This master thesis investigates the possibility of using a concrete recipe with only 70 % cement clinker for a building project named Gretas Glänta, regarding the demands of cracking for a suspended slab. The requirement to fulfill was a maximum crack width of 0.2 mm due to drying shrinkage and long- term loading. The purpose of using a lower amount of cement clinker in the concrete mix is to reduce the climate impact from the concrete. The thesis considers material testing and modelling of different concrete recipes with variation of the amount of cement clinker. Fly ash was used as the alternative binder. A total of five concrete mixes was tested. One mix with 100% cement clinker was through laboratory testing compared to mixes with 85 % and 70 % cement clinker content. A concrete mix with only 50 % cement clinker was also tested, but this mix is today not allowed according to the concrete standards, but was included in the study to test different material properties of the fresh and hardened concrete. All concrete mixes were tested with the effectivity factor 1, except for the recipe with 70 % cement clinker, which was tested for effectivity factors of 1 and 0.4. The performed study showed that the concrete mix 4 with 70 % cement clinker and with the effectivity factor 0.4 reached the strength class C35/45 after 28 days and also fulfilled the specified requirement of a maximum crack width of 0.2 mm due to drying shrinkage and long-term loading. Water permeability test showed that the concrete mix with 70 % cement clinker and an effectivity factor of 0.4 was waterproof. The concrete mix 3 with 70 % cement clinker and the effectivity factor 1 reached a strength class C30/37. The concrete mix 1 with 100 % cement clinker obtained the highest strength class C50/60 and the mix 2 with 85 % cement clinker reached strength class C45/55. The concrete mix 5 with 50 % cement clinker reached the strength class C20/25 which is the lowest strength class among the tested recipes. All the concrete recipes seemed to be waterproof according to the water permeability test. A background description of carbon dioxide emission from concrete and cement production is presented in the report. Research about ongoing methods to minimize the emission from concrete and cement industry is also summarized. FE-modelling with the software FEM-design and analytical calculations were performed to investigate the crack width due to drying shrinkage and long-term loading for the slab, for concrete mix 2 with 85 % cement clinker with effectivity factor 1 and mixes 3 and 4 with 70 % cement clinker and effectivity factors of 1 and 0.4. The properties obtained from the laboratory tests were used in the modelling and analytical calculations. Results from FEM-design and analytical calculations showed that concrete mixes 3 and 4 with 70 % cement clinker and effectivity factors of 1 and 0.4, and the concrete mix 2 with 85 % cement clinker with effectivity factor 1, fulfilled the demand on crack width. The calculation was not performed for concrete mixes 1 and 5 with 100 % and 50 % cement clinker, respectively, because they were not to be used in the building project. The results from the performed study showed that concrete mix 4 with 70 % cement clinker and an effectivity factor of 0.4 can be used in the building project Gretas Glänta in order to lower the climate impact from the concrete. / Examensarbetet undersöker möjligheten att använda ett betongrecept med endast 70 % cementklinker för ett husbyggnadsprojekt kallat Gretas Glänta med hänsyn till krav på sprickbildning i en fribärande platta. Kravet som ska uppfyllas är en sprickvidd på max 0.2 mm med hänsyn till krympning och långtidsbelastning. Syftet med att använda en lägre andel cementklinker i betongblandningen är att minska klimatpåverkan från betongen. Examensarbetet består av materialförsök och konstruktionsteknisk modellering för olika betongrecept, där andelen cementklinker varieras. Flygaska användes som alternativt bindemedel. Totalt undersöktes fem betongmixer. En mix med 100 % cementklinker jämfördes genom laboratorietestning med motsvarigheter med 85 % och 70 % cementklinkerinnehåll. Ett betongrecept med 50 % cementklinker undersöktes också i detta examensarbete, trots att detta idag inte tillåts enligt betongstandarderna, men inkluderades i studien för att testa olika