CBI:s informationsdag Betong och bergmaterial i innovationskedjan

Transkript

1 CBI:s informationsdag 2011 Betong och bergmaterial i innovationskedjan

2 CBI Betonginstitutet Stockholm c/o SP, Box 857, Borås c/o LTH, Byggn.material tel tel Box 118, Lund fax fax tel fax

3 1 Välkommen till CBI Betonginstitutets informationsdag! Innovationskedjan är temat för årets informationsdag. Innovationskedjan är en bild som vill illustrera hur en forskningsnyhet kommer till praktisk nytta. Den har samma karaktär som vetets väg från ax till limpa och kalkstenens omvandling via cement till betongbyggnader. Axets potential utnyttjas först på matbordet och den krossade kalkstenen först som klimatskydd. Men jag tycker att innovationskedjan som bild har en begränsning och det är att den lätt blir för produktorienterad. Vi tar fram ett forskningsresultat som vidareutvecklas först till prototyp och sedan till produkt som via provning, certifiering, utbildning och marknadsföring når användarna. Men innovationen är inte begränsad till produktutveckling. Även de andra länkarna drar nytta av innovationer. Vårt moderbolag SP har en lång och fin tradition av utveckling av provningsmetoder. Vår egen kursverksamhet tar till sig innovationer som e-utbildning. Också själva forskningen kan bedrivas på mer innovativa sätt. Dagens informationsdag börjar med fyra seminarier där var och en av CBI Betonginstitutets fyra verksamheter exponeras. Alla kommer de att ta upp innovationer: Nya tätskikt, sprutbetongsimulatorer, solceller för korrosionsskydd samt nyheter inom certifiering. För oss på CBI Betonginstitutet är detta en dag att berätta om nyheter som vi hoppas skall komma till användning hos informationsdagens deltagare. Det är inte säkert att det är föredragen som ger de bästa uppslagen. Därför har vi lagt in rikligt med pauser i programmet. Varmt välkommen till årets informationsdag Johan Silfwerbrand

4 2

5 3 CBIs informationsdag 17 mars 2011 Från förmiddagens seminarier finns ingen dokumentation med här. En pdf från presentationerna läggs ut på vår hemsida. Eftermiddagens föredrag: Forskning, utveckling och innovation inom nya Trafikverket Agneta Wargsjö, Trafikverket 5 Innovationsfrågor inom byggsektorn Anna Sander, IQ Samhällsbyggnad 7 Med LEAN och SKB förnyar vi betongsektorn Mats Emborg, LTU/Betongindustri 9 Krossballastbetongen är nu klar för gjutning Björn Lagerblad, CBI Betonginstitutet 11 Resultat från EU förbättrar fasader på kommunala fastigheter Björn Schouenborg/Magnus Döse, CBI Betonginstitutet 15 Impregenering av betongkonstruktioner Anders Selander, CBI Betonginstitutet 19 Partikelpackning i betong Carsten Vogt, CBI Betonginstitutet 23

6 4

7 5 Forskning, utveckling och innovation inom nya Trafikverket Agneta Wargsjö Trafikverket Trafikverket, som bildades den 1 april 2010, har ansvar för den långsiktiga planeringen av tranportsystemet samt nybyggnad, drift och underhåll av det statliga väg- och järnvägssystemet. Perspektivet måste vara brett, det handlar om hela resan eller transporten oavsett trafikslag. Trafikverket har en viktig uppgift som samhällsutvecklare och ska med denna utgångspunkt skapa förutsättningar för ett samhällsekonomiskt effektivt, internationellt konkurrenskraftigt och långsiktigt hållbart transportsystem. Trafikverkets vision är att alla kommer fram smidigt, grönt och tryggt. Verksamhetsidén är att vara samhällsutvecklare som varje dag utvecklar och förvaltar smart infrastruktur i samverkan med andra aktörer för att underlätta livet i hela Sverige. Forskning och Innovation (FoI) definieras av Trafikverket som forsknings-, utvecklings-, demonstrationsverksamhet och nyttiggörande av framtagna resultat. Syftet med FoI i Trafikverket är att leverera ny kunskap, innovativa lösningar, nya och förbättrade tjänster, produkter, arbetssätt och processer. Dessa gör det möjligt, och är i många fall även en förutsättning, för att Trafikverket effektivt ska kunna möta nya utmaningar som uttrycks genom uppdragsgivarens krav samt medborgarnas, näringslivets och verksamhetens behov. FoI inbegriper hela innovationskedjan; från att beskriva en problembild, ta fram ny relevant kunskap, utveckla nya lösningar, testa och verifiera dem till att slutligen nyttiggöra lösningarna genom att implementera eller kommersialisera dem. Trafikverket är således problemägare inte forskningsfinansiär. All FoI tar sin utgångspunkt i Trafikverkets verksamhetsansvar - de problem och möjligheter vi ser och de mål uppdragsgivaren sätter upp för verket. Med utgångspunkt från transportpolitiken samt medborgarnas och näringslivets behov har Trafikverket identifierat sex strategiska utmaningar för de närmaste 10 åren: a. Ett energieffektivt transportsystem. b. Väl fungerande resor och transporter i storstadsregionerna. c. Effektiva transportkedjor för näringslivet. d. Robust och tillförlitlig infrastruktur. e. Mer nytta för pengarna. f. Trafikverket en modern myndighet. Dessa är områden där Trafikverket har identifierat ett alltför stort gap mellan det nuvarande och det önskvärda tillståndet och där vi inte har tillräckligt med kända lösningar för att nå framgång. Det behövs således forskning och innovation för att utveckla nya tjänster, produkter, lösningar, metoder etc. Exempelvis behöver nya tekniska lösningar utvecklas för att våra anläggningar ska kunna möta de ökade kraven på en robustare och tillförlitligare infrastruktur. Utveckling för att öka anläggningsbranschens produktivitet ger mer nytta för pengarna liksom utvecklingen av metoder

