Venjulegt fylliefni Kafli 3

1. Venjulegt fylliefni Kafli 3

2. Inngangur • Sementsefjuhlutfall í steypu er mismikið 30-38 % að rúmmáli • Fer eftir sementstegund og fylliefnum • Ef fylliefni eru opin (mikið holrými) eins og tilfellið er á Íslandi er þörf fyrir meiri sementsefju • Algengt er að sementsefjuhlutfall á Íslandi sé 33-38%

3. Inngangur • Frá sjónarhóli kostnaðar er æskilegt að nota: • mikið fylliefni • lítið sement • Aðrir þættir spila inn í • Visst lágmarkshlutfall sementsefju er þörf svo að hægt sé að leggja út steypu, koma henni í mótin, vinna með hana

4. Inngangur • Fylliefni eru mjög misjöfn • Bæði eru til náttúruleg fylliefni og tilbúin fylliefni • Náttúruleg fylliefni eru lang algengust í steypu • Náttúruleg fylliefni eru bæði til brotin og óbrotin • Óbrotin t.d. árfarvegir, gamlir sjávarkambar, sjávarefni • Brotið efni er unnið úr námum, sprengt og malað eða unnið með vélum og malað

5. Inngangur • Mismunandi eiginleikar fylliefna eru t.d.: • Jarðfræðileg uppbygging • Harka • Styrkur • Kornarúmþyngd • Holrými • Mettivatn • Alkalívirkni • Litur • Kornaform • Kornastærð • Kornastærðardreifing

6. Kornastærðir og dreifing • Hámarksstærð fylliefna fer eftir aðstæðum hverju sinni s.s: • Stærð og lögun móta • Lengd á milli steypustyrktarjárna • Kröfu um eiginleika steypunnar s.s. lekt • Algeng hámarksstærð liggur á milli 10-50 mm • Fylliefni eru flokkuð í mismunandi stærðarflokka til að auðvelda ákvörðun heildarkúrfu • Algengt hér að vera með tvo flokka t.d. • Sandur 0-8 mm • Möl 4-16 mm

7. Kornastærðardreifing 0-8 mm

8. Kornastærðardreifing 2-16 mm

9. Kornastærðardreifing, samsett kúrfa

10. Jarðefnafræðileg flokkun • Hægt er að skipta fylliefnum jarðefnafræðilega í marga flokka • Í öllum þessum flokkum er að finna bæði nothæft og ónothæft fylliefni • Á Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins hefur verið þróað berggreiningarkerfi • Þar er fylliefni flokkað eftir vissum aðferðum og hæfni þess metið með tilliti til notkunar í steinsteypu og slitlög á vegi

11. Berggreiningarkerfi Rb

12. Jarðefnafræðileg flokkun Storkuberg flokkast eftir kísilsýrumagni (SiO2) og storknunarstað

13. Jarðefnafræðileg flokkun • Hér á landi er nær eingöngu notað basalt sem fylliefni í steypu • Efnið er tekið úr sjó, árfarvegum, gömlum sjávarkömbum og brotið efni úr námum • Erlendis eru notaðar margar tegundir fylliefna s.s. • Granít, kalkstein, sandsteinn, quartz o.fl. • Ef teknar eru í notkun nýjar námur þarf alltaf að rannsaka vel efnið með tilliti til þeirrar notkunar sem áætluð er

14. Jarðefnafræðileg flokkun • Basalt er basískt gosberg • Við hraða storknun gosbergs vinnst gosgufunum ekki tími til að losna úr kvikunni áður en hún storknar • Bergið verður því blöðrótt, mikið holrými • Okkar basalt er mjög blöðrótt samanborið við fylliefni sem notað er víða í löndunum í kringum okkur

15. Jarðefnafræðileg flokkun

16. Áferð og lögun • Áferð og lögun fylliefnakorna hafa mikla þýðingu fyrir bæði ferska og harðnaða steypu • Kornin geta verið: • Ávöl • Köntótt • Kúlulaga (kílni) • Ílöng • Flögótt • Hrjúf • Slétt

