MinBaS Område 2 Rapport nr 2:14 Mineral Ballast Sten

MinBaS Område 2 Rapport nr 2:14 Mineral Ballast Sten MinBaS projekt nr 2,2 Framtida betong Delprojekt 2,23 Utnyttjande av alternativa typer av ballast i betong Krossad ballast i betong Tvättning och tillsatsmaterial Delrapport 3 i pågående arbete Mikael Westerholm, Cement och Betong Institutet Stockholm maj 25

2 (29) Krossad ballast i betong Tvättning och tillsatsmaterial Mikael Westerholm, Cement och Betong Institutet Stockholm maj 25 2

3 (29) 1. Bakgrund... 4 2. Experimentell del... 5 2.1 Metoder... 5 2.1.1 Mikrobruksreologi... 5 2.1.2 Bruksreologi... 6 2.1.3 Tvättning... 7 3. Material... 8 3.1 Cement... 8 3.2 Ballast... 8 3.3 Tillsatsmaterial... 8 3.4 Tillsatsmedel... 9 4. Resultat... 9 4.1 Inverkan av tvättning... 9 4.1.1 Ballastens egenskaper... 9 4.1.2 Bruks reologiska egenskaper... 9 4.1.3 Mikrobruks reologiska egenskaper... 9 4.2 Inverkan av tillsatsmaterial... 9 4.2.1 Ballastmaterial K1... 9 4.2.2 Ballastmaterial K2... 9 4.2.3 Ballastmaterial K4... 9 5. Slutsatser... 9 3

4 (29) 1. Bakgrund Denna rapport har utförts inom ramen för MinBas projektet 2,2 Framtida betong. Projektets mål är att kunskapsnivån skall höjas så att alternativa ballastmaterial efter anpassning skall kunna användas på ett effektivt sätt i betong. Mer konkret innebär målen att: 1. Betongtillverkare skall ges hjälpmedel att tillverka en kostnadseffektiv betong med fullgoda egenskaper både i det färska och hårdnade tillståndet. 2. Ballastleverantörer skall få kunskap i hur lämplig sand med alternativa material skall tas fram och ges verktyg för att kunna leverera en kvalitetssäkrad produkt. 3. Kriterier och provningsmetoder för en kvalitetssäkrad produkt baserad på krossat berg skall etableras. I denna delstudie har olika åtgärder vidtagits i syfte att förbättra -2 mm ballastens egenskaper i bruk. De åtgärder som vidtagits är tvättning av ballasten samt inblandning av olika typer av tillsatsmaterial. Inverkan av dessa förändringar har sedan studerats i bruk med respektive utan flytmedel. Vidare har inverkan av tvättningen på ballastens finmaterial, <,25 mm, studerats i mikrobruk. Finmaterialets kornstorleksfördelning och specifika yta har även analyserats före respektive efter tvättningen. 4

5 (29) 2. Experimentell del 2.1 Metoder 2.1.1 Mikrobruksreologi De reologiska mätningarna på mikrobruk utfördes med en viskometer, HAAKE CV2. Mätsystemet består av koncentriska cylindrar med spaltbredden 2,58 mm där den inre cylindern har räfflats för att undvika s.k. väggsläpp som kan uppstå om cylinderytorna är för släta. Räfflorna är,5 mm djupa och,5 mm breda. Principen för reologimätningarna är att mikrobruket skjuvas i en spalt mellan de koncentriska cylindrarna. Skjuvspänningen, τ [Pa], registreras vid olika skjuvhastigheter, γ& [s -1 ], och ett samband fås mellan dessa storheter. Repeterbarheten för den här använda metodiken bygger bl. a. på att mikrobruket blandas och skjuvas enligt samma förfarande varje gång. Detta gäller även det segment som utvärderas, naturligtvis under förutsättning att mikrobruket inte separerar under provningen. Det sätt som mikrobruket skjuvas på under en mätning framgår av Figur 1. Skjuvhastighet [1/s] 5 Segment av 3:e ner-kurvan som utvärderas enligt Binghams vätskemodell 4 3 15 5 2 1. 1. 2. 3. Tid [minuter] Figur 1 Principen för hur mikrobruket skjuvas vid mätning. De registrerade mätvärdena utvärderas i ett segment mellan 5 och 15 s -1 av 3:e nerkurvan enligt Binghams vätskemodell, se Figur 1. Principerna för Bingham modellen beskrivs I Figur 2 där det framgår att flytbeteendet kan beskrivas med två parametrar nämligen flytgränsspänning, τ, och plastisk viskositet, µ pl. Flytgränsspänningen är den spänning i materialet som måste överskridas innan det kan börja flyta. När materialet väl börjat flyta beskriver den plastiska viskositeten hur det flyter. Binghams vätskemodell är enkel, men allmänt accepterad för att beskriva cementbaserade partikelsuspensioners reologi. 5