8 6 och verktyg för att i större utsträckning inkludera livscykelperspektivet vid såväl nybyggnad, förbättring och underhåll av väg- och järnvägsanläggningar för val av kostnadseffektiva lösningar. Det svenska transportinnovationssystemet måste effektiviseras så att fler resultat kommer till användning. Det finns brister till följd av en fragmentiserad sektor, avsaknad av en gemensam strategisk målbild, en splittrad utförarmarknad samt brist på demonstratorer. Under våren kommer Trafikverket att ta fram en strategi för FoI, för att senare i höst konkretisera en inriktning och en FoI-plan med ambitionen att adressera dessa problem. Att utveckla transportsystemet för att nå samhällets mål måste ske i nationell och internationell samverkan med sektorns aktörer, eftersom Trafikverket inte på egen hand kan göra detta. Därför tillämpar Trafikverket 5-stegsprincipen för FoI, ett stegvis förfaringssätt för samarbete och kostnadsdelning vid utveckling av lösningar på utmaningar och problem. 1. Hämta hem kända lösningar. 2. Påverka internationella initiativ. 3. Medverka till gemensamma lösningar inom EU. 4. Medverka till gemensamma lösningar inom Norden. 5. Initiera unika svenska lösningar. Trafikverket samverkar med FoI-utförarna på olika sätt. Samspelsformerna kan delas in i fyra kategorier: Basstöd: finansiering av strategiskt viktiga professurer och docenturer vid akademiska lärosäten för att stödja forskningshandledning samt grundutbildning knuten till akademisk forskning. Vid behov finansiering av mindre forskargrupper kopplade till dessa för att uppnå en kritisk verksamhetsvolym. Basstöd ges i mycket begränsad omfattning. Ramstöd: genom avtal om en garanterad beställningsvolym till viktiga utförarmiljöer. Innebär en form av partnering där verksamhetens innehåll bestäms efter samråd och godkännande av Trafikverket. Projektinitiering: genom direktbeställningar alternativt upphandlingsförfarande. Inom definierade problemområden kan utlysning användas för att efterfråga projektförslag. Bransch/sektorsamordning: ledning, koordinering och administration av större sammanhållna FoI-satsningar. För att öka verkningsgraden i innovationssystemet så behövs också en ökad kompetens och förståelse hos dem som arbetar i systemet. Trafikverket kommer under året att arbeta med kompetensutveckling av egen personal för att förbättra kvaliteten i våra FoI-beställningar och vår förmåga att implementera resultat. Den tidigare FoI-verksamheten vid dåvarande Banverket och Vägverket har under de senaste åren sammanlagt omfattat cirka 600 Mkr utöver det stora implementeringsprojektet ERTMS. På grund av låsningar i den Nationella transportplanen finns inte något utrymme för att starta nya projekt under året. I dagsläget är det svårt att förutsäga hur stor omfattningen blir de närmaste åren. Under verksamhetsåret 2011 planeras inga riktade utlysningar annat än de som är branschgemensamma eller internationella initiativ som t.ex. Era Net.

