EXAMENSARBETE. Tidig hållfasthet för sprutbetong och cementingjuten bergbult. Erik Swedberg Civilingenjörsexamen Väg- och vattenbyggnadsteknik

Transkript

1 EXAMENSARBETE Tidig hållfasthet för sprutbetong och cementingjuten bergbult Erik Swedberg 2013 Civilingenjörsexamen Väg- och vattenbyggnadsteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser

2 Tidig hållfasthet för sprutbetong och cementingjuten bergbult ERIK SWEDBERG Civilingenjörsprogrammet Väg- och vattenbyggnad Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser

3

4 Förord Examensarbetet som presenteras i denna rapport utgör avslutningen på min civilingenjörsutbildning vid Luleå Tekniska Universitet. Arbetet har utförts på uppdrag av LKAB, där Lars Malmgren tog initiativ till att genomföra detta projekt. Jag vill rikta ett stort tack till alla inom och utanför LKAB som på olika sätt gjort arbetet möjligt. Många har under projektets gång bidragit med idéer, kunskap och synpunkter. Hos LKAB har bland andra Thomas Savilahti och Lars Malmgren ställt upp med sin långa erfarenhet av bergförstärkning och alltid svarat på mina funderingar. Johan Bergström har varit en ovärderlig hjälp vid alla möjliga praktiska frågor kring fältförsöken. Vidare är det tack vare Benjamin Krutrök och Bengt-Göran Mikko på LKAB Berg & Betong som sprutbetongförsöken varit genomförbara. Andreas Eitzenberger vid LTU har, i egenskap av handledare, svarat på frågor, diskuterat och kommenterat under arbetets gång, vilket har varit till mycket stor hjälp. Till sist vill jag tacka familj och vänner som ställt upp under våren. Utan er hade arbetet varit alltför tungt! Erik Swedberg Luleå maj 2013 I

5

6 Sammanfattning I takt med de ökade brytningsdjupen i LKABs underjordsgruvor i Kiruna och Malmberget har även behovet av bergförstärkning, i syfte att upprätthålla säkra och tillgängliga produktionsområden, ökat. För att möta detta har LKAB tagit fram ett förstärkningssystem som bland annat innefattar fiberarmerad sprutbetong och cementingjuten modifierad Kirunabult. Dessa förstärkningselement måste härda en tid innan önskad förstärkningsfunktion uppnås. I föreliggande rapport redovisas en utredning av den tidiga hållfastheten för tidigare nämnda förstärkningselement. Vad gäller den modifierade Kirunabulten har två serier med utdragningsförsök genomförts. Den första utfördes i hårt berg i Kirunagruvan och den andra i mjuk biotitskiffer i Malmberget. I båda fallen installerades ett antal bultar med bultrigg, varefter provdragning skedde successivt under ett antal timmar efter blandning av injekteringsbruket. Resultatet visar att en modifierad Kirunabult uppnår sin brottlastkapacitet efter ungefär 19 timmar, om ingjutningen håller god kvalitet. Vid svåra bergförhållanden är spridningen i utdragskraft stor, och hållfastheten kan vara mycket låg. För sprutbetong har böjsegheten bestämts genom laboratorieprovning av cirkulära plattor enligt ASTM C1550. Plattornas tryckhållfasthet under laboratorieförhållanden jämfördes med sprutbetong i fält genom provning med spikpistolmetoden. Efter 15 timmar uppnåddes 468 J energiupptagande förmåga i fält, vilket är lägre än kravet på 650 J. Från litteraturen erhålls en lägre gräns för enaxiella tryckhållfastheten på 1,6 MPa för att betongen ska kunna genombultas utan skador. Denna tryckhållfasthet uppnåddes i fält efter mindre än 4,5 timmar. III

7

8 Abstract In order to maintain stable and accessible production areas in LKABs underground mining operations in Kiruna and Malmberget, the amount of rock support has increased in recent years. Support is installed systematically, with fibre-reinforced shotcrete and cement-grouted modified Kiruna bolts as two of the main support elements. Since both of these are based on cement, the full design bearing capacity is only achieved some time after installation. Therefore, an understanding of the strength development process of these elements is essential in order to determine safe times for re-entry into supported drifts. Two series of field pull-out tests have been performed with modified Kiruna bolts, in two separate geological environments. For both series of tests, the rock bolts were installed using bolting rigs and then pulled successively after a number of hours. The results show that a modified Kiruna bolt achieves its designed bearing capacity after approximately 19 hours of curing during favorable rock conditions. However, the pull-out resistance showed significant scatter when performed in lower-quality rock. The development of flexural toughness for round shotcrete panels has been determined according to the standard ASTM C1550 under laboratory conditions. A stud driver was used to measure the uniaxial compressive strength for panels in the laboratory as well as for newly applied shotcrete in the field. After 15 hours of curing, 468 J of energy absorption was achieved under field conditions. This is lower than the requirement of 650 J. According to the litterature review, drilling through the shotcrete can be permitted when the UCS exceeds 1.6 MPa. This was achieved after less than 4.5 hours in the field. V

9

10 Innehållsförteckning 1 INLEDNING MÅL AVGRÄNSNINGAR METOD FÖRSTÄRKNINGSELEMENT BERGBULTAR SPRUTBETONG PROVNINGSMETODER BÖJSEGHET FÖR BETONG - ASTM C SPIKPISTOLMETODEN BERGFÖRSTÄRKNING INOM LKAB GEOLOGISKA OCH BERGMEKANISKA FÖRUTSÄTTNINGAR FÖRSTÄRKNINGSSYSTEM SPRUTBETONG BERGBULT HÅLLFASTHETSUTVECKLING - TIDIGARE FÖRSÖK UTDRAGNINGSFÖRSÖK I MALMBERGSGRUVAN INGJUTNINGSMASSANS EFFEKT PÅ UTDRAGSKRAFTEN SAMMANSTÄLLNING AV TIDIGARE BULTDRAGNINGSFÖRSÖK SKJUVHÅLLFASTHETENS UTVECKLING FÖR FIBERARMERAD SPRUTBETONG HÅLLFASTHETSKRAV I INSTALLATIONSSKEDET RIKTLINJER FRÅN LITTERATUREN KONTROLL AV BÄRFÖRMÅGA FÖRSÖKSUPPSTÄLLNING UTDRAGNINGSFÖRSÖK AV BERGBULTAR I FÄLT LABFÖRSÖK PÅ SPRUTBETONG FÄLTFÖRSÖK PÅ SPRUTBETONG RESULTAT UTDRAGNINGSFÖRSÖK AV BERGBULTAR I FÄLT LABFÖRSÖK PÅ SPRUTBETONG FÄLTFÖRSÖK PÅ SPRUTBETONG DISKUSSION OCH SLUTSATSER BERGBULT SPRUTBETONG HÅLLFASTHETSKRAV I INSTALLATIONSSKEDET SLUTSATSER FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE REFERENSER VII

