AF: Emil Bøggild S144563 Kursus: 11837 AT Sommerkursus FIBERARMERING AF BETON Vejleder: Lisbeth M. Ottosen Aflevering: 23-08-2015 Fiskenet som fiberarmering i beton.
Titelblad Titel: Kursus: Universitet: Afdeling: Fiberarmering af beton med fiskenet 11837 AT Sommerkursus Danmarks Tekniske Universitet DTU ARTEK Antal ECTS: 5 Vejledere: Hjælpeundervisere: Lisbeth M. Ottosen Amanda Bonnerup S100150 Nina Sigvardsen S102893 Underskrift: Emil Bøggild S144563 Theis Ballegaard S1445762 Side 1 af 13
Forord I forbindelse med kurset 11837 AT Sommerkursus er det valgt at undersøge muligheden for brug af fiskenet til fiberarmering af beton. Projektet er et pilotprojekt, og vil derfor ende med en vurdering af hvorvidt det kan lade sig gøre at benytte fiskenet til fiberarmering. Vi har i forbindelse med projektet fået vejledning af Amanda Bonnerup og Nina Sigvardsen. Derudover har vores vejleder Lisbeth M. Ottosen stået til rådighed over Skype, og ved støbningen. Projektet har et omfang af 3 uger, og 5 ECTS point. Sammenfatning Formålet med dette projekt er at finde et grundlag for benyttelse af fiskenet som fiberarmering i beton. Dette mål er opfyldt såfremt der kan skabes et sejt brud af betonen. Ved undersøgelse af de støbte blokke, lykkedes det at skabe seje brud i samtlige prøver. Dog er prøverne lavet under simple forhold, og det forslås derfor at der udføres flere undersøgelser, som blandt andet kan dække over slidtagen og saltindholdet i fiskenettene. Der er i diskussionen givet forslag til flere fremtidige undersøgelser. Side 2 af 13
Indholdsfortegnelse Titelblad... 1 Forord... 2 Sammenfatning... 2 Indledning... 4 Teori/Baggrund... 4 Vandindhold... 5 Metode... 6 Data... 9 Diskussion... 10 Kilder... 12 Bilag... 13 1 Målte data... 13 Side 3 af 13
Indledning Formålet med denne rapport er at undersøge muligheden for brug af fiskenet til fiberarmering af beton. Dette er første gang det er forsøgt at bruge fiskenet til armering, og rapporten vil derfor være målrettet til studerende, til videre undersøgelse og test af fiskenet. Baggrunden for brug af fiskenet er at mindske miljøpåvirkningen af fiskenet i havet og på lossepladser rundt om i verden. Fiskenet er lavet af polyethylen og er derfor ikke nedbrydelige. Der vil dog i denne rapport ikke blive undersøgt miljøpåvirkningen, men derimod kun hvorvidt det er rentabelt at benytte fiskenet som fiberarmering. Rapporten vil fokusere på tilfældet hvor fiskenettet er neddelt til små fibre. Sideløbende med dette, undersøges det hvorvidt fiskenet kan lægges i betonen som hele masker, så det bruges som net armering. Betonen der er støbt under dette forløb, stemmer ikke overens med de grønlandske byggekrav. Dette skyldes primært det udstyr som var tilgængeligt. Det vurderes dog at forsøgsresultaterne stadig kan bruges, selvom alle kravene ikke er blevet mødt. Teori/Baggrund Beton er et bygningsmateriale der bliver brugt mange steder. Beton fremstilles simpelt af: cement, vand, sand og sten. Sand og sten tilsættes for at give cementblandingen styrke. Cementen er i vores tilfælde Portland cement. Cement er et hydraulisk bindemiddel, dette betyder at cementen reagerer med vandet og hærder, hvorefter det bliver resistent over for vand. I sig selv har beton en meget høj styrke over for tryk, men derimod en meget lille styrke over for træk. Det er derfor almindeligt, at man armerer beton med jern, da dette har en høj styrke over for træk. Konventionelt benyttes net som armeringsstål, nettet lægges i betonformen inden betonen hældes ud over. Her gælder blandt andet, at nettet skal lægges mindst 1/3 af betondækkets tykkelse, ind i betonen, for at beskyttet nettet mod vind og vejr. Et alternativ til normal net armering, er fiberarmering. Her tilsættes små fibre af nogle centimeters længde, til betonblandingen. Fordelene ved denne type armering er, at det kan udføres på fabrikken hvor betonen fremstilles, og herved spares der en masse arbejdstid på byggepladsen, som i sidste ende resulterer i en lavere omkostning for byggeriet. Derudover opnår man mulighed for at bygge tyndere konstruktioner, end ved traditionelt armeret beton. Derfor bruges fiberarmeret beton typisk til tagdækninger og altaner. Fibrene kan også hjælpe til med at sænke porøsiteten af betonen. Fibrene i fiberarmeret beton kan laves af flere forskellige materialer, som hver har deres egen egenskab. For eksempel kan stålfibre giver den største styrke, mens polyethylenfibre ikke kan ruste. I dette projekt vil der kun blive arbejdet med polyethylenfibre, og styrken af denne blanding vil blive sammenlignet med styrken af en betonblok, uden nogen form for armering. Side 4 af 13
Vandindhold I beton er det vigtigt at styre vandindholdet ved blandingsprocessen, det dette har en stor effekt på styrken af betonen. Mængden af vand der tilsættes bestemmer hvor stærk betonen ender med at blive. Tilsættes der for meget vand, vil den overskydende mængde vand skabe lommer i betonen, da dette vand ikke har reageret med cementen. Dette sænker styrken af betonen. Det gælder derfor om at finde det forhold hvor der er en tilpas mængde vand i forhold til cement, således at al cementen reagerer med alt vandet. Dette forhold kaldes for V/C (Vand/Cement) og ligger typisk på 0,4 da dette giver en stærk beton, som stadig kan bearbejdes. Herunder ses en graf der viser styrken af beton afhængig af vandmængden. Figur 1 Her ses sammenhængen mellem vandindholdet og styrken af betonen. (Ottosen, Beton - Undervisningsslide, 2015) Det ses at når vandindholdet hæves, falder styrken af betonen. Selvom den største styrke opnås ved et meget lavt vandindhold, laves der sjældent beton med så lavt indhold, da denne ikke flyder og det derfor kan være svært at få alle luftbobler ud af blandingen. Side 5 af 13
Metode Til undersøgelse af om polyethylenfibre fra gamle fiskenet, styrker beton blev der lavet fire forskellige blandinger. Den første af disse blandinger var en reference der ikke indeholdt nogen form for fibre. Disse skulle bruges til sammenligning af prøver der indeholdt fibre. De tre andre prøver indeholdt forskellige mængder og størrelser af polyethylenfibre. To af disse prøver var fibre enkelte fibre der blev splittet fra fiskenet, mens den sidste havde sammenflettede tråde. Både tråde og fibre var omkring 2 cm lange. Derudover var de brugte net også blevet skyllet for at fjerne diverse urenheder som eventuelt kunne have indflydelse på betonens styrke. Figur 2 Her vaskningen af fiskenettene For at finde mængden af fibre i hver sten var det nødvendigt at kende massefylden af stålfibre som normalt er i fiberbeton. Derudover blev den gennemsnitlige massefylde af beton også fundet, samt massefylden for polyethylen. Da dimensionerne af vores betonsten var kendt, kendte vi også vægten af den enkelte sten. Derefter blev forholdet mellem stålfibre og polyethylenfibre fundet og massen af fibre i betonen kunne dermed findes. Dette blev gjort i det vi vidste at man normalt bruger 1-3 % jernfibre målt i forhold til betonen færdige vægt. Da denne fibervægt var fundet, fandt vi volumen af jernfibrene, og tog den samme volumen af polyethylenfibre, her fandt vi vægten af disse, som i forhold til volumet er mindre. Betegnelsen 1 % og 2 % er derfor i forhold til jernfibre, mens vægten af fibrene er i forhold til polyethylenfibre Type Fibre Fibre Tråde Procent 1% af volumen (5 g pr. sten) 2% af volumen (10 g pr. sten) 2% af volumen (10 g pr. sten) Tabel 1 Her ses fiber indholdet af de 3 typer prøver Side 6 af 13
Der er blevet lavet 3 af hver slags sten. De har alle fulgt følgende formel, med hensyn til indehold. Med de følgende mængder er der præcis nok til at lave 3 sten med dimensionerne 200x100x70mm. Sand: 6480 g 66,66% Cement: 2160 g 22,22% Vand: 1080 g 11,11% Total: 9720 g Tabel 2 Her ses mængden af de forskellige komponenter i betonen I de prøver hvor der var blevet tilsat polyethylenfibre, er den korresponderende mængde sand blevet udskiftet med polyethylenfibre. Derudover har de alle fulgt en meget nøjagtig opskrift, med tider som er blevet overholdt for samtlige prøver, for at sikre at alle sten har været igennem samme proces. Figur 3 Her ses indblandingen af fibrene i cementen En afmålt mængde cement blev hældt i en industrirør maskine. Hvis prøven var med fibre blev disse tilsat her. Derefter blev den afmålte mængde vand tilsat og maskinen blev startet ved lav hastighed med det samme. Efter at have kørt i 30 sekunder, blev sandet tilsat stødt over 30 sekunder for at sikre sandet bliver blandet med hele prøven. Maskinen kører derefter ved en højere hastighed i yderligere 30 sekunder. Derefter stoppes maskinen i 90 sekunder, så Figur 4 Her ses støbningen. Her afrettes betonen med et bræt. man kan fjerne mørtel der sider på væggen af skålen. Derefter køres maskinen på højhastighed i yderligere 60 sekunder. Når denne proces er ovre, hældes betonen i formene på 200x100x70 mm. Side 7 af 13
Når mørtelen er hældt op overdægges den med et lag plastic for at holde på væsken så de ikke tørrer ud. De skal ligge i formene i 24 timer før de er størknet og kan tages ud af formene. Derefter bliver de vejet og sænket ned i et kar med vand. De skal være i karret i 6 døgn. Når de igen tages op bliver de endnu engang vejet, for at udregne porre mængden. Deres dimensioner bliver desuden efter målt, til yderligere behandling i Danmark. Figur 5 Her ses afformningen. Stenene placeres derefter i en maskine for at teste trækstyrken af betonen. Hver sten placeres således at der er 12,5 cm mellem hver understøtning, som det kan ses på figuren herunder. Figur 6 Her ses en model af tryktestopstillingen. Maskinen angav trykket i kn. Den angav samtidig også det største tryk som prøven blev udsat for, det vil sige, der hvor betonen knækkede. Efter at selve betonen var knækket blev maskinen sat i gang igen for at undersøge styrken af fibrene. Maskinen blev stoppet når fibrene begyndte at knække og antal kn blev noteret. Figur 7 Her ses tryktesteren under et forsøg. Side 8 af 13
Efter alle prøver var blevet testen, blev de også knækket i mindre stykker for at vurdere om fibrene havde fordelt sig jævnt igennem helle blokken, samt kigge på mængden af lufthuller. Figur 8 Her ses en sten med 1 % fibre, efter den er flækket. Data Her præsenteres kort de målte data. De fulde data med størrelse på blokkene kan findes i bilag 1 Målte data. Prøve ID REF 1 REF 2 REF 3 REF 4 REF 5 Brudstyrke (Beton) 16,3 kn 16,9 kn 16,6 kn 15,8 kn 17,5 kn Tabel 3 Her ses de målte resultater for referenceprøverne. Prøve ID Brudstyrke (Beton) Brudstyrke (Fibre) Bemærkning F1 19,8 kn 9,1 kn Fibrene trækkes ud F2 18,8 kn 8,5 kn F3 18,6 kn 11,9 kn F4 19,5 kn 14,4 kn F5 22,3 kn 14,6 kn F6 18,6 kn 17,5 kn F7 21,1 kn 21,1 kn F8 20,9 kn 18,2 kn F9 17,4 kn 14,3 kn Tabel 4 Her ses de målte resultater for fiberprøverne. F1-F3 F4-F6 F7-F9 Store fibre (2 %) 10 g (2 %) 5 g (1 %) Tabel 5 Her ses en foklaring af navnene på fiberprøverne. Side 9 af 13
Diskussion Der er set bort fra prøverne F5 og F9, da disse har stor afvigelse fra andre af samme type armering. Målet med projektet var at finde ud af hvorvidt der er grundlag for at benytte fiskenet som fiberarmering. Dette mål opfyldes såfremt der kan skabes et sejt brud af blokkene. Det var forventet at referencerne skulle have et sprødt brud, hvilket skete. Generelt kan det ses at blokkene med fiberarmering har en højere brudstyrke, og det kan der udover ses, at da først betonen er revnet, ligger der stadig en styrke i armeringen. Det viste sig at styrken i armeringen betød at bruddet blev sejt. Det skal siges at der i dette projekt ikke