Begroning af synlige betonoverflader

Begroning af synlige betonoverflader Resultater og konklusioner fra begroningsforsøg på betonoverflader Ane Mette Kjeldsen, Teknologisk Institut, September 2007

Introduktion Nærværende rapport omhandler en forsøgsrække udført i forbindelse med projektet Den Synlige Betonoverflade. Formålet med forsøgsrækken har været at undersøge hvilken betydning den hærdnede betonoverflade har på begroning i form af alger og skimmel samt tilsmudsningsgrad ved ældning. Der er udstøbt 12 10 fliser (flise ID 1-12) som enten har indeholdt forskellige delmaterialer, er behandlet forskelligt i curingfasen eller overfladebehandlet. 12 6 fliser blev sendt til Aalborg Portland hvor de blev placeret i klimakarrusel der simulerer accelereret ældning. Der blev løbende målt farveændring af fliserne. De sidste 12 4 fliser blev benyttet på Teknologisk Institut. Af de fire fliser blev én flise benyttet til initial bedømmelse af overfladebeskaffenhed, bestående af scanning elektronmikroskopi, ruhedsmålinger, tyndslib samt kontaktvinkelmålinger. De tre resterende fliser blev placeret på opstalt og udsat for almindelig ældning under kontrollerede forhold. I dette forsøg blev fugtigheden holdt højt for at øge chancen for organisk vækst på fliserne. Til opstaltforsøgene blev yderligere leveret 3 2 for-ældede fliser fra Aalborg Portland (flise ID X,Y og Z). Detaljer om disse fliser gives i følgende afsnit. 2

Udstøbnings og forbehandlings metode Der blev støbt 12 10 fliser. Hver flise havde dimensionerne 35cm 25cm 7cm. En oversigt over fliserne, deres støbedato samt behandling er vist i tabel 1. Recepterne kan ses på bilag 1. ID-nummer Dato Beskrivelse v/c Støbt af: Recept 1 20. jan Hvid, sol-gel behandling 0,50 Betonelement 2 6. jan Hvid, anti-graffitti middel 0,50 Betonelement A 3 13. jan Hvid, Silan-behandlet 0,50 Betonelement Hvid, hård mikrofiller 4 13. jan (glaskugler) 0,43 AAP B 5 12. jan Hvid, hærdetemperatur 65C 0,43 AAP 6 11. jan Hvid, reference 0,43 AAP C 7 10. jan Hvid, hærdetemperatur 35C 0,43 AAP 8, 3. jan Grå, reference, Basiscement 0,39 Betonelement D 9 5. jan Grå, Basiscement 0,45 Betonelement E Grå, mikrosilica+flyveaske, 10 6. jan klasse A eller E 0,40 Fabriksbeton, Unicon Ålborg F 11 4. jan Hvid, slebet/terazzo 0,50 Betonelement 12? Hvid, fritlagte sten 0,50 Betonelement A Tabel 1 Oversigt over flise-typer Prøverne er efterfølgende nummereret efter ID-nummeret i kolonne 1. Ved forsøgsstart blev der er desuden leveret 3 2 fliser fra Aalborg Portland. Alle seks fliser er støbt efter recepten for flise nr. 6 i tabel 1. I tabel 2 er angivet flisernes forbehandling. ID Antal fliser Alder X 2 ~2 år Y 2 ~4 år Z 2 ~0,5 år Forbehandling Fliserne har været placeret indendørs i lagerhal. Har været placeret udendørs i alle 4 år Har været placeret i Aalborg Portlands klimakarrusel (se senere afsnit) og er kunstigt ældet til omkring 9 år. Recept C Tabel 2 Oversigt over forbehandling af extra-fliser fra Aalborg Portland 3

