GÅR DET ATT.TORKA BETONGPROVER MIKROV ÅGSUGN?.. -.:.............,,, :~ r : ' EXAMENSARBETE Handedare: Anders Nisson LUND JANUARI 1989 JONAS ANDERSSON
FÖRORD Föreiggande rapport är ett examensarbete utfört vid avdeningen för Bärande Konstruktioner på Lunds Tekniska Högskoa. Under examensarbetets gång har jag fått stor hjäp av personer som stät upp på intervjuer och försökt att besvara aa mina frågor. Jag vi här passa på att tacka dem för sitt engagemang. Jag vi även tacka min handedare civ ing Anders Nisson, som har hjäpt och inspirerat mig på ett bra sätt, samt civ ing Jon Gudmundsson och övrig persona på avdeningen för Bärande Konstruktioner. Lund i Februari 1989 Jonas Andersson
GÅR DET ATT TORKA BETONGPROVER I MIKROVÅGSUGN? INNEHÅLLsFÖRTECKNING SIDA O. ABSTRACT--------------------------------------------=3. BAKGRUND OCH SYFTE----------------------------------~4 ----------------------------= 2. ALLMÄNT OM MIKROVÅGBUGNAR 5 2.1 Funktionssätt 2.2 Vika mikrovågsugnar går att använda? 2.3 Exempe på användare 3. TIDIGARE UNDERSÖKNINGAR ----------------------------~1~0 5 8 9 3.1 Torkning av samprover 3.2 Rekonditionering av asfatsbetong 3.3 Torkning av jordprover O 12 4. TORKNING AV BALLAST--------------------------------~1~3 4.1 Materia 4.2 Försök och resutat 4.3 utvärdering 13 13 17 5. TORKNING AV BETONG----------------------------------~1~8 5.1 Materia 5.2 Försök och resutat 18 18 6. DISKUSSION ~2~4 7. REFERENSER ----------------------------------------~2~7 BILAGOR 2
ABSTRACT The aim of this study was to investigate if it is possibe to dry concrete sampes in a microwave aven without damaging the concrete. This method coud, if it is possibe, fadiitate the work in many aboratories today. In the beginning of the work a theoretica study over the behavior of the microwaves is done. Same different areas in the construction business where it is possibe to use microwaves, is aso mentioned in the text. The practica part of the work beginns with same experiments where the possibiity of drying concrete aggregate is investigated. The resuts from these experiments were very good and the use of the microwave aven for this purpuse can easiy be recomended. The resuts from the experiments with concrete sampes are not so easy to interpret. According to the resuts, it is possibe to dry the sampes in the microwave aven but simutaneusy with the drying a oss in strength has been observed. This is probaby eaused by the high staampreassure that occur in the concrete during the drying process. The use of the microwave aven for drying concrete sampes can therefore not be recomended at this time. More investigations has to be done in order to cear the remaining questions. 3
1. BAKGRUND OCH SYFTE Förmågan att komma på nya tiämpningar av känd teknik är ett sundhetstecken för mänskigheten. För ett par år sedan sog mikrovågstekniken för matagning igenom och mikrovågsugnen kaades för årets jukapp och den perfekta bröopspresenten. Medan djupfrysta buar tinades i ugnen började en och annan ingenjör tänka ti i fa mikrovågsugnen kunde användas ti något på jobbet. Idag finns det även exempe inom byggnadsindustrin där mikrovågsugnar används regebundet för att spara tid gentemot traditionea metoder. Avsikten med detta examensarbete är att få en första översiktig kunskap om mikrovågsugnen och dess användande inom betongindustrin. Examensarbetet består av föjande fyra moment: * Beskriva hur en mikrovågsugn fungerar. * Sama information om användare av och tiämpningsområden för mikrovågsugnar. * Torka baastmateria i mikrovågsugn och jämföra resutaten med baast som är torkad i vanig ugn. * Torka betongkuber i mikrovågsugn och bedömma i fa betongens tryckhåfasthet minskar, d v s skador uppstår. Syftet med de tre första momenten är uppenbart, men det fjärde momentet behöver förkaras ite närmare. Betongkonstruktioner påverkas av aster och mijö. Denna påverkan kan eda ti en skadeackumuering och oika nedbrytningsprocesser. I en utvärdering av en konstruktions beständihet behöver båda dessa aspekter beaktas var för sig men också i samverkan. Vid avdeningen för Bärande Konstruktioner på Lunds Tekniska Högskoa bedrivs forskning inom detta område och det skue ge stora tidsvinster ifa en mikrovågsugn kunde användas t ex vid cyketester. 4
2. ALLMÄNT OM MIKROVÅGBUGNAR 2.1 Funktionssätt Är torkning av betong och baastprover i mikrovågsugn möjig? Hur bör torkningen utföras? För att kunna ge ett tifredstäande svar på dessa och iknande frågor är det viktigt att känna ti det grundäggande funktionssättet hos mikrovågor och mikrovågsugnar. I en mikrovågsugn upphettas materia med hjäp utav högfrekvent eektromagnetisk stråning. Mikrovågor definieras normat som eektromagnetiska vågröreser med en vågängd mean m och mm. Mikrovågors växeverkan med oika typer av materia är beroende av materiaet i sig och av frekvensen (f) på vågorna []..-- Red Very Iong w aves Long Medium Short waves wav!s waves Utra short w aves 100 CnJ Vågängd Microwavcs ( 100-1 cm) cm Ururnicrowaves (10-0.1 ) 0.1 mm nfrared tay ( 00-0.7 / III) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 "'3, 1 3 3 3 3 J x IO x Q4 x \05 x Q6 x 10 1 x 10 8 < 109 x IQIO x IQII X \() H Frekve.n5 (Hz.) -Orange - Ycow...----Green --Bue - Vioet U\tavioct : (0.43-0.003 J.) : '"'"~'"'' X rny --+---------,---1-U'-----,1--~ - Radar - f-+---<cocrs,._j ----------->-1 0.0001 A~ radio 0.001 CB! 0.01 Short\\'J\ C" diatherm y 0.027,_...! ~-T_V_~ r.icrowavc uvens! O. r.ficrowave diathcnny t 2,45! utruston uarms O 100 Frekvens (H L) Figur 1. Eektromagnetiskt spektra och tiämpningsområden för mikrovågor [1]. 5
