EXAMENSARBETE STOCKHOLM 2015 Inverkan av delmaterialens variationer på betongens egenskaper ABBAS GHAFORI GABRIEL ESTRADA BERNUY KTH SKOLAN FÖR ARKITEKTUR OCH SAMHÄLLSBYGGNAD
Inverkan av delmaterialens variationer på betongens egenskaper Abbas Ghafori Gabriel Estrada Bernuy Juni 2015 TRITA-BKN, Examensarbete 446 BETONGBYGGNAD, 2015 ISSN 1103-4297 ISRN KTH/BKN/EX--446 SE
Sammanfattning Vid betongframställning förekommer det spridningar i delmaterialens egenskaper som påverkar den färska och hårdnande betongen. Spridningarna i betongens delmaterial har studerats hos tre av Skanskas betongfabriker (Göteborg, Luleå och Norrköping), genom provuttag som analyserats hos Cementa Research. Provuttag har gjorts en gång per månad under ett års tid från fabrikerna. Delmaterialen som har analyserats är ballast, cement, flytmedel och kalkfiller (endast hos Göteborg och Norrköping). Siktning av ballast 0-8 mm har utförts med den traditionella siktningen. För kornstorlekar mindre än 0,25 mm, cement samt kalkfiller har lasersiktning använts. För att få en överskådlig bild över spridningarna hos delmaterialen har en analys utförts som illusterar avvikelserna med exakta siffror. Analysen har visat att den traditionella siktingen har mindre spridning jämfört med lasersiktning. Dessutom visar analysen att sättmåttet har större spridning jämfört med hållfastheten. För ballast 0-8 mm har minst spridning visats hos Luleå och störst hos Norrköping, däremot så har Luleå visat störst spridning i ballast < 0,25 mm, cement, kalkfiller flytmedel och hållfasthet samtidigt som Göteborg visat minst spridning i dessa och istället störst spridning i sättmått. För att få en överskådlig bild över vilka egenskapsförändringar som förväntas i betongen om respektive delmaterial förändrats åt något håll har deskriptiv analys tillämpats parallellt med teoretisk analys. Den deskriptiva analysen har avgränsats genom att undersöka hur förändringar i delmaterialen ballast, cement, kalkfiller och flytmedel påverkar sättmåttet och hållfastheten. Resultaten från den deskriptiva analysen har visat att en utökad mängd grövre ballast 0-8 mm ger upphov till större sättmått och en utökad mängd finare ballast 0-8 mm ger högre hållfasthet för majoriteten av proverna. För ballast 0-8 mm < 0,25 mm har analysen visat att finare ballast < 0,25 mm ger upphov till större sättmått. Hos Göteborg visar dessutom majoriteten av proverna högre hållfasthet för finare ballast < 0,25 mm. Prover från Göteborg har visat att grövre kalkfiller ger högre hållfasthet. Hos Norrköping visar dessutom majoriteten av proverna större sättmått för finare kalkfiller och högre hållfasthet för grövre kalkfiller. För cementet har analysen visat att majoriteten av proverna hos Luleå har gett upphov till större sättmått för finare cement och högre hållfasthet för grövre cement. Hos Norrköping har analysen visat samma gällande hållfasthet, däremot tvärtom för sättmåttet, d.v.s. grövre cement har gett upphov till större sättmått. För flytmedel har majoriteten av proverna hos Luleå visat att högre torrhalt gett upphov till större sättmått och lägre torrhalt resulterat till högre hållfasthet. Nyckelord: Göteborgfabrik, Luleåfabrik, Norrköpingfabrik, spridning, ballast, cement, kalkfiller, flytmedel, torrhalt, deskriptiv analys, dataset, siktning, kornstorlek, sättmått, hållfasthet.
Summary During concrete production, property variations of the constituents occur that affect the fresh and hardened concrete. The variation in the constituents has been studied at three of Skanska s concrete plants (Gothenburg, Luleå and Norrköping) through the samples analyzed at Cementa Research. Sampling at these factories took place once per month over a one year period. The constituents that have been analyzed are aggregates, cement, superplasticizers and limestone filler (only in Gothenburg and Norrköping). Sieving of aggregates 0-8 mm has been conducted with traditional sieving. For grain sizes smaller than 0.25 mm, cement and limestone filler laser sieving has been used. To get a clear picture of the variations in the constituents an analysis was performed that illustrated the exact figures of the discrepancies. Analyses show that the traditional sieving has less variation compared to laser sighting. Moreover, the analysis shows that the slump has larger variations than the compressive strength. Luleå showed the least variation for aggregates 0-8 mm while the largest variation was apparent at Norrkoping. However, Luleå has shown the largest variation in aggregates < 0.25 mm, cement, limestone filler, superplasticizers and compressive strength. Gothenburg on the other hand showed least variation amongst these while showing the largest variation in the slump. To better understand the property changes that are expected in the concrete of the respective the constituents in either direction, both descriptive and theoretical analysis are applied simultaneously. The descriptive analysis has been limited to explore how changes in aggregates, cement, limestone fillers and superplasticizers affect the slump and compressive strength. The results of the descriptive analysis has shown that an increased amount of coarse aggregates 0-8 mm gives rise to larger slump and an increased amount of finer aggregates 0-8 mm gives greater compressive strength to the majority of the samples. For aggregates 0-8 mm < 0.25 mm analysis has shown that finer aggregates < 0.25 mm give rise to greater slump. Analysis in Gothenburg also shows that the majority of the samples have higher compressive strength for the finer aggregates < 0.25 mm. Samples from Gothenburg have shown that coarser limestone filler provides higher compressive strength. Majority of the samples at Norrköping show greater slump for fine limestone filler and higher compressive strength for coarse limestone filler. Analyses of cement have shown that the majority of the samples in Luleå have given rise to greater slump for finer cements and higher compressive strength for coarser cement. In Norrköping, the analysis demonstrated the same compressive strength, however, to the contrary coarse cement has given rise to greater slump. Analysis of superplasticizers in Luleå show that the majority of the samples at higher dry content resulted in greater slump and at lower dry content resulted in higher compressive strength. Keywords: Gothenburg factory, Luleå factory, Norrköping factory, variation, aggregate, cement, limestone fillers, superplasticizers, dry content, descriptive analysis, data sets, screening, grain size, slump and compressive strength.
