Examensarbete 15 hp
Juni 2016
Inverkan av torktemperatur vid
vattenmättning av bruk och betong
Bestämning av vattenmättnadsgrad och hydraulisk
konduktivitet
ISRN UTH-INGUTB-EX-B-2016/29-SE Examensarbete 15hp Juni 2016
Inverkan av torktemperatur
vid vattenmättning av bruk
och betong
Bestämning av vattenmättnadsgrad och hydraulisk
konduktivitet
Amanda Holmkvist 2016-06-06
Institution för teknikvetenskaper, Tillämpad mekanik, Byggteknik, Uppsala
Universitet, Examensarbete 2016
Detta examensarbete är framställt vid, Institutionen för teknikvetenskaper, Tillämpad mekanik, Uppsala Universitet, 2016
Tryckt vid Ångströmslaboratoriet, Uppsala Universitet, juni 2016
Copyright © Amanda Holmkvist
Institutionen för teknikvetenskaper, Tillämpad mekanik, Byggnadsteknik, Uppsala universitet
Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student
Abstract
Effect of drying temperature on the saturation of
mortar and concrete
Amanda Holmkvist
Today, there is uncertainty about how much the results differ when drying concrete at 20, 50 and 105 °C prior to saturation of concrete in order to determine the degree of saturation and hydraulic conductivity. Micro-cracks occur when concrete is dried at higher temperatures and causes increased hydraulic conductivity. Further, the concrete is believed not to be completely saturated if not all the physically bound water, so called free water, has been dried out prior to saturation.
This thesis compares the effect of three different drying temperatures on the possibility to saturate concrete with water. The work was conducted at Vattenfall’s concrete laboratory in Älvkarleby. The three drying temperatures were +20 °C (room temperature), 50 °C and +105 °C. The objective was to determine if
differences on the degree of saturation and hydraulic conductivity were non-existent or negligible. Vacuum saturation after drying at 105 °C is considered to be complete. The results after drying at 20 °C and 50 °C were compared to those after drying at 105 °C. The results of the tests indicate that the concrete should be dried at +105°C prior to saturation with water. Then the risk of frost damage to concrete in hydro power structures can be assessed.
How determination of the hydraulic conductivity is affected by the drying
temperature gave more vague and dubious results. All specimens showed a maximum hydraulic conductivity after drying at 50 °C, not after 105 °C as expected. It was believed that the hydraulic conductivity theoretically would increase because of (more) micro-cracks when being dried at 105 °C. Results from the concrete with vct 1.0 gave results that indicated that the specimens had been damaged by method 1. To sum up, the results of the tests indicate that further studies on the effects of drying temperatures should be made.
Tryckt av: Ångströmslaboratoriet ISRN UTH-INGUTB-EX-B-2016/29-SE Examinator: Caroline Öhman Mägi Ämnesgranskare: Urmas Valdek
v
Sammanfattning
Idag finns det oklarheter kring hur mycket resultaten för vattenmättnadsgrad och hydrauliska konduktivitet skiljer sig åt, när betong torkas vid 20 grader, 50 grader och 105 grader innan betongen vattenmättas. Vid högre temperaturer uppstår mikrosprickor i betongen som ger ökad hydraulisk konduktivitet (genomsläpplighet), samtidigt så antas betongen inte kunna bli helt vattenmättad om betongen inte töms helt på fysikaliskt vatten, så kallat fritt vatten innan vattenmättningen.
Examenarbetet jämför tre olika torkningstemperaturers inverkan vid Vattenfalls betonglaboratorium i Älvkarleby. Betongen och bruket torkas i +20°C (rumstemperatur), +50°C respektive +105°C, för att se ifall skillnaden i resultaten är obefintlig eller försumbara vid mätning av vattenmättnadsgrad och hydrauliska konduktivitet. Vid vattenmättning där betongen först torkats i 105 grader anses betongen vara fullständigt vattenmättad, vilket är det resultat som har jämförts emot i arbetet. Resultatet av provningarna påvisar att betongen bör torkas i +105°C innan vattenmättning sker för att korrekta beslut baserade på vattenmättnadsgrad ska kunna göras och därmed undvika att frostsprängningar sker hos kontrollerade betongkonstruktioner.
Hur hydrauliska konduktiviteten påverkas av torktemperaturen vid vattenmättning gav ett mer otydligt och tvivelaktigt resultat. Alla provkropparna av bruket uppnådde högst hydraulisk konduktivitet efter att provkropparna torkats i +50°C, inte efter +105°C som förväntat. Den hydrauliska konduktiviten skulle öka på grund utav av (fler) mikrosprickor och att provkropparna var helt vattenmättade, teoretiskt sätt, men blev inte resultatet. Betongen med vct 1,0 gav resultat som indikerar på att provkropparna kan ha tagit skada efter metod 1. Resultaten av provningarna säger att det krävs fler och mer omfattande provningar och utredningar kring området innan något kan fastställas.
vi
vii
Förord
Detta examensarbete omfattar 15 högskolepoäng på högskoleingenjörsprogrammet i byggteknik vid Uppsala universitet och utgör den sista delen av utbildningen. Examensarbetet har utförts under 10 veckor under våren 2016 vid Vattenfall Research and Development AB och är sponsrat av Vattenfall Vattenkraft AB.
Jag vill framförallt tacka Vattenfall och mina handledare Martin Rosenqvist och Niklas Hansson som stöttat mig under arbetets gång och möjliggjort examensarbetet. Jag vill också tacka alla ute på betongprovningen i Älvkarleby som har hjälpt mig ute i laboratoriet. Utan er hjälp, kunskap och vänlighet hade inte examensarbetet varit genomförbart.
Slutligen vill jag även tacka alla andra ute på Vattenfall i Älvkarleby som jag lärt känna och välkomnats av under min tid där.
Amanda Holmkvist Älvkarleby, maj 2016
viii
ix
Innehåll
1. Introduktion... 1 1.1 Bakgrund ... 1 1.2 Syfte ... 2 1.3 Mål ... 2 1.4 Avgränsning ... 2 2. Teori ... 3 2.1 Betong ... 32.1.1 Cementhalt och vattencementtal ... 3
2.1.2 Struktur – typer av porer ... 3
2.2 Vatten i betong ... 3
2.2.1 Kemiskt bundet vatten ... 3
2.2.2 Fysikaliskt bundet vatten ... 4
2.2.3 Torkning av betong ... 4
2.2.4 Kapillärmättnadsgrad ... 4
2.2.5 Vattenmättnadsgrad ... 4
2.2.6 Hydraulisk konduktivitet ... 5
2.3 Beständighet och nedbrytning... 6
2.3.1 Förekommande nedbrytningsmekanismer ... 6 2.3.2 Frostsprängning... 6 2.3.3 Kemiska angrepp ... 8 2.3.3 Armeringskorrosion ... 9 2.3.4 Erosion ... 10 3. Material ... 11
3.1 Betong och cementbruk ... 11
3.2 Provkroppar ... 11
4. Metod ... 14
4.1 Allmänt ... 14
4.2 Metod för att mäta vattenmättnadsgrad ... 14
4.2.1 Kapillärmättning av betong ... 14
4.2.4 Torkning i värmeskåp ... 15
4.2.3 Vattenmättning i exsickator ... 15
x
4.3 Metod för att mäta hydraulisk konduktivitet ... 18
4.3.1 Allmänt ... 18
4.3.2 Celltryckspermeameter och dess användning vid mätning ... 18
4.3.3 Utförande ... 19 5 Resultat ... 20 5.1 Vattenmättnadsgrad ... 20 5.2 Hydraulisk konduktivitet ... 21 6. Diskussion ... 23 6.1 Vattenmättnadsgrad ... 23 6.2 Hydraulisk konduktivitet ... 24
6.3 Resultatets betydelse för vattenkraftsanläggningar ... 25
7. Slutsats ... 26
8. Rekommendationer och framtida arbete ... 27
9. Referenser ... 28
Bilaga 1 – Material data ... 29
Bilaga 2 - Torkningskurvor ... 32
Bilaga 3 – Viktförändringar ... 38
Bilaga 4 – Kurvor kapillärmättnadsgrad ... 41
Bilaga 5 - Beräkningar för vattenmättnadsgrad ... 47
Bilaga 6 - Hydraulisk konduktivitet ... 52
1
1. Introduktion
1.1 Bakgrund
Betong har många fördelar men är inte ett helt problemfritt material. Yttre påverkan av olika slag kan påverka en betongkonstruktions beständighet. De absolut vanligaste angreppen i Sverige är frostangrepp, armeringskorrosion och kemiska angrepp. När vatten fryser till is, expanderar dess volym med cirka 9 %. Det gör att när betongen fryser kan vatten som finns i betongens porer bilda is som ger upphov till stora spänningar och som i sin tur kan leda till stora skador i betongen. Ett sätt att bemöta problemet är att använda luftinblandadbetong, vilket ger god frostbeständighet. Ett annat sätt att förbättra frostbeständigheten är att använda betong med lägre vattencementtal, Burström (2006).