17. Áferð og lögun • Best er að kornin séu kúlulaga og slétt sé eingöngu tekið tillit til vinnanleika ferskrar steypu • Flögótt og ílöng korn renna verr í sementsefjunni • Hrjúf korn krefjast meira vatns og sementsefju og valda þar að leiðandi því að vinnanleiki steypunnar verður verri

18. Brotið “þétt” landefni

19. Brotið opið landefni

20. Óbrotið “þétt” sjávarefni

21. Binding milli sementsefju og fylliefna í harðnaðri steypu • Áferð og lögun fylliefna hafa áhrif á styrk steypu, sér í lagi hástyrkleika-steypu • Í steypu með minni styrk er það sementsefjan sem gefur sig og þá hefur fylliefnið ekki eins mikla þýðingu • Gróft yfirborð korna gefur betri bindingu við sementsefju • Köntótt korn gefa betri bindingu

22. Styrkur fylliefna • Styrkur fylliefna er yfirleitt mun meiri en steinsteypu • Styrkur algengra fylliefna er á bilinu 80-400 MPa • Styrkur basalts eins og algengast er að nota sem fylliefni hér á landi er í hærri kantinum á þessu bili • Styrkur venjulegrar húsbyggingarsteypu er á bilinu 20-40 MPa • Hástyrkleikasteypa er allt upp í 120 MPa

23. Styrkur fylliefna

24. Styrkur fylliefna • Mjög hár stykur og fjaðurstuðull fylliefna er ekki endilega æskilegur • Meiri hætta á sprungum vegna spennumunar milli sementsefju og fylliefna ef um hreyfingu í steypuvirkinu er að ræða t.d. vegna hita- eða rakabreytinga

25. Seigla fylliefna • Seigla (e. Toughness) er mælikvarði á eiginleika efnis til að standast högg eða árekstur • Harka (e. Hardness) er mælikvarði á eiginleika efnis til að standast slit, svörfun t.d. • Slit fylliefnis í vegasteypu • Álag af straumvatni, sjó

26. Harka fylliefna • Slitþol fylliefna er þýðingarmikið • T.d. þegar steypa er notuð í • Slitlög á vegi • Afrennslisgöng frá virkjunum • Hér á landi er lítið um steypta vegi • Til eru staðlaðar aðferðir til að meta slitþol fylliefna t.d. Los Angeles próf

27. Eðlisþyngd fylliefna • Allt fylliefni er meira og minna pórótt (hefur holrýmd) • Pórur eru bæði opnar og lokaðar • Opnar pórur eru opnar fyrir vatni og efnum í sementsefjunni • Þess vegna þarf að skilgreina vel hvað átt er við með hinum ýmsu hugtökum um eðlisþyngd og rúmþyngd

28. Eðlisþyngd fylliefna • Eðlisþyngd (Specific gravity) • Hlutfall þyngdar á rúmmálseiningu efnis og þyngdar sama rúmmáls af vatni • Efni(kg/m3)/Vatn(kg/m3) • Kornarúmþyngd (Particle density) • Þynd efnis á rúmmálseiningu (kg/m3) og er því eðlisþyngd x 1000

29. Eðlisþyngd fylliefna • Heildar- eðlisþyngd eðaheildar- kornarúmþyngd(e. absalute specific gravity) • Eðlisþyngd efnis án allra póra (opinna og lokaðra) • Sýndar/sönn- eðlisþyngd eðasýndar/sönn- kornarúmþyngd(e. apparent specific gravity) • Eðlisþyngd efnis með lokuðum pórum en án opinna póra • Það er þessi skilgreining sem er venjulega notuð í steinsteyputækni

30. Eðlisþyngd fylliefna • Sýndar/sönn- eðlisþyngd (e. apparent specific gravity) • Hlutfallið: • Þyngd efnis sem hefur verið þurrkað í ofni, 100-110 °C í 24 tíma • Þyngd vatns með sama rúmmáli

31. Holrýmd og vatnsupptaka • Holrýmd, lekt og eiginleiki fylliefna til að taka upp vatn hafa mikil áhrif á ferska og harðnaða steypu • Holrýmd fylliefna er mjög misjöfn • Bæði er mikill munur á heildarrúmtaki og fínleika holrýmdar • Þó eru fíngerðustu pórur í fylliefnum stærri en gelpórur í sementsefju • Heildarholrýmd fylliefna getur verið á bilinu 0-50% • Þar sem fylliefni eru u.þ.b. 70% af rúmmáli steypu er því um umtalsverðan hluta að ræða sem þarf að taka tillit til