har været ressourcer, eller tid til at undersøge alle aspekter af fiberforstærket beton. Vi har blandt andet ikke haft et rystebord, og vi har derfor måtte ryste betonen ved at slå på formen med en hammer. Dette har resulteret i at nogle sten er blevet rystet mere end andre, hvilket kan have givet de store udsving i prøvestyrkerne. Til fremtidige projekter kan det foreslås det derfor at undersøge følgende: Da fiskenettene har været brugt, vil de være fyldt med salt og snavs fra vandet, og den tid det har ligget på en losseplads. Det foreslås at det undersøges hvilken virkning saltet har på betonen, og hvordan nettene kan renses tilstrækkeligt. Herunder hvilke affaldsstoffer kan sidde i nettene, og deres indvirkning på betonens styrke. Da prøverne i dette projekt ikke indeholdt sten, som beton normalt gør, foreslås det at betonens egenskaber undersøges såfremt der tilsættes større tilslag. Det vil herunder også være aktuelt at undersøge hvordan man støber betonen, da nogle fiskenet har så små masker at større sten vil blive fanget og ikke kan passere, hvorved der skabes en inhomogen støbning. Det vil også være muligt at undersøge hvilken styrke fiskenettene har i sig selv, under forskellige forhold. Dette kan være hvor lang tid fiskenettet har været brugt, eller hvor lang tid det har været udsat for sol. Ved fiberarmeringen fandt vi ud af at neddelingen af fiskenettet fra masker til fibre, var en besværlig proces. Det ønskes derfor undersøgt hvorvidt der kan findes en lettere metode til at neddele nettet, som skaber mindre spild. Side 10 af 13
Fibrenes længde spiller en stor rolle for styrken af betonen, det ønskes derfor også undersøgt hvor korte eller lange fibrene skal være for at sikre den optimale styrke. Dette kan undersøges sammen med adskillelsesprocessen, da vi fandt frem til at jo kortere fibre skulle være, jo lettere var de at adskille. Det ønskes også undersøgt hvilken mængde fibre der giver den største styrke. I vores undersøgelse er der lavet for få prøver til at kunne give et svar på mængden. Men vores resultater viser at der er grundlag for at benytte fiskenetarmeret beton i form af fiber armering. Et problem som vi troede vi ville støde ind i var fordelingen af fibre i betonen. Vi havde forventet at fibrene ville samle sig i klumper, men de viste sig at være jævnt fordelt. Det ønskes derfor undersøgt om dette var et heldigt tilfælde ved den lille portion vi fremstillede, eller om det kan give problemer såfremt der fremstilles større mængden beton ad gangen. Side 11 af 13
Kilder Bonnerup, A., & Sigvardsen, N. (2015). Hjælp til støbning. Sisimiut. Grønlands hjemmestyre byg- og anlægsstyrelsen. (1996). Forskrift for betonkonstruktioner. Nuuk: Sanaartortitsinermut Aqutsisoqarfiq. Krog, T. B. (19. August 2015). Ingeniøren. Hentet fra http://www.ing.dk/artikel/fiberbeton-vinder-frem- 92666 Ottosen, L. M. (2015). Sisimiut. Ottosen, L. M. (2015). Beton - Undervisningsslide. Sisimiut: Lisbeth M. Ottosen. Standard, D. (2005). Metoder til prøvning af cement. København: Dansk Standard. Side 12 af 13
Bilag 1 Målte data Prøve ID Vægt før Vægt efter Tid afformet Brud ved Dimensioner (cm) (kg) (kg) (kn) REF 1 3.05 3.07 12.15 16,3 7.03X10.08X20 REF 2 3.1 3.13 12.17 16,9 7,055X10,035X20 REF 3 3.09 3.12 12.18 16,6 7,05X10,085X20 REF 4 3.09 3.11 12.18 15,8 7,07X9,97X20 REF 5 3.09 3.11 12.18 17,5 7,155X10,025X20 Prøve ID Vægt før (kg) Vægt efter (kg) Tid afformet Brud ved (kn) Dimensioner (cm) Fiberbrud ve (kn) F1 3.09 3.12 13.00 19,8 7,05X10,1X20 9,1 F2 3.08 3.11 13.01 18,8 7,035X10,295X20 8,5 F3 3.05 3.08 13.01 18,6 7,015X10,02X20 11,9 F4 3.08 3.11 13.01 19,5 7,15X9,9X20 14,4 F5 3.15 3.18 13.02 22,3 7,2X9,975X20 14,6 F6 3.06 3.09 13.02 18,6 7X10,305X20 17,5 F7 3.07 3.10 13.03 21,1 7,1X10X20 21,1 F8 3.05 3.07 13.03 20,9 7,02X10X20 18,2 F9 3.06 3.09 13.03 17,4 7,12X9,95X20 14,3 Side 13 af 13