God frostbeständighet hos betong är viktigt i vattenkraftskonstruktioner som utsätts för vatten och stark kyla. Historiskt sätt har vattenbyggnadsbetong varit av god kvalité och valts med omsorg. Att valet av betong skett vid hög noggrannhet, betong med god beständighet och att typen av betong har valts med hänsyn till exponeringsmiljön har varit till stor fördel för vattenkraftskonstruktionerna. Vid betongkonstruktioner där valet av betong inte gjorts lika noggrant, till exempel vissa äldre broar och balkonger har idag fått stora problem, Fagerlund (1989).
Då betongens fuktinnehåll har stor betydelse för dess frostbeständighet, så måste risken för frostsprängning bedömas. För att kunna uppskatta betongens fuktinnehåll, så att en bedömning av risken för frostskador kan genomföras, behöver en tillståndsbestämning av konstruktionen genomföras. Detta kan göras genom att bestämma betongens kapillär- och vattenmättnadsgrad. Resultatet för vattenmättnadsgrad kommer ge olika resultat beroende på vilken torkningstemperatur som betongen utsätts för, eftersom högre temperaturer än rumstemperatur kan påverka betongens struktur och förångning av fysikaliskt bundet vatten i högre grad. Torktemperaturen påverkar också betongens/brukets hydrauliska konduktivitet, genomsläpplighet, eftersom med högre temperaturer uppstår mickrosprickor men också genom att betongen/bruket blir bättre vattenmättat. Att iaktta hur torktemperaturen också påverkar betongens/brukets hydrauliska konduktivitet kan ge en bild om mickrosprickornas påverkan och andra strukturella förändringar till följd av olika torktemperaturer.
Det finns flera olika metoder och tillvägagångssätt för att bestämma betongens vattenmättnadsgrad, där en av de vanligaste provningsmetoderna används i examensarbetet. Provningsmetoden innebär att betongen torkas i ett värmeskåp innan materialet vattenmättas i ett vakuumkärl. Utifrån den provningsmetoden finns det olika sätt att genomföra metoden, som i huvudsak skiljer sig åt i torkningstemperaturen. Torktemperaturen tros ha inverkan på resultaten för vattenmättnadsgrad och hydrauliska konduktivitet.
2
1.2 Syfte
Syftet med examensarbetet var att klargöra hur och i vilken omfattning torkningstemperaturen påverkar resultatet vid bestämning av vattenmättnadsgrad samt hydraulisk konduktivitet vid torkning av betong i +20°C och +50°C samt +105°C (vid +105°C anses vattenmättningen bli fullständig). Syftet var att se ifall torkningen av betong i +20°C och +50°C ger lika god möjlighet att vattenmätta betong som vid +105°C. Huruvida det finns en skillnad eller inte ska undersökas i rapporten och redogöra skillnaden storlek ifall en sådan finns. Vidare undersöks också hur torktemperaturerna påverka bestämningen av hydraulisk konduktivitet och vad som kan ligga till grund för eventuella skillnader.
1.3 Mål
Målet med examensarbetet var att vattenmätta betong på tre olika sätt och se ifall dessa olika sätt skiljer sig åt och hur mycket. Resultaten av de tre olika sätten jämfördes för att kunna besvara i vilken grad torkningstemperaturen påverkar möjligheten att vattenmätta betong. Målet var också att redogöra hur de olika torktemperaturerna påverkade betongens hydrauliska konduktivitet, bland annat torkningens inverkan på betongens struktur genom mikrosprickor.
Frågorna som ska besvaras blir således:
- Ger torkning vid +20˚C och +50˚C lika goda förutsättningar för vattenmättning som efter torkning i +105˚C?
- Hur påverkas betongens hydrauliska konduktivitet av de olika torktemperaturerna och vilken torktemperatur är den mest lämpliga för korrekt resultat?
1.4 Avgränsning
Examensarbetet utgör 15hp över lite drygt 10 veckor totalt, med deadline på 7 veckor innan den preliminära slutliga rapporten lämnas vidare till en ämnesgranskare. Vilket i sin tur begränsar den praktiskt, laborativa tiden till 7 veckor. Detta gör att arbetet måste begränsas för att bli genomförbart. Praktiska moment medför också fler oförutsägbara problem och utrustning som kanske går sönder eller inte fungerar som den ska. Tidplanen kommer därför att göras om under arbetets gång. Fokus har därför lagts på examensarbetets frågeställning med fokus på påverkan på betongkonstruktioner i Vattenfalls vattenkraftverk och frostskador på betongdammar, genom att undersöka vattenmättnadsgrad, undersöka vilken metod/tillvägagångssättet för att få det mest korrekta underlaget för bedömning.
Hydraulisk konduktivitet bestäms för att undersöka hur mycket de olika metoderna för vattenmättning påverkar resultaten när det kommer till betong och bruks genomsläpplighet, hydraulisk konduktivitet. Avgränsningar har gjorts vid val av betong, då betong med vct under 1,0 ej kan testas för hydraulisk konduktivitet. Detta på grund av att betongen blir för tät för den utrustning som finns och att provkropparna skulle därför
3
behöva stå i celltryckspermeametrarna i flera veckor/månader. Tid som inte finns att tillhanda hålla i detta examensarbete.
2. Teori
2.1 Betong
Betong är ett viktigt byggmaterial som består av cement, vatten, ballast och tillsatsmedel. Tillsatsmedel tillsätts för att påverka betongens egenskaper för att på så sätt få den så optimal som möjligt för användningsområdet. Med betong kan god beständighet och hög hållfasthet uppnås i konstruktioner, men betong erbjuder också en god formbarhet. Materialet har ett stort användningsområde och används framförallt där ett behov av en konstruktion som tål påfrestningar som nötning och fukt finns, men också i bärande konstruktioner där höga laster finns, Burström (2006).
2.1.1 Cementhalt och vattencementtal
En viktig parameter när det kommer till betong är vattencementtalet, vct, och påverkar cementpastans egenskaper. Vattencementtalet anger förhållandet mellan mängden vatten och mängden cement, vct = mängd blandningsvatten/mängd cement. Generellt ger lågt vattencementtal en starkare betong än en betong med högt vattencementtal. En nackdel med lågt vct är att betongen blir svårare att hantera och att använda, betongens arbetbarhet blir försämrad men i utbyte fås en betong med mycket god hållfasthet. Cementhalt anger mängden cement per kubikmeter (kg/m3) och har en avgörande roll för styrka/kvalitet för betongens ytskikt. Cementhalten och vattenhalten har alltså en avgörande betydelse för betongens hållfasthet, Burström (2006).
2.1.2 Struktur – typer av porer
Betong räknas som ett poröst material bestående av stora komprimeringsporer, mindre kapillärporer och små gelporer. Det är inte heller ovanligt att med hjälp av tillsatsmedel förses betongen med luftporer, för att på så sätt göra den frostbeständig. Genom kapillärkrafter kan de mindre porerna vattenfyllas när betongen är i kontakt med vatten, medan luftporer och komprimeringsporer är för stora för att kunna vattenfyllas kapillärt, Burström (2006).
2.2 Vatten i betong
2.2.1 Kemiskt bundet vatten
Kemiskt bundet vatten är det vatten som är hårt bundet i materialet och ingår som en del av materialets torra struktur. Exempel på kemiskt bundet vatten är det vattnet som tillsätts till cementen som sedan reagerar med cement under betongens härdning. Kemiskt bundet vatten brukar räknas som icke förångningsbart vatten eftersom kemiskt bundet vatten inte avgår vid +105°C. När vattnet väl avgår sker en materialförstörelse som följd av att den kemiska strukturen i materialet går sönder, Burström (2006).
4
2.2.2 Fysikaliskt bundet vatten
Med fysikaliskt bundet vatten, så kallat ”fritt vatten” är det vatten som vi talar om när vi pratat om fukt. Med fysikaliskt bundet vatten menas det vatten som finns i materialets porer och porväggar. Vattnet anses vara förångbart vid torkning i +105°C, Burström (2006).
2.2.3 Torkning av betong
Torkning av betong i värmeskåp är ett av många sätt att torka betong. Att torka betongen i +105˚C anses vara den mest lämpliga torkningstemperaturen. Att torka i värmeskåp är ett effektivt sätt att få bort förångbart vatten ur betongen men har nackdelen att mickrosprickor bildas när vattnet förångas. Det finns också de som hävdar att betong ej ska torkas över +35˚C eftersom temperaturer över +35˚C ska påverka cementpastans mikrostruktur och sprickor i cementpastan kan uppstå, Algizaki (2006). Utifrån torkningstemperaturens inverkan har en torktemperatur på +50˚C diskuterats, där torkningen fortfarande är ganska effektiv vid +50˚C och betongen får en mindre mickrosprickbildning än vid +105˚C.
