Alkalno-silikatna reakcija v betonu Alkali-Silica Reaction in Concrete A. Mladenovič1, N. Vižintin, ZRMK, Ljubljana Prejem rokopisa - received: 1996-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication; 1996-11-22 Alkalno-silikatna reakcija (ASR) je kemična reakcija med aikaiijami, ki se sproščajo ob hidrataciji cementa, in reaktivnimi minerali oziroma kamninami v zrnih agregata. Pri reakciji nastaja nabrekljivi gel, ki povzroča poškodbe betona. Reaktivne komponente so zlasti kamnine in minerali, ki vsebujejo aktivni silicijev dioksid. V članku povzemamo rezultate preiskav metamorfnih silikatnih kamnin v prodnatih nanosih Mure in Drave, ki so jih spodbudila nova spoznanja o mehanizmih in vzrokih ASR v svetu. Ključne besede: agregat, reaktivni minerali in kamnine, cement, alkalno-silikatna reakcija Aikali siiica reaction (ASR) is a chemical reaction between aikalies in cement and certaine responsive minerais and rocks types in the aggregate. The reaction produces an expansive gel which can cause expansion and cracking of concrete. Reactive components are rocks and minerais containing metastable siiica. Some more detailed data are provided about possible reactive components in the sand and gravel of the rivers Mura and Drava, based on new knovvledge about ASR. Key words: aggregate, reactive minerais and rocks, cement, alkali-silica reaction 1 Uvod Beton je nedvomno eden od najpomembnejših gradbenih materialov. Njegova kakovost je odvisna od kakovosti sestavin (agregat, cement, voda, dodatki) ter tehnologije izdelave in vgradnje. Pri poškodbah betona je zato vpliv posameznega dejavnika pogosto težko razmejiti. Pri betonih, ki so izpostavljeni atmosferskim vplivom, je kot možen vzrok potrebno obravnavati tudi alkalno-silikatno reaktivnost (ASR). Natančno poznavanje zakonitosti reakcije in sestavin betona sta pogoja za oblikovanje preventivnih smernic, na podlagi katerih bi bilo možno omenjeno reakcijo v betonu preprečiti ali omiliti. Z namenom, da bi ugotovili, ali lahko steče ASR v betonih tudi pri nas, so bile že pred časom opravljene sistematične raziskave5,6'7. Tedaj smo ugotovili, daje, ob spremljanju sestave prodnatih in drobljenih agregatov ter kontroli cementov, verjetnost poškodb betonov zaradi ASR razmeroma majhna. Naraščanje vsebnosti alkalij v cementu, uporaba betonov z več cementa, uporaba kakovostno mejnih agregatov in zlasti vedno nova poročila o poškodbah betonov, izdelanih iz agregatov, ki so še do nedavno veljali za razmeroma stabilne, so bili povod za ponovno presojo nevarnosti ASR v Sloveniji. V članku podajamo preliminarne rezultate preiskav. 2 Teoretične osnove Alkalno-silikatna reakcija (ASR) je kemična reakcija med zrni kamenega agregata, ki vsebuje reaktivne komponente in alkalnimi hidroksidi1'2. Potencialno reaktivne komponente so vse silikatne sestavine v agregatu. Izjemno hitro in močno reagirajo z Ana MLADENOVIČ. dipl.inlgeol. Zavod za gradbeništvo - ZRMK 1000 Ljubljana. Dimičcva 12 aikaiijami predvsem minerali, ki jih gradi metastabilna kremenica (opal, tridimit, kristobalit) in vulkansko steklo. Nekoliko manj reaktivni so kalcedon in kripto-kristalni do mikrokristalni različki kremena (reaktivnost je sorazmerna številu mej med zrni na površinsko enoto3) ter kremen z deformirano kristalno mrežo ali sekundarnimi vključki. Po analogiji so potencialno nevarne za beton tako tudi vse kamnine, v katerih nastopajo omenjeni minerali ali vulkanska stekla (kisle pre-dornine in njihovi tufi, roženec, metamorfozirane kamnine s kremenom, zeoliti itd.). Alkalna raztopina se v porni prostor cementne paste sprošča ob hidrataciji portland cementa. Vsebnost alkalij v cementu kvantitativno izražamo kot NaaO ekvivalent v % m/m in jo določimo na osnovi enačbe; (Na20)e = Na20 + 0,658 x (K20) (1) Alkalije se lahko izlužujejo tudi iz dodatkov betonu, iz zrn agregata, ali pa so v beton vnesene kasneje, ko je izpostavljen delovanju različnih soli. Po Frenchu3 je poenostavljena razlaga mehanizma al-kalno-silikatne reakcije v betonu izražena z enačbo: SiO2(lrdnasn0V) + NaOH(razlopina) -> Na2Si032H20(gel) (2) Aktivni S1O2 reagira z alkalnimi hidroksidi, pri čemer nastaja alkalno-silikatni gel, ki ima sicer nekoliko variabilno sestavo. Ta je odvisna od količine alkalij v cementu in od aktivne kremenice, ki je na razpolago. Vlaga in temperatura sta katalizatorja reakcije. Gel ima neomejeno sposobnost sprejemanja vode. Povečanje prostornine gela in s tem prostornine betona spremlja pojav notranjih pritiskov, ki vodijo do tvorbe karakterističnih mrežastih razpok, iz katerih se izloča gel v obliki belega prahu. Poškodbe, nastale zaradi alkalno-silikatne reakcije, znižajo trdnostne in elastične lastnosti in pospešujejo druge škodljive procese v betonu. Skozi nastale razpoke je omogočen dostop vodi z različnimi škodljivimi reaktanti, ki pospešujejo propadanje objekta. 3 Eksperimentalni del z rezultati Pri oceni potencialne nevarnosti ASR v betonu so podatki o cementu in agregatu najpomembnejši parametri. V tabeli 1 podajamo vsebnost alkalij (kot NaiO ekvivalent) v naših cementih: Tabela 1: Vsebnost alkalij v slovenskih portland cementih TIP CEMENTA (Na20)e 9 min. 'c m/m max. PC 45 0,83 0,90 PC 15z45T 0,88 0,94 PC 30dz45T 0,85 1,02 PC 15z45A 0,82 0,94 PC 30dz45A 0,94 1,00 Vsebnost alkalij v cementih pri nas ni omejena s standardi ali pravilniki. Na mednarodni ravni je na podlagi eksperimentalnih raziskav1 in terenskih opazovanj oblikovan kriterij oziroma smernica, po kateri je pri cementih, ki vsebujejo manj kot 0,6% m/m (NajOje, nevarnost reakcije s silikatnim agregatom zanemarljiva. Količina alkalij v naših portland cementih presega omenjeno vrednost in jih moramo zato obravnavati kot potencialno reaktivno komponeneto betona. