Egenspänningar och krympning!

Kapitel 19 i nya Betonghandboken Material berättar om egenspänningar i tidig ålder av temperaturrörelser och krympning där värme- och mognadsutveckling är viktiga ingredienser. 
Av Mats Emborg, FOU-chef, Betongindustri, professor Luleå Tekniska Högskola 

Betonghandbok Material, del 2, blev 2021 utsedd till årets bok av Svensk Byggtjänst – det förtjänar den verkligen och det är inte dåligt! Det är ju en diger volym av faktaböcker och andra byggrelaterade texter som ges ut av förlaget varje år.

Det sägs att inget annat liknande samlat verk inom betongtekniken finns framtaget i något annat land. En snabbgenomgång av våra nordiska grannars publikationer och vad som hörts om läget utanför Norden ger samma slutsats.

Från Byggtjänsts hemsida kan man läsa att handboken är skriven av specialister från industri- och konsultföretag, tekniska högskolor/universitet och forskningsinstitut. Varje kapitel har sakgranskats av en eller flera experter och dessutom försetts med omfattande källhänvisningar till forskningsartiklar och undersökningar. Det nämns att boken är ett resultat av samarbete mellan Cementa, Svenska Betongföreningen och Svensk Byggtjänst. 

När man håller de två böckerna (det är två delar) kan man inte undgå att reflektera över det stora arbete som lagts ned på att sammanställa aktuellt kunskapsläge och formulera det i texter av hög tydlighet med god pedagogisk framtoning. Utmaningar har funnits med tanke på betongmaterialets komplexitet i sig och all fakta som kan hittas i svensk och internationell litteratur. – Det har nog inte varit så lätt alla gånger att ta fram begripliga texter. Flera företag inom betongbranschen har bidragit med egeninsatser från sin personal – helt klart! 

Är det någon person som ska nämnas i sammanhanget, då är det Ingvar Börtemark, projektledaren. Han lyckades med stor entusiasm och beundransvärt tålamod skapa en trivsam atmosfär hos författargruppen, och har varit en viktig kugge så att den fina boken verkligen kunde se dagens ljus i höstas!

Vad är nyttan med handboken? Det gäller att “hitta koden” för att kunna dra ut kunskapen ur det skrivna. När man lyckas tolka texten och sammanföra den med sin egen erfarenhet – då finner man svaren på de flesta betongfrågorna; smått och stort, starkt och svagt, högt och lågt.  

Alla som öppnar böckerna kommer att känna igen sig – och tycka det är trevligt! Redan i kapitel 2 kommer man in på cementet och därefter övriga betongbeståndsdelar. Flera kapitel avverkas sen i rask följd. Tag paus med den fina introduktionen i kap 1 och det viktiga kap 35 om miljö. Ett kapitel varannan vecka kan vara lagom fart – då tar det 1,5 år att komma igenom boken. Sen är man fullärd.

Om man inte tycker den taktiken passar kan man läsa baklänges, alltså från slutet. Här beskrivs betongens alla fina egenskaper och prestanda som sedan förklaras i de första kapitlen. Eller varför inte använda boken som ett uppslagsverk? När frågor dyker upp – då kollar man i det fina sökordsregistret och hittar texten. Det går fort, speciellt om man har en tryckt version av boken på armlängds avstånd i hyllan vid skrivbordet. Överlägset mot att bläddra i en dator. Markera intressanta delar med små gula flikar och vips har du sorterat din funna kunskap framför dig – din personliga betonghandbok.

Betonghandboken ska vi vara stolta över! – Läs den!

Egenspänningar och sprickor – ett av Betonghandbokens kapitel: nr 19.

Att egenspänningarna kan orsaka sprickor och andra olägenheter vid gjutning av såväl grova som slanka konstruktioner har man känt till i snart 100 år inom betongbyggnadstekniken. Det är volymändringarna på grund av temperaturförloppet under hydratationen och av den tidiga uttorkningen som ligger bakom egenspänningarna. Den tidiga sprickbildningen påverkar beständighet och teknisk funktion och bör undvikas, t.ex. i tunnlar under grundvattenytan och broar exponerade för klorider och frys- och töcykler. Industri-, stom- och husbyggnader med liknande aggressiv exponering är andra konstruktioner där sprickbildning är kritisk. Genomgående sprickor (fig 1, 2a, 2b) är speciellt ogynnsamma eftersom de kvarstår och förorsakar inträngning av kloridjoner, vatten och innebär läckage i vissa konstruktioner. Ytsprickor (fig 1, 2c) är ofta inte lika farliga men kan även de innebära att livslängden hos strukturen förkortas.

