URLAKNING AV BETONG MED ELEKTRISK MIGRATION OCH FRYSNING UNDER TVÅNG

Abstract (Swedish)

Titel: Urlakning av betong med elektrisk migration och frysning under tvång
Författare: Kristoffer Karlsson
Handledare: Katja Fridh, Avdelningen för Byggnadsmaterial, Lunds Tekniska Högskola, Lund
Extern handledare: Per Mårtensson, Svensk Kärnbränslehantering AB, Stockholm
Examinator: Lars Wadsö, Avdelningen för Byggnadsmaterial, Lunds Tekniska Högskola
Problembeskrivning: Den dagen då Slutförvaret För kortlivat Radioaktivt avfall, SFR, i Forsmark försluts så kommer även pumparna att stängas av. Detta leder till att anläggningen kommer att stå under vatten och kommer efter lång tid att bli vattenfylld då grundvattennivån stiger. När vatten kommer i kontakt med betong så påbörjas en så kallad urlakning, det vill säga att vatten tar med sig vissa joner från ett annat ämne. I fallet med betong är det kalcium i form av kalciumhydroxid som först försvinner i och med kontakten med vattnet. Ett scenario är att om cirka 10 000 år så kommer landsområdet där anläggningen SFR finns vara täckt av permafrost, det vill säga när marktemperaturen är under 0 ˚C under ett år. Permafrosten orsakar en isbildning inuti den urlakade betongen vilket orsakar spänningar som betongen måste klara av att ta hand om. Tidigare studier är ej överens om hur betongen kommer klara av dessa spänningar, vilket är grunden för fortsatta studier i detta examensarbete.
Syfte: Syftet med detta examensarbete har varit att få en ökad förståelse över hur betongen i SFR, närmare bestämt bergssalen BMA, kommer att reagera på en framtida permafrost efter att betongen har blivit urlakad på kalciumhydroxid.
Metod: Examensarbetet påbörjades med en litteraturstudie för att få förståelse för hur tidigare urlakningsförsök med hjälp av elektrisk migration, samt tidigare försök till frysning under tvång har studerats. Därefter upprättades det egna försök med vissa justeringar (som att använda silikonrör istället för asfaltstejp) för att urlaka provkroppar i betong med hjälp av elektrisk migration. När provkropparna hade urlakats i ett visst antal dagar så vattenmättades de innan de placerades i en stålcylinder tillsammans med omgivande grus och vatten. Detta för att på något sätt efterlikna de verkliga förhållanden som kommer ske i SFR när permafrosten slår till.
Frysningen skedde under 150 timmar från 0 ˚C till -10 ˚C. Efter att provkropparna hade utsatts för både urlakning med elektrisk migration och frysning uppskattades betongens strukturförändringar med hjälp av gångtid med ultraljud, svepelektronmikroskop och porositetsberäkningar.
Slutsatser:
• Studien lyckades att återskapa Dr Babaahmadi försöksuppställning och urlaka betongprov till olika grad.
• Gångtiden med ultraljud ökar i snitt med 27% efter urlakning och 9% efter frysning
• Porositeten ökar på grund av urlakning och frysning i snitt med 23,5%.
• Isbildning sker mellan 0˚C och -3˚C.
• Provkropparna håller ihop trots svår urlakning och frysning.

Popular Abstract (Swedish)

Slutförvaring av kärnavfallet i Forsmark och permafrost.
Vad händer när en eventuell permafrost slår till om några tusen år? Kommer betongen raseras till ett grusliknande tillstånd och få barriäreffekten att upphöra? Eller kommer betongen klara av att stå emot påfrestningarna av permafrosten och behålla barriäreffekten?
Den dagen då Slutförvaret För kortlivat Radioaktivt avfall, SFR, i Forsmark kommer stänga och låsa portarna så kommer även pumparna att stängas av. Detta leder till att anläggningen kommer att stå under vatten och kommer efter lång tid att bli vattenfylld då grundvattennivån stiger. När vatten kommer i kontakt med betong så påbörjas en så kallad urlakning, det vill säga att vatten tar med sig vissa joner från ett annat ämne. I fallet med betong är det kalcium i form av kalciumhydroxid som först försvinner i och med kontakten med vattnet. Ett scenario är att om cirka 10 000 år så kommer landsområdet där anläggningen SFR finns vara täckt av permafrost, det vill säga när marktemperaturen är under 0 ˚C under ett år. Permafrosten orsakar en isbildning inuti den urlakade betongen vilket orsakar spänningar som betongen måste klara av att ta hand om. Eftersom tidigare studier inte är överens så skall detta examensarbete försöka efterlikna de möjligt kommande förhållandena i SFR för att kunna svara på dessa frågor.
För att svara på dessa frågor var en urlakning av provkroppar i betong tvunget att ske. För att inte behöva vänta på att provkropparna skulle urlakas naturligt (vilket skulle ta några tusen år i verkliga förhållanden) så genomfördes en accelererad urlakning med hjälp av en så kallad elektrolys med ammoniumnitrat och litiumhydroxid. Detta gjorde att ett jonutbyte skedde och provkropparna urlakades på några veckor istället för år. När provkropparna var urlakade var det dags för att frysa dem. För att efterlikna förhållandena i SFR så placerades provkropparna i en stålbehållare, och grus runt om provkropparna innan behållaren fylldes med vatten. För att efterlikna permafrost så frystes provkropparna väldigt långsamt, det vill säga från +0 ˚C till -10 ˚C under 150 timmar, och när provkropparna hade frysts färdigt så behöll provkropparna sin struktur!
För att få fram bevis på att provkropparna faktiskt hade urlakats så genomfördes en del tester på dessa, bland annat gångtid med ultraljud, porositetsberäkningar och bilder med ett scanning electron microscope (SEM). Gångtiden med ultraljud ökade mellan 1,7 och 7,5 µs efter elektrolysen vilket beror på att en urlakning har skett. Efter frysningen ökade gångtiden emellan 0,6 och 2,5 µs vilket borde bero på ett frysningen har gett en viss sprickbildning i betongen. Porositeten i provkropparna ökade från 24,1 % till 29,7 % vilket borde bero på urlakning och sprickbildning.

• author: Karlsson, Kristoffer
• supervisor: Katja Fridh
• organization: Division of Building Materials
• course: VBM820 20161
• year: 2017
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• report number: TVBM-5109
• other publication id: LUTVDG/TVBM-17/5109-SE (1-55)
• language: Swedish
• id: 8904817
• date added to LUP: 2017-03-22 08:44:09
• date last changed: 2017-03-22 08:44:09