Speciet i mikrovågsugnar använder man sig av vågröreser med frekvenser runt 2450 MHz viket motsvarar en vågängd på 0.12 m (Figur 1). Mikrovågor, iksom vanigt jus, kan ses som små energipaket med energin E=h*f där h står för paneks konstant och f för frekvensen.! en mikrovågsugn motsvarar frekvensen, enket uttryckt, den energi som krävs för att en vattenmoeky ska förfytta sig från en energinivå, eer vibrationsmod, ti en annan. Vibrationen i moekyen ökar, viket är detsamma som att temperaturen ökar. Frekvensen på vågorna i mikrovågsugnen är speciet anpassad så att vattenmoekyer ska absorbera dessa och gå över ti en högre vibrationsmod (Figur 2). Denna frekvens (2450 MHz) kaas en resonansfrekvens. Paraeer ti egenmoder och resonansfrekvenser hos byggnader, byggnads dynamik, kan dras. En byggnad svarar, som bekant, med stora vibrationer då den utsätts för svängningar med en för byggnaden specie frekvens. Detsamma gäer för vattenmoekyen som även kan betraktas som en iten byggnad. Vatten moekyers absorbtion av vågröreser med oika frekvenser kan utäsas ur ett absorbans spektrum. Det kan även inträffa att moekyens spinn förändras då en viss energimängd tiförs. Röresen i moekyen,temperaturen, ökar även då och frekvensen som motsvarar denna energimängd kaas också resonansfrekvens [ 1, 2]. z F" öre [fte.r if2 E2-- ~ (a) Absorption x Absorbtion Figur 2a. Eektromagnetisk vågrörese. H = magnetfät, E = eektrisktfät. Figur 2b. övergång mean oika vibrationsmoder med hjäp utav m~krovågor med energin E = h*f. 6
Även andra moekyer än vatten kan ha en resonansfrekvens runt 2450 MHz och atså absorbera dessa mikrovågor med upphettning som föjd. För att ett ämne ska uppföra sig som vatten,vid växeverkan med mikrovågor,krävs dock att moekyerna är uppbyggda på ett sätt iknande vattenmoekyens [2]. Funktionssättet beskrivet ovan är bara en av de oika mekanismer som existerar för växeverkan mean mikrovågor och materia. De festa edare så som metaer och säktingar ti dessa växeverkar på ett het annat sätt med mikrovågor än vad vatten gör. Metaerna kan sägas absorbera a mikrovågsenergi i sitt yttersta skikt, en sorts superabsorbans som t ex kan kortsuta en mikrovågsugn. Detta är anedningen ti varför man inte kan använda föremå av meta vid matagning i mikrovågsugn. Även vissa sater växeverkar på ett annat sätt än här beskrivet [2,6]. Mikrovågorna i en mikrovågsugn astras av en magnetron, som bara är en utav fera förekommande mikrovågs astrare. Som exempe på andra kan kystronen och masern nämnas. En utförig beskrivning av dessa tämigen kompicerade komponenter finns i [1]. Vågorna, som stråar ut i ugnen genom en vägedare, absorberas antingen direkt eer refekteras mot väggarna i ugnen och preparatet, för att därefter träffa något som absorberar energin. På så sätt uppstår ett kompicerat mönster av stråar i ugnen och energifördeningen bir därför inte het homogen m a p rummet. För att uppnå en jämnare energifördening i preparatet som bestråas, har vissa ugnar försetts med en roterande patta att pacera preparatet på. En mer avancerad utformning av vågedareementen kan även det ge en jämnare bestråning av preparatet. På de festa mikrovågsugnar finns det även en timer och en effektväjare så att ämpig energimängd kan stäas in (1,2,3]. 7
60 40 20 \ \ \ ~----~--------------~-------~ O O 1':1 '.O 0\:UP (cm) Figur 3. Exempe på mikrovågors inträngningsdjup i asfatsbetong. Temperaturförden~ng efter fyra minuters bestråning (215 kw/m) [4]. För att beskriva mikrovågornas inträngningsdjup kan paraeer ti synigt jus dras. Mikrovågor iksom jus refekteras nästan het av vissa materia, absorberas av andra och kan passera utan växeverkan genom ett tredje. Bandformer förekommer givetvis. Ti skinad från norma värmeedning angriper mikrovågorna direkt på djupet i en kropp, hur djupt beror främst på materia och effekt. I kroppar bestående av oika materia värms ämnen som vatten upp genom växevärkan med mikrovågorna, vattnet värmer sedan omgivande materia genom norma värmeedning (f=2450 MHz). Ett exempe på temperaturfördening vid bestråning med mikroväger kan ses i figur 3. I en mikrovågsugn är inträngningsdjupet av vågorna i ivsmede ca tre cm [2,4a,5]. 2.2 Vika mikrovågsugnar går att använda? I dag finns det en mängd oika typer av mikrovågsugnar på marknaden, de festa avsedda för matagning. Ugnarna avsedda för matagning skijer sig inte på någon väsentig punkt från de ugnar som är framtagna speciet för aboratorieanayser. De för vår undersökning reevanta skinaderna band marknadens hushåsugnar, igger i uteffekt 8