Karakteriseringsmetoder Scanning Elektron Mikroskopi (SEM) Prøverne 1-12 er undersøgt visuelt på Center for Mikroteknologi og Overfladeanalyse vha. SEM ved tre forskellige forstørrelser. SEM-undersøgelserne blev udført ved stuetemperatur efter at overfladerne er gjort elektrisk ledende ved pålægning af et ca. 20 nm tykt guld-lag. Ruhedsmålinger På prøverne 1-10 har centret ligeledes foretaget ruhedsmålinger. Ruhedsmålingerne er udført ved interferensmikroskopi med et Zygo NewView 100 3D-interferensmikroskop. I interferensmikroskopet sendes hvidt lys igennem et objektiv og deles vha. et spejl op i to strålebundter: et der reflekteres fra prøvens overflade, og et der reflekteres fra et referencespejl monteret i objektivet. Afstanden til emnets overflade beregnes ud fra interferensmønsteret imellem de to reflekterede strålebundter. Metoden er berøringsfri. Objektivet bevæges med mikrometer præcision ned og op i forhold til emnet, og interferensmønstret i et antal diskrete planer opsamles og databehandles. Objektivet har scanlængder fra 5 til 100 μm. Det største billedfelt, hvorfra topografiske data kan opsamles, er på 1 x 1 mm. Teknikken kan opmåle ruheder i området 0.5 nm til 100 μm med en lateral opløsningsevne på 1-2 μm. Tyndslib Der er fremstillet ét tyndslib af hver prøve 1-12. Ved hjælp af disse, er visuelt blevet vurderet homogenitet, luftindhold, tegn på overfladebehandling, karbonatiseringsdybde, revneforekomster samt v/c-tal. Tyndslib fremstilles af udsavede prøver, der imprægneres med epoxy, tilsat et fluorescerende farvestof og nedslibes til en tykkelse på ca. 0,02 mm. Et tyndslib dækker et areal på ca. 45 mm x 30 mm. Tyndslib analyseres i polarisations- og fluorescensmikroskop. Kontaktvinkel Kontaktvinkel blev målt på prøvenummer 1-10 på Center for Mikroteknologi og Overfladeanalyse, Teknologisk Institut. Undersøgelserne er blevet udført som statiske kontaktvinkelmålinger, hvor der deponeres en dråbe vand på overfladen hvorefter kontaktvinklen måles vha. et billedbehandlingsprogram. Væsken blev dispenseret automatisk via en sprøjte med en flowhastighed på 10 μl/min. Der blev brugt 5-12 μl væske. Der blev foretaget 3-5 målinger pr. prøve. Kontaktvinklen blev målt på begge sider af dråben. Det benyttede måleudstyr er forsynet med et videokamera som tillader observation af nålens position og væsketilførslen til overfladen, samt at der kan tages et billede af dråben for efterfølgende dataevaluering. 4

Opstaltforsøg, metode Inden opsætning blev der i hver flise fræset et 2 mm dybt, og 2 mm bredt vandret spor i overfladen, ca. 11 cm fra bunden. Dette blev gjort for at skabe ophobning af vand i sporet. Alle 12 flisesæt blev placeret let skrånende (tre og tre under hinanden) ved siden af hinanden i opstalt. Opstillingen blev opsat inde i et drivhus for at kunne opretholde høj relativ luftfugtighed. Opstillingen er vist i figur 1. De 3 2 fliser leveret fra Aalborg Portland blev ved levering placeret i opstalt, ligesom de resterende fliser, i drivhuset. Flisesættet Y havde ved levering synlige tegn på begroning. Figur 1 Forsøgsopstillingen samt flise med tydelig skimmelvækst. Alle fliserne blev udsat for kunstigt lys (UV-frit) med R-lysstofrør 58 watt 11-860, 16 timer i døgnet og mørke 8 timer. Den relative luftfugtighed blev forsøgt holdt over 70% vha. befugter og vanding. Befugteren kørte kun i hverdagene. Temperaturen blev ikke styret og kom i perioder over sommeren op på 35oC. 14.juni blev opsat ventilator for at ensarte klimaet i top og bund af opstillingen. Fliserne blev opsat d.27. februar 2006 og regnskylssimulering blev igangsat d. 6.marts ved vanding af fliserne med alm. postevand ca. 2 gange om ugen. I første halvdel af juli måned blev regnskylssimuleringerne nedsat til én gang om ugen og helt stoppet i anden halvdel af juli måned. Efterfølgende blev de genoptaget. 5