32. Holrýmd og vatnsupptaka • Þurrkað fylliefni • Loftþurrt fylliefni • Rakamettað og yfirborðsþurrt fylliefni • Blautt fylliefni

33. Holrýmd og vatnsupptaka • Ef fylliefni eru sett þurr í steypuna þá koma þau til með að taka upp hluta af blendivatninu • Ef fylliefni eru sett blaut í steypuna koma þau til með að gefa frá sér vatn, sem er þá viðbót við blendivatnið og hefur áhrif á v/s-töluna • Ef fylliefni eru sett rakamettuð og yfirborðsþurr í blönduna þá hvorki taka þau til sín né gefa frá sér vatn

34. Holrýmd og vatnsupptaka • Nauðsynlegt er að kanna rakaástand fylliefna áður en þau eru notuð í steypu • Sýni er tekið úr námu og vegið • Þurrkað í ofni ca.105°C og síðan vegið • Með því fæst heildarraki í fyllefninu • Samskonar sýni er tekið og mældur raki í því rakamettuðu og yfirborðsþurru • Með þessu fæst mismunurinn á heildarraka og raka í rakamettuðu og yfirborðsþurru sýni • Þeim raka er bætt við blendivatnið til að fá raunverulega v/s-tölu

35. Rakainnihald fylliefna • Ýmsar leiðir eru til að kanna raka í fylliefnum t.d. • Hægt er að taka sýni úr haugnum og mæla rakainnihald fylliefnanna t.d. með vissu millibili • Leiðnimælar eru til sem mæla rafleiðni, blautara efni - meiri leiðni • Bæði hægt að mæla leiðni í fylliefnunum sjálfum • eða steypunni eftir að allt vatn hefur verið sett í blandarann

36. Rúmtaksaukning sands v/rakaástands • Fínn sandur eykur rúmmál sitt við að blotna • Rakafilman utan á kornunum valda því að hvert og eitt korn tekur meira rúmmál • Þetta þarf að taka með í reikninginn ef efni eru mæld eftir rúmmáli í steypu-blönduna • Venjulega eru efni mæld skv. þyngd og því er þetta yfirleitt ekki vandamál

37. Rúmmálsbreytingar í fylliefni • Til eru fylliefni sem ekki eru frostþolin • Fylliefnin eru þá vatnsdræg og þenjast út í frosti • Þetta er ekki vandamál í fylliefni sem notað er í steypu hér á landi og ekki í löndunum í kringum okkur

38. Rúmmálsbreytingar í fylliefni • Alkalí- kísil efnahvörf geta valdið skaða í steinsteypu • Til að þetta geti átt sér stað þarf að vera til staðar • nægilegt magn alkalía (Na2O og K2O) í sementinu • laustbundin, hvarfgjörn kísilsýra í fylliefnu • og nægilegt vatn í harðnaðri steypu • Ef þetta er til staðar getur myndast gel sem þenst út • Rúmálsaukningin getur valdið sprungum í steypunni

39. Rúmmálsbreytingar í fylliefni • Til að verjast þessu: • Velja fylliefni sem ekki er alkalívirkt • Minnka magn alkalía í sementinu • Nota kísilryk í sementið • Nota önnur possolan efni • Verja steypuna fyrir vatni • Alkalí- kísil efnahvörf voru vandamál hér • Sérstaklega á árunum 1960-1980 á Stór-Reykjavíkursvæðinu • Á þessum árum var notað ísl. sement með háu alkalímagni 1,4%, og virkt fylliefni úr Hvalfirði • Kísilryk er notað í sementið frá Sementsverksm. á Akranesi allt frá 1980 • Alkalí- kísil efnahvörfin eiga sér stað samt sem áður vegna kísils í kísilrykinu. • Fínkorna rykið dreifir áhrifum þrútnunarinnar og ver steypuna á þann hátt fyrir skemmdum