,normat 600 W, instäningsmöjigheter av effekt och tid samt i förekomsten av roterande patta eer motsvarande. De speciativerkade mikrovågsugnarna för aboratorieanayser kan, i motsats ti vaniga, ofta dessutom erbjuda en möjighet att bestråa preparatet med stråpuser vikas impus- och paustid het kan programmeras efter användarens önskemå. Stråningseffekten hos dessa speciaugnar påstås även vara mer ikformig än hos vaniga mikrovågsugnar. Detta gäer mikrovågsugnen CM microtronic som är framtagen i västtyskand speciet för torkning [3]. Vid våra försök har vi genomgående använt en vanig mikrovågsugn för hushåsbruk med roterande patta. Denna ugn anser vi fut tiräckig för denna undersökning. Sammanfattningsvis kan man säga att aa mikrovågsugnar går att använda eftersom de i grund och botten fungerar ikadant. För att åstadkomma en mer skonsam torkning kan en speciaugn med intervabestråning användas. 2.3 Exempe på användare av mikrovågsugnen Trots avsaknaden av hänvisningar och bestämmeser inom detta område finns det redan idag statiga verk och andra företag som använder sig av mikrovågsugnen som ett hjäpmede. Mikrovågsugnarna används då främst som ett kompement ti vaniga ugnar vid fuktkvotsbestämning och andra torkningsprocesser. Ett exempe är vägverkets aboratorium i Aröv utanför Mamö, där man använder mikrovågsugnen som ett grovt inriktningsinstrument för fuktkvotsbestämning av diverse naturmateria. Ugnen används, enigt vägverket, dock enbart för snabba översiktskontroer och atså inte för kvaitetsanayser [7]. Ett annat exempe på användare av mikrovågstekniken är Caifornia Transportation Department i USA. Med hjäp av mikrovågsenergi upphettar och agar de vägbeäggning så som asfatsbetong och iknande materia som har fått sprickskador [4a]. 9
3. TIDIGARE UNDERSÖKNINGAR 3.1 Torkning av samprover Möjigheten att använda mikrovågsugn vid torkning och bestämning av torrsubstans hos diverse samprover har tidigare undersökts i två oika rapporter. De två undersökningarna, Campbe/Crescuoo [8] vid Wastewater Technoogy Center (WTC) i Burington, Canada och LumeyjKuhin [9] vid Ryaverken/Chamers tekniska högskoa, är mycket ikartade och eder båda fram ti ungefär samma resutat. Försöken utfördes med mikrovågsugnar avsedda för hushåsbruk. Båda udersökningarna omfattar försök med maxima effekt (ca 600 W). Samproverna som undersöktes av [8] hade en torrsubstanshat mean 0.2 % - 15 %. Samproverna i [9] var av iknande kvaitet. Proverna genomgick i båda faen en fitrering före anays varvid torrsubstansen i förhåande ti voymen ökade avsevärt, dessa kan därför fuktmässigt jämföras reativt bra med naturfuktig baast. Ingen kvaitativ undersökning av de torkade produkterna gjordes. I båda faen ger undersökningarna en mycket god överensstämmese mean prover torkade i värmeskåp (105 c) och prov torkade i mikrovågsugn, under förutsättning att en roterande patta för preparaten fanns. Cambe och Crescuoo [8] fick mycket ojämn torkning och prov som förstördes då man torkade utan roterande patta. Figur 4 visar resutatet från [8] då roterande patta användes. 20 r-----------------------~ MIXEO LICUDR - 6 "''"'"'t. o 4 LICUt: SLUOCE - 15 miru..,t.a a OE~Ar:RED SLUOCE - 15 "''"'"'~ o s 10 15 20 Tornuo51ansna -Vanig u9n ('o) Figur 4. En jämförese mean prover torkade i mikrovågsugn och vanig ugn. Den räta injen motsvarar perfekt överensstämmese [8]. 10
sutsatsen av dessa undersökningar är att mikrovågsugnen fungerar utmärkt för snabba, men ändå exakta, anayser av samprover. 3.2 Rekonditionering av asfatsbetong Vid Microdry Corporation, San Remo Caifornia, har man undersökt och utveckat en teknik att med hjäp av mikrovågsenergi upphetta och aga väg- och brobeäggningar. Undersökningarna har gett goda resutat. Vägbeäggning av asfatsbetong som har drabbats av frostskador och andra påfrestningar med sprickor och deformationer som fgjd upphettas ti en temperatur på mean 100 och 150 C (4a]. Upphettningen verkar, enigt undersökningen, simutant och ikartat över ett djup på ca. 15 cm. Asfaten bir i detta tistånd ätt att bearbeta och reparera. Inga skador på betong, asfat eer baast pga mikrovågor har rapporterats i undersökningen.(4:a,b] Vidare framkom det att den typ av mikrovågor som användes i det här projektet inte påverkade asfaten i sig nämnvärt. Det som absorberar mest energi är sten och baast vika förekommer ti en ande av 45 % i asfatsbandningen. Värmeutveckingen i dessa materia smäter i sin tur asfaten.[4a] Absorbtionen av mikrovågorna band de oika stenmateriaen i baasten skijde sig endast med ± 14 %. Mikrovågorna som användes i undersökningen har en sådan egenskap att energiåtgången för att upphetta vatten ti en given temperatur är fem gånger så hög som för att upphetta vägbeäggningen ti samma temperatur.[4a] Ett annat viktigt användningsområde, enigt Microdry Corporation, är möjigheten att aga sprickor i ytskiktet på betongbroar. Mikrovågorna upphettar och driver ut smuts och vatten med hjäp av ett förhöjt ångtryck. Asfat kan sedan tränga ner i sprickorna och försuta betongen.[4a] Försök har även gjorts med eektromagnetiska vågröreser från det infraröda spektrat, men dessa hade inte samma djupgående verkan.[4a] 11