2.2.4 Kapillärmättnadsgrad
Kapillär vattenmättnad sker genom att materialet suger upp det vatten som provet är i kontakt med kapillärt. De mindre porerna suger åt sig vatten och blir vattenfyllda medan de större porerna, luftporer, förblir luftfyllda, Fagerlund (2008). Kapillärmättnadsgrad, Skmg, beskriver kvoten mellan aktuellt fuktinnehåll och fuktinnehållet efter att betongen
har vattenmättats kapillärt. Skap är ”knickpunkten” i kapillärtmättnadskurvan, precis där
vattenupptagningen börjar avta och kurvan börjar plana ut. Med hjälp av trendlinjer i diagramen (kurvorna) kan koordinater och därmed vikten beräknas i ”knickpunkten”. Kapillärmättnadsgraden, Skmg, beräknas enligt ekvationen:
𝑆𝑘𝑘𝑘 = 𝑊𝑊𝑒 𝑒,𝑘𝑘𝑘
We = Vattenmängden i provet [kg]
We,kap = Vattenmängden efter kapillärt vattenmättnad [kg].
2.2.5 Vattenmättnadsgrad
Vattenmättnadsgraden beskriver hur stor andel av materialets totala porvolym som är vattenfyllda och har en väsentlig betydelse för ett materials frostbeständighet, Fagerlund (2008).
Vattenmättnadsgraden S har enheten [m3/m3] och beräknas genom ekvationen: 𝑆 =(1000 × 𝑉𝑊𝑒
𝑘)
We = Vattenmängden i provet [kg]
Vp = Materialets totala porvolym [m3]
5
Då S=0 vet vi att provet är helt uttorkat respektive S=1 där alla porer istället är helt vattenfyllda, Fagerlund (2008).
Materialets totala porvolym bestäms genom att de torra proverna utsätts för vakuum vartefter vatten fyller upp vakuumkärlet. Den total porvolymen i materialet anges i enheten [m3] och beräknas genom ekvationen:
𝑉𝑘= (𝑀𝑘ä𝑡𝑡𝑘𝑡1000− 𝑀𝑡)
Mmättat = Vikten för det vattenmättade provet [kg]
Mt = Torrvikten för provet [kg]
Den kritiska vattenmättnadgraden är maximalt vad porerna kan innehålla för vattenmängd utan att en frostsprängning sker, det vill säga att vattnet får precis plats att expandera utan att tryckspänningar uppstår. Ett maximalt teoretiskt värde på kritisk vattenmättnadsgrad är 0,917, då vattnet i porerna kan frysa utan att skada betongen, Burström (2006).
2.2.6 Hydraulisk konduktivitet
Med hydraulisk konduktivitet beskrivs ett materials genomsläpplighet för vatten och mäts i enheten m/s. Hydrauliska konduktivitet ska inte förväxlas med permeabilitet, då permeabilitet beskriver materials genomsläpplighet för inte enbart vatten utan också till exempel luft. Hydraulisk konduktivitet, genomsläppligheten, definieras i Darcys lag. Genomsläppligheten beror på tätheten i materialet, där porstorleken påverkar flödet. Stora porer ger en god genomsläpplighet (hög hydraulisk konduktivitet), Grip & Rodhe (2009). Med vattenmättade prover uppnås en högre hydraulisk konduktivitet än vid omättade provkroppar och provkropparna ska vara vattenmättade vid mätning för korrekt resultat.
Hydraulisk konduktivitet beräknas enligt formeln:
𝐾 = 𝑄 𝐴 × 𝑖 K = Hydrauliska konduktiviteten [m/s]
Q = Flödet genom provet [m3/s] A = Provets tvärsnittsarea [m2] i = Tryckgradienten [m/m]
6
2.3 Beständighet och nedbrytning
2.3.1 Förekommande nedbrytningsmekanismer
Fyra vanliga angrepp av betong är frostangrepp, armeringskorrosion, kemiskt angrepp och erosionsangrepp. En vattenbyggnadskonstruktion utsätts för ett antal påfrestningar som kan påverka betongens beständighet ifall denna inte lever upp till de krav som finns och därför måste hänsyn tas till de olika nedbrytningsmekanismerna som finns, Fagerlund (1989).
2.3.2 Frostsprängning
I porösa material som betong sker frostsprängning när vattnet i betongens porsystem fryser till is och sker därför framförallt i kalla klimat. Vattnet expanderar med 9% i volym när vattnet går från flytande form till fast form. Expanderingen bidrar till stora spänningar i betongen som slutligen orsakar frostsprängningar om porerna är vattenfyllda vid frysningen. Därför är det viktigt att betongens fuktinnehåll är lägre än den kritiska vattenmättnadsgraden. Om betongens fuktinnehåll är högre kommer en frostsprängning att ske då betongen fryser. Frostangreppen kan ske i ytan, så kallad ”ytfrostsprängning” eller i det inre, så kallad ”inre frostsprängningar”. Frostskadorna går att undvika genom att öka andelen luftporer eftersom andelen av porsystemet som är vattenfyllt, är avgörande ifall frostsprängning kommer att ske eller inte. Genom att tillsätta lufttillsatser kan betongen få en större andel porer än normalt sätt och som är för stora för att vattenfyllas kapillärt vilket gör att under en frysning finns utrymme för expandering och betongen kan beaktas som frostbeständig, Burström (2006).
2.3.2.1 Inre frostsprängning
Inre frostsprängning är den allvarligaste formen av frostsprängning och medför försämrad hållfasthet och E-modul hos betongen. Orsaken är att när betongen fryser så är betongens fuktinnehåll högre än den kritiska vattenmättnadsgraden och betongen utsätts därmed för inre frostsprängning, Fagerlund (1999).
Inre frostsprängningar sker genom att inre sprickor uppstår i betongen vid frysning och orsakas av hydrauliskt tryck och islinstillväxt. Hydrauliskt tryck beror på att den volymökning som sker då vatten fryser pressas till luftfyllda porer. Ifall trycket blir för stort tillsammans med att draghållfastheten överskrids kommer betongens cementpasta att skadas. Den andra orsaken till inre frostsprängningar, islinstillväxt, uppstår då de både finns fruset och icke fruset vatten i betong och skillnaden i energiinnehållet i vattnet gör att islinstillväxt kan ske. Exempel på fall där inre frostsprängning har inträffat ses i figur 1.
7
Figur 1. Inre frostsprängning som orsakat att hörn fryser sönder (sprickor). Foto: Martin Rosenqvist
2.3.2.2 Yttre frostsprängning
Yttre frostsprängning är en skadeform som framförallt påverkar det estetiska genom en successiv avskalning av ytan. Till skillnad från inre frostsprängning sker ingen direkt påverkan av betongens hållfasthet men som följd av avskalningen kan betongkonstruktionens beständighet, livslängd, påverkas. Detta då skadan orsakar en gradvis avskalning som gör betongens armering mer lättillgänglig utifrån, genom att på sikt kan armeringen friläggas och därmed kan armeringen lättare komma i kontakt med andra skademekanismer, det kan i sin tur kan orsaka svårare skador på konstruktionen, Fagerlund (1999). För att yttre frostsprängning ska ske krävs att betongen utsätts för rent vatten eller en saltlösning under en hel fryscykel, Jacobsen (1995). Exempel på en yttre frostsprängning kan ses i figur 2.
8
Figur 2. Yttre frostsprängning där ytan successivt skalas av vid vattenlinjen. Foto: Martin Rosenqvist
2.3.3 Kemiska angrepp
Kemiska angrepp är en nedbrytningsmekanism som påverkar betongens beständighet genom till exempel urlakning, sulfatangrepp, sura angrepp och reaktiva, sprängande ballast.
När fritt vatten kommer i kontakt med okarbonatiserad betong sker en kemisk process som i sin tur i tur ger upphov till kalkutfällningar, så kallad urlakning, Pettersson (1999). Om rent vatten strömmar genom sprickor som har uppkommit i betongen alternativt genom otät betong kan den rena vattnet lösa upp kalciumhydroxid som kan leda till att cementgelen bryts ner på grund av kalkförlusten, det vill säga kalkurlakningen. När en kalkurlakning sker så sker också en hållfasthetsförändring hos betongen, som får en lägre hållfasthet än tidigare, Fagerlund (1987).
Betong med ett vattencementtal som understiger 0,55 räknas som så pass tät att den normalt sätt kan beaktas som att den har hög resistens mot kalkurlakning, när det kommer till urlakning på grund utav genomsipprande vatten. Dock kan urlakning i sprickor och till ytor fortfarande ske. Riskerna för urlakning på grund av kalciumhydroxid vid för otät betong kan minskas om betongen kommer att kunna utsättas för rent (mjukt) vatten. Detta hörs genom att välja en tät betong (vct som understiger 0,55), Fagerlund (1987).
Sulfatangrepp som också är en typ av kemiskt angrepp innebär att vattenlösliga sulfater (SO42-) reagerar med betongens aluminatföreningar. Sulfatangreppens
förstörelsemekanism har inte till fullo kunnat klarläggas, men expansionen som sker hos betongen leder i de flesta fallen till total sönderfall av betongkonstruktionen. I Sverige tas normaltsätt inte heller någon särskild hänsyn till sulfatangrepp då sulfathalten normaltsätt i vårt grundvatten eller jordar inte uppnår värden som kräver att hänsyn tas. Men det finns
9
fall där anrikning av sulfat sker som till exempel bergrum där betongbeklädnaden är i form utav till exempel sprutbetong, Fagerlund (1987).
