Tillsatsmaterial Till vad kan dessa användas?

Tillsatsmaterial Till vad kan dessa användas? Anders Lindvall Thomas Concrete Group, C-lab

Detta med tillsatsmaterial är inget nytt i Sverige Betong med tillsatsmaterial har använts i Sverige sedan 1930-talet Cement med inblandning av naturliga puzzolaner, flygaska eller GGBS. GGBS (mald granulerad masugnsslagg från masugnar). Exempel på cement Pansarcement (1930-tal) med inblandning av 20-25 % kaolinlera. E-cement (1940-tal) med inblandning av kalksten, sand, masugnsslagg eller tegel. Vulkancement (1950-1974) med inblandning av ca 50 % GGBS. Massivcement (slutet 1970-tal-slutet 1980-tal) med inblandning av ca 65 % GGBS. Skövde Std M (början av 1980-tal) med inblandning av ca 20 % flygaska. Se vidare i t.ex. Fagerlund (2010) Mineraliska tillsatsmaterial i cement

Vad är motiven till att använda tillsatsmaterial? Förändra betongens egenskaper över tiden Färskt tillstånd. Under hårdnande. Hårdnat tillstånd. Minska användning av Portlandklinker Minskade miljöpåverkan. Minskade utsläpp av CO 2. Minskade kostnader. Lösa avfallsproblem Slagg (från tillverkning av tackjärn). Flygaska (från förbränning i kolkraftverk).

Betongens tidslinje Blandning Gjutning Tillstyvnande & glättning Tidig hållfasthet 28-d Service life Rivning & återvinning t 0 3h 8h 1d 2d dagar 1 månad månader 1 år 50-100 år Betong, under dess livslängd, måste uppfylla krav gällande ett antal egenskaper (bindetid, hållfasthet & hållfasthetsutveckling, temperatur-utveckling, krympning, etc.) och vara beständig m.h.t. den miljö som den ska placeras i (CO 2, frost, klorider, sulfater, syror, etc.). Hänsyn behöver också tas till miljöbelastning & resursanvändning (LCA) vilket kan innebära krav på delmaterial och betongsammansättning.

Betongens tidslinje - möjligheter Blandning Gjutning Tillstyvnande & glättning Tidig hållfasthet 28-d Service life Rivning & återvinning t 0 3h 8h 1d 2d dagar 1 månad månader 1 år 50-100 år Färsk betong: Förändra & styra tidiga egenskaper. Ung betong: Förändra & styra värmeutveckling, hållfasthet, etc. Hårdnad betong: Förbättra egenskaper, t.ex. självläkning, krympning & krypning. Åldrande betong: Livslängd & nedbrytningsmekanismer

Bindemedel till betong Cement och tillsatsmaterial Klassificering av bindemedel till betong Hydrauliska material, t.ex. Portlandcement. Latent hydrauliska material, t.ex. mald granulerad masugnsslagg. Puzzolana material, t.ex. silikastoft, flygaska och naturliga puzzolaner (t.ex. vulkanisk aska). Skillnad mellan dessa bindemedel Hydrauliskt material binder och hårdnar efter tillsats av vatten, och detta både i luft och vatten. Latent hydrauliskt material erfordrar en mindre kvantitet alkalisk aktivator (förutom vatten) för att binda och hårdna. Puzzolana material binder och hårdnar endast i närvaro av vatten och löslig kalciumhydroxid (bildas t.ex. vid hydratation av Portlandcement).

Reaktioner hos olika typer av bindemedel Hydrauliska material Portlandcement [PC] + Vatten Kalciumhydroxid + [H 2 O] [Ca(OH) 2 ] Kalciumsilikathydrat [C-S-H] Latent hydrauliska material Puzzolana material Tillsatsmaterial [Additive] + Vatten + Kiseldioxid [H 2 O] [SiO 2 ] Kalciumsilikathydrat [C-S-H]