40. Óhreinindi í fylliefnum • Aðallega er um þrenns konar óhreinindi að ræða • Óhreinindi sem hafa áhrif á hvörfun vatns og sements • Fínefni sem setjast utan á fylliefnakornin og mynda kápu sem hindra góða bindingu milli sementsefju og fylliefna • Fylliefnakorn sem eru veik fyrir og geta brotnað við lítið álag

41. Lífræn óhreinindi • Lífræn óhreinindi, eða húmus geta haft áhrif á hvörfun vatns og sements: • seinkað efnahvörfunum • valdið því að steypan nær ekki tilskyldum styrk • Þetta er prófað með Húmus prófi • Sýni er sett í glas með NaOH lausn • Litur lausnarinnar segir til um magn lífrænna óhreininda í lausninni • Því dekkri sem lausnin er því meira er af lífrænum óhreinindum í fylliefnunum

42. Fínefni í fylliefnum • Fínefni eru allra minnstu fylliefnakornin, leir, silti og ryk frá brotvélum • Leir < 2 µm eða 0,002mm • Silti 2 µm - 63 µm eða 0,002mm – 0,063 mm • Fínefni í fylliefnum þurfa að vera í lágmarki • Fínefnin setjast utan á fylliefnakornin og mynda kápu sem hindrar góða bindingu milli sementsefju og fylliefna • Fínefnin eru mjög vatnskrefjandi

43. Salt í fylliefnum • Salt í fylliefnum þarf að vera í lágmarki • Salt veldur fyrst og fremst skaða í járnbentri steinsteypu, tærir bendistálið • Salt er t.d. til staðar í fylliefnum sem tekin eru í sjó • Þannig efni þarf að skola með fersku vatni

44. Kornastærðardreifing • Þegar fylliefni eru notuð í steinsteypu þarf að rannsaka kornastærðardreifingu efnisins • Kornastærðardreifingin hefur fyrst og fremst áhrif á ferska steypu • Vinnanleika ferskrar steypu • Kornastærðardreifingin hefur einnig áhrif á harðnaða steypu • Lekt og endingu • Styrk og fjaðurstuðul

45. Kornastærðardreifing • Heildaryfirborðsflötur (e. Specific surface) allra fylliefnakorna er áætlaður út frá kornastærðardreifingu • Eftir því sem fylliefnin eru fínni þeim mun meira er heildaryfirboð þeirra og þeim mun meiri sementsefju þarf til að binda saman steypuna • Yfirborðsflötur (e. Specific surface) er hlutfall milli yfirborðs allra korna og rúmmáls þeirra, einingin er því (m2/m3)

46. Kornastærðardreifing • Best að hafa sem mest af fylliefnum og minnst af sementsefju og sem stærstar steinastærðir ef eingöngu er tekið tillit til kostnaðar • Best að hafa sem minnst af fylliefnum og mest af sementsefju og minnstar steinastærðir ef eingöngu er tekið tillit til vinnanleika steypunnar

47. Kornakúrfur • Kornakúrfur • Sýni er þurrkað • Sett í hristara með sigtastæðu • Hrist í tiltekinn tíma • Efnið sem stoppar á hverju sigti er síðan vegið • Með þessu móti fæst kornastærðardreifing efnisins

48. Kornakúrfur • Til að fá sem mestan styrk út úr steypublöndunni þá þarf hámarkspökkun hlutefnanna að nást • Því þarf korna- stærðardreifingin að vera hagstæð • Æskileg mörk eru sett inn á kornakúrfublöð

49. Stærsta steinastærð • Yfirborðsflatarmál fylliefna • Fínni fylliefni : • Meira yfirborðsflatarmál • Þörf fyrir meiri sementsefju • Dýrari steypa • Hlutfallið, fylliefni/sementsefja • Ef stærsta steinastærð er há • Þá er þörf fyrir minni sementsefju til að binda saman efnið • Stærri steinar Þ meiri hætta á aðskilnaði (e. Segregation) • Fínefni < 300mm þurfa að vera til staðar í blöndunni til að fá þjála steypu sem gott er að vinna með • Þá er einnig minni hætta á aðskilnaði, vegna þess að sementsefjan hefur hærri rúmþyngd

50. Stærsta steinastærð