Bygningskonstruktør Uddannelsen

Transkript

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

22 det stik modsatte brug af, hvad den benyttes til i betonrecepter. Så når den af og til virker, må det stå meget galt til med den microne og submicrone granulometri i betonrecepter. * 2 Han forklarer denne ved en sammenligning af cement mikrosilica partikelform og bakkematerialer strandsand kornform. Han mener at mikrosilica partikler ikke kan bruges som filler for at fylde hulrummet mellem cementpartiklerne på grund af deres runde partikelform, ligesom at strandsand ikke kan bruges som flise underlag, og mener derfor, at cement må bringes tilbage til sin oprindelige rolle som filler. Doseringen af mikrosilica i beton er derfor meget vigtig og en overdosering kan medbringe store konsekvenser. 6.4 V/C forholdet Blandingsvægtforholdet mellem vand og cement i beton kaldes V/C forholdet og er en af de vigtigste faktorer i betonstyrke(17). Christian Munch-Petersen, centerchef civilingeniø), siger følgende i en kommentar i Ingeniøren bladet: Det er ikke muligt at skille styrke fra tæthed. Det betyder, at det er limen - altså blandingen af vand og cement - der bestemmer både betonens tæthed og styrke. Blandingsforholdet mellem vand og cement kaldes vand-cement forholdet, og er derfor en afgørende parameter, når betons tæthed og styrke skal beskrives. * 3 Højt V/C forhold resulterer et overskudsvand i betonblandingen. Fordampning af dette overskudsvand gør færdighærdnet beton ekstra porøs, dermed mindre tæt og typisk mindre styrke. På den anden side kan lavt V/C forhold betyde mangel på bindemiddel i betonblandingen eller overforbrug af cement, som resulterer i en fast, ikke bearbejdelig og dyr beton(17). Der er ingen krav for lavt V/C forhold. For at sikre betonstyrken, er der til gengæld følgende krav for højt V/C forhold(19): I ekstra aggressiv (E) miljøklasse kræves v/c-forholdet maks. 0,40 I aggressiv (A) miljøklasse kræves v/c-forholdet maks. 0,45 I moderat (M) miljøklasse kræves v/c-forholdet maks. 0,55 I passiv (P) miljøklasse kræves ikke et maksimalt v/c-forholdet. Selvom der ikke er krav for det lave V/C forhold, er der stadigvæk visse punkter, som byggeaktørerne skal være opmærksomme på. I Byg-erfa hjemmesiden er det beskrevet, at under lavt V/C forhold er der stor risiko for hurtigudtørring og dermed revnedannelse i frie overflader. Derfor er det meget vigtigt at afdække beton med lavt V/C forhold og store frie overflader, bl.a. gulvkonstruktioner og præfabrikeret betonelementer(20). Da et lavt V/C forhold er en af de vigtigste faktorer i betontæthed og styrke, vil dets beregningsprincip blive forklaret i denne rapport. Selvom der er angivet, at V/C forholdet er det vægtmæssige forhold mellem vand og cement i starten af rapporten, bliver flyveaske og mikrosilica vægten medregnet i cementvægten, da disse materialer også danner bindemidler sammen med cement(17). * 2 Citat: * 3 Citat: Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 21

23 Formel 1: Beregning af V/C forholdet(17). I formlen kan man tydeligt se forskellen mellem cementerstatnings- eller aktivitetsfaktorer for flyveaske og mikrosilica. Så man kan sige at mikrosilica reducerer V/C forholdet bedre end flyveasken og derfor har den større effekt på betonstyrken(17). 6.5 Plastificerende tilsætningsstoffer Betonstyrken er afhængig af, hvor lavt V/C forholdet er og beton med lavt V/C forhold har ikke gode flydeegenskaber(17). Derfor har man brug for plastificerende tilsætninger for at reducere vandmængden og dermed producere bearbejdelig beton med samtidig høj styrke. Under betonblanding kommer man små doseringer af plastificeringsstoffer, som sætter sig fast på cement- og filerpartikler og frastøder dem fra hinanden(23). Stoffernes påvirkning af overfladekræfterne virker som smøremidler og giver gode flydeegenskaber til betonen(21). Figur 19: Illustration af plastificerende tilsætningsstoffernes effekt(21). Plastificeringsstoffer er normalt restprodukter fra celluloseindustrien og benyttes i en dosering på under 1 % af den samlede vægt af cement og flyveaske(21). 6.6 Jernbeton Beton er et hårdt og sprødt materiale med en høj trykstyrke, men en mindre trækstyrke på ca. 10 % af trykstyrken. På grund af den lave trækstyrke kombineres beton med armering, som har en høj trykstyrke, for at gøre betonen i stand til at optage trækkræfter og dermed forbedres betonens anvendelsesområde. Denne kombination kaldes armeret beton eller jernbeton(32). Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 22

24 Figur 20: Illustration af armeret bjælke(24). I figur 20 er en armeret bjælke illustreret for at give en bedre forståelse af komponenternes arbejdsprincipper i jernbeton. Beton arbejder imod trykkræfter og armeringen optager trækkræfter i forskellige zoner i betonen. Til gengæld beskytter beton armeringen mod rustdannelse på grund af betonens høje ph-værdi(24). For at betonen kan beskytte armeringen mod rustdannelse, må armeringen støbes ind i betonen og dermed holdes væk fra fugt og andre faktorer i omgivelserne. Dette kræver forskellige indstøbningsdybde efter forskellige miljøklasser. Denne dybde kaldes dæklag og er som følgende i forhold til miljøklasser(19): I ekstra aggressiv (E) miljøklasse kræves en dæklag på min. 40 mm + tolerancetillæg. I aggressiv (A) miljøklasse kræves en dæklag på min. 30 mm + tolerancetillæg. I moderat (M) miljøklasse kræves en dæklag på min. 20 mm + tolerancetillæg. I passiv (P) miljøklasse kræves en dæklag på min. 10 mm + tolerancetillæg. Tolerancetillægget er min. 5 mm i normal og skærpet kontrolklasser og min. 10 mm i lempet kontrolklasse. 6.7 Højstyrkebeton Højstyrkebeton teknologi startede i Danmark i 1964 med det formål, at udvikle en bearbejdelig beton med højere styrke i forhold til daværende med en trykstyrke på MPa og i et V/C forhold på 0,3. Dette skulle undersøges på baggrund af tre hovedsagelige spørgsmål som var følgende(26) (26): Er det muligt at nå frem til en langt tættere pakning i cement pasta end svarende til V/C forhold på 0,30? Vil denne tættere pakning resultere i en langt større styrke? Kan en meget større styrke være anvendelig i beton? I samme periode blev styrker på omkring 280 MPa ved brugen af stærkt komprimeret cement pasta rapporteret hos Portland Cement Association. Stærkt komprimeret cement pasta muliggjorde at opnå meget tættere pakning af cement, og dermed højere styrker(26). Senere omring 1970 blev en cement, der eliminerer overfladekræfter i cementpastaen, udviklet af Stephen A. Brunauer fra Portland Cement Association. Det startede samtidig fokus på eliminering af overfladekræfterne og resulterede i udviklingen af syntetiske overfladeaktive stoffer, som blev kaldt plastificering og superplastificering tilsætningsstoffer i Danmark. Fx i Japan blev der i midten af halvfjerdserne opbygget betonkonstruktioner ved hjælp af disse stoffer med en trykstyrke på 90 MPa og udviklet bearbejdelig blødstøbt beton med en trykstyrke på 120 MPa og en V/C forhold på 0,25 i laboratoriet(26). Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 23

