Oorzaken en preventie van betonschade: Alkali-silica reactie

9 Oktober 2019
 

Inleiding

Men noemt Alkali-Silica Reactie (ASR) de reactie tussen het reactief silicium aanwezig in bepaalde granulaten en de alkaliën aanwezig in het poriënwater van het beton. Een noodzakelijke voorwaarde voor het optreden van deze reactie is de gelijktijdige aanwezigheid van een potentieel reactief granulaat, een voldoende hoog alkali-gehalte en een voldoende hoge vochtigheid in het beton (fig 4.9.1).
 

Reactieve granulaten
De oplosbaarheid van het silicium is afhankelijk van zijn kristalstructuur : amorf silicium (bv. opaal, silex, silicificatie van kalksteen en zandsteen) gaat gemakkelijker in oplossing dan silicium in een kristallijne structuur (kwarts) of in een min of meer ordelijke vorm (bv. gneiss, zandsteen). Binnen de reactieve gesteenten kan de snelheid van optreden van de reactie en de ernst van de potentiële schade sterk variëren. 

Alkaliën
De alkaliën (natrium en kalium) in oplossing in het poriënsysteem van beton zijn voornamelijk afkomstig van cement en toevoegsels. Het gehalte aan alkaliën wordt op een vereenvoudigde manier uitgedrukt als het Na2 O-equivalent (Na2 O-eq = Na2 O + 0,658.K2 O). De alkaliën die deelnemen aan de reactie worden actieve alkaliën genoemd. 

Vochtigheid
De ontwikkeling van ASR hangt vooral af van de vochtigheid die heerst in en om het bouwwerk. De reactie gaat voort zolang een minimale vochtigheid en een voldoende gehalte aan alkaliën aanwezig zijn. De minimale vereiste vochtigheid is afhankelijk van het gehalte aan alkaliën in het poriënwater maar situeert zich rond 70 à 80% relatieve vochtigheid in het beton. In massieve betonconstructies (dikte > 50–60 cm), die nooit helemaal uitdrogen, is de interne vochtigheid voldoende hoog voor de ontwikkeling van ASR. 

Infiltratie van water in het beton, versterkt door scheuren als gevolg van krimp, vorst of wapeningscorrosie, bevordert de ontwikkeling van ASR in het beton.

Schematische voorstelling van de noodzakelijke voorwaarden voor het optreden van ASR


Schadebeeld

In het algemeen kan men scheurvorming in een karakteristiek patroon, vergezeld van uitscheiding van gel (zie verder) in diverse kleuren (donkergrijs, geel-bruinachtig) waarnemen. Een bijzondere expertise is nochtans nodig om de aanwezigheid van ASR te beoordelen alsook om zichtbare schade er aan toe te wijzen.

ASR kan leiden tot een geleidelijke aftakeling van het beton door de ontwikkeling van een dicht netwerk van scheuren met grote opening en met laterale verplaatsingen (fig 4.9.2).

ASR veroorzaakt een verspreide verdeling van schade in het constructie-element. Naast een verlies van mechanische sterkte neemt ook het risico op schade als gevolg van vorst of wapeningscorrosie toe. De geschiktheid voor gebruik komt in het gedrang wanneer de vervormingen de goede werking verhinderen.

Kunstwerk aangetast door alkalisilica reactie


Oorzaken

De snelheid waarmee ASR-schade zich ontwikkelt is sterk afhankelijk van de betonkwaliteit, de gebruikte granulaten, de blootstelling van het constructie-element (vooral de vochtigheid en eventuele temperatuurcycli), de wapening, ... Hoe hoger het gehalte aan alkaliën in de poriënoplossing, hoe groter het gehalte aan hydroxyde-ionen. Deze hydroxyde-ionen werken in op het aanwezige silicium in de granulaten waarbij een gel van gehydrateerde alkali-silicaten en calcium wordt gevormd, doorgaans kortweg "gel" genoemd (fig 4.9.3).

Aangetast beton met afzetting van ASR-gel in scheuren en een luchtbel (foto : UV-licht)


De gel kan grote hoeveelheden water absorberen en de bijgaande expansie creëert een interne druk in het betonelement. Zodra deze de treksterkte van het granulaat overschrijdt, worden scheuren gevormd die vertrekken vanuit het granulaat. Aan het betonoppervlak manifesteren deze scheuren zich als een netwerk. De scheurvorming tast de integriteit van de granulaten en de cementsteen aan en verzwakt zo de structuur van het beton waardoor de mechanische weerstand sterk afneemt (fig 4.9.4).

Typische scheurvorming doorheen een granulaat en de cementsteen als gevolg van ASR (foto : UV-licht)

Preventieve maatregelen 

De betonnormen en in het bijzonder bijlage I van de norm NBN B15-001 bevatten de toe te passen maatregelen om het risico op de ontwikkeling van ASR te voorkomen. Minstens één van de volgende 4 maatregelen dient toegepast te worden : 

  • Niet-reactieve granulaten gebruiken voor het geheel van het inert skelet.
  • Een LA-cement (Low Alkali) gebruiken overeenkomstig de norm NBN B12-109. 
  • Een alkalibalans van de betonsamenstelling opmaken gebaseerd op de maximale waarden (statistisch of absoluut) van alle bestanddelen. De toelaatbare grenswaarde voor het Na2 O-equivalent (kg/m3 ) is afhankelijk van het gebruikte cementtype (tab 4.9.1). De norm bevat gelijkaardige tabellen voor combinaties cement-toevoegsel of voor mengsels van cement.
  • Een betonsamenstelling gebruiken die voldoet aan een zwelproef.


Het vermijden van de externe aanvoer van water door geschikte ontwerpkeuzes (vormen die de evacuatie van water vergemakkelijken, betrouwbare en inspecteerbare waterdichtingen, ...) is eveneens een zéér efficiënte maatregel. Het is echter niet altijd eenvoudig om het blijvend karakter van dergelijke maatregelen te garanderen.


Keuze van het cement
Zoals blijkt uit tabel 4.9.1 vormt het gebruik van hoogovencement een interessante preventiemaatregel. De hydratatiereacties in deze cementtypes zijn voordelig aangezien deze de alkaliën fixeren.
 

Grenswaarden voor de alkalibalans in functie van het cementtype