Inverkan av alkali på uppmätt RH i betong

Inverkan av alkali på uppmätt RH i betong Hedenblad, Göran; Janz, Mårten 1994 Link to publication Citation for published version (APA): Hedenblad, G., & Janz, M. (1994). Inverkan av alkali på uppmätt RH i betong. (Rapport TVBM; Vol. 3057). Avd Byggnadsmaterial, Lunds tekniska högskola. General rights Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. You may not further distribute the material or use it for any profitmaking activity or commercial gain You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal Take down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. L UNDUNI VERS I TY PO Box117 22100L und +46462220000

""'... \~\ ~1,.,'1 LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA Byggnadsmaterial Inverkan av alkali på uppmätt RH i betong Göran Hedenblad Mårten Janz Rapport TVBM3057 Lund, 1994

CODEN: LUTVDG/(TVBM3057)1126/( 1994) Inverkan av alkali på uppmätt RH i betong Göran Hedenblad Mårten Janz Rapport TVBM3057 Lund, 1994

3 Innehållsförteckning 1. Förord 2. Inledning och sammanfattning 3. Teoretiskt samband mellan mättnadsrh och vbt 4. Samband mellan mättnadsrh och vbt baserat på data från porpressmng 5. Inverkan av alkali påjämviktsisotennen 6. Relativ fuktighet mätt över en artificiell porlösning 7. Alkalins inverkan på uttorkningstider 8. Referenser sida 4 5 6 9 13 17 19 21 BILAGOR: Bilaga 1 Osmotiska koefficienten, <pix för några olika omättade lösningar vid + 25 C. Se ekvation 1. 23 Bilaga 2 Innehåll av OH i porvätskan hos olika betonger och cementpastor. 25

5 2. Inledning och sammanfattning Innan en betongkonstruktion beläggs med fuktkänsliga material mäts relativa fuktigheten (RH) på ett bestämt djup i konstruktionen för att man skall kunna säkerställa att betongen har torkat i tillräcklig omfattning. Limmade golvbeläggningar läggs idag då RH i betongen antingen understiger gränsen 85% eller gränsen 90% (kritisk fuktnivå). Vilket värde som används beror på typ av golvbeläggning. Mätdjupet är normalt 20% av betongtjockleken vid 2 sidig uttorkning. RH på detta djup motsvarar i stort de RH som erhålls under en tät beläggning efter det att fukten omfördelats under beläggningen. Ovan angivna värden på kritisk fuktnivå är framtagna för konventionell betong. Mängden KOH och NaOH (alkali) i porvätskan i en betong påverkar uppmätt RH. Om mängden fukt i kg/m3 är densamma för två betongtyper, som frånsett alkaliinnehållet är lika, så är uppmätt RH högre för betongen med lägst alkaliinnehåll. Högpresterande betong, vilket avser betong med vattenbindemedelstal (vbt) understigande 0.40, kan innehålla betydligt mer alkali än normal betong. Detta innebär alltså att högpresterande betong vid samma RH som konventionell betong kan innehålla mer fukt. Denna fukt som har hög alkalihalt, så kallad "alkalisk fukt", kan bland annat orsaka förtvålning av mjukgöraren i PVCmattor med dålig lukt som följd. Alkaliteten är olika för olika typer av högpresterande betong. Här inverkar cementtyp och tillsatser av t ex silika. En konsekvens av att samma fuktinnehåll ger olika RH i betonger med olika alkalitet är att det inte existerar några generella så kallade kritiska relativa fuktigheter. Detta innebär också att det är tveksamt om man kan basera läggning av fuktkänsliga beläggningsmaterial på mätningar av RH. I varje fall bör kritiska värden på RH varieras med betongtyp och dess alkalitet. En konsekvens är då att så kallad högpresterande betong måste torka till lägre RH än konventionell betong. Detta förhållande har inte varit allmänt känt tidigare. En konsekvens av olika alkaliinnehåll i högpresterande betong kan vara att då uttorkningstider till en given kritisk fuktnivå (t ex till 85% RH) bestäms så får man längre uttorkningstider för betong med lägre alkaliinnehåll. En kritisk fuktnivå i relativ fuktighet är troligtvis inte ett korrekt mått, utan den kritiska fuktnivån bör vara olika för olika betongtyper.