Kapitel 19 förmedlar kunskap om bildandet av sprickor, inverkande faktorer och hur sprickorna kan undvikas. För den vetgirige presenteras detaljerad information om t ex materialegenskaper och hur de modelleras, om detaljorsaker till sprickuppkomsten och om hur egenspänningarna kan beräknas. Exempel på beräknade egenspänningar ges för ett antal typsituationer. Kapitelförfattarnas övertygelse är att ökad kunskap i ämnet gynnar en hållbar byggprocess och minskar de totala kostnaderna för samhället.  

En hållpunkt i kunskapsuppbyggnaden och bra utgångspunkt när man ska vidta åtgärder mot fenomenet, är att vara medveten om när de olika typerna av sprickor uppkommer, se tabell 1. Vitt skilda åtgärder är lämpliga om de olika spricktyperna ska motverkas. 

Att ha överblick över alla de faktorer som inverkar på sprickrisken, figur 3, underlättar förståelsen. Även om förenklingar av sambanden i figuren kan göras, inses att samspelet mellan faktorerna är komplicerat. Det är därför oftast nödvändigt att nyttja datorberäkningar för att kunna uppskatta egenspänningarna och deras relation till draghållfasthet. 

Den som känner sig bekväm inom området, dvs förstår t.ex. figuren till fullo, kan använda sig av enklare samband och t o m tumregler för att räkna fram sprickrisken. De förenklade metoderna kalibreras in mot resultat från datorberäkningar. I kapitlet ges därför råd hur handberäkningsmetoder ska användas liksom även hur datorbaserade metoder för strukturanalyser är uppbyggda. För- och nackdelar med metoderna listas och när i byggprocessen de lämpligen är användbara beskrivs. 

Vid användning av betong med lågt vattencementtal är autogen krympning av självuttorkning alltid närvarande och denna kan vara ansenlig. Vid större förändring av betongsammansättning bör därför även denna inverkan undersökas och tas med i spänningsanalyserna liksom den vanliga uttorkningskrympningen vid tunnare tvärsnitt.

Figur 1. Tidiga ytsprickor under uppvärmning och genomgående kontraktionssprickor under avsvalning hos en vägg gjuten på tidigare gjuten sektion.

Figur 2 a och b) Temperaturer och egenspänningar vid 100 % och partiellt ändtvång och risk för genomgående avsvalningssprickor c) egenspänningar i yta och inre delar på grund av temperaturskillnader i tidigt skede.  

Spricktyp	Expansionssprickor under uppvärmningsfas	Kontraktionssprickor under avkylningsfas
Ytsprickor	Beror på temperaturskillnader mellan yta och centrala delar.	Framkallas vid snabb ytavkylning (t.ex. vid formrivning och väderomslag).
Genomgående sprickor	Uppkommer när medeltemperaturen skiljer sig starkt mellan olika delar av nygjuten konstruktion. Kan även uppkomma i anslutande struktur.	Beror på medeltemperatursänkning och samtidigt mothåll från anslutande strukturer/undergrund.

Tabell 1. Typer av temperatursprickor under expansions- och kontraktionsfaserna.

Figur 3. Faktorer inverkande på egenspänningar i hårdnande betong av temperatur och krympning och hur sprickbenägenhet kan bedömas.

 

Värme- och mognads- och hållfasthetsutveckling

Som en extra bonus i kapitlet, inte att förbises vid t.ex vintergjutning (mer än halva året i större delen av Sverige!), ges information om betongens värmeutveckling, dess mognadsutveckling och hur denna påverkar hållfasthetstutvecklingen. 

