Microfibrillated cellulose as additive for wet-mix shotcrete

Abstract

Shotcrete is a widely used rock reinforcement method that has an impact on the carbon footprint of underground construction and mining. Possible methods for improving the sustainability of shotcrete are, e.g., replacing a portion of cement in the mix with new low-carbon materials or increasing the plastic yield-stress of fresh shotcrete without affecting the water to cement ratio of the mix. The plastic yield-stress of fresh shotcrete controls, e.g., rebound rate and maximum build-up thickness.

A microfibrillated cellulose hydrogel (MFC) has recently drawn interest from the shotcrete industry due to its potential to improve the sustainability and cost-efficiency of shotcrete. The MFC is produced from by-products of the sugar beet industry, which gives the material an extremely low carbon footprint. The MFC has rheology modifying effects on aqueous systems such as shear thinning behaviour and high zero-shear viscosity, which may, e.g., promote the immediate stiffness of shotcrete after spraying and enhance better stability of the shotcrete base mix.

In this thesis, a preliminary study on the benefits of MFC in shotcrete application was done by a series of laboratory tests. The primary interest was to test whether the MFC improves the very-early compressive strength development of shotcrete. Affection of material on workability, stability, air content, final compressive strength, bond strength to rocks, and compatibility with setting retarding admixtures was also studied.

Results indicate that the MFC improves the immediate stiffness of accelerated shotcrete. However, zero-shear viscosity and air content of the base mix increase along with the higher dosage of MFC. The material does not affect the performance of setting retarding admixtures. Moreover, the MFC has no significant affection on the shotcrete’s final compressive strength and bond strength to rocks.

Ruiskubetonointi on laajasti käytetty kallion lujitusmenetelmä, jolla vaikutusta kalliorakentamisen ja maanalaisen kaivostoiminnan hiilijalanjälkeen. Mahdollisia menetelmiä pienentää ruiskubetonin hiilijalanjälkeä ovat esimerkiksi osan sementistä korvaaminen uusilla vähähiilisillä materiaaleilla tai nuoren ruiskubetonin plastisen myötörajan kasvattaminen pienentämättä ruiskubetonin vesi-sementtisuhdetta. Nuoren ruiskubetonin plastisella myötörajalla on vaikutuksia muun muassa hukkaroiskeeseen sekä kerralla ruiskutettavaan maksimikerrospaksuuteen.

Mikrokuituselluloosa (MFC) on herättänyt kiinnostusta ruiskubetoniteollisuuden saralla sen mahdollisuuksista pienentää ruiskubetonoinnin hiilijalanjälkeä sekä parantaa kustannustehokkuutta. MFC:llä on betonin reologiaa muokkaavia vaikutuksia, kuten leikkausohenevuus ja korkea viskositeetti levossa. Näillä ominaisuuksilla on potentiaalia parantaa ruiskubetonin alkulujuutta ruiskutuksen jälkeen sekä vähentää ruiskubetonimassassa tapahtuvaa erottumista. MFC tuotetaan sokerijuurikasteollisuuden sivutuotteista, minkä vuoksi materiaalilla on erittäin pieni hiilijalanjälki.

Tässä työssä oli tarkoitus tutkia MFC:n hyötyjä ruiskubetonisovelluksissa laboratoriokokeiden avulla. Päätavoitteena oli selvittää parantaako MFC ruiskubetonimassan varhaislujuuden kehitystä. Lisäksi selvitettiin materiaalin vaikutuksia työstettävyyteen, erottumiseen, ilmamäärään, loppulujuuteen, tartuntalujuuteen sekä yhteensopivuuteen hidastinlisäaineiden kanssa.

Tulokset osoittavat, että MFC parantaa kiihdytetyn ruiskubetonin alkulujuutta. MFC kuitenkin kasvattaa ruiskubetonimassan viskositeettia sekä ilmamäärää MFC:n annostusta nostaessa. Materiaalilla ei todettu olevan vaikutuksia hidastinlisäaineiden toimintaan. Tuloksista ilmeni myös, että MFC ei vaikuta merkittävästi ruiskubetonin loppulujuuteen tai tartuntalujuuteen kiveen.