materialegenskaper i färskt och hårdnat tillstånd. Alla betongmixerna testades med effektivitetsfaktorn 1 förutom receptet med 70 % cementklinkerandel som testades för både 1 och 0.4 i effektivitetsfaktor. Den genomförda studien visade att betongmix 4 med 70 % cementklinker och med effektiviseringsfaktor 0.4 uppnådde hållfasthetsklass C35/45 efter 28 dagar och uppfyllde också angivet krav på maximal sprickbredd 0,2 mm med hänsyn till krympning och långtidslast. Vattenpermeabilitetstest visade att betongmixen med 70 % cementklinker och effektiviseringsfaktor 0.4 var vattentätt. Betongmix 3 med 70 % cementklinker och effektivitetsfaktor 1 uppnådde hållfasthetsklass C30/37. Betongmix 1 med 100 % cementklinker erhöll den högsta hållfasthetsklassen C50/60 och betongmix 2 med 85 % cementklinker gav hållfasthetsklass C45/55. Betongmix 5 med 50 % cementklinker uppnådde hållfasthetsklass C20/25 vilket var den lägsta av de testade betongrecepten. Alla betongrecepten verkade ge vattentät betong enligt vattenpermeabilitetstest. En bakgrundsbeskrivning av koldioxidutsläpp från betong- och cementproduktion genomförs i rapporten. Forskning om pågående metoder för att minimera utsläppen från betong- och cementindustrin sammanfattas också. FE-modellering med programmet FEM-design och analytiska beräkningar utfördes för att undersöka sprickbredden med hänsyn till krympning och långtidslast för betongplattan för betongmix 2 med 85 % cementklinker och effektiviseringsfaktor 1 och betongmixerna 3 och 4 med 70 % cementklinker och effektiviseringsfaktorerna 1 och 0.4. Egenskaperna som erhölls i laboratorietesterna användes i modellerings och de analytiska beräkningarna. Resultat från FEM-design och analytiska beräkningarna visade att betongmixerna 3 och 4 med 70 % cementklinker med effektiviseringsfaktorerna 1 och 0.4 och betongmix 2 med 85 % cementklinker och effektiviseringsfaktor 1 uppfyllde kravet på sprickbredd. Beräkningen utfördes inte för betongmixerna 1 och 5 med 100 % cementklinker och 50 % cementklinker då de inte var aktuella för att användas i bostadsprojektet. Resultaten från den genomförda studien visade att betongmix 4 med 70% cementklinker och med en effektivitetsfaktor 0.4 kan användas i husbyggnadsprojektet Gretas Glänta för att sänka klimatpåverkan från betongen.

In the construction industry, concrete is the most common material, because of its good properties such as compressive strength and endurance. Concrete is a composition of several different materials where one of the main components is cement. When the hydration process starts, large amount of heat is generated. This leads to temperature rise within the structure. The heat development that takes place can become critical for massive structures such as dams and power plants, where natural cooling is not sufficient. This in combination with internal and external restraint resulting in tensions causing cracks in the structure. By controlling the temperature development, one can reduce the risk of cracking in massive structures. The controlling is divided into pre-cooling and post-cooling. Reduction of the risk for thermal cracking can be done in different ways. Parts of the cement in the concrete can be replaced by a pozzolan material such as silica fume, blast furnace slag or fly ash. Another method is to increase the size of the aggregates which makes it possible to reduce the cement content with remained strength. Cooling the aggregates or use of ice can also be used as a pre-cooling methods. The most common post-cooling method is the installation of cooling pipes. Pipes are installed between the reinforcement bars, in which one then pump through with cold water. This thesis aims at practicing the methods examined by Lagundžija & Thiam (2017). Focusing on those results that proved to be most effective, i.e. the combination of fly ash, ice and large aggregates. The results retrieved during the tests shows a significant increase in the compressive strength when using a combination of fly ash, ice and large aggregates. This gives us the opportunity to reduce the initial cement content. Reducing the cement content is the most effective factor regarding the heat development. When replacing amounts of the water with ice, it can be seen that the initial casting temperature was reduced. Further studies can be done to find the right amount of reduction