Förord Detta examensarbete har utförts på institutionen för Byggvetenskap, avdelning betongbyggnad vid Kungliga Tekniska Högskolan. Examensarbetet motsvarar en kurs på 30 högskolepoäng och genomfördes på 20 veckor våren 2015 som en avslutande del i utbildningen. Uppdraget rotar sig i en dialog mellan Skanska AB och Cementa Research AB. Det har varit spännande och lärorikt för oss. Vi vill tacka vår examinator Johan Silfwerbrand, KTH, för den hjälp han har tillhandahållit, samt vår handledare Thomas Johansson, Skanska AB. Vi vill även tacka Pentti Koski, Cementa, för provtagning föreläsningen och Tatjana Pavlenko, KTH, för hennes hjälp med statistisk vägledning. Stockholm, juni 2015 Abbas Ghafori & Gabriel Estrada Bernuy
Innehåll 1 Inledning... 1 1.1 Allmänt om betong... 1 1.2 Identifierad spridning... 1 1.3 Syfte... 2 1.4 Avgränsning... 3 1.5 Metodik... 3 2 Litteraturstudie... 8 2.1 Betong och dess beståndsdelar... 8 2.2 Cement... 8 2.3 Ballast... 11 2.4 Vatten... 12 2.5 Tillsatsmedel... 12 2.6 Tillsatsmaterial... 14 2.7 Färsk betong... 15 2.8 Stabilitet... 18 2.9 Hårdnande betong... 19 2.10 Hårdnad betong... 20 2.11 Proportionering... 22 3 Provningsmetoder... 23 3.1 Bestämning av kornstorleksfördelning... 23 3.2 Torrhalt och densitet för tillsatsmedel... 24 3.3 Bindetid och vattenbehov... 24 3.4 Densitet och Blaine... 24 3.5 Värmeutveckling under reaktionsförlopp i mikrokalorimeter (TAM)... 25 3.6 SO 3 och gipskristallvatten... 25 3.7 Glödförlust, CO 2 och beräknad mängd kalksten... 25 3.8 Alkali... 25 3.9 Kemisk sammansättning inkl. fri CaO... 25 4 Teoretisk analys... 26 4.1 Cement... 26 4.2 Ballast... 30 4.3 Flyttillsatsmedel... 33 5 Deskriptiv analys... 35 5.1 Göteborg... 35 5.2 Luleå... 43 5.3 Norrköping... 47 6 Resultatsammanställning... 60 7 Slutsatser... 65 8 Rekommendationer... 68 9 Litteraturförteckning... 69 Bilagor...
1 Inledning 1.1 Allmänt om betong Betong är världens mest använda byggmaterial, vilket gör det till ett intressant material att vidareutveckla och åstadkomma optimala resultat. Den kännetecknas av god beständighet, formbarhet och hållfasthet. Betongen används särskilt i bärande konstruktioner, men också där påfrestningar i form av fukt och nötning är stor. Materialet levereras i form av prefabricerat element eller råmaterial till byggarbetsplatserna där det formas och får sin slutliga kvalité. Tidigare köptes delmaterialen separat av beställarna och blandades på byggplatsen [1]. Betongen består av ca 80 % ballast(grus, sand och sten), ca 14 % cement och 6 % vatten. En del av cementet kan ersättas med tillsatsmaterial som silikastoft, flygaska, masugnsslagg och andra tillsatsmedel (< 0.1 %) för att förbättra betongens beständighet och gjutegenskaper [2]. Utan tillsatsmedel hade den moderna tekniska byggtekniken inte använts idag. Det vanligaste tillsatsmedlet för husbyggnad är flyttillsatsmedel. Flyttillsatsmedel får cementkornen att finfördelas bättre och utnyttjas effektivare. Dessutom kan mängden cement minskas, vilket är en fördel för miljön eftersom cementtillverkningen är energikrävande och förorsakar koldioxidutsläpp. Betongen kan göras självkompakterande, d.v.s. att den flyter ut helt av sig själv. Detta bidrar till att produktionen blir effektivare då tunga arbetsmoment tas bort samtidigt som bullernivå minskar på bygget [2]. Vid betongframställning svarar cementklinkertillverkningen för ca 3-4 procent av världens totala koldioxidutsläpp [3], och på andra sidan binder den färdiga betongen så småningom koldioxid på samma sätt som växter i naturen. Det färska betongtillståndet skall fylla ut en form utan att det uppstår någon separation, vilket sätter krav på flyt- och arbetbarheten. Genom att variera betongens delmaterial framställs betong med olika egenskaper. Med dagens teknik och kunskap vet man hur delmaterialen och deras inbördes proportioner skall väljas för att uppnå önskade egenskaper [4]. Vid sammansättningen av betongblandningar eller proportionering av betong skall den färska betongmassans egenskaper beaktas. Betongen måste gjutas så att den fyller ut formarna och får ett minimum av luftblåsor samtidigt som den kringsluter armeringen. Dessutom skall ytorna vara blåsfria och se tilltalande ut. När betongen forslas från betongblandaren till gjutstället kan komprimering av betongen i formerna ske och delmaterialen måste bibehålla en homogen fördelning. Därmed ställs det krav på den färska betongens arbetsbarhet, stabilitet etc. [4]. Vid betongproportionering ställs det krav på den hårdnande betongens egenskaper såväl som krav på en viss konsistens hos den färska betongen. Vilken typ av konsistens som skall fastställas avgörs av bearbetningsmetoden, svårigheten i gjutningsarbetet, transport och andra omständigheter som undervattensgjutning, vakuumbehandling och sprutning [4]. Det har visat sig att partikelfördelningen har betydelse för betongens reologiska egenskaper [5]. Fördelningen av finmaterial, filler och cement (< 0.125mm) har också inverkan på reologiska egenskaperna, speciellt för självkompakterande betong [6]. 1.2 Identifierad spridning Hos Skanska har spridningen hos betongens delmaterial studerats vid tre av Skanskas betongfabriker Göteborg, Luleå och Norrköping, där de kartlägger hur spridningen av delmaterial påverkar den färska betongens egenskaper. Delmaterialen som tagits ut är cementet (anläggningscement), flytmedel, kalkstensfiller (med begränsad omfattning för endast Göteborg och Norrköping) och ballast 0-8 mm och ballast 0-4 mm (endast för Norrköping). Uttagen har gjorts 1 gång per månad under perioden december 2012 till december 2013. Provuttagen har sedan skickats vidare och analyserats hos Cementa Research. Totalt antal provuttag blev 35 st, där 13 provuttag var från Göteborg, 10 provuttag från Luleå och 12 provuttag från Norrköping. 1
1.3 Syfte För att förstå hur betongen beter sig, bör betongens sammansättning beaktas d.v.s. ballast, cement, vatten och flyttillsatsmedel samt eventuellt tillsatsmaterial. Syftet med denna rapport är att beskriva deskriptivt hur delmaterials spridningar förändrar betongens egenskaper som konsistens och hållfasthet. Detta kan i framtiden vara ett underlag för att minimera spridningarna hos den färska betongen. Frågeställning som skall besvaras är: 1. Hur påverkar materialspridningarna betongens egenskaper? 2. Vilka egenskapsförändringar i betongen kan förväntas om respektive material förändras åt något håll? 2