7 De olika mängderna kan utryckas som m d =c V m =c b P p (ekv 4) (ekv 5) V volym porlösning [l/kg bindemedel] c koncentration av aktuell jon i porlösningen [mol/l] b bindnings faktor, 0.31 för Na+ och 0.20 för K + [l/kg bindemedel] p 1 vid fullständig hydratation av de produkter som binder alkalikatjoner Med vattnets densitet satt till 1 kg/l kan porlösningens volym kan skrivas som V = vbt P vatten Vb = vbt Vb (ekv 6) vbt vattenbindemedeltal [kg blandningsvatten/kg bindemedel] Pvatten densiteten för vatten = 1 [kg/l] V b volym bundet vatten [l/kg bindemedel] Genom att kombinera ekvation 3, 4,5 och 6 samt att lösa ut koncentrationen c fås funktionen, Taylor (1987): mr c== vbt Vb + b P (ekv 7) Vid fullständig hydratation under torkning i 11 % RH och normal rumstemperatur (20 C) blir V b = 0.316 l/kg bindemedel. (Vanligen definieras V b som det vatten som är kvar efter torkning vid 105 C och är då 0.25 l/kg cement). Med antagandet att betongen har hydratiserat fullständigt samt med ovanstående värden på V b' b och P insatta, kan ekvation 7 skrivas c mr [mol/llösning] KOR vbt 0.116 (ekv 8a) c mr [mol/llösning] NaOR vbt 0.006 (ekv 8b)

9 4. Samband mellan mättnadsrh och vbt baserat på data från porpressning Buroc Research har låtit porpressa cementpasta och betong med olika bindemedel som är äldre än 28 dygn, Sandberg (1993). Resultatet därav framgår av Tabell 1, se även Bilaga 2. Tabell l. Innehåll av OH i porvätskan [molll porvätska]. Sandberg (1993) vbt Slite Std Acem, 0% SF Acem, 5% SF [mol OHIl] [mol OHIl] [mol OHIl] 0.25 0.65 0.30 0.85 0.47 0.40 1.0 0.54 0.29 0.50 0.38 0.20 0.60 0.58 0.29 0.15 Acem: Degerhamn anläggningscement. 5% SF: 5% silikastoft räknat på cementvikten. Varje jon OH motsvarar antingen en jon K+ eller en jon Na+. Om förhållandet mellan K+ och Na+ är ~:1 kan molaliteten ma beräknas. ~ c. a ow ~+1 m KOH = 1( 56.1.103.~+40.103._1J c _ ~ + 1 ~ + 1 OH 1 c. ow ~+l m~aoh = ( ~ 1 J 1 56.1.103. + 40. 103. C _ ~ + 1 ~+ 1 OH (ekv 10a) (ekv lob) ma molalitet [mollkg lösningsmedel] cow koncentration av OH i porlösningen enligt Tabell 1 [mol/llösning]

Alkalihaltens RHsänkande effekt vid Qlika vbt samt får olika bindemedel 100 98 96 94 92 90..., ~ '' 88 ::c:,ex: ti) 't:i C':S... :E c. 86 84 :C':S ' 82 80 78 76 74 72 70...'.'.'.' 1......'...... 1. 10. :7:!.............~: " ::... ~ r:::': i. Ir / lo""' ~ ~ 1." \. & /' / / / Slite Std, teoretiskt. : / I 1/ II Slite Std, porpressat / Acement 0% SF, teoretiskt / if. Acement 0% SF, porpressat :. Acement 5% SF, porpressat : I J o 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 vbt Figur l. MättnadsRH som funktion av vbt för olika bindemedel. Figuren visar både teoretiskt beräknade resultat och resultat baserade på porpressning. I f f f

