Embedded Files
Íslenskt possólansement
Íslenskt possólansement
Grænt og umhverfisvænt sement
Rannsóknir og þróun
Samvinna Sementsverksmiðju ríkisins og Rannsóknastofnunar byggingariðnaðarins síðustu þrjá áratugi tuttugustu aldar.
( Tekið saman af Guðmundi Guðmundssyni fyrrverandi tæknilegum framkvæmdastjóra Sementsverksmiðju ríkisins )
Venjulegt Portlandsement ( ordinary Portland cement ):
Lang stærstur hluti þess sem í daglegu máli er nefnt sement er venjulegt Portlandsement sem framleitt er úr sementsgjalli. Sementsgjall er framleitt með því að hita upp og brenna blöndu af hráefnum í stórum sementsofnum við hátt hitastig ( 1400 – 1500 C° ). Aðalhráefnin eru kalsíumkarbónat og álsiliköt. Kalsíumkarbónat finnst helst í náttúrunni sem kalksteinn, krít, skel og marmari en álsiliköt í alls konar leirsamböndum. Blanda af kalki og leirsamböndum sem finnst víða í náttúrunni er oft notuð í sementsframleiðslu. Hlutfall aðalhráefnanna í hráefnablöndunni kalk á móti leirsamböndum er venjulega um 3:1 þannig að langmest er af kalki. Auk kalks- og kísilsambanda er mikilvægt að hráefnablandan innihaldi ál- og járnsambönd. Þekkt er hvaða hlutföll þessara aðalefna sementsins gefa best sementsgæði og hráefnablandan valin eftir því. Fyrrum var hráefnablandan reiknuð með sérstakri reiknireglu sem byggði á efnagreiningu hráefnanna ( Bogue formula). Nú er einnig litið til annarar samsetningar og gerðar efnanna t.d. kristalbyggingar og smásjár- og/eða röntgengeislagreiningar sem notaðar eru til hliðsjónar og leiðréttingar.
Efnaskiptin sem verða við brennsluna í ofninum er að fyrst brennur kalkið, það missir koldíoxíð og verður að brenndu kalki. Efnaskiptin líta þannig út:
CaCO3 à CaO +CO2
CaCO3 er kalsíumkarbónat, CaO er brennt kalk og CO2 er koldíoxíð.
Þessi efnahvörf eiga sér stað í ofninum við hitastig milli 700 og 900 °C. Þegar efnið í ofninum færist nær eldinum hefst hin eiginlega myndun sementsgjallsins en það er sameining brennda kalksins og kísilsýrunnar ásamt samböndum áls og járns í leirsamböndunum. Verða þá til vatnsbindandi kalksilíköt sem eru grundvöllurinn að eiginleikum sementsins. Þessum efnabreytingum er lokið við neðra enda ofnsins þar sem hitastigið er 1400 -1500 °C, sem er rétt undir bræðslumarki sementsgjallsins ( sintering ). Venjulega þarf 1.6-1.7 tonn af þurri hráefnablöndu til að framleiða eitt tonn af sementsgjalli.
Sameining brennda kalksins og kísilefnasambanda hráefnablöndunnar er flókin efnaskipti. Til að einfalda framsetningu hennar er venjulega notuð einföld súrefnissambönd þeirra frumefna sem taka þátt í efnaskiptunum. Koma þar auk kalks ( CaO ) og kísilsýru ( SiO2 ) aðallega áloxíð ( Al2O3 ) og járnoxíð ( Fe2O3 ) við sögu ásamt minna magni af oxíðum magnesíum ( MgO ) og alkalímálma ( Na2O og K2O ). Eftir brennsluna er sementsgjallið aðallega samsett úr fjórum efnasamböndum eða efnafösum eins og þau eru venjulega nefnd. Aðalefnasamböndin eru tvö sambönd kalks og kísilsýru. Mikilvægast þeirra er þrí-kalsíumsilikat ( 3 CaO . SiO2 ) þar sem þrír hlutar kalks er bundið einum hluta kísilsýru. Þetta efnasamband er oft nefnt alít í sementsefnafræðinni og jafnan táknað með C3S. Næst kemur svo tví-kalsíumsilikat ( 2 CaO . SiO2 ) tveir hlutar kalks á móti kísilsýru og er oft nefnt belít og táknað sem C2S. Allt járnoxíð í sementsgjallinu binst kalki og áloxíði í efnasambandi sem nefnt er kalsíumálferrít ( 4 CaO . Al2O3 . Fe2O3 ), sem táknað er sem C4AF , en það sem svo er eftir af áloxíði binst kalki og myndar efnasambandið þrí-kalsíumalúmínat ( 3CaO . Al2O3 ), táknað C3A . Það sem eftir er af kalki er nefnt frítt kalk . Í íslenska sementsgjallinu eru hlutföll þessara efna: C3S = 56%, C2S = 16%, C4AF = 11% og C3A = 9%. Auk þessara efna er í íslenska gjallinu um 4% af magnesíumoxíði ( MgO ) og 1.5% af alkalíoxíðum ( Na2O og K2O ). Íslenska sementsgjallið er Portlandgjall og verður að Portlandsementi við mölun í stórri kúlukvörn. Við mölunina er um 5% af gipsi ( CaSO4 ) blandað saman við gjallið.
Portlandsement er notað sem bindiefni í steinsteypu og múr. Það eru aðallega efnasamböndin C3S og C2S sem hafa bindieiginleika. Þessi efnasambönd hafa þann eiginleika að sé hæfilegu magni af vatni blandað saman við þau storkna þau og harðna og binda þannig fylliefni ( möl og sand ) sem notuð eru í steinsteypu eða múr. Gipsið takmarkar hraða storknunarinnar, án þess myndi sementið harðna innan fárra mínútna en vegna gipsins er steypa vinnanleg í nokkrar klukkustundir. Í byrjun er það C3A sem veldur upphafsstorknun sementsefjunnar en C3S og C2S eru sementsfasarnir sem síðan taka mestan þátt í hörðnun sementsefjunnar.
Sementsefjan myndast þegar sement er blandað hæfilegu magni af vatni ( H2O ). Efnaferlið sem þá fer í gang nefnist vötnun ( hydration ) sementsins. Portlandsement þarfnast um 25% af vatni til að ná fullri vötnun. Steinsteypa þarfnast þó verulega meira af vatni til að ná nægjanlegri þjálni til að geta runnið vel í steypumót. Þetta viðbótarvatn myndar holrými í steypunni þegar hún þornar. Holrýmin gera hana bæði veikari og óþétta. Hún verður þannig útsett fyrir innstreymi vatns eða annara ágengra vökva í holrýmin sem geta sprengt hana ( frostáhrif ) eða tært innan frá. Því er ljóst að hlutfall sements á móti vatni þ.e. svonefnd vatnssementstala ( v/s tala ) hefur aðaláhrif á styrk harðnaðrar sementsefju.Lág v/s-tala hækkar styrkinn en há lækkar hann. Sementsefjan myndast þegar sement er blandað hæfilegu magni af vatni ( H2O ). Hæfilegt hlutfall vatns í sementsefjunni er að vatn á móti sementi ( vatn-sementstala eða v/s tala ) sé 0.5 eða lægra.
Vatnið gengur fyrst í samband við C3A. Það efnaferli gengur mjög hratt en gipsið hægir á því svo að storknun sementsefjunnar tekur nokkrar klukkustundir. Hörðnun sementsefjunnar hefst svo í beinu framhaldi af storknuninni og vatnast C3S verulega hraðar en C2S. Við áhrif vatnsins myndast hlaup kalsíumsilikathydrats ásamt kalsíumhydroxíði. Vatnið er þá í styttu formi nefnt H. Vötnun C3S má í grófum dráttum setja fram á eftirfarandi hátt:
3 CaO .SiO2 + vatn à Ca ( OH )2 + xCaO . ySiO2 . vatn
eða C3S + H à CH + CSH
Þetta efnahvarf heldur áfram þó að vatnsupplausn sementsefjunnar sé orðin mettuð af kalsíumhydroxíði ( Ca ( OH )2 ( CH ) en það fellur þá út í upplausninni í kristalformi. Kalsíumsilikathydratið ( CSH ) sem myndast liggur þá fyrir sem stöðugt efnasamband í snertingu við hina mettuðu kalsíumhydroxíð-upplausn. Hörðnun sementsefjunnar byggist á kristöllum CSH sem falla út við vötnun sementsins. Þessir kristallar eru nálalaga og netjast saman í kristalnet sem gefur sementsefjunni styrk. Því hægar sem kristalmyndunin gengur því lengri verða kristalnálarnar og þar með styrkurinn. Því er langtímastyrkur sements með háu C2S innihaldi meiri en sements með háu C3S innihaldi, en C3S gefur hærri byrjunarstyrk. Auk CSH tekur kalsíumalúminathydrat ( CAH ) þátt í styrkleikamynduninni þó í miklu minna mæli sé.
Styrkur harðnaðrar sementsefju fer mest eftir því hversu þétt kristalbygging þessara efnasambanda verður við hörðnunina. Því meiri holrými því veikari er sementsefjan. Vatn sem ekki tekur þátt í efnaferlinu þ.e. binst ekki hydratinu ( CSH ) myndar og fyllir holrými í sementsefjunni og þegar efjan þornar hverfur vatnið og skilur eftir sig holrými. Þessi holrými valda svo samdrætti eða rýrnun í efjunni þegar hún þornar með tilheyrandi sprungumyndun. Hlutfallið eða jafnvægið milli CSH og CH hefur einnig áhrif á holrými og þéttleika efjunnar þó í minna mæli sé. Aukning á myndun CSH í efjunni hefur þannig styrkjandi áhrif á sementsefjuna. Hér kemur einmitt til jákvæð áhrif possólanefna á styrk og þéttleika sementsefjunnar þar sem þau bindast kalsíumhydroxíðinu sem er frítt í efjunni og mynda viðbótar-CSH ásamt því sem þau lækka kalsíumhydroxíðstyrkinn ( CH ) í upplausninni og meira CSH myndast þá úr því sementi sem ekki hafði vatnast.
Possólanar, possólanefni:
Possólanar er alþjóðlegt orð líkt og sement og hefur ekki verið þýtt á íslensku. Possólanar eru venjulega skilgreindir sem efni sem ein sér hafa ekki sementsbindandi eiginleika en með kalsíumhydroxíði mynda þeir svipuð efnasambönd og sement. Posólanefni eru venjulega notuð sem íblöndun eða viðauki í samsett eða blönduð sement ( cement extender ) eða í steinsteypublöndur til þess að auka langtíma styrk steypunnar, þéttleika og fleiri eiginleika hennar svo sem vörn gegn alkalíþenslu. Almennt eru possólanar úr glerkenndum silikötum og álsilikötum og eru með minni kornastærð en 45 µm ( µm =10-3 mm ) . Við vötnun sementsins verður vökvinn í sementsefjunni mjög basískur ( Ph - gildi = 13 eða hærra ) sem hefur mjög jákvæð áhrif á virkni possólanefnanna. Hátt basastig í efjuvökvanum veldur því að silikat-kristalbygging possólananna brotnar niður í smærri einingar og getur þá betur bundist kalsíumhydroxíðinu og myndað viðbótar kalsíumsiliköt eða kalsíumalúminíumsiliköt. Kalsíumhydroxíði sem hefur ekki bindieiginleika og er veikur hlekkur í hörðnun steypunnar er þannig skipt út fyrir kalsíumsilikathydröt og alúminíumsilikathydröt sem dreifa sér inn í holrými steypunnar, styrkja hana og þétta. Því fínni sem possólanefnin eru því virkari eru þau og mynda hraðar sementsbindiefnin og ná þá jafnframt fljótar styrk í steypunni. Á líkan hátt og vötnun sementsins fer fram má skrifa efnaferli possólansambandanna þannig:
CH + SH à CSH
þ.e. kalsíumhydroxíð + kísilsýra gefa hliðstæð kalsíumsilikat-hydröt og sementið. Við efnaferlið hverfur kalsíumhydroxíð sem ekki hefur styrkleikamyndandi áhrif í sementsefjunni en kalsíumsilikathydrat kemur til viðbótar við það sem fyrir er. Það fyllir upp í holrýmin í steypunni og gerir hana sterkari og þéttari en áður. Í þessu liggja possólanáhrifin, aukinn styrkur og aukin ending steypunnar.
Styrkleikamyndun steypu með possólansementi eða possólaníblöndun er jafnan hægari en með Portlandsementi eingöngu. Skýringin á því er að efnahvörfin með sementsfösunum eru hraðari en með possólanefnunum einkum ef kornastærð þeirra er mikil. T.d. er hraði efnahvarfa með fínum possólanefnum eins og kísilryki álíka og með hreinu Portlandsementi.
.Possólönum má skipta í tvo aðalflokka. Náttúru- possólana og gerfi- eða iðnaðarpossólana. Náttúru- possólanar eru oftast einhvers konar eldfjallaaska en þeir geta líka innihaldið viss jarðefni úr kísilþörungum ( t.d. kísilgúr ). Gerfi- eða iðnaðarpossólanar eru aftur á móti efni sem orðið hafa til við ýmis konar brennslu eða meðhöndlun jarðefna eða eldsneytis svo og úrgangur frá iðnferlum. Notkun possólana í sement og steinsteypu hefur vaxið mjög á síðustu tímum og ekki síst á síðustu áratugum þar sem notkun þeirra dregur mjög úr myndun gróðurhúsalofttegunda. Possólanefnin koma í stað sementsgjallsins en gjallbrennslan hefur mikla CO2 myndun í för með sér. Algengt er að allt að 40% sementsgjallsins sé skipt út fyrir possólanefni við sementsmölun eða álíka magn þeirra komi í stað sements við steinsteypugerð. Við nútíma steypugerð, með nákvæmri hönnun steypublanda og þeim hjálparefnum ( t.d. þjálniefnum ) sem notuð eru, hefur tekist að nýta hátt hlutfall possólanefna án þess að styrkur bidiefnablöndunnar lækki að ráði.