Flygaska och GGBS som bindemedel

Vilka tillsatsmaterial finns det? Metakaolin Silikastoft Flygaska (kiselrik) Slagg Flygaska (kalkrik) Kalcinerad skiffer Naturlig Puzzolan Flygaska (kalkrik) restprodukt från förbränning av brunkol (lignitiskt kol) Flygaska (kiselrik) restprodukt från förbränning av stenkol (bituminöst kol) Silikastoft restprodukt från tillverkning av kiselmetall och ferrolegeringar Slagg (GGBS) restprodukt från järnframställning som mals Metakaolin kaolinit (aluminiumsilikat) som upphettats till 650-700 C Kalcinerad skiffer skiffer som upphettats till 650-700 C

Flygaska (kiselrik) PFA Figur från UK Quality Ash Association

Mald Granulerad masugnsslagg GGBS Järnmalm, koks och kalksten -1600 kg råmaterial. -330+150 kg koks -900 m 3 het luft. -1000 kg järn -230-300 kg slagg 10000 ton järn/dygn 2300-3000 ton slagg/dygn ~1500 C Het luft Smält slagg Smält järn Kylningen väsentlig! -Snabb kylning i vatten (Granulat GBFS). -Långsam kylning i luft (Kristallint material CBFS). -Snabb kylning i luft (Pellets BFSP).

SS-EN 450-1 Flygaska för betong Flygaska är ett fint pulver, huvudsakligen bestående av sfäriska, glasiga partiklar, som har sitt ursprung från förbränning av pulveriserad kol (med eller utan samförbränning) och vilket har puzzolana egenskaper primärt bestående av SiO2 och Al 2 O 3. Andelen reaktiv SiO 2, så som den är definierad och beskriven i EN 197-1, skall vara minst 25 % av massan. Flygaska fås antigen genom elektrostatisk- eller mekanisk-utfällning (precipitation) av dammliknande partiklar från rökgaserna. SS-EN 15167-1 Mald granulerad masugnsslagg för användning i betong, bruk och injekteringsbruk GGBS består av ett glasigt material som är tillverkat genom snabb kylning av en slaggsmälta av lämplig sammansättning. Slaggsmältan fås genom att smälta järnmalm i en masugn. GGBS skall bestå av minst två tredjedelar av glasig slagg och inneha hydrauliska egenskaper vid lämplig aktivering.

Krav i EN 450-1 och EN 15167-1 Flygaska EN 450-1 Faktor Krav Glödförlust Finhet 45 m Fri CaO SO 3 Klorid Ekvivalent Na 2 O Korndensitet (var.) <7,0 [vikt-%] (A) <9,0 [vikt-%] (B) <11,0 [vikt-%] (C) <45 [vikt-%] (N) <13 [vikt-%] (S) <2,6 [vikt-%] <3,5 [vikt-%] <0,1 [vikt-%] <5,5 [vikt-%] 225 [kg/m 3 ] från dek. Värde] Aktivitetsindex >75 % (28 d) >85 % (90 d) (>75 % k=0,5 (28 d) enl. SS 13 70 03) GGBS EN 15167-1 Faktor Krav (CaO+MgO+SiO 2 ) (CaO+MgO(/(SiO 2 ) >1,0 MgO Sulfid Sulfat Klorid Glödförlust Finhet >2/3 av total massa 18 [vikt-%] 2,0 [vikt-%] 2,5 [vikt-%] 0,1 [vikt-%] <3,0 [vikt-%] >275 [m 2 /kg] Aktivitetsindex >45 % (7 d) >70 % (28 d) (>80 % k=0,8 (28 d) enl. SS 13 70 03)

Betong med flygaska eller GGBS Allmänt Minskad användning av (Portland)cement. Lägre miljöbelastning. Annan kulör (ljusare om GGBS används). Egenskaper i färskt tillstånd Bättre arbetbarhet. Jämnare yttextur än portlandcement. Långsammare tillstyvnande. Puzzolana reaktioner Mindre tendens till vattenseparation. Viss osäkerhet rörande inblandning av tillsatsmedel. Viss absorbtion. Egenskaper hos hårdnande betong Normalt långsammare hållfasthetstillväxt. Minskad värmeutveckling. Egenskaper hos hårdnad betong Hållfasthet. Jämförbar 28-dygns hållfasthet som konventionell betong. Uttorkning. Motsvarande eller bättre jämfört med konventionell betong. Beständighet. Effekt beror på nedbrytningsmekanism.

