R_Myrdal___BETONGKJEMI___Stavanger_08.09.2015

BETONGKJEMI
Bindemidler og tilsetningsstoffer til betong
Roar Myrdal
R&D Director Construction Chemicals, Normet International Ltd.
Professor II, NTNU, Institutt for konstruksjonsteknikk, Gruppe for betong
[email protected]
Mobil: 94 86 34 82
NB, Stavanger, 8. september 2015
1
Aller først: Kort om Normet
Global materialleverandør: Maskiner, utstyr og kjemikalier primært for
underjordisk bygging (tunnel og gruve), men også til annen bygg- og
anleggsvirksomhet (betongindustri, rep./vedlikehold av konstruksjoner, …)
Kjemikalier ca 25%
1000 ansatte i hele Normet Group, omsetting ca 230 millioner EUR/år
FoU Kjemikalier (ledes av Roar Myrdal)
Styres fra FoU-senter i Coventry, England
Regionale laboratorier i India, Taiwan, Singapore, Indonesia og Chile
2
Normet: Global tilstedeværelse
Produksjon av tilsetningsstoffer:
USA, Chile, England, Sverige, Sør-Afrika, Qatar, India, Taiwan, Singapore,
Indonesia, Australia
3
Innhold
Litt betonghistorie
Hva er Portlandklinker og Portlandsement?
Portlandsement er tilsatt gips og jernsulfat – Hvorfor?
Kjemiske reaksjoner mellom sement og vann
Blandingssementer og pozzolanreaksjoner (kalsiumkjemi)
Tilsetningsstoffer - Typer og virkemåter
Sement og CO2
Betong med lav andel Portlandklinker – ‘Lavkarbonsement’
Geopolymerbetong (kjemi uten kalsium)
4
Typisk betongsammensetning
Volumprosent
Kjemiske tilsetningsstoffer 1%
Luft 4%
Sement 12%
Vann 18%
Sand 25%
Grus og stein 40%
5
Årlig globalt produksjonsvolum:
 8 km3 !
Moderne byggematerial
med eldgammel historie
Pantheon, Roma (romersk betong)
Vitruvius (arkitekt og rådgiver for Keiser Augustus):
”Det finnes et pulver som ut fra naturlige årsaker produserer utrolige
resultater. Når det blandes med kalk og stein, og tilsettes vann, vil det
herde og bli hardt”.
Pulver = Vulkansk aske = Pozzouolania
6
Litt sementhistorie
? – 400 e.Kr.
Egyptere, grekere, romere
Kalk, gips, vulkansk aske (pozzolan)
1700 – 1800
Engelskmenn
Interesse for sementliknende materialer
1824
Joseph Aspdin
Tar patent på Portland cement
Isle of Portland
1892
A/S Christiania Portland Cementfabrik
Slemmestad
1920
Norcem
Brevik og Kjøpsvik
7
Produksjon av Portlandsement: Råmaterialer
Kalkstein ca 90%
CaCO3
+
Sand, leire, og annet ca 10%
Silika-, Alumina- og Ferittholdige materialer
SiO2
Al2O3 Fe2O3

Knuses og males til råmel
8
Sementfabrikk
Gips
Jernsulfat
(Flygeaske/slagg)
Råmel
Inn
Klinker
Ut
9
Rotérovn
1450 oC
10
Hva skjer i rotérovnen?
Brenning av råmel (råmel + brensel)
Kalsinering ved ca 800 – 1000 oC:
CaCO3
Kalkstein

CaO
Brent kalk
+
CO2 
Karbondioksid (gass)
Sintring (delvis smelting) ved 1350 – 1450 oC:
CaO + SiO2 + Al2O3 + Fe2O3  (CaO)n  SiO2
Kalsiumsilikater
+ (CaO)3  Al2O3
Kalsiumaluminat
+ (CaO)4  Al2O3  Fe2O3
Kalsiumaluminaferritt
11
Etter rotérovnen
Sintringsprosess og nedkjøling