Uppruni og saga possólanefna:
Talið er að brennsla kalks sem er fyrsta stig brennslu sementsgjalls hafi verið þekkt fyrir 10.000 árum síðan. Grikkir og síðar Rómverjar til forna uppgötvuðu þegar 6-700 árum fyrir Kristsburð ( f.K. ) að ef þeir blönduðu kísilsýruríkum efnum í kalkmúrinn varð hann sterkari og harðnaði jafnvel undir vatni. Var þar bæði um að ræða brenndan leir og gosösku. Ef kalksteinninn var með óhreinindi af þessum efnum við brennslu myndaðist vatnsbindandi efni við brennsluna auk brennda kalksins sem binst fyrir áhrif lofts en harðnar ekki í vatni. Sama gerðist ef kísilefnum var beinlínis blandað saman við gerð kalkmúrs. Var íblöndunarefnið þá nefnt possólanefni eftir þorpi nálægt Napólí á Ítalíu sem heitir nú Pozzuoli en Puteoli á dögum Rómverja. Þannig blanda var notuð í mörg mikilvægustu mannvirki Rómverja svo sem rómversku böðin, Coliseum og Pantheum í Róm og Pont du Gard vatnsleiðsluna í Suður Frakklandi. Vitruvius Pollio ( á fyrstu öld f.K. ) talaði um 2 hluta possólanefna á móti 1 hluta af kalki í bindiefnið. Dýrafita, mjólk og blóð var notað í múrinn sem hjálparefni, þau juku þjálni og þéttleika. Þessi mannvirki standa enn í dag. Má þar nefna Colosseum, Pantheon, Caracalla böðin ásamt fjölmörgum öðrum mannvirkjum sem byggð voru í Grikklandi, á Ítalíu, í Frakklandi, á Spáni og Miðjarðahafseyjunum. Þau voru byggð úr kalkblöndum með íblöndun náttúrupossólana. Sérstaklega má nefna þá frægu byggingu í Róm, Pantheon, en bygging hennar hófst 27 f.K. Pantheon var sameiginlegt musteri allra guða ríkistrúar Rómverja en varð kristin kirkja á áttundu öld e.K. Mannvirkið er enn í góðu ástandi og hefur verið í stöðugri notkun frá byggingu. Samsetning steypunnar sem notuð var í hvolfþaksbyggingu Pantheon er enn leyndardómur. Ójárnbent nútíma steypa mundi vart standast það álag sem á henni hvílir. Samkvæmt rómverskum heimildum var steypan gerð úr kalki, fyrsta flokks possólanösku frá nálægu eldfjalli og hnefastórum steinum. Mikið beygjuþol steypunnar er helst skýrt með því að hún hafi verið gerð í smáum skömmtum og þjöppuð mjög vel og þannig hafi fengist þétt steypa með miklum styrk.
Í fornöld og fram á 20. öldina voru það nær eingöngu náttúrupossólanar sem notaðir voru í gerð steinsteypu. Í heiminum er talið að séu 1282 eldfjöll sem hafa verið virk síðustu 10.000 árin. Aðeins fá þeirra hafa skilað hágæða possólönum en það þekktast er Santorin eldfjallið í Grikklandi sem gaus 1.600-1.500 f.K.svo og Vesuvius við Napólíflóann sem gaus 79 e.K..
Bæði Rómverjar og Grikkir til forna gerðu sér ljósa þýðingu þess að nota fínmalaða gosösku saman við kalk og sand til að gera múrblöndur. Grikkir notuðu gosösku frá eyjunni Thera ( nú Santorin ) en þetta efni nýtur ennþá hylli meðal bænda á Santorin sem nota sömu blönduna og Forngrikkir. Possólanefnið sem Rómverjar notuðu mikið var rauð gosaska sem fyrirfinnst víða við Napólíflóann og besta efnið er að finna í nágrenni bæjarins Puzzuoli. Væri gosaska ekki tiltæk möluðu Rómverjar saman við kalkið brendan leir t.d. úr flísum og leirtaui en blandan hafði álíka eiginleika og gosaskan. Rómverjar báru þekkinguna með sér út í fjarlæga hluta heimsveldisins og múrverk sem fundist hefur t.d. í Englandi hefur reynst standa jafnfætis því besta á Ítalíu. Mulinn tígulsteinn var venjulega notaður á þessum stöðum en á fáeinum svæðum var þó gosaska notuð t.d. við Rín í Þýskalandi ( Trass ).
Eftir Rómverjatímabilið minnkuðu gæði múrblandna stöðugt á meginlandi Evrópu og hélt sú þróun áfram gegn um miðaldirnar. Var þar aðallega um að ræða versnandi verklag t.d. illa brennt kalk, óhreinindi og slæm blöndun múrsins en einnig tapaðist þekkingin á notkun possólanefnanna. Þekkingin á mikilvægi possólanefna til að bæta gæði kalkmúrs var að mestu að finna í ritum Vitruviusar sem rituð voru á latínu. Það voru helst katólskir munkar sem gátu lesið latínu en þeir svo og kirkjuhöfðingar, konungar og aðrir ríkjastjórnendur þessa tíma höfðu meiri áhuga á öðrum málefnum en þróun byggingaefna. Eftir fimmtándu öld fara gæði múrblandnanna aftur batnandi. Rómverska blandan hélt lengi yfirburðum sínum sem eina nothæfa efnið í mannvirki undir vatni. Bernad Forest de Belidor ( 1698 – 1761 ) verkfræðingur í franska hernum var lengi aðal sérfræðingur á sviði vatnamannvirkja. Hann mælti með vandlegri blöndun á muldum tígulsteini, steinvölum og flögum frá járnsmíði sem hreinsað hafði verið af kolum og óhreinindum, þurrkað og sigtað en síðan blandað saman við ferskt leskjað kalk ( brennt kalk meðhöndlað með vatni ). Hann nefnir einnig notkun possólanefna þar sem þau efni voru til staðar.
Eiginleikar possólana og þróun possólansements:
Þegar við nálgumst nútímann hefst mikilvægasta framþróunin í sementsgerð skömmu fyrir upphaf 19. aldar með gerð Portlandsements. Það var Englendingurinn John Smeaton ( 1724 – 1792 ) sem var sporgöngumaður þess að rannsaka samsetningu og brennslu þess sements sem átti eftir að vera undanfari nútíma sementsgerðar. Hann vann það verkefni 1756-1759 að endurbyggja Eddistone vitann við Ermarsund. Þar sem steypan þurfti að geta harðnað undir vatni gekk ekki að nota venjulegan kalkmúr sem harðnar aðeins í lofti ( með upptöku CO2 ). Hann brenndi því enska kalkið með innfluttum possólanefnum frá Ítalíu. Upp úr því verða miklar framfarir í brennslu sementsgjalls með aukinni notkun kísilefna og hækkuðu brennsluhitastigi og varð þá notkun Portlandsements smám saman ráðandi í steypugerð.
Síðar kom einnig í ljós að fínmalaðir náttúrupossólanar sem bætt var í sementið eða steypublöndurnar kölluðu fram í steypunni aukin gæði svo sem aukna endingu, aukinn langtímastyrk, vörn gegn ýmsum efnaáhrifum, minni varmamyndun, meiri þéttleika o.fl. Þegar farið var að mala possólanefni saman við sement var það sement nefnt possólansement eða blandað sement ( blended cement ). Hefur possólansement verið notað með góðum árangri í mannvirki sem verða fyrir mikilli áraun t.d. í háhýsi, vegi, stíflur, brýr, hafnir, jarðgöng, frárennslisgöng o.s.frv. Gosaska finnst einkum á svæðum þar sem virk eldfjöll eru t.d. við Miðjarðarhafið, á Kyrrahafssvæðinu og mið- og austurhluta Arfríku. Hún er mjög mismunandi eftir svæðum og svo er með possólanvirkni hennar.Oft þarf að hitameðhöndla náttúrupossólana til að þeir öðlist possólanvirkni . Venjulega þarf gosaska ekki hitameðhöndlunar með til að ná fram possólanvirkni og sé hún í duftformi þarf lítið sem ekki að mala hana. Possólanar úr gosösku eru á markaði í mörgum löndum svo sem Þýskalandi ( t.d. trass ) Ítalíu, Kenya, Grikklandi, Tyrklandi og Indónesíu.
Þar sem náttúrupossólanir eru aðeins fyrir hendi á eldfjallasvæðum var farið að rannsaka hvort annars konar efni fyndust með possólaneiginleika.Reyndist svo vera, ýmis úrgangsefni t.d.frá iðnaði reyndust hafa þessa eiginleika Skömmu fyrir aldamótin 1900 komust menn um raun um að háofnagjall sem myndast ofan á járnbráðinni í háofnunum við gerð málmins úr járngrýti hefur sementbindieiginleika ef það var fínmalað með sementsgjalli. Í Þýskalandi var framleitt sement með um 30% íblöndun fínmalaðs háofnagjalls þegar fyrir 1900 og fékk þá nafnið járnportlandsement ( Eisenportlandzement ). Þetta sement hefur verið í almennri notkun frá því um 1930. Síðar var farið að mala sérstaklega meðhöndlað gjall frá járn og stálframleiðslu ( ground granulated blast furnice slag, ggbf ) saman við portlandsement. Meðhöndlunin felst aðallega í því að hraðkæla gjallið þannig að það kristallist ekki heldur verði glerkennt. Þannig vex virkni þess sem bindiefni. Loftkælt gjall ( hægari kólnun ) hefur minni possólaneiginleika. Gjall frá járn- eða stálframleiðslu inniheldur svipað og sementsgjall, kalksiliköt blönduð ál- og járnsamböndum. Sement sem malað er með meðhöndluðu járngjalli hefur mjög góða possólaneiginleika. Það getur innihaldið allt að 70% járngjall. Fínleiki þess er gjarnan álíka og í hraðsementi ( um 4500 cm2/ g ). Það nær mjög góðum langtímastyrk en skammtímastyrkur minnkar með aukinni íblöndun. Þá eykst líka mótvirkni gegn efnaáhrifum ( súlfat-, alkalívirkni ) og hægir á hitamyndun. Árið 1999 er talið að árleg heildarframleiðsla á járngjalli í heiminum sé um 100 miljón tonn en notkun í sement og steypu er óviss en lítill hluti af heildinni. Járngjall hefur jafnan lágt CaO magn og hefur góða eiginleika til að vinna gegn alkalívirkni.
Það possólanefni sem mesta útbreiðslu hefur fengið á síðustu áratugum er ryk frá kolaorkuverum. Þetta ryk hefur verið nefnt á íslensku flugaska eftir enska orðinu „fly ash“ ( pulverized fly ash, pfa ). Árið 1914 kom fram í rannsóknum að flugaska hefði possólaneiginleika og fyrsta þekkta notkun á henni í steypu var árið 1937. Flugaskan sem myndast við brennslu kola í orkuverum og er fönguð í ryksíur er fínkorna og hefur góða possólaneiginleika. Þegar fínmalað koladuft er brennt í orkuverum brennur kolefnið svo og gastegundir úr því. Ýmis jarðefni einkum leirsambönd bráðna í eldinum og berast með útblæstrinum frá kolabrennslunni. Þegar útblásturgösin kólna verða bráðnu efnin að fínkorna ryki með álíka fínleika og venjulegt Portlandsement. Rykkornin eru glerkennd og kúlulaga. Árið 1992 féllu til eða voru framleidd 460 miljónir tonna af flugösku í heiminum og þar af fóru 4.4 miljón tonn til íblöndunar í sement en 28.2 miljón tonn til íblöndunar beint í steypu. Þar sem flugaskan er fínkorna er einfalt að blanda henni saman við Portlandsement við sementsframleiðsluna ( flugöskusement ) eða nota hana beint í steypu í stað hluta sementsins.
Possólanar hafa gjarnan verið flokkaðir með vissum auðkennisbókstöfum sem gefa til kynna uppruna þeirra. Þannig eru náttúrupossólanar táknaðir með bókstafnum N sem stendur fyrir hrá- eða hitameðhöndlaða ( calcined ) náttúrupossólana. Flugaska eða kolaaska ( fly ash ) er flokkuð aðallega í tvo flokka: flokkur C er kolaaska sem á rætur sínar að rekja til brennslu í kolaorkuverum með brúnkolum eða álíka lághita kolategundum. Flokkur F er aftur á móti aska sem myndast með brennslu á háhitakolum svo sem steinkolum og anthrazit. Flugaska C inniheldur jafnan um 25-50% SiO2 og 12-30% af CaO, hún hefur bindieiginleika en litla possólanvirkni ( t.d. vörn gegn alkalívirkni ). Flugaska F inniheldur 45-65% af SiO2 og aðeins 0.7 - 7.5% af CaO. Oft eru eftirstöðvar af kolefni í öskunni og skapar það oft vandamál. Kolefnið eykur vatnsþörf steypunnar og gefur henni dekkri lit. Þá minnkar kolefnið áhrif loftblendiefna þar sem kolefnið gleypir ( adsorbtion ) þau í sig. Góð flugaska á ekki að innihalda meira en 5% kolefni. Flugöskusement getur innihaldið allt að 30% af flugösku og magn hennar í einstökum mannvirkjum hefur verið allt að helmingur bindiefnisins ( 50% íblöndun ). Þar sem hér er um úrgangsefni að ræða og kostnaður við að losa sig við hana hár hefur flugaskan verið mjög ódýr einkum í upphafi. Aðalnotendur flugösku í steypu eru Bandaríkin og Kína.
Possólanefni með mjög sterka possólaneiginleika hafa komið fram síðustu áratugina. Má þar helst nefna kísilryk og metakaolin. Kísilryk ( silica fume ) er mjög fínkorna ryk sem myndast við framleiðslu á kísiljárni ( ferrosilicon ) sem er málmblendi járns og silisíums. Framleiðsluferlið er afoxun á kvarsi ( SiO2 ) í ljósbogaofnum við hitastig hærra en 2.000°C. Kísilryk er örfínt ryk að mestu úr kúlulaga kornum eða örkúlum. Meðalþvermál þeirra er um 0.15 µm ( 0.15x10-3 mm ) og fínleikinn 15.000 – 25.000 m2/kg. Kísilryki er blandað í sement annað hvort sem þurrt ryk eða kögglað ( pellets ) sem þá er malað saman við það. Við beina íblöndun í steypu er kísilrykið venjulega leyst upp í vatni ásamt hjálparefnum og mynduð sviflausn ( suspension ). Kísilryk hefur hentað vel í margs konar mannvirki þ.á.m. háhýsi, iðnaðargólf og sérstaklega í brýr, stíflur og hafnarmannvirki. Á það bæði við staðsteypu sem og forsteyptar einingar. Talið er að árleg notkun kísilryks í heiminum sé um 300.000 tonn. Íblöndun kísilryks í sement og steypu hefur margs konar jákvæð áhrif á gæði steypunnar. Má þar nefna að íblöndunin hefur aukna viðloðun í ferskri steypu í för með sér sem leiðir til þjálli steypu og eftirmeðhöndlun hennar getur hafist fyrr þar sem ekki þarf að bíða eftir að blæðing í steypunni hætti ( blæðing er nokkurs konar aðskilnaður þar sem föst efniskorn steypunnar falla til botns en vatn safnast á yfirborðið ). Byrjunarstyrkur steypunnar vex jafnframt ( ≥ 25 Mpa eftir 24 klst.). Þéttleiki steypu sem inniheldur kísilryk veldur auknum byggingafræðilegum gæðum svo og vörnum gegn efnaáhrifum ( t.d. sýru, brennsluolíu, klóríð-, súlfat- og alkalísöltum ). Hörðnuð kísilrykssteypa hefur eftirfarandi eiginleika í ríkum mæli fram yfir venjulega steypu: Meiri þéttleika og endingu ( sem stafar af örfínleika kornanna, nanó – korn ) og virkni kísilryksins sem possólanefnis , aukinn núnings- og höggstyrk sem stafar af háum styrk ( ≥ 60 Mpa eftir 28 daga ) og aukinn beygjutogstyrkur í hlutfalli við þrýstiþol. Þar sem kísilrykssteypa er sterkari og endingarbetri en venjuleg steypa og kísilrykið er possólanefni verður hún umhverfisvænni. Þar til á áttunda tug síðustu aldar var kísilrykinu frá kísiljárnframleiðslunni sleppt út í andrúmsloftið.
