Hvordan laver vi mere bæredygtigt beton, der holder i over 100 år?

Ved du, hvor mange broer og tunneller der er i Danmark? Statsvejnettet alene tæller allerede omkring 2.500.

De første store danske broer blev bygget i 1930'erne: Lillebæltsbroen, Storstrømsbroen, Oddesundsbroen. Disse broer er designet til 75 års drift, hvilket betyder, at de i dag er godt oppe i årene.

Et eksempel er den gamle Storstrømsbro, som er i dårlig stand og vil kræve omfattende vedligeholdelsesarbejde i de kommende år, hvis det ikke var blevet besluttet at rive den ned.

I de senere år er Vejdirektoratets designlevetid for broer og tunneler steget fra 75 til 120 år.

I min forskning har jeg forsøgt at afdække, hvordan fremtidige broer kan nå denne længere levetid og med materialer, der er mindre CO₂-intensive.

Det er nemlig ikke en nem opgave at bygge holdbare bygværker.

Men hvorfor egentlig ikke? Fordi trafik, nedbør, temperaturændringer, frost, havvand og vejsalt alle er ret hårde mod byggematerialerne.

Holdbarhed er dog også nøglen til at forbedre materialets cirkularitet, fordi længere holdbarhed giver større cirkler fra vugge til grav.

Det er her, min forskning forhåbentlig kan gøre en forskel og hjælpe med at bygge holdbare og mere bæredygtige betonkonstruktioner.

Jeg er netop blevet færdig med min ph.d. hos Vejdirektoratet og Danmarks Tekniske Universitet. Projektet, som er finansieret af Innovationsfonden Danmark og Realdania, er en del af 'Circular Built Environment Network' i regi af innovationshubben Bloxhub.

Her er, hvad jeg arbejdede med, hvilke resultater jeg fik, og hvorfor en ændring af vores materiale-regulativer vil være en god idé.

Holdbarhed og bæredygtighed går hånd i hånd

Broer og tunneller skal holde i ekstremt lang tid.

Med hensyn til klimaeffekt tegner byggefasen sig for en stor del af bygværkernes CO₂-aftryk. Det er derfor ekstremt vigtigt at reducere denne effekt, men vi må heller ikke glemme holdbarheden.

Hvis bygværk ikke er holdbart og skal repareres eller udskiftes inden den planlagte dato, kan alle fordelene ved et CO₂-fattigt design gå tabt.

Reduktion af betonens CO₂-aftryk

Traditionel beton er fremstillet af portlandcement, vand og tilslagsmateriale som sand og grus.

Ud af disse bestanddele bidrager portlandcementen til den største andel af CO₂, nemlig omkring to tredjedele af den samlede mængde.

For det meste benytter vi indstøbte stålstænger i betonen for at opnå bedre strukturelle egenskaber. Vi kalder det 'jernbeton' eller 'armeret beton'.

Her er stålstængerne ansvarlig for en stor andel af CO₂-aftrykket, men portlandcementen tegner sig stadig for omkring halvdelen af den samlede mængde.

En af de bedste måder at reducere betonens CO₂-aftryk er derfor at bruge mindre portlandcement og erstatte det med andre materialer, der har cementlignende egenskaber.

Der findes ikke en dansk fællesbetegnelser for disse tilsætninger, så i daglig tale anvendes ofte den engelske forkortelse ’SCM’ (supplementary cementitious material).

I mange år har kulflyveaske været den mest benyttede SCM i Danmark, for eksempel til Storebælts- og Øresundsbroerne.

Kulflyveaske, som er et biprodukt fra kulfyrede kraftværker, er et godt eksempel på cirkularitet, hvor et industrielt biprodukt bliver genbrugt i stedet for at ende som affald.

Vi forventer dog at løbe tør for kulflyveaske i de kommende år som følge af energiomstillingen i Europa, så vi har brug for at finde og bruge andre SCM'er.

Valg af de rigtige materialer til at producere holdbar beton er et afgørende skridt: Det er bedre at forebygge end at helbrede, som man siger.

Valg af de rigtige delmaterialer til holdbar beton

I min ph.d. testede jeg forskellige SCM’er for at forsøge at forstå deres effekt på betonens holdbarhed.

Hensigten med projektet var at udvikle en generisk tilgang, der kan benyttes til at evaluere alle materialer.

Derfor udvalgte jeg materialer så forskellige som kulflyveaske, kalcineret ler, biomasseaske, aske fra forbrænding af spildevandsslam, knuste mursten og glasperler.

Jeg fokuserede på en specifik nedbrydningsproces kaldet ’alkalikisel-reaktion’, som er en kemisk reaktion, der sker mellem cementlignende materialer og visse tilslagsmaterialer, og som kan resultere i alvorlig ekspansion og revnedannelse i betonen.

Beton er et porøst materiale med porer, som er delvist fyldt med en stærkt alkalisk væske. For beton fremstillet med portlandcement har porevæsken typisk en pH-værdi på omkring 12-13.

Desværre er denne alkaliske porevæske med høj pH i stand til at angribe visse tilslagsmaterialer, hvilket kan resultere i alkalikisel-reaktion.