11

12 1 Inledning Luossavaara-Kiirunavaara Aktiebolag (LKAB) har bedrivit järnmalmsbrytning i Kiirunavaara och Malmberget i över 100 år. Produktionen uppgår sammanlagt till omkring 50 miljoner ton råmalm årligen. I såväl Kiirunavaara som Malmberget (vilka internt benämns KUJ respektive MUJ) är den primära brytningsmetoden storskalig skivrasbrytning, vilket visas schematiskt i Figur 1. Produktionen genomförs i horisontella skivor, eller nivåer. För varje skiva drivs tvärorter genom malmkroppen, en process som kallas tillredning. Från tvärorterna utförs sedan borrning av vertikala kransar, vilka används för att losshålla malmen som därefter kan lastas ut. Brytning pågår i dagsläget på som lägst på 1022 meters avvägning och några huvudmått relaterade till brytningsmetoden presenteras i Tabell 1. För en mer ingående beskrivning hänvisas till exempelvis Quinteiro m. fl. (2001). Tillredningen av en skiva utförs genom en salvcykel, där bergförstärkning ingår som ett integrerat delmoment. En fördröjning i någon del av cykeln påverkar direkt den totala drivningstakten, något som i förlängningen slår mot produktionen. Av den anledningen är det naturligtvis önskvärt att fortsätta drivningen så fort som möjligt efter förstärkning, samtidigt som arbetsförhållandena under alla omständigheter måste vara säkra. Därför finns det intresse av att utreda hållfasthetutvecklingen för de förstärkningselement som används av LKAB. Figur 1: Illustration av skivrasbrytning efter Page & Bull (2001). Bilden till vänster visar en sektion vinkelrätt genom malmkroppen, och den högra visar en sektion längs med malmkroppen. 1

13 Tabell 1: Några data för skivrasbrytningen som används i LKABs underjordsgruvor. Kiirunavaara (KUJ) Malmberget (MUJ) Skivhöjd 28,5 m m Tvärortavstånd 25 m 25 m Tvärortsdimensioner 7 m bredd, 5 m höjd 7 m bredd, 5 m höjd Produktionsnivå m avv Varierar Transportnivå 1045 m avv 600, 1000 och 1250 m avv 1.1 Mål Målet med projektet som beskrivs i denna rapport är att, utifrån de förhållanden som råder i Kiirunavaara- och Malmbergsgruvorna, utreda den tidiga hållfastheten som funktion av tid vid given temperatur för förstärkningselementen fiberarmerad sprutbetong cementingjuten bergbult. Dessutom skall projektet definiera vad som är tillräcklig hållfasthet i installationsskedet för ovanstående förstärkningselement, tillsammans med tider som krävs vid givna förutsättningar för att uppnå denna hållfasthet. 1.2 Avgränsningar Detta projekt har avgränsats till att endast behandla två förstärkningselement; cementingjutna bergbultar av typen modifierad Kirunabult samt fiberarmerad sprutbetong. Vidare beaktas endast förstärkningens funktion i installationsskedet. Det antas att förstärkningssystemet är tillräckligt dimensionerat för att fungera som permanent förstärkning. 1.3 Metod Studien har utgjorts av två huvuddelar. För att beskriva sammanhang och bakgrund till arbetet har en litteraturstudie genomförts kring de studerade förstärkningselementens funktion, med särskilt fokus på tidig hållfasthet. Vidare har lab- och fältförsök utförts i syfte att beskriva hållfasthetsutvecklingen för dessa förstärkningselement. Resultatet från dessa två delar har sedan knutits samman i föreliggande rapport. 2

14 2 Förstärkningselement Det finns ett stort antal bergförstärkningselement tillgängliga och vilka som används för en given tillämpning beror på såväl krav som tradition. En övergripande indelning ges av Nordlund m.fl. (2013) enligt följande. Bergbult Sprutbetong Nät Stålbågar Betongbågar/lining Stöttor (engelska: props) Lacing Ett av de vanligaste elementen är olika varianter av bergbultar. De kompletteras ofta med ytförstärkning i form av sprutbetong och/eller armeringsnät. Om bergförhållandena karakteriseras av stora deformationer kan istället betong- eller stålelement användas. Vissa typer av brytningsmetoder, exempelvis longwall mining, använder hydrauliska stöttor (engelska: props) för att kunna förflytta arbetsområdet i takt med att brytningen fortgår. I områden med extrema problem med smällberg, framför allt djupa gruvor, kan lacing (stålvajrar som knyter samman bergbultarna) kombineras med sprutbetong och bult. I följande avsnitt ges en mer ingående beskrivning av bergbultar och sprutbetong, vilka utgör de två huvudgrupper av förstärkningselement som studeras i detta projekt. 2.1 Bergbultar På marknaden finns idag ett stort antal typer av bergbultar tillgängliga. Enligt Nordlund m.fl. (2013) kan de klassificeras efter mekaniskt verkningssätt som fullständigt ingjutna kamjärnsbultar, förspända bultar och friktionsbultar. Det finns även bultar som använder en kombination av dessa mekanismer. Vidare har ett flertal bultar, så kallade dynamiska bultar eller smällbergsbultar, utvecklats speciellt för bergförhållanden med stor risk för smällberg eller seismiskt inducerade laster. Som exempel kan nämnas konbulten, Durabar, D-bulten och den modifierade Kirunabulten (Li, 2008; Malmgren, 2011; Nordlund m.fl., 2013). I följande avsnitt ges en översiktlig beskrivning av de vanligaste typerna av bergbultar. Dessutom beskrivs den modifierade Kirunabulten mer ingående Fullständigt ingjutna kamjärnsbultar Den vanligast förekommande bergbulten i världen är den fullständigt ingjutna kamjärnsbulten. Bulten består av ett kamjärn som gjuts in helt med antingen cement- eller resinbruk (se Figur 2). Ingen förspänning utförs efter installation och bulten tar därför last först när deformationer uppstår i bergmassan. Enligt Hoek (1997) innebär detta att bulttypen lämpar sig exempelvis när brytningsinducerade spänningsförändringar förväntas i en gruva, eller då installation kan göras nära gaveln. Dock begränsas förmågan att ta upp stora deformationer av att endast en liten del av bultstålet, typiskt några centimeter, aktiveras vid belastning (Figur 3). 3

15 Grouting Reinfocement bar Nut and Face plate Figur 2: Principritning av en fullständigt ingjuten kamjärnsbult (Nordlund m.fl., 2013). Joint Active length, L Bolt Grouting Figur 3: Den aktiva delen av en fullständigt ingjuten kamjärnsbult vid belastning (Nordlund m.fl., 2013) Förspända bultar Vid förstärkning av en bergmassa där den huvudsakliga brottmekanismen kan förväntas vara strukturrelaterade utfall kan stabiliteten förbättras genom att öka sprickornas normalspänning (Hoek, 1997). Detta kan göras med hjälp av förspända bergbultar. En förspänd bult ändförankras antingen mekaniskt med bergkil eller expander, eller genom ingjutning med snabbhärdande resinbruk. Figur 4 visar tre av de vanligaste förankringsmetoderna schematiskt. En ändförankrad bult (som inte gjutits in) kan som regel hantera större deformationer än ingjutna bultar, eftersom hela bultens längd aktiveras vid belastning. Om bulten ska fungera som permanent förstärkning måste dock stålet skyddas mot korrosion, antingen genom ytbehandling eller fullständig injektering av bulten med cement- eller resinbruk. Ett exempel på en bult av den här typen är den cementingjutna Kirunabulten, som ändförankras med kil enligt princip a) i Figur 4. Kilen är monterad i ett krysspår i änden av kamjärnet, och gör att bulten kan förspännas med ca 20 kn omedelbart efter installation. 4

