Helkrossad betongballast proportionering och användning i betongproduktion Björn Lagerblad, CBI Betonginstitutet Ur miljösynpunkt vill myndigheterna minska användningen naturgrus. Betong förbrukar en stor del av naturgruset speciellt i 0-8 mm fraktionen. Det ända material som ersätta natursand lokalt och i tillräckligt stor volym är krossat berg Krossat berg som sand kommer att utan åtgärd att leda till större transportavstånd och ökad cementförbrukning Detta kan leda till ökad energiförbrukning vilket ökar miljöpåverkan
Miljöpåverkan och växthusgaser I Sverige förbrukas ca 2,3 miljoner ton ren cementklinker per år. Omräknat till ren Portland cement (CEM I) genererar 1 ton cement ett utsläpp på 800 kg CO 2. Detta ger ca 1,6 miljoner ton CO 2 per år. En del tas upp genom karbonatisering men man måste kalkylera med mera än 1 miljoner ton CO 2 per år Det förbrukas ca 12 miljoner ton ballast. Beräknat på helkross genererar detta ca 0,027 miljoner ton CO 2. Transporterna av ballast baserat på bränsleförbrukning generar ca 0,024 miljoner ton CO 2 Tillverkningen av betong och sammanhängande transporter genererar ca 0,024 miljoner ton CO 2 Det är viktigast att begränsa cementkonsumtionenmen man bör även minska på transporter och transportavstånd
Helkrossat berg som betongballastproportionering och användning i betongproduktion Krossprodukter är mera kantiga och flakiga än naturballast. Detta ger problem med betongens arbetbarhet. Utan kunskap och anpassad proportionering så kommer krossprodukterna att kräva mera vatten dvs cementbehovet ökar. För betongproduktion krävs att produkten är homogen vilket kräver kvalitetssäkring
Finansiärer och deltagare Detta är ett projekt samfinansierat av Energimyndigheten (Pnr 30491) Konsortiet för finansiering av grundforskningen inom CBI Betonginstitutet (Cementa AB, Betongindustri AB, Färdig Betong AB, Swerock AB, Strängbetong AB och A-betong AB) Övriga företag som bidragit med material och egeninsatser är Jehander AB, Nordkalk AB, NCC och SBMI
0,5-1,0 mm 0,125-0,25 mm Naturballast Krossballast Kornformen för grovballast beror på bergartens textur. För finballasten består beror det på bergartens mineralogi
Varför ger krossballast problem Krossat berg har mera kantiga och flakiga partiklar än naturballast. En färsk betong är en partikelslurry där alla partiklar inklusive cement rör sig mot varandra i vatten. Upp till 7 av betongmassan består Virtuell av ballast packning. De större partiklarna Vid rullar vanlig proportionering på de mindre. skall För ballasten att massan vara skall väl packad men kunna röra sig så behöver varje partikel mera kantiga/flakiga behöver en fluid fas partiklar bestående större av cementbruk rörelsevolym. och mindre partiklar att röra sig i Om alla partiklar är flakiga så medför detta att man måste öka En flakig partikel behöver mera utrymme att rör sig i. Därför krävs mera mängden vatten och cement. pasta/finmaterial. Proportioneringsystemet måste därför kunna ta hänsyn partikelformen i varje fraktion. Fluid fas att röra sig i Partikel
För en optimal proportionering behöver man anpassa kornkurvan till kornformen. Man behöver kunna mäta och numeriskt beräkna effekten av kornform i alla fraktioner Effekten av sten är känd men nu måste vi lära oss att kunna beräkna finballasten Speciellt fillern (<125 mm) är viktig och dess kvalité måste kunna bestämmas. För betongproportionering behöver vi kunskap om Karakterisering och kvalitetsbedömning av krossprodukter Arbetbarhet och reologi kopplat till karakterisering Ett proportioneringsprogram som räknar ut optimal sammansättning
Analysmetodik Beskrivning Arbetbarhet/reologi Ställföreträdande tester Bergartsklassificering Tunnslip Petrografi Tunnslip kornform Röntgendiff Mineralogi. Mikrobruk Bruksreologi Krossgrus 0-2 mm Sandekvivalent Lasersiktkurva Vanlig siktkurva Betongförsök Packningsgrad BET-yta
Passerar [%] Karakterisering och kvalitetsbedömning av krossprodukter Arbetet har koncentrerats på 0-2 mm då denna fraktion ger flest besvär och är svårast att undersöka 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 GK A N1 K1 K3 K5 K7 K9 K11 K13 K15 K19 GK B N2 K2 K4 K6 K8 K10 K12 K14 K17 0.01 0.1 1 10 Sikt [mm] Normalt ger krossning mera finmaterial än vad man finner i naturgrus För mycket finmaterial/filler kan åtgärdas genom vanlig siktning, vindsiktning eller tvättning
Passerande (%) Lasersikt 0-0.25 mm Siffror inom ( ) är BET-yta 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 N1 (2650 m2/kg) N2 (3845 m2/kg) N3 (2343 m2/kg) K24 (1671 m2/kg) K25 (3735 m2/kg) K26 (5097 m2/kg) K27 (1330 m2/kg) K28 (1910 m2/kg) K29 (1000 m2/kg) K30 (1057 m2/kg) K31 (995 m2/kg) K32 (3224 m2/kg) K33 (1593 m2/kg) K34 (547 m2/kg) K35 (699 m2/kg) K38 (2089 m2/kg) K39 (1623 m2/kg) K40-3 (1648 m2/kg) K41-1 (917 m2/kg) K44 (11740 m2/kg) K45 (754 m2/kg) K46 (11320 m2/kg) K47 (1792 m2/kg) K48 2102 m2/kg K51 (1181 m2/kg) K52 (2233 m2/kg) K55 (1082 m2/kg) K56 (969 m2/kg) K57 (1448 m2/kg) K58 (1051 m2/kg) K59 (1619 m2/kg) K60 (737 m2/kg) 0 0,1 1 10 100 1000 Kornstorlek (µm) Det är stor variation på fördelning. Naturgrus innehåller lite fint material men lerhalten kan vara hög. Krossgrus innehåller ibland olika leror vilket ger problem med arbetbarhet. Bör ligga under 2000 m 2 /kg men det beror på totala mängden fint. 0-0,125 av 0-2 mm. Om högt värde på BET-ytan måste man undersöka anledningen. Kan åtgärdas genom tvättning.
Kornform När det gäller större korn så bestäms kornformen av bergartens textur och krossteknik För mindre korn bestäms det av bergartens mineralogi, fria mineralkorn. Kornformen kan bestämmas direkt genom mätning av större partiklare (SS-EN 933-4) eller genom bildanalys i mikroskop av mindre partiklar Kornform ner till 1 mm kan bestämmas med hjälp av spaltsikt (SS-EN 933-3) Kornformen kan indirekt bestämmas med hjälp av lös packning (hålrum) eller rinntid i tratt.
Bildanalys Kan göras på planslipade ytor med kamera eller kamera i mikroskop (tunnslip eller SEM) Tunnslip F-aspekt F-shape Råhet
Bildanalys ger numeriska värden på flakigheten. n Krossballast Naturballast Flakiga
Geometrisk skillnad mellan olika fraktioner i olika typer av grus.
Andel fri biotit i vol.% Yield stress [Pa] Mängden fri glimmer relaterar direkt mot flakigheten som i sin tur påverkar reologin, speciellt segheten (plastisk viskositet). Ett bra krossgrus skall innehålla små mängder flakig glimmer vilket är en bergartsegenskap-välj ett berg med lite glimmer. 50 40 30 R² = 0,76 300 250 200 150 N1 K6 K7 K1 K5 K15 0.6 F-aspect 0.4 20 10 0 0 0,25 0,5 0,75 1 Kornform som F-aspekt 100 50 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Plastic viscosity [Pa s]
Petrografisk analys på olika graniter (tunnslip 100% 0,075-0,125 mm 75% 50% 25% 0% 100% K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10 K11 K12 K13 K14 K15 K16 N1 0,125-0,25 mm 75% 50% 25% 0% 100% K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 P rk9 o v K10 K11 K12 K13 K14 K15 K16 N1 1-2 mm 75% 50% 25% 0% K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10 K11 K12 K13 K14 K15 K16 N1 Glimmer Kvarts Fältspat Hornblände Pyroxen Salisk Mafisk
Kvarts 10 Kvartsrik granit Kvartssyenit Granit Granodiorit Kvartsdiorit Kvartsmonsonit Syenit Diorit Alkalifältspat 10 Kvarts Plagioklas 10 Små variationer i halterna av Al, Fe, Mg ger snabbt variation i mängden biotit och muskovit
Fri glimmer i vol.% Bildanalys och mängd fri glimmer i hela materialet hos fyra prover Sikt i mm 11-16mm N1 F-asp Fri biotit i % K2 F-asp Fri biotit i % K3 F-asp Fri biotit i % K4 F-asp Fri biotit i % 0,58 0,55 0,54 0,54 5,6-8mm 0,58 0,53 0,52 0,53 4-5,6 mm 0,57 0,53 0,52 0,53 1-2 mm 0,53 0,50 0,48 0,49 0,5-1mm 0,59 0,3 % 0,49 0,46 0,3 % 0,55 3,3 % 0,25-0,5mm 0,125-0,25mm 0,58 0,6 % 0,59 2,3 % 0,075-0,125mm 0,58 3, 0,47 6,6 % 0,44 11, 0,43 12,6 % 0,50 0,3 % 0,48 0,6 % 0,47 0,6 % 0,49 10, 0,44 20,3 % 0,41 22,3 %
Bergart Mineral Grovkorniga bergarter
Indirekta metoder för bestämning av kvalité Packning SS-EN 933-10 Flödestal SS-EN 933-6 Metylenblått SS-EN 933-9 Sandekvivalenttest (SS-EN 933-8) Specifik yta-bet-yta Filler -vattenbehov och utflytstest
Tester för beständighet Frost Porositet/vattenabsorbtion SS EN 1097-6 Skall vara under 1 %. Kan även testa enl. SS EN 13 1367-1,2 Uttorningskrympning-volymsstabilitet SS-EN 1367-4 Uppträder oftast med basiska bergarter Alkalisilika reaktion. Ger svällning om fuktigt. Petrografisk analys eller test. Klorider-salter SS-EN 1944-1 Ovanligt vid kross. Syralöslig sulfat- Total svavel SS-EN 1744 Pyrit och magnetkis kan förkomma.
