Optimering af grønlandsk letklinke fremstilling

Transkript

1 Optimering af grønlandsk letklinke fremstilling Specialkursus forår, sommer og efterår 2005 Martin Morelli s & Nicolai Skjøt Bennedsen s Danmarks Tekniske Universitet 2. december 2005

2 1. Forord Formålet med projektet har været at optimere processen til fremstilling af letklinker ud fra Grønlandsk ler. Hertil er der undersøgt, om det er muligt at finde alternative lertyper til leret fra fossilsletten i fjorden ved Kangerlussuaq og fra området omkring Igaliko i Sydgrønland. Derudover er det undersøgt, om det er muligt at optimere brændeprocessen. Formålet har derudover været, at undersøge hvorvidt det er muligt at benytte letklinker i vej. Rapporten er udarbejdet i forbindelse med et specialkursus til videreføring af eksamensprojektet Fremstilling af letklinker ud fra grønlandsk ler /1/. Specialkurset er på 15 ECTS point og er udført ved Center for Arktisk Teknologi på BYG DTU, Danmarks Tekniske Universitet. Projektet er udarbejdet i foråret og efteråret 2005 i Danmark, og i sommeren 2005 er feltarbejdet udført i Kangerlussuaq i Grønland fra 20/ / med professor Arne Villumsen som vejleder og Morten Holtegaard Nielsen som medvejleder. Vi ønsker at takke følgende personer: Bente Frydenlund, laboratorieoverassistent ved Center for Arktisk Teknologi BYG DTU. Abdel-Zahir Barten, geodæt ved Center for Arktisk Teknologi, BYG DTU. Ole Bjørslev Nielsen, lektor ved Aarhus Universitet, Geologisk Institut. Svend Svendsen, professor ved BYG DTU. Carsten Rode, lektor ved BYG DTU. Jan Jansen, ekstern lektor ved Center for Trafik og Transport. Forside billeder: 1. Forsøgsopstilling med ny digel og to ekspanderede letklinker. 2. Flokkuleringsgrænse i fjorden ved Kangerlussuaq. 3. Indlandsisen skubber materiale med sig ud. 4. Ekspanderet letklinker af syenit. Kongens Lyngby, 2. december Martin Morelli s Nicolai S. Bennedsen s

3 2. Resumé Der er i sommeren 2005 taget prøver i fjorden ved Kangerlussuaq, langs kysten og fra lersletterne. Prøverne er taget med henblik på at forstå geologien i området, samt at finde en bedre ler til produktion af letklinker end den, der tidligere er blevet benyttet fra fossilsletten. De sedimentereaflejringer skyldes en proces, som starter med, at materialet forvitres og eroderes af indlandsisen, hvorefter det eroderes med isfjorden ud mod Kangerlussuaq. Store dele af sandet, silten og leret aflejres først, efter isfjorden løber ud i Kangerlussuaq fjord. Nogle af partiklerne er så små, at de ikke lader sig bundfælde selv, så der sker en flokkulering, når fjordvandet møder saltvandet, hvor partiklerne vil blive tungere og større end de rene partikler. Vandindhold, glødetab, kornstørrelse og kloridindhold er undersøgt for alle prøverne, hvortil udvalgte prøver er undersøgt mineralogisk. Det gennemsnitlige vandindhold for bundprøverne er 32,8 %, i vandkanten (langs kysten) 17,1 % og i lersletten 11,1 %. Det gennemsnitlige glødetab er for: sand 0,14 vægt%, silt 0,81 vægt%, ler 1,1 vægt% og lerslette 1,6 vægt%. Der er opserveret calcit i leret fra fossilsletten, men det er minimalt. Saltindholdet i lersletterne varierer fra 2-36 vægt%. I bundprøverne i området, hvor flokkuleringen finder sted, er saltindholdet mellem 0,2-2 vægt%, og længere inde er saltindholdet under 0,2 vægt%, i de områder hvor saltvandet ikke er nået ind og har påvirket aflejringerne. Middelkornstørrelsen falder fra sand halvejs mellem Kangerlussuaq (bygd) og havnen til silt og ler helt ude ved havnen. Mineralogien varierer meget i fraktionerne, specielt er kvartsindholdet lavere i lerfraktionen end i silt- og sandfraktionen. Den gennemsnitlige hårdhed er lavere i lerfraktionen end i silt- og sandfraktionen, hvilket tyder på, at isen har lettere ved at knuse mineralerne med mindre hårdheder til mindre partikler og omvendt. Kvartsindholdet er højere i bundprøverne end i leret fra fossilsletten. Der er lavet en ny ovn til fremstilling af letklinker med et langt rør hvor legemet føres ind i. Temperaturen er maksimal 20 cm inde i røret, og i ovnåbningen er den cirka ⅓ af maksimal temperaturen. I Sydgrønland nær Igaliko er der taget 2 sedimentprøver i nærheden af bjerge med syenit. Prøverne består af sand og grus og er derfor blevet nedknust til lerpartikler. Ved røntgenfluorescence analyse af syenit fra DTU, er det teoretiske smeltepunkt bestemt ved hjælp af fasediagram til 1400 C, med et mindre temperaturdyk på 1063 C i området. 3

4 Der er lavet forsøg med ekspansion af letklinker ud fra syenit fra DTU og fra Sydgrønland. Det er lykkedes at ekspandere begge materialer, men densiteterne har ikke været så tilfredstillende. Derimod er strukturen af letklinken fremstillet af syenit fra DTU præget af små porer, hvilket medfører en større styrke end ved letklinker med store porer, der er at foretrække. For at kunne sammenligne processen med en produktion i storskalaovn, er der udført forsøg med opvarmning af letklinker, før de føres ind i brændezonen, så de ikke springer. Forsøgene er udført med både olie fra spæk og fra kulstøv, og det viser sig, at næsten alt olien fra spæk forsvinder under opvarmningen, hvilket ikke er tilfældet med kulstøv. Glødetabsforsøg med kulstøv viser, at det først brændes af ved temperaturer mellem C ved en brændetid på 15 min, hvilket altså dokumentere ovenstående forsøg med letklinker. Der er udført brændeforsøg ved 1200 C med leret fra fossilsletten, men resultatet er ikke bedre end, når der brændes ved 1100 C. Forsøg med letklinker med syenit fra Sydgrønland har givet gode resultater ved brænding ved denne temperatur. Mineralsammensætningen er afgørende for brændetemperaturen. Brændeforsøg ved 1100 C med lerprøver fra bunden af fjorden resulterede i flade pandekager med de samme tilsætninger som i leret fra fossilsletten. Det tyder på, at materialet er mere letsmelteligt end leret fra fossilsletten. Til dimensionering af en vejkonstruktion i arktisk område med letklinker er Odemark metoden anvendt. For en ÅDT på passager skal vejen bestå af 60 mm asfalt, 210 mm stabilt grus og 322 mm letklinker. Til frostdimensionering af vejen er computer programmet HEAT2 benyttet. Ved temperaturer svarende til et reference år i Sisimiut, er det muligt at bevare permafrosten i underbunden næsten hele året rundt på nær 14 dage. Da der kan opstå varmere år, er det valgt at forøge letklinkelaget til 400 mm, hvilket gør, at permafrosten ikke tør. 4

5 3. Abstract Samples have been taken from respectively the buttom, the coast and on the clayplain in Kangerlussuaq bay in the summer The main meaning of taken the samples is to understand the geology in the area and to find a better clay to production of light expanded clay aggregate, compared to the test there have been maid of the clay from the fossilplain. The sedimentary start with a process where weathering and erode materials caused the ice cap are erodeded by the iceriver to Kangerlussuaq. A lot of the sand, silt and clay are settled after the iceriver meets the bay of Kangerlussuaq. Some of the small particles can not be settled by gravitational effect, but when the saltwater and fresh water of suspension of clay meet eachother the clay will flocculate because of the power of electrochemical cohesion between the particles. Water content, loss on ignition, grain size classification and chloride content are tested for all samples and to that some of the samples have been tested of mineralogy. The average of water content of the buttom samples is 32,8 %, along the coast 17,1 % and in clayplain 11,1 %. The average of loss on ignition is for sand 0,14 weight%, silt 0,81 weight%, clay 1,1 weight% and clayplain 1,6 weigth%. Calcit is observed in the in sediment from the clayplain, but the quantity is minimal. The salt content in the clayplains vary from 2 to 36 weigth%. In the samples from the buttom of the bay where the saltwater have been in contact, the salt content is between 0,2 to 2 weight% and in the opposite way where the saltwater have not been involved the salt content is under 0,2 weight%. The average grain size falls from sand, the half of the the way between Kangerlussuaq city and the habour, to silt and clay near the habour.the mineralogy vary a lot between the factions, specially the quartz content is lower in the clay faction, compared to silt and sand, but not lower than the quartz content in the clayplain. The average hardness is lower in the clay faction compared to silt and sand faction, which obviously means that it is earsier for the ice cap to erode minerals with a lower of hardness to small particles and opposite. Seismic of the bay, indicate very thick sediments. A new oven have been made specially to produce light expanded clay of aggregate. The nodules is moved through a long pipe of 25 cm to the burning zone. The temperature is maximum 20 cm from the opening, where the temperature is about one third of the maximum temperature. In south Greenland near the village Igaliko, two sedimenttest have been taken in the area of mountains of syenite. The samples consist of sand and gravel, and therefore it 5

6 have been crushed to clay. With X-rays fluorescence analysis of syenite from DTU, the theoretical melting point is found with help from phasediagrams to 1400 C, but with a temperature plunge in the area with about 1063 C. There have been made tests of expantion of light expanded clay of aggregate of syenite from DTU and from Igaliko. Both tests have succeded, but the densities are not satisfactory. On the other hand the structure of the nodulus, produced from the syenite from DTU, have very small pores which bring a higher strength of the product, which is to prefer. To compare the burning process to a Leca oven, test have been made, where the nodulus is heated up, to dry it, before it is moved to the burning zone. The tests have been made with both oil from blubber and coal dust, and the tests shows that the quantity of oil from blubber nearly disappear under the heating up, which is the opposite for the coal dust. Loss on ignition tests of coal dust shows that the most of it will be burned between the temperature of 500 C to 900 C, with a burning time of 15 minutes, which document the test mentioned before. There have been maked burning test with a temperature of 1200 C of the clay from the fossilplain, but the result is not better than the tests maked with the temperature of 1100 C. Tests with syenit from Igaliko, with the same temperature, gives better results. The mineralogy is decisive of the burning temperature. Burning test of clay from the buttom of Kangerlussuaq bay with the temperature of 1100 C, result in flat pancakes, if the same procedure as tests with clay from the fossilplain is used. That indicate a higher procent of melted materials compared to the clay from the fossilplain. To dimensioning a road construction in arctic territory with light expanded clay of aggregate the method of Odemark has been used. With af yeardaytrafik of 5000 vehicles the road must be maked of 60 mm asphalt, 210 mm gravel and 322 mm light expanded clay of aggregate. To frostdimensioning of the road the computer program HEAT2 have been used. With temperatures reply to a average year in Sisimiut, it is possible to preserve the permafrost in the subsoil under the road nearly the hole near, in only 14 days the temperature will be over the freezing point. Because of years with a higher temperature the lay of light expanded clay of aggregates must be thicker, about 400 mm. 6

7 4. Indholdsfortegnelse 1. FORORD RESUMÉ ABSTRACT INDHOLDSFORTEGNELSE INDLEDNING RESUMÉ AF FREMSTILLING AF LETKLINKER UD FRA GRØNLANDSK LER FELTARBEJDE FELTARBEJDE FORMÅL UDFØRELSE Prøver på land Prøver fra gummibåd Prøver fra gummibåd med motor og båd med spil GEOLOGISK HISTORIE VED KANGERLUSSUAQ FORVITRING, VANDEROSION OG AFLEJRING RESULTAT BEHANDLING KVARTSINDHOLD I FOSSILSLETTEN BEHANDLING AF RESULTATER FRA KANGERLUSSUAQ Seismik SALTS BETYDNING VANDINDHOLD OG GLØDETAB KALK SYENIT EKSPANSION AF LETKLINKER BRÆNDETEKNIK OG DANNELSE AF GASSER BRÆNDEFORSØG VED 1200 C BUNDPRØVER FRA KANGERLUSSUAQ SYENIT LETKLINKER I VEJ Modstand mod deformation under trafiklast Modstand mod deformation under statisk last Stor skala modelforsøg Effekt af isolering med letklinker KONKLUSION AF FORSØG DIMENSIONERING AF VEJBEFÆSTELSE MED LETKLINKER DIMENSIONERING VED ODEMARK METODEN KONKLUSION BEREGNINGER FROSTTEKNISK DIMENSIONERING AF LETKLINKELAGET FROSTTEKNISK DIMENSIONERING I HEAT RESULTATER DISKUSSION FORTOLKNING OG SAMMENFATNING KONKLUSION PERSPEKTIVERING

8 APPENDIKS APPENDIKS A GRØNLANDSTUR APPENDIKS B OPBYGNING AF NY OVN UDFØRELSE APPENDIKS C APPENDIKS D VEJOPBYGNING I HEAT MATERIALE PARAMETRE VEJRDATA SIMULERINGER LITTERATURLISTE SEKUNDÆR LITTERATUR BILAGSFORTEGNELSE

9 5. Indledning Til fremstillingen af letklinker ud fra ler fra fossilsletten ved Kangerlussuaq, blev der opnået et udmærket produkt. Det blev konkluderet, at det ikke var klar til at blive produceret, hvorfor der er undersøgt muligheder til optimeringer af produktet. Der stræbes efter at finde et materiale, som er letsmelteligt, fordi problemet ved fremstillingen af letklinker er at holde på de gasser, som ekspanderer leret. For leret fra Kangerlussuaq er det et problem at opnå en tilstrækkelig smelte, da leret er tungtsmelteligt. Der undersøges derfor, om det er muligt at finde en ler i fjorden ved Kangerlussuaq, som har et mindre kvartsindhold. Forståelsen af den geologiske historie samt processen fra forvitring, erosion til aflejring af materiale er grundlæggende for at finde en ler med det ønskede mineralogiske indhold. Syenit indeholder mindre kvarts, og eftersom at der findes bjerge med syenit i Sydgrønland, ønskes det undersøgt, om det er muligt at finde en leraflejring her. Der er tidligere bl.a. benyttet krabbeaffald og olie fra spæk til at danne gasser til ekspansionen med succes. Der er tvivl om brugen af det ved fremstilling i storskalaovn, fordi det indeholder, pyrolysegasser som let forbrændes. Det er vigtigt at vide, om kulstoffet forsvinder under et opvarmningsforløb inden brænding, som er en del af processen i en storskalaovn, så nodulen ikke springer, når det føres ind i brændezonen. Derudover undersøges der alternativer i form af kulstøv til ekspansionen. Tidligere har det kun været muligt at brænde nodulerne ved højst 1150 C, men med en ny ovn skal det undersøges, om der er fordele ved at brænde ved 1200 C. For at projektet overhovedet skal give mening, skal letklinker kunne bruges i Grønland. Et område, hvor letklinkerne kan benyttes, er til vejbygning, fordi de har styrke og er isolerende. Formålet er at undgå optøning af permafrosten hele året rundt i underbunden af vejen, så vejopbygningen ikke sætter sig i løbet af sommeren, som er et kendt fænomen for de grønlandske veje. 9