Mognadsutvecklingen kan sägas vara betongens temperaturberoende ”inre åldersklocka”. Med modeller för mognaden kan man, förutom studier av egenspänningar och sprickrisker, få underlag för optimering av gjutning och tidig hantering av betong. Då kan man bedöma lämpliga tider för glättning, formrivning, stämpning, uppspänning och inte minst hur tidig frysning kan undvikas. Beräkningsverktyg finns och ingår bl.a. i behörighetsutbildningar, klass I och II. Eftersom så många fenomen är kopplade till mognaden är det viktigt att denna beskrivs korrekt vilket ordnas genom kap 19:s försorg. I kapitlet ges alltså en grundkurs om mognadsutveckling.

När det gäller hållfasthetsutvecklingen ges metoder för praktisk modellering, speciellt om man behöver inter-/extrapolera utvecklingen för en bindemedelskombination vid variation av vattencementtal när man gjort en begränsad provning. Det går alldeles utmärkt att få en känsla av en sådan kombinations och konsistens beteende om man avsätter en relativ hållfasthet (=1 vid 28-dygn) som funktion av hållfasthetsklass för olika tider, figur 4. 

Det tapp som kan ske vid höga lagringstemperaturer under längre tid beskrivs också i kapitlet.

Figur 4. Relativ hållfasthet som funktion av betongkvalitet (hållfasthetsklass) och ålder från gjutning; ”Spektrum för tryckhållfasthetstillväxt” baserat på en begränsad mängd försöksvärden, Std P Degerhamn, normalt vibrerad betong. Från kap 9 Betonghandbok Material, del I. 

Elasticitet och krypning

Elasticiteten och krypningen (”egenskapstillväxt” i figur 3) måste modelleras korrekt. Förloppet hos den unga betongen är komplext eftersom svårigheter i mätning och modellering uppstår vid väldigt tidig belastning.  Det finns en stor fördel med att modellera den totala deformationen i stället för uppdelning i elastisk del och krypdel s.k. vekhet. Figur 5 visar observationer av total deformation från försök med den karaktäristiska brytpunkten vid 0.1 dygns belastningstid där kurvornas lutning ändras. Detta kan modelleras med den s.k Linjärlogaritmiska Modellen, Larson (2003). Från värdena kan sedan ett s.k. relaxationsspektrum tas fram för beräkning av spänningar. Spektrumet är, också det, en interpolering och extrapolering av modeller baserade på ett begränsat antal försök på liknande sätt som hållfastheten. Metodiken går utmärkt att använda även på hårdnad betong.

Figur 5. Vekhet (dvs. komplians för total deformation) uppmätt i laboratorieförsök som funktion av tid efter belastning (belastningstid) i logaritmisk skala. Tidpunkter anger ålder vid belastning. Parametrar a₁ och a₂ ingår i den Linjärlogaritmiska Modellen enligt Larson (2003), se även (Hösthagen, 2017).

Tvång – mothåll

Tvånget i figur 3 är förutsättningen för att egenspänningar uppkommer över huvudet taget. Om tvånget är noll sker ju alla rörelser fritt och inga spänningar uppstår. 

Tvånget påverkas bl.a. av geometri och antalet fria ytor hos det nygjutna elementet liksom eftergivlighet, längd och grundläggning hos anslutande konstruktioner. Att bestämma graden av tvång för olika delar av en nygjuten konstruktion är ofta svårt, figur 6. I kapitel 19 ges därför en beskrivning och vägledning för ett antal vanligt förekommande typiska tvångsfall, se tabell 2. Detaljerad information om tvång finns i den heltäckande rapporten Nilsson et al (2015).  

Tabell 2. Vanligt förekommande gjutsituationer med typer av tvång, se även Nilsson et al (2015) (resiliens – eftergivlighet med avstånd från fastlåsande rand; fall 2,4 och 5.1) 

Konstruktionstyper

Historiskt har tidig temperatursprickbildning fokuserats på massiva dammar och liknande element medan krympsprickor sammankopplats till tunna konstruktioner t.ex. pågjutningar och golv. Så enkelt är det tyvärr inte: gjutmetoder, betongkvaliteter, geometrier etc. uppvisar en vidsträckt variation i tillämpningar och det kan vara lämpligt att skilja mellan a) massiva betongkonstruktioner, b) medium-massiva betongkonstruktioner och c) slanka betongkonstruktioner. 