Värmeutveckling Användning av tillsatsmaterial Puzzolana reaktioner minskar värmeutveckling. Hydratationsvärme för tillsatsmaterial Flygaska. Ca 30 % av Anläggningscement. GGBS. Ca 60-80 % av Anläggningscement. Reduktion av hydratationsvärmen Lägre maximal temperatur. Långsammare temperaturökning. Minskat eller inget behov av kylning vid gjutning av massiva konstruktioner.

Exempel på värmeutveckling 400 400 Total heat generated (kj/kg) 300 200 100 CEM I 35% fly ash 50% fly ash 65% fly ash Total heat generated (kj/kg) 300 200 100 CEM I 35% ggbs 50% gbbs 70% ggbs 0 0 10 20 30 40 50 60 0 0 10 20 30 40 50 60 Hours Hours

Hållfasthet Användning av tillsatsmaterial Puzzolana reaktioner sker långsammare än hydrauliska reaktioner. Långsammare hållfasthetstillväxt upp till 28 dygn. Samma hållfasthet vid 28 dygn (referensåldern ändras inte!). Fortsatt hållfasthetstillväxt efter 28 dygn. Förändring av hållfasthetstillväxt beror på Mängd och typ av tillsatsmaterial (och hur tillsättning görs). Finmaldhet hos cement (och tillsatsmaterial). Kemisk sammansättning hos cement och tillsatsmaterial.

70 60 Trcykhållfasthet [MPa] 50 40 30 20 vct ekv =0,45 Inblandning av flygaska samt använd cement 0% CEM I 6% CEM I 11% CEM I 18% CEM I 25% CEM I 33% CEM I 0 % CEM II 11 % CEM II 25 % CEM II 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Ålder [dygn]

70 60 25 % GGBS 50 % GGBS 100 % GGBS Tryckhållfasthet [MPa] 50 40 30 20 0 % GGBS 50 % GGBS (6 % air) 50 % GGBS (k=1.0) 0% 25% 50% 100% 50 % (6 %) 50 % (k=1.0) 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Ålder [dygn]

Uttorkning Tillsatsmaterial har positiv inverkan på uttorkning Betong med flygaska Viss positiv effekt på självuttorkning. Effekt på självuttorkning minskar vid minskande vct. Cement eller tillsatsmaterial (k-faktor eller EPCC)? Betong med GGBS Positiv effekt på självuttorkning (tendenser). Effekt på självuttorkning även minskande vct (tendenser). Cement eller tillsatsmaterial (k-faktor eller EPCC)?

Självuttorkning

Enkelsidig uttorkning (mätdjup 40 % av tjocklek)

Beständighet Användning av tillsatsmaterial ger varierande påverkan på beständighet Generellt Tätare struktur (som ett resultat av tillsatsmaterialets reaktioner). Minskad mängd reaktivt material (dvs. Ca(OH) 2 ). Specifika nedbrytningsmekanismer Armeringskorrosion Karbonatisering. Varierande effekt. Kloridinträngning. Ökat motstånd mot kloridinträngning. Aktiv korrosion. Lägre korrosionshastighet. (Salt)Frostangrepp. Varierande effekt (effekt från karbonatisering?) Kemiska angrepp. Ökat motstånd.

90 80 Karbonatiseringsmotstånd, 1/R CO3 [x10-11 m 2 /s/kgco 2 /m 3 ] vct eq 0.35 0.40 0.45 80,0 70 0.50 0.55 0.60 60 50 40 44,3 30 26,6 20 10 0 3,1 5,2 6,8 13,4 9,8 0,3 1,9 2,5 6,5 8,3 3,5 5,5 16,4 8,3 16,9 Data från Gehlen (2000)

30 25 20 Kloridmigrationskoefficient [x10-12 m 2 /s] 25,0 19,7 vct ekv 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 15 15,8 14,9 10 10,0 8,9 9,0 10,9 5 5,6 6,9 4,4 4,8 5,3 1,4 1,9 2,8 3,0 3,4 0 Data från Gehlen (2000)