Fyrsta heimild um notkun kísilryks í steypu er frá 1952 en notkunin í hágæðasteypu eykst mjög á árunum eftir 1980. Kísilykið var jafnan sett í steypuna en ekki saman við sementið og var íblöndunarprósentan þá mismunandi eða allt frá 5-20%. Á Íslandi hófst íblöndun á 5 - 7.5% af kísilryki í allt sement árið 1979 og var það í fyrsta skipti í heiminum sem kísilrykssement var framleitt.
Á síðustu árum hefur komið í ljós að útþurrkað kaolín ( leirsamband, notað í gæðapostilín ) hefur mjög góða possólaneiginleika. Til þess að fá sem besta possólanvirkni þarf að hita kaólínið varlega upp í um 500-600°C. Eftir þurrkunina er efnið nefnt metakaólín. Metakaólín hefur náð mikilli útbreiðslu og er gjarnan notað í steypu í stað kísilryks. Einkum er þar litið til að steypa með metakaólín-íblöndun er ljósari að lit en með kísilryki og þarf minna af þjálniefnum. Og að öðru leyti virkar metakaólín á steypueiginleika svipað og kísilryk, t.d. minnkar bæði alkalívirkni og þéttleika steypunnar. Íblöndun er venjulega 10-15%
Eins og áður kom fram hafa possólanar gjarnan verið flokkaðir með vissum auðkennis bókstöfum sem gefa til kynna uppruna þeirra. Þannig eru náttúrupossólanar táknaðir með bókstafnum N sem stendur fyrir hrá- eða hitameðhöndlaða ( calcined ) náttúrupossólana. Flugaska eða kolaaska ( fly ash ) er flokkuð aðallega í tvo flokka: flokkur C er kolaaska sem á rætur sínar að rekja til brennslu á brúnkolum eða álíka lághita kolategundum í kolaorkuverum. Flokkur F er aftur á móti aska sem myndast við brennslu á háhitakolum svo sem steinkolum og anthrazit í kolaorkuverum. Kísilryk er oft táknað með Sf. ( silica fume ).
Possólaníblöndun hefur oftast mikla yfirburði í steinsteypu gagnvart venjulegu Portlandsementi. Með henni verður til sterkari og endingarbetri steypa. Þetta sýnir reynsla af notkun possólana í steypu í nærri heila öld. T.d. var flugaska notuð í Hoover – stífluna í Bandaríkjunum á fjórða áratug síðustu aldar. Sérstaklega kemur possólaníblöndun að góðu gagni í steypu sem er í ágengu umhverfi þar sem hún er útsett fyrir raka, harðri veðráttu og efnaáhrifum. Frá umhverfissjónarmiði er posólansement hagkvæmt og hjálpar til við að ná markmiðum um sjálfbærni. Í flestum tilfellum er hægt að meta íblöndun possólanefna til jafns við hreint Portlandsement. Gerð og magn possólanefnanna ráða áhrifum þeirra á steypuna. Kísilryk t.d. er notað þegar þörf er á mjög þéttri hágæðasteypu. Með réttri blöndu með flugösku þ.e. þriggja efna ( ternary ) blanda eru áhrifin samverkandi.
Áhrif possólaníblöndun í steypu er margs konar. Hún eykur þéttleika hennar en þéttleikinn er einmitt sá eiginleiki sem ræður endingu hennar. Steypa með venjulegu Portlandsementi er mikið opnari og tekur í sig meira vatn en steypa með possólaníblöndun. Þetta þýðir t.d. minni hættu á frostþenslu og skemmdum af hennar völdum. Einnig á saltlausn greiðari aðgang að steypustyrktarjárni með tilheyrandi tæringarskaða í venjulegri steypu en possólansteypu. Þannig lengir blandað sement verulega endingu steypunnar með því að auka þéttleika hennar. Að hluta stafar þessi aukni þéttleiki af betri pökkun í sementsefjunni vegna stærða og eðli possólankornanna. Þar að auki gefur efnahvarf possólanefnanna með Ca(OH)2 sementsefjunnar aukabindiefni sem fyllir upp í holrými hennar.
Possólanefnin auka þjálni steypublöndunnar vegna kornanna sem eru kúlulaga og glerkennd. Blönduð sement hafa aftur á móti lengri storknunartíma en Portlandsement sem er kostur þegar steypt er við hátt hitastig. Í köldu veðurfari má vinna gegn hægari hörðnun með hraðaaukandi íblöndunarefnum eða einfaldlega með heitu vatni og heitu steypuefni. Rétt aðhlúun steypunnar er ekki síður mikilvæg og þegar venjuleg steypa á í hlut.
Efnahvörfin í steypu með possólaníblöndun þar sem viðbótarbindiefni myndast við efnahvörf possólanefnanna með Ca(OH)2 hefur styrkleikaaukningu í för með sér sérstaklega þegar til lengri tíma er litið. Þá hefur þéttleiki sementsefjunnar sem kemur í veg fyrir að vatn dragist inn í hana áhrif á að síður kemur til eyðileggjandi áhrifa efnasambanda inn í steypunni. Svo er um vörn gegn súlfat- og alkalí-þenslu og hún bæði fólgin í þéttleikanum og þensluminnkandi áhrifum efnaskipta milli possólanefna og þenslumyndandi efna í steypunni.
Hægari hörðnun steypu með possólaníblöndun minnkar hættuna á samdráttarsprungum sem gjarnan myndast í venjulegri steypu vegna hitaaukningar við hörðnun og brotthvarf vatns úr sementefjunni. Possólanefnin milda allar þær spennur sem myndast í steypunni af þessum sökum og sprungumyndanir verða síður.
Að lokum má ekki gleyma þeim jákvæðu umhverfiseiginleikum sem possólaníblöndun veitir steypunni. Gróflega má segja að myndun gróðurhúsalofttegunda sem er veruleg við framleiðslu sements ( hvert tonn af sementsgjalli myndar um 1 tonn af CO2 ) minnki í réttu hlutfalli við magn possólanefna í því.
Prófanir og staðlar:
Ýmsar prófanir til þess að meta eða sjá fyrir possólaneiginleika efna hafa verið þróaðar. Ekki hefur reynst einfalt að samræma þær að mismunandi possólönum. Reynt hefur verið að nota efnaprófun til að meta þessa eiginleika í náttúrupossólönum. Possólanefnunum er þá blandað saman við sement og vatn og geymd í nokkurn tíma t.d. 1-2 vikur . Í lausninni er mældur heildarstyrkur OH- jóna og styrkur CaO. Possólaneiginleikarnir eru metnir eftir því hversu styrkur CaO lækkar við mismunandi basiskan ( OH- ) styrk upplausnarinnar. Áreiðanlegri upplýsingar má fá með því að blanda possólanefnunum saman við sement, sand og vatn og gera múrteninga eða strendinga úr blöndunni. Með því að mæla styrk eða lengdarbreytingu má fá upplýsingar um possólaneiginleikana. Í bandarískum stöðlum, ASTM stöðlum ( American Society for Testing and Materials ), er staðallinn ASTM C 618 til að prófa possólan eiginleika náttúrupossólana og flugösku til notkunar í steinsteypu. Gerðar eru kröfur um efnasamsetningu, t.d. að minnsta magn SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 sé 70% fyrir náttúrupossólana og flugösku F en 50% fyrir flufösku C. Gerðar eru kröfur um brennisteinsinnihald, raka, alkalímagn og glæðitap. Einnig gerir staðallinn kröfu um fínleika og styrkmyndun í múrstrendingum steyptum með possólanefninu, sandi, vatni og Portlandsementi eftir 7 og 28 daga. Staðallinn ASTM C 311 segir til um framkvæmd prófananna. Fyrir járngjall er einnig staðall ASTM C 989.
Fljótlega eftir að possólansement komu til sögunnar var farið að gera kröfur um eiginleika þeirra. T.d. var sérstakur staðall gerður fyrir járngjallssement og áhrifum þess í steypu í Þýskalandi árið 1909. Í Bandaríkjunum voru blönduð eða samsett sement ( blended cements ) sett í einn staðal ASTM C 595 ( Standard Specification for blended hydraulic Cements ) ASTM C 595 skilgreinir possólana sem kísil- eða kísil-alúminíum rík efni sem ein sér hafa litla eða enga bindieiginleika en séu þau fínkorna og vatn er til staðar ganga þau í efnasamband við Ca(OH)2 við venjulegt hitastig og mynda sementshydröt ( SCH ).
Í staðlinum eru sementstegundir með mismunandi possólaníblöndun táknuð með bókstöfum: Blönduð með náttúrupossólönum og flugösku eru: IP með 15-40% , I ( PM ) með 0-15% og P með 15-40% af náttúrupossólönum og flugösku. Með háofnagjalli eða járngjalli eru tegundirnar merktar: IS með 25-70%, I (SM ) með 0-25% og S með 70-100% af járngjalli. M stendur fyrir „ umbreytt“ (, modified, t.d. hraðkælt) járngjall.
Í nýja evrópska sementsstaðlinum EN 197-1 , sem gildir á Íslandi, eru kröfur um samsetningu og eiginleika, en kröfur um samræmi ( conformity ) í EN 197-2. Í staðli EN 196 eru svo reglur um framkvæmd prófana. Sementstaðlinum er skipt í fimm aðalflokka : CEM I til CEM V. Í þessum fimm flokkum eru alls 27 sementstegundir. Í fyrsta flokknum er aðeins ein sementstegund, almennt Portlandsement sem merkt er CEM I. Í flokki CEM II eru blönduð eða samsett sement ( composit cements ) als 18 tegundir. Magn íblöndunarefna með sementsgjallinu getur verið 5-35%. Þar af eru fjórar tegundir með íblöndun kalksteins sem þá er fylliefni en ekki possólan. Þá eru tvær tegundir af sérstöku járngjallssementi ( Portlandhüttenzement ) sem hefur ágæta possólaneiginleika verkar t.d. gegn alkalívirkni. Þetta sement er táknað sem CEM II /A-S eða CEM II/B-S. Hér táknar S sérstakt járngjall og A að íblöndun er < 20% en B > 20%. Næst kemur Portlandflugöskusement með fjórar tegundir. Þær eru táknaðar með A-V, B-V, A-W, B-W t.d. CEM II/A-V þar sem V þýðir kísilrík flugaska en W þýðir kalkrík flugaska
Portland-possólansement er næst einnig með fjórar undirtegundir. Þær eru táknaðar: A-P, B-P, A-Q, B-Q t.d. CEM II/A-P. A-P táknar náttúrupossólan, íblöndun <20%. Hér táknar Q náttúrupossólan þar sem virkni hans hefur verið aukin með sérstakri meðhöndlun oftast með hita ( calcined ).
Þá kemur Portlandskífusement ( íblöndunarefni: brennd þakskífa ) með tvær undirtegundir: A-T og B-T þar sem T þýðir skífa. Síðan kemur Portlandkísilrykssement, með aðeins eina undirtegund CEM II/A-D þar sem D þýðir kísilryk. Þessi tegund var sett inn fyrir beiðni frá Sementsverksmiðju ríkisins þar sem enginn annar framleiddi kísilrykssement í Evrópu þegar staðallinn var í vinnslu.
Að lokum er í flokki CEM II tvær sementstegundir með táknunum A-M og B-M þar sem M táknar ýmis íblöndunarefni. Í CEM II / A-M er leyfð allt að 10% íblöndun kísilryks einnig að beiðni Sementsverksmiðju ríkisins ( sjá síðar ).
CEM III er háofnasement með þrjá undirflokka með mismunandi magni af ímöluðu háofnagjalli: A=35-65%, B=65-80% og C=80-95%. Flokkur CEM IV er svo fyrir alvöru Possólansement. Það hefur tvær undirtegundir : íblöndun A= 10-35% af flugösku ( V og W ) og B= 35-55% af náttúrupossólönum ( P og Q ). Að lokum kemur flokkur CEM V sem inniheldur hátt innihald ýmissa possólanefna: A= 35-60% og B= 40-80% af járngjalli, náttúrupossólönum og/eða flugösku.
Auk fyrrgreindra tegundamerkinga er hver tegund auðkennd með upplýsingum um 28 daga styrk og hörðnunarhraða. Þannig hefur venjulegt íslenskt Portlandsement með 7.5% íblöndun af kísilryki og 2.5% af líparíti merkinguna: CEM II/A-M 45.5R sem þýðir að það er í flokki II ( blönduð sement ), hefur < 20% íblöndun annara efna ( A ) íblöndunarefnin geta verið margs konar ( M ), ábyrgst er að 28 daga styrkur er 45.5 MPa eða meiri og sementið er hraðharðnandi ( R ).
Áhugavert er að sjá markaðsdreifingu í Evrópu þeirra sementstegunda sem framleiddar eru skv. EN 197. Hún sýnir að í mörgum löndum álfunnar er notkun blandaðs sements mjög mikil og meiri en hefðbundins Portlandssements ( CEM I ). Þannig hefur CEM I 36.5% að meðaltali af markaðnum, CEM II= 51.2%, CEM III = 6.5%, CEM IV= 4.8% og CEM V=1%
Samkvæmt ofangreindum stöðlum eru sement sem blönduð eru með possólanefnum prófuð á sama hátt og venjulegt Portlandsement og lúta svo þeim kröfum sem settar eru fram í staðlinum. Þá er styrkur possólanefna oft prófaður með aðferðum sem lúta að skaðlegum efnaferlum í steypunni t.d. alkalívirkni. Prófun skv. ASTM C227, sem byggir á lengdarbreytingu sérstakra múrstrendinga með og án possólanefna er oft notuð. ASTM C227 hefur hingað til verið mest notuð við prófun á alkalíþenslu hér á landi en nýjar aðferðir eru í þróun..