Mikrovågorna som användes i dessa undersökningarna skijer sig i frekvens från de som används i mikrovågsugn. Det som här används är vad man kaar RF- seaers (RF= radiofrequence), dvs man använder sig av mikrovågor med en högre frekvens, 10-100 MHz, för att värma upp oika materia. Dessa vågor har inte samma utprägade effekt på vattenmoekyer utan är anpassade ti andra materia som grus och sten.[1] 3.3 Torkning av jordprover En undersökning, i mycket iten skaa, angående torkning i mikrovågsugn har gjorts vid vägverkets aboratorium i Jönköping. Torkning i mikrovågsugn av naturmateria såsom grus och era jämfördes med norma ugnstorkning men resutaten finns tyvärr ej dokumenterade. Resutaten var dock såpass goda att man idag använder sig av mikrovågsugn vid torkning och fuktkvotsbestämning när detta anses vara ett ämpigt aternativ.[10] Mikrovågsugnen som användes var avsedd för hushåsbruk och effekten sattes ti 720 w. Torktiden för naturfuktigt materia med en kornstorek upp ti 18 mm och en provstorek på 1.3 kg, var 8 minuter.[10] 12
4. TORKNING AV BALLAST 4.1 Materia Vid samtiga försök har baast av samma kvaitet och ursprung använts. Baasten har anayserats enigt svensk standard (13 21 22, 13 21 23, 13 21 26) (11] varvid föjande värden framkom: fuktkvoten densiteten finhetsmoduen u = 0.5 % 3 p = 2625 kg/m M = 2.58 Baasten som bestod av grus från Åstorp hade ingen kornstorek som översteg 8 mm i diameter. Vid torkningen Önigt (11] användes en norma ugn med taperaturen 105 ± 5 c. siktningsresutaten dvs siktkurvan för baasten återfinns i biaga 1. Tre oika siktningar gjordes med mycket god överensstämmese. Den mikrovågsugn som användes vid försöken är en standard ugn avsedd för hushåsbruk. Ugnen är av typ UPO, mode DMR-603 och har en maxima energiförbrukning på 980 W med en korresponderande uteffekt på 500 w. Effekten kan varieras mean fem oika fasta ägen. De ägen som här har använts är High (motsvarar en uteffekt på 500 W), Medium (300 W) och Warm (100 W). Frekvensen på mikrovågerna i ugnen är 2450 MHz. Ugnen som rymmer 18 är även utrustad med en roterande patta att stäa prover på, samt med en timer (O- 35 min). 4.2 Försök och resutat Två oika typer av försök utfördes, försök A och försök B. Vid försök A torkades baasten i mikrovågsugn för att utröna hur torkkurvorna vid oika effekter ser ut. Vid försök B jämfördes värden från baast torkad i mbkrovågsugn med värden från norma ugnstorkning vid 105 c. Maxima temperatur i baasten uppmättes också för att kontroera_om orimigt höga teperaturer uppstod. Försök A Baasten fuktades med vatten så att en reativt hög fuktkvot uppnåddes. Gruset fuktades dock inte så mycket så 13
att det "bödde", dvs at vattnet bands av gruset. Prov om 500 ± 5 g vägdes upp och pacerades på en porsinstarik. Proverna fördeades jämt över tariken. Torkningsförsöken i mikrovågsugnen gjordes på de tre oika effektnivåerna High, Medium och Warm. Försök gjorda på samma effektnivå har gjorts med grus från samma bandning. Tidtagningen, som primärt sköttes av timern, kontroerades med tidtagarur. Fyra försök på effektnivåerna High och Medium utfördes. Däremot utfördes endast ett på effekten Warm då torkningsprocessen på denna effekt var mycket ång och därför inte så aktue att undersöka. Vid torkningen vägdes prov och tarik tisammans varefter de torkades i mikrovågsugnen i en minut. Prov och tarik vägdes därefter igen och torkades i ytterigare en minut i ugnen. Detta förfarandet upprepades tis det att viktminskningen avstannade het. ngen omrörning av provet under torkningen gjordes. Mot sutet av varje deförsök ökades tiden i ugnen ti två minuter och därefter ti fyra minuter för att påskynda sutfasen av torkningen. Detta gjordes då viktminskningen understeg 4 g. Pausen som uppstod vid vägningen var i medeta 20 s. Efter varje torkningsföropp kontrovägdes tariken varvid framkom att ingen viktminskning av densamma hade skett. Förutom de tre totaa torkningsförsöken på effekterna High och Medium med vägning varje minut (prov 1,2,3,5,6 och 8) utfördes även ett ängre sammanhängande torkningsförsök på vardera av dessa effektägen. På effekten High torkades ett prov (prov 4) i 20 minuter och på effekten Medium ett prov (prov 7) i 34 minuter, viket var den tid som behövdes för att torka respektive prov enigt metoden med pausinterva. Vid torkningen av baast på effektäge Warm fuföjdes inte hea torkningen utan avbröts då en fuständig torkning hade krävt en orimigt ång tid i ugnen. Fuktkvoten uppskattades därför, baserat på utseendet, ti 11 % och torkningen utvärderades sedan med detta i åtanke. Resutaten från torkningsförsöken med vägning varje minut finns sammanfattade i diagrammen 1-3 nedan. Prov 4 som torkades i 20 minuter på effektäge High gav en fuktkvot på 13.3% och motsvarande prov på medium, prov 7, gav en fuktkvot på 14.9 %. 14
TORKNING RV BRLLRST I MIKROVÅCSUCN Crus från Åstorp Effektage HICH 10 5... Prov Prov 2 o ~--,--.--..,...-,--,---.--r-.,..-,.--,----r-..,...::ri~"t=,...,._,..~ -P rov 3 o 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Fukt kvot C%) 20 Effektäge MEDIUM 15... Prov 5 Prov 6 0 L.,c-r-"1'-,-,-..,...,-,-,...,-,.-,-,-,--r-r-.,-,-,...,...;::::;::;:~~-,...,...,.-J - P rov 8 o 2 4 6 8 10121416182022242628303234 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 Fukt kvot (%) 12 O 8 6 4 Effekt äge LOW o 4 8 121620242832364044485256606468 2 6 101418222630343842465054586266 Tid Cmn) DIAGRAM - 3. Torkningskurvor för baast torkad i mikrovågsugn. 15
