.

50 3.2.4 Inverkan av den specifika arean hos ballastens finmaterial 5 I figur är resultaten från mätningarna på bruk i avsnitt plottade mot den specifika arean hos ballastens finmaterial<,25 mm. Av figuren framgår att det är en mycket god korrelation mellan flytgränsspänningen och den specifika ytan för varje enskilt ballastmaterial. Om regressionen görs på samtliga data för bruken med krossballast blir korrelationskoefficienten sämre, r 2 =,62, men trenden är densamma som för resultaten presenterade i figur Korrelationen mellan specifika arean och brukens plastiska viskositet var svag, vare sig beräkningen utförs på mätdata för varje ballast material separat eller den utförs på det samlade materialets data. 25 Underås Vambåsa Flytgränsspänning [Pa] R 2 =,96 R 2 =,98 R 2 =,97 R 2 =,97 R 2 =,97 Enhörna Kållered Bro Specifik area [m 2 /kg] Figur Inverkan av den specifika arean hos ballastens finmaterial<,25 mm på brukets flytgränsspänning. Diagrammet är baserat på mätdata i avsnitt

51 51 5 4,5 R 2 =,37 Underås Vambåsa 4 Enhörna Plastisk viskositet [Pa s] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 R 2 =,4 R 2 =,24 R 2 =,21 R 2 =,49 Kållered Bro, Specifik area [m 2 /kg] Figur Inverkan av den specifika arean hos ballasten finmaterial<,25 mm på brukets plastiska viskositet. Diagrammet är baserat på mätdata i avsnitt Inverkan av ballastens kornform I figur och figur är flytgränsspänningen respektive viskositeten avsatt mot F- aspect värdena för,25-,5 mm fraktionen hos ballasten. De mätdata som använts är från mätningarna på bruk med anpassad siktkurva i avsnitt Dessa mätdata har valts ut för att minimera inverkan av skillnader i kornstorleksfördelning mellan de olika materialen. Av figur framgår att korrelationskoefficienten mellan flytgränsspänningen och F-aspect värdet var,68. Beroende på vilken fraktions F-aspect värde som används varierar r 2 värden mellan,3 och det redovisade,68. F-aspect värdet för fraktionen,25-,5 mm gav bäst korrelation mot både flytgränsspänningen och den plastiska viskositeten.

52 Flytgränsspänning [Pa] Anpassad siktkurva R 2 =,68 2,25,5,75 1 F-aspect Figur Flytgränsspänningen för bruken med anpassad kurva i avsnitt avsatt mot F- aspect värdet för,25-,5 mm fraktionen av -2 ballasten. Av figur framgår att det är mycket god korrelation mellan F-aspect värden för,25-,5 mm fraktionen och den uppmätta viskositeten. Korrelationskoefficienten varierade mellan,76 och,92 beroende på vilket F-aspect värde som används. Oavsett vilken fraktions F-aspect värde som används ses en tydlig trend mot lägre viskositeter när ballastkornen blir rundare. 4 3,5 Plastisk viskositet [Pa s] 3 2,5 2 1,5 1 Anpassad siktkurva R 2 =,92,5,25,5,75 1 F-aspect Figur Den plastiska viskositeten för bruken med anpassad kurva i avsnitt avsatt mot F-aspect värdet för,25-,5 mm fraktionen av -2 ballasten.

53 3.2.6 Effekt av filler 53 I denna del utvärderades olika bruk där ballastens finmaterial<,25 mm siktats bort och ersatts med filler. I försöken användes både kalkfiller och masugnsslagg som ersättning. Det recept användes visades tabell Genom att ersätta fraktionen under,25 mm med filler förbättrades de reologiska egenskaperna markant, både flytgränsspänningen och viskositeten reducerades betydligt för bruken med ballast från Stöningsberget och Brännland, se figur och figur Den huvudsakliga orsaken till de förbättrade egenskaperna är att andelen finmaterial reducerats då en mindre mängd filler tillförts än vad som siktats av. Men trots att egenskaperna förbättras är den plastisk viskositeten fortfarande högre än hos bruket med ballast från Underås. För bruken med ballast från Sandby, Skyttorp och Underås ökade viskositeten något när finmaterialet ersattes med kalkfiller. Resultaten påminner på så sätt om de i figur där viskositeten ökade när andelen finmaterial minskade under ett visst värde. Det vill säga viskositetsökningen skulle även i detta fall kunna bero på ökad partikelinterferens mellan grövre ballastkorn till följd av ett underskott på finmaterial. Med masugnsslagg ökade viskositeten hos bruket med ballast från Skyttorp medan den minskade något med den från Sandby. Flytgränsspänning [Pa] Underås,25-2 Underås + 12 % Kalk -2 Skyttorp,25-2 mm Skyttorp + 12 % Kalk -2 Sandby,25-2 Sandby + 12 % Kalk -2 Brännland,25-2 Brännland + 12 % Kalk -2 Hargshamn,25-2 Hargshamn + 12 % Kalk Plastisk viskositet [Pa s] Figur Förändring av brukets egenskaper när fraktion under,25 mm ersätts med 12 vol- % kalk.