6 (29) Skjuvspänning τ Regression på uppmätta värden τ 1 µ pl γ Skjuvhastighet Figur 2 Binghams vätskemodell. 2.1.2 Bruksreologi Brukens reologiska egenskaper karakteriserades med en ConTec 4 viskometer. Mätsystemet består av koncentriska cylindrar med diametrarna 87,5 mm och 65 mm för ytter respektive innercylindern. Viskometern fungerar enligt samma princip som Haaken, dvs. provet skjuvas i en spalt mellan ytter respektive innercylindern samtidigt som den genererade skjuvspänningen registreras. Den skjuvsekvens som använts består av en upp och en nerkurva, se Figur 3. Vid utvärderingen används de registrerade mätvärdena i nerkurvan, vilka utvärderas enligt Binghams vätskemodell, se Figur 2. Hastighet [varv/s].5.45.4.35.3.25.2.15.1.5 Data loggas Transient intervall Nerkurva Segregations punkt 1 2 3 4 5 6 Tid [s] Figur 3 Princip för hur bruket skjuvas vid mätning. 6

7 (29) 2.1.3 Tvättning Ballastmaterialen tvättades genom att slammas upp i vatten under omrörning med en handhållen omrörare, se Figur 4. Därefter tilläts ballastmaterialet sedimentera i 3 sekunder, varvid de grövre kornen sjunker och det mest finkorniga materialet hålls svävande i vattenfasen. Efter sedimentationsfasen dekanterades vattenfasen med finmaterialet av. Denna procedur utfördes två gånger i syfte att öka tvättningsgraden. Omrörning Sedimentation, 3 s Dekantera Figur 4 Tvättningsprocessen: I första steget slammas ballastmaterialet upp i vatten, därefter tillåts de grövre kornen sedimentera varefter vattenfasen innehållande det mest finkorniga materialet dekanteras av. Proceduren utförs två gånger. Efter tvättningen torkades ballastmaterialet i värmeskåp (15 C). Därefter fastställdes kornstorleksfördelningen och den specifika ytan hos det tvättade finmaterialet<,25 mm. Analyser utfördes av Cementa Research. Kornstorleksfördelningen hos hela -2 mm materialet fastställdes genom mekanisk siktning. 7

8 (29) 3. Material 3.1 Cement Ett porlandkalkstencement, CEM II/A-L 42,5 R, användes vid försöken. Cementet levereras av Cementa AB under varumärket Byggcement. 3.2 Ballast I undersökningen ingick fem olika ballastmaterial i fraktionen -2 mm där fyra var krossprodukter och en var naturballast. De olika ballastmaterialen samt deras siktkurvor och finmaterialets (<,25 mm) specifika yta framgår av Tabell 1 respektive Figur 5. Tabell 1 Använda ballastmaterial samt finmaterialets (<,25 mm) specifika yta. Ballastmaterial (-2 mm) Typ Specifik yta [m 2 /kg] Natur 265 K1 Kross 976 K2 Kross 28 K4 Kross 249 K8 Kross 414 1 9 8 7 K1 K2 K4 K8 6 5 4 3 2 1.1.1 1 1 Storlek [mm] Figur 5 Ballastmaterialens ursprungliga siktkurvor. 3.3 Tillsatsmaterial Vid försöken användes nio olika tillsatsmaterial som levererats av Askania, Nordkalk AB, Omya AB, SMA Karbonater AB och SSAB Merox AB. I Tabell 2 redovisas de olika typerna av tillsatsmaterial som använts samt deras karakteristiska data. I Figur 6 visas siktkurvorna för de mer grovkorniga tillsatsmaterialen. 8

9 (29) Tabell 2 Typ av tillsatsmaterial, deras korngränser, D 5 - värde samt specifika yta. Tillsatsmaterial Typ Korngränser D 5 [µm] Specifik yta, BET (Blaine), [m2/kg] T1 Kristallint -,125 15 - (47) kalkstensmjöl T2 Sedimentärt,2-1 - - (-) kalkstensmjöl T3 Sedimentärt -,2 18 175 (57) kalkstensmjöl T4 Kristallint -,5 38 12 (33) kalkstensmjöl T5 Luftkyld - 3 - - (-) masugnsslagg T6 Snabbkyld -,63 65 % < 18 µm - (488) masugnsslagg T7 Dolomit,2-1 - - (-) T8 Dolomit 1-2 - - (-) T9 Kvartsitsand,125-,5 - - (-) T1 Kristallint -,25 39 989 (-) kalkstensmjöl T11 Kristallint kalkstensmjöl -,25 55 175 (-) 1 8 6 4 T2 T5 T7 T8 T9 2.1.1 1 1 Storlek [mm] Figur 6 Siktkurvor för de mer grovkorniga tillsatsmaterialen. 3.4 Tillsatsmedel Flytmedlet 92 M användes i de försök där flytmedel ingick. 92 M är ett vattenreducerande flytmedel baserat på modifierat melaminformaldehydkondensat. Flytmedlet saluförs av Sika Sverige AB. 9

