Bygningskonstruktør Uddannelsen

Transkript

1 ORIGINAL Bygningskonstruktør Uddannelsen 7. semesters specialeopgave Onur Ot Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Forår

2 1 Titelblad Titel Udarbejdet af Adresse : Højstyrkebeton : Onur Ot : Bækkedal 22, 9210 Aalborg SØ Telefon : Uddannelsessted Adresse Vejleder Specialets form Rapport type Professionsretning Arbejdsform : @ucn.dk : University College Nordjylland Bygningskonstruktør uddannelsen : Porthusgade 1, 9000 Aalborg : Mogens Helledie : MoHe@ucn.dk : Rapportform : 7.semesters speciale : Projekterende : Individuelt Projekt periode : Uge 6 15 Sidste afleveringsdato : 14/05/2014 Oplæg Elektronisk form Skrifttype : 3 stk. : Der er vedlagt én CD for hver kopi af oplæg med bilag. : Calibri (Brødtekst) Skriftstørrelse : 11 Dato : 14/05/2014 Underskrift : Onur Ot - Titelblad Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 1

3 2 Forord Denne rapport er skrevet i forbindelse med min 7.semester i bygningskonstruktør uddannelsen på University College Nordjylland og er målrettet til byggeherre og rådgivere, entreprenører, samt bygningskonstruktør studerende, som ønsker information om højstyrkebeton og isoleringsmaterialer i især elementbyggeri. Under udarbejdelsen af denne rapport fik jeg vejledning og informationer fra følgende virksomheder og personer, som jeg i forbindelse med denne rapport vil sige tak til: University College Nordjylland Mogens Helledie - Underviser Connovate - Ambercon Rolf Bengaard Gravesen - Kvalitetschef Forord Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 2

4 3 Indholdsfortegnelse 1 Titelblad Forord Indholdsfortegnelse Resumé Indledning Emneafgrænsning Problemformulering Metode Beton Begrebsafklaring Fremstilling af cement og cementtyper Fremstilling af cement Cementklinkernes kemiske sammensætninger og hærdningsproces Cementtyper Aalborg Portland cementtyper Tilslag og tilsætninger i beton Tilsætninger i beton V/C forholdet Plastificerende tilsætningsstoffer Jernbeton Højstyrkebeton Fibermaterialer for højstyrkebeton Højstyrkebeton egenskaber Armering i højstyrkebeton Delkonklusion Isolering Begrebsafklaring Udvikling Isoleringstyper Mineraluld Celleglas isolering <Indholdsfortegnelse Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 3

5 7.3.3 Celleplast - Ekspanderet polystyren (EPS- XPS) PUR og PIR isolering Delkonklusion Facadeelementer af højstyrkebeton Konstruktionsbeskrivelse af højstyrkebetonelement Lyd afskærmningsegenskaber Brandsikkerhed Energi analyse Konklusion Litteratur liste Bilag <Indholdsfortegnelse Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 4

6 4 Resumé Fremtidens afhængighed af energirigtige løsninger på grund af den globale opvarmning og dermed behovet for reducering af drivhusgasser, har medbragt en række skærpede regler og dermed tykkere løsninger i især tunge konstruktioner. Eftersom der er nye og skarpere regler på vej hel op til 2050, er det blevet nødvendigt at finde nye energirigtige løsninger frem for traditionelle konstruktioner. Dette har sat fokus på både at videreudvikle de eksisterende byggematerialer og at finde nye materialer, der kan erstatte de eksisterende. Denne rapport handler netop om denne udvikling af byggematerialer med fokus på sandwichelementer. Der er derfor i rapporten taget udgangspunkt i de nye Connovate højstyrkebetonelementer og undersøgt delelementerne, såvel enkeltvist som kombinationer af disse elementer, med henblik på at illustrere, at sandwichelementerne har kunnet følge udviklingen i byggeri. I første del af rapporten beskrives betonens delelementer for at fremhæve udviklingen af beton og derefter undersøges betonens delelementers rolle i denne udvikling. Her kan man finde oplysninger om bl.a. cement, tilslag, tilsætninger og tilsætningsstoffer, samt fremstilling af cement og beton. Næste del omhandler isoleringsmaterialer og udviklingen af disse for at undersøge deres rolle i byggeriets fremtid. I denne del kan man finde oplysninger om hovedprincipperne i isolering og isoleringsmaterialer. I den sidste del af rapporten undersøges det nye udviklet højstyrkebetonelement fra Connovate og en analyse over dets egenskaber sammenlignet med andre byggesystemer. Resumé Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 5

