Forbedret ressourceudnyttelse af danske råstoffer Fase 4 - Pilotprojekt Udført for: Skov- og Naturstyrelsen Frilufts- og Råstofkontoret Udført af: Dorthe Mathiesen, Anette Berrig og Erik Bruun Frantsen Taastrup, den 20. december 2002 Byggeri
Titel: Forfatter: Forbedret ressourceudnyttelse af danske råstoffer. Fase 4 - Pilotprojekt. Dorthe Mathiesen, Anette Berrig og Erik Bruun Frantsen Reproduktion af dele af rapporten er tilladt, hvis kilde angives.
Indhold 1. Indledning... 4 2. Formål... 5 3. Materialer... 6 4. Recepter... 8 5. Resultater... 9 5.1 Blanding... 9 5.2 Styrkeresultater... 12 6. Konklusion... 13 7. Bilag 1 Pakningsberegninger... 15 8. Bilag 2 - Prøvningsrapporter... 17 3
1. Indledning Denne rapport redegør for det arbejde, der er gennemført i projektet Forbedret ressourceudnyttelse af danske råstoffer, Fase 4 Pilotprojekt. Arbejdet med dette pilotprojekt skal ses som en delopgave af fase 3 projektet, hvorfor der fra fase 3-rapporten henvises til denne rapport. 4
2. Formål Pilotprojektets formål er, at undersøge om det er muligt at opnå tilstrækkelig god betonkvalitet ved anvendelse af tilslagsmaterialer, der af kvalitetsmæssige årsager normalt ikke anvendes som betontilslag. Idéen er, ved en simpel undersøgelse, at screene muligheden for at udvide viften af danske råstoffer som kan anvendes til betonformål for herved at opnå en bedre og mere bæredygtig udnyttelse af de danske råstoffer. 5
3. Materialer Ifølge den oprindelige projektbeskrivelse var det tanken at undersøge beton med tilsætning af morænegrus som tilslagsmateriale eventuelt kombineret med finkornet sand fra det marine område. Idéen med anvendelse af morænegrus uden yderligere forarbejdning blev bragt på banen, fordi der er tale om en endog meget stor potentiel ressource, hvis den er anvendelig. Efter samtaler med producenter og efterfølgende diskussioner i projektstyregruppen blev ideen opgivet, fordi morænegrus er af så svingende sammensætning mht. karakter og egenskaber, mægtigheden stærkt varierende og lokaliseringen så spredt og punktvis. Producenterne vurderer, at det i praksis ikke er muligt at indvinde morænegrus til anvendelse i betonproduktion uden meget store krav til produktionsstyring og materialeoparbejdning. Herved forsvinder et væsentligt incitament for at afprøve morænegrus muligheder. Som potentiel ressource er morænegrus fortsat interessant, men det vurderes at ville kræve en mere omfattende og differentieret prøvning og dokumentation, end hvad der ligger indenfor dette pilotprojekt s rammer. Finkornet søsand er relevant, fordi det er en nærmest uudtømmelig ressource. I praksis er det imidlertid et problem, at det netop er disse lokaliteter og positioner, den danske ralsugerflåde ikke opsøger. Netop fordi materialernes egenskaber mht. kornstørrelsesfordeling hidtil ikke har været efterspurgt som betontilslag. Men forekomsterne findes og mange af dem er kortlagt af branchen. Imidlertid har det ligget uden rammerne af dette projekts fase 4 at chartre en ralsuger for at få indsejlet en last af denne materialetype. Indvindingsteknologien besværliggør også dette, fordi ral- og sandsugning ved indvinding i sig selv medfører en kraftig og effektiv frasortering af finkornet materiale. Vurderingen af forskellige materialetypers muligheder er derfor endt med, at der er foretaget undersøgelser af beton fremstillet med et såkaldt GAB 0-16 mm produkt. Denne produkttype finder anvendelse i vejsektoren som asfaltbærelag, hvor sten og sand indgår i et passende forhold med bitumen (GAB: GrusAsfaltBeton ) Produktet produceres med den mindst mulige oparbejdning. Det graves direkte ud af brinken med en frontlæsser. Derefter køres produktet til et sorteringsanlæg, der ved tørsortering fjerner korn større end 16 mm. Tilbage er det færdige 0/16-produkt klar til udlevering. Det er i dag ikke tilladt iht. DS 481 anneks C at anvende dette materiale, idet det ikke er sorteret i en sand- og stenfraktion. Når den kommende EN standard for betontilslag træder i kraft vil dette blive tilladt. Det er derfor attraktivt, at undersøge om denne ressource kan anvendes i praksis. 6