54 Flytgränsspänning [Pa] Underås,25-2 Underås + 12 % Slagg -2 Hargshamn,25-2 Hargshamn + 12 % Slagg -2 Brännland,25-2 Brännland + 12 % Slagg -2 Skyttorp,25-2 Skyttorp + 12 % Slagg -2 Sandby,25-2 Sandby + 12 % Slagg,25-2 Stöningsberget + 12 % Slagg Plastisk viskositet [Pa s] Figur Förändring av brukets egenskaper när fraktion under,25 mm ersätts med 12 vol- % masugnsslagg. I figur och figur visas hur de reologiska egenskaperna hos bruk med ballast från Kleva, Hardeberga och Kolmetorp förändras när finmaterialet ersätts med kalkfiller. Liksom för de redovisade resultaten ovan minskade flytgränsspänningen vid ersättningen med filler. Den största förändringen erhölls hos bruket med ballast från Kolmetorp. Analysen av den specifika arean hos finmaterialet i Kolmetorp visade att den var betydligt större än kalkfillrets specifika area. Minskningen i flytgränsspänning beror troligen både på att mängden finmaterial samt att ytan minskat vid fillerersättningen. För bruket med ballast från Hardeberga skedde inte någon egentlig förbättring av de reologiska egenskaperna. Flytgränsspänning [Pa] Underås [N] -2 Kleva,25-2 Kleva + 12 % KÖ5-2 Hardeberga,25-2 Hardeberga + 12 % KÖ5-2 Kolmetorp,25-2 Kolmetorp + 12 % KÖ5,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, Plastisk viskositet [Pa s] Figur Förändring av brukets egenskaper när fraktionen under,25 mm ersätts med 12 vol.- % kalkfiller (KÖ5).

55 55 I figur och figur ses resultaten för de övriga ballastmaterialen som ingått i undersökningen. Trenden är densamma som observerats tidigare, dvs. både flytgränsspänningen och viskositeten minskar som ett resultat av den minskade finmaterialmängden. Flytgränsspänningen hamnade i nivå med den för bruket med ballast från Underås medan viskositeten var högre i samtliga fall. Den högre viskositeten är sannolikt en kornformseffekt. Flytgränsspänning [Pa] Underås [N] -2 Olunda,25-2 Olunda + 12 % KÖ5-2 Vambåsa,25-2 Vambåsa + 12 % KÖ5-2 Kungälv,25-2 Kungälv + 12 % KÖ5-2 Luleå,25-2 Luleå + 12 % KÖ5 5,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, Plastisk viskositet [Pa s] Figur Visar hur brukets egenskaper förändras när fraktionen under,25 mm ersätts med 12 vol.- % kalk (KÖ5). Flytgränsspänning [Pa] mm Underås [N] -2 mm Kållered,25-2 mm Kållered + 12 % KÖ5-2 mm Bro,25-2 mm Bro + 12 % KÖ5-2 mm Enhörna,25-2 mm Enhörna + 12 % KÖ Plastisk viskositet [Pa s] Figur Visar hur brukets egenskaper förändras när fraktionen under,25 mm ersätts med 12 vol.- % kalk (KÖ5).