7 5 Indledning 5.1 Emneafgrænsning Beton er et holdbart, billigt, stærkt og miljøvenligt byggemateriale. Den er nem at arbejde med og kan udformes i alle udformninger(1). Med disse egenskaber har beton altid fascineret mig i byggeri. Den har mange fordele og derfor er det den mest brugte byggemateriale, som ikke kan udelukkes i byggeriet(2). Under mit praktikophold hos Ambercon A\S på 6. semester har jeg haft mulighed for at kaste mig ud i en ny fortolkning af betonelementer i byggeri. Ambercon er en af de førende betonelementproducenter, som arbejder med at udvikle nye idéer indenfor betonteknologi sammen med deres dygtige partnere i Connovate, som er en vidensbaseret virksomhed, der arbejder med højstyrkebeton og nye løsninger ved brugen af denne(3). Connovate har udviklet nye produkter ved at kombinere højstyrkebeton med de bedste isoleringsmaterialer(3). Denne rapport handler netop om højstyrkebetonens rolle i byggeriet i fremtiden, hvorfor de nye facadeelementer af Connovate undersøges nærmere, ikke mindst fordi facadeelementer indebærer alle udfordringer af Connovate løsninger. 5.2 Problemformulering Fremtidens byggeri er afhængig af energirigtige løsninger. Beton har stor varmeledningsevne, men en mindre styrke, hvilket er årsag til store dimensioner i konstruktioner. Dette medfører mindre netto arealer, begrænset lysindfald, samt store transportomkostninger i bygninger. Til gengæld er beton et fantastisk byggemateriale med uanede formgivningsmuligheder, billigt, miljøvenligt og nemt at arbejde med. Disse fordele gør betonen uundgåelig i byggeriet. I denne rapport belyses følgende: Hvordan kan disse problemer med beton løses, for at den kan følge med i udviklingen indenfor byggeri? Findes der et produkt, der kan erstatte beton i byggeriet? 5.3 Metode Denne rapport er skrevet med fokus på idéen bag højstyrkebeton og de elementer, der bliver produceret ved brugen af denne. Højstyrkebeton produkter sammenlignes med andre byggeelementer, som er produceret af andre byggematerialer, såsom traditionelle beton- og træelementer. Connovate er bygget op på en hovedsagelig teori, som siger, at man får det bedste resultat ved kombination af de bedste materialer(3). Rapporten belyser derfor emnet ved at undersøge delelementerne først selvstændigt og senere mulige kombinationer af disse. Teorier belyses ved at undersøge facadeelementernes og delelementernes egenskaber omkring brand- og lydforhold, samt de mekaniske egenskaber. Der vil indgå nogle beregninger og grafiske forklaringer i rapporten for at give bedre overblik over sammenligning af forskellige sammensætninger af materialer. Under udarbejdelsen af rapporten vil der være fokus på troværdigheden af kilder og derfor vælges de mest veldokumenterede kilder for at belyse emnet. Indledning Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 6