Ut av rotérovnen:
Kuler av ulik størrelse
Portlandklinker, 3 – 20 mm

Males sammen med jernsulfat og gips
 (+ mineralske tilsetninger/pozzolaner)
Fint pulver (300 – 500 m2/kg)
Portlandsement (Blandingssement)
12
Hvorfor tilsette jernsulfat?
Problem: Oksidasjon av krom i rotérovnen
Alle råvarer inneholder ørsmå mengder kromoksid
Naturlig del av jordskorpa vår (ufarlig)
I rotérovnen (høy temp.) oksiders krom til kromat
Kromat er ikke bra, kromallergi, eksem
Løsning: Tilsett jernsulfat
Jernsulfat vil omdanne farlig kromat til ufarlig krom når sementen seinere
kommer i kontakt med vann (kjemisk reaksjon mellom jernsulfat og
kromat i vann)
Jernsulfatens evne til å fjerne kromat minsker med tiden; derfor kan
langtidslagret sement ha mistet noe av evnen
13
Hvorfor tilsette gips?
Har å gjøre med den kjemiske reaksjonen mellom sement
og vann
Uten gips størkner sement for fort
Vi må dempe reaksjonen
For å forstå gipsens rolle, må man se nærmere på
sementkjemien
Mer om gipsens rolle litt seinere
14
Oksidforbindelser (‘mineraler’) i Portlandklinker
Kjemisk navn
Kjemisk formel
Forenklet
formel
Fordeling
Vekt-%
Trikalsiumsilikat (’Alitt’)
(CaO)3  SiO2
C 3S
50 – 70
Dikalsiumsilikat (’Belitt’)
(CaO)2  SiO2
C 2S
15 – 30
Trikalsiumaluminat
(CaO)3  Al2O3
C 3A
5 – 10
Tetrakalsiumaluminaferritt (CaO)4  Al2O3  Fe2O3 C4AF
15
5 – 15
Hovedbestanddeler i Portlandsement
Klinkermineralene: C3S, C2S, C3A og C4AF
Ca 95 %
Gips: Kalsiumsulfat CaSO4
3–4%
Alkalier: Alkalioksidene Na2O og K2O
0,5 – 1,5 %
(Jernsulfat)
Alkalimengde oppgis ofte som mengde Na2O-ekvivalenter
( = % Na2O + 0,658 % K2O)
16
Reaksjon mellom sement og vann
Kalles sementhydratisering
Hydro = vann
Hydratisering = kjemisk reaksjon med vann
Portlandsement reagerer kjemisk med vann
Portlandsement er hydraulisk
Portlandsement + Vann = Sementpasta
Limet / bindemiddelet i betong
17
Klinkermineralenes hydratisering
Klinkermineral
Hydratiseringshastighet
Rask
C 3S
Timer, dager
Langsom
C 2S
C 3A
Dager, uker
Lynrask 1)
Sekunder, minutter
Svært rask
C4AF
Minutter, timer
1)
2)
18
Bidrag til
sluttfasthet
Varmeutvikling
under herding
Stort
Ganske rask
Stort
Langsom
Lite 2)
Meget rask
Lite 2)
Langsom
Derfor dempet med gips
Bidrar til størkning og tidligfasthet
Hydratiseringsreaksjoner: C3S og C2S
C3S / C2S + Vann
C-S-H
= C-S-H
+ Ca(OH)2
Fellesbetegnelse på kalsium-silikat-hydrater: CaO·SiO2·H2O
Kalles ofte C-S-H gel
Ca(OH)2 Kalsiumhydroksid
C-S-H gir høy styrke/fasthet, er hovedlimet i betongen
19
Hydratiseringsreaksjoner: C3A
C3A + Vann

Øyeblikkelig størkning
uønsket
C3A + Vann + Gips

Kontrollert størkning
ønsket
C3A + Vann + Gips
= Ettringitt (trisulfoaluminathydrat)
Belegger sementkornene, bremser reaksjonen
 Noen timer seinere
Ettringitt + C3A
20
+ Vann
= Monosulfoaluminathydrat
Hydratisering produserer varme
I Initiell reaksjon
Oppløsningsreaksjoner og reaksjonen mellom C3A og gips
(dannelse av ettringitt på overflaten av sementkorn). Bidrar
lite i total varmeutvikling.
Varmeutviklingshastighet, dq/dt (J/g s)
Varighet ca 10 – 20 minutter
Temperatur, T (ºC)
II Induksjonsperiode

Periode med svært lav reaksjonshastighet. Hydratisering av
C3A er hemmet på grunn av ettringittdannelsen.
Hydratiseringen av C3S og C2S er svært lav. Ingen
varmeutvikling. Begynnende avbinding inntreffer i slutten av
perioden.
Varighet ca 2 – 4 timer
I
IV
III Akselerasjonsperiode
Reaksjonshastigheten øker gradvis (akselererer).
Hydratisering av C3S er i gang. Sementpastaen størkner og
fasthetsutviklingen starter. Betydelig varmeutvikling.
III
Varighet ca 5 – 10 timer
IV Retardasjonsperiode
Hydratiseringsprosessen bremses gradvis.
Transportbegrensninger hemmer
hydratiseringenshastigheten. Langsom herdeutvikling.
Varmeutviklingen avtar.
II
Tid (timer)
21
Starter ca 8 – 12 timer etter kontakt mellom
sement og vann
Hydratisert sementpasta
C-S-H gel
Gir pastaen bindemiddelegenskaper
Liten grad av krystallinitet og varierende sammensetning (mer
krystallinsk med alderen)
Fibre og irregulære foldete plater med dimensjoner ned i nmområdet (1 nm = 0,001 m)
Utgjør 60 – 70 % av pastamengden
Ca(OH)2
Svak bindemiddelegenskap, men viktig i forhold til bestandighet
Kubiske krystaller
Variabel størrelse, men mye større enn ’C-S-H-partikler’
Litt løselig i vann, ca 1 g/l ved 25oC
Utgjør ca 20 % av pastamengden
Aluminat/feritthydrater
Særlig viktig i forhold til sementens størknings- og herdeforløp, men
også i forhold til betongbestandighet
Utgjør 10 – 20 % av pastamengden
22
Hydratisert sementpasta sett i mikroskop
Ettringitt
C-S-H
Ca(OH)2
23
Poreutvikling under hydratiseringen
Svarte områder: Ureagert sement
Hvite områder: Porer
Svarte fibere:
24
Hydratiseringsprodukter
a:
Induksjonsperiode
b og c:
Størkning
d:
Herding
Porer i hydratisert sementpasta
Gelporer
Ørsmå porer og mellomrom i C-S-H gelen (nm-området)
Kapillærporer
Porer fra noen nm til m-området
Aansvarlig for kapillærsug
Luftporer
Makroporer (synlige hulrom) fra innpisket luft under
blanding. Suger ikke vann
Porevann
Na2O
H2O

