Majoriteten av de svenska betongdammarna uppfördes under 1900-talet och börjar därför närma sig sin uppskattade livslängd; 50-160 år. Några av dessa betongdammar används för att utvinna vattenkraft. Vattenkraft är Sveriges största energikälla och utgör ca 45% av vår totala elproduktion. Det ställs därför krav på att reparera samtliga betongdammar inför fortsatt förvaltning och för att bibehålla vår elproduktion. Betongdammar sammanlänkas med hjälp av dilatationsfogar. Dilatationsfogar hjälper betongkonstruktionen att stå emot de rörelser som sker under temperaturvariationer. På grund av dilatationsfogens placering i konstruktionen så är det väldigt svårt att genomföra och säkerställa en reparation. Inuti dilatationsfogens plåtfogbandskanal, i fallen där dilatationsfogen besitter två fogband, används bitumen som ett vattenstopp. Varje dilatationsfog som tätas med bitumen genererar en klimatpåverkan om ca 0,5 till 1,5 kg CO2-e per fog. Om fogbanden, inom dilatationsfogen, eller betongen i närheten av dessa skadas så kan därav bitumen lackas ut och följa med vattnet nedströms. Om detta sker så genereras en ökad miljö- och klimatpåverkan. Då nytt material måste produceras för att avlasta bitumenförlusten, fogbanden måste reparareras och bituminet släpps ut i naturen. Därför är det även av intresse att minimera eller helt ta bort det nuvarande vattenstoppet av bitumen. I ett försök att minimera komplexiteten och trappa ned på bitumenanvändningen undersöks i detta examensarbete en reparation med hjälp av bentonitpellets. Reparationen sker via ett borrhål som sedan återfylls med bentonitpellets. Det finns två betongdammar i Sverige som använt sig utav denna metodik. Examensarbetet syftar således till att utvärdera hur denna reparationsmetodik står sig, dels längre fram i tiden, mot andra alternativ och framtida förväntningar om att eventuellt kunna ersätta bituminet mot andra material. Inledningsvis undersöktes bentonitpelletsens svällförmåga samt hur materialet ansamlar sig fukt. Detta genom nya framtagna metoder, som delvis, är baserade på tidigare standarder. Med hjälp utav dessa nya metoder kunde materialegenskaper också utvärderas mer långsiktigt. För att utvärdera långtidsperspektiv tilläts bentonitpelletsen att genomgå frostcykler i ett temperaturväxlingsskåp. Där fem dygn i temperaturväxlingsskåpet, uppskattningsvis, motsvarar de svenska klimatförhållanden i norra Sverige som förväntas inträffa under ett år. Bentonitpelletsen utvärderades sedan via samma testmetodik efter 1,5 och 3 år. Resultatet från bentonitpelletsens fuktupptagningsförmåga visade på en skillnad mellan de olika sorterna. Den rena Na-bentonitens fuktupptagningsförmåga står sig bättre med tiden, jämfört mot de kemiskt framställda Na-bentonitpelletserna. Resultaten från svällförmågan tyder dock på att samtliga bentonitpellets upplever en försämring allt eftersom. Om vattenkvoten är låg innan frostcykler så ökar bentonitpelletsens svällförmåga, på grund av att den uttorkas. Efter den första experimentella delen, och insamlade materialkunskaper från denna, uppfördes en miniatyrversion av en verklig dilatationsfog. Bakgrunden till detta genomförande var att man ville undersöka hur stort tryck som bentonitpelletsen klarar av att hålla tillbaka innan materialet går till brott. Vattenfalls konstruktörer uppförde testriggen och denna bestod främst utav plåt. En delad betongkub, med ett hål i mitten, placerades i konstruktionen. Hålet fylldes därefter upp av bentonitpellets. För att kunna åskåda hur materialet betedde sig under tryckförsök bekläddes konstruktionens ovandel med plexiglas. På denna plexiglasskiva installerades en manometer. Med hjälp av manometern, och ett konstant inflöde av vatten, kunde trycket i testriggen uppmätas och regleras. När den sedimenterade bentonitpelletsen går till brott så sjunker trycket på manometern. Resultatet från tryckförsöken visar på ett samband mellan bentonitpelletsens deklarerade svälltryck och det tillförda vattentrycket. Beroende på inflödet kan en reparation med bentonitpellets maximalt klara av att hålla tillbaka ett tryck motsvarande 5 till 12 höjdmeter av vatten – där det exakta värdet baseras på tiden den tillåtits att sedimentera. Dessa värden gäller för dess initiala förmåga. Hur materialet står emot vattentryck längre fram i tiden behöver fortsatt utvärdering. Baserat på studiens resultat så kommer inte den tidigare genomförda reparationen, i en av betongdammarna, att hålla – eftersom denna reparation överstiger 12 höjdmeter. Baserat på informationen som presenterats i denna rapport råder det en fortsatt osäkerhet om bentonit kan användas i betongkonstruktioner. Området kräver således fortsatt forskning för att säkerställa dess långsiktiga hållbarhet inom betongkonstruktionen. / Most of Sweden’s concrete dams were built during the 1900’s. Therefore, they are starting to reach the estimated end of their