13 5. Inverkan av alkali på jämviktsisotermen I den modifierade absorptionsteorin enligt Hillerborg (1985) beräknas tjockleken hos det absorberade vattenskiktet. Om alla vätskeytor antas plana, kan det absorberade vatten skiktets tjocklek skrivas som (ekv 11) t det absorberade vattenskiktets tjocklek [nm] <P aktuellt RH <Pm mättnadsrh Genom att utgå från en uppmätt jämviktsisoterm (isotenn 1) för betong med alkali (material 1), kan man beräkna den inverkan KOH och NaOH har på RH. Tjockleken på det absorberade vattenskiktet som erhålls från isotenn 1 sätts lika med tjockleken på ett absorberat vattenskikt hos ett material utan alkali (material 2) men som i övrigt är identiskt med material l. Man erhåller då uttrycket (ekv 12) <PI <Pml avläst värde i isotermen mättnadsrh för betong med alkali vars porer ej är kapillärmättade. Alkalimängden förutsätts konstant oavsett kapillärmättnadsgrad. <Pml < 1 <P2 sökt värde som ger isotenn utan alkali <Pm2 mättnadsrh för betong utan alkali (<Pm2 = 1) <PI väljs från en isotenn och <Pml kan beräknas (se nedan). Detta innebär att vänsterledet i ekvation 12 kan sättas lika med en konstant K för varje valt värde på <PI. Det sökta värdet <P2 kan då lösas ut, varvid man erhåller en andragradsfunktion med följande utseende: ( _15_.K ~J.<P~ +(I+_2._K 15.K].<P2 K=O <Pm2 <Pm2 <Pm2 (ekv 13)

15 Fukthalten vid kapillärmättnad kan enligt Fagerlund (1982) beräknas som W~OO = C (vet 0.19a) (ekv 15) C vet a eementhalten [kg/m3] vatteneementtal hydratationsgraden Den aktuella fukthalten utläses ur jämviktsisotermen. I Figur 2 anges fukthalten som W ejc. We fås då som W = W eoo e C c (ekv 16) Med ekvation 15 och 16 insatta i ekvation 14 blir a m~ättad. (vet 0.19a) momättad = (ekv 17) Med a = 1 blir ma _ m~ättad. (vet 0.19) omättad W eoo (ekv 18) C Ekvation 18, Bilaga 1, isotermen (vbt 0.40) enligt Figur 2 och ekvation 2 ger <Pml' Med detta värde på <1>ml insatt i ekvation 13 blir jämviktsisotermen utan alkali som Figur 3 visar.

17 6. Relativ fuktighet mätt över en artificiell porl ösning För att kontrollera om värdena på mättnadsrh beräknade med sambanden i kapitel 3 och 4 stämmer med vad som verkligen mäts, har åtta artificiella porl ösning ar framställts. Porlösningarna var tänkta att motsvara åtta betonger med vbt 0.20, 0.37 och 0.40 tillverkade av Slite Std (vbt 0.20, 0.37 och 0.40), anläggningscement (vbt 0.20, 0.37 och 0.40) respektive anläggnings cement med S% silika (vbt 0.37 och 0.40). Med ekvation 9 och med kvantiteten alkalikatjon (11\) för K+ och Na+ satt till 0.28 mol/kg respektive 0.06 mollkg, beräknades molaliteten KOH och NaOH för de artificiella porlösningar som skulle motsvara Slite Std med vbt 0.20 respektive 0.37. På samma sätt men med 11\ för K+ och Na+ satt till 0.123 mol/kg respektive 0.0226 mollkg, beräknades molaliteten för den artificiella porlösning som skulle motsvara anläggningscement med vbt 0.20 respektive 0.37. För anläggningscement med S% si lika och vbt 0.37 beräknades molaliteten KOH och NaOH med ekvation 10. Koncentrationen OH avlästes ur Bilaga 2 till 0.32S mol/llösning. De artificiella porlösningarna med vbt 0.40 framställdes med de koncentratiner av KOH och NaOH som framgår av tabellen i Bilaga 2 samt av TabellS. Lösningarna placerades i isolerade glasburkar avsedda för RHkalibrering. Mätningen skedde med RHgivare av fabrikatet protimeter daggpunktsgivare i klimatrum med mycket små temperaturvariationer. Temperaturen i lösningarna var vid mättillfället 18.1 C. Resultaten framgår av Tabell 3, 4 och S. RHmätningarnas noggrannhet minskar då RH överskrider 9S96%.