10 6. Resumé af Fremstilling af letklinker ud fra grønlandsk ler Leret fra Kangerlussuaq er blevet undersøgt med henblik på fremstilling af letklinker med tilsætning af krabbeaffald eller spæk. Undersøgelserne af leret viser, at det ikke indeholder lermineraler, hvorfor det ikke kan kaldes ler. Størstedelen af materialet består foruden kvarts og feldspat af 4,9 % calcit. Materialet har middelkornstørrelsen 2 μm, og 48 % af leret findes i lerfraktionen. Ved sammenligning med plastisk ler tyder materialet på at være mindre velegnet til produktion af letklinker. En smeltedannelse er vigtig for at fremstille letklinker, så der er mulighed for en ekspansion af materialet. Smeltepunktet for leret aflæses ved fasediagrammer og undersøges ved DT-analyser. Der opnås kun en sintring ved opvarmning af leret til 1150 C. Der tilsættes derfor 9,5 % Na 2 CO 3, hvilket har medført, at der er opnået en smeltedannelse af 40 % af materialet. Smelten er højviskøs, hvilket er vigtigt for, at det er muligt at holde formen på letklinken. Der forekommer pletvist lavviskøse smelter fra bl.a. kalk, som er en fordel for ekspansion af materialet. Ved mikroskopi og elektronmikroskopi er letklinken undersøgt, og der forekommer en del usmeltet kvarts og kalifeldspat, som vurderes at være til gene for styrken og tætheden af materialet. Ekspansionen sker ved dannelse af gasser fra bl.a. kalk og kulstof. Det gælder om at få omkranset gasserne med en smelte, så der er mulighed for en udvidelse af materialet. Da der ikke forekommer de store mængder gasudviklende stoffer i leret, er der lavet forsøg med tilsætning af hhv. krabbeaffald og spæk. Spækken pyrolyserer ved brænding og er derfor ikke egnet som tilsætningsmateriale i leret ved en større produktion, fordi det vil brænde af under opvarmningen. Krabbeaffald vurderes derimod at være mere velegnet, og det indeholder foruden kalk og kulstof også fosfat, som nedsætter smeltepunktet. Der er stadig nogle uafklarede områder for krabbeaffaldet, hvorfor der bør foretages yderligere undersøgelser før der laves en konklusion. Dannelsen af en skal på letklinken er vigtig for en produktion, så letklinkerne ikke boller op. Det er derfor nødvendigt at have en skal, som har et mineralindhold, der har et smeltepunkt der er højere end, den der brændes ved, som i dette projekt er max C. Dette kan lade sig gøre i form af en oxidation af jern i overfladen. Det er det oxiderende/reducerende forhold, der er afgørende i ekspansionsøjeblikket og angives som f-værdien. Med faldende O 2 -partialtryk mod nodulens indre, sker der en omdannelse af jernet fra hæmatit til Fe-cordierit, samtidig med at smeltepunktet falder. Der benyttes en række formler til udregning af, hvor meget der skal tilsættes af hhv. jern, kalk og kulstof. Selvom jernindholdet i leret er stort, og der er blevet tilsat okker, har det ikke været muligt at få dannet en tilstrækkelig skal på letklinkerne, hvorfor det 10

11 oxiderende/reducerende forhold ikke har fungeret tilstrækkeligt. Der er derfor prøvet med pudring af overfladen med talkum, som ved indblæsning i brændezonen vurderes at kunne benyttes. Letklinken brændes i dette projekt i en digel sat direkte ind i brændezonen. Herved opnås en kort opvarmning, som er vigtig for, at nodulen ikke sprænger, og så kulstoffet i letklinken ikke når at forbrænde, inden der opnås en smeltedannelse. Der er opnået letklinker med korndensiteter så lave som 0,3 g/cm 3, hvilket er tæt på at være lige så godt som ved Leca. 11

12 7. Feltarbejde Forberedelserne til feltarbejdet i Kangerlussuaq er beskrevet i Appendiks A, hvor udstyrslisten også er vedlagt. I Bilag 1 er vedlagt en oversigt over alle prøverne og dertilhørende data foretaget på stedet, herunder bl.a. prøvebeskrivelse, koordinater (GWS), vanddybder, saltindhold og vandtemperatur. Feltarbejdet blev udført i perioden 25. juli til 30. august Formål Det overordnede formål med feltarbejdet i Grønland, var at finde en leraflejring i fjorden ved Kangerlussuaq. Kvartsindholdet skulle gerne være mindre end i de prøver, der var taget tidligere på fossilsletten foran lufthavnen i Kangerlussuaq. Desuden har formålet til dels været, at fastlægge aflejringstyperne i forhold til længden af fjorden. Formålet med at finde en leraflejring er at optimere fremstillingen af letklinker ud fra grønlandske materialer. 7.2 Udførelse Sedimenterne i fjorden og ved Kangerlussuaq er kortlagt med en håndholdt GPS. Langs bredderne og i fjorden blev der udtaget prøver med spade, kajakbundhenter og grab, stederne kan ses på Figur 7.1. I fjorden blev der udtaget våde prøver, mens der langs bredderne primært blev udtaget tørre prøver. Prøverne blev beskrevet i felten og opbevaret i plastikposer til videre undersøgelser. For at dække det meste af området blev der udtaget prøver i og omkring havnen, samt hvor Umivit fjorden møder fjorden ved Kangerlussuaq og halvvejs ind til bunden af fjorden ved Kangerlussuaq. Figur 7.1: Placeringer af alle udtagne prøver ved Kangerlussuaq /2/. 12

13 7.2.1 Prøver på land Langs fjordens to bredder blev der taget prøver af de tørre sedimenter hovedsageligt fra lersletten samt sedimenterne i yderkanten af fjorden i vandkanten, se Figur 7.2. Figur 7.2: Lokaliteter for prøvetagning fra land ved Kangerlussuaq. Der blev brugt en spade til at udtage prøverne med, da det var forventet at materialerne var letfremkommelige. Ved udtagningen af prøver fra land var det ikke forsvarligt at udtage prøver på den blotlagte fjordbund, da det var kviksand Prøver fra gummibåd I havnen samt fra pynten blev der taget prøver fra en gummibåd, hvor der blev brugt en kajakbundhenter og en grab. Prøvestederne kan ses på Figur 7.3. Kangerlussuaq havn Figur 7.3: Udtagende prøver i og omkring havnen i Kangerlussuaq. Til prøveudtagning blev der benyttet en kajakbundhenter, da den gav mulighed for at se en lagdeling i sedimenterne. Grabben blev brugt de steder, hvor der var for dybt til, at benytte kajakbundhenter. Med grabben var det ikke muligt at se lagdelingen i muddermassen. Det var svært at udtage prøver fra gummibåden, da den drev meget på grund af modstanden fra rebet, der sikrede båden til land. Desuden var det svært at tage prøver på den anden side af pynten, idet gummibåden drev med strømmen i vandet. De steder, hvor prøverne blev taget, blev vandets saltindhold målt. 13

14 7.2.3 Prøver fra gummibåd med motor og båd med spil Prøverne ude på fjorden blev taget fra en gummibåd med motor, da det ikke var muligt at sejle på fjorden pga. strømmen, se Figur 7.4. Prøverne længst ude i fjorden blev taget, da der var lavvande, og da højvandet kom, var det muligt at sejle længere ind i fjorden. På trods af højvandet blev vanddybden for lav for båden, hvilket betød, at der ikke kunne sejles længere ind end cirka halvvejs mellem havnen og Kangerlussuaq. Figur 7.4: Prøverne ude på fjorden blev taget fra en gummibåd med motor. Udtagningen af prøver blev udført med grabben, og på Figur 7.5 kan prøvestederne ses. Havn Figur 7.5: Prøver taget i fjorden fra båd med motor. Prøve 1101 er taget med grab og spil. Prøverne blev taget med kajakbundhenter på sandbanker, og de resterende blev taget med grab. Prøve 1101 blev taget med spil fra en større båd, da vanddybden var omkring 150 meter. Ved prøvetagningerne blev vandhastigheden målt, for at kunne se en sammenhæng mellem kornstørrelse og mineralogi for sedimenterne. Vandhastigheden skal måles ⅓ af vanddybden nede, hvilket ikke var muligt alle steder. Prøvetagning med grab gav problemer, idet der ikke altid skete en udløsning. Det skyldes nok, at den stærke strøm fik drejet grabben, så den landede på siden eller lignende. 14

15 7.3 Geologisk historie ved Kangerlussuaq Isen ved Kangerlussuaq har bevæget sig frem og tilbage over landskabet, hvilket har været med til at forme landskabet, sammen med smeltvandsfloder og gletschere. Fjordens U-formet dalprofil er dannet ved erosion, der skyldes gletscherens gentagne fremskydninger i dalen /3/, hvilket er illustreret i Figur 7.6. Figur 7.6: En gletscher der har bevæget sig ind i en dal og eroderet i dens bund og sider, så profilet er blevet U- formet /4/ s Når isen er rykket frem over landet har den med sin store masse trykket landet ned, helt op til 100 meter, hvilket har betydet, at der er sket forskydninger i jordlagene /5/. Ved isens fremrykning i Weichel blev der bundet store mængder vand i iskapperne, og da klimaet blev mildere blev vandet så frigivet igen, hvilket er situationen i dag /4/ s Det betyder, at tilbagesmeltningen siden Weichel har givet en netto landhævning (isostasi) /3/ s. 43. Den havstigning (eustasi), der skete i takt med, at isen smeltede, forløb hurtigt (ukonstant) i forhold til hævningen af landet, der skete i en lang sej bevægelse (konstant) /5/. Idet havniveauet steg hurtigt i takt med isens tilbagesmeltning, havde smeltevandet mulighed for at erodere i gamle jordlag, der lå lavt i forhold til vandet. Det er denne erosion, der er med til at danne terrasser. I Kangerlussuaq findes den første terrasse ca. 30 meter over havniveauet /5/. De hævede terrasser har en høj koncentration af salt, hvilket ses ved saltskorper på terrasserne. Det skyldes aflejringens kapillærekræfter, hvor der sker en opsugning af saltholdigt vand, fordi fordampningen er større end nedbøren i Kangerlussuaq. Det betyder, at der sker en netto fordampning, og saltet vil blive i det øverste lag af aflejringerne. Opsugningen af vandet sker hovedsagligt om sommeren, hvor frosten i jorden smelter, og de kohæsivekræfter virker. Da der er en begrænsning for, hvor langt ned i jorden frosten smelter, vil der på et tidspunkt ikke blive suget mere saltholdigt vand op. I teorien burde alt salten derfor lægge sig i toppen som en skorpe, mens de underliggende lag er udvasket for salt. 15

16 8. Forvitring, vanderosion og aflejring For at kunne forstå aflejringen af sedimenter i fjorden ved Kangerlussuaq, er det nødvendigt, at vide noget om hvordan materialet eroderes og transporteres. Procesforløbet starter ved, at der sker en forvitring eller erosion af noget materiale (punkt 1), i dette tilfælde er det bl.a., ved at indlandsisen bevæger sig hen over undergrunden, se Figur 8.1 og 8.2. Hvilke kornstørrelser, materialet bliver forvitret til, afhænger af mange faktorer, men det vurderes til dels at afhænge af hårdheden af de enkelte mineraler Figur 8.1: ABC-model for området ved Kangerlussuaq. Punkt 1 illustrerer isen, som eroderer bjergmaterialet, punkt 2 er floden, som transporterer materialet til fjorden (her kan til dels stadig ske forvitring), samt punkt 3 hvor materialet sedimenterer. Figur 8.2: Billede af hvordan isen har eroderet og skubbet materiale med sig ud. Materialet bliver derefter eroderet af isfloden ud til fjorden (punkt 2). Sedimenterne er i første fase primært blevet transporteret ved massetransport i form af glacial transport, men også fluvialt (flod). Sedimenterne er usorterede, da isens har en ringe evne til at sortere materialet. De aflejrede moræner vil blive udsat for nye erosioner, der primært skyldes smeltevandet fra gletscheren. De opsamlede sedimenter fra morænen og de sedimenter, der findes i smeltevandet, vil blive transportere fluvialt, indtil de aflejres. 16

17 Selve erosionen er afhængig af bl.a. den strømmende vand, som påvirker bundmaterialet med en forskydningsspænding τ o (slæbespændingen), som tilnærmet kan beregnes af /6/: y I (1) o w hvor ρ w er vandets rumvægt y er den lokale vanddybde I er bundens hældning Overskrider τ o en vis kritisk værdi, vil korn blive revet op af bunden og transporteret væk /6/: 0,05( ) d (2) o s w hvor ρ s er partiklernes rumvægt d er korndiameteren Hvorvidt den givne kornstørrelse bliver eroderet er ikke kun afhængig af strømhastigheden, men også af mængden af opslemmet materiale og bundens form. Ud fra Hjülströms diagram i Figur 8.3 er det muligt at se sammenhængen mellem middelstrømhastighed i en 1 m dyb kanal med ensartet kornstørrelse. Ved hjælp af diagrammet kan følgende fem vigtige forhold i forbindelse med vandtransport af sedimenter nævnes: 1. Der skal en højere vandhastighed (rettere τ o ) til at påbegynde erosionen af en given kornstørrelse end til at holde den i transport, når den først er i gang. Det skyldes momentet (impulsen) af kornene i transport. Dette muliggør aflejring af lag af enskornede aflejringer. 2. For kornstørrelser større end mellem kornet sand, d.v.s. ca. 0,3 mm, vil vægten af de korn, der kan transporteres vokse med potens af vandhastigheden. 3. Mellemsand er en kornstørrelse, der eroderes ved den laveste strømhastighed. 4. Ler og silt eroderes først ved højere strømhastigheder. Det skyldes dels, at de enkelte partikler er så små, at bunden virker hydrodynamisk glat, dels at lerholdige sedimenter er bundet sammen af kohæsivekræfter. 5. Når først leret er eroderet, skal vandet være meget roligt, før det aflejres igen /6/. 17