Na+ +
OH
K2O
H2O

K+
OH
Ca(OH)2
H2O

Ca2+ +
+
2OH
pH = 14 + log[OH]  13 – 14
25
(høy pH!)
Kapillærporer og gelporer
Kapillærpore
Gelporer
26
Pozzolaner (romersk sementkjemi)
Definisjon: Amorfe (ikke-krystallinske, glassaktige) silika- og
aluminaholdige materialer (SiO2 og Al2O3) som reagerer med
kalsiumhydroksid og danner produkter med bindemiddelegenskaper
Sementhydratisering
Portlandsement (C3S, C2S)
+
Vann =
C-S-H
+
Ca(OH)2
Pozzolanreaksjon
Pozzolan (SiO2) + Ca(OH)2 + Vann
Portlandsement + Pozzolan gir:
C-S-H (Romersk sement)
Mer bindemiddel (lim)
Sterkere betong
Tettere betong
Mer bestandig betong
Men: Pozzolanreaksjonen går sakte!
27
=
Flere typer Pozzolaner
Naturlige
Vulkansk aske (ikke i Norge)
Pozzolan fra Bacoli,
Napolibukta, Italia
Fint, sandaktig pulver
Industrielle (biprodukter/avfallsprodukter)
28
Silikastøv
Biprodukt ved framstilling av silisium og ferrosilisium
Høy renhet, minst 90% amorf SiO2
Kuleformede partikler, ca 0,2 m
Flygeaske
Forbrenningsrest i kullfyrte kraftverk
Lav renhet, ca 50% SiO2, noe Al2O3
Kuleformede partikler, 2-10 m
Flygeaske fra kullfyrte kraftverk
1 milliard tonn per år!
2-10 m
NY Times 25.09.2011: “China and
India together are building four
coal-fired power plants a week”
Ash pond (lake), Suradevi, India, okt 2009
29
Slagg er ikke et pozzolan
Finmalt råjernsslagg (biprodukt fra jern- og stålproduksjon)
Har hydrauliske egenskaper, likner Portlandsement!
Reagerer kjemisk med vann og danner produkter med bindemiddelegenskaper.
30
Pozzolan
Portlandsement
Slagg
SiO2, (Al2O3, Fe2O3)
SiO2, Al2O3, Fe2O3
SiO2, Al2O3, Fe2O3
Lite CaO
Mye CaO
Mye CaO
Ikke hydraulisk
Hydraulisk
Hydraulisk
Pozzolaner og slagg

Tilsettes betong enten som
- separat komponent (pulvertilsats)
- eller indirekte som bestanddel i sement
Blandingssementer – Europeisk standard
Portlandsement tilsatt pozzolan, slagg eller andre materialer
Sementklasser og sementtyper i henhold til EN-197 (5 av 27 typer):
Klasse
Sementtype
Benevnelse
Portland
klinker
CEM I
Portlandsement
CEM I
95 – 100
Portland-silikastøvsement
CEM II/A-D
90 – 94
CEM II/A-V
80 – 94
6 – 20
CEM II/B-V
65 – 79
21 – 35
CEM II/A-S
80 – 94
6 – 20
Portland-slaggsement
CEM II/B-S
65 – 79
21 – 35
Portland-slaggsement
CEM III/A
35 – 65
35 – 65
CEM II
CEM III
Portland- flygeaskesement
Silikastøv
Flygeaske
Slagg
6 – 10
Eksempler på blandingssementer i det norske markedet:
Norcem Standard FA klassifisert som CEM II/A-V – 20 % flygeaske
Ny Standard FA
klassifisert som CEM II/B-M – 18 % flygeaske + 4 % kalksteinsmel
Cemex Miljøsement klassifisert som CEM II/B-S – 30 % slagg
31
Betong og tilsetningsstoffer
Betong består av:
Stein / grus / sand (tilslag)
Sement
Vann
Pozzolaner og andre mineralske tilsettinger (pulver)
Tilsetningsstoffer (kjemiske stoffer, hovedsakelig flytende)
(Luft)
32
Romerske tilsetningsstoffer
Vitruvius beskrev 29 ulike betongresepter!
Romerske tilsetningsstoffer:
Fiber
Plastiserende
Luftinnførende
Retarder
Hestetagl og grasstrå
Animalsk fett, blod og mjølk
Animalsk fett
Urin
Luftinnførende: Tilfeldig eller gjennomtenkt?
• Romerne var kjent for å kaste matrester i betongblandingen
(Betong = vulkansk aske, kalk, tilslag og vann)
• Ble gjort for å bli kvitt matrestene og holde arbeidsplassen ryddig og rein
• Siden betongen har en høy pH (ca 12,5) vil fettet i maten bli omdannet til såpe
• Såpe lager bobler
33
Sagt om tilsetningsstoffer
“Admixtures are the hidden and unappreciated key to new and innovative
developments in concrete technology. However, [they are] often regarded
with suspicion rather than as an opportunity.”
J. Dransfield, Secretary, Cement Admixtures Association, UK, 2012
“I sometimes think that the construction industry is like the person who
seeks the wonder cure: the elixir that will provide eternal life with no effort at
all on their part. Wouldn’t it be wonderful if by the simple expedient of
adding ingredient X all would be solved? There would be no need to worry
about cover, compaction, curing or even the concrete itself. Life is not that
simple...”
C.D. Pomeroy
(A.M. Vaysburd and P.H. Emmons, Cement & Concrete Composites, 26, 2004, pp 255-263)
34
Definisjon av tilsetningsstoff
NS-EN 934-2
”Stoff som tilsettes under blandingen av
betongen i en mengde som ikke overstiger 5 %
av sementmengden i betongen, for å endre
blandingens egenskaper i fersk og/eller herdnet
tilstand.”
Akseleratorer for sprøytebetong blir normalt
tilsatt i større enn 5% mengde – typisk 6-8% –
og er spesifisert i NS-EN 934-5
35
Forbruk av tilsetningsstoffer i Norge
All norsk betong inneholder tilsetningsstoffer
Gjennomsnittlig mengde tilsetningsstoffer i betongen:
Størrelsesorden 1 % av sementmengden
Årlig norsk forbruk av sement:
Ca 2 millioner tonn
20 000 tonn tilsetningsstoffer (!)
36
«…endre blandingens egenskaper…»
Fersk betong
 Konsistens, bearbeidelighet
 Flytegenskaper
Størkning / herding
 Forkorte eller forlenge tiden mellom blanding og størkning
 Akselerere herdeprosessen (retardere herdeprosessen?)
Herdet betong