Podning Mikrobiologisk blandingskultur til podning for skimmel og alger var skimmeltyperne Ulocladium chartarum og Cladospotium cladosporioides og grønalgen Stichococcus bacillaris. Alger og svampe blev opdyrket og podet separat. Første podning for skimmel og svampe blev foretaget d. 20.marts og derefter gentaget ca. én gang om måneden. 10.maj blev der første gang tilført standardiseret snavs for at øge chancen for begroning. Efterfølgende blev der ved hver podning samtidig tilført standardiseret snavs. Ca. én gang om måneden blev der foretaget billeddokumentation af hver flise samt visuel beskrivende vurdering af hver flises tilstand. Test for biologisk aktivitet I slutningen af august blev to metoder benyttet til at teste for biologisk aktivitet på én enkelt flise; Mycometer til test af skimmelaktivitet samt dyrkning af aftryksplader til test af både skimmel- og algeaktivitet. Mycometertesten er baseret på detektion og kvantificering af et enzym som findes i både mycelium og sporer hos alle skimmelsvampe. Analyseresultater deles op i 3 kategorier: A x 25 B 25 x 450 C x 450 Niveauet af skimmelsvamp er ikke over normalt baggrundsniveau. Niveauet af skimmelsvamp er over normalt baggrundsniveau. Dette kan skyldes ophobning af svampesporer i støv og snavs eller tilstedeværelse af ældre udtørrede skimmelsvampe. Niveauet af skimmelsvamp er langt over normalt baggrundsniveau. Resultatet i denne kategori måles på lokaliteter med højt niveau af skimmelsvamp (biomasse) og indikerer massiv vækst af skimmelsvamp Aftrykspladen er en dyrkningsplade, der trykkes let af på overfladen. Pladen indeholder et skimmelsvampemedium (V8-agar tilsat antibiotika) eller et algemedium. I laboratoriet inkuberes pladen i én uge ved 26 C, hvorefter de fremvoksede skimmelsvampe/alger kan tælles og identificeret ved mikroskopi. 6

Karakterisering, resultater Ruhedsmålingerne gav tre forskellige resultater, Ra, Rq og Rz. Ra er en amplitude parameter, Rz er gennemsnitsværdien af afstanden imellem de 5 højeste peaks og de 5 laveste dale i målearealet og Rq er en indikering af ruhed i veldefineret statistisk form. Resultaterne med Ra og Rq udelades i dette tilfælde, idet kun Rzværdierne bør benyttes til karakterisering af betonoverflader. Ligeledes kan resultater der ligger indenfor 10 μm afstand af hinanden ikke antages at være signifikant forskellige. De analyserede områder er hver på 19mm2. 100 Rz 90 80 70 μm 60 50 40 30 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Opstalt nummer Figur 2 Ruhedsmålinger (Rz) på flise 1-10 Udvalgte SEM-resultater med 100 ganges forstørrelse er vist i figur 3. 7

Figur 3 SEM billeder af flise 1-12 Resultater fra tyndslibsanalysen tilføjede ingen nye oplysninger, hvorfor disse ikke er medtaget i resultaterne. I figur 4 er vist eksempler på billeder til bestemmelse af kontaktvinkler. Den fundne kontaktvinkel, bestemt efter 10 sekunders deponering, er endvidere angivet. Kontaktvinklen på prøve 4 kunne ikke måles, da dråben blev opsuget indenfor 10 sekunder efter deponering. 8