18 Figur 8.3: Hjülströms diagram /6/. Når vand flyder afsted i en flod, vil det ofte ske i hvirvlende bevægelser, også kaldet turbulens. Faldhastigheden er derfor ubetydelig i forhold til turbulensbevægelserne, når der er tale om finkornet materiale, hvorfor disse kornstørrelser næsten altid transporteres opslemmet i vandet. Suspensionstransporten er mulig, fordi der forekommer en ligevægtstilstand, fordi koncentrationen af partikler øges med dybden, hvorved at de opadgående turbulensstrømme medfører mere materiale end de nedadgående og kompenserer således for nedsynkningen på grund af tyngden. Turbulens i vandstrøm forekommer altid ved højere vandhastigheder, hvorimod laminære strømninger kun forekommer ved lave strømhastigheder. Det bør nævnes, at større partikler også kan transporteres i suspension, hvis turbulensen er kraftig nok. Sten, grus og delvis sand transporteres hovedsageligt ved, at de enkelte korn triller, kurer eller hopper tæt hen over bunden, også kaldet bundtransport. Grafen i Figur 8.4 ses faldhastigheden af forskellig størrelse kvartspartikler i vand, når der altså ikke er turbulens i vandet. 18

19 Figur 8.4: Faldhastighed af kvartspartikler i vand /6/. Ovenstående teori kan hjælpe os til at forstå, hvilke kornstørrelser isfjorden ved Kangerlussuaq bringer med sig ud. Det kan være vanskeligt præcist at beregne, hvilke kornstørrelser der kommer med ud, idet isfjorden ikke forløber ens fra udspringet ved indlandsisen til fjorden ved Kangerlussuaq. Der er områder med stærk strøm, og andre områder hvor floden nærmest er en sø, og dermed her en mindre strømhastighed, se Figur 8.5 og 8.6. Figur 8.5: Isfjorden på et sted hvor der er meget strøm. Figur 8.6: Isfjorden på et sted hvor den løber igennem en sø. Ud fra dette er det muligt at konkludere, at floden ikke bringer større fraktioner med sig ud i fjorden i form af sten, da de formentligt bliver aflejret længere oppe i de omtalte områder, hvor vandhastigheden ikke er nær så stor. Dette illustreres af Figur 8.7, som er taget af isfjorden lige før den løber ud i fjorden ved Kangerlussuaq. Det ses, at der er aflejringer af grus og sand. 19

20 Figur 8.7: Isfjorden lige før den løber ud i fjorden ved Kangerlussuaq. Aflejringerne er sand og grus. Lufthavnen ses i baggrunden. Der hvor indlandsisen ender, ligger den i en højde af 600 m o.h. Der er ca. 38 km fra Kangerlussuaq til indlandsisen, det vil sige, at den gennemsnitlige hældning er ca.: I 615m 100% 1,6% 38000m Ved hjælp af formlerne (1) og (2) udregnes nu den maksimale kornstørrelse, som det er muligt for isfjorden at transportere med ud, når det antages, at vanddybden er ca. 1 m. d w y I s w kg/ m 1m 0,016 0,01m 1cm kg/ m Hvis floden forløb med samme hældning og vanddybde, er det altså muligt for isfjorden at løsrive og transportere korn med størrelsen 1 cm, hvilket svarer til groft grus /7/. Denne udregning er meget upræsis, men den giver alligevel en ide om, hvilke kornstørrelser det er muligt at finde, hvor isfjorden løber ud i fjorden. Vandhastigheden vurderes til overalt på strækningen at overskride 0,1 cm/sek., hvilket ifølge Hjulströms diagram vil sige, at der ikke aflejres silt og ler i isfjorden. Dette underbygges af punkt 5 (side 16) ovenfor, som siger at vandet skal være meget roligt før ler aflejres. Når vandet kommer ud i mere fladt terræn, vil strømhastigheden aftage, og der vil ske en aflejring af en del af det medførte sediment (punkt 3, Figur 8.1). Det er energien i floden og fjorden der sammen med størrelsen på sedimentkornene, er afgørende for, hvor kornene aflejres. De mindre korn behøver mindre energi for at holde sig suspenderet i vandet og aflejres derfor længst væk fra oprindelsesstedet. Vandløbet kommer derfor til at løbe i sine egne aflejringer, og der udvikles en dynamisk ligevægt mellem flodlejets form og hældning, og den vand- og sedimentmængde der skal 20

21 transporteres. Under forudsætning af uændrede forhold vil vandløbet ikke erodere sig dybere ned, men formentlig erodere i de ældre aflejringer på siderne af floddalen. Dette vurderes også at have været tilfældet (er tilfældet) i Kangerlussuaq, hvor området efter flodudmundingen er meget bredt. Vanddybden er under 1 meter, og flere steder er der sandbanker ved tidevande, se Figur 8.8. Området kan betegnes som et mindre flodnet/flettet flod (graided river), hvor flodarmene ustandseligt adskilles og løber sammen igen. Dette skyldes den meget varierende vandføring, som fører meget materiale med sig ud, og hvis fald er relativt stort i forhold til vandføringen. Figur 8.8: Udsigt over floddeltaget ved Kangerlussuaq set mod vest. På grund af de skiftende strømhastigheder og vanddybder er de deraf følgende aflejringer af sedimenter meget variabel. Bare i den periode undertegnede var i Kangerlussuaq flyttede flokkuleringsgrænsen sig flere kilometer frem og tilbage, og det var tydeligt at se, hvordan vandføringen varierede, hvor isfloden løb ud i fjorden. Ifølge de lokale skulle der have været ekstra gang i floden, se Figur 8.9, i perioden undertegnede var der, hvilket formentlig skyldes, at der var gået hul til en issø på indlandsisen. Derudover har høj- og lavvande også indflydelse på flokkuleringsgrænsen. Figur 8.9: Flodudmundingen ved Kangerlussuaq 21

22 Eftersom at prøvetagningen er sket med grab eller kajakbundhenter, er det kun de overfladiske sedimenter af bunden, der tages med op. Selvom kornstørrelserne i de meget små lagserier kan svinge meget, forventes der ikke de store forskelle i fraktionerne af de enkelte prøver, men derimod et ensartet materiale. Det begrundes med, at der skal ske store ændringer i vandhastigheden før end, at der f.eks. aflejres sand og ler samme sted. Selve aflejringen i deltaet sker ved, at suspensionen ophører, fordi vandet bliver mere roligt, og turbulensen i vandet ophører til dels, og bliver laminær. Vægten af kornene, herunder densiteten og størrelsen har indflydelse på aflejringen, og dermed også mineralogien af materialet. Dette er bl.a., en af de ting der vil blive undersøgt ud fra prøverne taget i fjorden. Ved sedimentering af de meget små lerpartikler sker der en flokkulering. Nogle af partiklerne er så små, at de ikke lader sig bundfælde selv ved forlænget bundfældning. Flokkulering vil sige dannelse af flokke, og det skyldes de elektrokemiske kohæsivekræfter imellem partikler /8/. Det sker bl.a., når saltvand møder ferskvandet med opslemmet ler, hvor natriumionerne og kloridionerne sætter sig på partiklerne, og de begynder at tiltrække hinanden, og partiklerne vil blive tungere og større end de rene partikler. Dette er tilfældet ca. 10 kilometer ude i fjorden ved Kangerlussuaq. Grænsen ses meget tydeligt mellem det grøn-blå havvand og så det grumsede flodvand, se Figurene 8.10 og Figur 8.10: Flokkulering ved Kangerlussuaq set fra fly. Figur 8.11: Flokkulering ved Kangerlussuaq set fra båd. 22

23 Da saltvandet er tungere end ferskvandet, ligger det sig som en kile under ferskvandet, hvilket er illustreret i Figur Figur 8.12: Saltvandskile under ferskvand /6/ s

24 9. Resultat behandling 9.1 Kvartsindhold i fossilsletten I projektet Fremstilling af letklinker ud fra grønlandsk ler var en af konklusionerne at finde en ler med mindre kvarts i. Eftersom at kvarts har en lavere densitet end nogle af de andre mineraler i leret fra fossilsletten, blev der fremsat en teori om, at der kunne forventes mindre kvarts i de mindre fraktioner. Dette blev eftervist ved en undersøgelse af leret fra fossilsletten, som blev sorteret i ler, silt og sand. De enkelte fraktioner blev undersøgt mineralogisk, og i Figur 9.1 ses resultaterne jf. Bilag % 80% 60% 40% 20% 0% Bulkler Bulksilt Bulksand Samlet Kvarts Kalifeldspat Plagioklas Amfibol Augit Lermineraler/biotit Figur 9.1: Mineralogiskindhold af ler, silt og sand i leret fra fossilsletten. Kvartsindholdet falder fra 17,8 % til 8,9 % fra silt- til lerfraktionen, hvilket er omkring en halvering. Derfor kan der med fordel ledes efter et så finkornet materiale som muligt. 9.2 Behandling af resultater fra Kangerlussuaq Ud fra Afsnit 8 burde det derfor teoretisk være muligt at finde de store fraktioner tæt på udløbet af isfjorden, og de små længere ude i fjorden. Derudover forventes der en forskel i mineralogien i fraktionerne, ved at der formentlig er flere mineraler med lav densitet i de mindre fraktioner og omvendt ved de større fraktioner. Se densiteter for udvalgte mineraler i Tabel 9.1. Hårhed (Mohs) Densitet (kg/cm 3 ) Kvarts 7 2,6 Kalifeldspat 6 2,5 Plagioklas 6 2,5 Amfibol 5,5 3,2 Augit 5,5 3,4 Biotit 2,5 3,2 Tabel 9.1: Densiteter og hårdheder for udvalgte mineraler /10/. 24

25 Eftersom betingelserne for aflejringen er meget forskellig i flodudløbet, forventes fraktionerne spredt, således at eksempelvis ler findes flere forskellige steder i flodnettet, hvilket også har været tilfældet. I selve flodløbet forventes der at være en sammenhæng mellem fraktionerne, og der er derfor forsøgt taget prøver langs en linie, hvor selve flodudløbet blev vurderet til at gå, se Figur 9.2. Meningen var, at der skulle tages prøver hele vejen op i flodudløbet til udspringet, men eftersom at vanddybden var alt for lav, og der var for stærk strøm til at vade ud i, kunne dette ikke lade sig gøre. Figur 9.2: Prøvetagningssteder i selve flodudløbet. Havnen ligger på nordsiden af fjorden midt i billedet. Ved en sigteanalyse og slemmeanalyse er kornkurverne bestemt for de enkelte prøver, se Bilag 3. Ud fra middelkornstørrelsen for de valgte prøver og vanddybden, er Figur 9.3 optegnet, se Bilag 4. 25

26 Middelkornstørrelse(mm) Dybde(m) Middelkornstørrelse(mm) Dybde(m) Kornstørrelse i prøve Vanddybde ved prøven Kornstørrelse i prøve Vanddybde ved prøven Prøve Prøve 0 Figur 9.3: Middelkornstørrelse og vanddybde for de enkelte prøver er optegnet. I højre diagram er samme diagram optegnet logaritmisk, hvor 1 på x-aksen er prøve 1101 og 2 på x-aksen er prøve 0715 osv. Figuren giver et udmærket bevis på, at middelkornstørrelsen for de enkelte prøver afhænger af strømhastigheden, hvilken til dels er afhængig af vanddybden. Det ses, at ler- og siltfraktionen først aflejres ved meget store dybder, hvor vandhastigheden er meget lille. Dette kan sammenlignes med Figur 9.4, hvor det ses, hvordan sedimentaflejringen forskydes udad. Figur 9.4: Snit i delta. Når deltaet gror udefter, forskydes de forskellige sedimentationsmiljøer udad og forøger derved de enkelte sedimentkroppe (formationer). De punkterede linier angiver tidligere overflader/tidslinier, men de kan ikke iagttages i naturen /6/. 26

27 Der er foretaget mineralogiske undersøgelser ved Ole Bjørslev af enkelte prøver jf. Bilag 5, og ved at lave et gennemsnit af de enkelte mineraler for prøverne for de enkelte fraktioner, kan følgende diagram optegnes, se Figur 9.5 /9/. Derudover er resultatet fra tidligere mineralogisk undersøgelse af fossilsletten optegnet. 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Fossilsletten Ler Silt Sand Quartz Kali-Feldspat Plagioklas Amphipol Augit Biotit Figur 9.5: Gennemsnitlig mineralogisk indhold af prøverne for de forskellige fraktioner Det ses, at der er forskel i det mineralogiske indhold mellem de enkelte fraktioner. Der er stort set ingen ændring i mineralogien mellem fraktionerne sand og silt. Derimod sker der flere ændringer i lerfraktionen, hvor bl.a. mineralet biotit fremkommer, og kvartsindholdet er blevet betydelig mindre, se Tabel 9.2. Gennemsnit Fossilsletten Ler Silt Sand Quartz 14,7 17,1 27,7 27,6 K-F.Spar 13,8 0,0 10,5 12,5 Plagioc. 36,7 41,2 38,8 37,8 Amphibol 16,7 8,1 9,0 4,3 Augit 10,4 23,0 14,0 18,0 Biotit 6,9 10,6 0,0 0,0 Tabel 9.2: Gennemsnitlig mineralogiske indhold af prøverne for de forskellige fraktioner /10/. For at se om der er en sammenhæng mellem kornstørrelse og mineralogi, multipliceres densiteten af det enkelte mineral med det procentvise indhold og adderes med de andre mineraler for den enkelte fraktion, se Figur 9.6. Derudover multipliceres det procentvise indhold af de enkelte mineraler med hårdheden af mineralet, for at se om der er en sammenhæng her imellem fraktionerne, se Figur