16 a) b) c) Figur 4: Olika metoder att förankra förspända bergbultar; a) kil, b) expander och c) snabbhärdande resinbruk (Nordlund m.fl., 2013) Friktionsbultar En friktionsbult får sin bärförmåga ifrån friktionkraften mellan bulten och berget. De två vanligaste typerna är Swellex- och Split Set-bultarna (Nordlund m.fl., 2013). Swellex-bulten expanderas med högt (300 bar) vattentryck efter att ha monteras i ett borrhål med större diameter än bulten. Split Set-bulten, å andra sidan, trycks in i ett något underdimensionerat borrhål. På grund av Split Set-bultens begränsade bärförmåga (omkring 50 kn) är det endast Swellex som används i Sverige i dagsläget. Figur 5 illustrerar funktionen för de två typerna av friktionsbult Dynamiska bultar Om förstärkningen kommer utsättas för dynamiska laster måste de ingående elementen kunna absorbera den rörelseenergi som lasten orsakar. Därför har ett antal bultar med hög energiupptagande förmåga tagits fram. Några förekommande typer är konbulten, Durabar, D- bulten och den modifierade Kirunabulten. I huvudsak finns det två principer för att uppnå målet med hög energiupptagande förmåga. Den första innebär att bulten eller dess förankring tillåts glida innan stålets brottgräns uppnås, vilket är fallet för konbulten och Durabar (Nordlund m.fl., 2013). Ett annat alternativ är att endast förankra delar av bulten i ingjutningsmassan och därigenom aktivera en större del av bultstålet vid belastning. D-bulten (Li, 2010) och den modifierade Kirunabulten (Malmgren, 2011) fungerar enligt denna princip. 5

17 a) b) Figur 5: Illustration av a) Swellex-bulten och b) Split Set-bulten (Nordlund m.fl., 2013) Modifierad Kirunabult Den modifierade Kirunabulten är en ingjuten och ändförankrad kamjärnsbult utvecklad för att uppnå hög energiupptagande förmåga. Den är i grunden en Kirunabult som försetts med plasthylsa för att begränsa ingjutningslängden. Huvudmåtten och de viktigaste komponenterna framgår av Figur 6. Vid installation förankras bulten mekaniskt med en kil i änden på kamstålet (ej utritad i figuren). Figur 6: Skiss av en modifierad Kirunabult. Mått enligt Malmgren (2011). Vid en rörelse i bergmassan belastas brickan och det ingjutna partiet närmast bergytan. Lasten förs sedan vidare via bultstålet till förankringen längst in mot borrhålsbotten. Mellan bergytan och förankringen är bulten isolerad från ingjutningsmassan med en plasthylsa, vilket innebär att kamstålet här kan töjas till stålets brottgräns uppnås. Detta medför att bulten kan förlängas betydligt mer än en vanlig, fullständigt ingjuten kamjärnsbult. Tekniska data för Kirunabulten visas i Tabell 2. Ingjutningslängden är 80 cm för en modifierad Kirunabult av den typ som används av LKAB. För att kunna jämföra försök genomförda med olika ingjutningslängder kan utdragskraften divideras med bultens ingjutna mantelarea. Därmed erhålls ett mått på skjuvmotståndet (i drag). Det skjuvmotstånd!! som måste uppnås mellan ingjutningsmassa och kamstål för att förankringen skall uppta bultstålets brottlast kan beräknas som!! =!! 199 = = 3,95 4,0 MPa, (1)!! 0,8! 20 där A b är bultens mantelarea och F b bultens brottlast. 6

18 Tabell 2: Tekniska data för modifierad Kirunabult, enligt Malmgren (2011). Material Diameter Längd Energiupptagande förmåga Flytgränslast Brottgränslast Ingjutningslängd B500BT armeringsjärn 20 mm diameter mm 30 kj 1) 170 kn 199 kn 80 cm 1) Uppmätt i drag genom dynamiskt fallprov 2.2 Sprutbetong Den första maskinen för sprutad applicering av cementbruk anses allmänt ha patenterats i USA år 1911 av Carl E. Akeley (Austin & Robins, 1995). Sedan dess har tekniken utvecklats för användning inom en rad olika tillämpningsområden, såväl för nykonstruktion som reparation av betongstrukturer. För underjordskonstruktioner har sprutbetong applicerad direkt på bergytan kommit att bli ett av de viktigaste förstärkningselementen, både vid tunnelprojekt och i gruvor. För applicering av sprutbetong finns i huvudsak två olika principer, vilka kallas för torrrespektive våtsprutning. Vid torrsprutning blandas cement och ballast torrt och transporteras till sprutmunstycket med tryckluft. I munstycket tillsätts vatten och (i moderna system) flytande accelerator. Våtsprutning, å andra sidan, utförs genom att betongen proportioneras och blandas färdigt med vatten. Blandningen pumpas därefter till sprutmunstycket, där tryckluft och flytande accelerator tillsätts. De efterföljande styckena kommer behandla våtsprutning, då metoden är helt dominerande i Sverige. Materialen som används vid tillverkning av sprutbetong är i grund och botten liknande de som används för gjuten betong. Portlandcement används som huvudsakligt bindemedel för de flesta sprutbetongtillämpningar (Spearing, 2001). Dessutom tillsätts ofta silikastoft (även kallat mikrosilika), vilket ger förbättringar i den färska betongens stabilitet och därigenom minska återstuds av material vid sprutning (Austin & Robins, 1995). Flyttillsatsmedel (även kallat vattenreducerande- eller superplasticerande medel) används vanligtvis vid våtsprutning i syfte att kunna minska vattencementtalet, utan att förändra betongens konsistens (Spearing, 2001). Beroende på typ av tillsatsmedel kan mängden blandningsvatten reduceras med upp till ungefär 40 % Acceleratorer För att uppnå en nära nog omedelbar minskning av betongens sättmått, och därigenom kunna våtspruta tunneltak och öka lagertjockleken, tillsätts en accelerator i sprutmunstycket (Melbye & Holtmon, 1995). I huvudsak kan de accelererande tillsatmedlen indelas i tre grupper; natriumsilikatbaserade-, aluminatbaserade- samt alkalifria acceleratorer. De två förstnämnda brukar även kallas för alkalibaserade acceleratorer, på grund av sin relativt höga halt alkalimetaller. Natriumsilikat (vattenglas) binder vatten i blandningen, och ger därmed en betong med fastare konsistens. Cementens hydratisering påverkas inte, varför inte heller den tidiga hållfastheten 7