1 (29) 4. Resultat 4.1 Inverkan av tvättning I detta avsnitt redovisas inverkan av tvättningsprocessen på ballastmaterialets kornstorleksfördelning och specifika yta. Vidare redovisas inverkan av det tvättade ballastmaterialet på mikrobrukets och brukets reologiska egenskaper. 4.1.1 Ballastens egenskaper Figur 7 visar kornstorleksfördelningen hos ballastmaterialen före respektive efter tvättning. Av figuren framgår att tvättningen främst minskar mängden finmaterial under,125 mm. Detta betyder att för ballastmaterial med en stor andel finmaterial mindre än,25 mm, som t.ex. K1, är siktning att föredra då totalmängden inte påverkas nämnvärt vid tvättningen. För ballastmaterial med en något förhöjd andel finmaterial med en stor specifik yta, som t.ex. K4 och K8, kan tvättning sannolikt ge goda resultat. 1 1 9 8 K1 K1 tvättad 9 8 K2 K2 tvättad 7 7 6 5 4 6 5 4 3 3 2 2 1 1.1.1 Storlek [mm] 1 1.1.1 Storlek [mm] 1 1 1 1 9 8 K4 K4 tvättad 9 8 K8 7 7 K8 tvättad 6 5 4 6 5 4 3 3 2 2 1 1.1.1 Storlek [mm] 1 1.1.1 Storlek [mm] 1 1 Figur 7 Inverkan av tvättning på -2 ballastens kornstorleksfördelning. Figur 8 visar hur finmaterialets, <,25 mm, kornstorleksfördelning förändrades av tvättningen. Av figuren framgår att tvättningen effektivt har avlägsnat kornen under 1 µm från samtliga ballastmaterial. Ballastens finaste material ökar dock betongens vattenhållande förmåga varför en hårt tvättad ballast kan ge upphov till vattenseparation. Det kan därför vara en fördel att styra tvättprocessen så att inte allt finmaterial under 1 µm avlägsnas. 1

11 (29) 1 1 9 9 8 K1 K1 tvättat 8 K2 K2 tvättat 7 7 6 5 4 6 5 4 3 3 2 2 1 1 1 1 1 1 Storlek [µm] 1 1 1 1 Storlek [µm] 1 1 9 9 8 7 K4 K4 tvättat 8 7 K8 K8 tvättat 6 5 4 6 5 4 3 3 2 2 1 1 1 1 Storlek [µm] 1 1 1 1 Storlek [µm] 1 1 Figur 8 Inverkan av tvättning på kornstorleksfördelningen hos ballastens finmaterial<,25 mm. Tabell 3 visar tvättningens inverkan på finmaterialets specifika ytarea. Den specifika ytarean hos K4 och K8 minskade med 67 % respektive 68 % medan minskning för K2 och K1 var 35 % respektive 45 %. Den mindre ytan efter tvättning beror huvudsakligen på att allt material under 1 µm tvättats bort. Observera dock att K2 och K8 har en relativt stor yta trots att det finaste materialets tvättats bort. Den stora ytan indikerar att de grövre kornens yta kan vara relativt rå. Tabell 3 Specifik yta hos ballastens finmaterial, <,25 mm, före respektive efter tvättning. Ballast (-,25 mm) K1 K2 K4 K8 Specifik yta, före 265 976 28 249 414 tvättning [m 2 /kg] Specifik yta efter tvättning [m 2 /kg] - 532 181 828 133 4.1.2 Bruks reologiska egenskaper De olika ballastmaterialens egenskaper i bruk utvärderades i en viskometer anpassad för bruk med d max ~2 mm. Receptet som användes framgår av Tabell 4. Tabell 4 Recept som användes vid provningarna av ballast i bruk. Delmaterial Mängder [g/l] Byggcement 635 Ballast, -2 mm 1148 Vatten 362 11

12 (29) Flytmedel, 92M -,96* * torrsubstans Tvättningen resulterade i att flytgränsspäningen hos bruken med -2 mm ballast från K2, K4 och K8 sjönk till ungefär samma nivå som för bruket med (naturballast), se Figur 9. Viskositeten hos nämnda bruk ökade något efter tvättningen, vilket kan bero på ett litet underskott av finmaterial. Bruket med tvättad ballast från K1 uppvisade både hög flytgränsspänning och plastisk viskositet. Resultatet beror på att K1 trots tvättningen innehöll en betydande andel (cirka 45 %) material under,25 mm, se Figur 7. Resultaten indikerar därmed att tvättning inte förefaller vara en bra förbättringsåtgärd för ballastmaterial, -2 mm fraktionen, med en mycket stor andel finmaterial. 5 K1 tvättad K2 K2 tvättad 4 K4 K4 tvättad K8 K8 tvättad 3 2 1 5 1 15 2 Figur 9 Inverkan av tvättad ballast på brukets reologiska egenskaper. Fyllda symboler avser bruk med otvättad ballast och ofyllda symboler avser bruk med tvättad ballast. I Figur 1 visas inverkan av tvättad ballast i bruk med flytmedelstillsats. Resultaten visar att skillnaden mellan bruket med ballast från och de med tvättat ballastmaterial från K2, K4 och K8 minskar ytterligare vid flytmedelstillsats. Bruket med tvättad ballast från K1 uppvisar fortfarande hög flytgränsspänning och plastisk viskositet vid den aktuella doseringen. 12