28 % Quartz Gennemsnitlig hårdhed Gennemsnitlig densitet (g/cm^3) 6,3 6,2 6,1 6,0 5,9 5,8 5,7 5,6 5,5 5,4 5,3 Hårdhed Densitet Ler Silt Sand Fraktion 2,9 2,9 2,8 2,8 2,7 2,7 2,6 Figur 9.6: Hårdhed og densitet af mineralerne som funktion af kornstørrelsen. Y-aksernes skal ses som et indeks. Lidt uventet ses det, at den gennemsnitlige densitet er større for lerfraktionen end ved de større fraktioner. Dette er lidt overraskende, da det var forventet at densiteten var lavere i lerfraktionen pga. tyngdekraften. Dette kan muligvis forklares vha. den gennemsnitlige hårdhed for materialet, som ser ud til at være mindre i lerfraktionen end ved de større fraktioner. Dette forklarer, at mineraler med en lavere hårdhed er nemmere at forvitre/erodere til mindre kornstørrelser. Det er igen bevist, at kvartsindholdet er lavere i lerfraktionen end i sand- og siltfraktionerne, se Figur 9.7. Det ses også, at det gennemsnitlige kvartsindhold for lerprøverne ligger højere end i lerprøven fra forsilsletten. Dette er ikke så godt i forhold til, at der er forsøgt at finde en ler med mindre kvarts end i leret fra forsilsletten. Bundprøver Bundprøver Fossilsletten Ler Silt Sand Fraktion Figur 9.7: Gennemsnitlige kvartsindhold i bundprøverne fra fjord opdelt efter benævnelse ler, silt og sand. Desuden ses resultatet fra fossilsletten 2005 /1/. 28

29 Prøve 1101 viste sig at indeholde mindst kvarts 16,3 %, hvilket altså underbygger ovenstående. Det er dog lykkedes at finde en ler, prøve 0727, med en lavere gennemsnitskornstørrelse på 1,3 μm, jf. Bilag 3. Middelkornstørrelsen i forsilsletten er tidligere fundet til 2,3 μm, hvilket altså er cirka dobbelt så stort Seismik Der blev i perioden i Kangerlussuaq også lavet seismiske undersøgelser af bunden af fjorden i området ud for Kangerlussuaq havn samt i nabo fjorden Umivit. Det viste sig, at det kun var muligt at måle refleksion fra undergrunden i en afstand af m fra kysten. Dette indikerer, at lagtykkelserne/aflejringerne er så tykke midt i fjorderne, at det ikke har været muligt at måle refleksionen ved den benyttede frekvens /10/. 9.3 Salts betydning Aflejret ler ved Kangerlussuaq har formentlig været i kontakt med saltholdigt havvand, eftersom at der er målt salt i fjordvandet helt op til Kangerlussuaq havn, se Bilag 1. Kommer saltindholdet i ler op over 0,1 vægt%, regnes leret for at være uanvendeligt til fremstilling af lerprodukter som f.eks. tegl og letklinker. Det skyldes, at natrium er letsmeltelig og vil sætte sig på ovnsiderne, hvor det ved større mængder er til gène, idet der i eksempelvis i en roterovn dannes en ring af materiale. Det er muligt i flere roterovne at flytte gasflammen og dermed brændezonen, så der ikke opstår en ring. Derudover dannes der saltsyre ud fra kloriden, som vil sætte sig i røggasfilteret, hvilket helst skal undgås. Det er muligt at udvaske kloriden, men økonomisk set kan det ikke betale sig /1/. Prøverne taget ved Kangerlussuaq bør derfor undersøges for saltindhold, hvilket også er gjort for de fleste af prøverne. Saltindholdet måles ved indholdet af klorid, da det antages, at al kloriden stammer fra NaCl. Kloridindholdet undersøges ved potentiometrisk titrering med sølvnitrat /1/. Resultaterne af forsøgene kan findes i Bilag 6, og i Figur 9.8 er de fleste af resultaterne opgivet på kort. 29

30 Lufthavn Havn Figur 9.8: Resultater af undersøgelser af kloridindholdet for prøverne taget ved Kangerlussuaq. <0,2 % NaCl Mellem 0,2 %-2 % NaCl >2 % NaCl Der er målt saltindhold (NaCl) på op til 36,1 %, hvilket er meget højt. NaCl`en bliver ikke udvasket med tiden, fordi fordampningen er større end nedbøren ved Kangerlussuaq (ørkenklima). Dette er medvirkende til at lerforekomsterne (terrasserne) suger saltholdigt vand op, hvorefter vandet fordamper, og saltet udfældes dermed i leret /1/. Ved prøvetagningen blev der opserveret hvide plamager på overfladen af terrasserne, hvilket altså er salt, og det forklarer også, hvorfor der er målt et saltindhold på op til 36,1 % i en prøve taget i toppen af en terrasse. Alle prøver med et saltindhold på over 2 % er alle taget på lersletterne omkring Kangerlussuaq. Prøverne med et saltindhold mellem 0,2 %-2 % ligger alle i området, hvor flokkuleringen finder sted, hvorfor det ikke er underligt at bundprøverne indeholder salt. Længere oppe mod Kangerlussuaq indeholder prøverne næsten ingen eller intet salt, hvilket skyldes, at saltvandet ikke når længere op end til flokkuleringsgrænsen. Hvis saltindholdet af prøverne sammenlignes med saltindholdet målt i vandet ved prøvetagningsstederne, er der en overensstemmelse, se Bilag 1. Forskellen skyldes, at flokkuleringsgrænsen flytter sig dagligt frem og tilbage. 30

31 9.4 Vandindhold og Glødetab For hver prøve er der udført vandindholdsanalyse ved hjælp af fremgangsmåden beskrevet i /1/. Ved sammenfatning af resultaterne, se Bilag 7, ses det, at der er en sammenhæng mellem vandindhold og det sted, hvor prøven er taget. Med det menes, at prøver taget på bunden af fjorden har et højere vandindhold end prøverne taget langs kysten og på terrasserne, hvilket jo er meget logisk. I Tabel 9.3 er det gennemsnitlige vandindhold udregnet for de 3 overordnede prøvetagningssteder. Prøvetagningssted Vandindhold (GNS) På bunden af fjord 32,8 % Langs kysten (vandkant) 17,1 % Letslette 11,1 % Tabel 9.3: Gennemsnitlige vandindhold opstillet mod hvor prøverne er taget. Ligeledes er der foretaget undersøgelse af glødetabet ved 550 C for næsten alle prøver efter fremgangsmåden beskrevet i /1/. Resultaterne ses i Bilag 7, hvor også fraktionen for hver prøve er angivet ud fra kornstørrelsesskalaer /7/. Ved at lave et gennemsnit af glødetabet for de tre fraktioner sand, silt og ler, er følgende resultater opnået i Tabel 9.4, som viser, at der er en sammenhæng mellem kornstørrelse og glødetab. Glødetabet er større jo mindre fraktion er, hvilket kan tyde på, at der enten er mere kemiskbundet vand på partiklerne, eller at der er mere organisk materiale i de mindre fraktioner. Det vides fra tidligere undersøgelse af leret fra fossilsletten, at der er et organisk karbonindhold på 0,21 vægt% /1/, hvilket betyder, at der må være en del mere bundet vand i ler end i silt og sand. Dette underbygges af, at det er begrænset, hvor meget organisk materiale der kan være på bunden af fjorden, først og fremmest fordi vandtemperaturen ikke er meget over frysepunktet. Dernæst er aflejringerne på bunden af fjorden meget unge, og har ikke været udsat for kemiske processer, hvorfor vandindholdet formentlig bare ligger godt gemt i nogle porer og er dermed ikke fordampet ved vandindholdsanalyserne. Dette hænger også sammen med, at sand ikke har mulighed for at gemme vand i strukturen i modsætning til det finere silt og ler. Prøvetagningssted Glødetab (GNS) Sand 0,14 % Silt 0,81 % Ler 1,1 % Lerslette 1,6 % Tabel 9.4: Glødetab opdelt i fraktionerne sand, silt og ler. 31

32 9.5 Kalk Kalkindholdet i fossilsletten har tidligere været svært at definere, fordi der er opnået forskellige modsigende resultater. En ny prøve fra fossilsletten er undersøgt ved mikroskopi af Erling Fundal, og den viser spor af calcit i størrelsesordenen ppm /12/. Calcitindholdet er derfor meget lille, men det er der. Tidligere undersøgelser har vist et indhold på optil 5 vægt% /1/, hvilket formentlig skyldes, at leret er blevet forurenet med calcit under bearbejdelsen til mursten. Der er ikke undersøgt kalkindhold i bundprøverne fra fjorden, da indholdet vurderes at være meget småt og dermed negligibelt til fremstillingen af letklinker. Kalkindholdet vil ikke yderligere blive behandlet i denne rapport. 32

33 10. Syenit Som beskrevet tidligere har forsøg med letklinker vist, at leret bør have et lavt kvartsindhold. Det skyldes, at der blev opserveret usmeltet kvarts i de tidligere producerede letklinker ved elektronmikroskopi. Konklusionen var, at det var til gene for både styrken og tætheden af materialet, hvorfor der blev undersøgt, om det var muligt at finde en kvartsfattig ler. Til dette formål blev der ved hjælp af firkantdiagrammet, se Figur 10.1, vurderet at bjergarten syenit havde et lavt kvartsindhold, samtidig med at det indeholder forholdsvis meget natrium og/eller kalium, som er letsmeltelige mineraler. Figur 10.1: Firkantdiagram med inddeling af de magmastiske bjergarter i plutoniske og vulkanske (kursiv). Diagrammets spidser er 100 % /1/. Ved gennemgang af det geologiske kort over Grønland, blev der fundet syenit i området omkring Narssaq, som ligger nord for Julianehåb /1/. Der findes her to forskellige forekomster af syenit; kvartssyenit og augitsyenit. Da syenitten er fri af isen, er det tvivlsomt, om der findes nogle syenitaflejringer. Ved hjælp fra Kenneth Høgh blev der i april 2005 taget prøver i området. Ud fra det geologiske kort blev det vurderet, hvor der var størst mulighed for at finde leraflejringer fra syenitholdige bjergarter, hvilke er skitseret på kortet i Figur Se koordinater samt forsøgsvejledning i Bilag 8. 33

34 Figur 10.2: Foreslåede prøvetagningsområder ved Narssarssuaq. Det viste sig ifølge Kenneth Høgh, at det ikke var muligt at finde ler i områderne 2, 3 og 4. Ved punkterne 2 og 3 ligger lerfraktionen på bunden af fjorden, og punkt 4 var ikke fremkommelig pga. sne og is. Da Kenneth Høgh kender området godt, var hans forslag udover punkt 1, at forsøge at finde en ler i bunden af fjorden Igaliku, som ligger syd for området i Figur Det lykkedes kun at tage prøver i bunden af Igaliku fjorden overfor bygden Igaliku, samt fra et elvdelta i bunden af fjorden. Begge steder er markeret med røde cirkler på det geologiske kort i Figur 10.3 /13/. Figur 10.3: Geologisk kort, hvor det blå område er Augitsyenit og det Bordeaux røde er kvartssyenit. De røde cirkler markerer prøvetagningsstedet. 34

35 Prøverne blev taget med en skovl i vandkanten, og på Figur 10.4 og 10.5 ses prøvetagningsstederne. Figur 10.4: Prøvetagningssted overfor bygden Igaliko. I baggrunden ses syenitholdige bjerge. Figur 10.5: Prøvetagningssted i elv delta i bunden af fjorden. Det viste sig, at der ingen lerfraktion var i området, men kun grus, hvilket betyder, at lerfraktionen nok ligger på bunden af Igaliko fjord. Eftersom at der er begået fejl i forsendelsen af materialet fra Grønland, er det først dukket op på DTU i midten af november 2005, hvorfor det ikke har været muligt at undersøge det mineralogisk. På baggrund af dette er der undersøgt en anden syenit, som har været tilgængelig på DTU. Prøven er undersøgt ved røntgendiffraktion af Ole Bjørslev, men eftersom at han ikke er en kender af de mineraler, der findes i syenit, har det ikke været muligt at bestemme indholdet nærmere, bortset fra at det indeholder en del Nefelin. Derimod er der lavet en røntgenfluorescence af prøven, hvor resultatet fremgår af nedenstående Tabel SiO 2 TiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 FeO Mn 3 O 4 MgO CaO Na 2 O K 2 O P 2 O 5 Volatiler % % % % % % % % % % % % Indhold 54,01 0,04 23,27 0,51 0,023 0,04 3,58 9,11 6,05 0,04 2,60 Usikkerhed 0,20 0,005 0,17 0,03 0,001 0,01 0,07 0,10 0,04 0,004 Tabel 10.1: Resultat af en røntgenfluorescence (XRF) undersøgelse af syenit prøve nr Usikkerhederne er beregnet på basis af kalibreringskurvernes usikkerheder /14/. Til bestemmelse af smeltepunktet for prøven er de tre mest forekommende stoffer benyttet og omregnet til 100 %, se Tabel Mineral Udgør i leret [Vægt%] Omregning til 100 % [Vægt%] SiO 2 54,01 62,5 Al 2 O 3 23,27 26,9 Na 2 O 9,11 10,5 Tabel 10.2: Omregning ved tilsætning af Na 2 O. Omregninger ses i Bilag 9. 35

36 På fasediagram i Figur 10.6 ses smeltepunktet for syenitprøven, til at ligge i området omkring 1400 C, med et mindre temperaturdyk på 1063 C i området markeret med en lille cirkel. Det er stort set det samme tilfælde, som blev opserveret for leret fra Kangerlussuaq /1/. Figur 10.6: Fasediagram mellem SiO 2, Al 2 O 3 og Na 2 O. Smeltepunktet er markeret med en rund cirkel. Det ses, at neplineområdet ikke ligger langt fra det bestemte område, hvilket altså er et af de mineraler, der er opserveret i syenitprøven. Den stiplede linie samt kryds markerer sammenfaldet mellem de samme stoffer i leret fra Kangerlussuaq (fossilsletten). Der vurderes derfor ikke at være den store gevinst ved at bruge syenitholdig ler fremfor leret fra Kangerlussuaq. Ofte er der en forskel mellem teori og praksis, hvorfor der forsøges at ekspandere noduler med materiale fra syenitprøven (DTU) samt med materiale fra Igaliko. For at det er muligt at forme en nodul, er det nødvendigt at bringe kornstørrelsen ned i nærheden af ler- og siltfraktionerne. Hertil er benyttet en morter, som ved hjælp af en mindre cylinder i en cylinder ved vibration kan nedknuse materialet. Resultaterne af letklinke forsøgene kan ses i næste afsnit. 36