9 7 Innovationsfrågor inom byggsektorn Anna Sander IQ Samhällsbyggnad I augusti ifjol bildades IQ Samhällsbyggnad - Föreningen för innovation och kvalitet inom samhällsbyggandet. Enligt hemsidan syftar organisationen till att - i bred samverkan - stärka arbetet med kvalitet och innovation i samhällsbyggnadssektorn. Fusionen är ett resultat av samtal mellan de tre föreningarna BQR Rådet för Byggkvalitet, BIC Byggsektorns InnovationsCentrum och Kretsloppsrådet. Fusionen gäller BQR och BIC. Föreningen arbetar sektorsövergripande med att förbättra innovationsklimatet, stödja innovationsarbete och stärka medlemsföretagens konkurrenskraft. Verksamheten genomförs tillsammans med medlemmarna, och i samverkan med nationella och internationella nätverk. CBI Betonginstitutet är en av medlemmarna liksom många av dess uppdragsgivare. Anna Sander är sedan starten ifjol vd för IQ Samhällsbyggnad. Hon kommer närmast från tjänsten som biträdande enhetschef vid Miljödepartementets enhet för hållbar utveckling. Anna Sander har en licentiatexamen från KTH och erfarenhet från näringslivet bland annat som koncerndirektör för miljö och kvalitet vid NCC. Eftersom IQ Samhällsbyggnad har en central roll inom byggsektorns innovationssystem var det självklart för oss på CBI Betonginstitutet att kontakta Anna Sander och be henne redogöra för hur den nya föreningen arbetar vidare för at skapa en mer innovativ byggsektor.

10 8

11 9 Med LEAN och SKB förnyar vi betongsektorn Mats Emborg LTU/Betongindustri Alla betongvänner vet att SKB står för självkompakterande betong, dvs. denna fantastiska produkt som utvecklades i Japan kring 1990 och kom till vårt land ett par år senare och som kan fylla en form utan att man behöver vibrera den. Tyvärr har inte användningen av SKB ökat så snabbt som vi trodde för år sedan, åtminstone inte inom platsgjuten betong. Mats Emborg, som både är professor inom högskolan och utvecklingschef inom industrin, tillhör dem som arbetat mest för att röja undan de hinder som bromsat utvecklingen. Tillsammans med ett par doktorander har han även arbetat för ett industrialiserat betongbyggande. SKB utgör en nyckel till detta men det finns andra som enklare, effektivare armeringssystem och IT-lösningar som 4D-simulering och BIM (Building Information Modelling). LEAN kanske färre vet vad det står för. Wikipedia ger en ganska god sammanfattning: Lean Production är en filosofi om hur man hanterar resurser. Syftet med Lean är att identifiera och eliminera alla faktorer i en produktionsprocess som inte skapar värde för slutkunden. Enkelt uttryckt handlar det om Mer värde för mindre arbete.

12 10

13 11 Krossballastbetong är nu klar för gjutning Björn Lagerblad CBI Betonginstitutet Skillnaden mellan natur- och krossballast är att den senare är kantigare och flakigare i alla fraktioner. Dessutom har krossprodukterna en annan kornkurva. Generellt innehåller krossballast direkt efter krossning mer finmaterial och filler än naturballast. Till skillnad från krossballast har naturballast bearbetats av vatten och har därför generellt en ganska rund form även om det i grunden är ett liknande material. I en krossballast beror formen på bergartens textur och när det gäller finmaterialet på bergartens mineralogiska sammansättning. En bergart är uppbyggd av enskilda mineral och när man krossar den så kommer finmaterialet att bestå av enskilda fria mineral. Alla mineral har en bestämd form. Exempelvis är alla glimmermineral flakiga medan fältspaterna och kalkmineralen ger kubisk form. Skillnaden mot tidigare är att man även vill använda finballasten från kross vid betongframställning. Betongproportionering innebär att man sätter samman betongens delmaterial på ett sådant sätt att den hårdnade betongen uppfyller vissa bestämda krav. Samtidigt måste betongen som ung ha sådana egenskaper att den kan flyta och fylla ut en form. I allmänhet ger krossballast en sämre rörlighet. Även om man siktar om materialet så ger krossballast en sämre rörlighet vilket beror på kornformen. För att förstå detta måste man beakta vad som ger rörligheten i den färska betongen. En färsk betong är en partikelslurry där alla partiklar inklusive cement rör sig mot varandra i vatten. De större partiklarna rullar på de mindre. Flakiga partiklar behöver större rörelsevolym vilket medför att man måste öka mängden finare material. Detta gäller i alla fraktioner. Detta medför att krossballasten behöver mer finmaterial än naturballast. Skillnaden mot förr är att man idag har tillgång till effektiva superplasticerare som möjliggör större mängd filler. Den tidigare åtgärden att använda partikelgap behövs därför inte längre. Problemet är att även finmaterialet hos krossballast ofta är kantigt och flisigt. Försök visar att man kan kompensera besvärlig grovballast med att öka mängden finballast men motsatsen går inte. Finballastens egenskaper är viktigast och det blir allt viktigare ju finare kornen är. Det enklaste sättet att komma runt detta är att tillsätta mer vatten vilket i sin tur medför mer cement för att behålla vattencementtalet (vct) som styr hållfasthet och täthet. När man jämför olika krossprodukterna från olika bergarter så finner man mycket stora skillnader. Generellt ger kalksten och diabas bättre kornform än granit. Skillnaden mellan olika graniter är emellertid stor. Det finns graniter som direkt kan ersätta naturgrus medan andra är mycket besvärliga. Skillnaden beror främst på mängden flakigt glimmer. Oftast är det glimmermineralet biotit. Den första åtgärden för att få fram lämplig krossballast för betong är därför att finna en lämplig bergart. Framför allt gäller det att finna sådana med litet glimmer. Med hjälp av VSI-krossning som

