Alternativa metoder för att uppskatta hållfasthet på bruk - Kan isoterm kalorimetri eller ultraljudsmätningar ersätta dagens hållfasthetsprovningar på bruksprismor?

Abstract (Swedish)

Betong är ett av världens mest använda byggnadsmaterial, men materialet har en stor klimatpåverkan i form av de koldioxidutsläpp som tillverkningen av det ingående cementet orsakar. Produktionen av cement står idag för mellan 5% och 7% av de globala utsläppen av koldioxid. För att minska betongens klimatpåverkan kan användandet av cement begränsas genom att ersätta delar av det med tillsatsmaterial, exempelvis masugnsslagg som är en restprodukt från stålindustrin.

De tryckhållfasthetsprovningar som idag används för att säkerställa kvaliteten på olika bindemedel är resurskrävande då prismor av bruk trycks till brott, vilket kräver mycket material men även stora arbetsinsatser och kostnader. Med den ökande användningen av olika tillsatsmaterial och nya bindemedelsblandningar har även behovet av effektiva kvalitets-kontroller ökat. Att hitta alternativa oförstörande metoder för att uppskatta hållfastheten är därmed ekonomiskt värdefullt för cement- och betongindustrin men även värdefullt ur klimatsynpunkt genom minskad materialåtgång.

Syftet med detta examensarbete är att utreda om hållfasthet hos bruk kan uppskattas genom värmemätningar med isoterm kalorimetri eller mätning av dynamisk elasticitetsmodul med ultraljud. Detta görs för bruk med olika halt masugnsslagg och vid två olika härdnings-temperaturer. Två samband undersöks, ett samband mellan utvecklad värme och tryckhåll-fasthet samt ett mellan dynamisk elasticitetsmodul och tryckhållfasthet.

Resultatet visar att det finns ett linjärt samband mellan den utvecklade värmen och tryckhållfastheten för de studerade blandningarna, oavsett halt masugnsslagg och härdnings-temperatur. Att ett gemensamt samband för de olika blandningarna erhölls antas däremot, med stöd av tidigare studier, även bero på att blandningarna hade ett konstant vattenbindemedelstal. Även ett samband mellan dynamisk elasticitetsmodul och tryckhållfasthet kunde identifieras, men ultraljudsmätningarna visade större variation och osäkerhet.

Slutsatsen är att oförstörande metoder har god potential att komplettera eller i vissa fall ersätta dagens hållfasthetsprovningar. Isoterm kalorimetri framstår som en tillförlitlig metod för att uppskatta tryckhållfasthet. Däremot, på grund av osäkerheten i ultraljudsmätningarna, behöver vidare studier genomföras för att säkra tillförlitligheten hos metoderna.

Abstract

Concrete is one of the most widely used construction materials in the world, but it has a significant environmental impact due to carbon dioxide emissions from the production of its main component, cement. Cement production accounts for 5% to 7% of the current global carbon dioxide emissions. To reduce the environmental impact of concrete the use of cement can be limited by replacing parts of it with supplementary cementitious materials, such as ground granulated blast furnace slag which is a byproduct of steel production.

The compressive strength tests currently used to ensure the quality of different binders are resource intensive as they involve destructive testing that requires large amounts of material as well as substantial labour and costs. With the increasing use of supplementary cementitious materials and alternative binders, the need for methods for more efficient quality control has also increased. Finding alternative non-destructive methods for estimating compressive strength is therefore economically beneficial for the cement and concrete industry, but also environmentally valuable by reducing the material consumption.

The aim of this thesis is to investigate if the compressive strength of mortar samples can be estimated by heat measurements using isothermal calorimetry or by measuring the dynamic modulus of elasticity using ultrasonic testing. This is done for mortars with varying amounts of blast furnace slag and at two different curing temperatures. Two correlations are examined, the correlation between compressive strength and developed heat, as well as between compressive strength and the dynamic modulus of elasticity.

The results show a linear relationship between developed heat and compressive strength for the studied mixtures, regardless of slag content or curing temperature. The linear relationship is however, based on previous studies, also assumed to depend on the mixtures having the same water-to-binder ratio. A relationship between the dynamic modulus of elasticity and compressive strength was also identified, although it showed larger variability and uncertainty.

In conclusion, non-destructive methods have high potential to complement or partially replace the currently used methods for strength testing. Isothermal calorimetry appears to be a reliable method for estimating the compressive strength. However, due to the uncertainties of the ultrasonic methods further studies are needed to ensure their reliability.

Popular Abstract (Swedish)

Effektivare kvalitetskontroller för framtidens cementindustri

Idag kontrolleras kvaliteten på bindemedel i betong genom hållfasthetsprovning där prover av bruk trycks till brott. Denna metod är både kostsam, tidskrävande och slösar material. I denna studie undersöktes om de alternativa metoderna värmemätning eller ultraljudsmätning kan användas för mer effektiva kvalitetskontroller.

Betong är ett av världens mest använda byggnadsmaterial - men också en stor källa till koldioxidutsläpp. Ett sätt att minska betongens klimatpåverkan är att ersätta delar av cementet i betongen med tillsatsmaterial, till exempel masugnsslagg som är en restprodukt från stålindustrin. Det ökande användandet av olika tillsatsmaterial och nya bindemedelsblandningar leder till ett större behov av effektiva kvalitetskontroller inom cementindustrin.

I detta arbete undersöktes om värmemätning med isoterm kalorimetri eller mätning av den dynamiska E-modulen med ultraljud kan användas för att uppskatta tryckhållfastheten hos bruk med olika mängd masugnsslagg som härdat vid två olika temperaturer.

Isoterm kalorimetri är en metod som mäter den värme som utvecklas när cement reagerar med vatten. Resultatet av studien visar att det finns ett linjärt samband mellan den utvecklade värmen och tryckhållfastheten, oberoende av halten masugnsslagg och temperatur. Detta beror sannolikt även på att de olika blandningarna innehåller lika mycket vatten, vilket tidigare studier visat ger ett gemensamt samband för olika bindemedelsblandningar.

Ultraljudsmätning innebär att en ultraljudsvåg skickas genom en provkropp. I studien användes två ultraljudsmetoder: en som mäter ljudvågens egenfrekvens och en som mäter dess hastighet. Med egenfrekvensen eller hastigheten kan sedan den dynamiska E-modulen beräknas. Resultatet visade att det även finns ett samband mellan den dynamiska E-modulen och tryckhållfastheten, men att detta samband hade större osäkerhet än det för kalorimetrin.

Slutsatsen är att värmemätningar och ultraljudsmätningar har god potential att komplettera eller i vissa fall ersätta dagens hållfasthetsmätningar, och därmed effektivisera cementindustrins kvalitetskontroller.

• author: Dysting, Ebba
• supervisor: Lars Wadsö
• organization: Division of Building Materials
• course: VBMM01 20251
• year: 2025
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: isoterm kalorimetri, ultraljud, tryckhållfasthet, värme, dynamisk elasticitetsmodul, bruk, cement, masugnsslagg
• publication/series: LUTVDG/TVBM
• report number: 5142
• other publication id: LUTVDG/TVBM--5142--SE
• language: Swedish
• id: 9208179
• date added to LUP: 2025-07-21 10:59:07
• date last changed: 2025-07-21 10:59:07