1.4 Avgränsning I detta examensarbete avgränsar vi oss till att enbart ta upp analyser och prover som utförts av Cementa Research på beställning av Skanska. Delmaterialen som kommer analyseras är flytmedel, ballast, kalkstenfiller och cement med dess kemiska sammansättning. Röda tråden i rapporten är flytmedelens densitet och torrhalt, manuella och laser-siktningar (< 0.25 mm) för ballast, lasersiktning för kalkfiller och cement. Cementet avgränsas med att endast analysera anläggningscement. För cementens kemiska sammansättning har ingen deskriptiv analys kunnat utföras pga. att antalet parametrar var för många och att rapport tiden på 20 veckor inte räckte till. 1.5 Metodik De metoder som har tillämpats i denna rapport är deskriptiv analys och teoretisk analys. Den teoretiska analysen har sammanbundits ifrån betonghandböckerna, Cementas rapport och övrig kurslitteratur. Teorin ger ett helikopterperspektiv över hur de olika parametrarna är sammankopplade till varandra. Slutligen sammanfogas teorin med den deskriptiva analysen. Deskriptiv analys Deskriptiv analys går ut på sammanfatta datamaterial på ett överskådligt sätt att materialet kan karaktäriseras. Egenskaper som är intressanta är bland annat var materialet har sin kärna, d.v.s. sitt centrum. Inom statistiken används begreppet läge som beskrivs med olika lägesmått (medelvärdet, median, typvärde) [7]. Datamaterialets spridning är också en intressant egenskap att granska för att se ifall materialet är koncentrerat runt sin kärna eller har stor spridning. En karaktärisering av spridningen är ett alternativ spridningsmått, standardavvikelsen [7]. Slutligen kan deskriptiv analys sammanfattas med att det är en beskrivning av delmaterialets egenskaper vad gäller läge och spridning. Databearbetning Dataseten innehåller mätningar på tryckhållfastheten, sättmått, utbräddningsmått (endast Norrköping), vct, densitet, area, vikt och lufthalt för de tre olika fabrikernas prover. Hos varje fabrik har olika recept testats x gånger, d.v.s. antalet prover. Recepten med flest prover ( 4 st) var intressantast. Sortering av recepten inleddes med att koppla samman prover som utförts för respektive recept. Varje prov har ett provdatum d.v.s. då provet tagits. För att få en uppfattning av hur kornfördelningen och sortering av de olika delmaterialen är för respektive prov, sammankopplas provdatum och analysdatum ihop. Analysdatum är ett datum då mätningar tagits för flytmedlen, ballast-, cement- och kalkfördelning men också för cementets kemiska sammansättning. Vissa prover har samma provdatum som analysdatum, medan en del provdatum har ett par dagars mellanrum från analysdatum. I detta fall har antaganden gjorts att fördelningarna är motsvarande. 3
Illustration av parameterlåsning Figur 1 illustrerar hur parameterslåsning genomförts, d.v.s. vid låsning av parameter 1 tittar vi på hur de andra parametrarna tillsammans påverkar sättmåttet och hållfastheten. Parameter 1 (Låsning 1) Parameter 2 Parameter 3 Parameter 4 Parameter 5 Sättmått Hållfasthet Figur 1.1 Parameterlåsning Här nedan framgår ett exempel av den deskriptiva analysen som utförts i rapporten stegvis: 1. Första steget är låsning av en parameter som t.ex. ballast 0-8 mm. 2. I denna låsning grupperas alla siktningar som har identiskt eller approximativt identiskt beteende i ballastspridning. 3. Sedan jämförs respektive låsningsgrupp (2 prov mot varandra) med de olika delmaterialspridningarna. 4. Spridningarna i delmaterialen som inte är låsta klassificeras med A, B eller C, där A innebär större/över, B mindre/under och C identiskt beteende. Data som saknas betecknas med bindestreck (-). 5. Därefter klassificeras sättmåttets och hållfasthetens spridning för respektive låsningsgrupp, d.v.s. gjutningar som har samma ballast 0-8 mm spridning. 6. Därefter sammanställs klassificeringen efter hur många procent som ger ett A och B för respektive delmaterial, d.v.s. hur många A eller B av t.ex. flytmedel ger ett A eller B i sättmått och hållfasthet. 7. Slutligen sammanställs resultatet med cirkeldiagram som illustrerar hur hållfastheten och sättmåttet beter sig för respektive delmaterial, d.v.s. 56 % högre (A) flytmedel ger större sättmått medan 44 % lägre (B) flytmedel ger större sättmått. För hållfastheten visar 67 % högre flytmedel (A) högre hållfasthet medan 33 % lägre (B) flytmedel visar högre hållfasthet. 100%# 90%# 80%# 70%# Göteborg#068#mm#7/12612# Göteborg#068#mm#2013601628# Göteborg#068#mm#2013602622# Göteborg#068#mm#2013603619# 100%# 90%# 80%# 70%# Göteborg#068#mm#2013605623# Passerande,)%) 60%# 50%# 40%# 30%# Göteborg#068#mm#2013604617# Göteborg#068#mm#2013605623# Göteborg#068#mm#2013606624# Göteborg#068#mm#2013607609# Göteborg#068#mm#2013608627# Passerande,)%) 60%# 50%# 40%# 30%# Göteborg#068#mm#2013607609# Göteborg#068#mm#2013611626# 20%# 10%# 0%# 11,2# 8# 5,6# 4# 2# 1# 0,5# 0,25# 0,125# 0,063# Sikt,)mm) Göteborg#068#mm#2013609625# Göteborg#068#mm#2013610622# Göteborg#068#mm#2013611626# Göteborg#068#mm#2013612619# Medelvärde# 20%# 10%# 0%# 11,2# 8# 5,6# 4# 2# 1# 0,5# 0,25# 0,125# 0,063# Sikt,)mm) Medelvärde# Figur 1.2 Steg 1, låsning av ballast 0-8 mm Figur 1.3 Steg 2, gruppering av identiska sorteringar 4
passerande(vol(%( 100" 90" 80" 70" 60" 50" 40" Skanska"Göteb."Deg"Anl" Maj"=13" Skanska"Göteb."Deg"Anl" Juli"=13" Skanska"Göteb."Deg"Anl" 2013=11=26" Medelvärdet" C C passerande(vol(%( 100" 90" 80" 70" 60" 50" 40" Göteborg"Kalk" 2013807809" Göteborg"Kalk" 2013811826" Medelvärdet" A B 30" 30" 20" 20" 10" 10" 0" 1" 10" 100" 1000" kornstorlek(µm( 0" 1" 10" 100" 1000" kornstorlek(µm( Figur 1.4 Steg 3 och 4, cementfördelning Figur 1.5 Steg 3 och 4, kalkfördelning 100" 90" Göteborg"0"4"8,"<0,25"mm"" 23"maj"2013" passerande(vol(%( 80" 70" 60" 50" 40" 30" Göteborg"0"4"8,"<0,25"mm" 9"juli"2013" Göteborg"0"4"8,"<0,25"mm" 131126" Medelvärdet" A B 20" 10" 0" 1" 10" 100" 1000" kornstorlek(µm( Figur 1.6 Steg 3 och 4 ballast 0-8 mm < 0,25 mm Datum/märkning Sort Torrhalt, % Densitet, kg/m 3 2013-05-23 Dyn SA-X 24,3 1067 2013-07-09 Dyn SX-A 24,4 1068 2013-11-26 SV-A 24,3 1064 Tabell 1.1 Steg 3 och 4, flytmedel Recept Analysdatum (prov) Sättmått mm Hållfasthet MPa 357 2013-05-23 180 54,55 2013-07-09 170 52,41 2013-05-23 80 54,70 347 2013-07-09 170 52,66 2013-11-26 200 52,24 358 2013-05-23 170 46,20 2013-07-09 170 47,00 Tabell 1.2 Steg 5, hållfasthet och sättmått för respektive prov 5