25 Forskeren Hans Henrik Bache hos Aalborg Portland udviklede en tæt pakket beton i 1977 ved at anvende et ekstremt lavt V/C forhold og udfylde hulrummet mellem cement partikler med mikropartikler, der havde puzzolan egenskaber. Forskerens opfindelse CRC (Compact Reinforced Composite) blev præsenteret i 1981 og patenteret i 1986(26). Der findes mange typer højstyrkebeton både på verdensplan og på det selve e danske marked. I denne rapport vil jeg tage udgangspunkt i CRC (Compact Reinforced Composite), på grund af at CRC er den ældste og en af de mest veldokumenterede højstyrkebeton type. CRC er en speciel stålfiberforstærket betontype med en V/C forhold på 0,16 eller lavere og med et maksimum kornstørrelse på 4mm. Denne formel er undersøgt og dokumenteret hos CRC-Technology(26). Selvom CRC (Compact Reinforced Composite) blev patenteret allerede i 1986, startede anvendelsen først i De første anvendelsesområder var tunnel foringer, altaner, trapper, bjælker, søjler og in-situ støbte samlinger, men i dag er anvendelsesområdet meget bredt og under fortsat udvikling, bl.a. i Connovate, der er en vidensbaseret virksomhed. Her har man for nyligt udviklet og patenteret et nyt facadeelement produkt ved brugen af højstyrkebeton(25), som har været inspirationskilde til denne rapport Fibermaterialer for højstyrkebeton Princippet i at bruge fibermaterialer aler i betonkonstruktioner er oprindeligt en gammel metode. I oldtiden blev fx dyrehår brugt til mørtel eller strå og ler blandingen til at bygge primitive hytter. Selvom materialerne er anderledes i dag, er princippet det samme, nemlig at forbedre konstruktionernes egenskaber under revnedannelse. Fibermaterialerne er typisk materialer, der har gode egenskaber i at modtage og videreføre trækkræfter omkring en mikro- eller makrorevne ved at virke som en bro. Om fibermaterialerne skal bruges imod en mikro- eller makrorevne er afhængig af deres længde. Der kan bruges mange forskellige materialer som fiber i betonkonstruktioner, men de mest anvendte fibermaterialer er cellulosefibre, stålfibre af forskellig stålkvalitet, rustfri stålfibre, glasfibre, polypropylenfiber(plastfibre), akryl, kulfibre og naturfibre. Alle disse materialer har forskellige egenskaber, som giver mulighed for et bredt anvendelsesområde og løsninger af problemer ved ønske om en bestemt betontype. I figur 21 er der angivet de mest brugte fibermaterialernes diameter (d f ), længde (L f ), E-modul (E f ), trækstyrke (f træk,f ) og brudtøjning (ε u ), for at give bedre forståelse og mulighed for at sammenligne dem med stål, som er det mest brugte armeringsmateriale for at modtage trækkræfter(30, 32). Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 24

26 Figur 21: Fibermaterialernes typiske egenskaber(32) Højstyrkebeton egenskaber Højstyrkebetonens egenskaber varierer efter typen af delelementer, egenskaber og sammensætningen af disse. I denne del af rapporten vil de vigtigste egenskaber blive beskrevet med udgangspunkt i CRC beton og en typisk sammensætning af denne, sammenlignet med den traditionelle betons egenskaber(27) Styrkeegenskaber og holdbarhed Ved styrke egenskaber i den traditionelle beton forstås mest trykstyrken på grund af den lave trækstyrke, som ikke indgår i beregninger. Højstyrke betonens fiberindhold giver denne derimod ekstra styrke mod træk og bøjning(27). Da betonens styrke kan variere efter flere faktorer, bl.a. sammensætningen af beton og styrkeklasse, bliver krav for betoneegenskaber efter miljøklasse begrebet anvendt i denne rapport (se figur 21). Der er også elasticitetsmodul med i tabellen, hvilket der ingen krav er for, men er relevant for vurderingen af beton egenskaber. Figur 21: Traditionel beton styrkeegenskaber efter krav for miljøklasse(19) Miljøklasse Passiv Moderat Aggressiv Trykstyrke [MPa] Trækstyrke [MPa] 1,6 1,9 2,6 2,9 3,2 3,8 E-modul [GPa] Max. V/C forhold 30 Ingen krav 30 0, ,45 Dæklag [mm] 10 mm + 20 mm + 23 mm + tolerancetillæg tolerancetillæg tolerancetillæg Ekstra aggressiv ,5 4,1 30 0,40 40 mm + tolerancetillæg Som det fremgår af figur 21, stilles der krav for styrkeklasse, V/C forhold og dæklag med hensyn til miljøklasser. Dvs. beton styrke og tæthed vurderes sammen for at sikre en holdbar beton - armering kombination for at bekæmpe mod angreb fra omgivelserne, som beton befinder sig i. Højstyrkebeton egenskaber overholder alle disse krav undtagen dæklag krav, som er dokumenteret ved en række undersøgelser og accepteret af myndighederne. Undersøgelserne af klorid indtrængning i højstyrkebeton viser, at højstyrkebetonens mikrorevner har ingen betydning for kloridindtrængning og selv ved høj spænding, vil det tage mere end 100 år inden klorid trænger 10 mm ind i konstruktionen. Eksempelvis kan nævnes dæksler i tunnellerne på Storebælt, der er fremstillet af højstyrkebeton med kun 10 mm dæklag til armeringen, selv om der er tale om kloridholdigt miljø og et levetidskrav på 100 år. Figur 22: CRC beton styrkeegenskaber efter fiberindhold volumen %(28) Fiberindhold Trykstyrke [MPa] Bøjestyrke [MPa] Trækstyrke [MPa] Spaltetrækstyrke [MPa] Forskydningsstyrke [MPa] E-modul [GPa] V/C forhold Dæklag [mm] 2 % , % , % , Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 25

27 Ud fra tabellerne kan man tydeligt se styrke forskellene mellem traditionelle beton og højstyrkebeton typer, samt effekten af fiberindhold på højstyrkebeton styrkeegenskaber. Desuden understreger CRC-Technology, at der ikke er observeret armeringskorrosion i alle de undersøgelser, der er foretaget, siden CRC blev udviklet i 1986, og tilføjer, at højstyrkebeton er frostbestandig på grund af mindre hulrum i volumen(25) Miljøvenlige egenskaber Højstyrkebeton er på mange måder et miljøvenligt produkt som beskrevet hidtil i denne rapport. For det første er højstyrkebetonens delmaterialer flyveaske og mikrosilica, der er biprodukter fra andre materialers fremstillingsprocesser og skaber uønskede konsekvenser ved deponering. Ved brugen af disse materialer undgås også konsekvenserne ved deponering. For det andet reducerer højstyrkebeton CO 2 mængden, der bliver udslippet i naturen ved bl.a. fremstilling af cement og transport af delmaterialer på grund af reducering i behovet for beton mængden. Udover at højstyrkebeton har miljøvenlige egenskaber sammenlignet med traditionel beton, giver højstyrkebetonens holdbarhed bygninger længere levetid og mindre vedligeholdelse i forhold til traditionel beton(28) Brandsikkerhed og højstyrkebetonens varmeledningsevne Undersøgelser har vist, at højstyrkebetonens varmeledningsevne ikke adskiller sig meget fra traditionelbeton, hvorfor der bruges de samme beregningsmetoder og værdier som ved traditionelbeton ved brand. Desuden skaber højstyrkebetonens tæthed en forskel fra traditionelbeton under brand ved at vandet i beton fordamper og bliver til fugt, der ikke kan komme ud. I tætte betonkonstruktioner sker reaktionen som en afskalning, men især i betonkonstruktioner med høj trækstyrke kan der opstå et stort damptryk og dermed en eksplosiv afskalning. Dette problem ved højstyrkebeton kan undgås ved en naturlig udtørring i nogle måneder eller en udtørringsproces ved o C temperatur til betonen opnår en bestemt fugtindhold inden branden opstår. Dette blev undersøgt i et forsøg, som blev udført af Dansk Brandteknisk Institut (DBI) og Aalborg Universitet. Resultaterne viste, at man får bedre brandegenskaber af højstyrkebeton efter udtørringsproces end traditionel beton har(25, 29). En anden mulighed er at beskytte armeringen under brand, da armering har dårlige brandegenskaber. Dette kræver et tykkere dæklag end 10 mm. Fx for brandkrav BS60 (R60) kan, afhængigt af armerings udnyttelse, et dæklag på 15 mm være nødvendigt(29) Økonomi Prisen på højstyrkebeton er afhængig af mange faktorer, bl.a. fiberindhold, fibertype, styrkeklasse mm. Man kan derfor ikke sætte en bestemt pris på pr.m 3 højstyrkebeton, men alle beton producenter kræver tillæg for brugen af fiber, plastificerende tilsætningsstoffer mm. Hermed kan man godt sige, at højstyrkebeton koster lidt mere end traditionelbeton i samme mængde, men mængden af beton reduceres med højstyrke og derved bliver prisen afhængig af design(32). I en artikel kommer Karsten Bro, som er arkitekt hos Arkitektfirmaet Arkitema, der medejer Connovate, med følgende kommentar: Beton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 26