19 ökar nämnvärt. Den effekten fås däremot med acceleratorer baserade på alkalialuminat, med vilkas hjälp tryckhållfastheter på 1-2 MPa kan uppnås inom de första två timmarna efter sprutning (Melbye & Holtmon, 1995). Nackdelarna med de alkalibaserade acceleratorerna är framför allt att betongens hållfasthet minskar på lång sikt efter sprutning samt att de, på grund av ph-värde överstigande 12, kan orsaka skador på hud och ögon i samband med hanteringen. I Figur 7 illustreras tryckhållfasthetens utveckling för sprutbetong med mellan 0 % och 12 % dosering av kalciumaluminatbaserad accelerator. Under de första 24 timmarna uppnås väsentligt högre hållfasthet med ökande dosering, men 28-dygnshållfastheten påverkas omvänt. Vid 12 % dosering blir hållfastheten efter ett dygn i det närmaste fördubblad jämfört med betong utan accelerator. Dock minskar 28-dygnshållfastheten med ungefär 30 %. Figur 7: Utveckling av tryckhållfastheten för olika dosering av kalcium-aluminatbaserad accelerator, efter Lukas m.fl. (1995). De senaste 20 åren har ett antal alkalifria acceleratorer utvecklats, vilka ger en snabb hållfasthetstillväxt med liten eller ingen reduktion av den långsiktiga hållfastheten. Basen för den här typen av accelerator är aluminiumhydroxid och/eller aluminiumsulfat (Lukas m.fl., 1995). Figur 8 visar tryckhållfastheten som funktion av härdningstid för 4 %, 6 % och 10 % dosering av alkalifri accelerator. Jämfört med kalciumaluminatacceleratorn i Figur 7 kan framför allt den väsentligt mindre reduceringen av 28-dygnshållfastheten noteras, men även en generellt snabbare hållfasthetstillväxt under det första dygnet. 8

20 Figur 8: Utveckling av tryckhållfastheten för olika dosering alkalifri accelerator, efter Lukas m.fl. (1995) Fiberarmerad sprutbetong Under 1970-talet och framåt utvecklades sprutbetong förstärkt med stålfibrer istället för konventionell armering (Morgan, 1995). Syftet med armering av sprutbetong är detsamma som vid armering av gjuten betong, nämligen att öka betongens draghållfasthet och seghet. Spearing (2001) nämner dock ett antal specifika fördelar för armering med fibrer kontra nät eller stänger i kontexten av underjordskonstruktioner: Fibrerna sprider sig jämnare genom sprutbetongen. Nät- eller stångarmering är arbetskrävande att applicera. Fiberarmerad sprutbetong följer tunnelkonturen bättre än med nätarmering. Armering med nät kan öka återstuds av betong vid sprutning. De två vanligaste materialen för fibertillverkning är idag stål och plast (polypropylen), men även en mängd andra material förekommer (Spearing, 2001). Stålfibrer tillverkas i ett antal olika former (Figur 9) och har traditionellt varit det mest använda fibermaterialet för sprutbetong. Plastfibrer har dock vunnit allt mer mark, mycket på grund av lägre vikt och enklare hantering. Generellt sett är fiberdoseringen kg/m 3 för stålfibrer och 9-18 kg/m 3 för plastfibrer (Spearing, 2001). Ett exempel på lastkapaciteten för oarmerade respektive fiberarmerade sprutbetongplattor illustreras i Figur 10. Även om den maximala lasten ökar då fibrer tillsätts är det framför allt deformationskapaciteten, eller segheten, som påverkas positivt. Detta är viktigt vid dimensionering av sprutbetongförstärkningar som skall kunna absorbera dynamiska laster. 9

21 Figur 9: Några olika former av stålfibrer för sprutbetongarmering (Hoek, 1997). Figur 10: Lastkapacitet för sprutbetongplattor utan armering samt med två olika doseringar av Dramixstålfibrer (Hoek, 1997). 10

22 3 Provningsmetoder Det finns ett stort antal tillgängliga metoder och standarder för att kontrollera och utvärdera bergförstärkning, såväl vid uppföljning av redan installerad förstärkning som för provning av nya förstärkningselement. I följande avsnitt behandlas två metoder som är aktuella för detta projekt: böjseghet för cirkulära betongplattor (ASTM C1550) tryckhållfasthet för ung betong med spikpistolmetoden. 3.1 Böjseghet för betong - ASTM C I den amerikanska standarden ASTM C1550 (ASTM International, 2012) beskrivs en metod för att prova fiberarmerade betongplattors hållfasthet. Praktiskt utförs provet genom att plattor med 800 mm diameter och 75 mm tjocklek gjuts eller sprutas i formar (Figur 11). Efter härdning läggs plattorna upp på tre lagrade punkter i en belastningsrigg (Figur 12) och provtrycks med konstant hastighet om 4 mm/minut (Figur 13). Betongens sprickkapacitet uppnås vid små deformationer, varvid tre böjsprickor utbildas genom plattan. Därefter beror den kvarvarande lastkapaciteten på armeringen och dess samverkan med betongen. Under hela försöket registreras kraft och deformation kontinuerligt. Den energiupptagande förmågan, vilken beräknas som integralen av kraft och deformation, blir måttet på plattans hållfasthet. Ett exempel på hur en belastningskurva kan se ut efter genomfört plattprov visas i Figur 14. Motivet till valet av cirkulära plattor och tre upplagspunkter är, enligt standarden, att dessa förhållanden leder till mer konsekventa och repeterbara brottformer än vad som är fallet för rektangulära plattor. Figur 11: Gjutna betongplattor i labbet. 11

23 Figur 12: Belastningsutrustning för plattprov enligt ASTM C J kn Figur 13: Provbelastning av betongplatta. Figur 14: Exempel på en belastningskurva från ett plattprov enligt ASTM C , med kraft i rött och energiupptagande förmåga i blått. 12

24 3.2 Spikpistolmetoden Spikpistolmetoden används för att mäta enaxiella tryckhållfastheten för ung betong. Principen innebär att spik skjuts in i betongen med en bultpistol. Spikarnas penetration används sedan för att beräkna tryckhållfastheten. Metoden finns i flera varianter. Enligt svensk standard (SS-EN ) skall såväl penetration som utdragsmotstånd för spikarna mätas. En något modifierad metod utvecklad av SIKA (2010) innebär att endast penetrationen mäts. LKAB Berg och Betong använder SIKAmetoden, som därför även använts i detta arbete. Genom försök med provkuber har kalibreringskurvor mellan tryckhållfasthet och penetration tagits fram (Figur 15). Två typer av patroner med olika laddning har använts för kalibreringen. Metoden är användbar för tryckhållfastheter mellan 1-13 MPa med vita patroner eller 2-26 MPa med gröna patroner. Figur 15: Samband mellan tryckhållfasthet och penetration för standardkuber (LKAB Berg & Betong, 2012). 13