8 6 Beton Brugen af beton starter med at grækerne og romerne begynder at brænde kalk til fremstilling af muremørtel. Senere har de blandet denne middel med vulkansk aske og fremstillet det første cement produkt, som hærdner ved blanding med vand. Tidligere har mennesker brugt forskellige bindemidler i byggeriet, men denne bindemiddel er i grunden cement, som danner beton ved blanding af sand og sten(4). Efter romernes tid går betonens udvikling i stå indtil 1824, hvor murermesteren Joseph Aspdin i byen Leeds i England fremstiller et bindemiddel ved brænding af en blanding af finkornet ler og kalksten og derefter formaling af denne(5). Dette produkt blev patenteret ved navnet portlandcement. Det bliver en ny start for betonens udvikling og den bliver brugt til først militære anlæg, men senere også til civile bygninger(4). Beton alene var en udmærket byggemateriale til at modstå trykkræfterne, men havde ikke samme evne imod trækkræfterne. Derfor begyndte byggeaktørerne at kombinere betonen med armering og dermed udviklede de jernbetonen omkring år Det gav betonen et mere bredt anvendelsesområde i byggeriet. Især efter 2. Verdenskrig var der et stort behov for nye bygninger og de traditionelle byggemetoder kunne ikke klare det alene. Dette behov skabte industrialiseret byggeri og dermed udbredt brugen af betonelementer(4). I dag er beton stadigvæk under udvikling og mere populær end nogensinde før, hvilket har medført stor konkurrence omkring producering og udviklingen af den(5). I følgende afsnit vil jeg beskrive betonens delelementer og undersøge, hvad deres indflydelse er i betonens styrke og dermed i højstyrkebeton. 6.1 Begrebsafklaring Jeg vil starte med at forklare nogle begreber og materialer, der bliver brugt, for at give en bedre forståelse af emnet. Senere i afsnittet vil de relevante begreber blive uddybet. Eksponeringsklasse og miljøklasse: Er en betegnelse for de omgivelser, som konstruktionerne befinder sig i. I europæiske normer er der beskrevet 18 forskellige eksponeringsklasser, som står i figur 1. I Danmark bruges miljøklasse begrebet, der samler eksponeringsklasserne under fire miljøklasser, som ses i figur 2(7). Figur 1: Oversigt over eksponeringsklasser(6). Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 7

9 Figur 2: Sammenhæng mellem miljø- og eksponeringsklasser(6). Puzzolan: Er en betegnelse for kiselholdige materialer, der i fugtige omgivelser reagerer med calciumhydroxid d og danner bindingen calciumsilikathydrater. Portlandcement giver under hærdning calciumsilikathydrat og calciumhydroxid. Puzzolaner reagerer med calciumhydroxid i en yderligere hærdning og erstatter en del af cementen. Da puzzolaner ofte er biprodukter, der ikke ønskes at blive deponeret, er de meget billigere end cement. Puzzolaner kan anvendes på denne måde(8). o Flyveaske: Er en finkornet aske, som er biprodukt i kulfyrede kraftværker. I kraftværkerne forbrændes pulveriseret kul og asken vil flyve med røgen og forurene omgivelserne. Derfor opfanges disse små rundformede partikler i skorstenene. Flyveaske er et puzzolan, der anvendes i både cement- og betonproduktion og den mest brugte tilsætning i beton i Danmark(9). o Mikrosilica: Er et biprodukt fra produktion af ferrosilicium, som anvendes til at øge stålets styrke i stålproduktion. Mikrosilica har en meget lille partikelstørrelse, som kan være imellem cementkornene, hvilket øger tætheden og dermed styrken af beton. Mikrosilica er næst efter flyveaske den mest anvendte tilsætning i beton i Danmark(9). o Granuleret højovnsslagge: Er en biprodukt fra produktionen af råjern i højovne. Granuleret højovnsslagge anvendes som tilsætning i beton for at give den stor tæthed og dermed styrke. Granuleret højovnsslagge anvendes også som en bestanddel i slaggecement, men bruges hverken i cement- eller betonproduktionen i Danmark(9). o Brændt olieskifer: Er en skifersten, der kan udvindes fra råolie ved opvarmning under høj temperatur eller brændes direkte til el produktion og opvarmning. Biproduktet af denne proces er en puzzolan, som anvendes i cement- og betonproduktion. Heller ikke olieskiffer bruges hverken til cement- eller betonproduktion i Danmark(10, 11) ). Alkalikisel reaktion: Alkali er en fællesbetegnelse for natrium- og kalium-ionerne, der øger betonens ph-værdi og skaber risiko for dannelse af en gel af alkalikisel eller alkalicarbonat, som suger vandet i omgivelserne og skaber stort tryk i betonen. Denne reaktion kaldes alkalikisel reaktion og kan ende med at skade betonen(7). Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 8