En annan typ av kemiskt angrepp är sura angrepp och är en form av ytangrepp, liknar urlakning från en yta men är betydligt aggressivare än urlakning. Angreppet sker när en reaktion mellan cements kalciumhaltiga reaktionsprodukter och omgivande syra. PH-värde och typ av syra påverkar hastigheten för reaktionen, Fagerlund (1987).
Den sista formen av kemiska angrepp är reaktiv, sprängande ballast och är en cementballastreaktion som kan ske hos betong som innehåller ballast med alkalilöslig kiselsyra. En reaktion mellan cementpastans porvatten, som är alkalirikt och alkalilöslig kiselsyra som finns i ballastmaterialet. Resultatet blir att en alkalikiselsyragel vid ballastkornens yta, gelen har god fuktupptagningsförmåga och är svällande och blir till en sprängande gel. Oftast sker angreppet över hela betongvolymen på en och samma gång och beaktas som farligt, men angreppet kan också endast orsaka pop-outs som orsakar en mindre krater, Fagerlund (1987).
2.3.3 Armeringskorrosion
Armeringskorrosion kan uppstå på två sätt; genom karbonatisering och kloridinträngning. Karbonatisering i betong innebär förändring i pH-värde runt armeringen i betongen, det som händer är att pH-värdet sjunker från ett pH-värde runt 14 till runt 9. Vid en karbonatisering sker en reaktion mellan betongens kalkmineral och koldioxid som trängt sig in från luften som omger betongen. Reaktionen sker långsamt i fuktmättad betong och en tät betong med lågt vattencementtal, Fagerlund (1989).
Armeringskorrosion medför reducering av armeringens tvärsnittsarea som i sin tur påverkar lastupptagningsförmågan. Ett inre tryck hos betongen, kring armeringen sker på grund av korrosionsprodukter som bildas och bidrar till en volymökning. Det inre trycket som uppstår av volymökningen leder till att sprickor uppkommer längs med armeringen i betongen, Burström (2006).
Armeringskorrosion kan också orsakas av kloridinträngning, ifall kloridjonerna överstiger ett visst värde. Konsekvenserna blir ofta i form utav gropfrätningar som sker lokalt på armeringen och resulterar i att armeringen kan rosta av, Burström (2006).
Tätskiktets kvalitet och tjocklek är avgörande när det kommer till skydd mot armeringskorrosion och betongen måste fukthärdas med noggrannhet. Sprickor i betongen är okej ifall sprickorna är vinkelräta mot armeringen i en helt saltfri miljö. En betong med lågt vattencementtal, stora tätskikt och en god fukthärdning bör eftersträvas för att armeringskorrosion ska kunna undvikas, Fagerlund (1989).
10
2.3.4 Erosion
Erosion är en form av nednötningsskademekanism som ger skador på betongens ytskikt i höjd med vattenlinjen. Motståndsförmågan hos betongen kan ökas genom att öka cementpastafasens nötstyrka, vilket görs genom sänkt vattencementtal hos betongen. En hög ballasthalt och/eller välja hårdare ballast kan också väljas, vilket hjälper att stå emot erosion. Ett annat alternativ är att göra en stor sänkning av vattencementtalet vid betongens yttre delar som utsätts för nötningen, sänkningen av vattencementtalet vid betongens ytparti görs genom vakuumbehandling, Fagerlund (1989).
11
3. Material
3.1 Betong och cementbruk
Vid experimenten för att utvärdera de tre olika torkningsmetoderna för att bestämma vattenmättnadsgraden användes tre olika betongkvaliteter och ett cementbruk. Betongen hade olika vattencementtal, vct 0,54, vct 0,6 respektive vct 1,0. Vattencementtalet för cementbruket är okänt men är väldigt porösa. Betongen med ett vattencementtal på 0,54 innehåller tillsatsmedlet Mapeair 50, som är en lufttillsats. Cementhalt, sättmått och lufthalt m.m. för provkropparna hittas i bilaga 1 på sida 29. Provkropparnas märkning, vattencementtal, densitet och tryckhållfasthet hittas i tabell 1.
Tabell 1. Indata materialet.
Märkning Vct
Densitet [kg/m3]
Tryckhållfasthet [MPa]
A1-A3 Saknas Saknas Saknas
B1-B3 1,0 2264 37,9
C1-C3 0,54 2335 46,8
D1-D3 0,6 2405 Saknas
E1-E3 1,0 2264 Saknas
F1-F3 Saknas Saknas Saknas
3.2 Provkroppar
Betongprovkropparna sågades ur betongkuber, en per vattencementtal och totalt tre stycken provkroppar per standardbetongkub (150x150x150mm3) till vattenmättnadsgradsförsöken. Cementbruksprovkropparna erhölls ur plaströr som cementbruket gjutits i, plaströren hade en diameter på 12 cm och förvarandes i vattenbad fram till experimentet. Ur plaströren fick man ut två kvadratiska provkroppar per rör och totalt tre provkroppar användes till vattenmättnadsgradsförsöket. Dimensionerna 70x70x30mm3, ± 2mm, var riktlinjerna vid tillsågningen av provkropparna för att beräkna vattenmättnadsgraden för betongen och bruket, se tabell 2. Vattenmättnadgrad mäts enbart för betongen, ej bruket.
Till hydraulisk konduktivitet borrades cylinderformade provkroppar, tre stycken av vct 1,0 och tre stycken av cementbruket. Ur en 150x150x150 mm3 standardkub borrade tre stycken cylinderprovkroppar ur och ett prov per plaströr för cementbruket. Provkropparna hade krav på att ha en diameter på cirka 50 mm och en höjd på mellan 40-100 mm för att provkropparna ska passa i celltryckspermeametern, se figur 3 och tabell 2 för dimensioner. För mätning av hydrauliska konduktivitet används provkropparna F – bruk och B – vct 1,0, då betongen med längre vct är för tät för att mätas i detta examensarbete. Alla provkroppar preparerades så att alla ytor var ”sågad yta” alternativt slipade, detta för att provkropparna skulle få samma förutsättningar åt alla håll vid kapillärmättnad och vattenmättnad. För att möjliggöra att provkropparna inte ska blandas ihop får alla en egen unik märkning som följer med under projektets gång. Cementbruket förvarades i vattenbadet fram till provningen och provkropparna vattenmättades inte rent kapillärt
12
innan provningen utan beaktades som mer än kapillärmättade från början. Notera att provkropparna inte kan sägas vara vattenmättade av den anledningen att provkropparna har inte genomgått torkning i +105°C eller vakuumbehandlats innan, eftersom de endast har våtförvarats och därför innehåller en del av porerna luft (luftporerna).
Tabell 2. Mått för provkropparna. Märkning Mått [mm] A2 h=85,4 Ø49,3 A3 h=87 Ø49,3 A4 h=72 Ø49,3 B1 h=80,2 Ø49,4 B2 h=82,5 Ø49,4 B3 h=79,8 Ø49,4 C1 70,3×71,9×30 C2 71,8×71,8×29,6 C3 71×70,3×30,3 D1 71,8×70,4×30 D2 72,1×71,9×30 D3 71,7×69,9×29,8 E1 71,5×70,0×30,7 E2 70,2×69,8×30,4 E3 71,3×70,6×30,1 F1 69,9×69,9×28,1 F2 69,6×66,5X29,2 F3 70,1×67×30,2
13
14
4. Metod
4.1 Allmänt
Examensarbetet berör två områden, vattenmättnadsgrad och hydrauliska konduktivitet. I båda fallen jämfördes resultaten för torkningen vid +20˚C och +50˚C emot resultaten för +105˚C. Torkning vid +105C ger bäst resultat men kan skillnaden emot torkning i de lägre temperaturerna vara försumbara? I rapporten benämns dessa för ”metod 1 – torkning
vid 20 grader”, ”metod 2 – torkning vid 50 grader” och ”metod 3 – torkning vid 105 grader”.
Inför genonomförandet krävs förberedelse av provkroppar som ska sågas till respektive borras ur för bestämning av vattenmättnadsgrad och hydraulisk konduktivitet. Betongen måste vara minst 28 dygn gammal. Provkropparna mäts med ett skjutmått och med en noggrannhet på minst 0,1 mm, provkropparna vägs för att få en startvikt till kapillärmättnadsgrad och en vikt för innan vattenmättning vid metod 1 – torkning vid 20
grader (notera att vikten inte är provkropparnas torrvikt). Bruket fortsatte förvaras i
våtbad fram till vattenmättningen.
4.2 Metod för att mäta vattenmättnadsgrad
4.2.1 Kapillärmättning av betong
Innan start av vattenmättningen kapillärmättades provkropparna, för att bestämma Scap, ”knickpunkten”, för varje provkropp. Efter ”knickpunkt”, det vill säga där kurvan
går från att ha en brant lutning till att plana ut är det inte enbart kapillära krafter som verkar längre. Scap beräknas för varje provkropp för att sedan kunna användas till
beräkningarna av vattenmättnadsgraden.