13 (29) 5 4 3 2 1 + 92M (,149 %) K1 tvättad K2 tvättad K4 tvättad K8 tvättad K1 tvättad+ 92M (,151 %) K2 tvättad+ 92M (,136 %) K4 tvättad+ 92M (,14 %) K8 tvättad+ 92M (,136 %) 5 1 15 2 Figur 1 Inverkan av flytmedel på de reologiska egenskaperna hos bruk med tvättad ballast. Fyllda symboler avser bruk med flytmedel och ofyllda symboler avser bruk utan flytmedel. 4.1.3 Mikrobruks reologiska egenskaper Inverkan av tvättningen på finmaterialets egenskaper i mikrobruk undersöktes med en viskometer anpassad till mikrobruk med d max,25 mm. Receptet som användes redovisas i Tabell 5. Tabell 5 Recept som användes vid provning av finmaterial i mikrobruk. Delmaterial Mängder [g/l] Byggcement 828,3 Ballast, -,25 mm 69,9 Vatten 472 Tvättningen hade en mycket stor inverkan på finmaterialets funktion i mikrobruk, se Figur 11. Mikrobruken med tvättat finmaterial från K2, K4 och K8 uppvisade både lägre flytgränsspänning och plastisk viskositet än mikrobruket med finmaterial från (naturballast). Vilket kan härledas till reduktionen av de finaste kornen och minskningen av specifik ytan vid tvättningen. Tvättningen hade minst effekt på finmaterialet från K1, vilket kan bero på att det hade en förhållandevis liten specifik yta redan innan tvättningen. 13

14 (29) 7 6 K2 tvättat K2 K4 5 4 3 2 K4 tvättat K1 tvättat K1 K8 tvättat 1.5 1 1.5 2 2.5 3 Figur 11 Inverkan av tvättat och otvättat finmaterial på mikrobrukets reologiska egenskaper. 4.2 Inverkan av tillsatsmaterial I detta avsnitt redovisas resultat från försök där olika tillsatsmaterial använts för att delvis ersätta -2 ballasten. Försöken syftade till att förbättra brukets reologiska egenskaper genom anpassning av ballastkurvan genom tillsats av ett eller flera tillsatsmaterial. När flera tillsatsmaterial kombinerades blandades grovkorniga med finkorniga i syfte att erhålla en någotsånär kontinuerlig kornstorleksfördelning. De ballastmaterial som studerades var K1, K2 och K4. Resultaten redovisas i ett separat avsnitt för varje ballastmaterial. 4.2.1 Ballastmaterial K1 Resultaten från föregående avsnitt visade att K1 innehåller ett stort överskott på finmaterial, <,25 mm, samt att den tvättning som utförts inte ger en tillfredställande förbättring av brukets reologiska egenskaper. Därför siktades finmaterialet bort och ersattes med ett eller en kombination av tillsatsmaterial i de följande försöken. Vidare gjordes en serie försök där K1:s egna finmaterial återfördes, men i en mindre mängd, för att undersöka dess egenskaper jämfört med tillsatsmaterialens. De tillsatsmaterial som användes i kombination med detta ballastmaterial var: T3, T4, T2 samt T5 och T6. 4.2.1.1 Bruk med tillsatsmaterial T2, T3 och T4 I Figur 12 visas siktkurvorna för de kombinationer av tillsatsmaterialen T3, T4, T2 och K1 (,25-2 mm) som utvärderades. Inverkan av dessa kombinationer på brukets reologiska egenskaper ses i Figur 13. Av resultaten framgår att bruket med enbart,25-2 mm fraktionen av K1 ger samma flytgränsspänning men flera gånger högre viskositet än bruket med -2 mm ballast från. När tillsatsmaterialen tillförs sjunker viskositeten samtidigt som flytgränsspänningen ökar något. Den lägre viskositeten kommer sannolikt av att partikelinterferensen mellan de grövre ballastkornen minskar och den högre flytgränsspänningen av att totala ytan ökar vid tillsatsen. Tillsatsmaterialen bidrar även till brukets stabilitet och motstånd mot vattenseparation. Totalt sett ger dessa åtgärder en 14

15 (29) avsevärd förbättring av brukets egenskaper. Vidare indikerar resultaten att det går att nå likvärdiga resultat genom tillsats av enbart T4 som kombinationer av T2 och T3 eller T4. 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 K1 K1,25-2 mm K1.25-2 mm+ 6 vol.- % T4/ 3 vol.- % T2 K1,25-2 mm+ 6 vol.- % T3/ 3 vol.- % T2 K1.25-2 mm+ 13 vol.- % T4.1.1 1 1 Sikt [mm] Figur 12 Siktkurvor för olika kombinationer av ballast och tillsatsmaterial. 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 K1 tvättad K1,25-2 mm K1,25-2 mm+ 6 vol.- % T4/ 3 vol.- % T2 K1,25-2 mm+ 6 vol.- % T3/ 3 vol.- % T2 K1,25-2 mm+ 13 vol.- % T4 5 1 15 2 Figur 13 Inverkan av olika kombinationer av tillsatsmaterialen T2, T3, T4 och ballasten på brukets reologiska egenskaper. I Figur 14 visas hur egenskaperna hos ovanstående bruk förändras vid tillsats av flytmedlet 92M. Resultaten visar att bruken med olika tillsatsmaterial erhåller samma flytgränsspänning som bruket med ballast, men att viskositeten förblir högre. I figuren visas även resultat från bruk med tvättad ballast i kombination med flytmedel. Resultaten visar att tvättningen ger mindre effekt än siktning och tillförsel av ett tillsatsmaterial. 15