25

26 4 Bergförstärkning inom LKAB Det har tidigare nämnts att skivrasbrytning innebär omfattande tillredning innan produktion kan påbörjas på en nivå. Under områdets hela livslängd (från påbörjad tillredning till avslutad produktionslastning) måste de tillredda ortarna vara säkra och tillgängliga för de arbetsmoment som utförs där. Därför förstärks berget systematiskt som en del av salvcykeln. Följande avsnitt är tänkta att ge läsaren en inblick i förutsättningarna för och utformningen av den bergförstärkning som utförs för tillredningen inom LKAB. Bergarbeten vid fasta anläggningar och infrastruktur under jord utförs under delvis andra förutsättningar och berörs inte direkt i detta arbete. 4.1 Geologiska och bergmekaniska förutsättningar Malmkroppen i Kiirunavaara består av en 4 km lång skiva med en genomsnittlig tjocklek på 80 meter. Skivan stupar 60, och är känd till ett djup av ungefär 2 km. Liggväggen består av syenitporfyr, medan hängväggen utgörs av kvartsporfyr. Malmkroppen består av magnetit, med varierande innehåll av apatit. Berget är generellt sett hårt, med enaxiell tryckhållfasthet i intervallet MPa för sidoberget och MPa för malmen (Quinteiro m.fl., 2001). I Malmbergets gruva är järnmalmsreserven spridd mellan ett 20-tal större och mindre malmkroppar. Malmen består i huvudsak av magnetit, men även hematit förekommer. Sidoberget består främst av metamorfa bergarter såsom röd och grå leptit. Överlag är berget hårt, den enaxiella tryckhållfastheten för malmen är mellan 85 och 140 MPa och för den röda och gråa leptiten varierar denna mellan 70 och 220 MPa (Quinteiro m.fl., 2001). Dock finns områden med betydligt svagare bergarter, såsom biotitskiffer. Vid skivrasbrytning sker en omfördelning av de naturliga in-situspänningarna på grund av rasmassornas lägre styvhet jämfört med det omgivande berget, vilket illustreras i Figur 16. Spänningstillståndet för en ort eller ett schakt i liggväggen vid olika brytningsdjup har analyserats av bland andra Edelbro m.fl. (2012) och Sjöberg m.fl. (2001). Resultaten kan sammanfattas som att spänningarna i en punkt nära malmkroppen ökar vid brytning ovanför punktens läge, för att sedan minska igen när brytningsfronten når punktens nivå. Riktningen för största huvudspänningen förändras också, från att vara i det närmaste horisontell till att följa malmkroppens stupning. Detta får konsekvenser vid dimensionering av bergrum i nära anslutning till malmen, vilka kommer att utsättas för betydande spänningsförändringar över sin livslängd. Under det senaste decenniet har såväl Kiirunavaara som Malmberget upplevt ett ökat antal skador på installerad bergförstärkning och bergutfall som kan härledas till seismiska händelser. Med anledning av detta har bland annat seismiska övervakningssystem installerats, brytningssekvenserna förändrats och bergförstärkningen anpassats för dynamiska laster (Dahnér, Malmgren, & Boškovic, 2012). 15

27 # Huvudspänningstrajektorier Figur 16: Rasmassornas relativt låga styvhet medför omfördelning av in-situspänningarna (Sjöberg m.fl., 2001). 4.2 Förstärkningssystem LKAB har tagit fram standarder för hur bergförstärkning skall utföras i olika delar av gruvan för såväl Kiirunavaara (Jacobsson, 2012) som Malmberget (LKAB, 2012). Den grundläggande principen är att förstärkningen i samverkan med berget ska förhindra bergutfall. Förstärkningen måste dimensioneras för olika bergförhållanden, statiska lastförändringar orsakade av brytningen, samt dynamisk last från seismiska händelser om sådana kan förväntas i aktuellt område. I svaga bergarter, till exempel biotitskiffer, måste förstärkningen kunna hantera stora deformationer. Vid dynamiska laster krävs tillräcklig energiupptagande förmåga. Ett antal typförstärkningar finns definierade, vilka utgör minimikrav på hur berget skall förstärkas i olika situationer. De vanligaste typerna sammanfattas i Tabell 3. I följande avsnitt beskrivs de huvudsakliga förstärkningselementen som används i Kiirunavaara och Malmberget. Tabell 3: Typförstärkningar för olika lastfall i Kiirunavaara och Malmberget (Jacobsson, 2012; LKAB, 2012). # Lastfall Fiberarmerad sprutbetong Typ av bult Bultavstånd Armeringsnät Statisk MUJ/KUJ (tvärort) Statisk MUJ/KUJ Statisk, massiva biotitzoner MUJ 70 mm mm 150 mm Kirunabult eller friktionsbult Kirunabult eller friktionsbult Dynamisk KUJ 100 mm Dynamisk bult c/c 1,0 m Dynamisk MUJ 70 mm Dynamisk bult c/c 1,5 m c/c 1,5 m - c/c 1,5 m - 5,5 mm c/c 75 mm 5,5 mm c/c 75 mm 16

28 4.3 Sprutbetong Fiberarmerad sprutbetong används som ytförstärkning i både Kiirunavaara och Malmberget, och utförs som första bergförstärkningsåtgärd efter avslutad skrotning. Ett flertal aktörer, såväl interna som externa, utför betongsprutning i gruvorna. Inom tillredningen i Kiirunavaara utför LKAB Berg & Betong största delen av sprutningarna, medan Malmbergets tillredning har egna resurser för betongsprutning. I samtliga fall används våtsprutningsmetoden (se avsnitt 2.2) tillsammans med sprutrobotar. Vid tillverkning av betongen tillsätts retarder i betongfabriken, vilket förskjuter härdningen med ungefär sex timmar och möjliggör transport med betongbil till gruvan. Fiberdoseringen uppgår vanligtvis till 40 kg/m 3 stålfiber (se avsnitt 2.2.2). Annan typ av fiber och dosering kan användas om en energiupptagande förmåga på minst 490 J vid 40 mm deformation uppmäts vid prov med sprutade betongplattor enligt ASTM C1550. Om gjutna plattor provas skall istället den energiupptagande förmågan uppgå till 650 J, vilket erfarenhetsmässigt har visat sig motsvara 490 J om plattan istället sprutas från motsvarande betongblandning. En alkalifri accelerator tillsätts vid sprutmunstycket för att uppnå en snabb hållfasthetstillväxt. Doseringen väljs av sprutrobotens operatör, som regel inom intervallet 6-9 procent. Den högre doseringen används exempelvis för sprutning av orttak, eller vid stort vatteninläckage i orten. 4.4 Bergbult Ett antal olika typer av bergbult används i Kiirunavaara och Malmberget. Vid tillredning av produktionsområden installeras framför allt modifierad Kirunabult, vilken beskrivits närmare i avsnitt Dessutom förekommer Kirunabult och friktionsbult (Swellex) i vissa områden. Bultarna gjuts in med ett cementbruk som blandas vid arbetsplatsen från torr byggcement (Portlandcement typ II) med vct 0,32. Installationen utförs mekaniserat med bultningsaggregat för såväl borrning som injektering och bultning. Bultning utförs systematiskt efter betongsprutning av bergytan. En typritning av det bultsättningsmönster som används visas i Figur 17. I detta exempel är avståndet mellan bultarna 1,5 meter, men som nämnts i avsnitt 4.2 förekommer även andra bultavstånd. Figur 17: Typritning av det bultsättningsmönster som tillämpas vid förstärkning av orter (Jacobsson, 2012). 17