of the cement that can be done while maintaining the required compressive strength. / Inom byggbranschen är betong det mest förekommande materialet, detta tack vare dess goda egenskaper, som till exempel tryckhållfasthet och uthållighet. Betongen utgörs av flera olika beståndsdelar där den centrala komponenten är cement. När cementets hydratationsprocess startar utvecklas en markant värmeutveckling. Detta leder till temperaturhöjningar inuti den nygjutna konstruktionen. Värmeutvecklingen kan bli kritisk för grövre konstruktioner, som till exempel dammar och kraftverk, där naturlig avkylning inte är tillräcklig. Detta i kombination med att inre och yttre tvång resulterar i dragspänningar som orsakar sprickor i konstruktionen. Genom att styra temperaturutvecklingen kan man minska risken för sprickbildning i massiva konstruktioner. Styrningen delas in i förberedande kylning och efterkylning. Reduktion av risken för termisk sprickbildning kan ske på olika sätt. Delar av cementen i betongen kan ersättas med ett puzzolant material som till exempel silikatstoft, masugnsslagg eller flygaska. En annan metod är att öka ballaststorleken vilket gör det möjligt att minska cementhalten med kvarvarande hållfasthet. Man kan även kyla ballasten alternativt blanda in is i mixen för att sänka den initiala temperaturen. Den mest förekommande efterkylningsmetoden är installation av kylrör. Det monteras in rör mellan armeringsjärnen, vilket man sedan pumpar kallt vatten igenom. Denna uppsats syftar på att praktiskt tillämpa de metoder som undersöktes av Lagundžija & Thiam (2017). Fokus på de resultat som visade sig vara mest effektiva, dvs kombinationen av flygaska, is och grov ballast. Resultaten som uppnåddes under de tester som utfördes visar en markant ökning i tryckhållfastheten vid användning av kombinationen med flygaska, is och grov ballast. Detta ger oss utrymmet att reducera den initiala cementhalten som används. Att minska cementinnehållet är den faktor som ger störst effekt gällande värmeutvecklingen. Fortsatta studier kan göras för att hitta rätt mängd reduktion av cementet som kan göras samtidigt som anvisad tryckhållfasthet bibehålls.

Cement hydration is the result of a series of simultaneous chemical reactions occurring during the production of concrete. An excessive amount of heat is generated, which consequently may give rise to thermal stresses and cause early age cracks in concrete that may affect its structural integrity, and load bearing capacity. Incorporating fly ash into the concrete mixture has shown to be an efficient method to reduce the temperatures developed during early age hydration, especially for massive concrete structures. Fly ash does additionally affect the concrete's development of compressive strength, tensile strength and Young's modulus. The MahanaKhon tower's mat foundation is divided into 14 layers, with fly ash incorporated in the concrete mix. A finite element model was developed of the mat foundation with COMSOL Multiphysics to simulate the developed temperatures and thermal stresses during curing. The simulations were carried out as parametric studies with different strain reference temperatures. The simulated temperatures were compared with existing temperature measurements that were conducted in three different elevations in each concrete layer. The result of the temperature analyses showed that the measured temperatures were generally larger than the simulated ones, which may have been the result of the numerical model's heat conductivity and convective heat transfer coeffcient not reflecting the actual case. Furthermore, the numerical model did not take into account the effects of solar radiation, which would most likely have increased the temperature of the concrete. The maximum simulated temperatures were mostly found in the center level of the concrete, followed by the lower level, and the lowest at the top. It was also observed that the maximum temperatures in some of the mat foundation layers could exceed 70 °C, which is generally considered high since the risk of delayed ettringite formation may arise. The large temperature is partially a result of not using cooling methods, such as cooling pipes, but also due to the high initial and ambient temperatures. The result of the thermal stress analyses showed that no tensile stresses arose when the strain reference