För att kunna beräkna Scap vägdes provkropparna varje timma under en arbetsdag första
dagen, för att sedan mätas med längre och längre mellanrum. Detta eftersom kapillärmättningen gick långsammare och långsammare med tiden och mättes provkropparna för tätt kunde en viktminskning fås istället för en viktökning. Då proverna hade nått knickpunkten började dessa vägas högst en gång per dag och när en lång utplaning i kapillärmättnadskurvan erhölls avslutades kapillärmättningen.
Kapillärmättningen gjordes genom att en plastlåda fylldes med vatten innan ett galler med wettexdukar ovan placerades i lådan. Provkropparna placerades på wettexdukarna och täcktes med cirka 3 mm vatten, så att kapillära krafter kunde suga upp vatten i de porer som kan vattenfyllas kapillärt, se figur 4. Bruket vattenmättades inte, då brukets har förvarats i våtbad och anses vara minst kapillärmättat redan.
15
Figur 4. Provkropparna under kapillärmättnad.
4.2.4 Torkning i värmeskåp
För att kunna torka betongen torkades provkropparna i värmeskåp med angiven temperatur, 50 grader respektive 105 grader. 20 grader, rumstemperatur, var den temperatur som betongen förvarats i innan provningen. Betongen som torkades i värmeskåpet vägdes en gång per dygn (vardagar) samtidigt som kurvor för uttorkningen plottades upp för att se när kurvan började plana ut och viktförändringen mellan dagarna blev liten. Vid torkning i 50 grader krävdes fler dagar än för 105 grader, provkropparna stod i värmeskåpet i 9-11 dagar för 50 grader och 5 dagar i 105 grader. Att önska hade varit att provkropparna nådde en stabil vikt eller något som när, men på grund av tidsbrist kunde detta inte uppnås.
4.2.3 Vattenmättning i exsickator
En vakuumexsickator är en typ av vakuumkärl och är en sluten glasbehållare där genom att ha täta anslutningar och en vakuumpump kan utsätta material som betong för undertryck, vakuum på 0,01 bar. Genom att utsätta materialet för vakuum kunde porerna tömmas på luft i betongen, så att porerna kunde vattenmättas. Till exsickator ansluts en tryckmätare, vattenfälla samt slang från en vattenfylldbehållare, som används då vatten ska släppas in i exsickatorn under vakuum. Viktigt är att se till så att ingen luft finns i slangen, att den är helt vattenfylld. När exsickatorkörningen är klar, släpps atmosfärstryck in för att provkropparna ska ytterligare kunna ta upp mer vatten.
16
4.2.4 Tillvägagångssätten och utförande
Innan vattenmättning enligt metod 1 – torkning vid 20 grader, metod 2 – torkning vid 50
grader och metod 3 – torkning vid 105 grader ska betongen kapillärmättas enligt avsnitt
4.2.1.
Vid metod 1 – torkning vid 20 grader placerades provkropparna direkt i en exsickator, eftersom dessa redan hade legat i rumstemperatur, 20 grader. Provningsutförandet följde Vattenfall ABs provningsmetod VU-SC:18, vilken innebar att vakuumkärlet fylldes med vatten direkt vid start och provkropparna täcktes helt med vatten, se figur 5. Provkropparna utsattes sedan för vakuum under en timme innan vakuumpumpen slogs av och atmosfärstryck släpptes in. Provkropparna stod sedan ytterligare ett dygn i det vattenfyllda vakuumkärlet i atmosfärstryck innan dessa vägdes.
17
Metod 2 – torkning vid 50 grader påbörjades direkt när metod 1 hade avslutats. Vid metod
2 stod provkropparna i vakuum under tre timmar i vakuumkärlet innan vatten släpptes på, se figur 6, och stod ytterligare en timme i vakuum innan vakuumpumpen slogs av och atmosfärstryck släpptes in. Provkropparna skulle sedan ha stått 2 dagar i atmosfärstryck innan vägning, men denna gång hade exsickatorn blivit så tät att det förblev ett stort undertryck i kärlet. Metod 2 kördes om, efter att metod 3 hade genomförts av den anledningen att misstaget och innebörden inte insågs fören efter att provkropparna hade placerats i 105 grader. Denna gång släpptes atmosfärstryck in aktivt.
Metod 3 – torkning vid 105 grader är den metod som resultaten för metod 1 och metod 2
jämförs mot. Vid metod 3 torkades provkropparna i +105˚C i ett värmeskåp innan dessa placerades i exsickatorn och genomgick samma process som metod 2 – torkning vid 50
grader, att proverna stod torrt i vakuum under tre timmar innan vatten släpptes på, se
figur 6, därefter i vakuum ytterligare en timme. Slutligen fick provkropparna också så i atmosfärstryck under 2 dagar innan den sista vägningen.
Figur 6. Metod 2 & 3, provkroppar står torrt i vakuum (3h) först innan vatten släpps på.
Till stöd för metod 2 och metod 3 användes rekommendationen ”The critical degree of saturation method of assessing the freeze/thaw resistance of concrete”, (Fagerlund, 1977). Fagerlunds rekommendation gick inte att tillämpa på metod 1 – torkning vid 20 grader då provkropparna innehåller för mycket fukt och med det bildas så pass mycket vattenånga att vakuumpumpen får gå alldeles för hårt.
18
4.3 Metod för att mäta hydraulisk konduktivitet
4.3.1 Allmänt
För att bestämma hydraulisk konduktivitet (genomsläpplighet) behövdes cylinderformade provkroppar, måttanpassades efter den celltryckpermeameter som användes och vattenmättades enligt de tre metoderna som beskrevs i avsnittet för vattenmättning av betong.
4.3.2 Celltryckspermeameter och dess användning vid mätning
Mätningen av hydraulisk konduktivitet innebar att varje provkropp placerades i en celltryckspermeameter med mottryck, där provkroppen försågs med en porös filtersten i vardera ände, viktigt att dessa filterstenar var vattenmättade och rengjorda i ultraljudsbad innan mätningstillfället. Tillsammans med filterstenarna och provlocket omgavs provkroppen av ett gummimembran, vars uppgift var att med hjälp av trycket (sidotryck) från omgivande vatten se till att vattnet som trycks in i provet flödar genom provkroppen och inte runt om. Därför var det viktigt att kontrollera så att cellmembranet inte hade skador i form utav sprickor eller försvagningar. För att kunna åstadkomma sidotrycket, celltrycket, var det en vattenfylld plexiglasbehållare där provkroppen med tillhörande material (exempelvis cellmembranet) stod i mitten i celltryckspermeametern. Vid provningsutförandet utsattes provkropparna för ett mottryck, ett förtryck och ett celltryck, där celltrycket skulle vara minst 0,5-1 bar högre än förtrycket. Genom celltrycket reglerades radialspänningen, det vill säga trycket i vattnet som omgav provet, tvingades vattnet med hjälp av celltrycket därför att rinna genom provet. Genom att ett mottryck applicerade på utgående vatten skapades vattenmättade förhållanden trots ofullständig vattenmättning. Mätningen gick ut på att flödet och tryckskillnaden (skillnad förtryck mottryck) över provet mättes, så att den hydrauliska konduktiviteten kunde beräknas. Flödet bestämdes genom att mäta hur långt vattnet hade rört sig i mätslangen under en viss tid, mer än fem mätningar gjordes. Mätslangen som användes hade en diameter på 4,2 mm för cementbruket och 2 mm för betongprovkropparna som har vct 1,0, val av dimension beror på hur tätt provet var. En mätslang med en för stor diameter blir flödet för lågt och tvärtom ifall diametern är för liten för att kunna mätas. Figur 5 visar hur det ser ut när provkropparna har monterats i celltryckspermeametrarna.
19
Figur 7. Pågående mätning av hydraulisk konduktvitet.
4.3.3 Utförande
Provkropparna vattenmättades på samma sätt och samtidigt som provkropparna för mätning av betongens vattenmättnadsgrad. Se avsnitt för mätning av vattenmättnadsgrad för utförande av vattenmättningen. Provkropparna B – vct 1,0 genomgick kapillärmättning innan metod 1. Efter varje metod, metod 1 – torkning vid 20 grader,
metod 2 – torkning vid 50 grader och metod 3 - torkning vid 105 grader mättes
cylindrarnas (provkropparna A – bruk och B – vct 1,0) hydrauliska konduktivitet i celltryckspermeamtrarna. Detta gjordes totalt 3 gånger, för att sedan kunna jämföra torkningstemperaturens inverkan på genomsläppligheten.
Cylindrarna mättes med ett skjutmått, höjd och diameter innan metod 1 – torkning vid 20 grader genomfördes. Precis som för de provkropparna som enbart genomgick vattenmättning så vägdes provkropparna före och efter vattenmättning men också före och efter montering och körning i celltryckspermeametern. Anledningen till att vikten före och efter mätning av hydraulisk konduktivitet gjordes, var för att se ifall provkropparna hade vattenmättats ytterligare. Efteråt placerades cylindrarna direkt i värmeskåpet och följde samma process som för de provkroppar som användes för att mäta vattenmättnadsgraden. Notera att vid metod 2 – torkning vid 50 grader, var det enbart provkropparna A – bruk som fick stå 2 dagar i atmosfärstryck, provkropparna B – vct1,0 stod under undertryck i 2 dagar, vilket ej enligt metod och ett misstag. Tid för att göra om fanns inte. Till stöd för utförandet används Vattenfalls provningsmetod VU-SC:52, som noggrant beskriver genomförandet och montering av utrustningen.