Recept Provdatum Tillverk.datu m Kornstorleksfördelning ballast 0-8 mm Kornstorleksfördelning ballast <0,25 mm Kornstorleksfördelning kalk Kornstorleksfördelning cement Flytmedel (torrhalt och densitet) Sättmått, mm Hållf. 28d, MPa 13-05-23 347 13-06-04 Låst (C) A - C B B A 13-07-09 347 13-07-02 Låst (C) B - C A A B 13-11-26 347 13-11-11 Låst (C) A - C A B A 13-05-23 347 13-06-04 Låst (C) B - C B A B 13-07-09 347 13-07-02 Låst (C) C B C A B A 13-11-26 347 13-11-11 Låst (C) C A C B A B Tabell 1.3 Steg 6, klassificering av recept 347 Låsning av ballast 0-8 mm Sä#må#,'mm' Hållf.&28d&MPa& Över och under kornstorleksfördelning ballast 0-8 mm < 0,25 mm (B)$Grövre$ 29%$ (A)$Finare$ 71%$ (B)$Grövre$ 29%$ (A)$Finare$ 71%$ Låsning av ballast 0-8 mm Sä#må#,'mm' Hållf.&28d&MPa& Över och under kornstorleksfördelning kalk (B)$Grövre$ 33%$ (A)$Finare$ 67%$ (B)$Grövre$ 67%$ (A)$Finare$ 33%$ Låsning av ballast 0-8 mm Sä#må#,'mm' Hållf.&28d&MPa& Över och under flytmedel (torrhalt och densitet) (B)$Lägre$ 44%$ (A)$Högre$ 56%$ (B)$Lägre$ 33%$ (A)$Högre$ 67%$ Tabell 1.4 Steg 7, sammanställning av delmaterialens inverkan på hållfasthet och sättmått för recept 347, 357 och 358 6
Illustration av spridningarna Kartläggning av delmaterialens spridningar för respektive fabrik redogörs i tabellform, där varje parameter redovisar ett max, min, standardavvikelse och andel spridning. För att kunna få ett värde som representerar kornfördelningen hos ballast, cement och kalk har finenhetsmodulen beräknats. Finhetsmodulen (FM) beskriver hur finkornig ett material är. Ju finare ett material är, desto mindre blir FM-värdet. FM fås fram genom att räkna ut arean ovanför siktkurvan, d.v.s. ju finkornigare materialet är desto högre befinner sig siktkurvan och desto lägre blir FM-värdet [8]. 7
2 Litteraturstudie 2.1 Betong och dess beståndsdelar Betong ingår i materialgruppen kompositer d.v.s. sammansatta beståndsdelar som resulterar till en slutprodukt med önskade egenskaper [4]. Figur 2.1 visar betongens sammansättning vilket innebär ballast, cement, vatten, tillsatsmedel och eventuellt tillsatsmaterial. Ballast är stenmaterial d.v.s. en blandning av olika mängd sten, grus och sand. Cementpasta har som funktion att limma ihop ballastkornen. Detta uppstår när cement blandas med vatten. Betongens egenskaper går att förändra genom att variera mängden delmaterial. [1]. Med den långa livslängden och sammansättningen är betong ett miljövänligt material som kan återanvändas. De vanligaste betongtyperna är traditionell husbyggnadsbetong, anläggningsbetong (brobetong), självkompakterande betong (tillämplig för alla hållfasthetsklasser) och undervattens/sprutbetong [1]. Figur 2.1 Betongens delmaterial [9] 2.2 Cement Cement betraktas som ett hydrauliskt bindemedel, eftersom det genom att reagera med vatten bildar en hård massa som är beständig mot vatten. Den vanligaste formen av cement som används idag kallas för portlandcement [1]. Tillverkningen av cement i Sverige gjordes första gången 1872 i Lomma i Skåne. Däremot använde romarna cement- och betongliknande material redan för två tusen år sedan, vilket kallades för concretum, som är ursprunget till engelska ord betong, concrete [1]. Tillverkning av cement Tillverkningen av dagens cement består främst av råvarorna, kalksten och lera. Detta görs genom att finmala materialen i normaltemperatur som sedan bränns i långa, lågt lutande roterugnar med brännare i den nedre änden. I ugnens kalla övre del matas in jämnt flödande material som torrt pulver (torrmetoden), eller som ett slam (våtmetoden). Brännzonen har en temperatur på ca 1450 C, möjligen något förhöjd temperatur för snabbare torkning. Materialet tas sedan ut ur ugnen och kyls ner. Nu när det har en struktur av kulor eller små klumpar kallas det cementklinker. Etappen som sker nu är att denna klinker mals tillsammans med gips på ca 5 % för att på det sättet kunna justera cementets bindning eftersom det annars skulle gå för snabbt [1]. När råmaterialen bränns avgår kolsyra (CO 2) ur kalkstenen (CaCO 3), vilken sedan övergår till bl.a. kalciumoxid (CaO). Råmaterialen innehåller också kiseldioxid (SiO 2), järnoxid (Fe 2O 3) och små mängder aluminiumoxid (Al 2O 3). Alla dessa oxider samlas och bildar nya kemiska sammansättningar som kallas klinkermineral, vilka är själva cementet [1]. Hur processen går till illustreras i figur 2.2. 8
Figur 2.2 Cementtillverkning enligt torrmetoden [10] Kemisk sammansättning Det förekommer olika kemiska föreningar i klinkermineral. I Tabell 2.1 visas de vanligaste ämnena som finns i portlandcement. Dessa intervaller i tabellen gäller för olika typer av portlandcement, däremot varierar halten för cement med tillsatsmaterial beroende på typ av tillsatsmaterial [10]. Oxid Intervall (%) Typisk analys (%) CaO 60-70 63 SiO 2 17-25 20 Al 2O 3 2-8 4 Fe 2O 3 0-6 2 MgO 0-4 3 SO 3 1-4 3 K 2O 0.2-1.5 1.0 Na 2O 0.2-1.5 0.1 Tabell 2.1 Typisk sammansättning för portlandcement [10] 9
Fysikaliska egenskaper De fysikaliska egenskaper som definierar cement är dess malfinhet, färg och densitet. Malfinheten beskrivs som en specifik yta, m 2 /kg och dess specifika yta varierar vanligtvis mellan 250 och 600 m 2 /kg för den vanligaste cementen. Specifika ytan beskriver cementets kontaktyta med vattnet, d.v.s. ju större kontakytan är, desto snabbare sker reaktionen [10]. Portlandcementens färg kan vara mellan vit till mörkt grå. Olika ämnen i råmaterialen bestämmer färgen men järninnehållet bestämmer mörkare färgtoner. Kompaktdensiteten hos portlandsklinker är mellan 3150 kg/m 3 och 3200 kg/m 3, men oftast sätts dess densitet till 3150 kg/m 3 [10]. Cementtyper Cementtyper indelas efter deras kemiska komposition, användningsområde eller andra representativa egenskaper. Portlandcement Portlandcement är en blandning mellan portlandklinker och gips. Den här typen av cement innehåller vanligtvis upp till 5 % gips. Det finns tre huvudtyper av portlandcement. Dessa är standard portlandcement, snabbt hårdnande portlandcement och långsam hårdnande portlandcement [10]. Standard portlandcement är en av de vanligaste typerna. Egenskaperna hos den här typen av cement är lämpade efter de flesta användningar [9]. Snabbt