temperature, Tref, was specified to 30 °C, corresponding to the mean ambient temperature. This is due to the concrete temperature not falling below Tref, and the concrete will therefore be in expansion and only be subject to compressive stresses. Increasing Tref to 50 °C, which was considered a reasonable estimation, resulted in developed tensile stresses in all mat foundation layers, where the majority of the mat foundation layers showed a risk of superficial surface cracks. The maximum tensile stresses were found at the final time of the simulations, which was expected, since the temperatures were at their lowest as a result of removing the curing insulation. Finally, setting Tref to 70 °C, corresponding to the maximum temperature during hardening, increased the induced tensile stresses considerably, due to the large temperature gradient between Tref and the concrete temperature. The maximum stresses were, as expected, located at the top level and caused by internal restraint. The second largest tensile stresses were found in the center level, also subject to internal restraint. The lowest tensile stresses were located in the lower level, subject to external restraint. / Cementhydratation är resultatet av en serie kemiska reaktioner som sker under tillverkningen av betong. Stora mängder värme genereras, vilket följaktligen kan ge upphov till termiska spänningar och orsaka tidig sprickbildning som påverkar betongens hållfasthet, och bärförmåga. Inkludering av flygaska i betongblandningen har visat sig vara en effektiv metod avsedd att minska temperaturerna som utvecklas under hydratationen i ung betong, särskilt i massiva betongkonstruktioner. Flygaska påverkar också betongens utveckling av tryckhållfasthet, draghållfasthet och elasticitetsmodul. MahanaKhon towers bottenplatta är uppdelad i 14 lager, där flygaska inkluderades i bottenplattans betong. En finit elementmodell av bottenplattan skapades i COMSOL Multiphysics, där de utvecklade temperaturerna och termiska spänningarna i den unga betongen simulerades under bottenplattans härdningsfas. Simuleringarna genomfördes som parameterstudier med olika referenstemperaturer. De simulerade temperaturerna jämfördes vidare med befintliga temperaturmätningar som utfördes i tre olika elevationer i varje gjutetapp. Resultaten av temperaturerna visade att de uppmätta temperaturerna var generellt högre än de simulerade, vilket bland annat kan bero på att betongens värmeledningsförmåga, samt konvektiva värmeöverföringskoefficient inte återspeglade det aktuella fallet. Den numeriska modellen tog inte heller hänsyn till effekten av solinstrålning, som sannolikt skulle ökat betongens temperatur. De maximala temperaturerna hittades mestadels i betongens mittnivå, följt av den lägre nivån och slutligen lägsta nivåerna vid toppen. Det observerades även att de maximala temperaturerna i bottenplattan kunde överstiga 70 °C, vilket generellt anses vara högt då risken för fördröjd ettringitbildning kan uppstå. De höga temperaturerna beror delvis på avsaknad av kylmetoder, såsom kylrör, men även på den höga initialtemperaturen och omgivningstemperaturen. Resultaten av spänningsanalysen påvisade att inga dragspänningar uppstod när referenstemperaturen Tref denierades till 30 °C, som motsvarar den genomsnittliga omgivningstemperaturen. Detta förklaras av att betongen kommer att vara i expansion och följaktligen endast utsättas för tryckspänningar. Efter att Tref ökats till 50 °C, vilken ansågs vara en rimlig estimering i denna studie, uppstod dragspänningar i alla lager i bottenplattan, där vissa utsattes för risk för ytsprickor. De maximala dragspänningarna uppstod vid simuleringarnas slut, vilket var förväntat då temperaturerna var som lägst vid den tidpunkten till följd av att isoleringen avlägsnades. Slutligen höjdes Tref till 70 °C, vilket motsvarar den maximala temperaturen i bottenplattan under härdning. De inducerade dragspänningarna ökade avsevärt på grund av den stora temperaturgradienten mellan Tref och betongtemperaturen. Samtliga lager utsattes i detta fall för risk för genomgående sprickor. De maximala dragspänningarna påträffades på toppnivån och orsakades av inre tvång. De näst största dragspänningarna fanns i mitten av plattan och var också resultatet av inre tvång. De lägsta dragspänningarna påträffades vid plattans lägre nivå, som utsattes för yttre tvång.