20
5 Resultat
5.1 Vattenmättnadsgrad
Resultatet för medelvikten av provkropparna B-E redovisas i tabell 3 för kapillärmättnad, metod 1-3 och vikt efter +105˚C. Vikt före metod 2 och 3 redovisas i torkningskurvorna i bilaga 2. Vikt efter varje metod hittas i bilaga 3 och resultat för kapillärmättning hittas i bilaga 4.
Tabell 3. Medelvärden för provkropparnas vikt.
Prokropp/märkning Medelvikt kapillärmättnad [g] Medelvikt metod 1 [g] Medelvikt metod 2 [g] Medelvikt metod 3 [g]
Medelvikt efter +105˚C [g] C - vct 0,54 356,01 357,34 362,67 362,73 341,67 D - vct 0,6 363,04 364,04 364,99 365,04 344,21 E - vct 1,0 347,39 348,86 351,47 351,23 325,63 B - vct 1,0 cylinder 357,31 360,25 362,61 364,23 333,79 F - bruket - 280,83 281,14 282,58 240,43
Metod 2 – torkning vid 50 grader visar sig fungera nästan lika bra som metod 1 och visar ett fel på 0,3-2,0 %, se tabell 4. Resultatet för metod 1 – torkning vid 20 grader gav fel på 2,5-25,6 %, vilket ger resultat med stort fel, se tabell 4. Resultat för vattenmättnadsgraden för enskilda provkropp finns i bilaga 5.
Tabell 4 Medelvärde för vattenmättnadsgraden efter varje metod.
Medelvärde för VMG
C - vct 0,54 D - vct 0,6 E - vct 1,0 B -vct 1,0 (cylinder) F - bruket Metod 1 0,744 0,952 0,890 0,975 0,958
Metod 2 0,997 0,998 0,989 0,980 0,966
21
5.2 Hydraulisk konduktivitet
Figur 8. Förändringen av hydrauliska konduktiviteten för cementbruket.
Resultatet för mätningen av hydraulisk konduktivitet blev att för bruket ger metod 2 högst genomsläpplighet, hydraulisk konduktivitet, se figur 8. Metod 3 gav en lägre hydraulisk konduktivitet än metod 2 och allra lägst blev resultatet enligt metod 1, om resultatet för provkropp A3 - bruk bortses och ser till medelvärdet av de tre provkropparna istället. Resultatet säger alltså att torka betongen i +50˚C innan vattenmättning och hydraulisk konduktivitet ger bäst resultat för bruket.
Resultatet för mätningen av hydraulisk konduktivitet för betongen med vct 1,0 får ett annorlunda resultat och ett mindre tydligt resultat. Resultatet visar att metod 1 ger högst hydraulisk konduktivitet och att för metod 2 och metod 3 kan inte ens hydrauliska konduktivitet mätas då flödet var för lågt alternativt gick bakåt. Vilket innebär att provkropparna har blivit mindre genomsläppliga. Resultatet tyder på att något har hänt i proverna och att de fortfarande vattenmättas vid metod 2 och metod 3.
Tabell 5. ∆Vikt för före och efter hydraulisk konduktivitet.
Märkning/provkropp ∆Vikt efter metod 1 [g] ∆Vikt efter metod 2 [g] ∆Vikt efter metod 3 [g]
A2 0,99 -0,08 -0,17 A3 2,09 -0,01 0,72 A4 0,9 0,06 0,23 B1 2,82 2,83 0,03 B2 2,83 2,72 -0,1 B3 2,98 2,96 0,01 1,00E-08 1,00E-07 1,00E-06 1,00E-05
Metod 1 Metod 2 Metod 3
Hy dra ul is k ko nd uk tiv ite t m/ s
Cementbruket
A2 A3 A4 Medel22
För metod 1 stödjer tabell 5 att provkropparna inte varit helt vattenmättade vid provningstillfället eftersom provkropparna har sugit åt sig vatten under provningen av hydraulisk konduktivitet.
Vid metod 2 gav resultatet för bruket att en indikation på om proverna är vattenmättade, då vikten före och efter hydraulisk konduktivitet 2 är nästan helt oförändrad och förändringen ligger inom en rimlig felmarginal, se tabell 5. Resultatet visar också att genomsläppligheten har ökat, precis som enligt förväntningarna, se figur 8. Betongen med vattencementtalet 1,0 gav istället en indikation på att proverna egentligen inte var vattenmättade eftersom de erhöll en högre vikt efter hydraulisk konduktivitet, provet har alltså sugit in mer vatten under provningen i celltryckspermeametern. Hydrauliska konduktiviteten blev betydligt högre och ej pålitligt då felmarginalerna i mätningen är alldeles för stora på grund utav för lågt flöde. Ett flöde som understeg 5 mm/h (se bilaga 6).
Metod 3 gav resultat som visade på lägre hydraulisk konduktivitet, genomsläpplighet, för
både för bruket och betongen (B - vct 1,0). För bruket gick det att beräkna hydraulisk konduktivitet, medan hos betongen med vct 1,0 gick flödet bakåt i två av proverna och extremt långsamt i den tredje provkroppen under flera timmar innan försöket tvingades att avbrytas.
23
6. Diskussion
6.1 Vattenmättnadsgrad
För att vattenmättnadsgraden skulle kunna beräknas krävdes att betongen tömdes på all fysikaliskt bundet vatten, så kallat ”fritt vatten”. När betongens porer var tömda på vatten kunde luftporerna tömmas genom att provkropparna utsattes för vakuum. Att luftporerna töms på luft är en förutsättning för att ett material ska kunna vattenmättas. Annars förblir luftporerna fyllda av luft. Provningsmetoderna som har testats bevisade att det inte går att vattenmätta (fullständigt) om betongen inte har tömts på fysikaliskt bundet vatten och dessutom inte utsattes för vakuum innan vattenmättning. Helt torra proverkroppar kunde inte heller fås, då en sådan process skulle ta väldigt låg tid och den stående fråga är just, när vet vi att betongen är helt torr egentligen?
Vid användning av metod 1 – torkning vid 20 grader finns en stor risk att beslut fattas utifrån felaktigt underlag och att inre frostsprängning faktiskt skulle kunna ske, trots att underlaget säger något annat, vilket i sin tur skulle kunna leda till allvarliga konsekvenser i samband med den förändrade hållfastheten som en inre frostsprängning orsakar. Genom att jämföra vattenmättnadsgraden mellan de olika metoderna (se bilaga 5) samt genom att kolla på vikterna före och efter exsickatorkörningarna (se bilaga 3) visar resultatet att när provkropparna torkats i +20°C nås en lägre ”vattenmättnadsvikt”. Dessutom är provernas vikt före exsickatorn (metod 1) är högre än innan sista exsickatorkörningen (metod 3), vilket tyder på att det finns mer vatten kvar i materialet i form utav fysikaliskt bundet vatten. Det fysikaliskt bundna vattnet kan förhindra att provkropparna faktiskt blir helt vattenmättade, då luftporerna i provkropparna kan förbli luftfyllda vid vattenmättningen.
Metod 2 - torkning vid 50 grader gav ett mycket bättre resultat än metod 1, men är inte
riktigt lika bra som metod 3. Dock skulle metod 2 kunna vara ett bättre alternativ att använda om provkropparna ska användas vidare för provning där förberedelse med vattenmättning krävs och en förändring av strukturen skulle påverka resultaten negativt. Eftersom att mikrosprickor uppstår vid +105˚C vilket påverkar materialets struktur och provet får en förändrad hållfasthet och genomsläpplighet. Vid +50˚C finns det risk för eventuella mikrosprickor men den är mindre än när proverna torkas i +105˚C.
Vattenmättnadsgraden, vid metod 1 för vct 1,0 och vct 1,0 cylinder gav två helt olika vattenmättnadsgrader (se tabell 3), ett medel på 0,89 respektive 0,97. Kontroll av alla beräkningar har gjorts för att utesluta beräkningsfel. Att fel vikt efter vattenmättningen har antecknats för alla tre provkroppar är inte särskilts troligt. Eventuellt skulle det kunna vara som så att de vattenmättats olika mycket av någon anledning eller att ytornas utformning har påverkat Scap. Resultatet för metod 1 och vct 1,0 är inte helt pålitligt och
24
6.2 Hydraulisk konduktivitet
Resultaten för de tre olika metoderna blev inte enligt de förväntade resultaten. Resultaten vi fick blev att högst hydraulisk konduktivitet gavs vid metod 2, där provkropparna hade fått torka i +50°C under 10-13 dagar. Förväntade resultatet var att provkropparna skulle fått högst hydraulisk konduktivitet vid metod 3, när provkropparna torkats i +105°C, eftersom då har teoretiskt sätt allt det fysikaliskt bundna vattnet förångats, innan vattenmättningen. Resultatet av metod 1 – torkning vid 20 grader och metod 2 - torkning
vid 50 grader för bruket blev enligt det förväntade, att provkropparna fick ökad
genomsläppligt vid metod 2 än vid metod 1. Metod 3 gav ett resultat som inte var enligt det förväntade, att den hydrauliska konduktiviteten var lägre än efter metod 2 istället för högst hydraulisk konduktivitet. Mätning två och tre tvingades att avbrytas för B - vct 1,0, på grund av för låga flöden och flöden som gick bakåt vid mätningen.