37 11. Ekspansion af letklinker Der blev i efteråret 2004 udført en del forsøg med ekspansion af letklinker ud fra ler fra fossilsletten i Kangerlussuaq. Forsøgene viste, at det ikke er muligt at benytte den normale LECA proces, hvor det oxiderende/reducerende forhold udnyttes. Der blev derfor opstillet en speciel model for ekspansion af letklinker ud fra leret fra Kangerlussuaq, som ses i nedenstående Figur ~1100 C C Talkum/olivin Na 2 CO 3 Na 2 O + CO 2 CaCO 3 CaO + CO 2 2C + O 2 2CO O 2 CO CO 2 Figur 11.1: Model for ekspansion af ler fra Kangerlussuaq til letklinker. Der viste sig, at der med fordel kunne tilsættes Na 2 CO 3, som udover at danne gasser nedsatte smeltepunktet for leret, hvormed der blevet opnået større ekspansioner. Derudover viste det sig, at der med fordel kunne tilsættes kalk til et indhold på 12 vægt%, hvorefter det havde hæmmende virkning. Kalken er med til at lave lavviskose smelter, hvilket er en fordel ved opblæringen. Der blev med succes benyttet talkum til pudring af overfladen for at undgå klistring til andre noduler. Problemet opstod når nodulerne ekspanderede ved en overflade forøgelse, hvorved nyt upudret materiale kom frem. Dette kan formentlig løses ved indblæsning af materialet i brændezonen, hvilket der fortsat ikke har været muligt at afprøve Brændeteknik og dannelse af gasser Til dannelse af gasser til opblæringsprocessen, er der tidligere bl.a. benyttet krabbeaffald og olie fra spæk. Begge gav gode resultater ved indførelse af nodulen i brændezone. Problemet med de to materialer er, at kulstoffet brændes af ved meget lavere temperaturer, hvilket formentligt gør det umuligt at benytte i storskalaovne, hvor det er nødvendigt at opvarme/tørre nodulerne inden de kommer ind i brændezonen. For at afprøve om dette er rigtigt, blev der bygget en ny ovn på ARTEK i foråret 2005, hvor det er muligt at opvarme nodulerne, før de kommer ind i selve brændezonen, til forskel 37

38 Glødetab (%) Kulstofindhold (%) fra den muffelovn som tidligere er benyttet, se Appendiks B. Til dette blev der lavet to forsøg ved 1100 C, et hvor nodulen blev sat ind direkte i brændezonen, og et hvor nodulen blev ført kontinuerligt ind til brændezonen indenfor 8 minutter samt brændt i 8 minutter i selve brændezonen. Der blev forsøgt med den blanding, som viste sig at være den bedste fra de tidligere forsøg, hvor der blev tilsat: 9,5 % Na 2 CO 3, 8 % CaCO 3 og 5,5 % olie fra spæk. Dette resulterede i: Prøve Tilsat Brændeproces Densitet (g/cm 3 ) Ler fra fossilsletten 9,5 % Na 2 CO 3, 8 % CaCO 3 og Sat direkte ind i 0,576 (F1) 5,5 % olie fra spæk brændezonen, brændt i 13 Ler fra fossilsletten 9,5 % Na 2 CO 3, 8 % CaCO 3 og (F1,2) 5,5 % olie fra spæk Tabel 11.1: Forsøgsresultater med ler fra fossilsletten. min. Kontinuerlig indføring, 8 min + 8 min i brændezone. 0,937 Det ses, at densiteten er noget lavere, når nodulen er sat direkte ind i brændezonen i sammenligning med den kontinuerlige indføring. Dette betyder, at størstedelen af olien fra spækken når at brænde af, inden der er opnået en smeltedannelse i nodulen, hvorfor det formentlig ikke kan benyttes til storskalaforsøg. Som løsning af dette er det undersøgt, hvorvidt kulstøv kan benyttes. Kulstøvet er undersøgt ved en kombination af LECO forsøg samt glødetabsforsøg. Der er lavet en række forsøg, hvor kulstøvet glødes i 15 min ved en given temperatur, hvorefter kulstofindholdet måles af det tilbageværende materiale. Resultaterne er skitseret i graf i Figur Temperatur ( C) Glødetab Kulstofindhold Figur 11.2: Resultater af forsøg med glødetab af kulstøv ved forskellige temperaturer, samt resultater fra LECO forsøg hvor kulstofindholdet måles, se Bilag 10. Det ses, at kulstøvet først rigtig brændes af ved temperaturer over 400 C. Det er derfor ideelt til ekspansion af letklinker, fordi det er muligt at tørre nodulen ved omkring

39 C, før den føres ind i brændezonen uden at kulstofindholdet forsvinder. Dette er også undersøgt ved letklinkeforsøg, hvor der er lavet to forsøg ved 1100 C, et hvor nodulen blev sat direkte ind i brændezonen, og et hvor nodulen blev ført kontinuerligt ind i brændezonen. Der blev forsøgt med den blanding, som i forsøget med olie fra spæk, dog med 3 % kulstøv i stedet for. Det resulterede i: Prøve Tilsat Brændeproces Densitet (g/cm 3 ) Ler fra fossilsletten (F2) Ler fra fossilsletten (F2,2) 9,5 % Na 2 CO 3, 8 % CaCO 3, 3 % C 9,5 % Na 2 CO 3, 8 % CaCO 3, 3 % C Tabel 11.2: Forsøgsresultater for ler fra fossilsletten med kulstøv. Sat direkte ind i brændezonen, brændt i 13 min. Kontinuerlig indføring, 8 min + 8 min i brændezone. 0,910 0,701 Resultatet er modsat resultatet fra forsøgene med spæk. Det ses, at densiteten er lavere ved kontinuerlig indføring af nodulen end ved nodulen indsat direkte i brændezone for forsøgene med kulstof. Dette er et lidt overraskende resultat, hvilket formentlig skyldes, at alt kulstoffet ikke er brændt af ved forsøget F2, hvilket ville have medført en større ekspansion og lavere densitet. Forsøget viser at kulstøv, som forventet, ikke når at brænde af under opvarmningen, som olien fra sælspækken Brændeforsøg ved 1200 C Ud fra tidligere resultater /7/, blev det vurderet, om det var muligt at få et bedre produkt ved at benytte en højere temperatur end 1150 C, som var det maksimale den tidligere benyttede muffelovn kunne brænde ved. Der er derfor forsøgt at ekspandere letklinke ved 1200 C ved et enkelt forsøg, hvor leret fra fossilsletten blev tilsat 3 % kulstøv og ikke andet. Prøve Tilsat Brændeproces Densitet (g/cm 3 ) Ler fra fossilsletten 3 % C. Sat direkte ind i brændezonen, brændt i 15 min v. 0,673 (U 1,k ) 1200 C Tabel 11.3: Forsøgsresultater med ler fra fossilsletten ved 1200 C. Der skete en større ekspansion, men med store hulrum, hvilket ikke er særlig godt. Letklinken blev helt sort og spejlblank i overfladen, og der er derfor fortsat kun tegn på, at der sker reducerende processer selv ved en temperaturforøgelse Bundprøver fra Kangerlussuaq Ved analyse af bundprøverne taget ved Kangerlussuaq, blev der ikke fundet en ler med mindre kvarts, som var formålet. Der viste sig at være en forskel i mineralogien og kornstørrelsen i forhold til leret fra fossilsletten. Derfor er det muligt, at leret har et 39

40 mindre smeltepunkt, hvilket undersøges ved ekspansion af letklinker. Der er lavet to forsøg, et hvor ler fra havnen i Kangerlussuaq tilsættes den optimale blanding i forhold til fossilsletten og brændt ved 1100 C, og et hvor samme ler er tilsat 3 % kulstøv og brændt ved 1000 C. Prøve Tilsat Brændeproces Densitet (g/cm 3 ) Bundprøve 0727 (B1) 9,5 % Na 2 CO 3, 8 % CaCO 3 Sat direkte ind i Flød ud og 5,5 % olie fra spæk brændezonen, brændt i 15 min v C Bundprøve % C 1000 C 1,5 (B1,2) Tabel 11.4: Forsøgsresultater med ler fra havnen (0727). Der skete ingen smeltning ved 1000 C, men ved 1100 C smeltede materialet så meget at det flød ud som en pandekage, så det ikke har været muligt at måle densitet. Det er svært at vurdere et resultat ud fra dette. Umiddelbart kunne det tyde på, at mere af leret smelter ved 1100 C, men det kan lige så godt være, fordi der ikke er blevet dannet en skal omkring letklinken til at holde formen, hvorfor den er flydt ud. Der burde derfor være lavet et forsøg mere uden tilsætning af Na 2 CO 3 til leret og brændt ved 1100 C, for at se om det er muligt at ekspandere leret til letklinker ved denne temperatur uden tilsætning, hvilket ikke har været muligt for tilsvarende forsøg med leret fra fossilsletten /1/. Dette har ikke været muligt pga. problemer med ovnen Syenit Som tidligere skrevet har formålet været at undersøge, om det er en fordel at benytte ler med syenit. Der er derfor blevet lavet forsøg med ekspansion af letklinker ud fra nedknust syenit fra DTU og fra Igaliko. Der blev lavet to forsøg med syenitten fra DTU, som blev blandet med hhv. 3 % kulstøv og 6 % olie fra spæk og brændt ved 1100 C. Derudover blev der lavet to forsøg med syenit fra Igaliko, hvor den første prøve blev brændt ved 1100 C uden nogen tilsætning, og den næste blev brændt ved 1200 C med tilsætning af 3 % kulstøv. Resultaterne blev: Prøve Tilsat Brændeproces Densitet (g/cm 3 ) Syenit DTU (S1) 3 % olie spæk Sat direkte ind i brændezonen, brændt i 15 min v C. 1,113 Syenit DTU (S2) 3 % C Sat direkte ind i brændezonen, brændt i 15 min v C. 0,529 Syenit Igaliko (S5) Sat direkte ind i brændezonen, brændt i 15 min v C. 1,500 Syenit Igaliko (S5,2) 3 % C Sat direkte ind i brændezonen, brændt i 15 min v C. 0,945 Tabel 11.5: Forsøgsresultater med syenit fra DTU og Grønland. Resultaterne blev meget forskellige. Umiddelbart ser det ud som, om forsøget S2 er rigtig godt, men letklinken bestod af store hulrum, hvilket ikke er godt. Derimod ser forsøget S1 ud til ikke at være gået så godt, fordi densiteten er så høj, men ved at flække 40

41 letklinken, blev der opserveret en masse små porer, se Figur Det er derfor ikke helt til at forstå, hvorfor densiteten er så høj. Figur 11.3: Ekspansion af letklinker ud fra ler med syenit fra DTU (prøve S1). De blanke overflader er et tydeligt tegn på, at der er opnået en smelte ved 1100 C, og de mange små porer tyder på, at en stor del af materialet er smeltet. Forsøgene med nedknust syenit fra Igaliko giver ikke de samme gode resultater. Forsøget ved 1100 C resulterede ikke i en blank overflade, men derimod i en rød overflade, hvilket tyder på, at materialet ikke er smeltet. Forsøget ved 1200 C var derimod bedre, fordi der blev opnået en ekspansion af materialet. Det er dermed lykkedes at ekspandere letklinker ud fra syenitisk bjergart. Hvorvidt det er bedre resultater end leret fra Kangerlussuaq er svært at vurdere ud fra så få forsøg, det har været muligt at lave. 41

42 12. Letklinker i vej Frost og tø har altid forvoldt store problemer ved vejbygning. Det forvolder skader både i de underliggende bærelag, men også i vejoverfladen, og det ses i form af buler, revner og huller i vejbilledet, som er til stor gene for trafikken. Figur 12.1: Eksempel på skader på vejen som er forårsaget af frostpåvirkning af underliggende lag og vejoverflade /15/. Det vil derfor være tiltrængt, hvis det er muligt at løse dette problem, i og med at der ligger en del vejstrækninger i aktiske områder verden over, samt at der planlægges en vej mellem Kangerlussuaq og Sisimiut i Grønland. Det er her letklinker kommer ind i billedet, da det vurderes at have en gavnende effekt ved vejbygning i dette område. Letklinker er et let og isolerende materiale, og disse egenskaber kan muligvis udnyttes til at holde enten underliggende lag frosne, eller som frostsikring i forstærkningslaget. Problemet med letklinker i vej er styrken af materialet, fordi materialet indeholder porer til forskel fra massive sten/grus. Der er lavet en del undersøgelser i Trondheim NTNU, med hjælp fra Norsk Leca vedrørende denne problemstilling, og resultaterne viser, at letklinker har mekaniske egenskaber tilsvarende sten og grus indenfor det elastiske spændingsområde /16/. Dette gør, at materialet kan placeres højt oppe i vejkonstruktionen og benyttes som frostsikring i forstærkningslaget /17/. Dette forudsætter, at spændingsniveauet i letklinkerne er under det niveau, hvor der opstår knusning af selve kornene. For de traditionelle sorteringer af Leca tilsiger dette et spændingsniveau på cirka 150 kn/m 2 /15/. Dimensionering af overdækningen over letklinkerne må altså sikre, at spændingsniveauet ved trafikbelastning ligger under dette niveau. Der undersøges ved beregninger i Appendiks C, hvor store de enkelte lag i vejbefæstelsen skal være for at sikre en tilstrækkelig styrke. 42

43 Modstand mod deformation under trafiklast Materialerne i en vej skal kunne klare vekslende last over lang tid, uden af deformationerne overskrider det tilladte for asfaltlaget og bærelaget. Til undersøgelse af dette kan sykliske tryksialforsøg benyttes, hvor der måles modstand mod deformation under dynamisk last. Der er udført forsøg med to sorteringer af letklinker 0-32 mm og mm, og resultaterne ses i Figur 12.2 /17/. Styrken vil generelt være væsentlig højere end det, som er fundet ved statiske forsøg. Figur 12.2: E-moduler fra dynamisk trykforsøg /17/. Letklinker 0-32 mm er stivere og har større styrke end letklinker mm Modstand mod deformation under statisk last På baggrund af data fra storødometer test er der lavet en idealiseret modulkurve for letklinker /17/. Forsøgene har vist, at styrken for 0-32 mm er blevet reduceret, når spændingerne overskred 250 kpa, hvilket allerede var tilfældet for letklinker mm ved et spændingsniveau på 100 kpa. Reduktionen i stivheden skyldes en knusning eller afskalling af letklinkerne, se Figur Figur 12.3: Idealiserede modulkurver for Leca letklinker /17/. 43