Projektgruppen kontaktede derfor en grusgrav i Lolland/Falster-området. Dette område er karakteriseret ved få grusgrave med lave stenprocenter og med generelt dårlige materialeegenskaber med henblik på betonproduktion. Altså et geografisk område, hvor en evt. egnethed som betontilslag er af ressourcemæssig relevans. Hvis denne type materiale kan anvendes til betonproduktion vurderes det at indebære en væsentlig principiel udvidelse af ressourcepotentialet. Primært i stenfattige områder og områder med dårlige stenkvaliteter. Da grusmaterialet har et meget lille indhold af korn større end 8 mm, er det valgt at sammensætte to forskellige betonblandinger, jf. afsnit 4. I den ene beton anvendes kun det aktuelle 0/16 materiale, hvorimod der i den anden beton tilsættes en stenfraktion 8-16 således, at den samlede kornstørrelsesfordeling er jævn iht. kendt teknologi for betonsammensætning. Udvalgte materialeegenskaber for de to typer tilslag er bestemt i laboratoriet, se Tabel Fejl! Ukendt argument for parameter.. Prøvningsrapporter fremgår af bilag 2. Tabel Fejl! Ukendt argument for parameter.. Materialeegenskaber for tilslag Materiale 0-16 GAB grus 8-16 P-bakkesten Densitet VOT (kg/m 3 ) 2611 2602 Absorption (%) 1,1 1,7 Egenpakning (%) 71 61 Kornkurve gennemfald i % 32 100 100 16 100 96,6 8 92,8 8,3 4 81,7 1,4 2 66 1,0 1 47,4 0,8 0,5 23,8 0,7 0,25 8,6 0,5 0,125 3,5 0,3 0,075 1,9 0,3 7
4. Recepter Der er proportioneret 2 forskellige betonrecepter. Udgangspunktet for proportioneringen var en beton til passiv miljøklasse i styrkeklasse 20 MPa. Recepterne er proportioneret med udgangspunkt i en referencebeton, anvendt i udviklingsprojektet Grøn Beton fra Unicon i Horsens. Som udgangspunkt blev der proportioneret 2 recepter. Den eneste forskel fra referencerecepten var tilslagstypen og tilslagets indbyrdes fordeling. For at sådanne typer beton skal være attraktive må de ikke blive dyrere at fremstille, dvs. det skal være muligt at fastholde cementindholdet og v/c-tallet. I den ene betontype P20-1 er tilslaget i referencebetonen erstattet af 0-16 GAB grus alene. Herved undersøges pilotprojektets formål i yderste konsekvens. I den anden betontype P20-2 er tilslaget i referencebetonen erstattet af 0-16 GAB grus og 8-16 P-bakkesten i en pakningsmæssig optimal sammensætning, se bilag 1. De faktiske recepter, som de blev blandet i laboratoriet, fremgår af Tabel Fejl! Ukendt argument for parameter.. Til sammenligning er referencebetonen anført i tabellen. Denne beton er ikke blandet i laboratoriet. Tabel Fejl! Ukendt argument for parameter.. Betonrecepter. P-ref har fungeret som referencebeton i udviklingsprojektet Grøn Beton. De anførte recepter svarende til P20-1 og P20-2 svarer til recepterne som de blev blandet i laboratoriet omregnet til 1 m 3 med materialerne i vandmættet overfladetør tilstand (VOT). P-ref [kg/m 3 ] I VOT P20-1 [kg/m 3 ] I VOT P20-2 [kg/m 3 ] I VOT Cement Rapid 149 146,3 150,6 Flyveaske E-mineral 51 48,8 50,2 Mikrosilica Pulver 12 12,2 12,6 Vand 137 159,3 142,4 Plastificering Conplast 212 1,7 3,9 2,1 Sand 0-16 GAB grus 1930,0 1043,2 Sand 0-2 Klasse A 773 Sten 8-16 P-bakke 925,9 Sten 4-32 Klasse 1160 v/c-tal 0,70 0,82 0,71 Konsistens Sætmål i mm 100 0 10 8