Alkalikisel-reaktioner er et velkendt problem i Danmark, fordi adskillige naturlige sandaflejringer indeholder porøs flint, som er et mineral, der er meget ustabilt i beton. Det har været et stort problem for danske broer bygget i 1960'erne og 1970'erne.

Strengere regler for beton blev indført i 1987, og der er ikke rapporteret nye tilfælde af alkalikisel-reaktioner på konstruktioner bygget efter 1987.

Reglerne blev udarbejdet og fastsat for traditionelle delmaterialer til beton. Derfor skal vi nu vurdere, om de stadig er egnede til de nye typer SCM’er.

Sådan gjorde jeg

Fordi det kan tage flere år for en alkalikisel-reaktion at udvikle sig i betonkonstruktionerne, bruger vi accelererede laboratorietests for at få hurtigere resultater.

For at accelerere testene kan vi for eksempel øge temperaturen eller tilføre kemikalier, der sætter skub i de kemiske reaktioner.

Jeg afprøvede forskellige betonrecepter, som jeg testede både under accelererede og virkelige udendørs eksponeringsforhold.

Jeg fulgte længden af prøverne over tid for at se, om de udvidede sig, og jeg inspicerede overfladerne visuelt for at se, om der opstod revner.

Derudover udførte jeg også andre test for at studere effekten af SCM'er med en kemisk tilgang. Det har andre forskere tidligere gjort (se her, her og her), men de brugte meget dyre metoder, som kun er tilgængelige i ganske få laboratorier rundt om i verden.

Jeg foretog disse test på prøver af cementholdige materialer blandet med vand uden sand og grus, såkaldte ’pastaprøver’. Mit arbejde fokuserede på at forenkle metoden for også at gøre den praktisk anvendelig uden for højteknologiske laboratorier.

Blandede, men lovende resultater

Ved analyse af resultaterne gav ekspansionstests forskellige resultater mellem laboratorie- og udendørs forhold.

En af årsagerne er, at de fleste ekspansionstests oprindeligt blev skabt for specifikt at teste sand og grus, ikke hele betonblandingen.

Derfor forstyrrer de accelererede forhold i visse tilfælde de kemiske reaktioner i cementlignende materialer samt skævvrider, hvad der sker i virkeligheden. Det kan føre til en evaluering af en SCM's ydeevne, der ikke er fuldt ud retvisende.

Med andre ord: Accelerering af testene bør ikke ske på bekostning af pålideligheden af resultaterne.

De forenklede kemiske tests af pastaprøverne viste, at SCM'er kan ændre porevæskens pH-værdi.

Visse SCM'er sænkede pH-værdien, hvilket kan hjælpe med at afværge en alkalikisel-reaktion. Det er i bund og grund netop dét, jeg håbede på at kunne gøre.

Enkelte SCM'er forårsagede dog den modsatte effekt.

Interessant nok passede de forenklede kemiske tests ret godt med betonklodserne, der stod udendørs eksponeret for vind og vejr: Betonklodserne fremstillet af blandingerne med lav pH-værdi viste ingen tegn på ekspansion, mens betonklodserne fremstillet af blandingerne med høj pH-værdi havde tydelige tegn på skade.

Det er ret lovende, fordi det stemmer overens med konklusionerne af andre studier (se her, her og her) men ved brug af en mere enkel metode.

Desuden er pastaprøverne nemme at fremstille og håndtere, hvilket letter testproceduren.

Stadig lidt vej at gå, før nye SCM'er kan tages i brug

Måske tænker du nu: Betyder det, at vi allerede kan bruge nye SCM'er i nye konstruktioner som broer og tunneller? Nej, ikke endnu.

Der er meget specifikke regler, der skal følges ved fremstilling af beton, især med hensyn til materialevalg. Den overordnede lovramme er udarbejdet på EU-plan, men hvert land opstiller sine egne accept-kriterier for godkendelse af materialer og konstruktionselementer.

På nuværende tidspunkt dækker reglerne de traditionelle SCM'er ret godt, men de egner sig ikke rigtigt til nye typer SCM'er.

En opdatering af reglerne kan således hjælpe os med at bruge flere nye materialer, for eksempel ved at kræve et vist niveau af ydeevne frem for en bestemt materialetype.

Derfor vil jeg som et endeligt resultat af mit projekt komme med en række forslag til opdatering af de nationale regler og byggestandarder baseret på mine forskningsresultater.

Hvad sker der ellers nu? Vi er nødt til at bekræfte sammenhængen mellem pH målt i små pastaprøver og større betonprøvers ekspansionsadfærd.

Selvom jeg har kørt mine test i mere end to år, er det ret kort tid i forhold til konstruktionernes levetid. Derfor skal vi blive ved med at overvåge eksperimenterne for at bekræfte de tendenser, vi hidtil har set.

På den måde kan vi sikre, at udskiftning af portlandcement med andre materialer ikke sætter betonens holdbarhed over styr på længere sigt.

Denne artikel er et resultat af et samarbejde mellem Videnskab.dk og forskningsnetværket ’Circular Built Environment Network', som er kurateret af BLOXHUB.