Umhverfisáhrif poassólansements:
Sements- og steypuiðnaðurinn á stóran þátt í útstreymi koldíoxíðs á heimsvísu og leikur því mikið hlutverk í baráttunni gegn hlýnun jarðar af völdum gróðurhúsalofttegunda. Talið er að þessi iðnaður sé ábyrgur fyrir um 5% af útstreymi manngerðs koldíoxíðs í heiminum þegar allt er með talið. Rétt er þó að minnast þess að steypan tekur aftur til sín koldíoxíð úr umhverfinu en þau efnahvörf eru hæg sérstaklega ef steypan er þétt. Sé steypan brotin eða jafnvel möluð niður verður upptaka koldíoxíðsins hraðari. Á Íslandi þar sem steypt mannvirki eru tiltölulega ung að árum er endurupptaka koldíoxíðs í niðurbrotinni steinsteypu alllangt í framtíðinni. Því er besta leiðin að grænni steypu að minnka hluta sementsgjallsins í henni að því marki sem það er hægt. Reynt skal að haga samsetningu steypunnar þannig að sem minnst bindiefni þurfi til að ná eftirsóttum styrk og þéttleika. Notkun possólanefna er þá stærst þátturinn í því að nota bindiefni í steypu sem hefur sem minnst innihald af sementsgjalli.
Þau fyrirheit sem gefin hafa verið um minnkun gróðurhúsalofttegunda í næstu framtíð hljóta að flýta fyrir og stiðja framleiðslu á grænni steypu. Það er þó undarlegt að þær aðgerðir sem nefndar eru hér að framan skuli ekki vera fyrirferðameiri í Kyoto umræðunni en raun ber vitni. Þó fer notkun t.d. á flugösku mjög vaxandi í iðnríkjum. Eins og oft áður hefur Danmörk gengið á undan í þróun á umhverfisvænni steypu. Sem dæmi er hér við hæfi að nefna Danmörku. Hefur Tæknistofnun Danmerkur ( Dansk Teknologisk Institut ) tekið forustu í rannsóknum og þróun grænnar steypu ( grön betong ) ásamt sement- og steypuframleiðendum í Danmörku . Þá hafa umhverfisyfirvöld þar styrkt þau verkefni sem framkvæmd hafa verið. Þessi þróun í Danmörku hófst upp úr 1990 og á sérráðstefnu sem haldin var í sambandi við þing norrænu steinsteypufélaganna í Reykjavík árið 1999 kynntu starfsmenn Tæknistofnunar Danmörku þá vinnu sem þá hafði farið fram á þessu sviði innan stofnunarinnar.
Þar kom fram að um 2% af útstreymi koldíoxíðs í Danmörku skv. Kyoto bókuninni kæmi frá sements- og steypuiðnaðinum. Danmörk hafði sett sér það markmið að minnka útstreymið árin 2008-2012 um 21% miðað við stöðuna árið 1990. Töldu sérfræðingar stofnunarinnar að steypu- og sementsiðnaðurinn gæti minnkað útstreymið um 30% á þessum tíma og tekið þannig á sig minnkum upp á 3-6% af þessum 21%. Þetta þýddi að iðnaðurinn léki stórt hlutverk í baráttunni við gróðurhúsaáhrifin og nyti viðurkenningar fyrir það. Á ráðstefnuninni kom fram að í Danmörku er nær eingöngu notuð steinsteypa sem skilgreina má sem græna steypu. Í nær alla steypu er bætt possólanefnum, um 5% af kísilryki og um 15% af flugösku eða samtals um 20% miðað við heildar bindiefnaþyngd. Tæknistofnun Danmerkur hefur svo á síðari árum verið leiðandi í evrópsku samstarfi sem nefnt hefur verið ECOserve og er liður í fimmtu rammaáætlun Evrópusambandsins. Samstarfið samanstendur af 60 aðilum allt frá rannsóknastofnunum til steypuefna- og steypuframleiðenda ( M. Glavind et al. 1999 ).
Possólanrannsóknir á Íslandi:
Ísland er eldfjallaland og þar finnast margar tegundir gosefna. Ýmsar þeirra hafa possólaneiginleika. Rannsóknir á byggingarefnum hérlendis hefjast 1948 þegar undirdeild var stofnuð hjá Iðnaðardeild Atvinnudeildar Háskóla Íslands. Þessi deild var nefnd Byggingarefnarannsóknir. Um 1953 hófust rannsóknir hjá Byggingarannsóknum á virkni nokkurra íslenskra possólanefna. Yfirmaður Byggingarefnarannsókna var Haraldur Ásgeirsson verkfræðingur. Hann hafði á námsárum sínum í Bandaríkjunum kynnst notkun possólansements í massasteypur þar t.d. í stíflumannvirki. Voru possólanefnin þá gjarnan 20-30% af bindiefninu. Var possólaníblöndunin talin auka gæði steypunnar einkun veðrunarþol, þol gegn súrum jarðvegi og sjó en einnig lækka kostnað.
Upphaf þessara rannsókna hjá Byggingaefnarannsóknum mun hafa verið að Alþjóðabankinn sendi Rannsóknaráði ríkisins fyrirspurn um hvort nothæf possólanefni í steypu væru að finna á Íslandi. Með aðstoð Tómasar Tryggvasonar jarðfræðings var sýnum af gosefnum safnað. Var reynt að velja glerkennd efni m.t.þ. að þau hefðu betri possólaneiginleika en kristölluð. Sýnin sem prófuð voru voru móberg, kísilgúr, gjall og vikur. Öll voru sýnin fínmöluð en vegna ólíkra efniseiginleika svo og ófullkomins mölunarbúnaðar var mölunarfínleikinn misjafn, mestur hjá kísilgúr en minnstur hjá gjalli.
Fyrst var gerð efnafræðileg forrannsókn þar sem mæld var uppleyst kísilsýra móti breytingu á sýrustigi ( minnkun á OH- ) í upplausn sem possólanefnin voru í. Forrannsóknin sýndi að possólaneiginleikar voru fyrir hendi í þessum sýnum og þá voru í framhaldinu gerðar steyputilraunir þar sem steypur voru gerðar með og án possólanefnanna. Styrkur síðan mældur á steypusívalningum úr steypunum. Steypurnar innihéldu 340 kg/m3 af sementi, höfðu v/s tölu=0.826 og 1850 kg/m3 af fylliefni. Í possólansteypunum var 20% af sementinu skipt út fyrir possólanefni.
Mynd 1: niðurstöður styrkleikamælinga á prófsívalningum úr steypum með mismunandi possólönum ( Í ljósi vísindanna )
Niðurstöðurnar á mynd 1 sýna að öll efnin sem prófuð voru höfðu ríka possólaneiginleika. Sérstaklega kom móbergið frá Sandskeiði og Vífilfelli vel út en barnamold ( Hólmsá ) sker sig samt úr enda er glæddur kísilgúr þekktur sem sterkt possólanefni.
Upp úr 1960 hóf Sementsverksmiðja ríkisins framleiðslu á possólansementi. Var það nefnt Faxasement. Notuð voru possólanefni sem til féllu úr hráefnunum við sementsbrennsluna. Í Faxasementinu voru 15% af móbergi sem kom upp með skeljasandinum við dælingu hans og 15% af líparíti úr námu verksmiðjunnar í Hvalfirði. Þessum possólanefnum var blandað saman við sementsgjallið við sementsmölunina. Faxasementið var t.d. notaðð í tilraunaskini í hluta af Reykjanesbraut sem steypt var ( Heimild: Í ljósi vísindanna, rit III í ritröð VFI 2005 )
árið 1965.
Hjá Byggingarannsóknum Atvinnideildar Háskólans sem þá var til húsa að Lækjarteig 2 í Reykjavík voru hafnar rannsóknir á alkalíþenslu íslenskra steypufylliefna á árunum 1963-1965. Árið 1967 voru þessar rannsóknir stórefldar með tilkomu Steinsteypunefndar. Steinsteypunefnd var upphaflega skipuð af Iðnaðarráðuneyti árið 1967. Ástæðan var að íslensk steypufylliefni, t.d.aðalfylliefnið á Reykjavíkursvæðinu, reyndist í prófunum alkalívirk. Því var talin hætta á að alkalískemmdir gætu komið fram í virkjana- og hafnarmannvirkjum sem þá voru á döfinni.Nefndin átti að finna leið til að koma í veg fyrir þessa hættu.
Þar sem vitað var að possólanefni draga úr alkalíþenslu urðu þau strax stór þáttur í þessum rannsóknum og alkalírannsóknirnar urðu jafnframt rannsóknir á possólaneiginleikum íslenskra jarð- og úrgangsefna. Þá varð strendingaprófunin skv ASTM C227 staðli aðalaðferðin við að mæla possólaneiginleika efnanna. Við gerð múrstrendinganna skv. staðlinum var ávalt notað sem grunnur eða viðmiðun íslenskt Portlandsement með um 1.5% alkalíinnihald ( natríumjafngildi: Na2O + 0.658 K2O ) og sandur frá Eyri í Kjós við Hvalfjörð. Múrstrendingarnir voru geymdir við 38° C hita.
Árið 1971 kemur út rannsóknaskýrsla um alkalírannsóknirnar hjá Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins eftir dr. Guðmund Guðmundsson. Þar er komið inn á áhrif possólanefna til þess að draga úr alkalíþenslu. Er fyrst lýst tilraunum með Faxasement og áhrifum þess til að minnka alkalíþenslu í múrstrendingum með alkalívirku íslensku steypufylliefni. Þessu fylliefni var dælt af sjávarbotni við bæinn Eyri í Havalfirði af dælufyrirtækinu Björgun hf.og var aðalfylliefnið í steypu á Reykjavíkursvæðinu. Þetta fylliefni var svo eftir þessa fyrstu rannsóknalotu notað sem grunn- og viðmiðunarefni í síðari alkalírannsóknum.
Niðurstöður rannsóknanna með Faxasementinu voru sláandi og sýndu greinileg possólanáhrif til minnkunar á alkalíþenslu.
Mynd 2: Áhrif Faxasements á alkalíþenslu ( Guðmundur Guðmundsson 1971 )
Þessi miklu áhrif Faxasementsins á alkalíþenslu sýndu að mögulegt væri með possólaníblöndun í íslenska sementið að minnka eða koma í veg fyrir hættulega alkalívirkni í steinsteypu hérlendis. En styrkleikamyndun Faxasementsins var hæg og ljóst var að ef framleiða skyldi sement sem nýttist á byggingarmarkaðinum yrði að koma til sement með hraðari styrkleikamyndun.
Voru þá hafnar aðgerðir til að afla íslenskra gosefna. Í Sementsverksmiðju ríkisins var framleitt tilraunasement þar sem líparíti úr námu verksmiðjunnar hjá Hvirfli í Hvalfirði var malað saman við sementið. Þrjár tegundir possólansements með mismunandi íblöndun voru framleiddar. Var íblöndunarprósentan 5%, 10% og 15% af sementsmagninu. Áætlaður fínleiki líparítsins var 10.000 cm2/g. Vikur var fenginn úr námum í Þjórsárdal og var hann malaður í fínleika um 9.000 cm2/g og kísilgúr
fékkst frá Kísiliðjunni hf. við Mývatn sem eftir glæðingu hafði fínleika um 10.000 cm2 /g. Malaður vikurinn var blandaður íslensku Portlandsementi, tvö sýni með 5% og 10% íblöndun. Kísilgúrinn var blandaður sementinu á sama hátt, 10% íblöndun. Rannsóknirnar á alkalíþenslu fóru fram hjá Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins.
Niðurstöður þessara rannsókna urðu til þess að Steinsteypunefnd fór þess á leit við Sementsverksmiðju ríkisins að hún hæfi mölun á líparíti saman við íslenska Portlandsementið í áföngum. Var ákveðið að stefnt skyldi að 10% íblöndun en það var talið að myndi ná alkalíþenslunni niður í þau mörk sem nefndin hafði sett en þau voru: 0.05% eftir 6 mánaða og 0.1% eftir 1 árs geymslu í vatnsgufu við 38°C ( skv. ASTM C227 ). Þessi sammölun hófst árið 1972 fyrst 2% íblöndun. Ófyrirsjáanlegar tafir urðu á áframhaldandi íblöndun possólanefna í íslenska sementið, þegar ráðgefandi vélaverkfræðingur verksmiðjunnar sakaði hana um vörusvik. Áttu þau að felast í því að hreint Portlandsement hefði verið drýgt með eða blandað Faxasementi árið 1969. Þetta varð dómsmál en niðurstaða þess var að um tæknilegan miskilning við skýrsluhald um úrtöku úr sementsgeymun verksmiðjunnar hefði verið að ræða. Íblöndun líparíts var hækkuð í 5% árið 1973. Alkalískemmdir fundust svo í húsum í Reykjavík 1975 og var þá íblöndunin hækkuð í 9%.
Mynd 3: Áhrif íslenskra possólana á alkalívirkni í múrstrendingum með íslensku sementi og fylliefni frá Eyri ( Kjós ) við Hvalfjörð (. Guðmundur Guðmundsson, 1971 )
Rannsóknir á alkalíefnabreytingum í steinsteypu voru að hefjast fyrir alvöru á þessum tíma í mörgum löndum samtímis því að alkalískemmdir fundust víðar. Íslensku rannsóknirnar urðu kunnar erlendis gegn um sambönd Rannsóknastofnunar byggingariðnaðarins við erlendar rannsóknastofnanir. Þar hafði mikil áhrif framkvæmdastjóri stofnunarinnar, Haraldur Ásgeirsson, sem þekkti og var í sambandi við vísindamenn á þessu sviði erlendis. Má sérstaklega nefna Dr. Gunnar Idorn sem var framkvæmdastjóri rannsóknastofnunar Álaborgar-sementsverksmiðjanna í Karlstrup Danmörku og Bryant Mather hjá steypurannsóknastöð bandaríska hersins í Vicksburg Missisippi.
. Dr. Gunnar Idorn varð svo ráðgjafi Steinsteypunefndar. Bæði hann og aðrir málsmetandi vísindamenn á sviði steypurannsókna hvöttu til þess að leysa alkalívandamálið á Íslandi með íblöndun possólanefna í steypuna.