44 Stor skala modelforsøg Der er blevet bygget en storskala model af en vej med 48 cm overbygning over et lag Leca letklinker mm. Et hydraulisk belastningssystem påførte simuleret trafikbelastning, svarende til ÅDT (årsdøgntrafik) over 20 år. Forsøgene viste, at den største elastiske tøjning i letklinkelaget var 1,1, hvilket er acceptabelt ifølge norsk vejnorm /18/. Undersøgelse af letklinkerne efter forsøget viste ingen tegn på nedknusning. Udover selve forsøget er der anlagt en vej Rv 753 i Nord-Trøndelag på letklinker med en overbygning på 40 cm samt et asfaltlag på 10 cm. Efter 1½ års trafik var der ingen tegn på hjulspor eller opsprækning i asfalten. Der kunne ikke påvises skader på letklinkerne som følge af trafikbelastningen. I Figur 12.4 ses bygningen af et andet forsøg med letklinker ved Sandmoen vejstation nær Trondheim. Figur 12.4: Bygning af isoleringsfelt med letklinker ved Sandmoen vejstation i Norge /15/ Effekt af isolering med letklinker Der er gennemført flere forskellige teoretiske analyser for at vurdere isoleringseffekten ved brug af letklinker, og disse er blevet sammenlignet med temperaturmålinger foretaget i en prøve fyldning. Konklusionen er, at isoleringen med letklinker giver en væsentlig reduceret frostnedtrængning, hvorved skader i underbunden kan undgås /15/. I Figur 12.5 ses resultatet af et forsøg med frostnedtrængning i vej med og uden isolering med letklinker. 44

45 Figur 12.5: Frostnedtrængning i vej med og uden isolering med letklinker /15/. Formålet ved de norske undersøgelser har været, at undgå at underbunden fryser (< 0 C), fordi det er her, de telefarlige materialer ligger. Der er lavet forsøg i et forsøgshus med letklinker mm blandet med sprengsten i en vejbefæstelse på ca. 40 cm i stedet for et lag ren sprengsten. Forsøget blev udført svarende til en frostmængde lig en 100 års vinter F 100 = C timer. Resultaterne ses i Figur 12.6, hvor det er lykkedes at undgå frost under letklinkelaget til forskel for laget med ren sprengsten. Figur 12.6: Resultaterne fra fryseforsøget ved Gardermobanen ved Leirsund /19/. Blå kurve illustrerer temperatur under Leca fyldning i vej med Leca, og grøn kurve illustrerer temperaturen under sprengsten i en almindelige vejopbygning Konklusion af forsøg De norske forsøg kan bruges til at konkludere, at det er muligt at benytte letklinker i vej, uden at der sker en nedknusning. Derudover sker der en væsentlig reduceret frostnedtrængning, hvorved skader i underbunden kan undgås. Forhåbentlig kan dette 45

46 resultat benyttes i den omvendte situation, hvor der stræbes efter at undgå en optøning af permafrosten i jorden. Udformningen af selve vejopbygningen skal tage højde for, at der er tilstrækkelig stabilitet mod deformation ud mod siderne (kanterne). På grundlag af de norske undersøgelser er der udarbejdet et løsningsforslag til dette, hvilket er illustreret i Figur 12.7: Figur 12.7: Eksempel på vejforstærkning med Leca letklinker som isolering /15/. 46

47 13. Dimensionering af vejbefæstelse med letklinker Der beregnes i første omgang på en vejbefæstelse, hvor der ønskes et lag med letklinker. Dette resultat vil blive benyttet til udregning af, om det er muligt at opretholde frost under vejbefæstelsen året rundt, så evt. sættelser i vejen kan undgås Dimensionering ved Odemark metoden Ved hjælp af Odemark metoden er der i Appendiks C beregnet på en vejbefæstelse med letklinker. Der bliver set på, hvor tykt laget skal være, og hvor stor overbygningen skal være for at få en tilstrækkelig styrke af vejen. Metoden benyttes bl.a. i kurset Vejbefæstelser på DTU, og beregningerne er kontrolleret af lektor Jan M. Jansen. Fremgangsmåden og beregningerne kan findes i Appendiks C Konklusion beregninger Ud fra beregningerne kan det konkluderes, at en vejbefæstelse med en opbygning af 60 mm asfaltlag, 210 mm stabilt grus og 322 mm letklinker er tilstrækkelig i bæreevne til en trafik (ÅDT) på passager om året. Asfalt 60 mm Stabilt grus 210 mm Letklinker 322 mm Underbund/permafrost Tallene stemmer meget overens ved sammenligning med løsningsforslaget i Figur Det er altså muligt at dimensionere en vejbefæstelse, når det antages, at trafikken er dynamisk. Det betyder, at der ikke bør holde større køretøjer for længe på vejanlægget, så statisk last kan undgås. Dette vurderes ikke at være et problem for vejstrækningen mellem Sisimiut og Kangerlussuaq, da linieføringen ifølge Niels Brock kommer til at ligge hovedsagelig på fjell det meste af stykket. Det betyder at vejstrækningerne, hvor linieføringen går over telefarlige områder er korte, og dermed burde det være muligt at undgå for meget ophold. 47

48 14. Frostteknisk dimensionering af letklinkelaget Til frostteknisk dimensionering af højden af letklinkelaget kan diagrammet i Figur 14.1 benyttes, når formålet er at undgå frost i underbunden. Diagrammet gælder for en traditionel vej med en overbygning på ca. 150 cm. Det er ikke muligt direkte at bruge figuren til dimensionering, når det er permafrosten, der ønskes beskyttet. Hvis det antages, at permafrosten svarer til en 100 års vinter, hvilket svarer til en frostmængde på ca C timer, og hvis linien 0 C antages at være gældende i begge situationer, menes det, at være muligt at regne baglæns, ved blot at sætte minus foran årsmiddeltemperaturen. Figur 14.1: Frostteknisk dimensionering af frostsikringslag af letklinker /18/. Middeltemperaturen mellem Kangerlussuaq og Sisimiut svinger en hel del: Kangerlussuaq: Middeldagtemperatur: -0,5 C Middelnattemperatur: -10 C Årsmiddeltemperaturen /20/: -5 C Sisimiut: Årsmiddeltemperatur /21/: -3,8 C Det ses, at årsmiddeltemperaturen er højest ved Sisimiut, hvorfor situationen er kritisk her. Ved aflæsning i diagrammet bestemmes en tykkelse på cirka 45 cm, hvilket er lidt højere end den tykkelse som er beregnet mht. dimensionering af vejbefæstelser. Ovenstående undersøgelse er meget usikker, hvorfor resultaterne udregnet vha. programmet HEAT2 er mere præcise. 48

49 15. Frostteknisk dimensionering i HEAT2 I Grønland er der problemer med at permafrosten under vejkonstruktionen tør op. Det er derfor blevet overvejet om det var muligt at isolere sig fra det problem, ved at udskifte bundsikringslaget med letklinker. Ved brug af programmet HEAT2 /22/ er vejkonstruktionen undersøgt for tre forskellige opbygninger. Den første opbygning er, hvor vejen indeholder 322 mm letklinker (opbygningen er bestemt i Afsnit 13), den næste er, hvor letklinkerne er udskiftet med traditionelt bundsikringslag af sand og grus, og til sidst er vejen undersøgt, når letklinkelaget er forøget til en tykkelse på 400 mm. I Appendiks D findes en beskrivelse af fremgangsmåden for simuleringerne i HEAT2, og de forskellige værdier der er benyttet. Der er benyttet vejrdata for et standard reference år for Sisimiut. I nedenstående Figur 15.1 ses vejopbygningen i HEAT2 med randbetingelserne. Normalt udføres veje med anlæg 1:2 langs siderne, hvilket ikke er gjort i opbygningen, fordi det ikke har kunnet lade sig gøre. Temperatur: Årsvariationen Asfalt Stabil grus Jord Jord Våde letklinker q = 0 q = 0 Permafrost Temperatur -3.8 C Figur 15.1: Skitse af vejopbygningen i HEAT2 med randbetingelser Resultater Simuleringerne i HEAT2 viser at letklinkerne isolerer bedre end traditionelt bundsikringslag, men også at et lag på 322 mm ikke er tilstrækkeligt til helt at undgå optøning af permafrosten i underbunden. På Figur 15.2 ses det, at temperaturen mellem letklinkerne og permafrosten vil være kritisk omkring slutningen af august og starten af september. Ved isolering med 322 mm letklinker vil der være 14 dage, hvor temperaturen er over 0 C. Tabeller med resultaterne findes i Bilag 11. Temperaturen 49

50 Temperatur [ C] over letklinkerne i Figur 15.2 svarer nogenlunde til variationen i udetemperaturen, og det ses, at letklinkerne isolerer godt, da opvarmningen fra starten af juli først påvirker permafrosten omkring september. Det skyldes, at det tager tid at opvarme letklinkelaget, hvilket skyldes den lave varmeledningsevne. Afstanden mellem kurverne (temperatur forskellen mellem lagene) ændres efterhånden som temperaturen i lagene ændre sig, og hvor de skærer hinanden vil temperaturen være ens. Temperaturen i 4 måneder med letklinker Dato Temp. over letklinker Temp. mellem letklinker og permafrost Temp. 50 cm ned i permafrost Figur 15.2: Temperaturen over og under letklinkelaget, samt 50 cm. nede i permafrosten. Hvis der ikke benyttes letklinker, men i stedet traditionelt bundsikring i vejkonstruktionen, vil månederne fra juni til oktober være kritiske, i alt 107 dage, hvor temperaturen overstiger 0 C, se Figur 15.3 og Bilag 11. Temperaturen bliver meget højere i oversiden af underbunden ved sammenligning med den første vejopbygning, idet bundsikringslaget ikke isolerer særligt godt. Forskellen mellem kurverne i Figur 15.3 (ml. temperatur over letklinker versus temperatur mellem letklinker og underbunden/permafrosten) indikerer, at de underliggende lag i vejen vil blive opvarmet hurtigere, end når der er letklinker i vejen. Permafrosten vil derfor også blive hurtigere påvirket af temperaturen i luften sammenlignet med den første vejopbygning. Det betyder, at permafrosten i underbunden omkring midten af juni vil begynde at tø op, hvilket vil fortsætte indtil slutningen af september. 50

51 Temperatur [ C] Temperatur [ C] Temperaturen i 5 måneder med traditionelt bundsikringslag Temperatur over bundsikringslag Temperatur mellem bundsikringslag og permafrost Temperatur 50 cm nede i permafrosten(underbunden) Dato Figur 15.3: Temperaturen over og under traditionelt bundsikringslag svarende til tykkelsen af letklinkelaget på 322 mm, samt 50 cm nede i permafrosten. Ovenstående resultater bevirker, at for at være sikre på at der ikke sker en optøning af permafrosten i underbunden af vejen, skal vejen isoleres bedre. Dimensioneres vejen med f.eks. 400 mm letklinker, hvilket er en forøgelse på 78 mm, vil der ikke ske en optøning i underbunden (permafrosten), hvilket kan ses i Figur mm letklinker i 4 kritiske måneder Temp. Over letklinker 0 Temp. mellem letklinker og permafrost Temp. 50 cm nede i permafrosten Dato Figur 15.4: Temperaturen over letklinkelaget, samt temperatur mellem letklinkerne og permafrosten og temperatur 50 cm. nede i permafrosten. 51

52 15.2 Diskussion Programmet HEAT2 tager ikke højde for stråling fra omgivelserne, hvilket har meget at sige angående varmestrømmen ned i konstruktionen. Det betyder, at selv om der er minus grader kan strålingen godt forsage en tilførsel af varme til konstruktionen. Vejprofilet der er blevet simuleret efter, svarer til et reference år, hvor der ikke har været ekstreme varme perioder i flere uger. Derudover er temperaturen i Grønland vokset de seneste år, hvilket stiller krav til en vej dimensionering med letklinker, da det kan være, at letklinkelagets tykkelse i dag skal være noget tykkere om et par år. Det skal derfor tages med i overvejelserne, hvordan klimaet forandrer sig. Dette og ovenstående, er der forsøgt taget hensyn til i vejopbygningen, hvor letklinkelaget er overdimensioneret med 78 mm, hvilket svarer til en samlet tykkelse på 400 mm. Det har været vanskeligt at vurdere hvilken indvirkning permafrosten har i beregningerne. Den er sat til at være afhængig af årsmiddeltemperaturen, og den indgår som den nederste randbetingelse, se Figur Idet temperaturgradienten for permafrosten varierer med dybden, kan rigtigheden af ovenstående antagelse diskuteres. Funktionsudtrykket for sinusfunktionen kunne være bestem ud fra mindste kvadraters metode for at få en bedre tilnærmet funktion. Unøjagtigheden vurderes i den store sammenhæng ikke at være afgørende. 52

53 16. Fortolkning og sammenfatning For at vide om leret fra fjorden ved Kangerlussuaq kan bruges til produktion af letklinker, er det nødvendigt at kende kornstørrelsen og mineralogien. Det har vist sig, at middelkornstørrelserne er ganske små for nogle af bundprøverne helt ned til 1,3 μm for prøve 0727, hvilket er noget lavere end middelkornstørrelsen fra fossilsletten på 2,3 μm. Ved fremstilling af letklinker er det vigtigt at have en så lille kornstørrelse som muligt, fordi et lille korn er lettere at smelte end et stort korn. Mineralogien i leret fra bundprøverne har vist sig at være en del forskellig i mængde af de enkelte mineraler, i forhold til leret fra fossilsletten. Kali-feldspat- og amphibolindholdet er mindre, mens biotit-, augit-, plagioklas- og kvartsindholdet er større. Forsøget på at finde en ler med mindre kvartsindhold er derfor ikke lykkedes, men det er en fordel, at biotit indholdet er større, i og med at biotit ligner lermineraler meget, som er letsmeltelige. Kvartsindholdet er meget lavere i lerfraktionen end i siltog sandfraktionen, hvilket har vist sig at have noget at gøre med hårdheden af materialet. Den gennemsnitlige hårdhed er nemlig lavere i lerfraktionen end ved de større fraktioner, hvilket kunne tyde på, at det er nemmere at forvitre/erodere mineraler med en lavere hårdhed til mindre kornstørrelser, end mineraler med en større hårdhed. Til dette er det lidt uventet, at den gennemsnitlige densitet er større i lerfraktionen end ved de større fraktioner. Dette er lidt overraskende, da det var forventet, at densiteten var lavere i lerfraktionen pga. tyngdekraften, men det kan forklares ved hårdheden af materialet. Saltindholdet er af stor betydning ved fremstilling af teglprodukter, fordi natrium er letsmelteligt, og vil sætte sig på ovnsiderne samtidig med, at der dannes saltsyre fra kloriden, som vil sætte sig i røggasfilteret. Leraflejringer med et indhold på over 0,1 vægt% regnes for værende ubrugelig i teglfremstillingen. Saltindholdet på lersletterne ved Kangerluusaq varierer med dybden, og der er målt helt op til 36 vægt% i overfladen. Hvor flokkuleringen finder sted, er der målt saltindhold i bundmaterialerne på mellem 0,2 og 2 vægt%, og hvor saltvandet ikke er nået op i fjorden (mod Kangerlussuaq), er saltindholdet under 0,2 vægt%. Der er altså stor forskel på saltindholdet, og mange af leraflejringer omkring Kangerlussuaq indeholder salt, men det er altså også muligt at finde leraflejringer uden salt. Vandindholdet varierer meget afhængig af hvor prøven er taget henne. For prøver taget på bunden af fjorden er middelvandindholdet 32,8 vægt%, langs kysten 17,1 vægt% og på lersletterne 11,1 vægt%. Glødetabet er afhængig af middelkornstørrelsen af materialet og er gennemsnitlig for; sand 0,14 vægt%, silt 0,81 vægt%, ler 1,1 vægt% og for ler fra lersletten 1,6 vægt%. 53