Försök B Baasten fuktades på samma sätt som innan, dvs ti något mer än naturig fuktkvot {ca.o %), och två prover om vardera kg vägdes upp. Proven deades i två portioner och zägdes på nytt. En de torkades sedan i vanig ugn vid 105 C medan den andra deen simutant torkades i mikrovågsugn. Torkningen i mikrovågsugnen skedde på effektäge High i 30 minuter viket är ängre tid än vad som behövs för att torka bort a fukt från baasten. Orsaken ti detta var att jag vie undersöka om en så extrem beastning kunde påverka den sutiga fuktkvoten så att denna bev större än hos proverna torkade på vanigt sätt. Den höga beastningen skue också ge en fingervisning om hur höga temperaturer som maximat kan uppnås. Temperaturen mättes med en eektronisk termogivare som stacks ner på oika punkter i den heta baasten. Resutaten från detta försök redovisas i tabe nedan. De två proven, 20 och 21, deades upp i två dear var. 20u och 21u torkades i vanig ugn medan 20m och 21m torkades mikrovågsugn. Vid torkningen av prov 21m gjordes efter 15 minuter en paus på en minut då teperaturen mättes. TABELL. Torkning i mikrovågsugn: Temp. { C) Temp. { C) Prov Effekt Vikt {15 min.) {30 min.) Fuktkvot {%) 20m High 21m High 525 g ----- 220-2401 520 g 120-140 140-160 15.6 15.8 Torkning i vanig ugn: t = dygn t = 3 dygn Prov Vikt Fuktkvot {%) Fuktkvot 20u 384 16.0 18.5 21u ~06 15.8 17.7 ~ {%) Temp. { C) 105 105 16
4.3 Utvärdering Jämföreser mean torkning av baastiknande materia i mikrovågsugn och vanig ugn har redan gjorts av [8],[9] och [10]. I samtiga fa har goda resutat erhåits. överensstämmesen i denna undersökning, mean torkning i mikrovågsugn och vanig ugn, är också tämigen god. Speciet om man jämför de mikrovågstorkade proverna med ett dygns torkning i vanig ugn, så är överensstämmesen mycket god. En orsak, ti de ändå existerande skinaderna, kan vara att proverna inte har kunnat deats het korrekt. Även det faktum att ingen omrörning av provet skedde, viket annars är brukigt, kan vara en orsak ti de något ägre fuktkvoterna vid mikrovågstorkningen. Att en större fuktkvot uppnåddes i vanig ugn dementerar spekuationerna om att torkningen i mikrovågsugn skue vara för kraftig. Torkkurvorna för effekterna High och Medium är mycket tifredstäande. Kurvorna är så beskaffade att det är ätt att bestämma en torktid som igger på den säkra sidan för att en fuständig uttorkning ska ha skett. Torkning på effekten Warm är ej ämig då torkkurvan panar ut mycket ångsamt. Tidsvinsten jämfört med vanig ugnstorkning är mycket stor. Torktider på 20 minuter med mikrovågsugn har uppmätts, viket ska jämföras med över 24 timmar för samma prov i vanig ugn vid 105 c. Temperaturerna som uppmättes vid extrembeastning i mikrovågsugnen, nådde ej orimiga nivåer viket indikerar att baasten inte bör ta skada vid mikrovågstorkning. Enigt vägverket kan dock probem uppstå om dear av provmateriaet är svartfärgat. Dessa materia kan då bi överhettade p g a att de värms upp snabbare än andra ingående komponenter. Torkning av baast i mikrovågsugn är atså ett mycket bra och tidsbesparande kompement ti den vaniga ugnsterkningen. Detta har i viss mån redan konstaterats av vägverket där man redan nu använder sig av mikrovågsugnar för detta ändamå. I denna undersökning kunde ett större anta jämförande försök, mean mikrovågsugn och vanig ugn, gjorts, men då detta ti stor de redan behandats i andra undersökningar, koncentrerade jag mig på torkningsföroppen. 17
5. TORKNING AV BETONG 5.1 Materia Två oika betongkvaiteer gjöts, en med ett vatten-cementta-, vet, på 0.7 och en med ett vet på 0.4. Vid gjutningen användes sand från Åstorp, vars egenskaper finns beskrivna i kapite 4.1, samt sten från Hardeberga. siktningskurvor för sand och sten återfinns i biaga 1. Den cement som användes var ordinär Portandscement. Proportioneringen utfördes enigt Betonghandboken kapite 9 [12]. Vid gjutningen av betongen bev proportionerna de föjande: Betong vet = 0.7 Betong vet = 0.4 sten: 35.5 kg 39.6 kg Sand: 44.5 kg 50.0 kg Cement: 13.2 kg 24.9 kg Vatten: 9.3 kg 10.2 kg Två satser av betongen med det höga vet värdet och en sats av betongen med det åga gjöts. Gjutningarna utfördes enigt svensk standard 13 72 10 [11] varvid sammanagt 36 provkroppar, kuber med 150 mm kantängd, erhös. 22 kuber av betong med åg tryckhåfasthet, här kaad betong A, och 14 kuber med hög tryckhåfasthet, betong B. Inga andra typer av provkroppar gjöts eftersom enbart tryckhåfastheten skue provas. Mikrovågsugnen som har använts vid försöken är identisk med den som användes vid torkningen av baast och finns beskriven i kapite 4.1. Endast maxima uteffekt har använts. Vid försöken användes även ett instrument (PUNDIT, CNS instruments LTD London) för mätning av gångtider för utrajudspuser, och en tryckpress enigt ss 13 11 10 [11]. s.2 Föraök och resutat En månad efter gjutningarna kontrovägdes, mättes och granskades aa 36 provkropparna. Kuberna av den starka betongen nummrerades från B ti B14 och kuberna av den svagare från A ti A22. Försöken som deades in i fem deförsök (A - E) presenteras tisammans med deresutaten nedan. 18