Það varð brátt ljóst að alkalískemmdir stefndu í að verða alþjóðlegt vandamál. Dr. Gunnar Idorn beitti sér þá fyrir því að haldinn yrði alþjóðlegur fundur um lausnir á alkalívandamálinu og var hann haldinn í Danmörku árið 1974. Af þeim áhuga á málefninu sem þar kom fram var ákveðið að næsti fundur skyldi haldinn í Reykjavík og var nú talað um ráðstefnu. Þetta varð upphafið af röð alþjóðlegra ráðstefna um alkalívandamálið, sú 13. var haldin í Þrándheimi Noregi árið 2008.
Fyrsti alþjóðlegi fundurinn var haldinn í smábænum Köge á Sjálandi í maí árið 1974 á vegum Álaborgarsementsverksmiðjanna. Dr. Gunnar Idorn stjórnaði honum. Var var komið lauslega inn á áhrif possólanefna sem fyrirbyggjandi þátt til að koma í veg fyrir alkalískemmdir. Dr. Guðmundur Guðmundsson frá Sementsverksmiðju ríkisins lýsti áhrifum þeirra náttúrupossólana sem prófaðir höfðu verið hjá Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins og Dr. Niels Thaulow frá Rannsóknastofnun Álaborgarverksmiðjanna lýsti possólanáhrifum kolaösku ( fly ash ).
Í ágúst 1975 var svo 2. alkalíráðstefnan haldin í Reykjavík (Symposium 1975 ) Yfirskrift ráðstefnunnar var: alkalíefnahvörf, mótaðgerðir. Hún var haldin á vegum Rannsóknastofnunar byggingariðnaðarins og Sementsverksmiðju ríkisins og stjórnaði Haraldur Ásgeirsson henni. Ráðstefnuna sóttu 22 vísindamenn frá sex löndum margir þeirra meðal þeirra þekktustu á sviði alkalírannsókna í heiminum. Þó að mótaðgerðir gegn alkalíþenslu í steinsteypu hafi verið yfirskrift ráðstefnunnar varð sú ekki raunin frekar en á fundinum í Köge árið áður. Menn voru á þessum tíma meira uppteknir af öðrum þáttum svo sem orsökum og eðli þessa skaðvalds og hvernig mætti mæta honum með breytingum á steypusamsetningunni. Notkun possólana sem mótvirkandi aðgerð var þekkt en ekki víða notuð. Einn vísindamaður frá Þýskalandi fjallaði um hvernig þéttleiki sementsefjunnar í steypunni hamlar hreyfingum natríumjóna og kemur þar með í veg fyrir skaðleg alkalíefnahvörf. Þéttingu sementsefjunnar fékk hann einmitt fram með notkun á possólansementi ( blandað háofnagjalli ) sem mikið er notað í Þýskalandi í massasteypur og nefnt háofnasement ( Hochofenzement ). Tvö erindi voru svo frá Íslandi annað flutti dr. Kristján Sæmundsson jarðfræðingur um íslensk gosefni með possólaneiginleika og hitt flutti dr. Guðmundur Guðmundsson um possólanrannsóknir á þessum gosefnum og steypum úr þeim..
Á þessum tíma var mikil umræða á Íslandi um hættuna á alkalískemmdum í vatnamannvirkjum. Einkum snérist hún um mannvirki eins og Búrfellsvirkjun, Sigölduvirkjun, höfnina í Þorlákshöfn o.fl. Hætta var talin á að steypufylliefni í þessi mannvirki gætu verið það alkalívirk að notkun á íslensku sementi í þau væri of áhættusöm. Má þar nefna að í Búrfellsvirkjun var notað danskt lágalkalísement eða sement úr dönsku lágalkalígjalli og íslensku gjalli sem malað var saman í Sementsverksmiðjunni á Akranesi. Sama var um höfnina í Þorlákshöfn.
Fljótlega var hafin samvinna milli Steinsteypunefndar og Sementsverksmiðjunnar um þróun á possólansementi sem mætti nota í vatnamannvirki án þess að hætta væri á skaðlegum alkalíþenslum. Til þess að kostnaðar yrði ekki of mikill var talið hagkvæmast að afla possólanefnanna í sem mestri nálægð við Sementsverksmiðjuna á Akranesi. Var dr. Kristján Sæmundsson fenginn sem ráðgjafi við að finna hentugasta efnið og tökustað en Kristján er með mikla þekkingu á jarðfræði Hvalfjarðarsvæðisins.
Mynd 4: Gosbeltið sem um ræðir. Skýringar: gleið skástrikun efst: tertier berg 15-16 miljónir ára gamalt, elsta berg á Íslandi. Þröng skástrikun: pleistocene berg 3-7 miljóna ára gamalt. Hvítt: yngra gosbelti. Þverstrik: súrt gosberg. Tölur: staðsetning sýnatöku. ( Symposium 1975 ).
. Í erindi Kristjáns kom fram að Ísland er að mestu byggt upp af basalt hrauni sem er meira eða minna í kristalformi og ekki áhugavert hvað varðar possólaneiginleika. Inn á milli er þó súrt glerkennt berg ( tuff, ignimbrite, hyaloclastite ) sem er áhugavert, sérstaklega eldfjallagler sem orðið hefur til í eldgosum undir jöklum á síðustu 3 miljón árum. Á suðvesturhluta Íslands er 70 km. breitt belti af slíku bergi og liggur Akranes við vestari mörk þessa svæðis.
Kristján tók 15 jarðvegssýni til rannsókna. Flest voru þau frá Þyrli í Hvalfirði þar sem Sementsverksmiðjan vinnur líparít í framleiðslu sína, en einnig úr Borgarfirði frá Draghálsi, Hvítársíðu og víðar. Tvö sýni voru tekin nærri Reykjavík ( sjá mynd 4 ).
Mynd 5: Alkalíþensla strendinga skv. ASTM C227 úr possólansementi blönduðu úr íslensku Portlandsementi og fínmöluðum possólanefnasýnum Er þenslan eftir 6 mánuði í %( y-ás ) dregin upp á móti fínleikanum í cm2/g ( x-ás ) (Symposium 1975 ).
Sýnin voru fínmöluð hjá Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins og reyndist nokkuð misjafnlega að ná þeim fínleika sem stefnt var að en það var um 8000 cm2/g mælt skv. Blain aðferðinni. Varð fínleikinn jafnan lægri en að var stefnt allt að 4000 cm2/g. Fínmöluðu possólönunum var svo blandað saman við venjulegt íslenskt Portlandsement sem hafði fínleika 3900 cm2/g í hlutfallinu possólan á móti sement 1:3 þ.e. 25% íblöndun. Sýnishornin af possólansementi höfðu því fínleika frá um 4200-6000 cm2/g. Alkalíþensla var mæld á strendingum gerðum úr þessum sýnishornum skv. ASTM C227 og eru niðurstöður sýndar á mynd 5. Sjá má að hreint íslenskt Portlandsement ( nr. 0 á mynd 5 )hefur í för með sér um 6 falda þenslu eftir 6 mánuði við 38°C miðað við flest possólansementsýnin. Samanburður milli possólanáhrifa sýnanna truflast nokkuð af mismunandi fínleika þeirra þó að fínleikinn skipti ekki öllu máli. En öll sýnin sýndu þenslu undir þeim mörkum sem gefir eru í ASTM C227 ( 0.1% eftir 6 mánuði ) og einnig strangari mörk sem sett voru síðar af Steinsteypunefnd fyrir íslenskar aðstæður ( 0.05% eftir 6 mánuði ). Með tilliti til staðsetningar sýnistaðanna gagnvart Sementsverksmiðjunni og mat á efnismagni á hverjum stað reyndust sýni 4 og 5 frá Villingadalsá á Draghálsi og 15 úr námu verksmiðjunnar í landi Þyrils í Hvalfirði helst koma til greina til framleiðslu á possólansementi á Akranesi.
Þessar rannsóknir á possólanáhrifum íslenskra gosefna hjá Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins urðu svo undirstaðan fyrir áratuga löngu samstarfi stofnunarinnar, Steinsteypunefndar og Sementsverksmiðjunnar á Akranesi sem beindist að því að auka gæði íslenska sementsins. Voru allar niðurstöður þessara rannsókna á þann veg að auka bæri sem mest íblöndun possólanefna í sementið.
Ályktaði Steinsteypunefnd sérstaklega um þetta árið 1984 en tregða steypuframleiðenda gegn meiri íblöndun en 10% í venjulegt Portlandsement kom í veg fyrir áframhaldandi þróun á almennum steypumarkaði. Hins vegar voru oft framkvæmdar sérstaklega viðamiklar rannsóknir á possólansementi til ýmissa vatnamannvirkja svo sem virkjana, hafna og brúa.
Fyrsta mannvirkið þar sem notað var íslenskt possólansement framleitt eftir niðurstöðum rannsókna Steinsteypunefndar var Sigölduvirkjun. Virkjunin var í byggingu 1973-1977. Steypuefnin sem nota átti í virkjunarmannvirkin voru ekki alkalívirk skv. stöðlum en þó var ekki talið öruggt að nota hreint íslenskt Portlandsement. Með tilliti til niðurstaðna possólanrannsóknanna hjá Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins var augljóst að framleiða mætti possólansement sem stæðist kröfur ASTM C227 þó að það væri prófað með Hvalfjarðarefninu þ.e. alkalívirka steypuefninu sem var í notkun á Reykjavíkursvæðinu. Hóf Sementsverksmiðja ríkisins þegar framleiðslutilraunir með sementstegund með háu innihaldi af sammöluðu líparíti. Var stefnt á að mala 25% af líparíti með sementsgjallinu þannig að gjallhlutinn yrði 70% ( gips=5% ). Af mölunartæknilegum ástæðum varð líparítíblöndunin lægri eða 23.5%. Við mölun þessa sements var reynt að ná lágri alkalíþenslu en sem bestum byrjunarstyrk. Styrkur þannig possólansements með Blain fínleika 4800 cm2/g sést á mynd 6. Alkalíþensla mæld skv. ASTM C227 er sýnd á mynd 7 og sýnir ótvírætt possólanáhrif líparítsins. Landsvirkjun tók vel í að reyna þetta sement í mannvirki Sigölduvirkjunar enda Landsvirkjun aðili að Steinsteypunefnd og sérfræðingar fyrirtækisins fylgdust náið með rannsóknunum. Til öryggis fékk Landsvirkjun bandarískan sérfræðing frá U.S.Bureau of Reclamation til að meta niðurstöður rannsóknanna. Sérfræðingurinn, Edward M. Harboe, kom til landsins í maí 1974 og var í um vikutíma og skoðaði aðstæður í Sementsverksmiðjunni, Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins og virkjunarstað og hélt fundi með Landsvirkjun og öðrum sem að rannsóknunum stóðu. Eftir það gaf hann Landsvirkjun skýrslu um heimsóknina og á grundvelli hennar var gefið grænt ljós á að nota possólansementið. Var það síðar nefnt Sigöldusement.
Mynd 6: Styrkmyndun Sigöldusements miðað við Portlandsemen
Mynd 7: Þensla alkalístrendinga( ASTM C227 ) með Sigöldusementi og Portlandsementi ( Guðmundur Guðmundsson og Haraldur Ásgeirsson, 1975 )
Ending steypunnar í Sigölduvirkjun hefur reynst góð. Tæpum 20 árum síðar eða árið 1993 lauk verkfræðistofan Hönnun úttekt á steyptum virkjunarmannvirkjum á Þjórsár-Tungnársvæðinu fyrir Landsvirkjun ( Heimild: Sveinbjörn Sveinbjörnsson verkfræðingur, erindi haldið á Steinsteypudegi árið 1995 ). Var ástand steypunnar metið almennt gott. Mannvirki Sigölduvirkjunar voru skoðuð síðast árið 2009 og ástand steypunnar enn talið í góðu lagi.
Mynd 8: Alkalíþensla sementssýna með mismunandi sammölun líparíts og sementsgjalls (Guðmundur Guðmundsson 1971 )
Árið 1972 hóf Sementsverksmiðja ríkisins í samvinnu við Steinsteypunefnd og Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins framleiðslutilraunir með possólaníblöndun í allt sement framleitt hjá verksmiðjunni. Hafðar voru til hliðsjónar rannsóknaniðurstöður áranna á undan á áhrifum possólaníblöndunar á alkalíþenslu. Líparítið var talið hentugast þar sem það var jafnframt hráefni í framleiðslu sementsgjallsins. Fyrri niðurstöður með íblöndun mismunandi magns líparíts eru sýndar á mynd 8. Í ASTM C227 staðli er gerðar kröfur um að 6 mánaða þensla sé < 0.1%. Steinsteypunefnd herti þessar kröfur þannig að 12 mánaða þensla væri < 0.1% en 0.05% eftir 6 mánuði. 10% íblöndun líparíts rétt uppfyllti þessa kröfu eins og fram kemur á mynd 8.
Framleiðslutilraunirnar fóru hægt af stað m.a. vegna fyrrnefndar málsóknar starfsmanns verksmiðjunnar. Árið 1972 var íslenska sementið með 2% íblöndun líparíts sem hækkað var í 5% árið 1973. Alkalískemmdir eru staðfestar í húsum í Reykjavík 1976 og var þá líparítsíblöndunin hækkuð í 9% ( vegna íslenska sementsstaðalsins sem takmarkaði hana við 10% ).
Miðað við kröfu Steinsteypunefndar um alkalíþenslu með Hvalfjarðarefni skv. ASTM C227 < 0.1% eftir 12 mánuði var 9% íblöndun líparíts alveg á mörkunum. En önnur lausn var þó í sjónmáli. Á Grundartanga í um 15 km. fjarlægð frá Akranesi átti að reisa kísiljárnverksmiðju. Ryk sem myndast þar við framleiðsluna og er safnað í pokasíur hafði reynst hafa góð áhrif á eiginleika steinsteypu ef því var blandað í hana. Mikill fínleiki þessa ryks og efnasamsetning þess bentu til að það gæti haft góða possólaneiginleika og áhrif þess á eiginleika steypu virtust stiðja þá skoðun. Sýni af þessu ryki sem fékk brátt íslenska nafnið kísilryk ( silika fume ) fékkst árið 1972 og var strax hafin rannsókn á possólaneiginleikum þess hjá Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins. Possólaneiginleikarnir reyndust vera framar öllum vonum eða um tvöfalt meiri en líparítsins. Fínleiki ryksins var aftur á móti mjög mikill ( um 10.000 m2/ g ) og jók hann mjög vatnsþörf steypunnar. Lausn á þeim vanda var þá þegar fundin hjá fyrirtækinu Elkem í Noregi sem varð meðeigandi með íslenska ríkinu að Járnblendiverksmiðjunni. Fólst lausnin í því að rykið var meðhöndlað í loftstraumi sem gerir rykið grófara ( snjóboltaáhrif ). Var það nefnt að þétta ( compact ) rykið en svona meðhöndlað reyndist það hafa áfram þessa frábæru possólaneiginleika og einnig bætandi áhrif á aðra eiginleika steypunnar eins og possólanefni jafnan hafa.