37
Økt styrke/fasthet/tetthet
Frostbestandighet
Korrosjonsbestandighet
Redusert svinn
Farge
….
Klasseinndeling, NS-EN 934-2
Klasse (6 av totalt 11)
Definisjon / beskrivelse av virkemåte
Vannreduserende
eller
Plastiserende
Stoff som:
- gjør det mulig å redusere vanninnholdet i en gitt betongblanding uten å
påvirke konsistensen
- eller som øker synkmålet / utbredingsmålet uten å påvirke vanninnholdet
- eller som har begge virkningene samtidig.
Sterkt vannreduserende
eller
Superplastiserende
Stoff som:
- gjør det mulig å redusere vanninnholdet vesentlig i en gitt betongblanding
uten å påvirke konsistensen
- eller som øker synkmålet / utbredingsmålet vesentlig uten å påvirke
vanninnholdet
- eller som har begge virkningene samtidig.
Luftinnførende
Stoff som gjør det mulig å tilføre en kontrollert mengde av små, jevnt fordelte
luftbobler under blanding, som blir værende etter herding.
Størkningsakselererende Stoff som reduserer tiden før blandingens overgang fra plastisk til stiv tilstand.
38
Herdningsakselererende
Stoff som gir raskere utvikling av tidlig fasthet i betong, med eller uten
innvirkning på størkningstiden.
Størkningsretarderende
Stoff som øker tiden før blandingens overgang fra plastisk til stiv tilstand.
Andre stoffer (ikke i NS-EN 934-2)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
39
Sprøytebetongsakseleratorer (EN 934-5)
Stoffer til injeksjonsmasser (EN 934-4)
Antiutvaskingsstoff til bruk i undervannsbetong
Svinnreduserende stoffer
Pumpeforbedrende / stabiliserende stoffer
Korrosjonshindrende stoffer
Ekspanderende stoff
Fargestoffer til betong (EN 12878)
….
Forholdet Vann/Sement har stor betydning
Lavt Vann/Sement forhold
Høyt Vann/Sement forhold
Sementpartiklene pakker seg i klumper
Fersk: Flyter ikke
Herdet: Sterk og tett
Sementpartiklene sprer seg i vannet
Fersk: Flyter godt
Herdet: Svak og porøs/åpen
Mer vann
40
Vi ønsker lavt Vann/Sement forhold!
Sement + Vann = Sementpasta (bindemiddelet i betong)
For å få betongen bearbeidelig/plastisk/flytende trengs det mer vann enn
nødvendig (til sementhydratiseringen)
Men mye vann (høyt v/c forhold) gir en porøs betong etter herding
Lavt v/c forhold gir (etter at betongen er herdet): Sterkere og tettere betong
Vi ønsker:
 En betong som er flytende i fersk tilstand
 Og på samme tid en betong med lavt v/c forhold
Bare mulig med vannreduserende / plastiserende
tilsetningsstoffer!
41
Plastiserende P / Superplastiserende SP
•
•
•
•
42
Det mest brukte tilsetningsstoffet (dosering 0.5-1.0% av sementmengde)
Består av organiske polymerer løst i vann
Virkemåte: Dispergering av sement og andre finstoffer i vann
Oppnår: Vannreduksjon (gir lavt v/c forhold) eller bedre flyt dersom
vannmengden holdes konstant
Flytende betong med lavt v/c-tall
43
P og SP stoffer
Krav til vannreduksjonsevne (EN 934-2): P 5-12% SP 12%
“Gamle” stoffer
“Nye” stoffer
1930: Lignosulfonat P 8%
1940: Naftalen
SP 15%
1975: Melamin
SP 15%
1995: Polykarboksylat SP 40%!
- Biprodukter fra kjemisk industri
- “Allround” produkter
- Designet spesielt for betong
- Mange typer, skredder-sydd for
ulike virkemåter i betong
Elektrostatisk frastøting
44
Sterisk hindring
Elektrostatisk frastøting og sterisk hindring
Electrostatisk Frastøting