life-cycle; 50-160 years. Some of these concrete dams are used for hydroelectric purposes. Hydroelectric power is one of Sweden’s primary source for electricity, which approximately makes for 45% of our total electric production. Hence, the need for reparation is increasing for further management and maintaining our electricity production in these concrete dams. Concrete dams are linked by expansion joints. These expansion joints help to reduce the stress, during swelling and shrinking, in the concrete caused by temperature variation. Due to the placement of these expansions joint, they become difficult to repair as well as ensuring the success of a reparation. Inside the expansion joint there are dimbands. The dimbands can be sealed with bitumen to help their water stopping abilities. For every expansion joint that is sealed with bitumen the estimated climate impact is 0,5 to 1,5 kg CO2-e per joint. If the dimbands, inside the expansion joint, or the surrounding concrete gets damaged or breaks the bitumen varnishes downstream. This generates for an increased environmental and climate impact, due to the need for new bitumen and steel to fill and seal the leak and oils being released into the surroundings. Therefore, it is also of interest to reduce the usage of bitumen or remove it completely from these dimbands. To minimize the complexity and reduce the usage of bitumen this thesis will evaluate a reparation method with bentonite pellets. The reparation method consists of a borehole, which is then backfilled, with bentonite pellets. There are two concrete dams in Sweden which have used this method. Therefore, this thesis work also aims to evaluate how this reparation will last, regarding time, against other options and future expectations regarding the replacement of bitumen. To begin, the bentonite pellets where first evaluated based on their swelling capabilities and moisture absorption. These attributes were tested by new methods, which are partly based on previous standards. These new methods for the material properties also allowed for long-term evaluation. To evaluate how the bentonite pellets would react over time they were placed in a temperature change cabinet. Five days in these cabinets, were assumed to, correspond to the Northern Swedish climate changes that takes place over a year. The bentonite pellets were then evaluated by the new methods after 1,5 and 3 years. The results, for both swelling and moisture absorption, showed a difference depending on the bentonite type. The pure Na-bentonite moisture absorption has better absorption capabilities over time, compared to chemically produced Na-bentonite. The results from swelling shows that, regardless of bentonite type, they all induce worse swelling capabilities over time. Although, if they begin thawing cycles at a lower water content their swelling capabilities increases due to the bentonite experiencing exsiccation. After the first experimental part, and this newly gathered material knowledge, a miniature version of a concrete dams’ expansion joint were built. The background to this was to research how many altitude meters (mVp) the bentonite pellets could withstand before collapse. Vattenfalls engineers built the testrigg, expansion joint, which primarily consisted of steel. A splintered concrete cube, with a predrilled hole in the middle, was then placed in this steel cartridge. The hole was then filled with bentonite pellets. To see the sequence of the material reaction during pressure tests the testrigg had a top of plexiglass. A manometer was then attached to the plexiglass. The manometer, and a consistent flow of water, allowed for the pressure to be monitored and regulated. When the sedimented bentonite pellets collapses the pressure drops. Results from the pressure tests show a correlation between the bentonite pellets declared swelling pressure and the externally supplied water pressure. Depending on the inflow the bentonite pellets can withstand a pressure between 5 to 12 meters of water height – where the exact value is given by the time it is allowed to sediment. These values only consider the initial expansion of the material. Further research is required to evaluate how much water pressure the material can withstand over time. Based on the findings of this study one of the previously repaired concrete dams’ bentonite seal will collapse in due time, since the reparation exceeds 12 meters in height. Based on the information provided in this thesis it is difficult to decide whether a bentonite seal will be beneficial for the concrete structure. Further research is required to ensure the sustainability of using bentonite inside concrete structures.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:ltu-91267 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Adell, Anton |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0033 seconds