Sammanfattning 

(Scroll down for Swedish version)

Sprutad och gjuten betong är ett av de viktigaste konstruktionsmaterialen vid byggande av tunnlar och undermarkskonstruktioner i hårt berg. Möjligheter att optimera betongens sammansättning för användning vid effektivt bergbyggande är beroende av kunskap om beskaffenheten inne i betongmaterialet, det vill säga materialets struktur och fördelning av ballast, luftporsystem och eventuella tillsatta stålfibrer, alternativt syntetiska fibrer. De undersökningsmetoder som idag används för uttagna eller särskilt gjutna provkroppar är oftast av typen förstörande provning samt sågning och mikroskopering vilket är tidskrävande och dessutom innebär att provkroppen sönderdelas vilket omöjliggör fortsatt undersökning. Nya möjligheter finns nu genom att använda datortomografering, till exempel med den typ av utrustning som nu finns hos KTH Byggvetenskap. Utrustningen är ett avancerat system som integrerar utrustning för röntgenbestrålning och bilddetektering med ett datoriserat visualiseringssystem som kan återge en tredimensionell virtuell genomsynlig modell av det studerade objektet. Systemet innehåller också en MTS utrustning för drag- och tryckprovning samt en klimatkammare. Högupplöst industriell datortomografi skiljer sig från medicinska skanningsmetoder genom att högre röntgenstrålning med högre energi och mer genomslagskraft används varvid detaljer ned till några tiotals mikrometer i storlek kan återges, även när föremål av material med hög densitet studeras.

En laborativ pilotstudie har nu genomförts med syfte att beskriva teknikens möjligheter och begränsningar samt arbetsåtgång och rutiner vid undersökning. Med exempel demonstreras hur metoden tillämpas vid undersökning av gjutna betongcylindrar och utborrade provkärnor av sprutbetong, med fokus på att hitta praktiska rutiner för undersökning och analys för att erhålla kvantitativ och kvalitativ data. En litteraturstudie som sammanfattar tidigare forskning på området ingår. Sammanställningen visar att mycket få genomförda undersökningar är inriktade på möjligheterna att analysera laboratorieprov av normalstorlek och betongkärnor borrade direkt ur befintliga konstruktioner. Detta är således unikt med den studie som här redovisas, sammantaget med att fokus ligger på att studera betong av den typ som används vid anläggningsbyggande i berg och vid tunnelkonstruktion, och särskilt då sprutbetong där inga publicerade undersökningar har hittats. De tidigare studierna omfattar projekt där datortomografi kombineras med tryckbelastning, triaxiellt, dynamiskt och cykliskt samt i form av spräckbelastning. Det har också genomförts studier av håligheter, porsystem och fördelning av luftporer, som är av särskilt intresse ur ett beständighets-perspektiv eftersom detta påverkar genomsläppligheten av vatten och risken för frostskador. En annan självklart viktig inriktning är studier av fördelning och orientering av stålfibrer i betongen.

Med kunskap om den inre materialstrukturen kan betongmaterial optimeras för användning vid bergbyggande, för att ge kostnadseffektiva, uthålliga och säkra tunnlar och bergrum. Pilotstudien visar att det redan i det här tidiga skedet av metodutvecklingen går att genomföra praktisk analys av betongprovkroppar med den typ av datortomografiutrustning som finns hos KTH Byggvetenskap. Resultaten från tomograferingen kan analyseras och presenteras i form av kvalitativ och kvantitativ utvärdering av provkroppar, från laboratorium eller fältmiljö. De kvantitativa data som kan beräknas är främst fördelningar av cementpasta, ballast, stålfibrer och luftporer i en studerad provkropp. Förslag på hur redovisning av standardiserat genomförda laboratorieundersökningar kan göras i protokollform ges. Baserat på utvärderingen av metoden rekommenderas att den etableras som en metod att användas standardmässigt för oförstörande provning vid framtagning av nya, optimerade betongtyper och vid utredning av skadade och nedbrutna betongkonstruktioner i tunnlar och bergrum. En vidareutveckling och etablering av metoden är beroende av att underlag för jämförelser finns och det rekommenderas därför att översiktsdata presenterat på ett standardiserat sätt systematisk tas fram för större byggprojekt och samlas i en öppen databas för att möjliggöra jämförelser. De exempel som redovisas demonstrerar att tekniken och utrustningen har stor potential för framtida arbete med att skräddarsy material för bergbyggande och det även bör vara möjligt att genom regelbunden provtagning och analys följa nedbrytning av betongmaterial i fält. 