Figur 4 Kontaktvinkler for prøve 1-10 Prøve 2 viste nogen tidsafhængighed af kontaktvinklen. Idet prøvens volumen forblev konstant skyldes tidsafhængigheden ikke opsugning af dråben. Tidsafhængighed er målt på prøve 2, 5 og 10 og resultatet er vist i tabel 3. Prøve nr. Efter 10 s Efter 30 s Efter 60 s 2 114 ±11 100 ±6 94 ±5 5 24 ±1 19 ±2 13 ±2 10 22 ±3 14 ±2 <10 Tabel 3 Tidsafhængighed af kontaktvinkler for prøve 2, 5 og 10 Prøve nr. 4 5 6 7 8 9 10 Opsugningstid 10-15 s 1-2 min >2 min >2 min >60 s 30 s >60 s Tabel 4 Opsugningstid for dråber på prøverne 4-10 9

Opstaltforsøg, karakterisering Eksperimentelle forhold Den relative luftfugtighed svingede mellem 80-99% i hverdagene og 55-70% i weekenden, hvor befugteren var slukket. Biologisk aktivitet Efter første podning kunne alger ses i den fræsede rille på øverste fliserække og efter opstilling af ventilator bredte algerne sig også til de underliggende fliserækker. Algerne blev observeret i og omkring den fræsede rille på ubehandlede grå og hvide fliser. På imprægnerede, slebne eller frilagte overflader blev alger kun observeret i den fræsede rille. Der var fra starten visuel algevækst på flisesæt Y fra Aalborg Portland (4 år gammel). 7.august var alle alger væk, muligvis pga. manglende vanding i juli måned. Derudover var temperaturerne oppe omkring 35oC i denne periode. På trods af at vandingen blev genoptaget har der efterfølgende ikke været synlige tegn på alger. Ingen skimmelvækst har kunnet identificeres på fliserne selvom forholdene for væksten er til stede. De omgivende vække, gulv og loft er hårdt angrebet af skimmelvækst. Test for biologisk aktivitet i slutningen af august viste en Mycometer-værdi i kategori B. Dette dokumenterer påføring af sporer af skimmelsvampe, men at der kun er sket ringe vækst og enzymproduktion. Aftryksprøven viste, at der var spiredygtige sporer og mycelierester af de to påførte skimmelsvampearter på fliseoverfladen. Endvidere var der andre skimmelsvampesporer, som var forurening fra de omgivende materialer. På baggrund af den manglende biologiske aktivitet blev det besluttet at efterfølgende målinger kun burde bestå i tape-prøver til efterfølgende mikroskopering. Visuel bedømmelse Podning samt brugen af standardiseret snavs har givet de hvide imprægnerede fliser en uensartet tilsmudset overflade som ikke bliver bedre ved skylning. De ubehandlede hvide overflader har skiftet farve i et mere jævnt mønster mens tilsmudsningen er svær at se på de grå fliser. De hvide fliser med sleben eller frilagt overflade har stort set ikke ændret udseende. Alle fliserne er præget af fine krakeleringer i overfladen 10