56 3.2.7 Inverkan av flytmedel 56 Bruk med ballast från krossat berg har generellt ett större vattenbehov än bruk med natursand. Eftersom flytmedlets funktion är att bryta flockar och därmed frigöra vatten som immobiliserats är det av intresse att undersöka om det frigjorda vattnet kan tillgodose det större vattenbehovet. Vid försöken har de olika ballastmaterialen med kornstorleksfördelning enligt figur använts. Brukens sammansättning var enligt tabell Genom att använda flytmedel går det att på ett effektivt sätt reducera flytgränsspänningen till samma nivå som för bruket med naturballast, figur Till och med flytgränsspänningen för de bruk som innehöll ballastmaterial från Stöningsberget och Brännland nådde samma nivå som bruket med ballast från Underås. De krävde emellertid relativt stora mängder flytmedel. Underås [N] Gladö Kleva Kolmetorp Vambåsa Enhörna Kållered Vändle Arlanda Hargshamn Brännland Kungälv Luleå Olunda Bro Skyttorp Hardeberga Sandby Stöningsberget 6 5 Flytgränsspänning [Pa] ,2,4,6,8,1,12,14,16 Flytdos [%] Figur Inverkan av flytmedel på flytgränsspänningen hos bruk med olika ballastmaterial från krossat berg. I figur ses inverkan av flytmedel på brukens plastiska viskositet. Resultaten visar att viskositeten minskar vid flytmedelstillsats. Men relativt bruket med Underås var viskositeten högre för så gott som alla bruk vid jämförbar flytgränsspänning. Detta var tydligast för bruken med ballast från Stöningsberget och Brännland som uppvisade mycket hög viskositet även vid den högsta flytmedelsdosen.

57 Underås [N] Gladö Kleva Kolmetorp Vambåsa Enhörna Kållered Vändle Arlanda Hargshamn Brännland Kungälv Luleå Olunda Bro Skyttorp Hardeberga Sandby Stöningsberget Plastisk viskositet [Pa s] ,2,4,6,8,1,12,14,16 Flytdos [%] Figur Inverkan av flytmedel på den plastiska viskositeten hos bruk med olika ballastmaterial från krossat berg Inverkan av brukets pastavolym I denna del utvärderas de olika ballastmaterialen i bruk med varierande pastavolym. För att kunna arbeta med bruken under en längre tid utan inverkan av cementreaktionerna användes icke reaktiva partiklar istället för vanligt cement. Det syntetiska cementet bestod av kvarts och silika. Vid försöken utgick vi från det grundrecept som finns beskrivet i tabell , därefter justerades pastavolymen i tre steg. Vid varje pastavolym mättes brukets reologiska egenskaper minst två gånger. Sammansättningen hos den syntetiska pasta som användes för att justera pastavolymen framgår av tabell Siktkurvorna för de använda materialen är de som redovisas i figur bortsett från materialen märkta med asterisk i figur och figur nedan. Siktkurvorna för dessa material redovisas i appendix 1E. Tabell Recept som används vid utvärdering av sand från krossat berg i bruk med syntetisk cementpasta. Delmaterial Brukrecept Syntetisk pasta Kvarts [g/l] 565, 998 Silika [g/l] 7,6 124,6 Ballast -2 mm [g/l] 1149,8 - Vatten [g/l] 317,8 561,4 När brukets pastavolym ökar minskar betydelsen av de olika ballastmaterialens karakteristik vilket resulterar i att såväl flytgränsspänningen som den plastiska viskositeten går mot den för den rena pastan. I figur och figur ses de olika brukens flytgränsspänning som

58 58 funktion av andelen pasta i bruken. Resultaten visar att det går att få ner flytgränsspänningen för samtliga bruk genom att öka pastavolymen. Den mängd som åtgår varierar dock mycket beroende på de olika ballastmaterialens egenskaper. För ballastmaterialen från Kållered, Stöningsberget och Brännland krävs det dock en kraftig ökning av pastavolymen. Vid vanlig betongtillverkning skulle det innebära en relativt stor ökning av cementmängden alternativt vct. Resultaten från tidigare avsnitt visar det går att åstadkomma minst lika stora förbättringar genom att minska finmaterialmängden, se t.ex. resultaten för Kållered i figur Flytgränsspänning [Pa] Kleva Hardeberga Kolmetorp Vambåsa Olunda Kungälv Luleå Gladö Vändle Arlanda Stöningsberget Bro* Kållered* Enhörna* Volymandel pasta [%] Figur Flytgränsspänningen hos bruk med krossballast vid olika volymandelar syntetisk pasta. Flytgränsspänning [Pa] Underås [N] Sätertorp [N] Skyttorp Sandby Brännland Stöningsberget Hargshamn Volymandel pasta [%] Figur Flytgränsspänningen hos bruk med krossballast vid olika volymandelar syntetisk pasta.