19 7. Alkalins inverkan på uttorkningstider I rapport 1, Fagerlund m.fl. (1993A), snabbtorkande betong/byggfuktfri betong, redovisas uttorkningstider för betong med vbt 0.37 som vattenlagrat de första två månaderna och därefter torkat vid 18 C samt 60% RH. Resultaten har sammanställts i Figur 4 nedan. Dygn 100 ~~ 90 80 70 60 50 40 j 30 20 I I 10 O~~+~ Std O%SF Std 5%SF Acem 0% SF Acem 5% SF Figur 4. Uttorkningstid till 85% RH uppmätt på ett djup av 20% av plattjockleken vid 2sidig uttorkning aven 180 mm tjock platta av betong med vbt 0.37. Torkmiljön är 18 C och 60% RH. Uttorkningstiden räknas från det vattenlagringen avslutades. Fagerlund m.fl. (l 993A). Vid all RHmätning erhålls en viss spridning i mätt RH. Spridningen i RHmätningen ger även en spridning i uttorknings tid. I Figur 4 framgår denna spridning från "medelvärdet" (markerat med punkt). Av Figur 4 kan man utläsa att betong med Slite Std cement har kortast uttorkningstid. Betong med anläggningscement utan silika har ca 40% längre

21 8. Referenser ATLASSI, E: Influence of cement type on the desorption isotherm of mortar, Nordic Concrete Research, No. 10, 1991. CLAESSON, J: Theory of microcapillarity, Department of mathematical Physics, University of Lund, 1977. FAGERLUND, G: Kap. Fuktmekaniska egenskaper, Betonghandbok. Material, Svensk Byggtjänst, 1982. FAGERLUND, G; HEDENBLAD, G; JOHANSSON, B & NILSSON, B: Uttorkning av betong, rapport 1, Snabbtorkande betong/byggfuktfri betong, Datarapport, preliminär, Rapport TVBM7060, Avdelningen för Byggnadsmaterial, Lunds Tekniska Högskola, 1993A. FAGERLUND, G; HEDENBLAD, G; JOHANSSON, B & NILSSON, B: Uttorkning av betong, rapport 2, Konventionell betong, Datarapport, Rapport TVBM7065, Avdelningen för Byggnadsmaterial, Lunds Tekniska Högskola, 1993B. GREENSPAN, L: Humidity Fixed Points of Binary Saturated Aqueous Solutions, Journal of Research, Volume 8lA, No 1,1977. HEDENBLAD, G: Inverkan av salt på jämviktsisotermen, Rapport TVBM 3031, Avdelningen för Byggnadsmaterial, Lunds Tekniska Högskola, 1987. HILLERBORG, A: A modified absorption theory, Cement and Concrete Research, Volume 15, 1985. NILSSON, LO: Hygroscopic moisture in concrete Drying, measurements and related material properties, Report TVBM1003, Division of Building Materials, Lund Institute of Technology, 1980. PERSSON, B: Högpresterande betongs hydratation, struktur och hållfasthet Rådata och beräkningar, Rapport TVBM7011, Avdelningen för Byggnadsmaterial, Lunds Tekniska Högskola, 1992. PETERSON, O: Uppskattning av basiciteten hos portlandcementbetong, Intern rapport, Avdelningen för Byggnadsmaterial, Lunds Tekniska Högskola, 1987. ROBINSON & STOKE: Electrolyte Solutions, 3a: ch 2, 3b: Appendix 8.3 8.10, Butter worth, London, 1955. SANDBERG, P: Privat information, 1993. TA YLOR, H F W: A method for predicting alkali ion concentration in cement pore solutions, Advances in Cement Research, Vol. 1, No. 1, 1987. ÖHMAN, M: Löslig alkali i våra cement, CM rapport T8500l, Cementa AB, Slite, 1985.