Í fyrstu voru rannsóknir á rykinu samvinna Rannsóknastofnunar byggingariðnaðarins og Sementsverksmiðju ríkisins en þegar í ljós kom að það gæti haft mikilvæg áhrif í baráttunni við alkalívandamálið var rannsóknunum beint til Steinsteypunefndar. Var það þá sameiginleg afstaða meðlima Steinsteypunefndar að stefna bæri að því að þessu ryki yrði blandað í íslenska sementið þegar verksmiðjan á Grundartanga hæfi framleiðslu. Þá var hafist handa við framleiðslutilraunir í Sementsverksmiðjunni. Voru til þess fengin stór sýni frá Elkem árið 1978 ( nokkrir tugir tonna af þéttu ryki ). Kom brátt í ljós að íblöndun ryksins í mölunarkvarnir sementsins var miklum vandkvæðum bundin aðallega vegna fínleikans sem erfitt var að höndla í þrýstiloftskerfum sem nauðsynleg voru til flutnings ryksins að sementskvörnunum.
Kísiljárnsverksmiðja Íslenska járnblendifélagsins hóf starfsemi árið 1979 og var þetta vandamál þá óleyst. Var brugðið á það ráð að notast við kögglað ryk ( pellets ) til að byrja með en það var þekkt aðferð við að meðhöndla rykið að blanda það vatni ( um 20% ) og köggla það í til þess gerðum kögglunardiskum ( einnig snjóboltaáhrif ). Kögglunum var komið með færiböndum að sementskvörnunum og var það auðvelt. Aftur á móti var vatnsprósentan í kögglunum þess valdandi að takmarka þurfti magn þeirra við 5% íblöndun í Portlandsement en 7.5% í hraðsement. Þó að 5% af járnblendiryki lækkaði alkalíþenslu undir sett mörk, 0.1% eftir 12 mánuði var það ekki talin nóg trygging að hálfu Steinsteypunefndar. Var þá hafin þróunarvinna hjá Elkem og Sementsverksmiðjunni til þess að finna möguleika á að koma þéttu ryki inn í mölunarferilinn á sementinu. Hannaði Elkem forðageymi ásamt loftþrýsti- og mötunarbúnaði á þéttu ryki til sementskvarnanna. Eftir mikla erfiðleika við að fá tækjabúnaðinn til að virka í Sementsverksmiðjunni tókst 1981 að koma á framleiðslu sements sem síðan var nefnt í daglegu tali venjulegt Portlandsement til aðgreiningar frá fyrra sementi sem nefnt var eftir þetta hreint Portlandsement. Til að bæta flutningshæfni þessa sements í loftþrýstikerfum verksmiðjunnar reyndist gott að bæta líparíti með við mölunina. Var niðurstaðan á framleiðslu þessa sements að það innihélt 7.5% kísilryk og 2.5% líparít þ.e. 10% possólanefni. Þetta sement hafði mikla yfirburði gagnvart fyrra Portlandsementi bæði hvað snerti styrk og possólaneiginleika.
Þetta kemur vel fram á línuriti sem gert var hjá Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins um þróun eiginleika sementsins. Þar sjást greinilega þau umskipti sem urðu árið 1979 þegar kísilryki var blandað í sementið ( mynd 9 ). Venjulegt Portlandsement með 7.5% kísilryks- og 2.5% líparítsíblöndun var aðalsementið hjá Sementsverksmiðjunni til ársins 2000 þegar innflutningur hófst á dönsku sementi.
Mynd 9: Þróun styrks og alkalíþenslu íslensks Portlandsements frá 1972-1990 ( Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins, 2007).
Þegar sementstegundirnar tvær hjá Sementsverksmiðju ríkisins, venjulegt Portlandsement og hraðsement höfðu sannað sig bæði á íslenskum steypumarkaði og hjá eftirlits- og rannsóknaaðilum var vinna í fullum gangi hjá tækninefndum Evrópubandalagsins við evrópskan sementsstaðal EN 197. Íblöndun kísilryks í sement hafði þá hvergi þekkst og var íslenska sementið það fyrsta í heiminum sem blandað var kísilryki. Því var augljóst að sement með kísilryksíblöndun yrði ekki tekið upp í evrópska staðalinn nema Sementsverksmiðjan færi fram á það. Á þessum tíma var Sementsverksmiðja ríkisins í samtökum evrópskra sementsframleiðenda, Cembureau. Dr. Guðmundur Guðmundsson tæknilegur framkvæmdastjóri Sementsverksmiðjunnar hafði því á fundi hjá Cembureau samband við þáverandi framkvæmdastjóra sambandsins , Pierre Dutron, og fór fram á að íslenska kísilrykssementið yrði tekið inn í staðalinn EN 197. Pierre Dutron var fulltrúi Cembureau og formaður tækninefndar Evrópubandalagsins CEN TC51 sem fjallaði um sementsstaðalinn. Hann tók vel í þessa málaleitun að koma kísilryksíblönduðu sementi inn í staðalinn. Það tókst og fékk venjulegt Portlandsement skráninguna CEM II / A-M 42.5R þ.e. samsett sement ( compositecement ) með 28 daga styrk 42.5 MPa. og hraðharðnandi ( R = rapid ). Hraðsementið íslenska fekk skráninguna CEM II / A-D 52.5R sem er fyrir kísilrykssement og styrkur eftir 28 dga er 52.5 MPa og einnig hraðharðnandi.
Í aðdraganda byggingar Bklönduvirkjunar sem hófst 1984 kom í ljós við rannsóknir á steypuefnum sem ætlað var að nota í virkjanamannvirkin að þau voru alkalívirk. Var virkni þeirra það mikil að ekki þótti öruggt að nota Sigöldusement í steypuna þar. Var þá hafin þróun á nýju possólansementi þar sem nýtt voru hin miklu possólanáhrif kísilryksins. Landsvirkjun, Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins og Sementsverksmiðjan komu að þessari þróun. Verkið tókst mjög vel og sement með 10% íblöndun kísilryks og 25% líparíts var sett í framleiðslu. Þetta sement hafði mjög ákjósanlega eiginleika, góða styrkmyndun og frábæra virkni gegn alkalíþenslu ( mynd 10 og 11 ).
Mynd 10: Styrkleikaþróun Blöndusements miðað við venjulegt Portlandsement
Mynd 11: Alkalíþensla Blöndusements miðaðvið alkalíþenslu hreins Portlandsements og venjulegs Portlandsements ( mælt skv.hraðprófun ASTM C 1260).
Þá hafði Blöndusementið hægari varmamyndun en venjulegt Portlandsement eða 265 KJ/kg sements móti 290 KJ / kg. hjá venjulegu Portlandsementi. Í sementsstaðli Evrópusambandsins EN 197 fékk Sigöldusement skráninguna: CEM IV / A, 42.5 þ.e. possólansement með 28 daga styrk og ekki hraðharðnandi og Blöndusement fékk CEM C IV / B, 42.5, einnig possólansement en með meiri íblöndun possólanefna.
Í árslok 1986 var gerður samningur milli Landsvirkjunar, Rannsóknastofnunar byggingariðnaðarins, Sementsverksmiðju ríkisins og Verkfræðistofnunar Háskóla Íslands um framkvæmd og fjármögnun rannsókna á Blöndusementi í raunsteypu.Fólust rannsóknirnar í mælingum á hitastigi, styrkleika og þróun steypu sem notuð var í svonefnt spennugólf í tilraunaskála Verkfræði- og raunvísindadeilda Háskóla Íslands við Hjarðarhaga. Steypt var í lok árs 1986 og byrjun árs 1987 síðast 17.mars 1987. Steypugæðin voru S 350, um 430 kg/m3 af Blöndusementi og v/s talan um 0.45. Rúmþyngd steypunnar var um 2.400 kg/m3 . Niðurstöður mælinga á steypunni voru:
3 dagar 7 dagar 28 dagar
Kleyfniþol Mpa 1.68 2.90 3.61
Þrýstiþol Mpa 17.8 26.6 50.1
E – stuðull Mpa 2.3x104 2.7x104 3.4x104
Mynd 12 sýnir hitaferil fyrstu 40 dagana í miðri spennuplötu:
Mynd 12: Hitaferill í miðju spennigólfi. Hitastig í °C á y-ás og aldur steypunnar á x-ás
Þrjár rannsóknaskýrslur voru gefnar út sú síðasta 15. Maí 1987. Í skýrslunum er lýst nákvæmlega framkvæmd verkefnisins og niðurstöður mælinga á steypunni fyrstu mánuðina ( Þorsteinn Helgason o.fl. 1987).
Þekkt er að possólansement gefa þéttari steypu en óblönduð sement. Þau eru því gjarnan notuð þar sem tæringarhætta er fyrir hendi, t.d. í bílageymslum þar sem steypan verður fyrir miklu álagi frá gatnasalti. Þéttleiki venjulegs íslensks portlandsements með 7.5% kísilryks- og 2.5% líparítíblöndun gagnvart klórleiðni var prófaður hjá Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins árið 2000 og hann borinn saman við erlent sement án possólaníblöndunar. Mæld var leiðni klórs í steypu með þessum tveim sementstegundum. Við mælingarnar var notuð svonefnd CTH leiðnitækni. Niðurstaðan úr tilrauninni var að leiðnistuðullinn fyrir klór í steypu með íslenska sementinu var u.þ.b. hálfri stærðargráðu minni en í steypu með erlendu sementi, þ.e. klór er lengur að ganga inn í steypuna með íslenska sementinu. Ástæða þessa töldu sérfræðingar stofnunarinnar vera að possólanefnin gerðu sementsefjuna í steypunni þéttari. Með hærri íblöndun possólanefna má álykta að klórleiðnin aukist enn frekar ( Gísli Guðmundsson og Helgi Hauksson 2000 ) .
Í íslensku sementstegundunum voru aðallega líparít og kísilryk notuð sem possólanefni í mismiklum mæli eins og fram hefur komið. Efnasamsetning íslenska sementsgjallsins og þessara efna var eitthvað mismunandi gegn um árin en sem næst eftirfarandi:
Efni: Líparít Kísilryk Sementsgjall
SiO2 % 67 92 20.5
Al2O3 % 13 1 5.0
Fe2O3 % 5 1 3.6
CaO % 3 0 64.0
NaO eq. % 4 1 1.5
Hvað varðar possólaneiginleika íslenska sementsins er áhugavert að vitna í norska doktorsritgerð sem fjallar um notkun og áhrif fínefna ( filler ) í steinsteypu ( Bård M. Pedersen 2004 ). Í þessari rannsóknn var notað fínmalað líparít ( kornastærð < 0,125 mm ) úr námu Sementsverksmiðjunnar. Hlutverk líparítsins var samanburður við norsk fínefni, einnig mulið gler, flugösku og kísilryk. Prófaður var possólanstyrkur , áhrif á steypustyrk og áhrif fínefnanna til að draga úr alkalíþenslu.
Niðurstöður norsku prófanna voru hagstæðar fyrir íslenska líparítið. Possólanstyrkur þess reyndist mjög góður og það minnkaði alkalíþenslu verulega. Samanburður við kísilryk á minnkun alkalíþenslu sýndi að 20% íblöndun líparíts myndaði minni þenslu en 7.5% kísilryk sem er í samræmi við íslensku niðurstöðurnar. Þá kom í ljós að íblöndun fínmalaðs líparíts í steypu jók þrýstiþol hennar verulega.
Þróun og leit að heppilegu possólansementi fyrir íslenskar aðstæður var haldið áfram. Vegagerðin hafði áhyggjur af steypuskemmdum í mannvirkjum hjá sér sérstaklega skemmdum sem fram komu á Borgarfjarðarbrúnni við Borgarnes. Hóf Vegagerðin samvinnu við Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins, Sementsverksmiðjuna og fleiri aðila að þróa sementstegund sem hentaði best gegn efnaáhrifum sjávar á steypu.
Voru prófaðar 6-8 sementstegundir bæði innlendar og erlendar. Bestan árangur sýndi háofnasement með íblöndun járnblendiryks. Í tilraununum var 40% af fínmöluðu háofnagjallii og 5% af kísilryki blandað saman við 55% af venjulegu Portlandsementi frá Sementsverksmiðjunni. Þetta tilraunasement sýndi góða vörn gegn alkalívirkni og gaf þétta steypu með góðri frostvörn.
Um þetta leyti var Reykjavíkurborg ( árið 1998 ) að undirbúa byggingu skólphreinsistöðvar við Klettagarða. Taldi hönnuður stöðvarinnar að þetta sement myndi henta vel í steypu stöðvarinnar en hún verður fyrir mjög miklum efnaáhrifum. Var þar horft sérstaklega til hægrar varmamyndunar og þéttleika steypunnar. Varð samkomulag milli hönnuðar, Reykjavíkurborgar og Sementsverksmiðjunnar að freista þess að nota þessa gerð háofnasements í mannvirkið og myndi Sementsverksmiðjan sjá um framleiðsluna. Í verklýsingu fyrir hreinsistöðina var síðan fyrirskrifað háofnasement skv. Evrópustaðli 197-1, CEM III/A með heimild til íblöndunar allt að 5% af járnblendiryki.
Háofnasement er framleitt með því að mala saman sementsgjall og háofnagjall. Háofnagjall ( granulated blast furnice slag ) verður til við framleiðslu járns úr járngrýti í svonefndum háofnum. Fljótandi gjallið, sem er meira en helmingi léttara en járnið, flýtur ofan á járnbráðinni í ofnunum og er veitt þaðan um 1.500 °C heitu í búnað þar sem það er hraðkælt með vatni. Við það nær gjallið ekki að kristallast og er að mestu í glerkenndu ástandi, sem gerir gjallið virkara til allra efnahvarfa. Við vatnsmeðhöndlunina storknar gjallið í smá kúlur og er vatnsinnihaldi þess um 10%. Þannig er það selt til sementsframleiðenda. Fyrir mölun verður að þurrka gjallið og hafa sementsframleiðendur þá gjarnan hraðþurrkara við inntak sementskvarnanna Aðal-efnasamböndin í háofnagjallinu eru oxíð af silisíum, kalsíum, alúminíum og magnesíum. Mest er af kalsíum og silisíum oft um 35% af hvoru, en minna af áli og magnesíum um 15% af hvoru.