14 12 ger mera kubiska korn är det möjligt att förbättra arbetbarheten. Tester visar dock att VSI endast fungerar bra så länge det är bergartsfragment, dvs det påverkar inte flaken av fri glimmer. För att minska glimmerhalten måste andra åtgärder sättas in. Med hjälp av vindsiktning går det att minska halten. Försök visar att glimmern anrikas i finare fraktioner och om man eliminerar den finaste fraktionen och eventuellt ersätter den med annat filler kan problemet minskas. I en del fall är också tvättning bra. N3 K55 N3 K41 SEM-bilder i backscatter av naturballast (N3) och krossmaterial (K55) i siktfraktionen 0,5-1,0 mm (överst) och 0,125-0,25 mm (underst). Planpolerade prov med fragment i epoxi. I den grövre fraktionen består fragmenten i huvudsak av bergartfragment medan det in den finare fraktionen består av enskilda mineral. Proportionering I projektet har Hans-Erik Gram utvecklat ett proportioneringsprogram. Tidigare proportioneringsverktyg har baserats på optimering av i betongen ingående partiklar med hjälp av kornkurvor och korndensitet. Enklare system arbetar med finhetsmoduler och anpassning till idealkurvor. I nyare system delas betong upp i två faser en partikelfas, dvs. en diskontinuerlig fas, och en matrisfas, kontinuerlig fas.

15 13 För att klara av speciellt krossballast måste man emellertid ta hänsyn till kornform. Flakiga partiklar fordrar mer finare partiklar hela vägen ner i fraktionsstegen och i slutändan mer pasta. Därför föreligger det risk att övergången från naturballast kommer att kräva mer cement. Det finns en mängd olika sätt att ta fram kornform, speciellt för större partiklar. Med hjälp av spaltsikt kan man ta fram kornform ner till ca 1 mm. För finare korn mäts kornformen direkt med hjälp av bildanalys i tunnslip eller SEM (se bilder ovan). Den enklaste metoden är att använda lös partikelpackning vilket är den metod som använts i proportioneringsprogrammet. I teorin kan flakiga partiklar packas tätare än runda men i verkligheten ger flakiga och råa partiklar i lös packning en sämre packning. I grunden skall betongen sättas samman så att hålrummet blir minimalt vilket fordrar en optimal kurva och runda/kubiska korn. Alla partiklar under 0,125 mm, cement, tillsatsmaterial, luft och vatten antas bilda en matrisfas som skall fylla ut det hålrum som bildats. När volymandelen matris ökas, samtidigt som volymen partiklar minskas, så blir betongen rörligare eller lösare. Matrisens vct bestämmer till stor del hållfastheten. Genom att arbeta med mängden filler, luft och flymedel kan man variera matrisens egenskaper så att den blir lämplig. Som indata till proportioneringsprogrammet bestäms fillerns och tillsatsmedlens inverkan på matrisfasens reologi genom bruksförsök. Genom att bestämma utflytet hos ett bruk bestäms partiklarnas (mindre än 0,125 mm) inverkan på brukets reologi och man bestämmer därigenom värdet på en så kallad fillerkostant, k c. Lös partikelpackning hos ingående ballastfraktioner utgör basen för en minimering av hålrummet hos alla partiklar > 0,125 mm. I krossballast finns det i allmänhet inga leror men det finns olika typer av glimmer som kan ställa till med problem. En analys av fillerfraktionen är därför viktig. Med bra, kubiskt filler kan detta användas till att minska mängden cement medan olämpligt filler ger en seg och besvärlig betong. Kvalitén på finmaterialet kan undersökas med hjälp av petrografisk analys och bildanalys i mikroskop. Man kan även använda röntgendiffraktion. Kornfördelningen i finfraktionen kan mätas med lasersikt och ytan med BET-yta eller Blaine. Dessa metoder fordrar dock ett avancerat laboratorium. Enklare metoder för kvalitetskontroll på plats är rinntid eller utflyt i en s.k. Hägermankon. Rekommendationer Det viktigaste är att finna en lämplig bergart, som när det gäller graniter skall ha ett lågt glimmerinnehåll. Bra kalksten ger generellt ett bättre ballast material än granit men det finns graniter som direkt kan ersätta naturballast. Då problemen främst har sitt ursprung i finmaterialet kan det vara lämpligt att göra selektiv brytning för betongballast där allt görs till finmaterial. Det är känt sedan tidigare att det är en fördel att kubisera stenen men det kan även vara lämpligt att köra en VSI-krossning för att förbättra kornformen även på de mindre partiklarna. När det gäller de finaste partiklarna fungerar VSI inte så bra varför andra metoder behövs. Vindsiktning där den finaste fraktionen tas bort, minskar både mängden filler och speciellt mängden glimmer och kan ibland vara nödvändigt. I en del fall är tvättning som bra. Det finns många faktorer som styr krossprodukters egenskaper som betongballast. Problemen ligger främst hos finmaterialet. Det rekommenderas därför att man först utför en avancerad laboratorieanalys för att komma underfund med de grundläggande egenskaperna. Därefter med utgångspunkt från denna kan man ta fram metoder för kvalitétsäkring.