54 Glødetabet for fraktionerne sand, silt og ler stammer formentlig fra gemt vand i porerne, som ikke er blevet frigivet ved vandindholdanalyse. Det hænger også sammen med, at glødetabet for ler er størst i forhold til silt og sand, fordi det er et tættere materiale, hvor vandet bedre kan gemme sig. Tidligere undersøgelser af leret fra fossilsletten har dokumenteret et organisk karbonindhold på 0,21 vægt%, hvilket betyder, at der må være en del bundet vand i leret herfra. Leret har her, til forskel fra lerprøverne fra bunden af fjorden, været påvirket af varme i sommermånederne, og dermed er der potentiale for en mindre kemisk forvitringer, hvorfor noget af vandet godt kunne være bundet til leret. Syenitiske bjergarter forventes at indeholde mindre kvarts, hvilket ikke har været muligt at eftervise. Smeltepunktet for syenit fra DTU ligger i området omkring 1400 C, med et mindre temperaturdyk på 1063 C. Dette er stort set det samme tilfælde for leret fra fossilsletten. Teoretisk vurderes der derfor ikke, at være en fordel ved at bruge syenitholdigt ler. Forsøg med letklinker ud fra syenitten har vist, at det er muligt at ekspandere leret. Ekspansionen er ikke for stor, men strukturen indeni består af mange små porer, hvilket er rigtig godt for styrken af materialet. I Sydgrønland findes der syenitbjergarter, og letklinkeforsøg med prøver fra området omkring Igaliko, har ført til mindre ekspansioner ved 1200 C. Det meste af materialet fra Igaliko ligger i sandfraktionen, hvorfor det er blevet nedknust til ler til forsøgene, hvilket ikke er optimalt. Der er forsøgt at opvarme/tørre nodulerne ved C i cirka 8 min, inden de føres ind brændezonen, for at sammenligne med brænding af letklinker i storskalaovn. Dette har medført at letklinker med olie fra spæk ikke er ekspanderet lige så meget, som hvis de var sat direkte ind i brændezonen. Kulstøv brændes først af ved temperature mellem 500 C og 900 C ved en brændetid på 15 min. Forsøg med opvarmning af letklinker med kulstøv, viste til sammenligning med olie fra spæk, at der ikke blev brændt nær så meget kulstof af, før nodulen blev ført ind i brændezonen, hvilket resulterede i bedre ekspansioner. Brændeforsøgene ved 1200 C gav ikke et bedre resultat end forsøgene ved C. Store porer og glat overflade præger resultatet ved forsøgene med ler fra fossilsletten. Forsøget med brænding af ler fra Igaliko gav et bedre resultat, og det er derfor ikke udelukket, at det kan være en fordel at brænde ved denne temperatur, hvilket altså afhænger af mineralogien i det enkelte materiale. Bundprøve (0727) fra Kangerlussuaq har vist sig at være lettere at smelte, fordi prøven flød helt ud ved 1100 C, hvor forudsætningerne var de samme som ved brænding af ler fra fossilsletten. Dette indikerer en stor smelte, hvilket formentlig skyldes en mindre 54

55 kornstørrelse og et større indhold af biotit og plagioklas. Det er tidligere bestemt ved mikroskopi, at det hovedsagelig er plagioklasen der smelter ved 1100 C. Letklinker i vej har vist sig at være den helt store succes i Norge, hvor det er muligt at undgå nedfrysning af underbunden i vinterperioden, så sætninger af vejkonstruktionen undgås. I Grønland sætter vejene sig, bl.a. fordi permafrosten under vejkonstruktionen tør op om sommeren. Ved brug af letklinker er det muligt at undgå denne optøning. Ved dimensionering af en vejopbygning i arktisk klima med en ÅDT på 5000 passager, har det vist sig, at den skal bestå af 60 mm asfalt, 210 mm stabilt grus og 322 mm letklinker. Letklinkerne kan holdes på plads af en støttefyldning i siderne af vejen, hvilket er aktuelt, når vejen forløber på en forhøjning hen over specielt bløde områder. Det har vist sig ved hjælp af programmet HEAT2, at den valgte vejopbygning kan undgå optøning af permafrosten næsten hele året rundt på nær 14 dage i august, hvor temperaturen når op på 0,042 C. Beregninger er foretaget for et reference år for Sisimiut, så der kan derfor forekomme år, hvor temperaturerne er mere ekstreme. Dette betyder, at letklinkelaget gøres lidt tykkere til 400 mm for at sikre, at der ikke opstår optøning i underbunden. Resultatet er sammenlignet med en traditionel vejopbygning, og det viser, at letklinkerne har stor indflydelse på temperaturen i underbunden. Ved samme vejopbygning hvor letklinkelaget udskiftes med sand og grus, vil der i 107 dage om året være en temperatur over fryspunktet i underbunden. 55

56 17. Konklusion Målet med projektet var at have et letklinkeprodukt klar til fremstilling i storskalaovn. Problemer undervejs i forløbet har medført, at dette ikke er lykkedes, men leret fra Kangerlussuaq vurderes fortsat at kunne benyttes til fremstilling af letklinker. Ler fra fjorden ved Kangerlussuaq vurderes at være lettere at smelte end leret fra fossilsletten. Dette skyldes ikke et mindre kvartsindhold, som var formålet, men formentlig fordi middelkornstørrelsen er mindre på 1,3 μm (fossilsletten 2,3 μm), og at biotit- og plagioklasindholdet er større. Undersøgelser af mineralogien i bundprøverne fra Kangerlussuaq viser, at den gennemsnitlige hårdhed af materialet er mindre i lerfraktionen end i silt og sand. Der er altså nemmere at forvitre/erodere mineraler med en mindre hårdhed end mineraler med en større hårdhed. Dertil er den gennemsnitlige densitet større i ler fraktionen end ved de større sand- og siltfraktioner. Teoretisk har syenit et smeltepunkt omkring 1400 C, med mulighed for en smelte ved 1063 C ved den rette sammensætning. Det er lykkedes at ekspandere noduler ud fra syenit fra DTU og fra Sydgrønland ved hhv C og 1200 C. Ekspansionen er ikke rigtig god, men i produktet fremstillet ud fra syenit fra DTU er den indre struktur præget af små porer, hvilket er godt for styrken af materialet. Det kan derfor konkluderes, at leraflejringer med syenit kan bruges til fremstilling af letklinker. Hvorvidt det er bedre end leret fra Kangerlussuaq er svært at vurdere ud fra de få forsøg, der er udført. Olie fra spæk konkluderes ikke at kunne benyttes til fremstilling af letklinker i storskalaovn, fordi det meste af kulstoffet forsvinder allerede under opvarmningen. Kulstøv derimod konkluderes, at være mere anvendeligt til fremstilling af letklinker i storskalovn, fordi det meste først forbrænder ved temperaturer mellem C. Forsøg med letklinker ved 1200 C giver umiddelbart ikke bedre resultater for leret fra Kangerlussuaq. Det har været muligt at ekspandere letklinker ud fra leret fra Igaliko ved 1200 C. Det er spørgsmålet om hvilken mineralogisk sammensætning materialet har, der er afgørende for brændetemperaturen. Der er alt i alt opnået nogle fine produkter med gode ekspansioner. Det vurderes, at for at komme videre med dette projekt er det nødvendigt at udføre forsøg i en roterovn, der kan sammenlignes med en storskalaovn. Først herefter er det muligt endeligt at vurdere, om ler fra Grønland kan bruges til produktion af letklinker. Undersøgelser af letklinker i vej viser i høj grad, at der er et marked for letklinker i Grønland. Problemer med at permafrosten tør op under vejkonstruktioner om 56

57 sommeren, som forårsager, at vejen sætter sig, vurderes at kunne løses ved brug af letklinker. En vej med 60 mm asfalt, 210 mm stabilt grus og 322 mm letklinker kan holde til en årsdøgntrafik på passager. Letklinkerne kan holdes på plads af en støttefyldning i siderne af vejen, hvilket er aktuelt, når vejen forløber på en forhøjning hen over specielt bløde områder. Med en temperaturprofil svarende til et reference år for Sisimiut vil temperaturen i undersiden af letklinkelaget kun komme over 0 C i 14 dage af året. Da der kan komme varmere år end reference året, udvides letklinkelaget til 400 mm, så optøning i underbunden helt undgås. 57

58 18. Perspektivering Projekterne med fremstilling af letklinker ud fra grønlandsk ler er gået ind i en fase, hvor det næste skal være at producere letklinker i en roterovn, hvor det er muligt at indblæse talkum i brændezonen. Ved F.L. Smidt findes der er roterovn, som vurderes, at kunne benyttes til projektet. Ovnen skal udmures og så skal rullelejer og gearmotoren tjekkes, før den er klar til produktion. Ovnen skulle efter sigende være afbetalt, og eftersom F.L. Smidt ikke har planer om at bruge den, er det muligt, at ARTEK måske kunne få eller købe den til billige penge /23/. Ler fra Sydgrønland med syenit vurderes fortsat at være en forbedring af processen, i og med resultaterne med forsøg med syenit fra DTU har været gode, hvorfor der fortsat bør ledes efter en ler i Sydgrønland. 58

59 APPENDIKS 59

60 Appendiks A 1. Grønlandstur Formål: Turen til Grønland har til formål at undersøge de aflejrede materialer i Søndre Strømfjord hovedsageligt fra havnen og ind til udspringet. Ud fra de geologiske kort er det svært at vurdere hvor langt aflejringen når ud i fjorden. Det er derfor tvivlsomt hvor stort et område undersøgelserne vil strække sig over. Desuden er der fremsat en teori om, at der vil være mindre kvarts i materialet længere ud i fjorden pga. densitet og kornstørrelse, mere om denne teori kan findes i rapporten Fremstilling af letklinker ud fra grønlandske materialer af Martin Morelli og Nicolai S. Bennedsen. Da aflejringerne muligvis skal benyttes til letklinkeproduktion, har lagtykkelserne også interesse, hvorfor seismiske undersøgelser også har interesse. Udførelse: Den inderste del af fjorden inde ved lufthavnen er ikke fremkommelig med skib pga. lavt vand. Det er derfor nødvendigt at udtage prøver fra en gummibåd. Der er måske mulighed for at færdes udenfor gummibåden på aflejringerne (bankerne), hvorfor vaders ønskes medbragt. Her tages prøverne med en Jylich eller en kajakbundhenter. Det vurderes, at der findes aflejringer længere ude i fjorden, som også stammer fra floden med udspring i Kangerlussuaq. Her er der formentlig dybt, og prøverne bør derfor tages fra en større båd, her optages prøverne med haps core og eventuelt en grab. Hvor langt ud i fjorden der tages prøver, afgøres udfra de seismiske undersøgelser. Da der kan forekomme interesse i tørre sedimenter, ønskes der medtaget et håndbor. For hver prøvetagning udføres GPS målinger for at få koordinater samt markering på lamineretkort. Hver prøve kommes i hver sin pose og nummereres. De seismiske undersøgelser udføres af andre og primært på dybt vand. I området med lavt vand kan de seismiske undersøgelser erstattes af nedstikning af en lang pind. Bemærkning: Ved prøvetagning bør der være opmærksomhed på bifloder, som udmunder i Søndre Strømfjord, da de kan have indflydelse på aflejringerne. 60

61 Kangerlussuaq lufthavn Udsnit af bunden af Søndre Strømfjord. Den røde ring markerer det område hvor prøverne ønskes taget. Udstyr: Antal Emne personers gummibåd med årer. 2 Sikkerhedsliner. 2 Redningsveste til 80 kg. 1 Hånd GPS med ekstra batterier. 2 Laminerede kort over den inderste del af Søndre Strømfjord gerne med koordinater og dybder. 2 Tykke heldragter med opdrift, også kaldet overlevelsesdragter 2 Vaders. 100 Store plastikposer til materialeprøver. 150 Lukninger til plastikposer. 1 Stor beholder til samling af alle prøver. 5 Sprittusser. 1 Kajakbundhenter. 1 Grab (Van Veen). 1 Jylich. 1 Haps core. 1 Håndbor til tørre sedimenter. 1 3 m lang pind til måling af sedimentdybde. Ekstra til projektet: 1 Seismik 61

62 Appendiks B Til optimering af letklinke fremstillingen var det ønsket, at der kunne brændes ved højere temperaturer end 1150 C, samt at det skulle være muligt at opvarme nodulerne inden indførelse i brændezonen. Til de nye brændeforsøg i dette projekt blev der bygget en ny ovn, som var blevet inspireret af en ovn hos F.L. Smidt. Ovnen hos F.L. Smidt består af et ovnrør, hvor prøverne kan skubbes hele vejen igennem. Samtidig var der lavet en indføringsmekanisme, der styrede hastigheden af prøven ind gennem opvarmings- og brændezonen. 1. Opbygning af ny ovn Ovnen er opbygget, så der er en mindre temperaturforskel i brændezonen og indsætningszonen, se Figur A. Ovnen består af et korundrør, hvor der er viklet varmelegemer om. Der er flere varmelegemer viklet omkring rørets brændezone for at opnå en temperaturforskel i ovnen. I brændezonen kan ovnen opnå en maksimal temperatur på 1300 C, men det anbefales ikke at brænde højere end 1250 C. På Figur A.1 ses ovnen. Figur A.1: Den nybyggede ovn, hvor åbningen ses for enden med temperatur måler. I Figur A.2 ses temperaturgradienten i ovnen, der er foretaget ved en indstilling på 800 C i brændezonen. Temperaturen styres ved hjælp af et termoelement, som er inde i brændezonen. 62