In 2017, the Swedish Parliament stated a new climate law with the goal that Sweden should be climate neutral by 2045. The concrete industry has developed a roadmap on how the goal for 2045 can be achieved, where one way to reduce the carbon emissions from concrete is by replacing a part of the cement clinker with alternative binders in the concrete mix. Ground granulated blast furnace slag (GGBS), fly ash, silica fume and trass are alternative binders that are possible to use in concrete mixes to reduce the amount of ordinary Portland cement (OPC). GGBS, fly ash and silica fume are by-products from other industries, while trass is volcanic ash that can be extracted. Besides the positive environmental impact that comes from using alternative binders and reducing the amount of cement clinker, the alternative binders have other properties, both positive and negative, that affect the concrete. The aim of this thesis was to investigate whether concrete with alternative binders does fulfill the regulations set by Swedish standards and how concrete with alternative binders does affect the material parameters. The concrete mixes were divided into three different types of concrete: concrete for bridges (w/c ratio 0.4), hydropower structures (w/c ratio 0.45) and wind powerplant foundations (w/c ratio 0.55). A total of seven concrete mixes were cast in a laboratory and the concrete mixes were investigated in the three hardening stages of concrete: fresh, young and hardened. The analyzed material parameters were compressive strength, shrinkage, frost resistance, workability, air voids and temperature development. Beyond the experimental testing, a global warming potential (GWP) comparison was made to compare the reduction of GWP for each concrete mix compared to a reference concrete for each usage area. The mix containing a CEM II/A-V fly ash cement and 15% GGBS showed great potential regarding the different material parameters. This mix, however, is according to Swedish standards not possible to certify for structures in exposure class XF4, such as bridges, but is possible to certify for structures in exposure class XF3, such as wind powerplant foundations. The mix containing 30% GGBS and 5% silica fume also showed beneficiary properties, but superplasticizers are required in this mix to ensure good workability. For hydropower structures, the mix containing 35% GGBS showed a great compressive strength but a high temperature development and low workability. The mix containing trass had a notably low temperature development, but with an increase in shrinkage and low workability. Moreover, all concrete mixes showed a frost resistance which, according to standard, is classified as “Very Good”. / Sveriges regering antog 2017 ett nytt klimatpolitiskt ramverk med målet att Sverige ska ha noll nettoutsläpp av växthusgaser år 2045. Betongindustrin har tagit fram en färdplan för hur betong kan bli klimatneutralt, där ett sätt att reducera klimatpåverkan från betong är att byta ut en del av cementklinkern mot alternativa bindemedel. Mald granulerad masugnsslagg (GGBS), flygaska, silikastoft och trass är alternativa bindemedel som är möjliga att använda i betongblandningar för att reducera mängden Portlandcement. GGBS, flygaska och silikastoft är restprodukter från andra industrier medan trass är en vulkanisk aska som kan utvinnas. Utöver den positiva miljöeffekten som erhålls när alternativa bindemedel ersätter cementklinker, så har de alternativa bindemedlen andra egenskaper, både positiva och negativa, som påverkar betongen. Målet med denna studie var att undersöka och jämföra om betongblandningar där en del av cementklinkern har ersatts med alternativa bindemedel når upp till de krav som ställs i nuvarande regelverk. Utöver det så undersöktes även hur betongblandningarnas materialparametrar påverkades av alternativa bindemedel. Betongblandningarna delades in i tre olika typer av betong: betong för broar (vct 0.4), vattenbyggnader (vct 0.45) och vindkraftverksfundament (vct 0.55), där totalt sju betongblandningar tillverkades i ett laboratorium. Betongblandningarna undersöktes i de tre olika faserna för hårdnande av betong, vilka är färsk, ung och hårdnad betong. De materialparametrar som analyserades var tryckhållfasthet, krympning, frostresistens, arbetbarhet, luftporhalt och temperaturutveckling. Förutom de experimentella testerna gjordes en jämförelse kring hur mycket koldioxid som kan reduceras för varje betongblandning, jämfört med en referensbetong för varje användningsområde. Betongblandningen med ett CEM II/A-V flygaska-cement och 15% GGBS visade stor potential med avseende på de olika materialparametrarna. Denna blandning är dock enligt svensk standard inte möjlig att certifiera för betongbyggnad i exponeringsklass XF4, exempelvis broar, men kan certifieras för betongbyggnad i exponeringsklass XF3, exempelvis fundament för vindkraftverk. Blandningen med 30% GGBS och 5% silikastoft visade även positiva egenskaper, men flyttillsatsmedel måste användas i denna blandning för att erhålla en god arbetbarhet. För vattenbyggnadsbetong så visade blandningen med 35% GGBS en hög tryckhållfasthet, men samtidigt en hög temperaturutveckling och en låg arbetbarhet. Blandningen med trass hade en noterbart låg temperaturutveckling, men med ökad krympning samt låg arbetbarhet. Avslutningsvis så uppvisade alla blandningar en frostresistens som enligt standard klassificeras som ”Mycket bra”.