16 14

17 15 Resultat från EU-projekt förbättrar säkerheten hos fasader Björn Schouenborg/Magnus Döse CBI Betonginstitutet och Presentationen handlar om hur delar av projektresultat från de båda EU-projekten TEAM och I- STONE används både för nya byggnader och inför renovering av äldre byggnader. TEAM ( Testing and Assessment of Marble and Limestone, var ett EU-projekt med en budget om ca 40 M SEK som löpte mellan 2000 och Projektet hade fokus på att lösa de problem som finns då vissa marmorsorter används som fasadstensplattor. Olämplig marmor har en tendens att förlora hållfasthet väldigt snabbt. Många gånger åtföljs hållfasthetsförlusten av en dramatisk buktning av plattorna (figur 1) och ibland även nedfallande plattor. Figur 1. Skyskrapa i Zagreb (byggd 1976). Huset är avspärrat och ingångarna skyddade.

18 16 Figur 2. Borås stadshus, marmorfasad installerad Problemet är världsomspännande och marmor från många olika länder uppvisar fenomenet. Marmor från Carrara är världens mest spridda marmor och har därför fått klä skott för de flesta problem. Eftersom det berömda Finlandiahuset (ritat av Alvar Aalto) i Helsingfors också var drabbat och hade marmor från Carrara så ökade detta på fördomarna om marmor från Carrara, nu med tillägget att man inte bör använda marmor i länder som har många frys-töcykler. Sanningen är dock att det finns många bra marmorsorter i Carrara och att fenomenet inte har någonting alls med frost att göra. Vi har en karta med rapporterade problem i ökenländer! Det är kombinationen av fukt och temperatur som driver nedbrytningen och vissa marmorsorter klarar inte detta. Det finns många byggnader i städer med tufft vinterklimat där marmorfasader klarar sig alldeles utmärkt som t.ex. i Borås (figur 2). Det handlar om vilken mikrostruktur marmorn har och därmed dess geologiska historia. TEAM har tagit fram en laboratoriemetod som simulerar och accelererar det klimat plattorna kan bli utsatta för på en fasad. Metoden skall snart röstas om som ny Europastandard och i mars 2011 presenteras på ett ASTM-möte för att bli antagen även som amerikansk standard. Provningsmetoden ingår redan nu i kravet på den marmor som används för att renovera de mest kritiska delarna av Nyköpings stadshusfasad. Husritning och materialval gjordes f ö av en av Alvar Aaltos elever. Renoveringen pågår under våren CBI övervakar projektet och har samtidigt ett samarbete med Nyköping om övriga delar av fasaden. Se mer nedan. Arbetet med fasadplattor av natursten har fortsatt bl.a. i EU-projektet I-STONE ( där SP och CBI ledde tre projekt varav ett med målet att ta fram ett expertsystem för dimensionering av fasadstensplattor enligt gällande standarder. Eurokoderna är det mest accepterade systemet och har i år även ersatt BKR så det blev en lyckad satsning.

19 17 Figur 3. Hemsidan för expertsystemet. Blå flik Design procedure, näst längst till höger innehåller dimensioneringsverktyget. Expertsystemet är webbaserat och gratis att använda. Det webbaserade formatet säkerställer att alla använder senaste versionen och att beräkningarna är validerade. Adressen är (figur 3). Hemsidan är tänkt att ge en mängd information om hur man lämpligen väljer natursten till olika ändamål och hur man dimensionerar olika konstruktioner eller konstruktionsdelar. Notera att vi jobbar med att utveckla hemsidan, fylla den med mer information och förändra lay-out. Verktyget är tänkt att i första hand användas i samband med nybyggnation och ger då konstruktören vägledning genom alla frågor som skall ställas, såsom hållfasthet, infästningssystem, vindlaster, kringliggande bebyggelse och en rad andra tekniska detaljer. Verktyget fungerar dock lika bra för att säkerställa att en befintlig fasad är säker enligt dagens byggnadskrav. Det är på detta sätt som det nu kommer att användas på Nyköpings stadshus (figur 4). Där har vi i samband med TEAM-projektet fått flera fasadplattor levererade till CBI i Borås för både icke-förstörande provning (ultraljudsmätningar i detta fall) och provning av olika typer av hållfasthet mm. Genom att etablera sambandet mellan den icke-förstörande provningen och vanliga laboratoriemetoder kan vi göra tillräckligt många mätningar på fasaden utan att behöva plocka ned fler plattor. Ett antal av de plattor som nu nedmonteras i samband med renoveringen tas dock in för att bekräfta korrelationen och öka träffsäkerheten i metodiken. Vi kommer även att göra motsvarande mätningar på de nya plattorna för att säkerställa nollpunkten och kunna följa deras utveckling med tiden. Vi räknar dock inte med några problem under överskådlig framtid, femtio till hundra år.