5. Resultater 5.1 Blanding Betonerne blev blandet i laboratoriet på Teknologisk Institut d. 3. december 2002. Referencebetonen er en beton, der normalt fremstilles på fabrik, og som nævnt er den anførte referencebeton ikke blandet i laboratoriet i dette pilotprojekt. Der er væsentlig forskel på at blande beton på fabrik og i laboratoriet. Betonblandere på fabrikkerne er for det meste væsentlig mere effektive sammenlignet med laboratorieblandere. Derfor er det ikke umiddelbart muligt at fremstille en beton i laboratoriet, der giver præcis de samme frisk beton egenskaber, som ved fremstilling på fabrik. Erfaringerne fra tidligere forsøg viser, at beton blandet i laboratoriet bliver mindre bearbejdelig sammenlignet med den samme beton blandet på fabrik. Blandeproceduren var følgende: Tilslag blev tilsat blanderen og der blev blandet ca. ½ min. Derefter blev pulveret (cement, flyveaske og mikrosilica) tilsat blanderen og der blev blandet yderligere ca. 1 min. Derefter blev ca. 2/3 dele af vandet tilsat. Derefter plastificeringsmidlet og til sidst den sidste del vand. Der blev blandet yderligere ca. 2½ min. P20-1 havde behov for ekstra plasitificering og vand for at blive udstøbelig. Betonen havde en jordfugtig konsistens. P20-2 virkede umiddelbart som en god beton, der var nem at støbe ud. Målet var at blande beton med sætmål 100, men P20-2 fik et sætmål på 10 mm og P20-1 opnåede på trods af ekstra plastificering og vand et sætmål på 0 mm. Forklaringen på de ringere bearbejdelighedsegenskaber kan forklares udfra 2 forhold: 1. Det er som beskrevet ovenfor sværere at opnå samme bearbejdelighed i laboratoriet sammenlignet med blanding på fabrik. 2. De 2 betontyper (og specielt P20-1) indeholder et større finstofindhold i tilslaget sammenlignet med referencebetonen. Det betyder, at betonen bliver mere vandkrævende, og hvis vandmængden skal øges er det nødvendigt også at øge cementmængden for at fastholde v/c-forholdet. Men det betyder også, at betonen bliver dyrere at fremstille. I dette forsøg er pulvermængden fastholdt. 9
Billede Fejl! Ukendt argument for parameter.. Blanding af P20-1. Billede Fejl! Ukendt argument for parameter.. Blanding af P20-2 10
Billede Fejl! Ukendt argument for parameter.. Måling af sætmål på P20-1 Billede Fejl! Ukendt argument for parameter.. Måling af sætmål på P20-2 11
5.2 Styrkeresultater For begge betontyper er der udstøbt 6 stk. Ø150x300 mm cylindre til måling af trykstyrke til terminerne (7, 14 og 28 døgn). Der trykkes 2 cylindre pr. betontype pr. termin og gennemsnittet af de 2 prøver udgør resultatet. Hærdningen af de cylindre, der skulle trykkes til 28 døgn, er af tidsmæssige årsager accelereret, dvs. de er hærdet i vandbad ved 35 o C i stedet for ved 20 o C som er normal procedure. Ved hærdning ved 35 o C fordobles hærdningshastigheden, dvs. at betonen opnår 28 døgnsstyrken på bare 14 dage. Dette har dog ikke nogen betydning for resultaterne. Resultaterne er følgende, jf. prøvningsrapport i bilag 2.: 7 døgn (MPa) 14 døgn (MPa) 27 døgn (MPa) P-ref 12,6-23,0 P20-1 14,5 20,7 33,7* P20-2 17,2 24,5 40,0* * Betonen blev hærde accelereret i 13 døgn ved 35 o C, hvilket totalt gav en modenhed på 27 døgn ved prøvningstidspunktet. Billede Fejl! Ukendt argument for parameter.. Udstøbning af cylindre til trykstyrkemåling 12