28 Så selv om m 2 -prisen på facaden er lidt højere, så tjener det sig ind igen, fordi de slankere konstruktioner giver flere kvadratmeter. * Armering i højstyrkebeton Højstyrkebeton konstruktioner beregnes efter samme principper som almindelig beton, men på en række punkter afviges der fra de regler, der opstilles i standarderne. Bl.a. højstyrkebetonens høje trækstyrke gør brugen af en kortere forankringslængde muligt, under beregninger bliver en højere karakteristisk styrke brugt og højstyrkebetonens maksimum korn størrelse på 4mm tillader tættere armering. Desuden tillader højstyrkebetonens ekstreme tæthed, på grund af højt indhold af mikrosilica og lave V/C forhold, brugen af mindre dæklag i forhold til den traditionelle beton(34). 6.8 Delkonklusion Det viser sig, at der er nogle hovedprincipper, som gør det muligt, at producere beton med god kvalitet. Først og fremmest skal delmaterialerne være passende til de ønskede beton egenskaber, som er afhængig af miljøklasse, funktion, bearbejdelighed, økonomi, æstetik mm. Fx er miljøklasse afgørende for valg af cementtype, beton styrkeklasse, dæklag for armering og beton indhold mv. Alle højstyrkebetonens delelementer er afgørende for betonstyrken, men især kvaliteten og blandingsforholdet af tilslag, samt V/C forholdet er vigtige. Herunder bruges løsninger for at forbedre både frisk og hærdnet beton egenskaber. Den første er brugen af mikrosilica eller flyveaske for at erstatte cement og fylde hulrummet mellem cementpartiklerne, men dette påvirker betonens flydeegenskaber og gør den mere stabil og ikke bearbejdelig. Desuden forårsager brugen af mikrosilica mikrorevner i betonens overflade. Her kommer anden og tredje løsning til hjælp, nemlig brugen af plastificerende tilsætningsstoffer for at gør betonen bearbejdelige og fiber for at løse problemer med både mikro- og makrorevner. Væsentlig høje trykstyrke, mulighed for tættere armering og mindre dæklag gør det muligt, at lave slankere konstruktioner i forhold til traditionelbeton, men disse har ekstra omkostninger. Det kan dog alligevel betale sig, da man i sidste ende til gengæld får ekstra kvadratmetre. 7 Isolering 7.1 Begrebsafklaring Varmeledningsevne (lambda-værdi): Det er et måleinstrument til at beskrive materialernes evne til at lede varmen. Enheden af dette instrument er W/mK og ønskes at være lavt for isoleringsmaterialer(35). : Det er en måleinstrument til at beskrive konstruktionernes evne til at lede varmen, da konstruktioner ofte består af forskellige materialer med forskellige varmeledningsevne. Enheden af dette instrument er W/m 2 K og ønskes at være lavt for en konstruktion(35). Kuldebro: Kuldebroer er de svage steder i konstruktioner, hvor der typisk er stor varmeledningsevne og ønskes derfor ikke i konstruktioner(36). * 4 Citat: Isolering Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 27

29 7.2 Udvikling Mennesket har altid haft behov for at befinde sig i et trygt sted at bo, for at beskytte sig mod farlige dyr, kulde, varme mm. Disse steder var i starten huler og hytter med daværende materialer, men med tiden har det udviklet sig til moderne kvalitetsbygninger. Selvom der var et sted at bo, var der stadigvæk behov for mere varme især om vinteren, hvilket skabte behovet for varmekilder og metoder til at beholde varmen. Det startede at finde materialer til at isolere bygninger for at holde varmen inde og disse materialer var typisk naturlige materialer med dårlig varmeledningsevne indtil i slutningen af 1800-tallet, hvor der blev opfundet industrielle isoleringsmaterialer som isolering af cellulosefibre såkaldt papirisolering(38). Efter energikrisen i halvfjerdserne blev det nødvendigt at finde alternative energikilder og nye metoder til at isolere bygninger. Dermed kom de nye stramme regler omkring bygningsisolering, da bygningernes opvarmning udgjorde største del af det samlede energi forbrug. Krav til bygningers energiforbrug indgik i Bygningsreglementet i Dette har bidraget til udvikling af isoleringsmaterialer, men den største effekt har været de aftaler, der er indgået med hensyn til klimaforandringerne. Siden 1990, hvor FN s Generalforsamling besluttede at starte udarbejdelsen af en Klimakonvention på baggrund af den stigende udledning af drivhusgasser og deres påvirkning af miljøet i voldsomt omfang, har der været stor fokus på klimaforandringer. Danmark underskrev konventionen i 1992 sammen med 192 andre lande. Selvom denne konvention ikke havde noget bindende krav, medførte det alligevel nye aftaler omkring klimaforandringer og dermed nye regler i bygningsreglementer siden og fremover(37). I dag udgøres 40 % af Europas energiforbrug af bygninger og derfor er der stor fokus på dette område omkring besparelse af CO 2 udledninger, da CO 2 er en af de vigtigste drivhusgasser. I en artikel af Erik Holm fra d. 22. jan gives et bedre overblik over situationen( ). Mindst 27 procent af energiforsyningen i EU skal komme fra vedvarende energikilder, når vi rammer Sådan lyder det fra EU - Kommissionen i sit oplæg til en klimastrategi frem mod Samtidig skal EUlandenes CO 2 -udslip reduceres med 40 procent i forhold til 1990-niveau. * 5 Desuden er der strategiske planer helt frem til Dvs. vi har stramme regler omkring isolering i dag, men der er flere på vej. Dette har medført en stor udvikling i isoleringsmaterialer og især brugen i byggeri(38-39). 7.3 Isoleringstyper Der findes mange forskellige typer af isoleringsmaterialer på markedet i dag. Disse materialer har forskellige egenskaber omkring varmeledningsevne, brandsikkerhed, lyd dæmpningsevne og funktionalitet. Desuden har de forskellige udførelsesmetoder og økonomiske konsekvenser(35-38). Materiale Lambda-værdi (W/mK) Celleglas 0,038-0,050 Mineraluld 0,032-0,043 Polystyren 0,034-0,041 PUR 0,021 Grå EPS (polystyren) 0,031 * 5 Citat: Isolering Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 28