20 18 Figur 4. Nyköpings stadshus. Framsidans marmorplattor byts under tiden ni sitter och lyssnar på föredraget.

21 19 Impregnering av betongkonstruktioner Anders Selander CBI Betonginstitutet Silanbaserade diffusionsöppna impregneringsmedel används på betongkonstruktioner i Sverige för att i första hand skydda armeringen från vägsalter, detta med dokumenterat goda resultat. Det finns dock flera skäl att överväga silanimpregneringar. De flesta skademekanismer i betong är relaterade till fuktnivån i konstruktionen. En impregnering ändrar förutsättningarna för transport av fukt och kan därmed påverka hur fort skadeförloppet går. Det är viktigt att veta vilken skademekanism som är verksam, hur den påverkas av en förändrad fuktnivå och/eller fukttransport samt att veta var fukten kommer ifrån innan impregneringen utförs. Karbonatisering går t.ex. som hastigast i intervallet på % RF (relativ fuktighet) beroende på betongkvalité, kloridjoner kräver en kontinuerlig vätskefas för att kunna tränga in och armeringskorrosionen som kräver tillgång av syre är som snabbast vid % RF. Det finns således goda skäl att bedöma situationen innan en impregnering appliceras, behandlingen kan annars få motsatt effekt och påskynda förloppet. Det som händer med betong vid en impregnering är att de fuktmekaniska egenskaperna förändras. Betong är ett hydrofilt material, dvs. ett sugande material. Detta beror på att de fina kapillärerna i kombination med vattnets ytegenskaper ger en drivande kraft för fukttransporten i form av vätska. När en betong impregneras förändras betongens ytegenskaper från hydrofila (vattenattraherande) till hydrofoba (vattenavstötande) vilket medför vissa förändringar ur fuktmekanisk synvinkel. Detta brukar illustreras genom att definiera en kontaktvinkel θ mellan vatten och betong, se figur 1. θ θ θ Hydrofilt material θ < 90º θ = 90º Hydrofobt material θ > 90º θ θ θ Figur 1. Skillnaden mellan ett hydrofilt och ett hydrofobt material illustrerat med en kontaktvinkel. Överst i form av en kapillär och underst som en vattendroppe.

22 20 Förenklat kan impregneringen ses som ett membran där vattendroppar stoppas medan vattenånga tillåts passera. I vissa situationer kan detta ha en permanent fukthaltssänkande funktion när till exempel regn hindras från att tränga in, medan vattenånga kan diffundera ut under varma dagar. Ett utmärkt exempel på detta är den fristående 80 meter höga Skatteskrapan (numera Skrapan) i Stockholm där mätningar visar att fuktnivån kunde sänkas med upp till 20 % när omständigheterna var de rätta. Det är dock viktigt att säkerställa vad som är orsaken till de problem som skall åtgärdas innan en impregnering utförs. Vattenånga kan visserligen passera genom det impregnerade skiktet men inte lika lätt som om det vore obehandlat. Det är därför viktigt att veta var fukten kommer ifrån så att källan inte finns innanför och fuktvandringen ut istället bromsas. En förutsättning för att kunna utnyttja impregneringens positiva egenskaper är att medlet tränger in i konstruktionen. Stannar impregneringen på ytan kan effekten avta relativt snabbt. De tre viktigaste faktorerna för alla impregneringsmedels inträngning i betong är betongens porositet, betongens fuktnivå vid impregneringstillfället och kontakttiden mellan betong och impregneringsmedel. Hög porositet, låg fuktnivå och lång kontakttid ger bättre förutsättningar för att få ett stort inträngningsdjup. Med kontakttid avses här den tid betongkonstruktionens yta kan kapillärsuga impregneringsmedlet. Figur 3 visar vikten av kontakttiden, här illustrerat genom koncentrationsprofiler vid olika behandlingstider. De tre ovan nämnda faktorerna kan sammanfattas som tillgängligt utrymme och tiden att fylla detta. Porositeten avgör hur stort detta utrymme är, fuktnivån hur mycket av utrymmet som är tillgängligt och kontakttiden hur mycket av det tillgängliga utrymmet som hinner behandlas. [mg(polysiloxane)/g(concrete)] , 48 h 10 h 2 h 25 min 5 min [mm] Figur 2. Koncentrationsprofiler framtagna med hjälp av FTIR (Fourier Transform InfraRed)- spektroskåp. Kontakttiden varierade mellan 5 minuter och 48 timmar. Exakt hur stort inträngningsdjup och koncentration som krävs eller vilken del av porsystemet som behöver behandlas för att få en god effekt varierar självklart med vilken betongkvalitet som används och vad den är utsatt för. Som exempel kan nämnas att en impregnering med 2 mm inträngningsdjup på en betong med vct=0,45 i Eugeniatunneln, Stockholm gett en % reduktion på kloridinträngningen.