10 6.2 Fremstilling af cement og cementtyper Cement er det vigtigste delelement i betonen. Den binder alle materialerne sammen ved at danne et komponent af lim (cementpastaen). Med denne egenskab er cement en såkaldt hidrolisk bindemiddel, der hærdner sammen med vand og derefter er vandbestandig. Den er derfor en af de afgørende faktorer for betonens egenskaber(14) Fremstilling af cement Cement fremstilles efter samme principper, som har været anvendt i gamle dage, men mere moderniseret og videns baseret i dag. Det er at brænde en blanding af kalk, sand, ler og jernholdigt materiale i en roterovn. Cement fremstillingsprocessen består hovedsageligt af tre faser(9). Figur 3: Oversigt over de processer som sker I forbindelse med produktion af cement. Flowdiagrammet er baseret på produktion af grå cement på Aalborg Portlands Ovn 87 som er udstyret med forvarmer og kalciner til brug til afbrænding af affald. Under hele processen fra gravning af råmaterialer til udlevering af cement til kunder er der løbende kvalitetskontrol for at sikre ensartet og optimal kvalitet. (9) At skaffe råmaterialer I Danmark starter processen ved at blande fint formalet sand med ca. 4 gange så meget kridt. Sand formales og blandes med vand, som blandes med tilsætninger, der er afgørende for cementtypen. Herefter blandes med kridt - vand blandingen(9). At brænde blandet råmaterialer Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 9

11 Færdigblandet slam brændes i roterovn og der fremstilles cementklinker. Der findes to forskellige ovnanlæg for cement produktion. I vådanlægget pumpes råmateriale blandingen direkte til en lang roterovn. I semitøranlægget tørres råmateriale blandingen inden brændingsprocessen og brændes i en kortere ovn. Denne anlægstype giver betydelige energibesparelser, da varmen fra tørringsprocessen udnyttes(9). Efter brændingsprocessen formes råmaterialerne til cementklinker, som indeholder 3CaO. SiO 2, der medvirker både til den tidlige og sene styrkeudvikling, samt 2CaO.SiO2, som medvirker kun til den sene styrkeudvikling(9). Formaling af cementklinker Klinkerne sendes til cementmøller, formales til cementpulver og deponeres klar til salg i siloer. Inden formaling tilsættes gips for at kontrollere afbindingsreaktionerne. Ud over gips tilsættes andre tilsætninger for at producere en bestemt cementtype. Under cementtyper kan man se nærmere på disse materialer og tilsætningsforholdet(9) Cementklinkernes kemiske sammensætninger og hærdningsproces Cementklinker består af C 3 S, C 2 S, C 3 A og C 4 AF. Disse mineraler har stor indflydelse på cements styrkeudvikling under hærdningsproces(9). Figur 4: Cementklinke mineralernes effekt på styrkeudvikling i beton(9). I figur 4 ses at C 3 S har den største effekt på cements både tidlige og sene styrkeudvikling i forhold til andre mineraler, da C 3 S danner calciumhydroxid (Ca(OH)2) og calciumsilikathydrat (C-S-H), der har største indflydelse på cements styrke. C2S og C 4 AF har betydelig effekt ved den sene styrkeudvikling, mens C 3 A har effekt på både den tidlige og sene styrkeudvikling(9). Desuden C 3 A indebærer risiko for alkalikisel reaktioner(9). Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 10

12 6.2.3 Cementtyper Der findes fem forskellige cementtyper i standarder og er forklaret i det følgende(13): CEM I: Portlandcement Fremstilles af minimum 95 % portlandcementklinker og gips. Dvs. den må indeholde højst 5 % kalkfiller og flyveaske lignende uorganisk materiale(13) CEM II: Portlandkompositcement Fremstilles af minimum 65 % portlandcementklinker og gips. Dvs. den må indeholde højst 35 % kalkfiller og flyveaske lignende uorganisk materiale og følgende mineralske tilsætninger(13): Granuleret højovnsslagge Mikrosilica Naturlig og industrielt fremstillet puzzolan Siliciumaluminiumholdig flyveaske Siliciumcalciumholdig flyveaske Brændt olieskifer CEM III: Slaggecement Fremstilles af minimum 5 % portlandcementklinker og gips og % granuleret højovnsslagge. Dvs. den må højst indeholde 95 % kalkfiller og flyveaske lignende uorganisk materiale og granuleret højovnsslagge(13) CEM IV: Puzzolancement Fremstilles af minimum 45 % portlandcementklinker og gips. Dvs. den må indeholde højst 65 % kalkfiller og flyveaske lignende uorganisk materiale og følgende mineralske tilsætninger(13): Mikrosilica Naturlig og industrielt fremstillet puzzolan Siliciumaluminiumholdig flyveaske CEM V: Kompositcement Fremstilles af minimum 20 % portlandcementklinker og gips og 18 % til 50 % granuleret højovnsslagge, samt en eller flere af følgende tilsætningsmaterialer(13): Naturlig og industrielt fremstillet puzzolan Siliciumaluminiumholdig flyveaske Desuden må denne type cement indeholde højst 5 % kalkfiller og flyveaske lignende uorganisk materiale. Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 11

