All-round sement produsert med ubetydelig CO 2 utslipp, og som gir tett betong uten synlige svinnriss Harald Justnes SINTEF Byggforsk Trondheim
Ubetydelig CO 2 utslipp i tittel betydelig overdrevet I alle fall når man snakker om Portland sement og det vil man fortsatt gjøre i overskuelig fremtid. Produksjon av 1 tonn Portland sement slipper ut ca 900 kg CO 2 fordelt ca 50/50 på spalting av kalkstein i råmel og fra brennstoff (ofte kullstøv). Vårt mål er å redusere dette med minst 30% og fortsatt ha en all-round sement (altså ikke nisjeprodukt). Norcem allerede redusert brennstoff ved å bruke avfall Målet kan nås ved å erstatte 30% av sementklinker med et pozzolan som flygeaske, kalksteinsmel etc.
Strategi er å lage ternær sement Fordelaktig å maksimere konvertering av flytende vann til krystallvann (kjemisk bundet vann). Pozzolaner med høyt aluminatinnhold vil i reaksjon med kalsiumhydroksid fra sementhydratasjonen produsere kalsiumaluminathydrater (f eks Ca 3 Al 2 O 6 6H 2 O) Disse vil relativt raskt kunne reagere med kalkstein til kalsiumkarboaluminathydrat; Ca 3 Al 2 O 6 6H 2 O + CaCO 3 + 5 H 2 O = Ca 3 Al 2 O 6 CaCO 3 11H 2 O
Ternær sement definert i EN 197-1 Hvis silikarik flygeaske (V) brukes som pozzolan (allerede ved Norcem), så kan man lage en CEM II/B-M (V-L) eller (V-LL) ved å kombinere med kalksteinsmel opptil 35% erstatning av sementklinker (= kort sikt) Hvis man bruker et industrielt pozzolan (Q) bestående av kalsinert leire med store forurensinger av kalkstein (marl) kan man tenke seg å lage en CEM IV/B (Q) med opp til 55% erstatning av sementklinker (= lengre sikt) Prisen man betaler er lavere tidligfasthet (akseleratorer)
Prinsipper for tett betong Lav permeabilitet ved hydrofobering mindre opptak av flytende vann med oppløste aggressiver samtidig uendret gasstransport (uttørking) burde gi tørrere poresystem og stoppe nedbrytningsreaksjoner Lav porøsitet ved forbedret partikkelpakking Viktig å tenke partikkelpakking i våt tilstand (ikke tørre pulver som de fleste andre) da sement har reaktiv overflate og nåleformet ettringitt dannes før størkning Erstatte finfraksjon av sement med langsomt reagerende partikler
Partikkelpakking i vått bindemiddel Nåleformet ettringitt som dannes etter kontakt med vann kan hindre optimal pakking av sementkorn i fersk tilstand.
Vegetabilsk olje virker hydrofoberende water absorption (kg/m^2) 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 cast discs cured 28 days 0 100 200 300 400 500 600 sqroot time (s) REF. I 0.5%RAPE 1%RAPE 1.5%RAPE Rapsolje er den billigste av de vegetabilske oljene Også en av de mest virkningsfulle testet som bioadmixtures
Vegetabilsk olje virker hydrofoberende Water Suction - Olive Oil 3.50 3.00 kg/m2 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 Ref 0.5% Olive 1.0% Olive 1.5% Olive 0.00 0 200 400 600 800 Sqrt(t) 3 år gammel mørtel lagret fuktig ved 20 C effekten holder seg Eksempel olivenolje, men rapsolje billigst og best
Betong uten synlige svinnriss 3 prinsipp utredet i 3 statusrapporter; 1. Redusert svinnriss ved bruk av tilsetninger og tilsetningsstoffer som modifiserer matrisen 2. Innflytelse av fiber på svinnriss pga plastisk svinn og uttørkingssvinn (fordeling av riss) 3. Redusert svinnriss ved intern herding av betong
Bruk av tilsetninger og tilsetningsstoffer Motvirker autogent svinn og uttørkingssvinn 1. Ekspanderende tilsetninger (f eks CaO, MgO, ettringittdannende); CaO + H 2 O = Ca(OH) 2 2. Svinnreduserende tilsetningsstoffer som reduserer overflatespenningen til vannet i menisker i kapillærporene og dermed også kontraksjonen (ofte derivater av propylenglykol) Litteraturdata har vist en interessant synergi mellom CaO og svinnreduserende tilsetningsstoffer
Svinnreduserende tilsetningsstoff Mørtel (w/c = 0.35) med og uten 2% svinnreduserende TSS Bentz et al. Cement and Concrete Research Vol. 31, 2001, pp. 1075-1085
Prinsipp for intern herding Motvirker tap av flytende vann i matrisen grunnet uttørking og/eller kjemisk svinn og dermed meniskdannelse i kapillærporene ved å etterfylle disse Kjemisk svinn skyldes at hydratasjonsproduktene har mindre volum enn sement+vann 100 kg hydratisert sement gir ca 6 liter tomme porer Dvs det samme som 1 m 3 betong med 330 kg sement og en hydratasjonsgrad på 30% første døgn Selv uten uttørking er det altså et underskudd på 6 liter vann det første døgnet
tomme porer gir strekk-krefter Pore water pressure (mm waterpile) 150 100 50 0-50 -100-150 -200-250 -300-350 -400-450 -500 Pore water pressure at a depth of 50 mm Hydrostatic pressure = point of "self support" Menisci starts to develop 0 1 2 3 4 5 6 Time after casting (hours) T r y k k S t r e k k
Effekt av indre vannreservoar FSF = referanse mørtel med 8% SF og v/(c+s) = 0.30 SAP = 0.4% superabsorberende polymer, LWA erstatter 8 eller 20% sand
Interessante mulige kombinasjoner Suspensjon av cellulose fiber (Borregaard) kan kombinere fiberforsterkning og vannreservoar Erstatning av naturlig sand med fin LWA (maxit group) vil fungere som vannreservoar, men kan også brukes til å dosere tilsetningsstoffer som ellers f eks ville ha utsatt størkning (enkelte hydrofoberende stoffer?)