29

30 5 Hållfasthetsutveckling - tidigare försök Följande avsnitt sammanfattar ett antal tidigare studier av hållfasthetsutveckling för de studerade förstärkningselementen. 5.1 Utdragningsförsök i Malmbergsgruvan I Malmberget gjordes på 80-talet en serie utdragningsförsök med främst plastingjuten bergbult (Savilahti, 1986). Här ingick även en jämförelse med cementingjuten bult. Försöken genomfördes med kamjärn av motsvarande typ som används för tillverkning av Kirunabulten idag. Kamjärnens ingjutningslängd var 20 cm, och diametern var 20 mm. Försöken utfördes i bergarten leptit på nivån Upland 500 i Malmbergsgruvan. Figur 18 visar hållfasthetsutvecklingen under nio dygn efter ingjutning. De plastingjutna bultarna uppnår en hållfasthet motsvarande stålets brottlast efter 6 timmar, något som dröjer 9 dygn för de cementingjutna bultarna. Skillnaden i brottlast beror på att bultarna som cementingjöts belastades vid gängpartiet, vilket har något lägre hållfasthet. Noteras kan också att hållfastheten för de cementingjutna bultarna inte ökar i någon nämnvärd omfattning efter tre dygn. Figur 18: Utdragskraft som funktion av härdningstid för plast- respektive cementingjutna kamjärn (Savilahti, 1986). Om utdragskraften divideras med ingjutningens mantelarea erhålls ett skjuvmotstånd. Från Figur 18 har skjuvmotståndet beräknats för några härdningstider och redovisas i Tabell 4. 19

31 Tabell 4: Utvecklingen av skjuvmotståndet för cementingjutna kamjärn beräknade från utdragskraft uppmätt av Savilahti (1986). Härdningstid Utdragskraft [kn] Skjuvmotstånd [MPa] 6 timmar 12 1,0 24 timmar 55 4,4 2 dygn 110 8,8 3 dygn ,7 9 dygn ,5 5.2 Ingjutningsmassans effekt på utdragskraften Vid Çukurova University i Turkiet har laboratorieförsök genomförts på cementingjutna kamjärnsbultar, bland annat med olika härdningstider (Kılıc, Yasar, & Celik, 2002). En sammanställning av de försöken visas i Tabell 5. Cementbruket som användes i den här studien har dock andra hållfasthetsegenskaper jämfört med det som LKAB använder (se Tabell 6). Det framgår inte hur tryckhållfastheten för cementbruket tagits fram, men kvalitén på bruket verkar i allt väsentligt vara lägre än det LKAB använder. Tabell 5: Utdragskraft som funktion av härdningstid för 242 mm långa bultar med 12 mm diameter, efter Kılıc m.fl. (2002). Härdningstid [dygn] Utdragskraft [kn] Skjuvmotstånd [MPa] 1 17,64 1, ,75 4, ,83 6, ,25 7, ,48 8, ,55 8, ,46 8, ,06 8,77 20

32 Tabell 6: Jämförelse av egenskaper för cementbruket som användes av Kılıc m.fl. (2002) och det som används av LKAB. Kılıc m.fl. (2002) LKAB Vattencementtal 0,40 0,32 Tryckhållfasthet vid 28 dygn 32 MPa (vid 21 dygn) 55 MPa (Cementa AB, 2013) 5.3 Sammanställning av tidigare bultdragningsförsök Från de resultat som nämnts i avsnitt 5.1 och 5.2 kan några slutsatser av vikt vid försöksplaneringen inför fältförsöken i detta projekt noteras. För det första kan skjuvmotstånden mellan bergbult och cementbruk uppskattas till mellan 7 MPa och 16 MPa, vilket kan ses i Tabell 7. Spridningen är ganska stor, vilket bland annat kan bero på variationer i cementbruk och typ av kamstål, men ger ändå en uppfattning om storleksordningen. Tabell 7: Sammanställning av uppmätt skjuvmotstånd i tidigare utdragningsförsök. Studie Savilahti (1986) Kılıc m.fl. (2002) Skjuvmotstånd [MPa] 15,5 (efter 9 dygn) 7,85 (efter 7 dygn) Utifrån Figur 18 kan noteras att den största delen av hållfasthetsutvecklingen sker under de första tre dagarna, varefter härdningen går avsevärt långsammare. 5.4 Skjuvhållfasthetens utveckling för fiberarmerad sprutbetong I en australiensisk studie (Bernard, 2008) undersöktes skjuvhållfastheten för ung fiberarmerad sprutbetong. Såväl lab- som fältförsök utfördes för att fastställa ett samband mellan skjuvhållfasthet och enaxiell tryckhållfastheten, som enkelt kan mätas i fält. Ett uttryck för skjuvhållfastheten! som funktion av den enaxiella tryckhållfastheten!! presenteras som! = 0,28!!!,! 0,11. (2) Såväl plast- som stålfiberarmerad betong används i försöken. Författaren noterar att ingen systematisk skillnad mellan plast- respektive stålfiberförstäkt sprutbetong kan observeras vad gäller skjuvhållfasthetens utveckling. Vidhäftningens utveckling undersöktes också, både för sprutbetong applicerad på betong respektive på berg. Figur 19 visar uppmätt vidhäftning som funktion av enaxiell tryckhållfasthet. Vid sprutning på berg är högsta uppmätta vidhäftningen högre samtidigt som spridningen är större jämfört med sprutning på betong. 21

33 22 Figur 19: Vidhäftning som funktion av tryckhållfasthet enligt Bernard (2008).