hårdnande portlandcement (SH) används vanligtvis när färsk betong snabbt behöver utveckla sin hållfasthet. Den är också bättre för gjutning under vintertid i jämförelse med standard portlandcement. Detta cement kan även uppnå en hållfasthet som är 50 % högre än standard portlandcement på ett dygn [9]. Långsamt hårdnande portlandcement (LH) kan användas vid stora konstruktioner som till exempel dammar och brofundament, där cementets värmeutveckling ger stigning av temperaturgradienter samt termiska spänningar, vilket skulle kunna orsaka sprickor. Långsamt hårdnande portlandcement tillverkas inte så mycket i Sverige. I stället tillverkas anläggningscement som har en lagom värmeutveckling [9]. Figur 2.3 visar hur de olika cementtypernas hållfasthet utveckling skiljer sig. Figur 2.3 Hållfasthetsutveckling hos olika cement typer [1] Portland-kompositcement Portland-kompositcement innehåller som lägst 65 % portlandklinker och gips samt några oorganiska delar som flygaska. De vanligaste typerna är portland-slaggcement, portland-flygaskacement och portlandkalkstencement [10]. 10
Blandcement Blandcement innehåller klinker mellan 20 % och 65 % där resten är granulerad masugnsslagg, flygaska eller puzzolaner. Ett av den vanligaste blandcementen är slaggcement, vilket vanligtvis tillverkas nära järnverk och har en anpassad sammansättning för reaktivitet [10]. 2.3 Ballast Ballast består av olika bergartsmaterial med varierande kornstorlekar. Vid tillverkning av vanlig betong, består ballasten av naturliga bergarter. Dessa kan användas direkt som de fås, ur grustag, eller krossade. Ballast benämns olika beroende på dess bestående kornstorlek. Sand om kornstorleken är lika eller mindre än 4 mm, fingrus i fall kornstorleken är lika eller mindre än 8 mm, sten om kornstorleken är större än 8 mm och filler om korstorleken är mindre än 0,125 mm [1]. Det finns två sorter av stenar, en som är av krossad bergart och kallas för makadam, samt den andra som är av okrossat material, vilket kallas för singel [9], vilka kan ses i figur 2.4. Figur 2.4 Ballastbeteckningar [1] Vid tillverkningen av betong bör användas ballast av olika storlekar med ett visst förhållande. Detta gör att alla hålrum kan utfyllas se figur 2.5. Hålrummen som finns kvar fylls ut av cementpastan och denna fungerar även som ett lim för partiklarna [1]. Figur 2.5 Idealballast som fyller ut hålrummen [1] 11
Kornstorleksfördelning, gradering hos ballasten har ett signifikant inflytande när det gäller betongens vattenbehov. Dessutom har arbetbarheten och stabiliteten inflytande på den färska betongen. Graderingen är en av de få egenskaper som kan påverkas hos ballasten av betongtillverkaren [8]. Ballastfördelningen beskrivs med en graderingskurva (siktkurva) se figur 2.6, och bestäms med ett siktprov som visas i figur 2.7. Figur 2.6 Graderingskurva for ballast [1] Figur 2.7 Siktning [8] 2.4 Vatten I betongtekniken används vatten för tre olika ändamål, såsom blandningsvatten, härdningsvatten och som spolvatten. Vattnet måste uppfylla vissa kvalitetskrav och dessa krav kan vara olika i de tre fallen [11]. En dålig vattenkvalité kan orsaka en försämring för betongens hållfasthet och beständighet. Däremot ställs inga höga krav på de vatten som används till betongtillverkning. En allmän tumregel är att allt drickbart vatten kan användas till betongtillverkning. Starkt salthaltigt vatten bör undvikas, till exempel havsvatten på västkusten. Däremot kan Östersjöns vatten användas för enkla betongarbeten. Vid tillverkning av betong med spänd och höghållfasthetarmering ska bara sötvatten användas [1]. 2.5 Tillsatsmedel Tillsatsmedel har förmågan att förändra den färska samt den hårdnande betongens egenskaper. Typen av tillsatsmedel som appliceras beror på vad önskemålen är för betongen. Klassificeringen av medel sker beroende på effekten som de har på betongen [1]. Accelererande tillsatsmedel Accelererande tillsatsmedel består huvudsakligen av lättlösliga oorganiska salter, t ex klorider. Det mest använda under lång period har varit kalciumklorid, CaCl 2. Nackdelen är att klorider orsakar korrosion i ett klimat med hög luftfuktighet, därför begränsas sådan användning till inomhuskonstruktioner där luftfuktigheten är låg [12]. 12
Retarderande tillsatsmedel Det här tillsatsmedlet skjuter på betongens tillstyvnande och tidpunkten när hållfasthetstillväxten börjar men dess hastighet berörs inte när cementreaktionen har kommit igång [12]. Vattenreducerande tillsatsmedel Egenskapen till den här typen av tillsatsmedel är att de innehåller ett ytaktivt ämne. De aktiva komponenterna i medlet reagerar genom att lösa upp cementkornen och på det sättet förbättras betongens flytförmåga och det leder till en optimering av cement [12]. Tillsatsmedel gör att friktionen mellan betongen och fasta partiklar minskar. Användningen av medlen kan ske på liknande sätt som för flyttillsatsmedel men effekten är inte lika bra. Däremot minskar vattenreducerande medel vattenbehovet och ökar arbetbarheten samt hållfastheten utan att variera cementhalt [1]. Luftporsbildande tillsatsmedel Medlet används i betong för att göra den frostbeständig och även förbättra gjutningen [12]. Frostbeständigheten uppnås genom bildning av finfördelade luftblåsor med storlek på 0.05-0.3 mm, där luftblåsor totalt motsvarar några procent av den totala betongvolymen. Luften som finns i porerna stannar kvar under en obegränsad tid på grund av att den inte kan släppas fritt genom den omslutande, vattenmättade och finporösa cementpastan. Vattnet har förmågan att expandera sin volym med ca 9 % när det fryser. Luftporerna som skapas med tillsatsmedlet ger möjlighet för expansion att ske utan frostskador annars skulle betongen sprängas sönder av isen. Detta är anledningen att luftporsbildande tillsatsmedel används i konstruktioner som utsätts för frysning och även för stark nedfuktning såsom broar och vägbeläggningar [1]. Flyttillsatsmedel Flyttillsatsmedlen är de vanligaste medlen inom betongtillverkning. Medlen har en stor inverkan på betongens konsistens. Detta orsakar att vattenhalten minskar mellan 10-30 % vilket innebär en ökning av hållfastheten och en reduktion av krympningen. Däremot orsakar användningen av vatten för att uppnå samma konsistens som flyttillsatser, en hållfasthets förlust och ökad krympning. Flyttillsatserna kan även användas för att betongen ska vara lättflytande och ha en bra sammanhållning samt kunna behålla sin hållfasthet [1]. 13