13 6.2.4 Aalborg Portland cementtyper Aalborg Portland producerer 6 slags cement i type CEM I og CEM II, hvilket beskrives senere i dette afsnit. Jeg vil starte med at give nogle eksempler på fire af disse cementtypers mineralindhold, for at give bedre forståelse af vurderingen en af cementtypens egenskaber(13). Figur 5: Aalborg Portland cementtypers kemiske sammensætninger(13). I figur 5 adskiller Lavalkali Sulfatbestandig Cement og Aalborg White Cement sig med et lavt C 3 A indhold, hvor kravet er højst 5 % for høj sulfatbestandighed. Basis Cement og Aalborg White Cement adskiller sig med en høj C 3 S indhold, som er afgørende for tidligere styrke udvikling, mens Lavalkali Sulfatbestandig Cement adskiller sig med høj C 2 S, der er afgørende for den sene styrkeudvikling(13) BASIS CEMENT Basis cement har en styrkeklasse på 52,5 R, type CEM II og er fremstillet af portlandcementklinker med op til 20 % finkornet kalkfiller. Cementen kan anvendes med tilsætninger efter doseringer i tilhørende standarder. Desuden er beton med Basis Cement særlig følsom over for udtørring, hvorfor det er en god idé at afdække betonen efter udstøbning(13). Figur 6: Basis Cements egenskaber(13). I figur 6 ses at Basis Cements hurtige styrkeudvikling gør den brugbar til betonelementer(13) BASIS AALBORG CEMENT Basis Aalborg Cement adskiller sig med sin styrkeudvikling fra Basis cement og kan leveres i sække. Basis Aalborg cement har en styrkeklasse på 52,5 N, type CEM II og er fremstillet af portlandcementklinker med op til 20 % finkornet kalkfiller. Cementen kan anvendes med tilsætninger efter doseringer i tilhørende Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 12

14 standarder. Desuden er beton med Basis Aalborg Cement særlig følsom over for udtørring ligesom Basis Cement, hvorfor det er en god idé at afdække betonen efter udstøbning(13). Figur 7: Basis Aalborg Cements egenskaber(13). I figur 7 ses at Basis Aalborg Cements styrkeudvikling ikke er så hurtig som Basis Cement, men til gengæld kan den bruges til muremørtel(13) RAPID CEMENT Rapid Cement har en styrkeklasse på 52,5 N, type CEM I og er fremstillet af portlandcementklinker med op til 5 % finkornet kalkfiller. Cementen kan anvendes med tilsætninger efter doseringer i tilhørende standarder. Desuden er beton med Rapid Cement ikke særlig følsom over for udtørring pga. det lave kalkfiller indhold, hvorfor det ikke er nødvendigt at afdække betonen efter udstøbning. Denne egenskab gør betonen meget brugbar til gulve og slidlag(13). Figur 8: Rapid Cements egenskaber. (13). I figur 8 ses at Rapid Cements styrkeudvikling ikke er så hurtig som Basis Cement, men til gengæld kan den bruges til muremørtel(13) LAVALKALI SULFATBESTANDIG CEMENT Lavalkali Sulfatbestandig Cement har en styrkeklasse på 42,5 N, type CEM I og fremstilles af portlandcement med høj sulfatbestandighed og lav varmeudvikling. Cementen kan anvendes med tilsætninger efter doseringer i tilhørende standarder(13). Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 13