Försöksserie A Tryckhåfastheten för 6 stycken betongkuber, tre av var betongsort, bestämdes genom tryckprov i tryckpress. Resutaten från tryckningarna användes sedan som referens värden. Ådern på respektive betongsort vid tryckningarna var 37 dygn för den svagare betongen och 34 dygn för den starkare. Enigt vikor A i BBK 79 7.3.3.2 [13] uppfyde referenstryckningarna för de två betongkvaiteerna kraven för håfasthetskass K45 respektive K30. Resutaten återfinns i biaga 2. Försöksserie B För att bestämma den ungefäriga fuktkvoten hos provkuberna och för att få referensvärden på tryckningar med ugnstorkad b5tong, torkades sex betongkuber i vanig ugn vid 105 ± 5 c, och trycktes därefter. Först anayserades emeertid endast två kuber av var sort, men då en kub av B-betongen snedbeastades vid tryckningen, torkades och trycktes ytterigare två B-kuber. Fuktkvoterna bestämdes med utgångspunkt från de vikter som mättes upp samtidigt för aa kuberna, ungefär 30 dygn efter gjutningen. Torkningen, i den vaniga ugnen, pågick tis det att viktminskningen panade ut. Som ett kriterium för detta sattes att ytterigare ett dygns torkning inte skue förändra vikten med mer än en promie. Torktiden enigt detta kriterium bev sju dygn för aa sex provkropparna. Vägning av kuberna skedde i stort sett varje dygn. Fuktkvoten bestämdes ti 4.6 % för B-kuberna och ti 5.0 % för A-kuberna. Tryckningen av kuberna skedde då dessa fortfarande var varma. Resutaten finns i biaga 2. Försöksserie c Fyra kuber, två av varje betongsort, torkades i mikrovågsugn i interva om tio minuter. Proverna vägdes mean varje i~terva. Pausen som uppstod vid vägningen var i medeta 20 sekunder. Torkningen fick pågå tis det att en vattenmängd motsvarande den totaa fuktkvoten som bestämts vid försöksserie B (5.0% resp. 4.6 %), hade torkats bort. Fuktkvoterna var även här baserade på de gemensamma vägningarna av provkropparna enigt biaga 2. 19
Torktiden bev 120 minuter för B-betongen och 110 minuter för A-betongen. Då försöken avbröts hade torrvikterna, som beräknats i försöksserie B, passerats. Vid en vägning av provkropparna då dessa hade svanat, konstaterades att att en ytterigare uttorkning under avsvaningsfasen hade skett. Kuberna trycktes därefter i tryckpress efter att ha fått svana ti rumstemperatur. Torkningskurvorna för betongproverna visas i diagram 4. Orsaken ti att kurvorna inte börjar vid 4.6 % respektive 5.6 %, är att en naturig uttorkning har skett sedan referensvägningen gjordes. Resutaten från tryckningarna återfinns i biaga 2. Fukt kvot (%) 5 E ff e k t 1 äqe H i q h 4 3 2 Prov A12 vet= 0.7 \., \... Prov AS ~, :~M -\_ ve 1 = O. 7, -:.. '<'-- Prov 86 \ ',., Ot---------------'- "'~ -----.--; vet= 0.4 o 10 20 30 40 50 60 70 80 90 110 Tid C:min:> 100 120 -Prov B vet = 0.4 DIAGRAM 4. Torkningskurvor för betongprover torkade i mikrovågsugn. 20
Försöksserie D Denna försöksserie iknar försöksserie c, men förutom vägning undersöktes även kuberna med utrajud efter varje interva i mikrovågsugnen. Proverna torkades i femminutersinterva. Pausen för utrajudsundersökning och vägning var i medeta en minut. Totat torkades fyra prover, två av var sort, i vardera 60 minuter. Temperaturen som 0 uppnåddes i betongen efter denna tid var större än 105 c. Vid utrajudsundersökningen mättes gångtiden för utrajudspuser genom betongen. Mätningarna gjordes från två oika hå varvid medevärdet av tiderna noterades. Tapetkister appicerades på utrajudspoerna för att på så sätt få en bra kontaktyta. Vid mätningarna fastnade tapetkister på betongen, viket var anedningen ti att viktbestämmningarna vid detta försök inte kunde utnyttjas såsom i försöksserie c. Gångtiderna användes för att beräkna hastigheten på puserna viket i sin tur användes för att beräkna den dynamiska easticitetsmoduen för betongen. Formen för den dynamiska E-moduen enigt betong handboken 8:4.3.2 [12] ser ut på föjande sätt: där E = v~ * p * (1+v * (1-2v (1-v) E = Dynamisk E-modu (Pa) V = Våghastighet (m/s) v = Tvärkontraktions~aet, p= Densiteten (kg/m). Poissons ta Den dynamiska E-moduen är 1.14-1.20 gånger större än den statiska, viken man refererar ti i normaa fa. Dens~teten och Poissons ta sattes konstanta ti 2300 kg/m respektive 0.3. Detta motiverades med att ändringarna av dessa var så små att de inte påverkade resutatet. Gångtiderna hos utrajudspuserna påverkades i viss mån av hur mätningarna utfördes, viket gav en viss spridning av resutaten. Den dynamiska E-moduen pottades mot tiden i mikrovågsugnen, ocb resutatet av detta visas i diagram 5. Tryckningen av kuberna skedde då dessa fortfarande var heta. Vid brottet observerades vattenånga som äckte ut från brottsprickorna. Tryckningarna gav i normaa fa skjuvbrott, men en av B-kuberna i denna försöksserie fick ett sprickbrott istäet. Tryckningsresutaten finns i biaga 2. 21