Typiska massiva betongkonstruktioner innehåller lite eller t.o.m. ingen armering. Dammar, fundament och plattor till bropelare, pyloner och grundläggningskonstruktioner till snedkabelbroar är exempel på massiva betongkonstruktioner. Det var just vid dessa konstruktioner som temperatursprickbildning observerades först, dvs vid byggande av storslagna betongdammar och fundament. Det var därför termen ”massivbetong” etablerades tidigt. Sprickproblemen för dessa konstruktioner orsakas av höga temperaturer och stora temperaturskillnader mellan inre delar och ytdelar som direkt exponeras mot omgivningen. Åtgärder mot tidig sprickbildning fokuserades tidigt till att reducera temperaturhöjningen. Ett välkänt exempel är byggandet av Hooverdammen (1936), där kylning av färska betongen skedde liksom etappvis gjutning. Termen massivbetong används ofta internationellt.

Eftersom uttorkningen tar mycket lång tid för massiva betongkonstruktioner, många tiotals år, uppkommer inte egenspänningar av krympning och inte heller efterföljande krympsprickor. 

Medium-massiva konstruktioner representerar en lång rad av strukturtyper t.ex. brobalkar, pyloner och pelare, tunnlar, stödmurar, hamnkajer, pirer/vågbrytare, offshore-konstruktioner och fundamentplattor. Krav på hållfasthet, funktion och beständighet innebär låga vattencementtal och samtidigt ofta höga bindemedelsmängder så att god arbetbarhet säkerställs. Betongkvaliteter över C40/50 och vattencementtal lägre än 0,45 är vanliga vilket tenderar att generera höga temperaturer och problem med sprickbildning. 

Dessutom innebär de låga vattencementtalen att ansenlig autogen krympning förekommer under avkylningsfasen vilket tillsammans med en mindre eftergivlig betong förvärrar sprickrisken. Uttorkningskrympning har i de flesta fall här en underordnad roll när det gäller sprickuppkomst.

För tunnare, slanka strukturer kan genomgående sprickor vara ett bekymmer speciellt om höga krav finns på hållfasthet och beständighet som ofta medför en spröd betong med stor autogen krympning. Den primära sprickframkallande faktorn är inte temperaturutvecklingen i den nygjutna betongen utan skillnaden mellan gjuttemperatur och anslutande konstruktioners lägre temperatur. Tunnare strukturer är dessutom ofta utsatta för höga tvång från motgjutning/undergrund. Genomgående sprickor är inte ovanliga för cistern-/bassängväggar, broöverdelar, pågjutningar, källarväggar och golvplattor. 

Hos tunnare strukturer har ofta krympningen en dominerande roll för sprickuppkomst jämfört med temperatureffekterna. Uttorkningskrympningen uppvisar för tunnare tvärsnitt ett snabbt förlopp och kan tillsammans med autogena krympningen, och även den plastiska krympningen som sker i färskt tillstånd, vara de rörelser som framkallar skador i sig.

Exempel på typfall

För att belysa hur temperaturrörelser och krympning påverkar egenspänningar i olika konstruktiva situationer under varierande betingelser redovisas ett större antal situationer i kapitlet; enaxiellt typfall med ändtvång, vägg på platta, fundament på friktionsmaterial, tunnelsektion, platta gjuten mot platta, pågjutning. Författarna hoppas att den pedagogiska nyttan är stor.

Figur 6. Tunnelelement där värmning av underliggande platta studerades vid gjutning av vägg och tak. Underliggande figurer visas tvångsbelastning längs vägg mot platta (vä), längs vägg mot vägg (mitt) och tak mot tak (hö), Hösthagen (2017), Wallin et al (2018).

Är förenklingar möjliga?

Slutligen diskuteras i kapitel 19 det viktiga momentet hur analysmetod ska väljas. Detta påverkar i hög grad träffsäkerhet och tillämpbarhet av resultatet. Den struktur som ska gjutas innebär i sig ofta en hög grad av komplexitet. Ska man ta hänsyn till varje variation av materialegenskaper, väderleksförhållande som kan uppkomma och möjliga formhanterings- och härdningsmetoder, kan analyserna säkerligen bli mycket omfattande och svårtolkade. 