Bestämningen av hydraulisk konduktivitet gav nästan fler frågor än svar och resultatet motvisade delvis det som har försökt att bevisas. Kanske tog provkropparna skada redan efter första metoden, trots att proverna endast var kapillärtmättade och har förvarats i rumstemperatur före och under kapillär uppsugning. Att något eventuellt har hänt när de utsattes för vakuum och vattenmättades. Att proverna kan ha tagit skada kan ha lett till vct 1,0 blev omätbara redan efter metod 1. Ett annat scenario kan vara att på något sätt har luft stängt inne luft i provkropparna efter metod 2, vilket gör att vattnets väg genom provet begränsas och därmed även flödet genom cylindrarna. Med tiden så löser sig luften med vattnet som strömmar genom provet vilket kan förklara den viktuppgången för vct 1,0 som skedde före och efter hydraulisk konduktivitet. Det tyder i sin tur på att proverna inte varit helt vattenmättade när dessa monterades i celltryckspermeametern. Att bevisa det scenariot för vct 1,0 efter metod 3 är lite svårare eftersom provkropparna inte har genomgått någon större viktförändring före och efter montering i celltryckspermeametrarna, vilket också kan bero på att proverna inte stod särskilt många timmar i celltryckspermeametern. Att processen inte hann hända på så kort tid. Å andra sidan så stödjer andra parametrar också på att provet faktiskt inte var helt vattenmättade, eftersom flödet med hög hastighet bakåt för två av proverna och mycket långsamt framåt för det tredje provet. Att provkropparnas vikt inte ökat kan kanske förklaras av att luften hade börjat komprimeras och att när provningen avbröts pressades vattnet ut ur provkroppen igen. En annan anledning kan vara att provkropparna hade behövt stå i celltryckspermeametrarna längre innan mätning, kanske en vecka eller mer för att bli tillräckligt stabila för att ett mätbart flöde ska kunna fås. Dock ska inte vct 1,0 vara så tät att detta skulle krävas eftersom det inte behövdes göras vid första mätningen. Förväntat resultat vore att hydrauliska konduktiviteten ökade eftersom proverna var mer vattenmättade samt att mikrosprickor som ger ett ökat flöde borde ha bildats vid metod 2 och metod 3. Vilket är något som inte syns på resultaten för varken betongen eller bruket vid metod 3, där mikrosprickor med all säkerhet bör ha uppkommit.
Som felkälla kan brukets vikt också diskuteras, då bruket var så pass spröda så att de vittrade vid hanteringen och torkningen. Därmed fås en felaktig viktminskning men samtidigt handlar det om så små mängder (~0,01g max) och förebyggande åtgärder
25
genom extra försiktig hantering och att provkropparna avlägsnades på allt löst material innan genomförandet.
6.3 Resultatets betydelse för vattenkraftsanläggningar
För att bedöma risken för frostangrepp på en betongkonstruktion bör betongen torkas i 105 grader för beräkning av vattenmättnadsgraden. Att torka betongen i 50 grader ger ett resultat med en felmarginal som är liten men kan ändå ha en betydelse. Oavsett så säger resultaten oss att betongen behöver torkas över rumstemperatur utan tvekan vid mätning av vattenmättnadsgrad. Ska fler provningar genomföras, där en förändring hos betongens struktur skulle påverka resultatet på grund av till exempel mickrosprickor kan torkning i 50 grader vara ett alternativ som bör ses över. En bedömning bör alltid göras utifrån torkning vid 105 grader om möjligheten finns.
26
7. Slutsats
Fler omfattande provningar krävs innan vilken inverkan torktemperaturen har på vattenmättnadsgraden och hydraulisk konduktivitet kan fastställas. En indikation över torktemperaurens inverkan på vattenmättnadsgraden har lyckats bevisas genom examensarbetet. Det som kunnat bevisas är att är att torkning av betong vid +20°C är en metod som inte ska användas som underlag för att bestämma en betongkonstruktions vattenmättnadsgrad (frostbeständighet) och inte heller betongs eller cementbruks hydrauliska konduktivitet. Metoden ger felaktiga resultat för vattenmättnadsgrad och resultat som endast ger en vattenmättnadsgrad som är 74% av den faktiska vattenmättnadsgraden.
Metod 2 där proverna torkades i +50°C är en metod som i stort sätt ger likgiltigt resultat
som metod 3, där provkropparna torkas i +105°C istället. S=1 uppnås nästan (S=0,997-0,998) i betongen med lägre vct och för betong med högre vattencementtal som vct 1,0 fås ett resultat som motsvarar 98-99,8% av den faktiska vattenmättnadsgraden. Mer omfattande provningar skulle behöva göras innan det går att fastställa om metod 2 –
torkning vid 50 grader kan ses som en likvärdig metod som metod 3 – torkning vid 105 grader eller inte. Utifrån resultatet från detta examensarbete är inte metod 2 lika bra som metod 3, men metod 2 bör kunna ses som ett alternativ vid behov. Resultaten säger också
att betongen ska torkas i 105 grader vid bestämning av vattenmättnadsgraden för att bestämma ifall en frostsprängning kan ske i en vattenkraftsanläggning.
Slutsatsen av torktemperaturens inverkan för hydrauliska konduktivitet är att utifrån resultaten från examensarbetet kan ingen säker bedömning kan göras. Utifrån resultatet för bruket ges ett resultat som visar på att torkning i 50 grader ger högst genomsläpplighet, vilket torkning i 105 grader före vattenmättning egentligen borde ha gjort. Resultatet är ytterst osäkra och bör inte tillförlitas på, utan snarare ge engagemang till fortsatta arbeten för att undersöka torktemperaturens inverkan. Resultaten från betongen (B – vct 1,0) ger fler frågor än svar och bör beaktas som icke tillförlitliga, att något måste ha hänt med provkropparna efter metod 1. Att luft blivit instängda i proverna eller något annat. Ett konstaterande som kan göras är att genomsläppligheten för bruket ökar om bruket torkas i 50 grader istället för 20 grader, där resultatet påverkas av graden vattenmättad och mickrosprickor.
27
8. Rekommendationer och framtida arbete
Inverkan av torktemperaturen för bestämning av vattenmättnadsgrad och hydraulisk konduktivitet är något som skulle behöver undersökas mer. En mer omfattande experimentell undersökning skulle behövas göras för att fastställa helt säkert torktemperaturens inverkan på vattenmättnadsgraden och hydraulisk konduktivitet. Att fastställa om en torktemperatur på 50 grader vid vattenmättnig verkligen ger en felmarginal för all betong kan anses vara försumbar vid bestämning av vattenmättnadsgrad.
Att använda sig av nya provkroppar efter varje metod vid hydraulisk konduktivitet är något som behöver testas för att se ifall det är som så att provkropparna kommer till skada vid föregående metod. Ett problem är dock att betongen/bruket inte är helt homogent och därmed kan inte olika provkroppar användas. Ifall det går att försäkra sig om att materialet är helt homogent skulle det kunna fungera, eftersom då är genomsläppligheten lika för alla provkroppar vid samma förutsättningar. Att undersöka mer betong med olika vattencementtal, tillsatsmedel och andra saker som kan påverka betongens struktur och beteende skulle också göra det lättare och mer säkert kunna avgöra hur stor skillnad resultaten blir emot en torktemperatur på 105 grader. Framförallt för mätningen av hydraulisk konduktivitet där resultaten blev ofullständiga.
28
9. Referenser
Algizaki, K. (2006). Pore structure of cement-based materials. New York: Taylor & Francis
Burström, P. G. (2006). Byggnadsmateria. Lund: Studentlitteratur AB.
Fagerlund, G. (1977). The critical degree of saturation method of assessing the
freeze/thaw resistance of concrete. RILEM.
Fagerlund, G. (1987). Betongkonstruktioners Beständighet. Uppsala: Upplands Grafiska AB.
Fagerlund, G. (1989). Vattenbyggnadsbetong. Danderyd: Cementa AB.
Fagerlund, G. (1999). Kompendium i byggnadsmaterial (2008). Lund: Avdelningen för byggnadsmaterial, LTH.
Fagerlund, G. (2008). Betong i ett LivsCykelPerspektiv. Lund, Sverige: Byggnadsmaterial, LTH.
Grip, H., & Allan, R. (2009). Vattnets väg från regn till bäck. Stockholm: Hallgren & Fallgren Studieförlag AB.
Jacobsen, S. (1995). Scaling and cracking in unsealed freeze/thaw testing of Portland cement and silica fume concretes. Trondheim, Norge: Institutt for konstruksjonteknikk, NTH.