16 (29) 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 + 92M (.149 %) K1 tvättad K1 tvättad+ 92M (,151 %) K1,25-2 mm+ 92M (,143 %) K1,25-2 mm+ 6 vol.- % T3/ 3 vol.- % T2+ 92M (,14 %) K1,25-2 mm+ 6 vol.- % T4/ 3 vol.- % T2+ 92M (,143 %) K1,25-2 mm+ 13 vol.- % T4+ 92M (,138 %) 5 1 15 2 Figur 14 Inverkan av olika kombinationer av tillsatsmaterialen T2, T3, T4 och ballasten på brukets reologiska egenskaper. Bruken innehåller flytmedlet 92 M. 4.2.1.2 Bruk med tillsatsmaterial T5 och T6 Siktkurvorna för de kombinationer av T5, T6 och,25-2 mm fraktionen av K1 som utvärderades i bruk framgår av Figur 15. T5 och T6 är produkter av masugnslagg. Liksom vid försöken ovan utvärderades bruken både med och utan flytmedelstillsats. Resultaten från provningarna utan flytmedel visar att även genom att tillföra T5 eller T5 i kombination med T6 sjunker viskositeten jämfört med bruket innehållande,25-2 mm fraktionen av K1. Samtidigt ökar flytgränsspänningen något pga. det större vattenbehovet som uppstår vid tillsatsen av tillsatsmaterialen. Men totalt sett förbättrar åtgärderna brukets egenskaper. 1 9 8 7 K1 K1,25-2 mm K1.25-2 mm+ 36 vol.- % T5 K1.25-2 mm+ 1 vol.- % T5/ 6 vol.- % T6 6 5 4 3 2 1.1.1 1 1 Storlek [mm] Figur 15 Siktkurvor för olika kombinationer av tillsatsmaterial och ballast. 16

17 (29) 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 K1 tvättad K1,25-2 mm K1,25-2 mm+ 36 vol.- % T5 K1,25-2 mm+ 1 vol.- % T5/ 6 vol.- % T6 2.5 5 7.5 1 12.5 15 17.5 Figur 16 Inverkan av olika kombinationer av tillsatsmaterialen T5, T6 och ballasten på brukets reologiska egenskaper. Vid tillsats av flytmedlet 92M minskar såväl flytgränsspänningen som den plastiska viskositeten, se Figur 17. Både med och utan tillsatsmaterial uppvisar bruken ungefär samma flytgränsspänning som bruket med ballast från. Det är dock stora skillnader i viskositet mellan bruken med tillsatsmaterial och det utan. 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 + 92M (,149 %) K1 tvättad K1 tvättad+ 92M (,151 %) K1,25-2 mm+ 92M (,143 %) K1,25-2 mm+ 36 vol.- % T5+ 92M (,158 %) K1,25-2 mm+ 1 vol.- % T5/ 6 vol.- % T6+ 92M (,151 %) 5 1 15 2 Figur 17 Inverkan av olika kombinationer av tillsatsmaterialen T5, T6 och ballasten på brukets reologiska egenskaper. Bruken innehåller flytmedlet 92M. 4.2.1.3 Bruk med K1:s egna finmaterial Försök utfördes även med K1:s egna finmaterial som tillsatsmaterial. Två olika mängder finmaterial tillfördes, 14 respektive 2 vol.- %,,25-2 mm fraktionen av ballasten, se Figur 17

18 (29) 18. Resultaten från provningarna på bruk utan flytmedel visas i Figur 19. Resultaten visar att vid 14 % respektive 2 % innehåll av det egna finmaterialet erhålls en kraftig förbättring av egenskaperna jämfört med bruket innehållande tvättad ballast. Viskositet minskar även något vid tillsatsen jämfört med bruket utan finmaterial, dvs. K1,25-2 mm, samtidigt som flytgränsspänningen ökar. Ökningen i flytgränsspänning är tydligast för bruket med 2 % finmaterial (K1 -,25 mm). Totalt sett förbättras dock brukets egenskaper. Vid tillsats av flytmedel förbättras egenskaperna ytterligare och flytgränsspänningen för bruket med 14 % finmaterial hamnar i nivå med bruket innehållande ballast, se Figur 2. Men liksom vid de andra kombinationerna av tillsatsmaterial förblir viskositeten högre än för bruket med. 1 9 8 7 K1 K1,25-2 mm K1.25-2 mm+ 14 vol.- % K1 -,25 K1.25-2 mm+ 2 vol.- % K1 -,25 6 5 4 3 2 1.1.1 1 1 Storlek [mm] Figur 18 Siktkurvor för olika blandningar av,25-2 mm och -,25 mm fraktionen av K1. 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 K1 tvättad K1,25-2 mm K1,25-2 mm+ 14 vol.- % K1 -,25 mm K1,25-2 mm+ 2 vol.- % K1 -,25 mm 5 1 15 2 Figur 19 Inverkan av olika kombinationer av K1:s egna finmaterial och,25-2 mm fraktionen på brukets reologiska egenskaper. K1 -,25 mm avser finmaterialet från otvättad K1. 18