voids [%] Packning-visar råhet och kornform Packning speciellt Loose lös packing packning to determine indikerar Flakiness kornform 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 y = 0,3992x + 46,995 R 2 = 0,6343 0 5 10 15 20 25 flakiness index [%] 1.0-1.25 1.6-2.0 Serie3 Flakighetsindex med spaltsikt (till ca 1 mm) Flödeshastighet i tratt
Flödestal (s) Flödestal (s) Fmin/Fmax (-) Flödestal. Multifunktionel test som kan vara bra för kvalitetskontroll 40 35 30 25 Konkrossad Kubiserad 0,7 0,6 N3 K20 K23 K40-2 K41-1 K48 20 K55 15 10 0,5 5 0 N3 K65 K66 K67 0,4 20 25 30 35 40 45 50 Flödestal (s) 26 24 22 N3 K2 K62 K55 K55 Kubiserad 20 18 16 14 12 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Andel 2/4 mm (%)
Flödestid [s] På Nya Zeeland har man använt en kombination av packning och flödestal för att få ett kvalitetskriterium. Vi har testat det och det är ganska komplicerat att tolka, speciellt för krossgrus. Kan delvis justeras med SP Material 0-2 45 40 35 30 25 20 Grov-dålig arbetbarhet 40 42 44 46 48 50 52 voids [%] Dålig gradering eller kornform Fin- dålig arbetbarhet DINsand N3 K27 K29 K40-3 K41-1 K41-2 K48 K51 K55 K59 K57 K60-1 Kan utprovad vara bra för kvalitétskontroll
Metylenblå testen Ger huvudsakligen vattenabsorberade leror. Viktig för kalkstens och basit ballast Ger svag ökning med ökad mängd glimmer
N1 N2 K24 K25 K26 K27 K28 K29 K30 K31 K32 K33 K34 K35 K38 K39 K40-2 K41-2 K44 K45 K46 K47 K51 K53 K54 K59 K56 K40-1 K58 K60-1 K57 K55-1 K41-1 K40-3 K60 K55 N1 N3 K24 K25 K26 K27 K28 K29 K30 K31 K32 K33 K34 K35 K38 K39 K40-2 K41-2 K45 K47 K53 K54 K59 K56 K40-1 K58 K60-1 K57 K41-1 K40-3 K60 K55 SE-värde (%) SE-värde (%) Sandekvivalent- En sedimentationstest Ursprunglig gradering Omsiktat till standard gradering 100 100 90 90 80 80 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 Sandekvivalenten ger huvudsakligen mängden filler och speciellt ultafin filler Det ger även en indikation på leror. Tidigare var stora mängder fint besvärligt men det löser man idag med superplasticerare.
N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 K34 K35 K60-1 K45 K41-1 K56 K31 K29 K58 K30 K55 K51 K27 K57 K33 K59 K39 K40-3 K24 K47 K28 K38 K48 K52 K32 K25 K26 K46 K44 Specifik yta (m 2 /kg) Specifik yta 12000 10000 Specifik yta för finfraktionen (0/0,25 mm) hos de oförädlade ballastmaterialen 8000 6000 4000 2000 0 Hög specifik yta ger problem med arbetbarhet. Naturgrus har en stor yta men mängden 0/0,25 är liten. Tvättning eliminerar oftast problemet.
Vattenbehov och utflytstest Filler (0/0,125 mm) Puntke testen mäter maximala vattenupptaget innan massan rör sig. I utflytstesten mäter man hur utflytet ökar med vattentillsats. Vatten/ pulver Utflyt
Arbetbarhet reologi Det råder en koppling mellan ballasten materialegenskaper och arbetbarhet/reologi. Materialegenskaperna skall vara sådana att man kan tillverka god betong utan att behöva öka vattenbehovet och därmed cementförbrukningen.
Slutsatser material Från början behöver man en noggrann genomgång av krossmaterialet. Det karakteristiska för den individuella ballasten måste etableras Därefter kan man anpassa olika materialtester så att de kan användas för kvalitetskontroll