Pettersson, K. (1999). Att reparera betong. Hämtat från Byggnadsvårdsföreningen: http://www.byggnadsvard.se/byggnadskultur/material/att-reparera-betong den 28 04 2016
29
Bilaga 1 – Material data
32
Bilaga 2 - Torkningskurvor
200 220 240 260 280 300 320 340 0 2 4 6 8 10 12 Vik t { g]Antal dagar i värmeskåp
Uttorkningskurva för cementbruk (cylinder)
+50°C
A2 A3 A4 330 335 340 345 350 355 360 365 370 0 2 4 6 8 10 12 Vik t [ g]Antal dagar i värmeskåp
Uttorkningskurva för vct 1,0 (cylinder)
+50°C
B1 B2 B3
33 335 340 345 350 355 360 365 370 0 2 4 6 8 10 Vik t [ g]
Antal dagar i värmeskåp
Uttorkningskruva för vct 0,54 +50°C
C1 (vct 0,54) C2 C3 340 345 350 355 360 365 370 375 0 2 4 6 8 10 Vik t [ g]Antal dagar i värmeskåp
Uttorkningskurva för vct 0,6 +50°C
D1 (vct 0,6) D2 D3
34 315 320 325 330 335 340 345 350 355 360 0 2 4 6 8 10 Vik t [ g]
Antal dagar i värmeskåp
Uttorkningskurva för vct 1,0 +50°C
E1 (vct 1,0) E2 E3 235 245 255 265 275 285 295 0 2 4 6 8 10 Vik t [ g]Antal dagar i värmeskåp
Uttorkningskurva för cementbruket +50°C
F1 (bruk) F2 F3
35 200 220 240 260 280 300 320 340 0 1 2 3 4 5 6 Vik t { g]
Antal dagar i värmeskåp
Uttorkningskurva för cementbruk
(cylinder) +105°C
A2 A3 A4 325 330 335 340 345 350 355 360 365 370 375 0 1 2 3 4 5 6 Vik t [ g]Antal dagar i värmeskåp
Uttorkningskurva för vct 1,0 (cylinder)
+105°C
B1 B2 B3
36 330 335 340 345 350 355 360 365 0 1 2 3 4 5 6 Vik t [ g]
Antal dagar i värmeskåp
Uttorkningskruva för vct 0,54 +105°C
C1 C2 C3 335 340 345 350 355 360 365 370 0 1 2 3 4 5 6 Vik t [ g]Antal dagar i värmeskåp
Uttorkningskurva för vct 0,6 +105°C
D1 D2 D3
37 315 320 325 330 335 340 345 350 355 360 0 1 2 3 4 5 6 Vik t [ g]
Antal dagar i värmeskåp
Uttorkningskurva för vct 1,0 +50°C
E1 E2 E3 235 245 255 265 275 285 295 0 1 2 3 4 5 6 Vik t [ g]Antal dagar i värmeskåp
Uttorkningskurva för cementbruket +50°C
F1 F2 F3
38
Bilaga 3 – Viktförändringar
Märkning Startvikt [g] Vikt efter kapillärmättning[g] Vikt ökning [g]A2 334,04 Har våtförvarats - A3 331,59 Har våtförvarats - A4 278,63 Har våtförvarats - B1 337,36 354,75 17,39 B2 348,78 366,45 17,67 B3 336,91 354,14 17,23 C1 344,09 352,1 8,01 C2 353,22 360,68 7,46 C3 350,76 357,87 7,11 D1 352,09 361,43 9,34 D2 358,98 368,3 9,32 D3 353,15 361,6 8,45 E1 339,88 353,29 13,14 E2 328,59 341,51 12,92 E3 336,89 350,61 13,72 F1 277,07 Har våtförvarats - F2 274,96 Har våtförvarats - F3 289,43 Har våtförvarats -
39
Märkning/
provkropp Vikt efter metod 1 [g] Vikt efter metod 2 [g] Vikt efter metod 3 [g]
A2 334,78 335,41 335,64 A3 332,1 333,66 334,49 A4 279,29 280,13 280,46 B1 355,22 356,14 358,56 B2 367,23 368,18 370,63 B3 354,53 355,51 358,09 C1 352,71 353,24 358,3 C2 361,01 361,59 366,32 C3 358,3 359 363,56 D1 361,7 361,63 362,65 D2 368,56 368,45 369,73 D3 361,85 361,84 362,73 E1 353,59 354,48 356,78 E2 342 342,79 344,82 E3 350,98 351,84 353,63 F1 277,44 278,53 279,45 F2 275,24 275,83 277,11 F3 289,8 289,06 291,17
40 Märkning/ provkropp Viktförändring metod 1 → metod 2 [g] Viktförändring metod 2 metod 3 [g] Viktförändring metod 1 metod 3 [g] A2 0,63 0,23 0,86 A3 1,56 0,83 2,39 A4 0,84 0,33 1,17 B1 0,92 2,42 3,34 B2 0,95 2,45 3,4 B3 0,98 2,58 3,56 C1 5,54 0,05 5,59 C2 5,23 0,08 5,31 C3 5,22 0,04 5,26 D1 0,91 0,04 0,95 D2 1,06 0,11 1,17 D3 0,89 -0,01 0,88 E1 2,82 0,37 3,19 E2 2,55 0,27 2,82 E3 2,47 0,18 2,65 F1 1,91 0,1 2,01 F2 2,09 -0,22 1,87 F3 1,42 -0,05 1,37
41
Bilaga 4 – Kurvor kapillärmättnadsgrad
y = 2,7196x + 344,48 R² = 0,9797 y = 0,0633x + 351,08 R² = 0,992 0 5 10 15 20 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 √T [h] Vik t [ g]
Kapillärmättnadsgrad C1
Prov C1 Prov C1 Linjär (Prov C1) Linjär (Prov C1) (2.48, 351.24) y = 2,6865x + 353,57 R² = 0,9773 y = 0,0534x + 359,56 R² = 0,95 0 5 10 15 20 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361 362 √T [h] Vik t [ g]Kapillärmättnadsgrad C2
Prov C2 Prov C2 Prov C2 Linjär (Prov C2) Linjär (Prov C2) (2.27, 359.68)42 y = 3,3214x + 351,07 R² = 0,9581 y = 0,0496x + 357,02 R² = 0,9791 0 5 10 15 20 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 √T [h] Vik t [ g]
Kapillärmättnadsgrad C3
Prov C3 Prov C3 Prov C3 Linjär (Prov C3) Linjär (Prov C3) y = 4,2917x + 352,42 R² = 0,9844 y = 0,0487x + 360,66 R² = 0,9503 0 5 10 15 20 350 352 354 356 358 360 362 364 √T [h] Vik t [ g]Kapillärmättnadsgrad D1
Prov D1 Prov D1 Linjär (Prov D1) Linjär (Prov D1)43 y = 4,0682x + 359,29 R² = 0,9863 y = 0,0541x + 367,43 R² = 0,9618 0 5 10 15 20 358 360 362 364 366 368 370 √T [h] Vik t [ g]
Kapillärmättnadsgrad D2
Prov D2 Prov D2 Prov D2 Linjär (Prov D2) Linjär (Prov D2) y = 4,1823x + 353,41 R² = 0,9815 y = 0,0519x + 360,82 R² = 0,9157 0 5 10 15 20 352 354 356 358 360 362 364 √T [h] Vik t [ g]Kapillärmättnadsgrad D3
Prov D3 Prov D3 Prov D3 Linjär (Prov D3) Linjär (Prov D3)44 y = 6,8092x + 340,37 R² = 0,9743 y = 0,0746x + 352 R² = 0,9862 0 5 10 15 20 338 340 342 344 346 348 350 352 354 356 √T [h] Vik t [ g]
Kapillärmättnadsgrad E1
Prov E1 Prov E1 Prov E1 Linjär (Prov E1) Linjär (Prov E1)y = 6,4946x + 328,99 R² = 0,9804 y = 0,0688x + 340,37 R² = 0,9821 0 5 10 15 20 326 328 330 332 334 336 338 340 342 344 √T [h] Vik t [ g]
Kapillärmättnadsgrad E2
Prov E2 Prov E2 Prov E2 Linjär (Prov E2) Linjär (Prov E2) (1.77, 340.49)45 y = 7,3093x + 337,56 R² = 0,9588 y = 0,0658x + 349,45 R² = 0,9798 0 5 10 15 20 336 338 340 342 344 346 348 350 352 354 √T [h] Vik t [ g]
Kapillärmättnadgrad E3
Prov E3 Prov E3 Prov E3 Linjär (Prov E3) Linjär (Prov E3)y = 8,1077x + 338,05 R² = 0,982 y = 0,0758x + 353,54 R² = 0,9284 0 5 10 15 20 335 340 345 350 355 360 √T [h] Vik t [ g]
Kapillärmättnadsgrad B1
Prov B1 Prov B1 Linjär (Prov B1) Linjär (Prov B1)46 y = 7,7212x + 349,05 R² = 0,9971 y = 0,0882x + 365,1 R² = 0,8683 0 5 10 15 20 346 348 350 352 354 356 358 360 362 364 366 368 √T [h] Vik t [ g]