Dynamisk E-modu 40 CGPaJ r r- J 111 :.. :.... I,,, 30 =- - 20 =- - 10 =-... ~ : '''''''''''''''.-----..~-_.,.., Effek-täge High...,..., 1--...... -..,..,..,... ;.:. : :. : :. :........ :. : :. : 1111111111-0 L---~--~----r---~--~--~--~----r---~--~--~--~----r-~ o 5 1 o 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 To~ki:id i mik~ovågsugn CminJ Prov 810 Y<:~ 0.4 ""' Prov 83 vci = 0.4 Prov R3 VC"t = 0.7 -Prov R1 VC1 = 0.7' DIAGRAM 5. Förändringen av den dynamiska E-moduen hos betong vid torkning i mikrovågsugn. Försöksserie E På grund av ett bekagigt misstag försvann ett ferta av de, i detta skede, kvarvarande provkropparna vika skue ha använts i denna försöksserie. Detta medförde att endast A-betongen kunde undersökas (två kuber). Försöken gick ut på att efterikna ett cykiskt föropp där betongen fuktas och därefter torkas ur. Proceduren upprepades tio gånger. Betongkuberna sattes i vatten under fyra minuter för att på så sätt uppnå en hög fuktkvot. Tiden som betongen var under vatten hade tidigare utprovats så att en reativt stor mättnadsgrad skue uppnås. Det upptagna vattnet torkades därefter ut i mikrovågsugn. Tiden för detta var i genomsnitt 25 minuter. Vägning skedde var tionde eer femte minut, samt varje gång provet mättades med vatten. Båda försöken deades upp i två deförsök om vardera fem cyker. Proven fick "via" i ett dygn mean deförsöken. Principen för cykeförsöken visas i diagram 6 där ett deförsök finns uppritat. Provkuberna trycktes efter att ha fått svana ti rumstemperatur. Resutaten av tryckningarna finns i biaga 2. 22
150 E-f-fek"täge High För-än'?r-ing av vikten (g) 100 50 -Prov A20 VC1 = 0.7" o 20 40 60 80 100 120 140 180 10 30 50 70 90 1 10 130 160 Tid (min> DIAGRAM 6. Princip för cykeförsöken. Diagrammet visar deförsök för provkropp A20. 23
6. DISKUSSION I den inedande fasen av detta arbete studerades mikrovågsugnens funktionssätt och bakomiggande teorier för torkning och uppvärmning med hjäp av mikrovågsstråning. Speciet behandades eektromagnetiska vågröreser med frekvensen 2450 MHz vika används i vaniga mikrovågsugnar. studierna visade ba att dessa mikrovågor främst växeverkar med vattenmoekyer. Torkning av betong i mikrovågsugn kan vara ämpigt eftersom vattnet påverkas direkt och andra materia såsom grus och sten i sin tur värms upp genom norma värmeedning från de heta vattenmoekyerna. Eftersom en vanig mikrovågsugn avsedd för hushåsbruk går utmärkt att använda vid torkningsprocesserna är detta en reativt biig investering i ett aboratorium. Redan nu används mikrovågsugnen vid torkning av betong- och baastprover. Vid Vägverkets aboratorium i Aröv använder man sig t ex av mikrovågsugnen för snabbtorkning av jordprover. Även andra tiämpningsområden än just torkning och upphettning förekommer. Vid Microdry corporation i USA har man utveckat en metod att med hjäp av mikrovågsenergi rekonditionera defekt asfatsbetong. Aa resutat från baasttorkningarna gjorda i denna undersökning är goda. Kontinueriga tester vid torkningarna har gett torkningskurvor {diagram 1-3) som uppfyer kraven för en tifredstäande uttorkning av baasten. Resutaten från torkningarna i mikrovågsugn har även visat mycket god överensstämmese med resutat från vanig ugnstorkning. Temperaturerna som uppmättes i baasten vid maxima beastning var ungefär dubbet så höga som vid den normaa ugnstorkningen. Dessa temperaturer igger dock på betryggande avstånd från baastmateriaens kritiska temperatur varför baasten inte bör ta skada. Sammanfattningsvis kan man säga att torkningen av baast med hjäp av mikrovågsenergi är en mycket bra och tidsbesparande metod. För att uppnå en jämn torkning rekomenderas en mikrovågsugn försedd med roterande patta och eventuet någon form av pausfunktion. Även tidigare undersökningar av möjigheten att torka prover i mikrovågsugn har gett mycket goda resutat [8,9]. 24
Försöken med torkning av betongprover i mikrovågsugn har gett något mer svårtokade resutat. Torkningen är dock fut möjig och torkningskurvorna (diagram 4) är även här tifredstäande. En tendens som dock observerats under försöken är att mikrovågstorkningen är något för kraftig. Diagram 4 visar att uttorkningen kan fortsätta förbi de fuktkvoter som erhåits vid norma ugnstorkning. E-modusbestämningarna visar på en kar minskning av håfastheten efter torkning i mikrovågsugn (diagram 5). Normat sjunker håfastheten då temperaturen stiger men i detta faet har temperaturen vid mätningarna inte varit så hög att den stora E-modusförändringen är berättigad. Detta tyder på skador i betongen som uppkommit vid torkningen. Även då tryckhåfastheten för betongen torkad i mikrovågsugn jämförs med referenstryckningar kan en tendens mot sämre håfasthet utäsas~ Resutaten från aa tryckningarna av betongproverna finns samade i diagram 7. Sänkningen av håfastheten kan bero på att uttorkningen sker snabbare än vad betongen karar. Detta kan förkaras med att ångtrycket inne i betongen stiger så fort att övertrycket inte hinner försvinna ut ur provkroppen och att sprickor i betongen därmed uppstår. Denna teori bekräftas av de observationer av utäckande vattenånga som gjorts vid brottifäena. En större sänkning av håfastheten har noterats för den starkare betongen. Detta beror troigen på att den starkare betongen är tätare. 75 T~~ckning Tr-Yc khå fas"the"t (MPa) t- t- t- t- 50 - -- - 25 --- o - av be~ongkube~.::>.ö. Q...6. Q..ö. >K <> D Q. <>..6. L. ~ D >t::: ~ -=- >< w R? R21 89 R4 87 812 R5 B A 83 R13 A 82 813 A8 88 A2 86 A3 810 A20 x <> s..,.i.. A A Serie B»: Seri.. C c Serie D x Serie E P~ovk~oppa~ (A-A22~B-B4) DIAGRAM 7. Resutat från tryckningar i tryckpress. 25