Negativt ladede molekyler fester
seg til sementpartiklene som gjør at
de frastøter hverandre (like
ladninger frastøter hverandre).
45
Sterisk Hindring
Polykarboksylat-polymerer fester
på på sementpartiklene og lager
en fysisk barriere mellom dem. De
kan ikke berøre hverandre.
P- og SP-stoffer på det norske markedet
80
Polykarboksylat
70
Lignosulfonat
Vektprosent (%)
60
50
40
Melamin
30
20
10
Naftalen
0
1994
1996
1998
2000
2002
Årstall
46
2004
2006
2008
Vanligste P- og SP-stoffer i dag
Lignosulfonat (P)
Første gang:
Opprinnelse:
Vannreduksjon:
Relativ pris:
Kjennetegn:
ca 1930
Avfallsprodukt fra papirproduksjon
Begrenset, ca 8 %
Lav
Må tilsettes sammen med blandevannet
Lavt konsistenstap over tid
Virker retarderende, særlig ved lave temperaturer
Polykarboksylat (SP) (også kalt «kopolymerer»)
Første gang:
Opprinnelse:
Vannreduksjon:
Relativ pris:
Kjennetegn:
47
ca 1995 (1997 i Norge)
Spesialdesignet til betongformål
Stor, ca 40 %
Høy
Meget lavt konsistenstap over tid
Spesialdesignet til ulike formål
Kan etterdoseres
Annen virkemåte enn de klassiske stoffene
P/SP-stoffer og synkmål (slump)
SLUMPMÅLINGER - "Åpentid" Effekt av co-polymer SP
Betong: MA C45 NS(3420) , Sementtype: "ANLEGG"
Dosering:
200
180
Polykarboks.
0,125 %
160
SLUMP, MM
140
120
Ligno. +
melamin
100
0,48 %
80
60
Referanse uten P/SP
40
0%
20
0
0 tid
15 min
30 min
60 min
Tid
Referanse U /TSS
Tilsatt 0.6% ' P' + 0.6% ' Melamin SP'
Kilde: Norcem FoU, Brevik
48
Tilsatt 0.5% ' co-polymer SP'
P/SP-stoffer og trykkfasthet
Tidligfasthet med P og SP-stoffer ved forskjellige temperaturer.
Kilde: Norcem FoU, Brevik
1. DØGN TRYKKASTHET - ULIKE HERDETEMPERATUR: 5, 20 OG 35 GRADER (C)
BETONGTYPE C45 MA NS(3420): Sementtype: "Anlegg"
45
+35 oC
40
TRYKKFASTHET, MPA
35
+20 oC
30
25
20
15
10
+5 oC
5
0
TEMP: 5 grader C
49
TEMP: 20 grader C
Referanse U/TSS
Tilsatt 1% 'P' (Na-lignosulfonat)
Tilsatt 0.6% 'P' +0.6% 'Melamin SP'
Tilsatt 0.5% 'co-polymer SP'
TEMP: 35 grader C
Tilsatt 0.6% 'P'+ 0.6% 'Naftalen SP'
Betong og frost
Frostbestandigheten er avhengig av luftinnholdet (luftporevolumet) i betongen
Frostskade
Frostbestandigheten økes ved å tilsette luftinnførende stoff i den ferske betongen
50
Luftinnførende tilsetningsstoff
•
•
•
Såpelignende skumdannende stoffer (tensider)
Lav dosering: 0,05 – 0,10 % av sementvekt
Det oppnås:
- Totalt luftporevolum ca 4-5 vol-% (ellers ca 2%)
- Bittesmå kulerunde luftbobler (diameter 50 -300 m)
- Homogent fordelte bobler
- Riktig ’avstandsfaktor’ ( 200 m)
1 mm
•
To sideeffekter
- Fersk betong: Økt bearbeidelighet, bedre flyt
- Herdet betong: Redusert trykkfasthet (ca 5% reduksjon for hvert
%-poeng ekstra luft)
51
Porer i betong og vannsug
Suger nesten ikke vann
Kraftig vannsug
(Kapillærsug)
Kapillærporer
0,01
0,1
1
Innført luft
10
100
Mikrometer, m
52
Innpisket luft
1000
10000
100000
Kapillærsug
Desto tynnere kapillærrør, desto høyere sughøyde
53
Virkemåten til Luftinnførende stoff
Vannfylt kapillærpore
Hydraulisk trykkteori:
Betongoverflate
Vannfylt kapillærpore
Liten
luftboble
Luftpore
Hydraulisk trykk
- suger ikke vann
”Drenering” av vann
Is
Vann
Luftboblene fungerer som mottagere av flytende vann som
presses gjennom poresystemet foran ’isfronten’
Vanntrykket avtar slik at strekkfastheten ikke overskrides
”The discovery of AEAs is one of the most important technological developments in the
history of concrete.” L. Du and K. J. Folliard, Cement and Concrete Research, 35, 2005, 1463-1471.
54
Boråsmetoden (EN 12390-9 / SS 13 72 44)
Betongprøve eksponert mot 3% NaCl løsning
Utsettes for syklisk frysing og tining i 56 døgn
Måler vekten av avskallet betong
Desto mindre avskalling desto mer frostsikker
Avskalling 1 kg/m2