Sementsverksmiðjan flutti í byrjun árs 1999 inn um 40 tonn af háofnagjalli frá Belgíu og framleiddi úr því háofnasement til steyputilrauna hjá Rb. Samsetning sementsins var 50% sementsgjall, 40% járngjall, 5% kísilryk og 5% gips. Þarna var komið sement þar sem sementsgjallið var aðeins helmingur af sementinu. Þessar tilraunir fóru fram á árinu 1999. Framkvæmdar voru mælingar á styrk miðað við styrk Blöndusements og alkalíþenslu miðað við venjulegt Portlandsement. Var sementið skilgreint skv. EN 197-1 : CEM III/A með heimild til íblöndunar allt að 5% kísilryki.
Mynd 12: Hitaferill í miðju spennigólfi. Hitastig í °C á y-ás og aldur steypunnar á x-ás
Þrjár rannsóknaskýrslur voru gefnar út sú síðasta 15. Maí 1987. Í skýrslunum er lýst nákvæmlega framkvæmd verkefnisins og niðurstöður mælinga á steypunni fyrstu mánuðina ( Þorsteinn Helgason o.fl. 1987).
Þekkt er að possólansement gefa þéttari steypu en óblönduð sement. Þau eru því gjarnan notuð þar sem tæringarhætta er fyrir hendi, t.d. í bílageymslum þar sem steypan verður fyrir miklu álagi frá gatnasalti. Þéttleiki venjulegs íslensks portlandsements með 7.5% kísilryks- og 2.5% líparítíblöndun gagnvart klórleiðni var prófaður hjá Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins árið 2000 og hann borinn saman við erlent sement án possólaníblöndunar. Mæld var leiðni klórs í steypu með þessum tveim sementstegundum. Við mælingarnar var notuð svonefnd CTH leiðnitækni. Niðurstaðan úr tilrauninni var að leiðnistuðullinn fyrir klór í steypu með íslenska sementinu var u.þ.b. hálfri stærðargráðu minni en í steypu með erlendu sementi, þ.e. klór er lengur að ganga inn í steypuna með íslenska sementinu. Ástæða þessa töldu sérfræðingar stofnunarinnar vera að possólanefnin gerðu sementsefjuna í steypunni þéttari. Með hærri íblöndun possólanefna má álykta að klórleiðnin aukist enn frekar ( Gísli Guðmundsson og Helgi Hauksson 2000 ) .
Í íslensku sementstegundunum voru aðallega líparít og kísilryk notuð sem possólanefni í mismiklum mæli eins og fram hefur komið. Efnasamsetning íslenska sementsgjallsins og þessara efna var eitthvað mismunandi gegn um árin en sem næst eftirfarandi:
Efni: Líparít Kísilryk Sementsgjall
SiO2 % 67 92 20.5
Al2O3 % 13 1 5.0
Fe2O3 % 5 1 3.6
CaO % 3 0 64.0
NaO eq. % 4 1 1.5
Hvað varðar possólaneiginleika íslenska sementsins er áhugavert að vitna í norska doktorsritgerð sem fjallar um notkun og áhrif fínefna ( filler ) í steinsteypu ( Bård M. Pedersen 2004 ). Í þessari rannsóknn var notað fínmalað líparít ( kornastærð < 0,125 mm ) úr námu Sementsverksmiðjunnar. Hlutverk líparítsins var samanburður við norsk fínefni, einnig mulið gler, flugösku og kísilryk. Prófaður var possólanstyrkur , áhrif á steypustyrk og áhrif fínefnanna til að draga úr alkalíþenslu.
Niðurstöður norsku prófanna voru hagstæðar fyrir íslenska líparítið. Possólanstyrkur þess reyndist mjög góður og það minnkaði alkalíþenslu verulega. Samanburður við kísilryk á minnkun alkalíþenslu sýndi að 20% íblöndun líparíts myndaði minni þenslu en 7.5% kísilryk sem er í samræmi við íslensku niðurstöðurnar. Þá kom í ljós að íblöndun fínmalaðs líparíts í steypu jók þrýstiþol hennar verulega.
Þróun og leit að heppilegu possólansementi fyrir íslenskar aðstæður var haldið áfram. Vegagerðin hafði áhyggjur af steypuskemmdum í mannvirkjum hjá sér sérstaklega skemmdum sem fram komu á Borgarfjarðarbrúnni við Borgarnes. Hóf Vegagerðin samvinnu við Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins, Sementsverksmiðjuna og fleiri aðila að þróa sementstegund sem hentaði best gegn efnaáhrifum sjávar á steypu.
Voru prófaðar 6-8 sementstegundir bæði innlendar og erlendar. Bestan árangur sýndi háofnasement með íblöndun járnblendiryks. Í tilraununum var 40% af fínmöluðu háofnagjallii og 5% af kísilryki blandað saman við 55% af venjulegu Portlandsementi frá Sementsverksmiðjunni. Þetta tilraunasement sýndi góða vörn gegn alkalívirkni og gaf þétta steypu með góðri frostvörn.
Um þetta leyti var Reykjavíkurborg ( árið 1998 ) að undirbúa byggingu skólphreinsistöðvar við Klettagarða. Taldi hönnuður stöðvarinnar að þetta sement myndi henta vel í steypu stöðvarinnar en hún verður fyrir mjög miklum efnaáhrifum. Var þar horft sérstaklega til hægrar varmamyndunar og þéttleika steypunnar. Varð samkomulag milli hönnuðar, Reykjavíkurborgar og Sementsverksmiðjunnar að freista þess að nota þessa gerð háofnasements í mannvirkið og myndi Sementsverksmiðjan sjá um framleiðsluna. Í verklýsingu fyrir hreinsistöðina var síðan fyrirskrifað háofnasement skv. Evrópustaðli 197-1, CEM III/A með heimild til íblöndunar allt að 5% af járnblendiryki.
Háofnasement er framleitt með því að mala saman sementsgjall og háofnagjall. Háofnagjall ( granulated blast furnice slag ) verður til við framleiðslu járns úr járngrýti í svonefndum háofnum. Fljótandi gjallið, sem er meira en helmingi léttara en járnið, flýtur ofan á járnbráðinni í ofnunum og er veitt þaðan um 1.500 °C heitu í búnað þar sem það er hraðkælt með vatni. Við það nær gjallið ekki að kristallast og er að mestu í glerkenndu ástandi, sem gerir gjallið virkara til allra efnahvarfa. Við vatnsmeðhöndlunina storknar gjallið í smá kúlur og er vatnsinnihaldi þess um 10%. Þannig er það selt til sementsframleiðenda. Fyrir mölun verður að þurrka gjallið og hafa sementsframleiðendur þá gjarnan hraðþurrkara við inntak sementskvarnanna Aðal-efnasamböndin í háofnagjallinu eru oxíð af silisíum, kalsíum, alúminíum og magnesíum. Mest er af kalsíum og silisíum oft um 35% af hvoru, en minna af áli og magnesíum um 15% af hvoru.
Sementsverksmiðjan flutti í byrjun árs 1999 inn um 40 tonn af háofnagjalli frá Belgíu og framleiddi úr því háofnasement til steyputilrauna hjá Rb. Samsetning sementsins var 50% sementsgjall, 40% járngjall, 5% kísilryk og 5% gips. Þarna var komið sement þar sem sementsgjallið var aðeins helmingur af sementinu. Þessar tilraunir fóru fram á árinu 1999. Framkvæmdar voru mælingar á styrk miðað við styrk Blöndusements og alkalíþenslu miðað við venjulegt Portlandsement. Var sementið skilgreint skv. EN 197-1 : CEM III/A með heimild til íblöndunar allt að 5% kísilryki.
Mynd 13: Styrkur háofnagjallsements miðað við Blöndusement
Mynd 14: Alkalíþensla með háofnasementi miðað við venjulegt Portlandsement
Niðurstöður þrýstiþols sýna að varmamyndun háofnasementsins er verulega hægari en hjá Blöndusementi en jafn styrkur hefur náðst eftir 3 mánuði ( Mynd 13 ). Alkalímælingar sýndu að háofnasementið kemur í veg fyrir hættulega alkalíþenslu og er mikið virkara en venjulegt Portlandsement ( Mynd 14 ).
Mynd 15: Varmamyndun í háofnasementi miðað við venjulegt Portlandsement og Blöndusement
Varmamyndun ( NT-Build 388 ) í háofnasementi var mæld og borin saman við varmamyndun með venjulegu Portlandsementi og Blöndusementi ( Mynd 15 ). Háofnasementið hefur mikið hægari varmamyndun en báðar hinar seentstegundirnar. Hvað Blöndusementið áhrærir skýrir mismunandi mölunarfínleiki hraða varmamyndun að nokkru. Háofnasementið hafði Blain-fínleika 4050 cm2/g álíka og venjulegt Portlandsement en Blöndusementið 5618 cm2/g.
Byggingu hreinsistöðvarinnar við Klettagarða var lokið árið 2002 og ekki er vitað annað en steypan með háofnasementinu íslenska hafi staðið sig vel.
Staða og þróun possólansenents í dag
Sement og steinsteypa hefur verið vaxandi iðnaður og mun verða næstu áratugi. Miklar breytingar hafa orðið í framleiðslu og notkun þessara efna. Áður var framleiðsla sements með háu C3A innihaldi og háum styrk aðalmálið. Nú hafa áhrif orkukostnaðar og umhverfiskrafna aukist og þróunin hefur beinst meira að betri nýtingu sementsins í steypunni. Mest hefur þróunin hvað varðar steypuframleiðsluna verið tilkoma nýrra og áhrifamikilla íblöndunarefna aðallega þjálniefna sem hafa minnkað þýðingu sementsins í steypunni, sérstaklega er nú hægt að komast af með minna sementsmagn en áður. Sú staðreynd ásamt kröfum um minnkun á myndun gróðurhúsalofttegunda við gerð sementsins hefur kallað á aukna notkun possólanefna. Áhugavert er að sjá markaðsdreifingu þeirra sementstegunda í Evrópu sem framleiddar eru skv. EN 197. Hún sýnir að í mörgum löndum álfunnar er notkun blandaðs sements mjög mikil og meiri en hefðbundins Portlandssements (CEM I) Þannig hefur CEM I 36.5% að meðaltali af markaðnum, CEM II 51.2%, CEM III = 6.5%, CEM IV= 4.8% og CEM V=1%
Fram hefur komið að það sem stendur í vegi fyrir notkun possólansements í venjulega steypu er hægari hörðnun hennar en með Portlandsementi. Þróun síðustu ára á íblöndunarefnum í steypu sem minnka vatnsþörf hennar ( vatnssparar ) og auka þjálni gæti bætt stöðu possólansementsins hvað þetta varðar. Þessi íblöndunarefni eru verksmiðjuframleidd, lífræn og vatnsleysanleg efni sem draga verulega úr vatnsþörf steypunnar til að ná ákveðinni þjálni.
Þessir nýju hágæðavatnssparar eru venjulega af eftirfarandi efnaflokkum:
Naftalen-formaldehýð súlfónöt
Melamin-formaldehýð natríum súlfónat
Ýmis vinyl- og aminosúlfó-formaldehýð sambönd
Ýmsir pólýkarboxýl- eterar
Með samblöndun þessara efna einnig með venjulegum vatnssparandi íblöndunarefnum má ná fram mismunandi eiginleikum sem leitað er eftir.
Flest þessara íblöndunarefna vinna á líkan hátt í steypunni. Aðaláhrif þeirra er að við upplausn í steypuvatninu fær SO3-hópurinn ( súlfó- ) neikvæða hleðslu. Sumir hópanna tengjast við jákvætt hlaðið yfirborð sementskornanna en aðrir snúa neikvæðri hleðslu sinni út á við. Það veldur því að sementskornin hrinda hvort öðru frá sér og það veldur síðan betri dreifingu sementskornanna í sementsefjunni og þar með minni vatnsþörf til að ná vissri þjálni.
Nýjustu íblöndunarefnin eru pólýkarbosýl eterar. Þeir hafa tvenns konar áhrif þ.e. raf- en einnig rýmdaráhrif. Rýmdaráhrifin koma vegna gerðar efnissameindarinnar sem er löng aðalkeðja kolefnisatóma en einnig langar hliðarkeðjur sem valda því að sementskornin verða fyrirferðameiri þegar þessi efnasambönd fesrtast utan á þau. Hliðarkeðjurnar eru með líka með neikvæðar rafhleðslur á endunum og fráhrindiáhrifin verða sterkari og skýra hina miklu virkni þessara nýju efnasambanda.
Magn þess sem notað er af þessum vatnsspörum og þjálniefnum er mismunandi. Af naftalen-og melamin-tegundunum er venjulega notað 0.7-2.5% af sementsþyngd og við það verður vatnsþörfin 16-30% minni. Pólýkarboxýlat-eterarnir eru áhrifameiri og venjulega eru notuð 0.3-1.0% af sementsþyngd til að fá 20-40% minni vatnsþörf. Þeir eru mikið notaðir í sjálfútleggjandi steypu.
Þessa kraftmiklu vatnsspara má nota með öllum gerðum Portlandsements einnig öðrum sem framleidd eru í samræmi við staðalinn EN 197-1. Þeir geta þó haft viss áhrif á loftmagn, þjálni og storknunartíma hjá blönduðum sementum.
Rannsóknir væru nauðsynlegar hér á landi til að athuga hvort megi með íblöndunarefnum auka styrkmyndunarhraða possólansements þannig að hann yrði nálægt því sem er með venjulegu Portlandsementi. Þar þyrfti að huga að hraðaaukandi efnum en einnig þjálniefnum og rannsaka þarf hvernig mismunandi íblöndunarefni samhæfast ( compatible ) íslensku.possólansementi.