30 Figur 23: Sammenligning af isoleringsmaterialernes lambda-værdier* 6 I figur 23 ses at isoleringsmaterialerne har tætte isolerings evner, men PUR isolering adskiller sig fra andre materialer. Hvorfor er det så ikke den mest brugte materiale? Seniorforsker ved Statens Byggeforskningsinstitut Eva B. Møller svarer følgende på et spørgsmål om at der findes tynde og superisolerende materialer i en artikel. Selvom isoleringsmaterialer er blevet bedre med tiden, er det rigtigt, at det ikke er voldsomt meget. Men når vi alligevel bruger det, er det i høj grad fordi det er nemt at arbejde med og er billigt. * 7 Dvs. at der er også andre faktorer end isoleringsevne, som er afgørende for brugbarheden af et materiale. Derfor vil jeg i dette afsnit undersøge og sammenligne nogle af disse materialer, for at give bedre forståelse over isoleringsmaterialernes rolle i at løse problemet. Materialernes brand og lyd egenskaber er afhængige af konstruktionsopbygningen og derfor vil disse egenskaber blive undersøgt i næste afsnit, men selve materialernes brandbarhed vil blive oplyst i dette afsnit Mineraluld Mineraluld er en fælles betegnelse for glasuld og stenuld, som på mange måder har samme egenskaber(41). Glasuld, som produceres af Isover i Danmark, består af fiberglas og et bindemiddel, der binder fibrene sammen. Denne isoleringstype fremstilles ved nedsmeltning af sand, soda, kalk og glasskår med op til 75 % genbrugsglas og har en typisk lambda-værdi mellem 0,030 0,045 W/mK(42). Stenuld, som produceres af Rockwool i Danmark, fremstilles også ved nedsmeltning af mineralske materialer ligesom glasuld, men man bruger kalksten, en vulkansk bjergart og produktionsrester såkaldt stenuldsbriketter i stedet for glas. Denne isoleringstype består også af fibermaterialer og et bindemiddel, der binder fibrene sammen og har en typisk lambda-værdi mellem 0,030 0,042 W/mK(43). Produkterne er miljøvenlige, da der bliver anvendt genbrugsmaterialer under fremstillingen. De kan anvendes i alle bygningsdele på grund af deres gode egenskaber mod brand, som er brandklasse A1, og smelter ved henholdsvis glasuld ca. 600 C og stenuld ca C. Til gengæld anvendes de normalt ikke i bygningsdele under terræn på grund af deres dårlige evner mod fugt og tryk, samt høje priser. Desuden kan begge produkter støve lidt og dermed forårsage kløe i huden og irritation i øjnene. Alligevel er de nemme at arbejde med og kan fås i forskellige form og størrelser(42-43) Celleglas isolering Celleglas, som produceres af Foamglas i Danmark, fremstilles også ved nedsmeltning af mineralske materialer ligesom mineraluld. Denne isoleringstype fremstilles ved at blande smeltet, nedkølet og pulveret glas fra sand, genbrugsglas mm og kul. En efterfølgende kontrolleret opvarmning og nedkølingsproces af blandingen muliggør fremstilling af glasblokkene. Produktet har typisk en lambda-værdi mellem 0,038 0,050 W/mK og bruges i alle bygningsdele(45). * 6 Figur 23: - Lambda-værdien for PUR isolering er 0,022 i et andet dokument, som fremgår i afsnittet isolering Innovative isoleringsmaterialer * 7 Citat: Isolering Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 29

31 Celleglas isolering samler stort set alle de gode egenskaber ved mineraluld og EPS i et produkt, men kan ikke give samme varmeisolerings effekt, som mineraluld og EPS kan. Produktet er et klasse A1 brandsikker materiale, fugtafvisende og kan tåle tryk fra andre bygningsdele med en trykstyrke over 600 kpa, men er meget dyrt i forhold til mineraluld. Produktet anvendes derfor ofte i forbindelse med renoveringsopgaver(45). Celleglas isoleringens høje trykstyrke og fugtafvisende egenskaber giver byggeaktørerne mange muligheder, bl.a. kan den anvendes i bærende konstruktioner for at undgå kuldebroer. Produktet er en af de nyere isoleringsmaterialer og en stor konkurrent til andre byggesystemer(45). Andre fordele ved celleglas isolering er, at den er nemt at arbejde med, fås i forskellige form og størrelser, men forårsager ingen støvgener, som mineraluld gør(45) Celleplast - Ekspanderet polystyren (EPS - XPS) Efter glasuld og stenuld er EPS såkaldt flamingo det mest brugte isoleringsmateriale i Danmark. Det fremstilles af et celleplastmateriale styren, der udvindes fra fossil olie(38). Materialet har en typisk lambdaværdi mellem 0,033 0,041 W/mK og bruges især i betonelementer, terrændæk, tunge ydervægge og som udvendig isolering af flade tag(44). EPS er et meget brændbart materiale og kræver derfor særlig beskyttelse mod brand, men til gengæld er det fugtafvisende og kan tåle af tryk helt op til 200 kpa. Materialet bliver blødt ved 100 o C, smelter ved 300 o C og selvantænder ved ca. 490 o C. Dette resulterer i, at EPS ikke kan anvendes i alle bygningsdele og bruges derfor normalt til konstruktioner under terræn, hvor de gode egenskaber udnyttes(44). Desuden er EPS nemt at arbejde med og fås i forskellige form og størrelser ligesom mineraluld, og giver ingen støvgener(44) PUR og PIR isolering Disse typer isoleringer, Polyuretan (PUR) og polyisocyanurat (PIR), er en type hærdet celleplast, som fremstilles ved brugen af et opskumningsmiddel, der fordamper under processen og indkapsles i materialet. Produkterne har en lambda-værdi hel ned til 0,022 W/mK og kan ikke bruges i alle konstruktioner i bygninger(47-48). De er nemme at arbejde med og fås i forskellige form og størrelser ligesom de andre isoleringsmaterialer, som er beskrevet i denne rapport. Udover deres lave varmeledningsevne, forårsager de ingen støvgener og er fugtafvisende. Selvom disse typer isoleringsmaterialer ikke har stor langtidstrykstyrke, hvilket ligger mellem 20-40kPa, kan deres høje korttidstrykstyrke, der ligger mellem kpa, gøre produkterne velegnede til elementbyggeri( ). PUR og PIR isoleringsmaterialerne er meget brandbare materialer og forårsager udvikling af sundhedsskadelige gasser under brand. Dette gør, at materialerne kræver tilstrækkelig beklædning, for at opfylde kravene om brand. Desuden er materialerne dyrere i forhold til traditionelle isoleringsmaterialer(47-48). Isolering Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 30

32 Kooltherm og Therma isoleringsprodukter Kingspan Group har produkter, som er udviklet på baggrund af PUR og PIR isoleringsmaterialer, men med forbedret egenskaber mod brand(49). Disse produkters lambda-værdier ligger for Kooltherm ned til 0,020 W/mK med en tykkelse mellem mm(51) og for Therma ned til 0,022 W/mK(50). Produktet Therma har dårligere brandegenskaber, som i bedste fald er en klasse D materiale med en brandklassifikation D- s2,d0, i forhold til Kooltherm og derfor velegnet til især tagkonstruktioner. Kooltherm er en klasse A materiale med en brandklassifikation B-s1,d0 eller klasse B materiale med en brandklassifikation C,s1,d0 og kan derfor anvendes i alle konstruktioner ved kombination med tillægsklasse for røg (s)(50-51). 7.4 Delkonklusion De traditionelle isoleringsmaterialer i elementbyggeri er mineraluld og EPS, og er de mest brugte og billigste produkter, der kan findes på markedet. Der findes også nye innovative produkter som celleglas, PUR og PIR isoleringstyper, hvilke byggeaktørerne er begyndt at bruge. De traditionelle isoleringsmaterialer har typisk høje varmeledningsevner og anvendes efter deres bedste egenskaber i konstruktioner. Eksempelvis bruges mineraluld i alle konstruktioner over terræn på grund af sit brandsikkerhed, mens EPS kan anvendes i konstruktioner under terræn, da EPS er fugtafvisende. Celleglas isolerings høje varmeledningsevne og pris i forhold til de traditionelle isoleringsmaterialer, gør produktet mindre attraktivt i elementbyggeri, men andre fordele, bl.a. høje trykstyrke og brandsikkerhed, holdbarhed og den fugtafvisende egenskab, gør produktet til en bæredygtig konkurrent i elementbyggeri. Ikke desto mindre gør PUR og PIR isoleringsmaterialernes lave varmeledningsevner produkterne meget attraktive i alle konstruktionsopbygninger og især for betonelemeter, på trods af at de medbringer udfordringer med brandsikkerhed. Disse udfordringer har dannet basis for udviklingen af Kooltherm isolering, som har en god isoleringsevne hel ned til 0,020 W/mK med en tykkelse mellem mm og en god brandsikkerhedsklasse, som kræver en minimal kombination med tillægsklasse for røgudvikling under brand. 8 Facadeelementer af højstyrkebeton Connovate er den første virksomhed i Danmark, der har udviklet facadeelementer med både for- og bagpladen bestående af højstyrkebeton og en effektiv isoleringsmateriale i kernen(52). Derfor vil Connovate facadeelementer blive brugt som eksempel på højstyrkebetonelement til sammenligning med traditionelle konstruktionsopbygninger, lavet af andre materialer. Disse sammenligninger vil basere sig på en analyse af energi, brand og lyd, samt en overordnet analyse af økonomi Konstruktionsbeskrivelse af højstyrkebetonelement Connovate har gennemtænkt alle detaljer i deres nye produkt og har lavet en ordentlig samling af løsninger for elementer siden, de har startet at udvikle deres produkt, i Elementerne består af en 20-30mm forplade og 30mm bagplade af højstyrkebeton, samt en isoleringskerne af Kooltherm isolering efter ønskede (53-55). I figur 24 er illustreret nogle samlingsdetaljer, som viser at man kan samle de tynde højstyrkebetonelementer ved at placere nogle ribber i samlinger. Disse bidrager samtidig til stabiliteten i Facadeelementer af højstyrkebeton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 31