19 (29) 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 + 92M (,149 %) K1 tvättad K1 tvättat+ 92M (,151 %) K1,25-2 mm+ 92M (,143 %) K1,25-2 mm+ 14 vol.- % K1 -,25 mm+ 92M (,145 %) K1,25-2 mm+ 2 vol.- % K1 -,25 mm+ 92M (,136 %) 5 1 15 2 Figur 2 Inverkan av olika kombinationer av ballastens egna finmaterial och,25-2 mm fraktionen på brukets reologiska egenskaper. Bruken innehåller flytmedlet 92 M. K1 -,25 mm avser finmaterialet från otvättad K1. 4.2.1.4 Jämförelse av de olika tillsatsmaterialen Nedan redovisas de kombinationer av tillsatsmaterial, inklusive K1:s egna finmaterial, som gav bruk med reologiska egenskaper närmast de för bruket med ballast. I Figur 21 visas siktkurvorna för de olika kombinationerna. Resultaten från mätningarna på bruk visar på små skillnader mellan de olika kombinationerna av tillsatsmaterial och ballastens egna finmaterial, se Figur 22. Den högre viskositeten som kunde iakttas för samtliga bruk är sannolikt ett resultat av den ogynnsamma kornformen i,25-2 mm fraktionen. Vidare visar resultaten att den huvudsakliga orsaken till det stora vattenbehovet, eg. den höga flytgränsspänningen, hos bruk med -2 ballast från K1 kan härledas till överskottet på finmaterial. Därför är även denna metod, bortsiktning av finmaterial plus tillförsel av ett tillsatsmaterial, att föredra framför tvättning som inte förmådde förbättra egenskaperna i önskad omfattning. Med tillsatsmaterial avses i detta fall även K1:s egna finmaterial. 19

2 (29) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 K1 K1,25-2 mm K1.25-2 mm+ 6 vol.- % T4/ 3 vol.- % T2 K1.25-2 mm+ 36 vol.- % T5 K1.25-2 mm+ 14 vol.- % K1 -.25 mm.1.1 1 1 Sikt [mm] Figur 21 Siktkurvor för olika kombinationer av tillsatsmaterial och,25-2 mm fraktionen av K1. 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 + 92M (,149 %) K1 tvättad K1 tvättat+ 92M (,151 %) K1,25-2 mm+ 92M (,143 %) K1,25-2 mm+ 6 vol.- % T4/ 3 vol.- % T2+ 92M (,143 %) K1,25-2 mm+ 36 vol.- % T5+ 92M (,158 %) K1,25-2 mm+ 14 vol.- % K1 -,25 mm+ 92M (,145 %) 5 1 15 2 Plastisk viskositet [Pas] Figur 22 Inverkan av olika kombinationer tillsatsmaterial och ballasten på brukets reologiska egenskaper. 4.2.2 Ballastmaterial K2 4.2.2.1 Bruk med tillsatsmaterialen T1, T2 och T7 Även i försöken med ballastmaterialet från K2 användes,25-2 mm fraktionen tillsammans med olika kombinationer av tillsatsmaterial. De tillsatsmaterial som användes var T1, T2, T7, 2

21 (29) T1 och T11. I Figur 23 och Figur 24 visas siktkurvorna för de kombinationer av tillsatsmaterial och ballast som studerades. 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 K2 K2 tvättad K2.25-2 mm K2.25-2 mm+ 7.7 vol.- % T1 K2.25-2 mm+ 6.2 vol.- % T1/ 26.9 vol.- % T2 K2.25-2 mm+ 6.2 vol.- % T1/ 26.9 vol.-% T7.1.1 1 1 Storlek [mm] Figur 23 Siktkurvor för olika kombinationer av tillsatsmaterialen T1, T2, T7 och ballastmaterial K2. 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 K2 K2,25-2 mm K2.25-2 mm+ 8 vol.- % T1 K2.25-2 mm+ 13 vol.- % T1 K2.25-2 mm+ 8 vol.- % T11 K2.25-2 mm+ 13 vol.- % T11.1.1 1 1 Storlek [mm] Figur 24 Siktkurvor för olika kombinationer av tillsatsmaterialen T1, T11 och ballastmaterial K2. I Figur 25 visas resultat från mätningar på bruk med olika kombinationer av K2 och tillsatsmaterial T1, T2 och T7. Resultaten visar att flytgränsspänningen minskar betydligt vid samtliga åtgärder, men att viskositetsförändringen är liten. Av bruken med kombinationerna T1/T2 respektive T1/T7 ger den sistnämnda kombinationen både lägre flytgränsspänning och 21

22 (29) plastisk viskositet. Enbart tillsats av tillsatsmaterialet T1 visade sig ge likvärdiga egenskaper som bruket innehållande både T1 och T7. Bruken utvärderades även med flytmedelstillsats, se Figur 26. Vid tillsatsen av flytmedel minskar både flytgränsspänningen och viskositeten, men viskositeten förblir högre än för bruket med naturballast (). 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 K2 K2 tvättad K2,25-2 mm K2,25-2 mm+ 7,7 vol.- % T1 K2,25-2 mm+ 6,2 vol.- % T1/ 26,9 vol.- % T2 K2,25-2 mm+ 6,2 vol.- % T1/26,9 vol.- % T7 5 1 15 2 Plastisk viskositet Figur 25 Inverkan av olika tillsatsmaterial på de reologiska egenskaperna hos bruk med K2 ballast. 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 + 92M (.149 %) K2+ 92 M (.143 %) K2 tvättad+ 92M (.136 %) K2.25-2 mm+ 92M (.152 %) K2,25-2 mm+ 7,7 vol.- % T1+ 92 M (.149 %) K2,25-2 mm+ 6,2 vol.- %T1/ 26,9 vol.- % T2+ 92M (.151 %) K2,25-2 mm+ 6,2 vol.- % T1/26,9 vol.- % T7+ 92M (.143 %) 5 1 15 2 Plastisk viskositet Figur 26 Inverkan av olika tillsatsmaterial på de reologiska egenskaperna hos bruk med K2 ballast. Bruken innehöll flytmedel. Inverkan av olika volymandelar av tillsatsmaterialen T1 och T11 på brukets reologiska egenskaper redovisas i Figur 27 och Figur 28. Den största förändringen ses i brukens 22