34 6 Hållfasthetskrav i installationsskedet Att fastslå en viss hållfashet som installerad bergförstärkning ska uppnå innan arbete kan återupptas på platsen är naturligtvis vanskligt, bland annat eftersom lasterna förstärkningen kommer utsättas för är svåra att uppskatta i förväg. I följande avsnitt redovisas några riktlinjer från litteraturen, tillsammans med beräkningar för kontroll av bärförmågan. 6.1 Riktlinjer från litteraturen För sprutbetong finns två huvudsakliga aspekter av tidig hållfasthet. Betongen skall dels klara av påkänningarna i samband med genombultning, och dels uppnå en viss bärförmåga. Hållfastheten avseende genombultning har studerats av Rispin m.fl. (2006). Utifrån försök med bultning genom olika mogna sprutbetongskikt observerades inga skador på betong med enaxiell tryckhållfashet överstigande 1 MPa. Även O Toole & Pope (2006) noterar 1 till 1.6 MPa som en allmänt accepterad lägsta hållfasthet för att sprutbetongen skall klara genombultning. Vad gäller sprutbetongens bärförmåga finns en erfarenhetsbaserad riktlinje för lägsta tryckhållfasthet på 4 MPa som bland annat tillämpas av Boliden (Sandström, 2013). Detta värde nämner även Dufour m.fl. (2003) som tillämpad i kanadensiska gruvor. Författaren har inte funnit några källor i litteraturen avseende riktlinjer för bergbultars hållfasthet i installationsskedet. 6.2 Kontroll av bärförmåga Vid tvärortdrivning inom LKAB görs, i samband med skrotning, en bedömning av förstärkningsbehovet. Behövs förstärkning före drivning av nästa salva kan detta ske på två sätt. Betongsprutning (om större lösa block saknas och endast ytförstärkning behövs). Betongsprutning och bultning (större lösa block). Här definieras större block som block med sida > 1,5 m, vilket motsvarar c/c-avståndet för bultarna. För att kunna uppskatta lasterna på bergförstärkningen i installationsskedet görs en indelning i tre lastfall; 1. långsträckt kil med sida < 1,5 m, statiskt last 2. långsträckt kil med sida < 1,5 m, dynamisk last 3. kilar med sida > 1,5 m. Lastfall ett och två förväntas förstärkas med enbart sprutbetong, medan lastfall tre förstärks med sprutbetong och bult. De tre fallen beskrivs närmare i efterföljande avsnitt Lastfall 1: långsträckt kil med bredd < 1,5 m, statisk last Två sprickor (60 stupning) bildar en långsträckt kil med bredden 1,5 m i taket längs orten. Förstärkningen skall kunna bära den statiska tyngden av kilen, även om sprickorna saknar hållfasthet. Den långsträckta kilen illustreras tillsammans med sprutbetongskiktet i Figur 20. En beräkning av bärförmågan för sprutbetongen förutsätter en känd brottmekanism. Här kontrolleras bärförmågan i skjuvning. 23

35 Tabell 8: Indata för beräkning av ett sprutbetongskikts statiska bärförmåga. Densitet! 4,0 t/m 3 Kil i malm Sprickstupning! 60 Vanligt förekommande i KUJ/MUJ Sprutbetongskiktets tjocklek t s 70 mm Standardtjocklek Säkerhetsfaktor S F 1,3 Figur 20: Definitioner av bergkilen för kontroll av ett sprutbetongskikts bärförmåga i installationsskedet. Med värden enligt Tabell 8 kan kilens tyngd per meter (!! ) beräknas som 1,5 1,5! =!"# = 4,0 2 tan 60 2 Skjuvspänningen i sprutbetongen (!! ) blir då 10 = 39 kn/m.!! =!!!! 39 1,3 = = 361,8 kpa = 0,3618 MPa. (4) 2!! 2 0,070 Ur ekvation (2) kan den tryckhållfasthet vid vilken sprutbetongens skjuvningskapacitet (!! ) överstiger 0,36 MPa beräknas som!! =!! + 0,11 0,28 (3)!!,! = 2,386 MPa 2,4 MPa. (5) Denna bärförmåga i skjuvning förutsätter dock att betongen närmast kilen kan bära upp lasten. Före genombultning kan sprutbetongens vidhäftning mot berget antas vara den primära lastupptagande mekanismen. I försök utförda av Holmgren (1979) visades att endast ett smalt band, omkring 30 till 50 mm, är aktivt då ett sprutbetongskikt utsätts för skjuvning. Om vidhäftningen antas ligga inom intervallet 0,05-0,20 MPa (se Figur 19) erhålls därmed en bärförmåga mellan 3 och 20 kn/m, vilket är lägre än lasten från bergkilen. Följdaktligen kan ett vidhäftningsbrott förväntas innan betongen skjuvas Lastfall 2: långsträckt kil med bredd < 1,5 m, dynamisk last I detta lastfall antas en kil av samma storlek som för lastfall ett, med skillnaden att förstärkningen skall kunna ta upp rörelseenergin vid utstötning av kilen på grund av en 24

36 mindre seismisk händelse. Den dimensionerande partikelhastigheten har beräknats utifrån en seismisk händelse med den lokala magnituden 1,00 som inträffar 15 meter (hälften av skivhöjden) från arbetsområdet. Tabell 9: Indata för beräkning av ett sprutbetongskikts dynamiska bärförmåga. Densitet! 2,7 t/m 3 Smällberg förekommer huvudsakligen i gråberg Lokal magnitud M L 1,00 Mindre men fortfarande signifikant seismisk händelse Avstånd till händelse 15 m Hälften av skivhöjden PPV 0,3 m/s Figur 21 (M L = 1, d = 15 m) Säkerhetsfaktor S F 1,3 Figur 21: Samband mellan avstånd, magnitud och PPV (Kaiser, McCreath, & Tannant, 1996). Med värden från Tabell 9 beräknas först massan för kilen som 1,5 1,5 tan 60! =!! = 2,7 2 2 = 2,63 t/m. Därefter kan den seismiskt inducerade rörelseenergin beräknas. Kilen är 1,5 meter bred, vilket innebär att energin sprutbetongen måste absorbera per kvadratmeter blir 25

37 !! =!!!!! 2! = 2,63 0,3! 1,3 2 1,5 = 0,1519 kj/m! 150 J/m! Lastfall 3: kilar med sida > 1,5 m Vid det tredje lastfallet antas lasten bestå av kilar med sida längre än 1,5 meter. Det går inte att, med någon rimlig grad av säkerhet, anta lägre laster under den första tiden efter drivning. Dock kan det konstateras, efter resonemanget i avsnitt 6.2.1, att sprutbetongen redan i tidigt skede kan bära upp belastningen från löst berg mellan bergbultarna. Vid installation av bult kommer därför de två förstärkningselementen att samverka så fort bultarna tar last. 26

38 7 Försöksuppställning I detta projekt har ett flertal försök utförts med såväl bergbult som sprutbetong. För bult genomfördes utdragningsförsök, vilket innefattade följande två huvudpunkter. En förserie med 6 st provkuber gjutna från cementbruk i syfte att uppskatta vilket tidsintervall som är intressant då hållfasthetsutvecklingen skall studeras (avsnitt 7.1.1). Två serier med utdragningsförsök av provbultar, i skilda geologiska miljöer (avsnitt ). Vad gäller sprutbetong utfördes både plattprov enligt ASTM C1550 i labb samt fältförsök med spikpistolmetoden. Fyra förserier med totalt 26 gjutna provkuber av fiberarmerad betong för att uppskatta det intressanta tidsintervallet för efterföljande plattprov (avsnitt 7.2.1). Två serier plattprov på fiberarmerad betong enligt ASTM C1550 (avsnitt ). En serie fältförsök i Kiirunavaara med mätning av enaxiella tryckhållfastheten enligt spikpistolmetoden (avsnitt 7.3). 7.1 Utdragningsförsök av bergbultar i fält Bultdragningsförsöken genomfördes med en provutrustning bestående av trefot/stativ, gängstång med mutter, hydraulcylinder, handpump och manometer. Bulten belastades med handpumpen via hydraulcylindern. Trycket avlästes från manometern och räknades om till kraft enligt utrustningens kalibreringstabell. Cylinderns maximala kapacitet var 320 kn. Hur utrustningen ställdes upp framgår av Figur 22 till och med Figur 24. Figur 22: Provdragningsutrustningen monterad på bergbult. 27