Kloridinträngning i marin miljö Kloridhalt [% av bindemedel) 6,0% 5,0% 4,0% 3,0% 2,0% 1,0% vct (vbt) = 0,35 100% Slite 100% Anl 95%Anl+5%SF 85%Anl+10%Fa+5%SF 85%ANL+15%RHA CEM III/B 0,0% 0 10 20 30 40 50 60 Djup [mm] Kloridprofil betong Träslövsläge (20 års exponering). Boubitsas, Luping & Utgenannt, SBUF projekt 12684. Beräknade erforderliga täckskikt. Luping & Löfgren: Chalmers tekniska högskola, Bygg & miljöteknik, Rapport. no. 2016-4.

Data från Gehlen (2000)

Sulfatangrepp Data från Ecocem (2011)

Användning av flygaska och GGBS i betong idag Cement (enligt Tabell 1 i SS-EN 197-1) Portlandflygaskecement. CEM II/A-V och CEM II/B-V. Portland-slaggcement. CEM II/A-S och CEM II/B-S. Portland-kompositcement. CEM II/A-M (S-V) och CEM II/B-M (S-V). Portland-kompositcement. CEM II/A-M (S-LL, V-LL) och CEM II/B-M (S-LL, V-LL). Slaggcement CEM III/A, III/B och III/C. Tillsatsmaterial (enligt avsnitt 5.2.5 i SS-EN 206) Effektivitetsfaktor Flygaska. k=0,4 (alt. k=0,5 för viss flygaska/cement enligt SS 137003). GGBS. k=0,6 (alt. k=0,8 för viss GGBS/cement enligt SS 137003). Konceptet likvärdig prestanda hos bindemedelskombinationer Kombinationer av cement och tillsatsmaterial (k=1,0). Kombinationen har likartad hållfasthet och beständighet som motsvarande cement.

Kravelement Cement enligt SS-EN 197-1 Accepterade cement och bindemedelssammansättningar i olika exponeringsklasser Tabell 8b i SS-EN 206:2013 Exponeringsklass X0 XC 1 XC 2 XC 3 XC 4 XS 1 XS 2 XS 3 XD 1 XD 2 XD 3 XF 1 XF 2 XF 3 XF 4 XA 1 XA 2 XA 3 Alla I I I I I I I I I I I I I I I Sulfat- II/A-S II/A-S II/A-S II/A-S II/A-S II/A-S II/A-S II/A-S II/A-S II/A-S II/A-S II/A-S II/A-S II/A-S II/A-S resis- II/B-S II/B-S II/B-S II/B-S II/B-S II/B-S II/B-S II/B-S II/B-S II/B-S II/B-S II/B-S II/B-S II/B-S tenta II/A-D II/A-D II/A-D II/A-D II/A-D II/A-D II/A-D II/A-D II/A-D II/A-D II/A-D II/A-D II/A-D bindemedel II/A-V II/A-V II/A-V II/A-V II/A-V II/A-V II/A-V II/A-V II/A-V II/A-V II/A-V II/A-V II/A-V II/A-V II/A-V II/B-V II/B-V II/B-V II/B-V II/B-V II/B-V II/B-V II/B-V II/B-V II/B-V II/B-V II/B-V II/B-V II/B-V se II/A-LL II/A-LL II/A-LL II/A-LL II/A-LL II/A-LL II/A-LL II/A-LL II/A-LL II/A-LL II/A-LL II/A-LL II/A-LL II/A-LL II/A-LL 5.3.2(5 II/A-M II/A-M II/A-M II/A-M II/A-M II/A-M II/A-M II/A-M II/A-M II/A-M II/A-M II/A-M II/A-M II/A-M II/A-M ) II/B-M II/B-M II/B-M II/B-M II/B-M II/B-M II/B-M II/B-M II/B-M II/B-M II/B-M II/B-M II/B-M II/B-M III/A III/A III/A III/A III/A III/A III/A III/B Hållfasthetsklass hos cement 32,5 32,5 32,5 42,5 42,5 42,5 42,5 42,5 42,5 42,5 42,5 42,5 42,5 42,5 42,5 42,5 42,5 42,5 Andel PC-klinker av bindemedel 30 35 35 65 65 35 35 65 35 35 65 65 65 65 80 35 35 Andel av bindemedlet Silikastoft Flygaska Slagg 10 35 70 10 35 65 10 35 65 10 35 35 10 35 35 10 35 65 10 35 65 10 35 35 10 35 65 10 35 65 10 35 35 10 35 35 10 35 35 5 35 35 5 20 20 10 35 65 10 35 35