Diskussion Indledende karakterisering I ruhedsanalysen viser værdierne af Rz (målingen af gennemsnitsafstanden mellem de 5 højeste peaks og de 5 laveste dale i måleområdet) at især flise nr. 4, 5 og 8 skiller sig ud med langt den højeste gennemsnitsafstand. Flise 10 har laveste ruhed, mens fliserne 2, 3, 6, 7 og 9 ligger lidt højere. Den visuelle inspektion vha. SEM-billederne giver ikke yderligere information. Flise nr. 11 og 12 som er hhv. slebet og med frilagte tilslag skiller sig tydeligt ud fra de øvrige. Kontaktvinkelmålinger viser tydelig forskel mellem behandlede overflader (flise nr. 1-3) hvor kontaktvinklen var over 110o og rå overflader (flise nr. 4-10) hvor kontaktvinklen var under 24o. Flise nr. 4 skilte sig ud ved at opsuge vanddråben inden måling kunne foretages. Opsugningstiden for fliserne 4-10 blev målt og der er god sammenhæng mellem v/c-tal og opsugningstid hvor højere v/c-tal giver lavere opsugningstid. Dette skyldes at højere v/c-tal giver en grovere mikrostruktur og dermed større kapillarporer. Generelt er opsugningstiden for fliserne af hvid cement højere, hvilket er i overensstemmelse med at hvid cement er finere end grå cement og giver finere og tættere mikrostruktur. En højere hærdetemperatur giver, ligesom en øgning i v/ctal, en grovere mikrostruktur, hvilket genspejles i en mindsket opsugningstid for den hvide flise hærdet ved 65o. Grunden til at flise 4 (hvid cement og hårdt mikrofiller) udviste en meget forkortet opsugningstid er ikke klarlagt. Opstaltsforsøg Indledningsvist viste alle fliser tegn på begroning i den fræsede rille. Fliser uden imprægnering, sleben overflade eller med frilagt tilslag viste også begroning udenfor rillen. Efter den korte periode med begroning var alle tegn på biologisk aktivitet dog væk igen. Grunden til dette er ikke klarlagt. Visuelt har de imprægnerede fliser ikke klaret sig så godt som de øvrige fliser, idet de har fået et uensartet tilsmudset udseende. Øvrige fliser uden overfladebehandling har mere ensartet skiftet farvenuance, mens fliserne med sleben overflade eller frilagte tilslag ikke viser nogen synlig forandring. Konklusion Den indledende karakterisering har vist god overensstemmelse mellem kontaktvinkel og overfladeimprægnering samt opsugningstid og overordnet mikrostruktur. Indledningsvis viste alle ikke-overfladebehandlede fliser tegn på begroning. Umiddelbart lader det derfor til at både sol-gel-, anti-graffitti- og silanbehandling er en mulighed. Fliserne med slebne overflader samt frilagte tilslag viste heller ikke tegn på begroning. 11

Bilag 1 Recepter Aalborg Portland Hvid Glaskugler Hvid (Ref, 35 o C, 65 o C) RECEPT NR. B C Cement LAB HOC 363 363 Glasfiller PQ 868183 135,9 Vand 156,5 156,5 Sand Kvartssand 0-0,25 26,8 122 Kvartssand 0,25-1 196,4 244 Kvartssand 1-4 366 366 Sten Søsten 4-8 430 430 Søsten 8-16 670 670 v/c 0,431 0,431 Forv. luft 1,10% 1,10% Forv. sætmål 12 12 Betonelement Hvid (Sol-gel behandling, antigraffitti, Silan, sleben, fritlagt) RECEPT NR. A Cement Hvid 349 Vand 167,6 Sand Lysit 0-2 703 Sten Lysit 8-11 (skærver) 1073 Tilsætningsstoffer SikaAer (luftindblanding) 1,64 ECO - 2 5,69 v/c 0,5 Forv. luft 6,10% Forv. sætmål 140 Hærdetemperatur 20 o C Unicon Ålborg Grå, MS+FA RECEPT NR. F Cement Lavalkali CEM I 42,5N(HS/EA<2) 298 Flyveaske Emineral B4 45 Mikrosilika B104 Unicon 21 Vand 146,5 Luftindblanding Conplast 316 AEA 1:5 0,36 Plastificering Conplast 212 2,5 Sand E0002 Nr. Halne 654 Sten E0408 Sløvig/Halsvik 156 E0816 Sløvig/Halsvik 999 Ækv, v/c 0,4 Forv. luft % af kitmasse 18,20% Forv. sætmål 130 Hærdetemperatur 20 o C 12

Betonelement Viby Grå, v/c=0,39 Grå, v/c=0,45 RECEPT NR. D E Cement CEM II/A-L52,5 R 299 395 Sand Betonsand 0/4 A 650,5 774,9 Sten Skærver 5/16 M 642,77 1019,7 Luftindblanding Sika AER 15-B 1,29 Plastificering Sika Viscocrete-20HE 1,83 1,18 Vand 115,4 177,7 Ækv, v/c 0,39 0,45 Forv. luft 5,50% 1,70% Sætmål 550 110 Hærdetemperatur 20 o C 20 o C 13