33 bygningen og sikrer den tyndekonstruktion. Der bliver brugt almindelig armering i ribberne, mens der anvendes fiberarmering i for- og bagpladerne. En af de vigtigste gennemtænkte detaljer er, at erstatte traditionelle elastiske fuger med profiler af rustfrit stål og dermed skabe et vedligeholdelsesfrit byggesystem. Den nye metode er miljøvenlig, hurtig at udføre og bidrager samtidig til æstetikken i bygninger(53). Figur 24: Eksempler af samlinger af Connovate sandwichelementer.* 8 Vindue og dør samlingerne er andre punkter, som Connovate har tænkt over og løst problemer med kuldebroer ved at bruge skrufast purenit ramme i elementerne(53). Purenit er et funktionelt materiale, som er lavet af polyuretanskum og har høj varmeisoleringsevne mellem 0,06 og 0,08 W/mK. Produktet er fugtafvisende, lufttæt og kan behandles ligesom træ(54-55). I figur 25 ses placeringen af purenit rammen. Skrufast Purenit Skrufast Purenit Figur 25: Eksempler af vinduessamlinger af Connovate sandwichelementer.* 9 På Connovate hjemmeside findes også andre detaljeløsninger, men jeg har udvalgt ovenstående relevante punkter, for at fremhæve, hvor detaljeret Connovate har gennemgået de traditionelle problemer ved brugen af de bedste produkter, der findes på markedet. * 8 Figur 24: Detaljetegninger: * 9 Figur 25: Detaljetegninger: Facadeelementer af højstyrkebeton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 32

34 Figur 26: Illustration af højstyrkebetonelement konstruktion.* 10 Figur 26 giver bedre forståelse af både løsningerne og æstetikken i systemet. Der er nogle punkter, hvor der er mindre tyk isolering, men disse skaber ikke kuldebroer på grund af isoleringsevnen ved Kooltherm. Under et møde siger Rolf Bengaard Gravesen, som er kvalitetschef hos Ambercon og ansvarlig for de nye udviklede elementer, følgende: "Højstyrkebetonelementer har samlet tunge og lette konstruktionernes bedste egenskaber i en element. For det første er det holdbar og slank på baggrund af højstyrkebeton egenskaber og brugen af høj isolerende Kooltherm isolering. For det andet kræver det ikke stor transportomkostninger, er miljøvenlige og let at håndtere under montering, da højstyrkebeton reducerer mængden af beton i konstruktionen og gør den lettere end traditionelbetonelementer, men det er alligevel tungere end træ konstruktioner og derfor har bedre lyd afskærmningsegenskaber end de lette konstruktioner." Lyd afskærmningsegenskaber For at forstå lyd afskærmningsegenskaber af en konstruktion, må man først vide, hvordan konstruktionerne reagerer mod lyd. Der findes to typer af lyd, som konstruktionerne afskærmer, hvilket kræver forskellige egenskaber af konstruktioner. Trindlyd kommer, når man går eller banker på gulvet, og går igennem gulvkonstruktioner, hvilket kræver benyttelse af trinlyddæmpende overgulve med henblik på at dæmpe lydniveauet. Dette overgulv er typisk svømmende gulv systemer eller nedhængte loft systemer, der desuden skal adskilles af omgivende konstruktioner ved brugen af fuger(58). * 10 Figur 26: Facadeelementer af højstyrkebeton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 33

35 Figur 27: Illustration af trinlyd.* 11 Figur 28: Illustration af luftlyd.* 12 Luftlyd, som er den mest relevante for denne rapport, kommer fra snak, højtalere, trafik mm., og går igennem selve konstruktionen - utætheder i konstruktionen, flankerende konstruktioner og samlinger mellem konstruktionerne. Konstruktionernes luftlyd afskærmningsevne er afhængig af deres vægt pr. enhed, hvilket medfører at tunge konstruktioner nemt overholder de tilhørende krav ved en passende samling mellem elementerne, mens lette konstruktioner udføres med dobbeltvægge for at overholde de tilhørende krav for konstruktionen(58). Højstyrkebetonelementer har en vægt pr. enhed, der ligger mellem lette og tunge konstruktioner, men Connovate har løst dette problem ved systemets ekstreme tætte løsninger, højstyrkebetonens tætte struktur og kombinationen af de bedste produkter, herunder vinduer og dør Brandsikkerhed Som nævnt under tidligere afsnit er den største udfordring ved højstyrkebetonelementer, at deres brandsikkerhed kræver en omhyggelige udtørringsproces og i elementbyggeri kan dette medbringe økonomiske konsekvenser. Connovate har dog løst problemet og brandcertificeret deres produkt efter en række udviklingsprøver hos Dansk Brand Institut(57). "Dette er hvilken brandgodkendelse vi har nu, men vi er meget stolte af vores produkts gode egenskaber og ved at vi kan certificere produktet til bedre klassifikationer. At lave forsøg og få et produkt godkendt koster noget og det certifikat vi har nu, giver mange muligheder, men hvis vi får en speciale bestillingsvarer er vi altid klar til nye brand godkendelser." siger Rolf Bengaard Gravesen under et møde. Sandwichelementer er brandgodkendt til R 60 A2-s1,d0, bestående af en elementhøjde på 3,6 m og kan anvendes til en fire etagers bygning op til 12 m højde med brugen af en normal gulvopbygning med huldæk(53). * 11 * 12 Facadeelementer af højstyrkebeton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 34