Molalitet NaOH KOH KCI NaCI ma 0.1 0.925 0.934 0.927 0.932 0.2 0.925 0.936 0.913 0.925 0.3 0.929 0.938 0.906 0.922 0.4 0.933 0.944 0.902 0.920 0.5 0.937 0.953 0.899 0.921 0.6 0.941 0.962 0.898 0.923 0.7 0.945 0.972 0.897 0.926 0.8 0.949 0.983 0.897 0.929 0.9 0.953 0.993 0.897 0.932 1.0 0.958 1.003 0.897 0.936 1.2 0.969 1.026 0.899 0.943 1.4 0.980 1.051 0.901 0.951 1.6 0.991 1.076 0.904 0.962 1.8 1.002 1.100 0.908 0.972 2.0 1.015 1.125 0.912 0.983 2.5 1.054 1.183 0.924 1.013 3.0 1.094 1.248 0.937 1.045 3.5 1.139 1.317 0.950 1.080 4.0 1.195 1.387 0.965 1.116 4.5 1.255 1.459 0.980 1.153 5.0 1.314 1.524 1.192 5.5 1.374 1.594 1.231 6.0 1.434 1.661 1.271 MgCl 2 CaCl 2 0.861 0.854 0.877 0.862 0.895 0.876 0.919 0.894 0.947 0.917 0.976 0.940 1.004 0.963 1.036 0.988 1.071 1.017 1.108 1.046 1.184 1.107 1.264 1.171 1.347 1.237 1.434 1.305 1.523 1.376 1.762 1.568 2.010 1.779 2.264 1.981 2.521 2.182 2.783 2.383 3.048 2.574 2.743 2.891 Na 2 S0 2 0.793 0.753 0.725 0.705 0.690 0.678 0.667 0.658 0.650 0.642 0.631 0.625 0.621 0.620 0.621 0.635 0.661 0.696 0.740 K 2 S0 4 0.779 0.742 0.721 0.703 0.691 0.679 0.670 Bilaga 1 Osmotiska koefficienter <pa för omättade lösningar vid +25 C. Robinson & Stoke (1955) N W

Bilaga 2 Sandberg (1993) Pore pressing data on (OH) in unexposed pastes and eoneretes >28d, Euroc Research/Palle&Johan I...... (J) Cl) O E E J: O 1200 1000 800 600 400 200 o 0.2 I! ;..!..... t.......... I I' i!!! I I I i! i I i I i I.. i!. I...!...... r...... j... 1........! i!! I I!! paste Anl O%SF o concrete Anl O%SF paste Anl 5%SF o concrete Anl 5%SF paste Anl 10%SF Å fl paste S lite Do/oS F concrete Slite O%SF.....1.....1.... ~... 1... Slite Std OO/oSF.... l! l i i I.....!............. t....................!! I Anläggning O%SF * : _,i i i O I... 1..... 1.... ::::... :: i l... ~.;.:......l... 1....... I I tt I l, f! Anläggning S%SF 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 v b t

eu~oc RESERRCH JQtfb Resultat, forts... 26 Bilaga 2 Sandberg (1993) Analys av porvatten pressat efter 5 m~nader. Tillsats ICPanalys Titrering Prov Silika Flygaska [K] [Na] % % mm mm [OH] mm Summma laddning Anl 0.4 O O 445 42 Anl 0.4 5 O 255 34 Anl 0.4 5 10 264 50 Dansk 0.4 O O 156 212 Dansk 0.4 5 O 87 142 Dansk 0.4 5 10 87 116 Slite 0.4 O O 151 J22 ~2 5 286 3 281 15 350 18 231 2 194 9 ~bo 1~ Slite 19921104 EUROC RESEARCH AB.,. 'il' ~ /' ~ ~.. Johan Larsson /.. (".? '/(!} t:../ (: '~ Gustavering