23 21 En annan viktig aspekt när det gäller beständigheten är förstås livslängden hos impregneringen. Är det nödvändigt att upprepa behandlingen och hur ofta i så fall? Flera försök till accelererade metoder har gjorts men hur väl de speglar verkligheten är svårt att säga. Några faktorer som påverkar impregneringen över tid är däremot kända. Damm och smuts som hamnar på ytan tar relativt snabbt bort den pärlande effekten på ytan. UV-ljus har en nedbrytande effekt och nötning påverkar impregneringen lika mycket som betongen. Dessa faktorer påverkar dock endast det allra yttersta lagret vilket innebär att funktionen kan finnas kvar även om den pärlande effekten avtagit. Detta visar hur viktigt det är att impregneringen når ett visst djup innanför ytan. Det finns exempel på behandlingar som efter 15 år fortfarande fungerar mycket bra och det finns exempel där behandlingar misslyckats och effekten upphört efter bara ett år. Förklaringen till denna spridning ligger i de allra flesta fall vid impregneringstillfället. En hög fuktnivå eller en för kort behandlingstid är de vanligaste orsakerna till att behandlingen givit ett mindre bra resultat. Alltför ofta blir utgångspunkten för diskussionen då om impregneringar fungerar och om det verkligen är lönsamt att impregnera. Svaret är: Ja, impregneringar fungerar om de tränger in och, ja, det är lönsamt om de appliceras vid rätt tillfälle. Om impregneringsmedlet inte trängt in så utvärderas avsaknaden av impregneringsmedlet och inte impregneringen. Vad som är rätt tillfälle måste bedömas från fall till fall men det är tveklöst bättre att behandla tidigt under en konstruktions livstid för att få ut mesta möjliga effekt av behandlingen. Åtgärder som förlänger en betongkonstruktions livslängd leder till ett bättre hushållande med naturresurser och därmed både ekonomiska och miljömässiga besparingar för samhället. Att impregnera betongkonstruktioner löser inte alla fuktrelaterade problem i betong men i många fall är det ett intressant alternativ som bör övervägas. När vi talar om ytor utan stående vatten vilka är exponerade för kloridjoner eller konstruktioner där fukthalten behöver sänkas är en silanimpregnering ofta det bästa alternativet. Referens Anders Selander: Hydrophobic Impregnation of Concrete Structures Effects on Concrete Properties, KTH, Skolan för arkitektur och samhällsbyggnad, Institutionen för byggvetenskap, Avdelningen för brobyggnad, 2010.

24 22

25 23 Partikelpackning i betong Carsten Vogt CBI Betonginstitutet carsten.vogt@cbi.se Minskning av cementhalten i betong ger inte bara ekonomiska och miljömässiga fördelar. Det kan även göras av betongtekniska skäl. Andelen cementpasta i betong är kopplad till krympning och krypning av hårdnad betong och är även avgörande för temperaturhöjningen under betongens härdning. Därmed har den ett stort inflytande på risken för uppkomst av temperatursprickor. I avhandlingen Ultrafine Particles in Concrete Influence of Ultrafine Particles on Concrete Properties and Applications to Concrete Mix Design [1] undersöks ultrafina partiklars egenskaper och deras inflytande på betong. Inerta och reaktiva partiklar som är finare än cement betecknas som ultrafina i denna avhandling. Användningen av ultrafina partiklar i betong är idag möjlig på grund av utvecklingen av effektiva flyttillsatsmedel. Inverkan av olika mineraler som i allmänhet anses inerta har undersökts, även i kombination med reaktivt silikastoft. Betong består av ett system av partiklar av olika storlek, se figur 1. Färsk betong är en partikelsuspension och hårdnad betong består av packade partiklar. Partiklarna (i allmänhet kollektivt benämnda som ballast) binds ihop med ett bindemedel som i vanliga fall är cementbaserat. Bindemedlen reagerar med vatten och bildar fasta hydratationsprodukter som binder ballastkornen. Eftersom bindemedlens andel av betongkostnaderna och miljöpåverkan är störst, är en reduktion av bindemedelshalten i betong eftersträvansvärt. Halten av bindemedel i betong kan reduceras på olika sätt. En vanlig metod är att optimera partikelsystemets gradering med målet att öka packningsgraden. Det finns ett flertal modeller som kan användas för att åstadkomma detta. De flesta modeller fokuserar på betongens ballast och tar inte hänsyn till finpartiklarna. Men det är just finpartiklarna som har en avgörande påverkan på den färska betongmassans arbetbarhet och den hårdnade betongens täthet. När självkompakterande betong utvecklades upptäcktes att betongegenskaperna i färskt och hårdnat tillstånd förbättrades genom tillsats av stora mängder finmaterial. Genom att integrera även finpartiklarna i en packningsmodell kan hela betongsammansättningen från de finaste till de grövsta partiklarna optimeras. Detta leder till en förbättrad betongsammansättning med förbättrade egenskaper. Dessutom har finpartiklar andra ytegenskaper än grövre partiklar och fungerar därför olika i en suspension. Finpartiklar kan påverka cementets hydratation och integreras bättre i cementpastan.

