Study of crack width within a suspended concrete slab with different amount of cement clinker considering lower climate impact

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.