Forvitringsdybde 0,4 mm
Svært god frostmotstand:
S. Jacobsen, SINTEF Byggforskserien,
byggdetaljblad 520.067, 1999
55
Avskalling  0,1 kg/m2 etter 56 døgn
Eksempel Boråstest
•
•
•
•
Betong med 340 kg sement og v/c = 0,55
Dosering L-stoff: 0,055 % av sementvekt
Luftmengde: 5,9 % (1,5 % i referanse)
Avstandsfaktor: 130 m
Døgn
56
Avskalling (kg/m2)
Referanse (uten L-stoff)
Med L-stoff
7
0,14
0,02
14
1,03
0,02
28
2,80
0,03
42
6,57
0,03
56
Oppsmuldret
0,04
SINTEF - test
Betong med L-stoff (til høyre) og uten L-stoff (til venstre) etter 100 fryse-/tinesykler.
Før frostprøving har betongen om lag samme 28-døgns trykkfasthet i begge tilfeller.
(SINTEF Byggforsk, Byggdetaljblad)
57
Akselererende stoffer
• Størkningsakselererende stoffer
Stoff som reduserer tiden før blandingens overgang fra
plastisk til stiv tilstand
Påvirker primært C3A hydratisering, men også C3S/C2S
• Herdingsakselererende stoffer
Stoff som gir raskere utvikling av tidlig fasthet i betong,
med eller uten innvirkning på størkningstiden
Påvirker primært C3S/C2S hydratisering
58
Akseleratorer og varmeutvikling
Herdingsaks.
Hardening
Varme
eller
Temp.
Størkningsaks.
Setting
Referanse
Reference
Tid
59
Størkningsakseleratorer
• Hovedsakelig uorganiske salter oppløst i vann
• Hvorfor tilsette slike stoffer?
- Tidlig etterbehandling av overflater
- Reduksjon i trykket i forskalingsformer
- Mer effektiv tetting av lekkasjer forårsaket av hydraulisk trykk
- Betong som ’sitter fast’ på veggen (sprøyting)
• ’Normal’ betong / gulvbetong (dosering 1-2%)
- Kalsiumnitrat
• Sprøytebetong (høy dosering 6-8%)
- Natrium- og kaliumhydroksider
- Aluminat og Karbonat
’Gamle’ dager
- Silikat (vannglass)
- Aluminiumsulfat (pluss ’skjulte’ ingredienser)
60
I dag
Størkningsakselerator (Kalsiumnitrat)
Størkningstid
(timer)
Dosering (% i forhold til sementvekt)
61
Herdingsakseleratorer - oversikt
• Hovedsakelig uorganiske salter oppløst i vann; organiske
stoffer forekommer også
• Hvorfor tilsette slike stoffer? Økt tidligfasthet (10 -24 timer)
- Tidlig fjerning av forskaling / støpeformer
- Reduksjon i tiden som kreves for ’curing’ og beskyttelse
- Betongstrukturen kommer tidligere i ’tjeneste’
- Kompensasjon for lave temperaturers effekt på styrkeutvikling
• Kjemiske stoffer:
- Kalsiumklorid (vanlig tidligere - allerede i 1885 - forbudt i dag)
- Kalsiumnitrat/nitritt (mest størkning, men herding ved høy dosering)
- Natriumtiocyanat (mest vanlig i dag, fra 1980-tallet)
- Blandinger av nitrat / tiocyanat / trietanolamin (TEA)
• Alternative metoder for raskere herding:
- Oppvarmet betong, finmalt sement, varmeisolere støpen
62
Eksempel herdingsakselerator (5C)
Effekt av herdingsakselerator i flygeaskesement sammenlignet med finmalt sement
uten akselerator. Kilde: Norcem FoU, Brevik
TRYKKFASTHET MPA, Lagret ved: 5 gr. C
BETONGTYPE SV40 - Effekt av herdeakselerator ( A-80)
TRYKKFASTHET, MPA
25.0
20.0
+5 oC
15.0
10.0
5.0
0.0
6t
12t
1d
2d
TID
STANDARD FA (Referanse)
63
STANDARD FA + 0.9 % AKSELERATOR
INDUSTRI (Referanse)
Eksempel herdingsakselerator (20C)
Effekt av herdingsakselerator i flygeaskesement sammenlignet med finmalt sement
uten akselerator. Kilde: Norcem FoU, Brevik
+20 oC
64
Korrekt dosering kan være vrient!
Referanse
uten TEA
1.0%
0.02%
0.25%
TriEtanolAmin (TEA)
Styrke /
Hardhet
0.50%
Tid (timer)
65
V. Dodson, Concrete Admixtures,
Chapter 4, Van Nostrand Reinhold,
New York, 1990.
Retarderende stoffer
• Størkningsretarderende stoffer
Stoff som øker tiden før blandingens overgang fra
plastisk til stiv tilstand
• Herdingsretarderende stoffer
Finnes ikke, verken i EN 934-2 eller på markedet (selv
om noen andre stoffer har en slik bieffekt)
66
Retardere og varmeutvikling
Referanse
Reference
Størkningsretarder
Setting
Varme
eller
Temp.
Herdingsret.
Hardening
Tid
67
Størkningsretardere
• Virkemåte:
Reagerer med kalsium på overflaten av sementpartikler og danner
produkter som virker som en fysisk barriere mellom sementpartikkelen og
vannmolekylene. Fører til at reaksjonen mellom sement og vann forsinkes.
• Bruksområde:
- Unngå støpeskjøter
- Ved lange transporter
- Unngå hurtig størkning i varmt vær
• Typer
- Organiske syrer og salter løst i vann: Fosfat/fosfonat, sitronsyre, glukonat,
lignosulfonat (P-stoff!)
• Bieffekter:
- Størkningsretardere virker herdningsakselererende (gir litt høyere
sluttfasthet!)
- Virker vannreduserende (alle unntatt fosfater/fosfonater)
68
Størkningsretardere: Eksempel
Retardering i forhold til doseringsmengde for to retardere
Kilde: Norcem FoU, Brevik
RETARDERINGSFORLØP - ULIKE TYPER RETARDER
BETONG: C35, SEMENTTYPE "STANDARD"
50.0
RETARDERING I TIMER
45.0
Glukonat
40.0
Fosfat
35.0
30.0
25.0
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
DOSERING % AV SEMENTVEKT.
Na-glukonat 20%
69
Fosfatretarder 10%
6.0
7.0
Størkningsretarder og konsistens
Konsistensøkning med glukonat i betong
Kilde: Norcem FoU, Brevik
KONSISTENSØKNING VED BRUK AV RETARDER (Na-glukonat 20% )
Betong: C35 NA, Sementtype "Standard FA"
250
200
SLUMP, MM
Glukonat
150
100
50
0
1
2
3
DOSERING, KG / KBM - RETARDER
70
4
5
Retarder som virker akselererende!?
Størkningsretardere gir som regel en liten økning av sluttfasthet
sammenlignet med en referanse uten retarder
Ved høy dosering kan noen retardere virke størkingsakselererende
Final settiing time (h)
1000
100
AKSELERATOR
RETARDER
10
1
0,1
0,01
0
1
2
3
4
5
6
Dosage of tripotassium citrate
(% by weight of cement)
71
7
8
Konklusjoner: Tilsetningsstoffer for størkning og herding
72
Størkningsretardere:
Dagens produkter fungerer bra
Herdingsretardere:
Ikke på markedet (kan lages)
Størkningsakseleratorer:
Dagens produkter fungerer bra
Hærdingsakseleratorer:
Behov for produktutvikling
(nye bindemidler)
Andre tilsetningsstoffer
• Antiutvaskingsstoff
Gir kohesiv, svært seig og sakteflytende betong som kan plasseres
under vann uten at sementen vaskes ut.
Cellulosederivater
• Antifroststoff
Senker frysepunktet til vann. Brukes ved vinterstøping. Forveksles ofte
med herdningsakseleratorer.
Uorganiske salter, glykoler, alkoholer
• Stabilisator (pumpeforbedring)
Øker viskositeten, virker smørende, stabiliserer konsistensen og hindrer
vannseparasjon. Egner seg til SKB. Gir mindre slitasje i pumper, rør og
slanger.
Langkjedete organiske molekyler (polymerer)
73
Andre tilsetningsstoffer…
• Svinnreduserende stoff
Senker porevannets overflatespenning slik at kapillære krefter
reduseres.
Alkohol, propylenglykol
cap = 2/r
cap