2.6 Tillsatsmaterial Användningen av olika tillsatsmaterial förändra egenskaperna hos betongen. De vanligaste materialen är silikastoft, flygaska och masugnsslagg, där silikastoft är det mest använda materialet i Sverige [13]. Silikastoft Restprodukten silikastoft bildas från tillverkning av kiselmetall och ferrokisel i stålindustrin [8]. Formen på kornen är sfärisk och har en storlek som är ca 1/100 av cementkornens d.v.s. vid betongtillverkning tilläggs silikastoft med 4-10 % av cementvikten. Silikastoft har funktionen att förbättra sammanhållning och stabilitet hos betongen. En nackdel är att vattenbehovet ökar, och för att kunna utnyttja egenskaperna hos materialet maximalt bör flyttillsatsmedel eller vattenreducerande medel tilläggas [1]. Flygaska Flygaska alstras från kolpulverande kraftverk och värmeverk som restprodukt, där aska är den vanligaste i Europa [1]. Flygaskans egenskaper påverkas mest av förbränningsprocessen och kol sorten d.v.s. vid användning av en annan sorts kol fås en förändrad sammansättning hos askan. Användning av tillsatsmaterial förändrar strukturen hos pastan. Ju större mängd som används desto större förändring blir det av pastans struktur. I detta fall tillämpas vattenbindemedelstalet (vbt) istället för vattencementtalet (vct) [1]. Där vbt definieras som: vbt =!!!!" Ekv 1 W är mängden blandningsvatten [kg]; C är mängden cement [kg]; D är mängden tillsatsmaterial [kg]; β är effektivitetsfaktor (0-1) Effektivitetsfaktors β varierar för respektive tillsatsmaterial [1]. 14
2.7 Färsk betong Beroende på betongens sammansättning, klimat och komprimeringssätt kvarstår den färska betongen under några timmar. Det färska tillståndet går att fördröja med ett par dygn genom att tillsätta retarderande tillsatsmedel och reglera betongens temperatur [14]. Arbetbarhet Två egenskaper som är viktiga för den färska betongen är arbetbarhet och stabilitet. Den färska betongens deformationsegenskaper hör ihop med arbetbarheten och bestäms av cementpastan och ballastegenskaper och proportioner. De väsentliga faktorerna för betongens arbetbarhet är vattenhalt, cementhalt, gradering, finmaterialhalt i ballast, ballastens kornform och tillsatsmedel [14]. Med god arbetbarhet uppnås en snabb gjutning och god arbetsmiljö samtidigt som den ökar förutsättningar att uppfylla funktionskraven för konstruktionen [1]. En alltför god arbetbarhet kan leda till en inhomogen betong som ger upphov till sten- och bruksseparation. Tvärtom kan en dålig arbetbarhet sänka hållfastheten och ge upphov till skadade ytor, där efter lagringar måste göras [14]. Vilken typ av arbetbarhet som är västenlig beror på vad som ska tillverkas och på vilket sätt betongen ska komprimeras. Sektioner som är trånga eller tätt armerade kräver god arbetbarhet, medan öppna sektioner där betongen har fri passage kräver lägre arbetbarhet [14]. Konsistens Eftersom arbetbarheten inte går att mäta kompletteras den med att mäta betongens konsistens. Dessa två faktorer är likartade men inte likvärdiga, d.v.s. vid samma konsistens av två olika betongtyper kan arbetbarheten vara olika [14]. Det finns ett antal olika instrument att mäta konsistensen med. Den vanligaste konsistensmätningen för lös konsistens är sättkonen, där sättmåttet fås ut. Konen fylls upp med betong och packas upp på ett standardiserat sätt och lyfts sedan bort försiktigt. Därefter mäts höjdskillnaden mellan konens topp och betonghögens topp, se figur 2.8, d.v.s. hur mycket den färska betongen sjunkit ihop [1]. Tabell 2.2 redovisar konsistensklassen för olika sättmått. Figur 2.6 Mätning av sättmått [15] 15
Benämning Beteckning Sättmått (mm) Konsistensklass Plastisk P 10-40 S1 Trögflytande T 50-90 S2 Lättflytande L 100-150 S3 Halvflyt LL 150-210 S4 Flytbetong FF > 210 S5 Tabell 2.2 Gränsvärden för konsistens mätt som sättmått enligt SS-EN 206-1 [1] En annan metod att mäta konsistensen för mycket lättflytande betong är att mäta utbredningsmåttet enligt figur 2.9. Metoden går ut på att betong fylls upp i konen på ett fallbord för att sedan lyftas. Fallbordet med betongprovet lyfts upp till spärren och får falla tillbaka. Utbredningsmåttet mäts ut i riktningarna parallella med bordets kanter där medelvärdet tas ut [1]. Måttet ger en uppfattning om den färska betongens stabilitet och rörlighet [14]. Tabell 3.3 redovisar konsistensklasser för utbredningsmått. Figur 2.7 Mätning av utbredningsmått [1] Benämning Beteckning Utbredning, diameter (mm) - F3 420-480 Halvflyt F4 490-550 Fullflyt F5 560-620 Specialflyt F6 > 630 Tabell 2.3 Gränsvärden för konsistensklasser med utbredningsmått enligt SS-EN-206-1 [1] 16
För att bestämma styvare konsistenser används en så kallad vebe-mätaren. Metoden fungerar som följande där en sättkon är placerad i en cylindrisk behållare med en glasskiva som lock. Cylindern är fastinspänd på ett bord med vibrator vilket kan ses i figur 2.10. När vibratorn sätts igång mäts tiden det tar för betongen att omforma sig från konisk till cylindrisk form. Detta är ytligare ett sätt att mäta betongens konsistens d.v.s. ett vebe-tal [1], se tabell 2.4. Figur 2.8 Mätning av vebe-tal med vebe-mätare [1] Benämning Beteckning Vebe-tal (s) Klassbeteckning Jordfuktig J 31 V0 Jordfuktig J 30-20 V1 Mycket styv SS 20-11 V2 Styv S 10-15 V3 Plastisk P 4 V4 Tabell 2.4 Gränsvärden för konsistensklasser med vebe-tal enligt SS-EN-206-1 [1] 17
2.8 Stabilitet God stabilitet minskar risken för separation av delmaterialen och säkerställer att betongen förblir homogen under produktionsprocessen [1]. Däremot om stabiliteten är mindre bra separerar materialen från varandra vilket ger en avtagande effekt på betongens hållfasthet. Krympning och uttorkning av betongen påverkas också av stabiliteten [13]. Separation uppstår i samband med transport, gjutning och bearbetning och delas in i form av vattenseparation, stenseparation och bruksseparation, se figur 2.11. Vattenseparation uppkommer då mängden finmaterial inte längre kan kvarhålla vattnet som då stiger till ytan, vilket ger till följd försämrad vidhäftning, hållfasthet och otäthet [13]. Stenseparation uppstår pga. densitetsskillnader mellan ballast och cementpasta. Det förekommer framförallt under transporter och bearbetning [13]. Det är vanligt att bruksseparation uppstår vid lös konsistens, där vibrationer är en av de vanliga orsakerna [13]. Detta innebär att cementbruk bildas på ytan parallellt med att stenarna sjunker [1]. Förändringar som uppstår vid stabilitet och separation har en inverkan på betongens kvalité, vilket kan resultera i att sammansättningen influerar blandningen och därmed hamnar utanför kraven [13]. Figur 2.9 Olika typer av separationer [1] 18