36 8.1.4 Energi analyse Energimæssige analyse af forskellige typer af facade elementer vil blive foretaget under hensyntagen til konstruktionstykkelserne med forskellige krav til er, samt forventet krav til BR25, for at fremhæve besparelsen i konstruktionstykkelser. Værdierne er mindre end det fremgår på Connovate hjemmesiden, fordi deres beregninger indeholder reducering af isoleringslag omkring samlinger. I denne rapport har jeg valgt at overse disse isolering forringelser i alle slags konstruktioner og derfor er værdierne kun vejledende. I figur 29 kan det tydeligt ses at konstruktionstykkelserne for højstyrkebetonelementer er ca. halvdelen af traditionelle betonelementers konstruktionstykkelser og forskellen fra træ facadeelementer er også stor. Hvis man bruger Kooltherm isolering i træ facadekonstruktioner, får man næsten de samme resultater som højstyrkebetonelementer. Resultater for traditionelle træ- og betonkonstruktioner viser dog, at højstyrkebeton har taget træ konstruktionernes slankhedsfordel og gjort betonen endnu mere konkurrencedygtig i forhold til trækonstruktioner. Min. Krav W/m 2 K ved nybyggeri(53) Sandwichelementer i højstyrkebeton med Kooltherm isolering tykkelse (BILAG 2) Traditionelle sandwichelementer med stenuld isolering tykkelse(bilag 2) Arealforskel til højstyrkebetonelement (BILAG 3) Traditionelle træ facadekonstruktioner med stenuld klasse 37 isolering tykkelse (BILAG 2) Arealforskel til højstyrkebetonelement (BILAG 3) Traditionelle træ facadekonstruktioner med Kooltherm isolering tykkelse (BILAG 2) Arealforskel til højstyrkebetonelement (BILAG 3) Traditionelle sandwichelementer med Kooltherm isolering tykkelse(bilag 2) Arealforskel til højstyrkebetonelement (BILAG 3) BR10 0,15 W/m 2 K BR15 0,12 W/m 2 K BR20 0,09 W/m 2 K BR25 0,06 W/m 2 K 210 mm 245 mm 310 mm 450 mm 470 mm 12,48 m mm 5,33 m mm 0,29 m mm 8,16 m mm 13,68 m mm 7,01 m mm 0,77 m mm 8,40 m mm 15,36 m mm 9,17 m mm 1,01 m mm 8,16 m mm 18,24 m mm 13,49 m mm 0,05 m mm 7,68 m 2 Figur 29: Konstruktionstykkelser for forskellige krav. For at tydeliggøre arealbesparelsen, blev der udarbejdet et eksempel med et kvadratisk hus på 144 m 2 i areal og med 48 m facadelængde. Grunden til at der bliver valgt et kvadratisk hus er, at det giver den mindste facadelængde i forhold til andre udformninger. Da et kvadrat har den mindste omkreds i det Facadeelementer af højstyrkebeton Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 35

37 samme areal af forskellige firkanter, vil dette derfor give den mindste arealbesparelsen. Beregningerne er lagt som Bilag 3 i denne rapport og resultaterne er tastet ind i tabellen med rød skrift. Disse resultater viser at man kan, selv efter nuværende regler, få et ekstra værelse ved brugen af højstyrkebetonelementer i stedet for traditionelbetonelementer. Resultaterne mellem højstyrkebetonelementer og traditionel betonelementer med stenuld, samt Kooltherm isolering har vist, at effekten af isoleringstype og højstyrkebeton er næsten det samme for nuværende regler, så det er ikke kun isoleringstypen, der skaber forskel mellem konstruktionstykkelser. Højstyrkebeton giver en jævn ca. 8 m2 arealbesparelse, men effekten af isoleringstype stiger efter højere krav. 9 Konklusion Betonens styrke egenskaber kan forbedres og dermed opnås slankere konstruktioner til brug i facadeelementer. Dette kan reducere tykkelsen af facadeelementerne en del, og ved kombination med høj isolerende materialer kan det give meget tilfredsstillende resultater. Derfor bliver konklusionen af denne rapport, at i fremtidens byggeri kan beton erstattes med beton, der har bedre styrkeegenskaber. Baggrunden for denne konklusion er først og fremmest udviklingen i byggematerialer med erfaring fra gammel viden. Kunsten at lave beton er ikke nyt, tvært imod en meget gammel metode, men den har ikke været brugt i en lang periode. Efter genopfindelsen af denne kunstige sten, er der foregået en rigtig hurtig udviklingsproces og beton er i dag den mest brugte byggemateriale i verden. Selvom man kendte metoden at producere højstyrkebeton siden 1986, har byggeaktører ikke haft behov for at bruge denne i energirigtige byggeri, indtil der er kommet skærpede regler omkring reducering af drivhusgasser og dermed energiforbruget i bygninger. Højstyrkebetonens alle delelementer er afgørende for betonstyrken, men særligt tilslag kvalitet og blandingsforhold, samt V/C forholdet er vigtige. Brugen af mikrosilica ligesom flyveaske for at erstatte cement og fylde hulrummet mellem cementpartiklerne er hovedprincippet i højstyrkebeton, men det påvirker betonens flydeegenskaber og forårsager mikrorevner i betonens overflade. Derfor bruges plastificerende tilsætningsstoffer for at gør betonen bearbejdelige, samt fiber for at løse problemer med både mikro- og makrorevner. Connovate har videreudviklet denne viden med nyere og bedre isolerende materialer, for at opnå det bedste resultat. Problemer med brandsikkerheden af højstyrkebeton og lyd er løst ved samarbejde med faglige specialister og resulteret i det nye byggesystem, som resultater af analysen omkring energi og arealbesparelser også viser. Konklusion Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 36

38 10 Litteratur liste v%c3%a6rkt%c3%b8j/beton/beton_(historie) 5. (Tyrkisk hjemmeside af Tyrkiet cement producenternes forening - historie) 6. Cement og Beton Håndbogen Aalborg Portland 7. Valg af miljøklasse for betonkonstruktioner - BETON 8. SBI _Glas,_m%C3%B8rtel,_gips_mv./puzzolan 9. Betonhåndbogen, 3 Delmaterialer - udgivet af Dansk Betonforening, kifer Cement information Aalborg Portland - 2. udgave Juni Betonhåndbogen, 5 Frisk beton - Udgivet af Dansk Betonforening, Betonhåndbogen, 6 Proportionering - udgivet af Dansk Betonforening, Anvisning i grønbeton - Teknologisk Institut Center for grønbeton - December Betonhåndbogen, 6 Proportionering - udgivet af Dansk Betonforening, Teknisk Ståbi 21. Udgave Viden om CSS: Selvkompakterende beton Beton Teknik 2004: ken/fabriksbeton/selvkompakterendebeton-scc.pdf 23. Branchebilag for B Miljøstyrelsen, juli Undervisningsmateriale til Slap armering Udførelse af specielle opgaver - Efteruddannelsesudvalget for bygge-anlæg og industri 25. CRC - en beskrivelse Udgivet af CRC Technology: on#.uyx4qifqdms Praktik anvendelse af fiberbeton Publikation nr. 43 Dansk Betonforening Litteratur liste Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 37

39 Energistyrelsen hjemmeside 39. En vej til flere og billigere energibesparelser Niras December europe.eu/site/fileadmin/factsheets_public/sustainability_and_polyurethane_insulation_- _Today_s_solution_for_tomorrow_s_needs_-_DK.pdf Litteratur liste Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 38

40 11 Bilag BILAG 1: Mødereferat - Ambercon A/S Sag: Møde nr. og fag: 7. Semesters speciale - Højstyrkebeton Speciale Møde hos Ambercon Dato: Deltager: Onur Ot, Rolf Bengaard Gravesen (Kvalitetschef) Bygningskonstruktør Uddannelsen Referent: Onur Ot 1. Mødet fremgik hos Ambercon A/S i Støvring. 2. Formålet med mødet er informationer om højstyrkebetonens egenskaber og Ambercons rolle i udviklingsprocessen af højstyrkebeton og brugen af denne i elementbyggeri, samt fremvisning af prøve elementer af højstyrkebeton. 3. Under mødet blev nedenstående emner informeret: 3.1. Højstyrkebetonens egenskaber mod lyd Højstyrkebetonens egenskaber mod brand Højstyrkebetonens statiske egenskaber Højstyrkebetonens egenskaber i elementer og elements opbygninger Produkter og elementsamlinger. 4. Under mødet blev nedenstående produkter fremvist Facade elementer Renoveringspaneller Afrikanske huse (Low Cost Building System). 5. Angående dokumentation om højstyrkebetonens egenskaber henvist studerende med kontakt oplysninger af ansvarlige person til Connovate A/S. 6. Bemærkning: Studerende er selv ansvarlige for at kontakte Connovate A/S og skaffe relevante dokumentation. Bilag Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 39