6. Konklusion Betons trykstyrke anvendes i mange tilfælde som udtryk for betonens kvalitet, men der er mange andre parametre der skal vurderes for at kunne sige noget om en betons kvalitet. For beton der skal anvendes i passiv miljøklasse, dvs. til indendørs betonkonstruktioner uden risiko for frost og fugtpåvirkning, er de vigtigste egenskaber, at betonen har den fornødne trykstyrke til at indgå i en konstruktions statiske system, og at betonen kan støbes ud og er god at arbejde med for folkene på byggepladsen. Derfor er trykstyrken sammen med frisk beton egenskaberne de vigtigste egenskaber for en beton i passiv miljøklasse. En betons trykstyrke afhænger af mange faktorer. De vigtigste faktorer er bl.a. hærdningsgraden, dvs. betonens alder, den anvendte cementtype og forholdet mellem vand og cement i betonen. Det mest enkle formeludtryk, der beskriver denne sammenhæng er Bolomeys formel. Bolomeys formel: 1 fc = K α v / c α sættes normalt til 0,5, K er afhængig af cementtypen, og for rapid cement anvendes normalt en værdi på 29. De betoner der er blandet i dette pilotprojekt skulle ifølge Bolomeys formel give trykstyrker til 28 døgn på ca. 26 MPa (v/c = 0,71) og 21 MPa (v/c = 0,82). Det fremgår af afsnit 5.2, at de målte styrker er væsentligt højere. Der kan være flere forklaringer herpå: det anvendte GAB grus 0-16 var meget fugtigt (godt 5 %). Det har stor betydning for den beregnede værdi af v/c-forholdet at det fugtindhold, der regnes med er det faktiske. Det er relativ små variationer i fugtindhold, der skal til for at ændre det faktiske v/c-forhold. Dvs. der er mulighed for, at v/c-forholdet er mindre end det der er angivet i denne rapport. Det faktiske v/c-forhold kan bestemmes ved at fremstille et tyndslib af betonen og analysere dette i mikroskop. betonerne var relativt tørre i konsistens, hvilket gør det sværere at blande betonen homogent i laboratoriet. Homogeniteten af betonen kan ligeledes analyseres i et tyndslib. På trods af disse usikkerheder ser resultaterne meget lovende ud, og screeningen tyder på, at det er muligt at fremstille beton med GAB grus 0-16 mm, der overholder styrkekravene til beton i styrkeklasse 20. 13
Det fremgår af afsnit 5.1, at det var svært at opnå tilstrækkeligt gode bearbejdelighedsegenskaber. Dette pilotprojekt er som nævnt kun en screening, og der er helt klart mulighed for at foretage nogle receptmæssige justeringer, der vil gøre det muligt at fremstille tilstrækkeligt bearbejdelige betoner med de anvendte tilslagstyper. Det kan derfor konkluderes, at det er muligt at fremstille beton til passiv miljøklasse i styrkeklasse 20 med GAB grus 0-16, der er et grusmateriale, der ikke er klassificeret som traditionelt tilslag til betonfremstilling, men som det vil blive tilladt at anvende når den europæiske beton- og grusstandard træder i kraft. 14
7. Bilag 1 Pakningsberegninger Der er gennemført pakningsberegninger på tilslaget til betonrecepterne i dette projekt. Til pakningsberegninger anvendes materialets densitet, egenpakning og kornkurve som inputparameter. Ved hjælp af edb-programmet 4C-Packing beregnes pakningen af tilslaget svarende til en vilkårlig kombination. Målet er at sammensætte tilslaget således, at det pakker så godt som muligt. Herved mindskes hulrummet mellem tilslaget, og behovet for pasta (cement og vand mm. ) mindskes. Herved fås beton, der dels har bedre egenskaber og dels er billigere og mere miljøvenlig at fremstille. På Figur Fejl! Ukendt argument for parameter. fremgår pakningsberegningerne i 4C-Packing på materialerne 0-16 GAB grus og 8-16 P-bakkesten. På figur 2 er den sammensatte kornkurve for den valgte kombination af de to materialer optegnet. Figur Fejl! Ukendt argument for parameter.. Pakningsdiagram for materialerne 0-16 GAB grus og 8-16 P-bakkesten. Der er valgt en sammensætning svarende til 53 % 0-16 GAB grus og 47 % 8-16 P-bakkesten. 15
Figur Fejl! Ukendt argument for parameter.. Den sammensatte kornkurve for den valgte kombination af 0-16 GAB grus og 8-16 P-bakkesten. 16
8. Bilag 2 - Prøvningsrapporter 17