23 (29) flytgränsspänning medan viskositeten förblir ungefär densamma i bruken utan flytmedel. Vid dosering av flytmedel minskar även viskositeten jämfört med bruket innehållande K2 ballast utan flytmedel. Resultaten visar att de två tillsatsmaterialen ger bruken likvärdiga egenskaper vid samma tillsatsmängd, dvs. skillnaderna i tillsatsmaterialens specifika yta och kornstorleksfördelning är så små att de inte har någon större inverkan på brukens reologiska egenskaper. När volymandelen tillsatsmaterial ändrades från 8 till 13 vol.- % ökade flytgränsspänning något medan viskositeten sjönk. 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 K2 K2 tvättad K2,25-2 mm K2.25-2 mm+ 8 vol.- % T1 K2.25-2 mm+ 13 vol.-% T1 K2.25-2 mm+ 8 vol.- % T11 K2.25-2 mm+ 13 vol.- % T11 5 1 15 2 Plastisk viskositet Figur 27 Inverkan av olika tillsatsmaterial på de reologiska egenskaperna hos bruk med K2 ballast. 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 (.149 %) K2 K2 tvättad (.136 %) K2,25-2 mm (.152 %) K2.25-2 mm+ 8 vol.- % T1 (.145 %) K2.25-2 mm+ 13 vol.-% T1 (.149 %) K2.25-2 mm+ 8 vol.- % K11 (.138 %) K2.25-2 mm+ 13 vol.- % T11 (.141 %) 5 1 15 2 Plastisk viskositet Figur 28 Inverkan av olika tillsatsmaterial på de reologiska egenskaperna hos bruk med K2 ballast. Bruken innehöll flytmedel. 23

24 (29) 4.2.3 Ballastmaterial K4 I de tidigare försöken har vi antingen använt tvättad ballast eller ballast där fraktionen under,25 mm siktats bort. I försöken i detta avsnitt har det ursprungliga materialet från K4 använts tillsammans med lite grövre tillsatsmaterial. Tillsatsmaterialen har då ersatt en del av -2 mm fraktionen vilket medför att kornstorleksfördelningskurvan förskjutits neråt. De tillsatsmaterial som användes var T2, T7, T8 mm samt T9. Tillsatsmaterialen utgjorde 2 respektive 4 vol.- % av ballasten i de utvärderade bruken. 4.2.3.1 Bruk med tillsatsmaterialen T2 och T7 I Figur 29 visas siktkurvorna för de olika kombinationer av tillsatsmaterial och krossballasten från K4 som utvärderades i bruk. 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 K4 K4+ 2 vol.- % T2 K4+ 2 vol.- % T7 K4+ 4 vol.- % T2 K4+ 4 vol.- % T7.1.1 1 1 Storlek [mm] Figur 29 Siktkurvor för olika kombinationer av ballasten från K4 och tillsatsmaterialen T2 och T7. Resultaten visar att tillsatsmaterialen med fraktionsgränserna,2-1 mm har en positiv effekt på brukets reologiska egenskaper, se Figur 3. Tillsatsen förändrar huvudsakligen flytgränsspänningen som minskar som mest från 37 Pa till 2 Pa vid 4 vol.- % T7. Trots den stora minskningen i flytgränsspänning så är den fortfarande betydligt högre än för bruket med naturballast (). Men genom tillsats av flytmedel hamnar flytgränsspänningen hos bruken med tillsatsmaterial på samma nivå som bruket med utan flytmedelstillsats, se Figur 31. 24

25 (29) 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 K4 K4+ 2 vol.- % T2 K4+ 2 vol.- % T7 K4+ 4 vol.- % T2 K4+ 4 vol.- % T7 5 1 15 2 Figur 3 Inverkan av olika kombinationer av ballastmaterialet K4 och tillsatsmaterialen T2 och T7 på bruks reologiska egenskaper. 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 + 92M (.149 %) K4+ 92M (.141 %) K4+ 2 vol.- % T2+ 92M (.147 %) K4+ 2 vol.- % T7+ 92M (.149 %) K4+ 4 vol.- % T2+ 92M (.143 %) K4+ 4 vol.- % T7+ 92M (.156 %) 5 1 15 2 Figur 31 Inverkan av olika kombinationer av ballastmaterialet K4 och tillsatsmaterialen T2 och T7 på bruks reologiska egenskaper. Bruken innehöll flytmedel. 4.2.3.2 Bruk med T8 I följande försök användes T8, som är betydligt mer grovkornig, 1-2 mm, än de tillsatsmaterial som provats ovan. I Figur 32 visas siktkurvorna för ballast från K4 med 2 respektive 4 vol.- % av tillsatsmaterial T8. 25