r
= kapillarstrekk (N/m2 = Pa)
= overflatespenning til porevann (N/m)
= poreradius (m)
• Korrosjonsinhibitor
Reduserer korrosjon på armeringsstål.
Nitritt, aminoalkohol
74
Andre tilsetningsstoffer…
• Skumtilsats
Lage porøs skumbetong med lav densitet (600-900 kg/m3).
Til grøftefylling, underlag for gulv på grunn, isolasjonssjikt.
Ligner luftinnførende stoffer
• Fargepigment
Farging av hvit betong (hvit sement, hvit silika og lyse tilslag).
75
Brun rød gul
Jernoksider
Grønn
Kromoksider
Blå
Koboltsalter og ultramarin
Farget betong
www.tarmac.co.uk/products_and_services/concrete/toptint_coloured_concrete.aspx
76
Helse, miljø og sikkerhet (HMS)
Er tilsetningsstoffer skadelige for mennesker og natur?
Noen få er, men de aller fleste er vennlige mot både natur og mennesker
Det er svært streng merkeplikt, mye strengere enn for mat og drikkevarer
Natrium tiocyanat
Kalsiumnitritt og natriumnitritt
Xn, Helseskadelig
Vi tilsetter natriumnitritt (E250) i mat for å bevare fargen (salami)
Tilsetningsstoffer og drikkevarer:
Tilsetningsstoff, Organisk syre
pH = 3.0
C, korrosiv
77
Fosforsyre
Organisk syre
pH = 2.8
Ingen merking
Miljøaspektet: Sement og CO2
Portlandsement:
Kalkstein
Brent kalk
Kalsinering (kalkstein): CaCO3  CaO + CO2
Fossilt brensel:
C + O2  CO2
(60%)
(40%)
1 kg OPC = 1 kg CO2
Norcem i dag: 1 kg FA-sement 0,6-0,7 kg CO2
• Bidrar med 6-8% av det globale menneskeskapte CO2-utslippet
• Det er 2-3 ganger CO2-mengden fra verdens globale luftfart
• Derfor er “lavkarbon-sement” et viktig forskningsfelt, blandingssementer
(særlig med flygeaske), men også betongbindemidler uten Portlandklinker:
GEOPOLYMER: Ca. 80% mindre CO2-utslipp enn fra sementproduksjon
78
Betong uten sement, bare aske!?
Ren Portlandsement
100% OPC
Blandingssement (Pozzolan, flygeaske)
OPC / FA (20%)
Kalsiumkjemi
Blandingssement (Pozzolan, flygeaske)
OPC / FA (20%)
Blandingssement (FA + Noe annet)
OPC / FA / X (Kalksteinsmel)
Geopolymer
Bare aske!
79
Ikke kalsiumkjemi
(Vel, noen inneholder litt kalsiumholdig jernslagg)
Hva er geopolymer bindemiddel?
Amorf / glassaktig /ikke-krystallinsk aluminasilikat pulver (FA, kalsinert leire)