Sammanfattningsvis kan man säga att torkning av betong i mikrovågsugn kan ha sitt berättigande inom forskningen men den kan inte ersätta vanig ugnstorkning. Försöken gjorda i detta arbete är mycket begränsade och har främst haft ti uppgift att bida en grund för fortsatt forskning. Fer försök och mer forskning måste ti för att man ska kunna utvecka och utnyttja mikrovågsenergin på ett bra sätt. Med detta arbete hoppas jag ha inspirerat ti fortsatt forskning och utvecking inom de många tiämpningsområden som finns för mikrovågstekniken idag. 26
7. REFERENSER [] Liao, Samue Y. : Microwawe devices and circuits, Prentice-Ha, 1985. [2J Oming, Pär, Docent och Kordina, Oe, civ.ing.,avd. för fasta tiståndets fysik LTH, muntiga intervjuer 17/10 och 24/10 1988. [3] Hintze, Manua CM Microtronic, Mikrovågsugn för torrhats bestämmning, Maj 1987. Hintze AB Vasavägen 76 S-181 41 Lidingö. [4] Microdry corporation, Tidnings artickar, 3111 Postoria way San Ramon, Caifornia 94583, USA. :a Fu ane recycing possibe, Better roads/september, 1982. :b Deep-Heating road itsef with microwawes may be the answer ong sought by paving indus., New Engand Construction Magazine, 13 September 1982. [5) Mouinex, bruksanvisning för mikrovågsugn. [6] UPO, bruksanvisning för mikrovågsugn. [7] Osson, Tomas, Vägverkets ab., Aröv, muntig intervju 16/9 1988. [8] Campbe, H. w. and Crescuoo, P. J. : Evauatian of microwawe drying for rapid soids anaysis, Environ. Techno. Lett. 3:289-296, 1982. [9) Lumey, D. J. och Kuhin, A. : utvärdering av hushåsmikrovågsugn för torkning av prover vid bestämmning av suspenderade ämnen och torrsubstans, Vatten 43:89-93, Lund 1987. (10] Abrahamson, Rof, Vägverkets ab., Jönköping, brev, 5/10 1988. [11] Betongprovning med svensk standard, BST Hb 12 utgåva 5, standardiserings kommissionen i Sverige, Apri 1987. [12] Betonghandbok, Materia, AB Svensk Byggtjänst, Box 7853, 10394 Stockhom, Stockhom 1980. 27
(13] BBK 79, Bestämmeser för betongkonstruktioner, Band 2, statens betongkommitte, AB svensk byggtjänst, stockham 1979. 28
PROTOKOLL FOR BALLASTUNDERSOKNING Biaga Nr_ Datum -/-19 MATERIALUPPGIFTER: Prov nr r1ateria0cteck ni ng Leverans IrAn 1. 5~"1.d _Å,.bro 2. So,...o\d X. 5o k~ o 3. 5-\-e..._ H~rc\~ b..er~_ '< 4. s -\-e'-" \\- ~~or n. orm Humus CJ'''d \ Ler och samhat.vie~ "'ID% Soec VIk.! Arb. pafs ------- SIKTANALYS: Sikt med 2 fri mask- S1annar Passe Stan Stanf\dr Passe Stön ar nar r nar vidd mm gram % I% I% gram % I% I% 128 64 32 16 8 :b 0.'1 ~~3 O.+ f.. O,te 1.0 4 \~ 1~.8 gs.s ILJ.$ '-'\ S ~i. O$ 2 O_S :.~ 13."1 ~~.~ &. IJ.'- :n. o 5-'!..C ID",g bo.y 31.6 O "T 1~.~ {,(.8 33,j. 0,5 1C:.',,,, f.3 s~ a 1'2.3 i.s YV~ SS.t 0,25 t 1.1 $.~ ~'-8 tfob \S'O.~ 13.0 + D 0,125 1~1 fi>s s.~ n. IOit 14.'6 '3,1 '{S.~ <0.125 so S." 0. ~ S1-3.1 0.0 Summa 8S'3 ;1.65' iq:, J.S:L Fin h. modu M"' ~.IS M2= J..S 3 Stannar Passe rar gr~m t. Z% ~e.~ 'ö~ \5.-b o. q \'2..0 ~.t \ 0.1 o.~ o o. o O.'E o rj,o o.~ ' O. o.r \ 0.1 O. b "1 O, b o.c ~(:, M3= 4 Stan- Stonnar PaJ.se nar rar I% gram % I% \ Q O.+ ~,~ c o. o O. 't ~t!~ 0/) o.j ~?.1 o,o o:r ~ Q - 0.0 r.,~o g&~ 6.10 M, a ~~. 9 ~.1 o 0.0 0.1- Stannar I% '8~.~ 141t 84.G 4,ö 84.0 0),,,,~ \3.1 o.~,9.~ ' '}J '),.~,,s.,,j_ 4V+ b?,~ {,:!:J'- Beteckn. för komform: R natursand, -grus K = krossand, -grus RS = rundad singe AS = avång (fat) singe KM = kubisk makadam AM = avång makadam SM = skärvig (fat) makadam Beteckn. för humusgrad: O = ofärgad } " ' =gu omp g 2 = just rödbrun - on vändbar 3 = mörkt rödbrun } odug- 4 = mörkbrun ig Beteckn. för er- o.somhat: Höjden av er och samskiktet efter eh dygn i % av materiaprovets totaa höjd anges. Ang. boastundersökning arnas utförande se Statiga Betongbestämmeser 1949, De Materiadeen, där även kurvorna A-E i sikt diagrammet kommenteras. _. SIKTDIAGRAM: U.S. standardsiktar nr 100 50 30 20 16 100 sådiameter mm 2,5 5 7 O 15 20 30 40 50 80 160 _j_ i _j y A 90 / t A/ ~ va v ~ ~ 1/. vro v v VJ v / ~ // C ~ 1/ // I E 80 - - -c:: 70 (!) u o L. c. 60 ~ ;; "'.. 50 O c:: :o E 401 "' (!) c:: o 30... (!) "' o // 20 ~ JO ;!' // v A ~ // ~ 1/ v v J o ~ '6 6 6 6 6 1 6 1 J, ~~ ~~~~ 6 o' o o o o o N '"_ "f 'q co. N M ~ V)'<) co o' o o ci o o 0,125 0,25 0,5 2 4 8 16 32 64 D ~ 128 o 10 20 30 -c:: (!) u 40 o... c. ~ 50 ;; -u" 60 O c :o E (!) 70 "' o c:: c 80 o ~... o > 90 ~ 100
Biaga 2 TRYCK- FÖRSÖKS- PROVKROPP VIKT (g) ÅLDER (dygn) HÅLLF. ANM. SERIE (MPa) A A2 * A7 7821 37 37.4 A 7790 37 35.7 A21 7788 37 34.1 B2 8177 34 53.5 B4 8116 34 56.7 B3 8031 34 47.5 ' A4 8026 43 34.9 A8 7820 43 34.7 B7 8167 48 52.8 B B8 8206 40 45.3 B2 8161 48 56.2 B4 8088 * A5 7936 72 34.0 c A2 7891 72 31.8 B 8057 69 59.9 B6 8153 69 44.5 A 7897 43 24.9 D A3 7873 43 23.5 B3 8171 46 38.2 B O 8111 47 34.4 E A3 7877 90 27.0 A20 7876 90 29.2 Biaga 2. Resutat från tryckningar i tryckpress, samt ådern vid tryckningen och vikt 30 dygn efter gjutning(* =fe vid tryckning).