15 Figur 9: Lavalkalisulfatbestandig Cements egenskaber(13). I figur 9 ses at Lavalkali Sulfatbestandige Cements styrkeudvikling er meget langsom, hvilket gør den ikke velegnet til element produktion, men til gengæld kan den bruges, når der er risiko for alkalikiselreaktioner. Desuden kan den også bruges til mørtel. Denne cementtype er velegnet til ekstra aggressive miljøklasse(13) AALBORG WHITE CEMENT Aalborg White Cement har en styrkeklasse på 52,5 R, type CEM I og fremstilles af portlandcement med høj sulfatbestandighed. Cementen kan anvendes med tilsætninger efter doseringer i tilhørende standarder. Aalborg White Cement vælges, hvis der ønskes en hvid eller lys beton(13). Figur 10: Aalborg White Cements egenskaber(13). I figur 10 ses at Aalborg White Cements 28 døgns højstyrke gør cementtypen typen velegnet til højstyrkebeton. Desuden kan den bruges, når der er risiko for alkalikiselreaktioner og som muremørtel. Denne cementtype kan også bruges til ekstra aggressive miljøklasse(13). 6.3 Tilslag og tilsætninger i beton Tilslag fylder ca. mellem 65 % og 75 % af betonens volumen, og er derfor meget vigtigt for betonens egenskaber. Der kan bruges mange forskellige tilslagsmaterialer efter ønske om betons egenskaber. I denne rapport er der fokus på højstyrkebeton og derfor er der også lagt fokus på tilslag, der kan medvirke til en højstyrke i beton(9). Der findes forskellige kvalitets kriterier for at vurdere tilslag(9): Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 14

16 Kornformen kan være afgørende for betonens bearbejdelighed og dermed afgørende for brugen af cementmængden. Kornenes selvstændige styrke er afgørende for betonens styrke, da beton limes sammen af cementpastaen. Kornene må derfor være stærkere end cementpastaens endelige hærdnet styrke alle steder i betonen. Tilslaget må være ren for absorberende og opløselige materialer. Her kan nævnes alkalireaktive materialer, humus og klorider. En anden faktor er den maksimale korn størrelse, som skal være passende til støbeformens størrelse, armeringsdiameteren og afstanden mellem armeringsstænger. Især i højstyrkebetonelementer er det meget vigtigt, da betonpladernes tykkelse ikke er stor. Udover de ovennævnte faktorer, hænger betonens tæthed og styrke sammen. Man kan skaffe tilslag i den bedste kvalitet, men kunsten er at bruge dette materiale ved en optimal blanding. Dermed skabes den tætte og holdbare beton med en høj styrke. Den optimale blanding skabes ved at blande forskellige kornstørrelser og herved at skabe muligheden for, at mindre korn kan placere sig i hulrummet mellem de store korn, som resulterer en tæt og stærk beton(14). Det reducerer samtidig brugen af cementpastaen og dermed cementmængden, da der er mindre plads til denne(se figur 11). Figur 11: Illustration af pastaoverskud i to betoner med samme mængde tilslag og pasta, men med forskellige kornkurver(14). I virkeligheden vil producenterne af beton bruge det naturlige tilslag fra grusgrave eller sø, da det er meget billigt. Disse materialer er ofte rundformede og derfor bedst til brugen af beton, men det kræver en undersøgelse af ovennævnte punkter. Dvs. tilslaget må opfylde ønskede egenskaber og være passende til den ønskede beton. En af disse undersøgelser er undersøgelse af kornstørrelse, som ofte kan volde problemer ved en manglende størrelse af sand eller sten(9). Undersøgelsen foregår ved at udføre sigteanalyser. Resultaterne tastes ind i en tabel og der tegnes en såkaldt kornkurve. Den bedste kornfordeling for et tilslag er en jævn graderet fordeling(9). I figur 12 ses Fuller kurven, som er en kurv, der illustrerer, hvordan den optimale kornkurve for tilslaget skal være på baggrund af en masse forsøg. Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 15