Nærliggjandi væri að athuga með áhrif þekktra hraðaraukandi efna eins og kalsíumklóríðs. Nýleg rannsókn í Bandaríkjunum sýndi ótvíráð áhrif á auknum byrjunarstyrk blandaðs sements með kalsíumklóríð sem hraðaaukandi efni og dietanol-isopropanolamin sem þjálniaukandi efni. Possólanefnin í þessari rannsókn voru háofnagjall og flugaska ( K.Ryding o.fl. 2010 )
Vitað er að ný hágæðaþjálniefni virka í steypum með possólansementi en enn sem komið er ganga rannsóknir með þau efni mikið út á að framleiða sjálfútleggjandi steypu eða hágæðasteypu . Til þess að gera sér grein fyrir hvað hægt er að breyta hörðnunarferli possólansementa í steypu þarf að gera rannsóknir á samrýmanleika sementsins og viðkomandi hrað- eða þjálniefna. Vitað er að háþróuðustu þjálniefnin eru oft mjög viðkvæm fyrir breytingum í eiginleikum sementsins. Jafnvel breytileiki milli framleiðsludaga sements geta valdið breytingum og vandamálum við framleiðslu steypu ( Olafur H. Wallevik and Stefan Kubens 2008 )
Hingað til hefur possólansement nær eingöngu verið framleitt úr sementsgjalli og einni gerð possólanefnis ( binary blend ). Íslensku possólansementstegundirnar tvær, Blöndusement og Háofnasement, eru að því leyti sérstakar að tvær gerðir possólanefna eru notaðar með sementsgjallinu, annars vegar líparít og kísilryk og háofnagjall og kísilryk hins vegar . Er um að ræða þriggja efna sementsblöndu, gjall og tvær possólantegundir ( ternary blend ). Á seinni árum hafa tilraunir sýnt að hagkvæmt geti verið að samnota tvær gerðir possólanefna í sement þar sem þær geta bætt hvora upp hvað eiginleika steypu úr þeim snertir. Á þetta sérstaklega við um kísilryk sem virðist samhæfast vel öðrum possólanefnum í sementinu og bæta eiginleika þess. Um líkt leyti og Blöndusementið var tekið í notkun voru í gangi rannsóknir í Kanada á notkun kísilryks ásamt háofnagjalli eða flugösku í hágæðasteypu og lofuðu tilraunirnar góðu um árangur ( M.Baalbaki o.fl. 1992 ). Á þessari ráðstefnu í Istanbul 1992 kom fram að eini framleiðandi kísilrykssements í heiminum hefði verið á Íslandi en í Quebec Kanada væru tvær verksmiðjur farnar að framleiða kísilrykssement og hefðu framleitt 170.000 tonn árið 1990 með 6.5-8% íblöndun kísilryks.
Áhugaverð rannsókn á notkun þriggja efna sements í hágæðasteypu er áhugaverð fyrir hérlendar aðstæður. Hún fjallar um notkun kísilryks ásamt eldfjallaösku úr héraðinu Tal Rimah í Jórdaníu í possólansement ( M.J.Shannag 2000 ). Bestu styrkleikatölur í þessari rannsókn fengust með samblöndun á 15% kísilryki, 15% af eldfjallaösku og 70% sementsgjalli. En áhugi á samnotkun á fleiri en einu possólanefni hefur aukist síðustu ár. Má þar sérstaklega minnast á steypuframleiðsluna í Danmörku sem minnst er á í kaflanum um umhverfiðvænleika possólansements hér að framan.
Hinn þekkti sementssérfræðingur og fyrrverandi prófessor við Kalíforníuháskóla í Berkeley P.Kumar Mehta mælti sérstaklega með notkun þriggja efna sementsblöndu sem sjálfbæra sementstegund fyrir framtíðina. Slík sementstegund þurfi að hafa lágt hlutfall sementsgjalls ( possólanefnin >40% af sementsþyngd , helst að gjallhlutinn sé ekki meiri en 50% af sementsþyngdinni). Þannig sement veiti steypunni mikla vörn gegn sprungumyndun og þar með vörn gegn veðrun, alkalíþenslu,súlfatþenslu og tæringu á steypustyrktarjárni. (P. Kumar Mehta 2008 ) . Samkvæmt skilgreiningu Mehta er Faxasementið íslenska nálægt því að vera sjálfbært og Háofnasementið íslenska nær því þó að það sé ekki ekta þriggja efna sement.
Samantekt
Af því sem fram kemur hér á undan er ljóst að heppilegast væri að íblöndun possólanefna eða óbrenndra efna almennt væri sem mest. Í fyrsta lagi er þéttleiki steypu með possólansementi meiri en með venjulegu óblönduðu sementi og vörn gegn innflæði vatns og tæringarefna er meiri. Þetta hefur í för með sér minni hættu á frostskemmdum, en einnig minni hættu á tæringu steypustyrktarjárna. Efnasamsetning possólanefnanna virkar jafnframt gegn myndun þeirra efna sem valda alkalíþenslu í steinsteypu.
Í öðru lagi minnkar hlutur sementsgjalls í sementinu með possólaníblönduninni og þar með minnkar myndun koldíoxíðs við framleiðslu. Við brennslu á einu tonni af sementsgjalli myndast eitt tonn af koldíoxíði og það sama gildir um tonnið af óblönduðu sementi ef íblöndun á 5% gipsi er ekki reiknað með. En við framleiðslu á einu tonni af Blöndusementi með 35% íblöndun possólanefna myndast 0.65 tonn af koldíoxíði og aðeins hálft tonn við framleiðslu háofnasements.
Hér á landi hefur verið auðvelt að fá framkvæmendur stórmannvirkja þar sem massasteypa er notuð til að nota íslensu possólan- sementstegundirnar. Verktakar á almennur steypumarkaði og einnig steypuframleiðendur eru aftur á móti tregir til að nota possólansement þar sem byrjunarstyrkur steypu með því er minni en með óblönduðu sementi. Styrkur steypu með possólansementi sem bindiefni er aftur á móti jafnan hærri þegar til lengri tíma er litið.
Ekki er þess að vænta að hraði í byggingaframkvæmdum og þar með steypugerð muni breytast á næstu árum og því verður að gera ráð fyrir því að eftirspurn eftir possólansementi aukist hægt á almennum byggingarmarkaði þó að umhverfisvænleiki þess muni eflaust þrýsta á notkun þess. Mikilvægt er að þróa íblöndunarefni ( additive ) sem samrýmast vel possólansementi í steypu til þess að minnka muninn gegn kröfum byggingamarkaðarins.
Framtíðin:
En tæknileg þróun sements- og steypugerðar heldur áfram og sementsframleiðendur þurfa að stuðla að því að blönduð sement verði notuð í almenna steypuframleiðslu. Á undanförnum árum hefur slík þróun hafist og er helst horft til lausna þar sem sértæk íblöndunarefni ( með yfirborðsvirka -eða efnaskipta-eiginleika ) eru notuð. Rannsóknir hafa t.d. leitt í ljós samhæfa þarf þjálniefnin sementinu í steypunni til þess að besti árangur náist.
Pierre - Claude AΪtcin prófessor við háskólann í Sherbrook í Kanada hefur velt framtíð steypu- og sementsiðnaðinum mikið fyrir sér og skrifaði um það áhugaverða grein árið 2000 sem hann nefndi : Sement gærdagsins og í dag, steinsteypa morgundagsins ( Pier - Claude AΪtcins 2000 ) Þýðingu á greininni er að finna á heimasíðu Steinsteypufélags Íslands www.steinsteypufelag.is, undir greinar og viðtöl.
Um sement fortíðarinnar segir AΪtcin þetta:
Sement gærdagsins var yfirleitt ekki eins fínmalað og innihélt ekki eins mikið af C3S og nútíma sement. En þetta er ekki eini munurinn. Aðrir eiginleikar sem minna ber á eru tækniega mikilvægir. Áður en þeir verða ræddir er rétt að huga að þeim tveim fyrst nefndu.Það er sennilega vegna þrýstings frá verktökum að sementsframleiðendur ákváðu að að auka fínleika og C3S innihald sementsins í því augnamiði að gera verktökunum kleyft að fjarlægja steypumót eftir skemmri tíma og auka þannig samkeppnishæfni þeirra. Persónulega get ég ekki fallist á þessi rök þar sem ég get ekki skilið hvernig samkeppnishæfni verktaka batnar við að sementsframleiðendur bjóða þeim fínna sement með hærra C3S innihaldi. Þessi afstaða hefur jafnvel haft neikvæð áhrif á sementsiðnaðinn því að með þessum nýju sementum má ná hærra 28 daga þrýstiþoli í steypu jafnvel með minna sementi en þetta 28 daga þrýstiþol er aftur á móti fengið á kostnað minni endingar.
Þess vegna var hið gamla góða sement gærdagsins sem var grófara og hafði minna C3S notað til að gera steypu þar sem þrýstiþolið hélt áfram vaxa eftir 28 dagana, þar sem aftur á móti nýja sementið hefur náð öllum sínum styrk eftir 28 daga. Fyrir hönnuðinn og sementsframleiðandann eru þessi sement jöfn en fyrir eigandann þar sem viðhald og ending er aðalatriðið er gamla steypan þegar allt kemur til alls miklu sterkari og endingarbetri en 28 daga þrýstiþolið gaf til kynna.
AΪtcin heldur áfram síðar í greininni.
Þegar íblöndun súperþjálniefna til þess að minnka v/s hlutfallið í hágæðasteypu hófst komust menn að því að sumar sementstegundir og súperþjálniefni eiga ekki saman ( incompatible ) og ekki var mögulegt að taka út vatnssparann og bæta við sementi og vatni til þess að leysa vandann. Það reyndist nauðsynlegt að fá skilning á hvers vegna þessi vandamál voru með einu sementi eða superþjálniefni en ekki öðru.
Um framtíð steypunnar segir AΪtcin:
Bindiefni morgundagsns mun innihalda minna af sementsgjalli, þau munu ekki nauðsynlega hafa svo hátt C3S innihald og þau munu í sífellt meira umfangi vera framleidd með óhefðbundnu eldsneyti. Þau munu verða að uppfylla stöðugt strangari staðalkröfur og eiginleikar þeirra verða að vera stöðugir sérstaklega þar sem gjallhlutinn verður lægri í blönduðum sementstegundum. Bindiefni morgundagsins verða sífellt samrýmanlegri fleiri og fleiri flóknum íblöndunarefnum og það mun leiða til endingarbetri steinsteypu fremur en sterkari steypu.
Íblöndunarefnin munu sífellt verða fleiri og oftar sniðin að viðkomandi steypu. Þau verða sífellt hreinni efni, sértækari og virkni þeirra hnitmiðaðri. Það mun stöðugt verða erfiðara að kenna íblöndunarefnunum um ef um vandamál vegna samrýmanleika er að ræða og það verður nauðsynlegt fyrir sementframleiðandann að gefa út lista um hvaða íblöndunarefni samræmast hans sementstegundum
Steinsteypa morgundagsins mun verða GRÆN, GRÆN, og GRÆN. Steypan mun hafa lágt vatns-bindiefna hlutfall, hún mun verða endingarbetri og hafa ýmsa mismunandi eiginleika til nota við mismunandi aðstæður. Sá tími verður liðinn sem steinsteypa verður talin lágverðs vara heldur rennur upp tími sérlausna ( a la
Carte ).
Lokaorð:
Þróun á íslensku possólansementi hefur nú legið niðri í meira en áratug. Á meðan hefur þróun þess fleygt fram víða erlendis. Með nýjum tegundum íblöndunarefna sem talin eru ómissandi í nútíma steypugerð hefur tekist að bæta úr ýmsum vandamálum sem fylgja þessum sementstegundum. Má þar sérstaklega nefna lágan byrjunarstyrk sem ekki er vinsæll hjá steypuframleiðendum og byggingaverktökum. Þá hefur notkun possólansements þegar haft mikil áhrif á umhverfisvænleika sements þar sem hægt er á einfaldan hátt að minnka hlut sementsins í myndun gróðurhúsalofttegunda. Grænt sement og græn steinsteypa eru framtíðin. Hækkun á verði eldsneytis til framleiðslu á sementsgjalli mun einnig auka hagkvæmni við framleiðslu possólansements.
Það er ljóst að lítil eining til brennslu á sementsgjalli eins og er í Sementsverksmiðjunni á Akranesi getur ekki sýnt sömu hagkvæmni við framleiðslu sementsgjalls og stórar einingar með nýrri tækni. Notkun ódýrra possólanefna samhliða þróun steyputækni til hagkvæminnar notkunar á possólansementi gæti verið lausn á framtíð íslenskrar sementsframleiðslu.
Guðmundur Guðmundsson
Febrúar 2011
Heimildir:
V.M Malhorta: Pozzolanic and Cementitious Materials (Advances in Concrete Technology)] 1996
P.C. Hewlett: Leas Chemnistry of Cement and Concrete, F. Massazza Pozzolan and Pozolanic Cement 1988
J.W.Wilson and Y.C.Ding : A comprehensive report on pozzolanic Admixtures 2007
Rannsóknaskýrslur Rannsóknastofnunar byggingariðnaðarins
Sementsstaðlar Bandaríkjanna. ASTM Standards for Types of Cement
Evrópski sementsstaðallinn EN 197-1
Glavind M., .Munch-Petersen C., Damtoft J.S., Berrig A., Symposium on Nordic Concrete Research. Reykjavík 1999
Í ljósi vísindanna, rit III í ritröð Verkfræðingafélags Íslands 2005
Alkalíefnabreytingar í steinsteypu, dr. Guðmundur Guðmundsson, Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins 1971
Symposium on alkali aggregate reaction, preventative measures, 1975
Guðmundur Guðmundsson og Haraldur Ásgeirsson, Cement and Concrete Research Vol. 5, pp. 211-220, 1975
Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins, Alkalívirkni steinsteypu, nr 96, 2007, bls. 21
Þorsteinn Helgason, Ragnar Ingimarsson og Hákon Ólafsson: Raunsteypa , Raunvísindastofnun Háskóla Íslands og Rannsóknastofnun byggingariðnaðarins
1987).
Gísli Guðmundsson og Helgi Hauksson, skýrsla Rannsóknastofnunar byggingariðnaðarins ár 2000
Bård M. Pedersen, Alkali-reactive.and inerte filler in concrete, Norwegian University of Science and Technology 2004
K.Ryding, D.Silva, K.Scrivener, Cement and Concrete Research, ekki birt ennþá
Olafur H. Wallevik and Stefan Kubens, Influence of cement-admixture on the reology of mortar and concrete BFT, Betonferigteile GmbH & Co KG, 05.2008
M.Baalbaki, S.L.Sarker, P.C. AΪtcin and H. Isabelle, Properties and Microstructure of High Performance Concretes containing silica fume, slag and fly ash, Proceedings of fourthInternational Conference Istanbul, may 1992
M.J.Shannag: High strength concrete containing natural pozzolan and silica fume, Cement and Concrete Composites 22, 2000 , 399-406
P. Kumar Mehta, Glimpse in the sustainible ternary blend cements of the future, 50th Brasilian Concrete Congress 6.September 2008
Pier - Claude AΪtcins Cements of yesterday and today, Concrete of tomorrow, Cement and Concrete Research vol. 30, September 2000 p. 1349-1359
Page updated
Google Sites
Report abuse