39 Figur 23: Handpumpen som används till provdragningsutrustningen. Figur 24: Provdragningsutrustningen från sidan Förserier - kuber För att få en uppfattning om vilka härdningstider som bör provas i bultdragningsförsöken genomfördes en förserie med tryckhållfasthetstester på cementkuber. 6 st provkuber (100 mm sida) gjöts från cementbruk blandat på en bultrigg. Efter härdning mellan 6 och 24 timmar provbelastades kuberna enligt SS-EN (SIS, 2002), med omräkning till 150 mm våtlagrade standardkuber enligt SS (SIS, 2002). Den exakta tidpunkten när provningen startade valdes utifrån en bedömning om när cementbruket härdat nog för att över huvud taget ge ett användbart resultat under provtryckningen Fältförsök serie 1 - Kiruna Första omgången fältförsök omfattade 13 bult av typ modifierad Kirunabult, dock med ingjutningslängd begränsad till 40 cm och utan kil (se Figur 25). Den begränsade 28

40 ingjutningsländen valdes för att kunna testa ingjutningens hållfasthet utan att alltför tidigt uppnå bultstålets flytgräns. Enligt studierna i avsnitt 5.3 uppgår skjuvmotståndet för cementbruket till mellan 7 och 16 MPa, vilket resulterar i ingjutningslängder på cm enligt Tabell 10. Eftersom en väldigt kort aktiv ingjutning blir mer känslig för exempelvis sprickor i berget valdes 40 cm som ingjutningslängd för den första serien bultdragningsförsök. Tabell 10: Uppskattning av ingjutningslängd som krävs för att uppnå stålets flytgräns. Skjuvmotstånd [MPa] Flytgräns [kn] (Malmgren, 2011) Ingjutningslängd [m] , ,17 Figur 25: Provbultar med reducerad ingjutningsländ som användes i fältförsöken. Resultaten från förserien (se avsnitt 8.1.1) gav att huvuddelen av hållfasthetstillväxten sker mellan 6 och 12 timmar efter blandning i laboratoriemiljö vid +20 C. Temperaturen i Kiirunavaara är som regel lägre, mellan 10 och 15 C. Enligt Figur 26 kan därför härdningstiden förväntas bli fördubblad. Därför valdes det intressanta tidsspannet för den första serien till mellan 5 och 48 timmar. De specifika härdningstider som valdes, samt antalet bult för varje enskild tid, kan ses i Tabell 11. För att inte riskera att skada utrustningen på grund av brott i bultstålet begränsades lasten till 140 kn. Gängpartiets brottlast uppgår dock till ca 170 kn, och om utrustningen säkras med kätting kan bultarna dras till denna last. I praktiken tog monteringen av domkraften såpass lång tid att bultarna i stället drogs en och en. Efter 24 timmar uppnåddes gränsen på 140 kn och provdragningar efter 36 och 48 timmar genomfördes därför inte. Försöken genomfördes i tvärort 113 på block 12, nivå 907 m avv. i kontaktzonen mellan liggvägg och malm. Berget betod av syenitporfyr och mandelstensporfyr med magnetitinslag. För att installera bergbultarna användes en av LKABs bultriggar. Cementbruket blandades enligt normalt förfarande, med 28 liter vatten till 75 kg cement vilket gav ett vattencementtalet 0,37. Ingen retarder användes. Tre provkuber, med 100 mm sida, gjöts från cementblandningen och provbelastades efter 7 dygns härdning. Uppställningen, med ingjutna bultar och provutrustning monterad på en bergbult, kan ses i Figur

41 Under bultningen upplevdes berget som ganska bra, en bult var dock svår att få i och ett par hål behövde rensas. Mandelstensporfyren är generellt uppsprucken och att betrakta som en svaghetszon. Ett 0,5 m långt blindhål borrades för en temperaturgivare. Denna anslöts, tillsammans med givare insatta i fem av bulthålen till en betongdator, ConReg 706 (CMT International AB, 2013). Under försöket registrerades sedan temperaturen kontinuerligt. Tabell 11: Härdningstider för första serien bultdragningsförsök. Härdningstid [tim] Antal bult Summa 16 Figur 26: Relativ härdningshastighet för betong vid olika temperaturer (Jonasson, 1985). 30

42 Figur 27: Testområdet i tvärort 113 på block 12, 907 m avv. med ingjutna testbultar Fältförsök serie 2 - Malmberget Den andra serien fältförsök genomfördes i tvärort 4230 på Alliansen nivå 1022 m avv. i Malmberget. Syftet med försöksserien var att prova tidig hållfasthet i ett område med sämre bergförhållanden. Berget i området är biotitskiffer, vilket är en svag och ofta kraftigt uppsprucken bergart. Försöken genomfördes enligt den metodik som användes vid Kirunaförsöken (se avsnitt 7.1.2). Eftersom betongdator inte fanns tillgänglig mättes bergtemperaturen med vanlig utomhustermometer i ett borrhål. Under försöket uppmättes en stabil temperatur på 13,5 C. Cementbruket blandades med vct 0,34 i tre omgångar, då en blandning inte räckte till samtliga bultar. En provkub med 150 mm sida gjöts och provbelastades efter 11 dygn i syfte att kontrollera kvaliteten på cementbruket. Jämfört med den första omgången försök upplevdes större problem vid bultningen. En av bergbultarna gick ej att installera fullständigt, troligtvis på grund av att borrhålet rasat ihop. Dessutom fjädrade några bultar tillbaka ungefär en decimeter och var därmed svåra att installera. Även här är det troligt att hålet har rasat efter borrningen, vilket gjort att plasthylsan kunnat haka i berget. Totalt installerades 18 provbultar med 40 cm ingjutningslängd (se Figur 25), varav 17 stycken kunde provdragas. 7.2 Labförsök på sprutbetong Hållfasthetsutvecklingen för sprutbetongen testades genom plattprover utförda enligt ASTM C1550 (se avsnitt 3.1) vilket är den standard LKAB Berg & Betong använder för kvalitetskontroll av sprutbetong. För att en betongblandning skall vara godkänd för användning som sprutbetong skall en sprutad platta uppnå en energiupptagande förmåga av minst 490 J vid 40 mm efter 28 dygns lagring. Om plattan i stället har gjutits är kravet 650 J. Försöken som genomförts i detta projekt utfördes av praktiska skäl på gjutna provplattor. I praktiken har det visat sig att betong med tryckhållfasthet under ca 2 MPa inte kan provas i denna typ av försök. Kuber gjutna från samma betongblandning som plattorna har därför använts för att avgöra när provningen kan inledas Förserier - kuber För att kunna uppskatta vid vilka brinntider plattproverna skulle genomföras gjordes fyra förserier med totalt 26 gjutna provkuber. Betongen togs ut från plastfiberarmerad sprutbetong avsedd för Kiirunavaaragruvan. Provtryckningen utfördes enligt Svensk standard för betongprovning SS-EN12390 (SIS, 2002) i LKAB Berg & Betongs laboratorium. Kuberna 31