17 Figur 12: Eksempel på kornkurve ved hensyn til Fuller Kurven(9) Tilsætninger i beton Der bruges tilsætninger i beton for at erstatte cement, forbedre betonens egenskaber og billiggør betonen. Disse tilsætninger er ofte naturlige eller kunstige puzzolaner, men der findes også andre tilsætninger i beton, såsom farvestoffer. Tilsætninger nger indeholder ofte CaO, SiO 2 og Al 2 O 3 +Fe 2 O 3. De mest kendte tilsætninger er mikrosilica, Flyveaske, Granuleret højovnsslagge, Kalk og Jernoxidpigmenter(9)(se også figur 13). Mikrosilica Flyveaske S F Granuleret højovnsslagge Sl Kalk Jernoxidpigmenter Cement (CEM I) K P C Figur 13: Sammenligning af forskellige tilsætninger og CEM I cementtype(9). I det følgende vil de mest anvendte tilsætninger i Danmark blive beskrevet. Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 16

18 Flyveaske Flyveaske er en finkornet aske med kornstørrelse på cementpartikler og er et biprodukt fra kul baseret produktion af el og varme. I kraftværkerne forbrændes pulveriseret kul og asken vil flyve med røgen og forurene omgivelserne. På grund af flyveaskens indhold af tungmetaller, er der risiko for forurening af grundvandet ved deponering. Derfor opfanger man disse små rundformet partikler i skorstenene og er en af de største grunde til anvendelsen i beton industrien. Den anden grund er økonomi, da flyveasken er forholdsvis billigere end cement(9). Indtil oliekrisen i 1973 blev olie brugt som brændsel til kraftværker. Efter oliekrisen begyndte brugen af kul, som efterlader store mængder af flyveaske. På baggrund af erfaring fra andre lande begyndte cement- og betonproducenterne at anvende flyveasken i cement og beton. Flyveaske forbruget i beton produktion steg markant fra midt i halvfjerdserne. Aalborg Portland producerede flyveaskecement indtil 1995, hvor det også begyndte at producere andre og bedre kvalitet af cement, men samtidig steg brugen af flyveasken(9). Flyveaske er et kunstig puzzolan og den mest brugte tilsætningsmateriale til beton i Danmark. Selvom sammensætningen af flyveaske kan varierer efter kvaliteten af den brugte kul, indeholder næsten alle slags flyveaske SiO 2 og Al 2 O 3. SiO 2 er det reaktive indhold i flyveasken og skal udgøre mindst 25 % af asken ifølge tilhørende standarder(se figur 15). Derfor blandes de forskellige oprindelser af kul for at producere den rigtige flyveaske i Danmark(9). Figur 15: Overordnet kemisk analyse af flyveaske(9). Flyveaske forbedrer cements egenskaber ved at danne et bindemiddel, da den reagerer med calciumhydroxid Ca(OH)2, som dannes ved cementhydratisering(9). Dvs. flyveaskens puzzolan reaktion starter efter cementhydratiseringen og har derfor en sen effekt på betonens styrke egenskaber(se figur 16). Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 17

19 Figur 16: Sammenligning af styrkeudvikling mellem ren Portland cementbeton og flyveaskebeton(9). Ved at reducere betonens ph-værdi, øger flyveaske risikoen for rustdannelse i armering, da høj ph-værdi i beton har en rustbeskyttende effekt. Det skyldes at flyveasken reagerer med calciumhydroxid Ca(OH)2, som dannes ved cementhydratisering. Til gengæld reducerer flyveasken risikoen for alkalikisel reaktioner med den samme egenskab(9). Mindre cement indhold medfører en længere afbindingstid for flyveaskebeton, men samtidig medfører det en mindre varmeudvikling, som minimerer risiko for termorevner i beton. Desuden øger flyveasken betonens flydeegenskaber væsentligt pga. dels den runde partikel form og dels dens effekt på at øge bindemiddel mængden(9) Mikrosilica Mikrosilica er også en kunstig puzzolan ligesom flyveaske og fremstilles ved ferrosilicium produktion, som anvendes til at øge stålets styrke i stålproduktion. Under denne proces dannes siliciummonooxid i gas form på grund af den høje temperatur og brændes sammen med ilt i skorstenen siliciumdioxid(sio 2 ) i fast form (se figur 17). Ved at adskille disse partikler fra røg fremstilles mikrosilica, der indeholder ca. 85 % - 98 % SiO 2 af den samlede mængde, mens resterende del består af forskellige metaloxider af jern, aluminium, kalcium, magnesium, natrium og kalium(9). Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 18