26 (29) 1 9 8 7 K4 K4+ 2 vol.- % T8 K4+ 4 vol.- % T8 6 5 4 3 2 1.1.1 1 1 Storlek [mm] Figur 32 Siktkurvor för K4ballast med 2 respektive 4 vol.- % T8 mm. I Figur 33 ses resultaten från mätningarna på bruk med K4 ballast blandat med 2 respektive 4 vol.- % av tillsatsmaterialet T8. Resultaten visar att brukets egenskaper förbättras med ökande andel tillsatsmaterial och med 4 vol.- % T8 hamnar flytgränsspänningen i nivå med den för bruket innehållande naturballast (). Vid flytmedelstillsats förbättras egenskaperna ytterligare, se Figur 34. Resultaten visar därmed att det kan vara gynnsamt att tillföra ett grovkornigt tillsatsmaterial till ballasten. 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 K4 K4 tvättad K4+ 2 vol.- % T8 K4+ 4 vol.- % T8 5 1 15 2 Figur 33 Inverkan av K4 ballast med 2 respektive 4 vol.- % av tillsatsmaterialet T8 på bruks reologiska egenskaper. Utan flytmedel. 26

27 (29) 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 + 92M (.149 %) K4+ 92M (.141 %) K4+ 2 vol-% T8+ 92M (.147 %) K4+ 4 vol-% T8+ 92M (.143 %) 5 1 15 2 Figur 34 Inverkan av K4 ballast med 2 respektive 4 vol.- % av tillsatsmaterialet T8 på bruks reologiska egenskaper. Med flytmedel. 4.2.4.3 Bruk med tillsatmaterial T9 I de följande försöken användes T9 som tillsatsmaterial. I Figur 35 visas siktkurvorna för K4 ballasten och de sammanlagda materialen. 1 9 8 7 K4 K4+ 2 vol.- % T9 K4+ 4 vol.- % T9 6 5 4 3 2 1.1.1 1 1 Storlek [mm] Figur 35 Siktkurvor för K4ballast med 2 respektive 4 vol.- % av tillsatsmaterial T9. Resultaten från provningarna visas i Figur 36 och Figur 37. Av dessa framgår att brukens egenskaper förbättras med ökande substitutionsgrad, men att flytgränsspänningen fortfarande är betydligt högre än hos bruket med. När flytmedel tillsätts förbättras egenskaperna och når värden relativt nära de för referensbruket. 27

28 (29) 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 5 1 15 2 K4 K4+ 2 vol.- % T9 K4+ 4 vol.- % T9 Figur 36 Reologiska egenskaper hos bruk där 2 respektive 4 vol.- % av K4 ballasten ersatts med tillsatsmaterial T9. Bruken innehåller inte flytmedel. 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 5 1 15 2 + 92M (.149 %) K4+ 92M (.141 %) K4+ 2 vol.- % T9+ 92M (.138 %) K4+ 4 vol.- % T9+ 92M (.149 %) Figur 37 Reologiska egenskaper hos bruk där 2 respektive 4 vol.- % av K4 ballasten ersatts med tillsatsmaterial T9. Bruken innehåller flytmedel. 4.2.4.4 Jämförelse av de olika tillsatsmaterialen I Figur 38 visas resultaten för den andel av de olika tillsatsmaterial som resulterade i störst förändring av brukets reologiska egenskaper. Bruken med 4 vol.- % T9 respektive T8 uppvisar goda reologiska egenskaper som ligger ganska nära de för bruket med naturballast (). Resultaten visar att tillsats av ett grovkornigt tillsatsmaterial kan ge positiva effekter på ett bruks reologiska egenskaper. Generellt erhölls bättre egenskaper med ökad substitutionsgrad. 28

29 (29) 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 + 92M (.149 %) K4 K4+ 92M (.141 %) K4+ 2 vol.- % T2+ 92M (.147 %) K4+ 4 vol.- % T8+ 92M (.143 %) K4+ 4 vol.- % T7+ 92M (.156 %) Kolmetorp+ 4 vol.- % T9+ 92M (.149 %) 5 1 15 2 Figur 38 Reologiska egenskaper hos bruk där delar av K4 ballasten ersatts med olika typer av tillsatsmaterial. Bruken innehåller flytmedel. 5. Slutsatser Följande slutsatser kan dras från försöken i denna undersökning: Tvättningen minskar främst mängden finmaterial under 125 µm. Hos samtliga ballastmaterial avlägsnades allt material under 1 µm vid tvättningen. Tvättningen kan därför vara en åtgärd hos ballastmaterial med hög specifik yta. Innehåller däremot ballastmaterialet en stor andel material under 25 µm är andra metoder att föredra då denna mängd inte minskar i så stor omfattning. Tvättningen resulterade främst i att flytgränsspänningen hos bruken minskade. En liten ökning i plastisk viskositet observerades. I mikrobruken minskade både flytgränsspänningen och den plastiska viskositeten. För ballastmaterial med en stor andel finmaterial mindre än 25 µm ger bortsiktning av finmaterialet plus återföring av tillsatsmaterial en positiv effekt på brukets reologiska egenskaper. Med tillsatsmaterial avses i detta fall även ballastmaterialets egna finmaterial. Resultaten visar att enbart tillförsel av ett grovkornigt tillsatsmaterial till ballasten kan ge stora förbättringar av brukets reologiska egenskaper. De erforderliga mängderna beror delvis på ballastens kornstorleksfördelning. I denna undersökning erhölls egenskaper relativt nära de för bruket med naturballast vid 4 vol.- % substitutionsgrad. 29