2.9 Hårdnande betong Det som gör att betongen steg för steg börjar hårdna är den kemiska reaktionen mellan cement och vatten d.v.s. hydratationen. Sambandet mellan betongens hållfasthetsutveckling och tid kan schematisk beskrivas enligt figur 2.12. Betongen delas in i fyra faser; färsk betong, ung betong, hållfasthetstillväxt- och hårdnad betong. Under färska betongfasen kan betongen fortfarande formas och vibreras. Vid fas 2 ung betong sker tillstyvnandet och förändringar i betongens egenskaper snabbt. Betongen är väldig känslig för uttorkning (sprickor) och temperaturpåverkan (frysning/värmehärdning) och belastning under denna fas. Vid fas 3 är betongen mindre känslig för yttre påfrestningar och börjar påminna om fas 4 hårdnad betong, däremot är dess mekaniska egenskaper inte fullt utvecklade [1]. Figur 2.10 Schematisk bild av betongens hårdnande [1] Den kemiska reaktionen som uppstår mellan cement och vatten bildar kalciumhydroxid och cementgel [16], där gelen omsluter cementkornens yta. Volymen på cementgelen kommer att vara större än volymen av cementkornet, som reagerat, pga. den porösa egenskapen och kemiskt bundna vattnet (kristallvatten) som gelen innehåller [1]. Cementkornens porutrymmen fylls med cementgel i samband med reaktionen som fortgår mellan cementet och vattnet, vilket resulterar i en allt tätare och starkare cementpasta [16]. I figur 2.13 (d) visas det att det återstår ohydratiserat cement efter några månader. Cementgelen är inte kapabel till att fylla ut allt porutrymme, vilket skapar vissa hålrum, d.v.s. kapillärporer som är grövre än gelporerna [1]. Mängden av kapillärporer är proportionell med vattenhalten, ju större vattenhalt desto större mängd kapillärporer. Detta är anledningen till att permeabiliteten hos cementpastan höjs och därmed minskar hållfastheten och beständigheten [1]. Ju större avstånd det är mellan cementkornen desto högre porositet och sämre hållfasthet. Avståndet kan indikeras med vattencementtalet (ekv 2), där W är mängden blandningsvatten och C cementmängden [17]. Ett vct i intervallet 0.25 < vct < 0.50 är godtagbart för ett uppnå god arbetbarhet och konsistens hos betongen [15]. vct =!! Ekv 2 19
Figur 2.11 Cementpastans strukturutveckling [1] 2.10 Hårdnad betong Hållfasthet Betongens hållfasthetstillväxt är proportionell med temperaturen, d.v.s. i samband med temperaturökning sker en snabbare cementreaktion, vilket leder till en snabbare hållfasthetstillväxt, se figur 2.14. Denna figur visar att till en början ökar hållfastheten snabbt och blir allt långsammare med tiden. Betongen tenderar att nå sin slutliga hållfasthet efter 28 dygn (vid 20 C) för Std-cement och efter 7 dygn för SH-cement [9]. Det kan ta mycket längre tid beroende på cementtyp, vct, temperatur och tvärsnittstjocklek. Figur 2.12 Betongens hållfasthetsutveckling med temperatur inverkan [9] 20
Tryckhållfasthet Betongens mest provade egenskap är dess tryckhållfasthet, vilket demonstrerar en god bild av betongens kvalité [1]. Dess tryckhållfasthet är betydligt större jämfört med draghållfastheten, därav är det vanligt med armeringar i betongkonstruktioner. Tryckhållfastheten provtrycks och mäts utifrån att en kub eller cylinder gjuts och testas för sin kubhållfasthet eller cylinderhållfasthet. Som tidigare nämnts består betongen av bundna ballastpartiklar av hårdnad cementpasta. Ballastpartiklarnas hårdhet är större än cementpastan. Om betongen är riktigt komprimerad med ballast blir betongens hållfasthet oberoende av cementpastans hållfasthet. Desto mer vatten som späds ut med cementpasta ju mer blir betongens hållfasthet beroende av vct [1]. Figur 2.15 visar kub provningar för Std-cement som lagrats i vatten och luft fram till 28 dygn. Figur 2.13 Samband mellan vct och tryckhållfasthet [18] 21
När betongen innehåller luftporer från tillsats av luftporbildande medel innebär de att cementpastan innehåller finfördelad luft. Detta har inverkan på cementpastan liksom kapillärporer och beaktas genom att tillämpa vattenluftcementtalet (vlct) (ekv 3) istället för vct, där w är mängden vatten, L volymen porer och C mängden cement [18]. Figur 2.16 visar sambandet mellan tryckhållfastheten och vlct. vlct =!!!! Ekv 3 Figur 2.14 Samband mellan vlct och tryckhållfasthet [18] 2.11 Proportionering Delmaterial och deras proportion väljs beroende på önskemålet för betongens egenskaper. Det finns ingen metod som är exakt för proportionering av delmaterial. Det är viktigt att även göra en förundersökning, genomgripande provblandning och provning av betongens egenskaper. Resultaten kan vara positiva eller negativa, ifall resultaten är negativa i förhållande till önskemålet så måste betongens sammansättning justeras [1]. Faktorerna som påverkar valet av proportioneringen är: Val av vattencementtal Val av konsistens Val av ballastgradering Bestämning av vattenhalt och cementhalt [1] 22
3 Provningsmetoder Tabell 3.1 och 3.2 nedan framgår provningsprogrammet som har tillämpats hos Cementa Research. Provningsprogram Ackrediterade metoder Mätosäkerhet 1 Bindetid på cementpasta enligt EN 196-3. 