20 Figur 17: Principtegning af mikrosilica fremstilling(9). Udover sammensætningen har mikrosilica til forskel fra flyveasken, en meget lille partikelstørrelse, der er 100 gange mindre end cementpartikler. Det gør at mikrosilica partiklerne bedre kan fylde hulrummet imellem cementkornene, hvilket øger tætheden og dermed styrken af beton. Dvs. at mikrosilica har to forskellige effekter på betonens egenskaber og er derfor meget bedre end flyveasken(9). Desuden har beton med mikrosilica stor tæthed pga. de fine partikler, der reducerer vandtransporten. Dette medfører også stor holdbarhed mod kloridbelastning i beton(9). Der er dog også ulemper ved brugen af mikrosilica og som bør nævnes i denne rapport(9): Ligesom flyveaske reducerer mikrosilica betonens ph-værdi og øger risikoen for rustdannelse i armering, da høje ph-værdi i beton har en effekt for rustbeskyttelse. Det skyldes at mikrosilica reagerer med calciumhydroxid Ca(OH)2, som dannes ved cementhydratisering. Til gengæld reducerer mikrosilica risikoen for alkalikisel reaktioner med den samme egenskab. På grund af mikrosilica partiklernes størrelse er det ikke nemt at undgå klumpdannelse af disse partikler i betonen. Derfor er der udviklet metoder for at sikre at mikrosilica er jævnfordelt i beton, og dette kræver særlig omhyggelighed ved kontrol og brugen af mikrosilica i beton. Fx kan mikrosilicaen transporteres og anvendes i form af en suspension, hvilket kræver en test af mikrosilicas finhed inden suspensionen. Beton med mikrosilica har flere mikrorevner i forhold til den traditionelle beton. Disse mikrorevner har dog ikke særlig stor betydning for betonens samlede tæthed, da beton med mikrosilica stadigvæk er tættere end den traditionelle beton. Beton med mikrosilica er mere følsom overfor udtørring under hærdning og dermed udtørringsrevnedannelse, på grund af at de fine mikrosilica partikler reducerer vandudskillelsen på overfladen af den friske beton. På grund af den store tæthed, kan der være en øget risiko for afskalning under brand. Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 19

21 Man må anvende mikrosilica i ca. 24 % af cementmængden for at mikrosilica kan reagere med al Ca(OH) 2 fra cementhydratiseringen(se figur 18), men dels på grund af at det sænker betonens ph-værdi og dels at det gør betonen ikke bearbejdelig, bruger man ca. 4-5 % i virkeligheden. Derved produceres beton, der er stærk, bearbejdelig og holdbar(9). Desuden siger geolog Boye Bork Jepsen i diskussionen af mikrosilicas betydning for dannelsen af mikrorevner i beton i Ingeniøren nr. 5, 1994 følgende: Efter mine erfaringer forholder det sig således, noget simplificeret, at doseringer op til et moderat niveau på ca. 5 pct. ikke synes at medføre en nævneværdig forøgelse af mikrorevneomfanget, mens en dosering på bare et moderat-højt niveau på ca. 8 %, derimod synes at medføre en tydelig stigning i mikrorevneomfanget. * 1 Figur 18: Et forsøg af Odd E. Gjørv og Kjell E. Løland offentliggjorde i februar 1982 i NTHs rapport: Condensed silica fume in concrete. Med et vand/cement forhold på 0,60 er calciumhydroxyden målt til at være opbrugt ved ca. 24 % MS. (9) Som tidligere beskrevet under tilslag skabes den optimale tilslagsblanding ved at blande forskellige kornstørrelser og dermed mulighed for, at mindre korn kan placere sig i hulrummene mellem de store korn. Dette gælder også for de minimale partikler som mikrosilica(16), men sådan lyder det i en kommentar fra civilingeniøren Max R. Kjeldgaard i debatten om Beton rammer ingeniør B.J. Jensen hovedet på sømmen ved i Ingeniøren nr. 28/29 i Mikrosilica blev oprindelig 'opfundet' som et middel til at få genstridige pulvere til at flyde lettere ved at introducere partikelteknologiske defekter i pulvergranulometrier. Mikrosilica er med andre ord opfundet til * 1 Citat: Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 20