Cement tillgängliga i Sverige 2018 Cementa Anläggningscement. CEM I 42,5 N - SR 3 MH/LA. Anläggningscement FA. CEM II/A-V 42,5 N MH/LA/NSR. Bascement. CEM II/A-V 52,5 N. Byggcement. CEM II/A-LL 42,5 R. Snabbhårdnande (SH) cement. CEM I 52,5 R. Vitcement. CEM I 52,5 R - SR 5. (från Aalborg White) CEMEX Komposit. CEM II/A-M (S-LL) 52,5 N. Infracement. CEM I 42,5 N-SR3 MH/LA. Miljöcement. CEMIII/A 42,5N. Rapid. CEM I 52,5 R. Vitcement. CEM I 52,5 R.

Internationella erfarenheter Allmänt Förbättra egenskaper hos betong (beständighet). Minska mängden cementklinker. Nederländerna. Lång tradition av betong med slagg (slaggcement) i stränga miljöer. CEM III/B standardcement i marina miljöer under 60 års tid. Tyskland. Lång tradition av betong med slagg (>100 år). CEM III/A standardcement i många regioner. Finland CEM II/A-M (S-LL) 42,5 N standardcement under flera decennier. Storbritanninen Kompositcement (innehållande bl.a. Slagg) har använts i över 90 år. Slagg (och flygaska) som tillsatsmaterial vid betongtillverkning.

Sammanfattning betong med tillsatsmaterial Användning av tillsatsmaterial Förändra egenskaper hos betongen Färskt tillstånd. Hårdnande betong. Hårdnad betong. Minska användning av Portlandcement minskade CO 2 - emissioner. Lösning på avfallsproblem. Mångårig erfarenheter internationellt. Tillgång till tillsatsmaterial i Sverige Finns cement med tillsatsmaterial (både flygaska och GGBS). GGBS som tillsatsmaterial.

Exempel på projekt Där tillsatsmaterial har hjälpt till att förbättra betongens egenskaper

Betong med låg värmeutveckling Sänktunnel Bjørvikaprojektet Oslo Specifikation Statens vegvesen (för begränsad värmeutveckling: FA= 30-65 % av CEM I. Effektivitetsfaktor k = 0,7 (k = 0,4 enl. EN 206) Betong T max max [MPa] f ct [MPa] Sprickrisk SV 40 61 ºC 3,9 3,8 1,04 28% FA 47 ºC 2,7 3,2 0,86 60% FA 42 ºC 2,1 2,9 0,74 40% Slagg 45 ºC 3,7 3,7 1,01 60% Slagg 45 ºC 3,6 3,2 1,13

Betong med låg värmeutveckling Sänktunnel Bjørvikaprojektet Oslo

Betong med låg värmeutveckling Marieholm: Spec. UV-betong Önskemål om låg värmeutveckling, motsvarande Anläggningscement. C20/25 vid 28 dygn & C15/20 efter 5 dygn (i konstruktion). Möjliggjordes med användning av GGBS & CEM II/A-LL. Ca 9.000 m 3 betong en besparing av 1220 ton CO 2 (50 %).