63 Temperatur [ C] Temperaturgradient Temperaturgradient Dybde [cm] Figur A.2: Temperaturgradient for ny ovn, ved indstilling på 800 C i brændezonen. 2. Udførelse Til udførelse af forsøgene er der blevet benyttet to digler, det skyldes, at den første knækkede efter 3 forsøg. Den var lavet af isolersten, og havde et termoelement inde i diglen, så det var muligt at følge temperaturen ved prøven. Den anden digel var af metalhydryd. Den var formet som en båd, hvilket kan ses på Figur A.3. Styringen af diglen var bedre end for den første, men ved andet forsøg sprængte diglen i 3 stykker. En mulig årsag til det, var at den ikke blev forvarmet inden den blev sat helt ind i brændezonen, som det var tilfældet ved det første forsøg. Figur A.3: Anden digel til forsøg. 63

64 Temperatur Ved brænding med direkte indsætning i brændezonen skete der et stort temperatur fald, pga. diglen skulle varmes op. I modsætning til den kolde digel blev der prøvet med en forvarmet digel, der blev skubbet stille ind i brændezonen, hvilket gjorde at temperaturen næsten ikke faldt, se Figur A Ikke forvarmet digle Forvarmet digle Ønsket temperatur 1100 C Sekunder Figur A.4: Ovn test, ved indføring af hhv. en forvarmet digle og en ikke forvarmet digel. Det ses, at temperaturen i brændezonen er meget følsom over for en digel, der ikke er opvarmet. Temperaturen falder over 200 C på 1 min og er over 4 min om at komme op på 1100 C igen. En forvarmet digel derimod gør at temperaturen kun falder med cirka 100 C i 2 min, hvilket er at foretrække. 64

65 Appendiks C Der findes forskellige kendte metoder til udregning af en vejbefæstelse, og foruden Odemark metoden findes der bl.a. en metode kaldet AASHTO-metoden /25/. Denne metode benyttes i dette tilfælde til en hurtig udregning af en vejbefæstelse med letklinker. Metoden gennemgås ikke her, men resultaterne er angivet nedenfor. Asfaltlagtykkelse: Stabiltgruslagtykkelse: Letklinkelagtykkelse: 42 mm 80 mm 322 mm Ved hjælp af Odemark metoden undersøges det dermed, om disse lagtykkelser er tilstrækkelige, hvor følgende data er benyttet: Asfalt (E-modul) Stabilt grus Letklinker Underbund MPa 300 MPa 20 MPa (statisk last) og ca. 150 MPa (dynamisk last) 20 MPa Trafik (ÅDT): passager Kontakt tryk: 0,7 MPa Hjullast: 60 kn Kontakt radius, a: 150 mm Poisson`s forhold: 0,5 Der forventes en trafik mellem Kangerlussuaq og Sisimiut, der holder sig under passager om året. Vejen skal bl.a. benyttes til transport af gods, hvorfor der forventes en del større køretøjer. Kontakttrykket på 0,7 MPa svarer til en 5 tons cirkulær enkeltbelastning fra et tvillingehjul på en 10 tons aksel plus 20 % stødtillæg, svarende til 6 ton. Kontakttryk, hjullast, kontaktradius og Poisson`s forhold er alle standard værdier /25/. Odemark metodenkaldes også de ækvivalente tykkelsers metode /25/ s Tøjning ε r beregnes i undersiden af asfaltlaget og σ z på overfladen af alle ubundne lag og underbunden i vejbefæstelsen med ovennævnte opbygning. Metoden er opdelt i en del 1 og en del 2. I del 1 udregnes de aktuelle spændinger øverst i de enkelte lag, samt tøjning i bunden af asfaltlaget. I del 2 beregnes de maksimale tilladelige spændinger øverst i de enkelte lag samt tøjningen i bunden af asfaltlaget. Der 65

66 undersøges derefter, om de aktuelle spændinger ikke overskrider de maksimale tilladelige. Hvis dette ikke er tilfældet, bør laget gøres tykkere, og dermed regnes der forfra ved en iterationsproces. Del 1: Metoden går ud på at omregne et overliggende lag til et ækvivalent lag af underliggende. Ved hjælp af følgende formel kan højden af det ækvivalente lag udregnes, så det kan optage den samme spænding som ovenliggende lag. h e, lag E 1 f h 3 lag (3) E2 Hvor F er gives ved: E 1 er materialets E-værdi for ovenliggende lag. E 2 er materialets E-værdi for det ækvivalente lag. Spændingen og tøjningen findes ved hhv.: Z 1 Hvor a 1 z σ 0 er kontakt spænding a er radius af belastningsflade z er højden af det ækvivalente lag (1 v) 0 z / a z / a r (1 2 v) 1 3 2E z/ a 1 z/ a Hvor, E er underliggende materiales E-værdi z er højden af det ækvivalente lag v er Poisson s forhold (4) (5) Del 2: 66

67 Formålet er at udregne de tilladelige spændinger og tøjninger for de enkelte lag, hvor følgende formler benyttes til dette formål: Funktionel performance: Funktionel performance relaterer sig først og fremmest til de ubundne materialelags - og underbundens deformation, som f.eks. et fald i overfladens jævnhed på 2 point målt i PSI-enheder. Funktionel performance udtrykkes ved hjælp af normalspændingen: z, till 6 Hvor 1 3,26 N R E 0, MPa E er materialets E-værdi α = 1,16 for E 160 MPa α = 1,0 for E > 160 MPa R = 5 er en regional korrektionsfaktor afhængig af klimazonen (5 = område med meget frost /27/) N till er det tilladelige antal belastningsgentagelser σ z er den analytiske beregnede spænding i oversiden af det enkelte ubundne lag eller underbunden (6) Strukturel damage: Strukturel damage er relateret til asfaltens træthedsbrud og defineret som f.eks.: - revner i 10 % af hjulsporenes areal - revner i > 20 % af kørebanearealet Strukturel damage udtrykkes ved hjælp af tøjningen: r, till B 6 Hvor 1 5,62 N E 19,5 V % asfaltlaget. ε r er den analytiske beregnede tøjning i undersiden af S er materialets stivhed β 1 E V B er asfalt materialets bitumen volumen % V B % er 10,5 % for AB-lignende materialer V B % er 10 % for GAB 2-lignende materialer (7) 67

68 Beregninger I første omgang er det blevet undersøgt, hvorvidt det er muligt at benytte letklinker i vejbefæstelsen, hvis der regnes med statisk last på 20 MPa. Udregningerne viser, at det er muligt, men at stabilt gruslaget derved skal gøres meget tykt, hvilket ikke er optimalt. Derfor regnes der med et E-modul på 150 MPa for letklinker, hvilket ved forsøg har vist sig at være en dimensiongivende størrelse /15/. Først udregnes de aktuelle spændinger i toppen af de enkelte lag. Regner asfaltlag om til ækvivalent stabilt gruslag Med andre ord regnes, hvor tykt gruslaget skal være for at kunne optage det samme tryk som asfaltlaget. Da h asfalt < a regnes korrektionsfaktoren ud ved: f 1, , Højden af ækvivalent lag: h e, lag , Normalspændingen for det ækvivalente lag i toppen bliver (stabilt gruslaget): 1 Z 0,7 1 0,45MPa Regner tøjningen i bunden af asfaltlaget: mm (1 0,5)0, /150 r strain /150 Regner spændingen i toppen af bundsikringslaget (letklinkelaget) f = 0,8 for alle øvrige skilleflader h e, lag ,8 (152 80) Z 0,7 1 0,28MPa mm Da styrken af selve letklinken er meget mindre end for sten/sand, bør der tages specielt højde for dette ved dimensioneringen. Spændingsniveauet er som tidligere nævnt 0,15 MPa for traditionelle sorteringer af Leca. Det ses, at ovenstående spændingsniveau på 68

69 0,28 MPa er større end dette, hvorfor stabilt gruslaget bør gøres større. Ved samme beregningsform er lagets tykkelse fundet til 210 mm, hvilket medfører, at spændingsniveauet øverst i letklinke laget er 0,146 MPa, hvilket er acceptabelt. Regner spændingen i underbunden f = 0,8 for alle øvrige skilleflader h e, lag ,8 ( ) mm 1 z 0,7 1 0,023MPa Udregner de tilladelige spændinger for de enkelte lag (der tages som skrevet tidligere ikke direkte højde for styrken af kornet i denne beregning): Stabilt grus øverst: Letklinker øverst: Underbund øverst: 1 3, z, till 0,164 0,95MPa 0, 45MPa , z, till 0,164 0, 47MPa 0,146MPa , z, till 0,164 0, 045MPa 0, 023MPa ,16 1 1,16 OK OK OK Udregner tilladelige tøjning i bunden af asfaltlaget: 1 5, r, till 19,510,5 526strain 615strain Ikke OK Asfaltlaget laves om til at være 60 mm tykt, hvorefter tøjningen i bundsikringslaget bliver 520 μstrain, hvilket er acceptabelt. Der regnes ikke om for spændingerne, fordi de bliver mindre ved forøgelse af asfalttykkelsen, og dermed stadig vil under de tilladelige spændinger. 69

70 Appendiks D 1. Vejopbygning i HEAT2 Figur C.1 viser en skitse af vejopbygningen i HEAT2, skitsen er ikke i mål, men lagtykkelserne findes i Tabel C.1, hvor materialernes egenskaber er beskrevet. Bredden af vejen er 13,5 meter (traditionel landevej), og de tilstødende jordlag er antaget 10 meter bredde. Temperatur: Årsvariationen Asfalt Jord Stabil grus Jord Våde letklinker q = 0 q = 0 Permafrost Temperatur -3.8 C Figur C.1: Skitse af vejopbygningen i HEAT2 med randbetingelser. På konstruktionen er der 4 randbetingelser, hvor den øverste, mellem udeluft og konstruktionen, er sat til reference året i Sisimiut. På siderne af konstruktionen er der sat en adiabatiske betingelse, hvor varmestrømmen er sat til nul (q = 0). Det skyldes, at bredden på jordlaget er så stor, at der ikke sker nogen påvirkning på varmestrømmen fra vejen. Den sidste randbetingelser er temperaturen under permafrosten. Den er sat til årsmiddeltemperaturen for Sisimiut, da jorden med tiden vil nærme sig årsmiddeltemperaturen /27/. Valget underbygges af Figur C.2, der illustrerer temperaturforløbet ned gennem permafrosten. I det den varierer en del med dybden, har det været svært at sætte en konkret temperatur. 70

71 0,0 Temperatur Dybde Figur C.2: Skitse af temperaturen variationen ned gennem permafrosten. 2. Materiale parametre I Tabel! findes egenskaberne for de benyttede materialer til beregningerne i HEAT2. Materiale Tykkelse Varmeledningsevne Densitet Varmekapacitet Vol. Kapacitet [m] [W/mK] [kg/m 3 ] [kj/kgk] [MJ/m 3 K] Asfalt 0,060 0, , Stabilt grus 0,210 2, ,09 4,08 Letklinker, 0,322 0, ,950 våde Jord 0,512 2, ,48 2,812 Is ved 0 C - 2, ,04 1,87 Permafrost 20,000 2, ,529 Tabel C.1: Materiale egenskaber for vejkonstruktionen /28/- /33/. Stabilt gruset er antaget at være almindeligt grus, mens der er valgt en tilfældig asfalt type, da asfaltlaget ikke har den store isoleringsevne. Alle letklinkerne regnes som våde, da norske undersøgelser har vist, at letklinkerne i vejopbygningen med tiden får et vandindhold på 7-16 vol% /32/. Det er derfor antaget, at de er våde fra starten, da det er mere kritisk for isoleringsevnen af letklikerne. Letklinkernes varmeledningsevne på 0,076 /31/ multipliceres med en faktor 1,2 for våde letklinker iht. DS 418 /28/. Permafrosten er beregnet, som bestod den af 70 % jord og 30 % is. Det er ud fra egenskaberne til de to materialer, at permafrostens varmeledningsevne og volumenkapacitet er beregnet. 71

72 Temperatur [ C] 0 2,628 5,256 7,884 10,512 13,14 15,768 18,396 21,024 23,652 26,28 28,908 31, Vejrdata Reference året for Sisimiut stammer fra perioden , og stammer fra BYG DTU, Danmarks Tekniske Universitet. Vejrprofilen der er simuleret efter er en sinusfunktion med en periode på et år. Funktionen kan ses i Formel (8): f (t 2 (t ) ) 3,8 20 sin t indsættes i sekunder. (8) Udtrykket er fremkommet ved en tilnærmelse visuelt, da det oprindelige temperaturforløbs kan ses i Figur C.3 (den blå kurve). Sinuskurven (lilla) med amplituden 25,5 svarer til den matematisk rigtige sinuskurve for reference året, men da den har for store udsving, er den røde blevet tilnærmet reference året. Temperaturforløb Måleresultater Årsmiddel sin - amplitude 25,5 sin - amplitude Måneder [mio. sek.] Figur C.3: Årsvariationen for temperaturen i Sisimiut, årsmiddeltemperaturen og to tilnærmede funktioner. Sekunder angives på x-aksen, og de nævnte punkter på x-aksen svarer til den 1. i måneden startende med januar. Figur C.4 viser DMIs klimadata for Sisimiut i perioden Kurven for middeltemperaturen følger den tilnærmede sinusfunktion for DTUs klimadata. Temperaturudsvingene for DTUs klimadata er større end for DMIs. Dataene stammer også fra forskellige perioder, hvor DTUs er de nyeste, hvilket også stemmer overens med at klimaet i Grønland, der er blevet varmere. 72

73 4. Simuleringer Figur C.4: DMIs klimadata for Sisimiut i perioden /33/. Først simuleres en steady-state situation for at få konstruktionen ind i en stabil situation. Det er gjort ved at benytte en udetemperatur svarende til årsmiddel på -3,8 C. Derefter simuleres en transient situation i 13 år, for at temperaturen i konstruktionen bliver periode stationær. Det vil sige, at konstruktionen får det samme temperaturforløb ned gennem lagene flere år i træk. Figur C.5 viser 13 års simuleringer, hvor temperaturen ned gennem de forskellige lag er afbildet. Det ses tydeligt, at temperaturen er blevet periode stationær. I Tabel C.2 ses punkterne, hvor temperaturen er udtaget midt i vejkonstruktionen vertikalt. HEAT2 punkt Dybde fra vej HEAT2 punkt Dybde fra vej [m] [m] [m] [m] 20, ,193 0,399 20,532 0,060 20,129 0,463 20,480 0,112 20,064 0,528 20,427 0,165 20,000 0,592 20,375 0,217 10,000 10,592 20,322 0,270 0,000 20,592 20,258 0,334 Tabel C.2: Dybdekoordinat til aflæsningspunkter af temperatur. Permafrosten ligger i dybden 0,592 m. 73