Alkalisk løsning (natriumsilikat + natriumhydroksid)
 Herding (t, T)
3D polymerkjede / nettverk-struktur av Si-O-Al-O bindinger
Uorganisk polymer som har fått navnet Geopolymer (Davidovits 1979)
Ikke helt ny: ‘Alkali-aktiverte bindemidler’, seint 1950-tall
Ikke kjemisk bundet vann (H2O-molekyler), slik som i vanlig sement
dvs. Kalsiumsilikathydrat, CSH
80
Geopolymerkjemi
Yao et al, Thermochimica Acta, Vol 493, 2009, pp 49-54.
81
Geopolymer og herdetemperatur
Romtemperatur
Oppvarming


Helt ‘død’ (fortsatt flytende etter 24 timer)
70% av sluttfasthet etter få timer med
termisk herding ( 60-85C)
Derfor mest brukt i fabrikkproduksjon av betongelementer.
Hva med vanlig plasstøpt betong? Fungerer i Australia.
Hva med sprøytebetong i en kald tunnel?
Kanskje vi kan styre størkning og herding med tilsetningsstoffer?
Hvilke egenskaper gjør Geopolymer interessant som bindemiddel i
betong og sprøytebetong?
82
Mekaniske egenskaper til Geopolymer-betong
Forholdet Trykkfasthet/Strekkfasthet  2/1 (10/1 for OPC betong)
(God bøyestrekkfasthet? Gunstig for sprøytebetong)
Dimensjonsstabil (lite svinn)
Ingen porøs overgangssone mellom tilslag og bindemiddel (slik som i
OPC-betong)
God frostbestandighet, men ikke godt dokumentert
Svært god kjemisk bestandighet. Tåler sulfatangrep og syreangrep
Nedbrytende alkali-tilslag reaksjoner ikke rapportert (foreløpig?)
Temperaturstabil, god brannbestandighet, kan tåle temperaturer opp mot
1200C uten å eksplodere/kollapse slik OPC-betong gjør
83
Begrensninger/ulemper ved Geopolymer-betong
Herder svært langsomt ved romtemperatur
Håndtering av sterkt alkaliske løsninger
Mangel på egnede tilsetningstoffer
Tilsetting av små mengder jernslagg, kalk og andre kalsiumkilder gjøres ofte for å få
fart på herdingen. Danner sannsynligvis noe CSH. Reduserer dette bestandigheten?
Blir den mer lik OPC-betong? Det er mange ubesvarte spørsmål.
Fortsatt nisjepreget marked, men kan dette bli et mer ‘all-round’ produkt?
Mangler data for bestandighetsegenskaper i naturlig miljø over lang tid
Dagens betongstandarder (EN og ASTM) legger begrensninger
Ingen standard for Geopolymerbetong
Bør Norsk Betongforening sette igang et arbeid på dette?
Noen ‘guidelines’ finnes, særlig i Australia
84
“Geopolymer Recommended
Practice Handbook”
Concrete Institute of Australia, 2011
Geopolymerer trenger nye tilsettingsstoffer
“There is a need to develop a whole set of new admixtures for
the geopolymer system, which presents a significant challenge
for an emerging industry with a lack of scale, but which is still
required to compete with the well-established OPC industry.”
Deventer et al, Minerals Engineering, Volume 29, March 2012, pp. 89–104.
Vel, Normet er i gang. IMG_2829.MOV
85
Normet lab (Coventry): Geopolymer-mørtel
Material
Standard sand (EN 196-1)
1350
Flygeaske (Type F)
450
Natriumsilikat, SiO2/Na2O molforhold = 3,25 (38% løsning)
126
Natriumhydroksid, 16,6M NaOH, (45% løsning)
54
Vann
25
Superplastiserende stoff (naftalen-basert), 42% løsning
Akselerator (10 vekt-% av askemengde)
86
Mengde (g)
2
45
Akselerator (10% av askemengde) ved 20C
14
Trykkfasthet, MPa
12
Med akselerator
10
8
Ca 1,5 Mpa
etter 15 minutter!
Referanse uten
akselerator
6
4
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Tid, dager
R Myrdal and R Griffith, Admixtures for Geopolymer Concrete: The performance of Accelerating
Admixtures, Paper presented at 2nd International Congress on Durability of Concrete, New Delhi, India,
4-6 December 2014, Conference Proceedings Paper No. 24, 11pp.
Myrdal and Griffith - Paper No 24 at 2nd ICDC New Delhi 2014.pdf
87
Geopolymer-sprøytebetong?
Trykkluft
Geopolymer betong
Akselerator
88
Gepolymer Sprøytebetong: Videre arbeid
Videreutvikle akseleratorer
Undersøke mekaniske egenskaper (styrke/fasthet, duktilitet, porøsitet, …)
Undersøke bestandighet (brann, …)
Samarbeid med University of Warwick (England) og andre
Geopolymer Sprøytebetong?
89