Varje rimlig förenkling som kan ske i analys och planering för sprickfri betong innebär därför stora förtjänster i nedlagd tid, flexibilitet och mångsidighet. Då ökar möjligheten till lyckat slutresultat. 

Fördelen med en enkel metod är uppenbar. När gjutningen närmar sig, då man har mer information om t.ex. väderlek och aktuell betongkvalitet, kan man enkelt göra om analysen för att justera betong, åtgärder mot sprickor och hur man måste ta hand om betongen efter gjutningen. Beräkning med t.ex. 3D FEM är inte alltid så optimalt! 

Inmätning av materialparametrar

Sist men inte minst måste nämnas vikten av att i förväg mäta in betongens egenskaper i laboratoriet, och även på byggarbetsplatsen. Denna betydelse är uppenbar, se exempel i figur 7 där stora förtjänster erhålls med bättre mätunderlag. Thysell-laboratoriet vid Luleå Tekniska Universitet är ett unikt laboratorium där alla parametrar nödvändiga för beräkning av egenspänningar mäts in. Investering i sådana mätningar är oftast lönsam i och med att säkra och optimerade åtgärdsprogram kan tas fram. Egenskaper hos framtida klimatreducerade betongkvaliteter kan kartläggas.

Just nu pågår utveckling, provning och forskning vid Thysell-laboratoriet på uppdrag av Trafikverket (FOI-BBT) med delfinansiering av Cementa och Betongindustri. SBUF finansierar flera studier inom området och AMA uppdateringar pågår. Seminarier och workshop arrangeras inom området under första halvåret 2022.

Det kan nämnas att sprickområdet har i en nyligt publicerad rapport från Vinnova bedömts som ”ett av de mest kritiska” som kan utgöra ett hinder vid framtida implementering av klimatvänliga betonger för infrastruktur, Westrin (2022). Speciellt har detta accentuerats vid situationen med restriktioner och eventuellt stopp av cementproduktionen vid Slite. I Vinnova-rapporten föreslås att en övergripande översyn sker av teknikområdet och att en gemensam utvecklingsplan tas fram för provnings- och analysteknik. 

Detta kommer att ske.    

Figur 7. Gjutning fundament på mark. Beräknad temperaturutveckling i centrum vid olika grad av information om värmeutveckling och mognad: generella parametrar givna i databas för prognosprogram, fullständiga parametrar från laboratorium vilka sedan ytterligare har passats in för aktuell betongtillverkning på aktuell plats

Referenser

• Emborg M, Hösthagen A, Cyron W. Egenspänningar och sprickor av temperaturrörelser och krympning. Värme- och mognadsutveckling, Betonghandbok Material, del 2, Svensk Byggtjänst.
• Nilsson M, Hedlund H, Emborg M, Jonasson J-E. Bernander S. Tvång i betongkonstruktioner för sprickriskanalyser, SBUF rapport, projekt 11618, 2015.
• Hösthagen A. Thermal Crack Risk Estimation and Material Properties of Young Concrete. Division of Structural Engineering, Luleå University of Technology. Licentiate Thesis, 2017
• Fjellström P, Jonasson J-E, Emborg M, Hedlund H. Model for Concrete Strength Development Including Strength Reduction at Elevated Temperatures, Nordic Concrete Research, Vol. 45, No. 1, 2012, pp. 24-44.
• Larson, M Thermal Crack Estimation in Early Age Concrete – Models and Methods for Practical Application. Doctoral Thesis 2003:20. pp. 190. ISBN: 91-86580-06-0.
• Westrin P: Slutrapportering: Uppdrag att kartlägga befintlig test- och provningsverksamhet för cement och betong, Vinnova, Rapport 2021-04620. 2022
• Wallin, K. Hösthagen A, Vogt C, Thörner L, Andersson-Vass V. Värme ett alternativ till kyla; Metodutveckling och ny teknik. SBUF rapport 13046, 42 sid. 2018