59 59 I figur och figur redovisas inverkan av pastavolymen på brukens plastiska viskositet. Liksom för flytgränsspänningen förskjuts viskositeten mot lägre värden vid ökad pastavolym och genom tillräckligt stor ökning kan samma viskositet som för bruket med ballast från Underås erhållas. För bruken med ballast från Kållered, Stöningsberget och Kållered krävs dock en orealistiskt stor ökning. Men för en majoritet av bruken skulle sannolikt en liten pastavolymsökning kombinerat med ökad flytmedelsdosering resultera i relativt goda reologiska egenskaper. Plastisk viskositet [Pa s] Vambåsa Kolmetorp Olunda Kleva Hardeberga FB Kungälv Skanska Luleå Gladö Vändle Arlanda Stöningsberget Bro* Kållered* Enhörna* Volymandel pasta [%] Figur Viskositeten hos bruk med krossballast vid olika volymandelar syntetisk pasta. Plastisk viskositet [Pa s] Underås [N] Sätertorp [N] Skyttorp Sandby Brännland Stöningsberget Hargshamn Volymandel pasta [%] Figur Viskositeten hos bruk med krossballast vid olika volymandelar syntetisk pasta.

60 3.2.9 Sammanfattning bruksreologi 6 Resultaten från denna del visar att ballastmaterialens karakteristik har stor inverkan på brukets reologiska egenskaper. En del ballastmaterial från krossat berg ger egenskaper som kan jämföras med egenskaperna hos bruk med natursand, medan andra ger bruk med mycket dåliga egenskaper. Försöken där finmaterialet siktats bort och delvis ersatts med filler indikerar att det dominerande bidraget till det större vattenbehovet är andelen finmaterial. Generellt resulterade den åtgärden i att både flytgränsspänningen och den plastiska viskositeten minskade. Även resultaten från försöken med anpassade siktkurvor visar att en stor del av det ökade vattenbehovet i många fall beror på den stora finmaterialmängden. För bruket innehållande ballast från Kållered minskade flytgränsspänningen och den plastiska viskositeten med hela 7 % respektive 65 % när andelen finmaterial<,25 mm halverades. Resultaten visar på en mycket god korrelation mellan ballastmaterialets kornform och plastiska viskositet. Mellan den specifika ytan hos ballastens finmaterialfraktion och brukets viskositet kunde inte något samband observeras. Sambandet mellan flytgränsspänningen och den specifika ytan hos ballastens finmaterialfraktion var emellertid god med en trend mot högre flytgränsspänningar med ökad yta. Resultaten visar att det går att minska inverkan av sandsorterna partikelkarakteristik genom att öka pastavolymen i bruken. För en del ballastmaterial krävdes dock en pastavolymsökning som inte är realistisk vid normal betongtillverkning. Genom att använda effektiva flytmedel kan negativa effekter av krossballastens karakteristik reduceras. Men vid jämförbar flytgränsspänning förblev viskositeten högre för bruken med krossballast än bruket med naturballast.

61 4 Appendix 61 Appendix 1A Bildbehandlingsdata från snittade korn i svepelektronmikroskop. Låga värden ger stänglig form medan höga ger kubisk/rund form. Snittade flakiga korn ger oftast stängliga korn när de är snittade. Det är ritat som kumulativa diagram för varje mineral individuellt. Kungälv kvarts plagioklas ortoklas biotit amfibol epidot,25,5,75 1 F- shape Kolmetorp mikrometer 1 % kvarts plagioklas ortoklas biotit klorit kalcit,25,5,75 1 F-shape Luleå kvarts plagioklas ortoklas biotit amfibol klorit,25,5,75 1 F-shape

62 Appendix 1B Bildbehandlingsdata från tunnslip Låga värden ger flakig/stänglig form på snittade ytor medan höga ger kubisk/rund form. På liggande korn ger låga värden stänkliga kor. Det är ritat som kumulativa diagram för varje täkt 62

63 63

64 64

65 65

66 66

67 67