Betong med styrd hållfasthetsutveckling Norra länken NL 12: Sekantpålar Önskemål om styrd hållfasthetsutveckling i en temporär konstruktion. Max 10 MPa vid 3 dygn & max 15 MPa vid 7 dygn. C16/20 efter 28/56 dygn. Möjliggjordes med användning av flygaska & CEM II/A-LL. Totalt ca 10.000 m 3 betong en besparing av 1600 ton CO 2 (45 %). Styrd hållfasthet möjliggjorde snabbare byggnation och kostnadsbesparingar. Tryckhållfasthet (kub) [MPa] 40 30 20 10 0 vbt = 0,64 53% FA 46% FA 40% FA 33% FA 17% FA 1 10 100 Ålder [dagar]

Betong med god beständighet Eastern Scheldt storm surge barrier Byggd 1980-1986 och öppnad 1986. Sista stora dammen i Delta Works skydda mot översvämningar (1953 1800 omkom). Först tänkt att vara sluten damm. Men unikt djurliv + fauna påverkat av tidvatten. Därför en damm som tillåter tidvattenrörelser. Stängs vid för högt vattenstånd i havet. Görs någon per år under ett par timmar. Önskemål om 200 års livslängd. Betong (vct=0,45) med CEM III/B (66-80 % GGBS).

Undersökningar utförda 2003 Efter 17 år i bruk 9400 + NAP Meetplaats 3 Bovenbalk (splashzone) Meetplaats 1 (lichtbeton) Meetplaats 2 (grindbeton) Meetplaats 4 Pijler (noordzijde) NAP Chlorides [weight-% of cement] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Bridge element Beam Pier (Submerged) Pier (Tidal) 0,0 0 10 20 30 40 50 60 Depth [mm]

Betong med reducerad klimatpåverkan Riksbyggen Brf Viva Krav på begränsning av klimatpåverkan från (bland annat) betongkonstruktioner. Begränsning av klinkerandel och bindemedelhalter. Möjliggjordes med användning av GGBS & CEM II/A-LL. Ca 1.000 m 3 (platsgjuten) betong en besparing av ca 100 ton CO 2 (>40 %).

Hur kan klimatpåverkan minskas från betong? Den mest effektiva åtgärden är att begränsa mängden klinker i bindemedlet. I praktiken innebär detta att använda tillsatsmaterial i betong (t.ex. flygaska eller GGBS) kombinerat med att ha så höga vct som möjligt (med hänsyn till krav på hållfasthet och beständighet). Hur kan vi göra detta praktiskt? Inte föreskriva (onödigt) höga hållfasthetsklasser (dvs. höja vct). Inte föreskriva (onödigt) stränga exponeringsklasser (dvs. (höja vct). Undvika för hårda krav på uttorkning (dvs. höja vct). Utnyttja bilaga N i SS 137003 (dvs. mer tillsatsmaterial än vad som tillåts i Tabell 8).

Klimatpåverkan från betong exempel på effekt från tillsatsmaterial Klimatpåverkan Klimatpåverkan Superplasticerare, Ballast, Vatten, kross natur kranlösning Superplasticerare, Vatten, kran lösning Ballast, natur Ballast, kross Masugnsslagg Byggcement Byggcement C30/37 med Byggcement Totalt GWP=254 kg/m 3 betong 98 % av klimatpåverkan från cementet! C30/37 med Byggcement och GGBS Totalt GWP=139 kg/m 3 betong 90 % av klimatpåverkan från cementet!

Slutsatser Allmänt Minska klimatpåverkan och kostnader (lägre andel Portlandklinker). Internationellt finns lång och god erfarenhet av betong med tillsatsmaterial (och under senare år även svenska projekt) Tillsatsmaterial kan användas för att förändra betongens egenskaper över tiden Färskt tillstånd Bättre arbetbarhet. Längre öppethållande. Under hårdnande Minskad värmeutveckling Långsammare hållfasthetsutveckling Hårdnat tillstånd Jämförbar hållfasthet vid 28 dygn jämfört med CEM I betong. Minskad porositet Tätare hårdnad betong ( förbättrad beständighet vid inträngning av skadliga ämnen). Minskad mängd reaktiva ämnen (kalciumhydroxid) förbättrad beständighet vid kemisk attack. Frost beständigheten ett visst frågetecken.

För mer material och information se vårt kunskapscenter : http://c-lab.se/forskning-och-utveckling2/vart-kunskapscenter http://thomasbetong.se/vart-kunskapscenter

Frågor? Förslag? E-post: anders.lindvall@c-lab.se