26 24 Figur 1. Storlek och specific yta på delmaterialen som utgör betong. Analys av partikelgraderingen i betongsammansättningar med reducerad cementhalt och hög andel ultrafina partiklar visar att graderingen närmar sig en kurva som motsvarar den s.k. modifierade Andreassen-modellen. Modellen, som beskrivs i ekvationen nedan, baserar på undersökningar av Andreassen & Andersen (1930) och modifierades senare av Dinger & Funk (1992). CPFT 100 = D D q q L D D q S q S med CPFT = kumulativ procent partiklar mindre än D, D = partikelstorlek, DS = minsta partikelstorlek, DL = största partikelstorlek, q = fördelningsmodul. Med hjälp av datorsimuleringar har Dinger & Funk kommit fram till att en graderingskurva med en fördelningsmodul på 0,37 leder till högsta packningsgraden av partikelsystemet. Modellen är rent matematisk och baseras på perfekta sfärer utan interaktion mellan de olika partiklarna. Modellen används framför allt i keramikindustrin men kan även tillämpas för betong. T.ex. har betong med en tryckhållfasthet på mer än 65 MPa och en cementhalt på 100 kg/m 3 tagits fram i projektet. Partikelstorleksfördelningen av hela betongsammansättningen, med fokus på partiklar finare än 0,125 mm, har optimerats enligt den modifierade Andreassen-modellen. Inom avhandlingens ram har det inte tagits hänsyn till föreskrivna minsta cementmängder eller högsta tillåtna vct ekv. Resultaten i avhandlingen visar att det är möjligt att ta fram betong med hög hållfasthet och täthet om man inte behöver ta hänsyn till nämnda begränsningar i normerna. Dessa specifikationer borde ersättas med funktionskrav (täthet, motstånd mot inträngning av klorider, mm). Slutsatserna av avhandlingen är att användning av ultrafina partiklar i betong har en stor potential. En del av cementet i betong kan bytas ut mot ultrafina partiklar utan att betongens egenskaper behöver försämras, i några fall har de t.ex. förbättrats. Den modifierade Andreassen-modellen har framgångsrikt använts för optimering av olika betongsammansättningar. Baserat på resultat i avhandlingen har rekommendationer utarbetats för användandet av ultrafina partiklar i betongproportionering.

27 25 Inom CBI:s program för grundforskning fortgår arbete inom området, målet är att utveckla ett proportioneringsverktyg för betong som tar hänsyn till finpartiklar i graderingen. Om man anser att färsk betong är en partikelsuspension och hårdnad betong består av packade partiklar så är det logiskt att nyttja packningsteorier för betongproportionering. Detta har gjorts för betongens ballast i över 100 år, partiklar finare än 0,125 mm ignoreras dock vanligtvis. Genom att tillämpa likande principer som för betongens ballast också för finare fraktioner (detta innefattar filler, cement och tillsatsmaterial) kan betongens sammansättning modifieras mot lägre cementhalter. Förutsättning är bland annat utökade analyser av delmaterialen som utgör betong, en lämplig proportioneringsmetod och användning av effektiva flyttillsatsmedel. Den grundläggande metodiken som används finns beskriven i avhandlingen. Med kornfördelningskurvor från alla ingående finmaterial (cement, filler, ultrafiller, silikastoft) och ballast som indata kan en optimerad betongsammansättning räknas fram. Detta åstadkommas med hjälp av kurvpassning av de ingående materialkurvorna mot den modifierade Andreassen-kurvan. De inledande undersökningar fokuseras på finmaterialet i betong (partiklar mindre än 0,125 mm). Packningsdensiteten bestämd med hjälp av en wet-packing - metod används som mått för att kunna kvantifiera effektiviteten av optimeringsprocessen. Packningsdensitet hos de ingående delmaterialen undersöks och jämförs med packningsdensiteten av blandningar av materialkombinationer som sammansätts enligt den modifierade Andreassenmodellen. På dessa materialkombinationer undersöks också reologiska egenskaper. Referens Carsten Vogt: Ultrafine Particles in Concrete - Influence of Ultrafine Particles on Concrete Properties and Applications to Concrete Mix Design, KTH, Skolan för arkitektur och samhällsbyggnad, Institutionen för byggvetenskap, Avdelningen för betongbyggnad, 2010.