Nyckelord: Datortomografering, Oförstörande undersökning, Betong, Sprutbetong, Stålfibrer, Borrkärnor, Gjutna provkroppar.

Summary

Cast and sprayed concrete is one of the most important construction materials for tunnels and underground structures in hard rock. Possibilities for optimization of the concrete composition for use in efficient rock construction depends on knowledge of the properties inside the concrete material, i.e. the material structure and distribution of aggregates, air voids and also possible added steel fibres, or synthetic fibres. The investigation methods used today for in situ samples or standard cast test specimens are usually destructive methods, such as slicing/sawing followed by microscopy. This is time consuming and also leads to that the studied specimen is destroyed, preventing further investigations. New possibilities now exist in using computed tomography (CT), for example with the type of equipment now available at the KTH Civil and Architectural Engineering laboratory. The equipment is an advanced system integrating equipment for X-ray scanning and image detection with a computerized visualization system that can reproduce a three-dimensional virtual, transparent model of the studied object. The system also includes an MTS equipment for tensile and compressive testing as well as a climate chamber. High-performance industrial computed tomography differs from medical scanning methods by higher X-ray radiation levels, with higher energy impacting further into also very dense materials. Details down to a few tens of micrometers in size can be reproduced.

A laboratory pilot study has now been carried out to describe the possibilities and limitations of the technique and also the labour time and procedures for an examination. With examples it is demonstrated how the method can be implemented for examination of cast concrete cylinders and drilled core samples of shotcrete (sprayed concrete), with a focus on finding practical routines for investigations and analyses to obtain quantitative and qualitative data. A literature review summarizing previous research in the area is included. The summary shows very little published work focusing on the possibilities of analysing laboratory samples of normal size and of concrete cores drilled directly out of existing structures. The work presented here is thus unique, also with the focus on concrete of the type used in civil engineering rock work and tunnel construction, especially with respect to shotcrete for which no published studies have been found. The earlier studies include projects where computed tomography is combined with compressive loading, triaxial, dynamic and cyclic as well as tensile cracking. There have also been studies of concrete pore systems and the distributions of air pores, which are of particular interest from a durability perspective, as this affects the permeability of water and the risk for frost damage. Another obvious key focus is the study of the distribution and orientation of steel fibres in concrete.

With knowledge of the internal material structure, concrete materials can be optimized for use in rock engineering, to produce cost-effective, sustainable and safe tunnels and subspace structures. The pilot study shows that already at this early stage of method development it is possible to practically analyse concrete specimens with the type of CT scan equipment that is available at the KTH Civil and Architectural Engineering lab. The results from tomography investigations can be analysed and presented in the form of qualitative and quantitative evaluation results for in situ or laboratory test specimens. The quantitative data that can be calculated are mainly distributions of cement paste, aggregates, steel fibres and air pores within a studied specimen. Suggestions on how the reporting of standardised laboratory investigations carried out can be made in protocol form are given. Based on the evaluation of the method it is recommended that it should be established as a standardised method for non-destructive testing when developing new, optimised concrete types and for investigations of damaged and degraded concrete structures in tunnels and subspace structures. The further development and establishment of the method depends on that a basis for evaluations exists and it is therefore recommended that test data is systematically presented in a standardised way for major construction projects and collected in an open database to allow comparison. The examples presented demonstrate that the technology and equipment has great potential for future efforts to tailor concrete material for rock construction and it should also be possible, by regular testing and analysis, to follow degradation of concrete materials in situ. 

Keywords: Computed tomography, Non-destructive testing, Concrete, Shotcrete, Steel fibres, Drill cores, Cast test specimens.