41 BILAG 2: beregninger - ISOVER Sagsnavn: Beskrivelse: Dato: Materialelag Eksempel beregning for træ facade forventet krav Programmet indeholder ikke ventileret rum, samt beklædning og derfor indgår senere i tykkelse beregningerne med en tykkelse på 30mm. Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] Indv. overgangsisolans mod ydervæg 0,130 Gipsplade 0,026 0,250 0,104 Isolering kl 37 + træ 45/600 mm 0,045 0,044 1,023 Isolering kl 37 + træ 45/1000 mm 0,630 0,041 15,366 Ventileret facadebeklædning 0,130 Isolans i alt 16,753 U'-værdi Tillæg 0,060 W/m²K W/m²K 0,060 W/m²K 0,060 W/m²K Sagsnavn: Beskrivelse: Dato: Materialelag Eksempel beregning for træ facade krav Programmet indeholder ikke ventileret rum, samt beklædning og derfor indgår senere i tykkelse beregningerne med en tykkelse på 30mm. Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] Indv. overgangsisolans mod ydervæg 0,130 Gipsplade 0,026 0,250 0,104 Isolering kl 37 + træ 45/600 mm 0,045 0,044 1,023 Isolering kl 37 + træ 45/1000 mm 0,400 0,041 9,756 Ventileret facadebeklædning 0,130 Isolans i alt 11,143 U'-værdi Tillæg 0,090 W/m²K W/m²K 0,090 W/m²K 0,090 W/m²K Bilag Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 40

42 Sagsnavn: Beskrivelse: Dato: Materialelag Eksempel beregning for træ facade krav Programmet indeholder ikke ventileret rum, samt beklædning og derfor indgår senere i tykkelse beregningerne med en tykkelse på 30mm. Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] Indv. overgangsisolans mod ydervæg 0,130 Gipsplade 0,026 0,250 0,104 Isolering kl 37 + træ 45/600 mm 0,045 0,044 1,023 Isolering kl 37 + træ 45/1000 mm 0,290 0,041 7,073 Ventileret facadebeklædning 0,130 Isolans i alt 8,460 U'-værdi Tillæg 0,118 W/m²K W/m²K 0,118 W/m²K 0,118 W/m²K Sagsnavn: Beskrivelse: Dato: Materialelag Eksempel beregning for træ facade krav Programmet indeholder ikke ventileret rum, samt beklædning og derfor indgår senere i tykkelse beregningerne med en tykkelse på 30mm. Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] Indv. overgangsisolans mod ydervæg 0,130 Gipsplade 0,026 0,250 0,104 Isolering kl 37 + træ 45/600 mm 0,045 0,044 1,023 Isolering kl 37 + træ 45/1000 mm 0,220 0,041 5,366 Ventileret facadebeklædning 0,130 Isolans i alt 6,753 U'-værdi Tillæg 0,148 W/m²K W/m²K 0,148 W/m²K 0,148 W/m²K Bilag Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 41

43 Sagsnavn: Beskrivelse: Dato: Materialelag Eksempel beregning for traditionelbetonelement forventet krav Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] 0,130 Indv. overgangsisolans mod ydervæg Beton element 2100 kg/m³ 0,080 1,580 0,051 Isolering kl 37 0,600 0,037 16,216 Beton element 2100 kg/m³ 0,150 1,580 0,095 Udvendig overgangsisolans 0,040 Isolans i alt 16,532 U'-værdi Tillæg 0,060 W/m²K W/m²K 0,060 W/m²K 0,060 W/m²K Sagsnavn: Eksempel beregning for traditionelbetonelement krav Beskrivelse: Dato: Materialelag Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] Indv. overgangsisolans mod ydervæg 0,130 Beton element 2100 kg/m³ 0,080 1,580 0,051 Isolering kl 37 0,400 0,037 10,811 Beton element 2100 kg/m³ 0,150 1,580 0,095 Udvendig overgangsisolans 0,040 Isolans i alt 11,126 U'-værdi Tillæg 0,090 W/m²K W/m²K 0,090 W/m²K 0,090 W/m²K Bilag Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 42

44 Sagsnavn: Eksempel beregning for traditionelbetonelement krav Beskrivelse: Dato: Materialelag Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] Indv. overgangsisolans mod ydervæg 0,130 Beton 2400 kg/m³, armeret 2 % 0,080 2,760 0,029 Isolering kl 37 0,300 0,037 8,108 Beton 2400 kg/m³, armeret 2 % 0,150 2,760 0,054 Ventileret facadebeklædning 0,130 Isolans i alt 8,451 U'-værdi Tillæg 0,118 W/m²K W/m²K 0,118 W/m²K 0,118 W/m²K Sagsnavn: Eksempel beregning for traditionelbetonelement krav Beskrivelse: Dato: Materialelag Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] Indv. overgangsisolans mod ydervæg 0,130 Beton element 2100 kg/m³ 0,080 1,580 0,051 Isolering kl 37 0,240 0,037 6,486 Beton element 2100 kg/m³ 0,150 1,580 0,095 Udvendig overgangsisolans 0,040 Isolans i alt 6,802 U'-værdi Tillæg 0,147 W/m²K W/m²K 0,147 W/m²K 0,147 W/m²K Bilag Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 43

45 Sagsnavn: Beskrivelse: Eksempel beregning for Højstyrkebetonelement forventet krav Lambda-værdi for Kooltherm er taget 0,023 for at give tolerance til mindre tykke isolering omkring indbygget søjler. Dato: Materialelag Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] 0,130 Indv. overgangsisolans mod ydervæg Beton 2400 kg/m³ 0,030 2,2 0,014 Kooltherm 0,390 0,023 16,957 Beton 2400 kg/m³ 0,030 2,2 0,014 Udvendig overgangsisolans 0,040 Isolans i alt 17,164 U'-værdi Tillæg 0,058 W/m²K W/m²K 0,058 W/m²K 0,058 W/m²K Sagsnavn: Beskrivelse: Dato: Materialelag Eksempel beregning for Højstyrkebetonelement krav Lambda-værdi for Kooltherm er taget 0,023 for at give tolerance til mindre tykke isolering omkring indbygget søjler. Værdierne er kontrolleret efter Connovate hjemmeside. Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] Indv. overgangsisolans mod ydervæg 0,130 Beton 2400 kg/m³ 0,030 2,2 0,014 Kooltherm 0,250 0,023 10,870 Beton 2400 kg/m³ 0,030 2,2 0,014 Udvendig overgangsisolans 0,040 Isolans i alt 11,078 U'-værdi Tillæg 0,090 W/m²K W/m²K 0,090 W/m²K 0,090 W/m²K Bilag Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 44

46 Sagsnavn: Beskrivelse: Dato: Materialelag Eksempel beregning for Højstyrkebetonelement krav Lambda-værdi for Kooltherm er taget 0,023 for at give tolerance til mindre tykke isolering omkring indbygget søjler. Værdierne er kontrolleret efter Connovate hjemmeside. Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] Indv. overgangsisolans mod ydervæg 0,130 Beton 2400 kg/m³, armeret 2 % 0,030 2,760 0,011 Kooltherm 0,185 0,023 8,043 Beton 2400 kg/m³, armeret 2 % 0,030 2,760 0,011 Udvendig overgangsisolans 0,040 Isolans i alt 8,325 U'-værdi Tillæg 0,120W/m²K W/m²K 0,120W/m²K 0,119W/m²K Sagsnavn: Beskrivelse: Dato: Materialelag Eksempel beregning for Højstyrkebetonelement krav Lambda-værdi for Kooltherm er taget 0,023 for at give tolerance til mindre tykke isolering omkring indbygget søjler. Værdierne er kontrolleret efter Connovate hjemmeside. Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] Indv. overgangsisolans mod ydervæg 0,130 Beton 2400 kg/m³ 0,030 2,200 0,014 Kooltherm 0,150 0,023 6,522 Beton 2400 kg/m³ 0,030 2,200 0,014 Udvendig overgangsisolans 0,040 Isolans i alt 6,719 U'-værdi Tillæg 0,149 W/m²K W/m²K 0,149 W/m²K 0,149 W/m²K Bilag Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 45