3,7 % Densitet på fasta material (autopyknometer) enligt 40 kg/m 3 ER-metod 92/28 Värmeutveckling under reaktionsförlopp i Mikrokalorimeter (TAM) enligt CR metod 14 % 09/01 Specifik yta enligt Blaine, (ER-metod 93/01) EN 3 % 196-6. Kornstorleksfördelning på cement och ballast enligt ER-metod 93/22. - Fukt och Glödförlust på fasta material enligt ERmetod 92/13 0,18 % Kemisk sammansättning enligt ER-metoderna 0,019-0,233 abs % 92/14 och 92/12 beroende på element Kornstorleksfördelning hos ballast enligt EN 933-0,3 % 1:2012. Tabell 3.1 Provningsprogram, ackrediterade metoder [19] Ej ackrediterade metoder Gipskristallvatten i cement enligt ER-metod 91/04 Fri CaO enligt ER-metod 94/15. Torrhalt på tillsatsmedel: enligt SS-EN 480-8:2012 Densitet på tillsatsmedel: genom vägning av känd volym. Volymen är 100 ml. Tabell 3.2 Provningsprogram, ej ackrediterade metoder [19] 3.1 Bestämning av kornstorleksfördelning För att snabbt få en överblick på hur förhållandet är mellan fraktionerna utförs en så kallad kornstorleksfördelningsbestämning med hjälp av olika siktningsapparater. De mest intressanta fraktionerna är < 2 mm och i synnerhet mängden finpartiklar < 0,063 mm [20]. Fraktioner < 0,063 mm medverkar till stor specifik yta, vilket bidrar till att mängden av finpartiklarna kommer att ha stor inverkan på ballastens vattenbehov vid blandning [20]. Traditionell siktning För att säkerställa kornstorleksfördelning av materialprover tillämpas siktning av proverna. Med traditionell siktning mäts andel partiklar som passerar en viss hålöppning, se figur 3.1. Lasersiktning Med lasersiktning ändras alla korn till runda innan fördelningen beräknas, d.v.s. att glimmerkorn beräknas som runda som i sin tur gör att finballast med stora mängder glimmer blir synbarligen alltmer grovkornig [21]. En skillnad mellan traditionell siktning och lasersiktning är att fraktionerna beräknas individuellt 1 Mätosäkerheten är beräknad med täckningsfaktorn 2, vilket ger en konfidensnivå på ca 95 % Mätosäkerheten anges som (%) relativt eller absolut (abs %) eller i övrigt gällande enhet, t ex. MPa, kg/m 3 [19]. 23
(korn %) för lasersiktning och vikt % för traditionell siktning [21]. Dessutom ger lasersiktning resultatmässigt större korn än traditionell siktning. En annan skillnad är att större korn mäts genom traditionell siktning jämfört med lasersiktning [19], se figur 3.2. Figur 3.1 Traditionell siktning med skakapparat [19] Figur 3.2 Lasersiktning - ljusdiffraktion [19] 3.2 Torrhalt och densitet för tillsatsmedel Som tidigare nämnts, används tillsatsmedel för att modifiera betongens egenskaper i färskt såväl som hårdnat tillstånd [8]. Tillsatsmedlen är vattenlösliga med en aktiv substans från några vikt-% upp till 45 % [19]. Torrhalten fås genom att dela vikten av aktiv substans genom totalvikten. Förändringar i torrhalten bidrar till förändringar i densiteten [19]. 3.3 Bindetid och vattenbehov Vattenbehovet fås ut genom att dividera mängden vatten och mängden cement. För finare cement är vattenbehovet i regel högre [19]. För nyblandad pasta mäts standardkonsistensen med en Ø 10 mm nål (300 g) som ska falla ner till en viss djup i pastan, se figur 3.3. Bindetiden är den tid det tar för nålen att falla ett visst djup i pastan (6 ± 3) mm från botten, d.v.s. den tid det tar för att uppnå styvheten [19]. Figur 3.3 Standardkonsistensnål [19] 3.4 Densitet och Blaine Blaine är ett mått på cementens finhet med enheten m 2 /kg. Ju finare finmalet cement desto högre Blainevärde. Blaine mäter hur fort luftström passerar genom kornbädden, d.v.s. mått på tätpackningen av kornen. När sammansättningens ändras genom att tillsätta kalksten i cement får detta konsekvenser på Blaine värdet. För att bedöma om cementet har rätt sammansättning mäts densiteten [19]. 24
3.5 Värmeutveckling under reaktionsförlopp i mikrokalorimeter (TAM) Värmeutveckling är ett mått på den värme som utvecklas av de tidiga cementreaktionerna. Kravet finns för cementens värmeutveckling (MH = moderate Heat, begränsar sprickrisk), enligt SS 13 42 02 får värdet inte överstiga 290 J/g. Årsmedelvärdet för anläggningscement skall vara 170 ± 20 kj/kg enligt överenskommelse mellan Skanska Betong och Cementa [19]. 3.6 SO3 och gipskristallvatten Mängden sulfater som finns i cementet beskrivs med SO 3. Sulfater finns i form av tillsatt gips och klinker. Dessa behövs för att reglera bindetiden till rätt nivå och optimera hållfastheten [19]. Hos cementa tillsätts gips CaSO 4*2H 2O som har två kristallvatten (dihydrat) i cementet. Vid malning till cement skapas det värmeutveckling där en del av kristallvattnet omvandlas till gips med halvt kristallvatten CaSO 4*1/2H 2O (hemihydrat). Förhållandet mellan dihydrat och hemihydrat är avvattningsgraden. För höga halter av hemihydrat har visat sig ge upphov till segare konsistens och eventuellt konsistenstapp [19]. 3.7 Glödförlust, CO2 och beräknad mängd kalksten Glödförlusten mäts genom att värma upp cementet och mäta viktförlusten vid 975 ± 25 C. Detta ger upplysningar om cementet är fuktskadat eller innehåller kalksten [8]. Eftersom CO 2 står i proportion till innehållet av kalksten, beräknas kalkstensinnehållet med hjälp av CO 2 [19]. 3.8 Alkali Båda Na 2O och K 2O tillhör alkalierna och brukar summeras till Na 2O-ekvivalent (0,658 * K 2O + Na 2O) för att fastställa totala alkaliinnehållet. För anläggningscementet får alkaliinnehållet inte överstiga 0,6 % enligt SS 134203 [19]. 3.9 Kemisk sammansättning inkl. fri CaO De fyra grundelementen CaO, SiO 2, Fe 2O 3 och Al 2O 3 bildar de fyra cementmineralen C 3S, C 2S, C 4AF, C 3A. För att möta upp kraven för bland annat tidig och sen hållfasthet kan justeringar göras på dessa mineraler. MgO förekommer också där men binds inte med de fyra cementmineralen. Kalk som inte bundits under ugnsprocessen stannar kvar som CaO (fri kalk) [19]. 25
4 Teoretisk analys 4.1 Cement Cement har en stor påverkan på betongens samtliga egenskaper, som hållfasthet, värmeutveckling och beständighet. Den kemiska sammansättningen påverkar alltifrån betongens hanterbarhet, färg och beständighet [10]. Kemisk sammansättning C 3S, Alit Mineralet alit reagerar snabbt med vatten och har störst betydelse för hållfasthetsutvecklingen fram till 28 dagar. Figur 4.2 visar att högre alithalt ger snabbare hållfasthetsutveckling, d.v.s. högre korttidshållfasthet [10]. C 2S, Belit Mineralet belit reagerar långsamt med vatten och har störst betydelse för hållfastheten på lång sikt, d.v.s. långsammare men högre långtidshållfasthet. Förhållandet mellan alit och belit beskriver cementens hållfasthetsutveckling, se figur 4.1. Ett långsamhårdnande cement består av 40-50 % belit [10]. C 3A, Aluminat Aliminat och vatten reagerar väldigt snabbt, vilket ger en snabb bindning om ingen retardator tillsätts. Dessutom har aluminat betydande roll för cementets beständighet mot sulfater [10]. C 4AF, Ferrit Reaktionshastigheten är normalt hög från början, men varierar beroende på sammansättningen. Ferrit bidrar till tidigt hållfasthet och mörk färg [10]. Figur 4.1 Klinkermineral tryckhållfasthetsutveckling [10] Figur 4.2 Förhållandet mellan alit och hållfasthet [10] 26