47 Sagsnavn: Beskrivelse: Dato: Materialelag Eksempel beregning for træ facadekonstruktion med Kooltherm isolering forventet krav Programmet indeholder ikke ventileret rum, samt beklædning, som er stadigvæk nødvendigt for trækonstruktion, og derfor indgår senere i tykkelse beregningerne med en tykkelse på 30mm. Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] 0,130 Indv. overgangsisolans mod ydervæg Gipsplade 0,026 0,250 0,104 Isolering kl 37 + træ 45/450 mm 0,045 0,046 0,978 Kooltherm 0,350 0,023 15,217 Ventileret facadebeklædning 0,130 Isolans i alt 16,560 U'-værdi Tillæg 0,060 W/m²K W/m²K 0,060 W/m²K 0,060 W/m²K Sagsnavn: Beskrivelse: Dato: Materialelag Eksempel beregning for træ facadekonstruktion med Kooltherm isolering krav Programmet indeholder ikke ventileret rum, samt beklædning, som er stadigvæk nødvendigt for trækonstruktion, og derfor indgår senere i tykkelse beregningerne med en tykkelse på 30mm. Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] 0,130 Indv. overgangsisolans mod ydervæg Gipsplade 0,026 0,250 0,104 Isolering kl 37 + træ 45/450 mm 0,045 0,046 0,978 Kooltherm 0,230 0,023 10,000 Ventileret facadebeklædning 0,130 Isolans i alt 11,342 U'-værdi Tillæg 0,088 W/m²K W/m²K 0,088 W/m²K 0,088 W/m²K Bilag Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 46

48 Sagsnavn: Beskrivelse: Dato: Materialelag Eksempel beregning for træ facadekonstruktion med Kooltherm isolering krav Programmet indeholder ikke ventileret rum, samt beklædning, som er stadigvæk nødvendigt for trækonstruktion, og derfor indgår senere i tykkelse beregningerne med en tykkelse på 30mm. Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] 0,130 Indv. overgangsisolans mod ydervæg Gipsplade 0,026 0,250 0,104 Isolering kl 37 + træ 45/450 mm 0,045 0,046 0,978 Kooltherm 0,160 0,023 6,957 Ventileret facadebeklædning 0,130 Isolans i alt 8,299 U'-værdi Tillæg 0,120 W/m²K W/m²K 0,120 W/m²K 0,120 W/m²K Sagsnavn: Beskrivelse: Dato: Materialelag Eksempel beregning for træ facade konstruktion med Kooltherm isolering krav Programmet indeholder ikke ventileret rum, samt beklædning, som er stadigvæk nødvendigt for trækonstruktion, og derfor indgår senere i tykkelse beregningerne med en tykkelse på 30mm. Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] 0,130 Indv. overgangsisolans mod ydervæg Gipsplade 0,026 0,250 0,104 Isolering kl 37 + træ 45/450 mm 0,045 0,046 0,978 Kooltherm 0,125 0,023 5,435 Ventileret facadebeklædning 0,130 Isolans i alt 6,777 U'-værdi Tillæg 0,148 W/m²K W/m²K 0,148 W/m²K 0,148 W/m²K Bilag Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 47

49 Sagsnavn: Eksempel beregning for traditionelbetonelement med Kooltherm forventet krav Beskrivelse: Dato: Materialelag Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] 0,130 Indv. overgangsisolans mod ydervæg Beton 2400 kg/m³, armeret 2 % 0,080 2,760 0,029 Kooltherm 0,380 0,023 16,522 Beton 2400 kg/m³, armeret 2 % 0,150 2,760 0,054 Udvendig overgangsisolans 0,040 Isolans i alt 16,865 U'-værdi Tillæg 0,06 W/m²K W/m²K 0,06 W/m²K 0,06 W/m²K Sagsnavn: Eksempel beregning for traditionelbetonelement med Kooltherm krav Beskrivelse: Dato: Materialelag Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] 0,130 Indv. overgangsisolans mod ydervæg Beton 2400 kg/m³, armeret 2 % 0,080 2,760 0,029 Kooltherm 0,250 0,023 10,870 Beton 2400 kg/m³, armeret 2 % 0,150 2,760 0,054 Udvendig overgangsisolans 0,040 Isolans i alt 11,213 U'-værdi Tillæg 0,09 W/m²K W/m²K 0,09 W/m²K 0,09 W/m²K Bilag Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 48

50 Sagsnavn: Eksempel beregning for traditionelbetonelement med Kooltherm krav Beskrivelse: Dato: Materialelag Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] 0,130 Indv. overgangsisolans mod ydervæg Beton 2400 kg/m³, armeret 2 % 0,080 2,760 0,029 Kooltherm 0,190 0,023 8,043 Beton 2400 kg/m³, armeret 2 % 0,150 2,760 0,054 Udvendig overgangsisolans 0,040 Isolans i alt 8,387 U'-værdi Tillæg 0,117 W/m²K W/m²K 0,117 W/m²K 0,117 W/m²K Sagsnavn: Eksempel beregning for traditionelbetonelement med Kooltherm krav Beskrivelse: Dato: Materialelag Tykkelse [m] λ -værdi [W/mK] Isolans [R] [m²k/w] 0,130 Indv. overgangsisolans mod ydervæg Beton 2400 kg/m³, armeret 2 % 0,080 2,760 0,029 Kooltherm 0,150 0,023 6,304 Beton 2400 kg/m³, armeret 2 % 0,150 2,760 0,054 Udvendig overgangsisolans 0,040 Isolans i alt 6,648 U'-værdi Tillæg 0,148 W/m²K W/m²K 0,148 W/m²K 0,148 W/m²K Bilag Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 49

51 BILAG 3: Beregning af arealbesparelser. Eksempel hus med 144 m 2 og 48 m facadelængde. 12 m Badeværelse Indgang Værelse Køkken 12 m Værelse Stuen Bilag Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 50

52 Min. Krav W/m 2 K ved nybyggeri(53) BR10 0,15W/m 2 K BR15 0,12W/m 2 K BR20 0,09W/m 2 K BR25 0,06W/m 2 K Sandwichelementer i højstyrkebeton med Kooltherm isolering tykkelse(bilag 2) 210 mm 245 mm 310 mm 450 mm Samlet konstruktionsareal (tykkelse x 48 m) (m2) 10,08 11,76 14,88 21,60 Traditionelle sandwichelementer med stenuld 470 mm 530 mm 630 mm 830 mm isolering tykkelse(bilag 2) Samlet konstruktionsareal (tykkelse x 48 m) (m2) 22,56 25,44 30,24 39,84 Besparelse af areal med højstyrkebetonelement 12,48 13,68 15,36 18,24 (m2) Besparelse af areal med højstyrkebetonelement (%) 8,67 9,50 10,67 12,67 Traditionelle træ facadeelement med stenuld klasse 37 isolering tykkelse 321 mm 391 mm 501 mm 731 mm Samlet konstruktionsareal (tykkelse x 48 m) (m2) 15,41 18,77 24,05 35,09 Besparelse af areal med højstyrkebetonelement 5,33 7,01 9,17 13,49 (m2) Besparelse af areal med højstyrkebetonelement (%) 3,70 4,87 6,37 9,37 Traditionelle træ facadekonstruktion med Kooltherm isolering tykkelse(bilag 2) 216 mm 261 mm 331 mm 451 mm Samlet konstruktionsareal (tykkelse x 48 m) (m2) 10,37 12,53 15,89 21,65 Besparelse af areal med højstyrkebetonelement 0,29 0,77 1,01 0,05 (m2) Besparelse af areal med højstyrkebetonelement (%) 0,20 0,53 0,70 0,03 Traditionelle sandwichelementer med Kooltherm isolering tykkelse(bilag 2) 380 mm 420 mm 480 mm 610 mm Samlet konstruktionsareal (tykkelse x 48 m) (m2) 18,24 20,16 23,04 29,28 Besparelse af areal med højstyrkebetonelement 8,16 8,40 8,16 7,68 (m2) Besparelse af areal med højstyrkebetonelement (%) 5,67 5,83 5,67 5,33 Bilag Højstyrkebeton i energirigtige løsninger Side 51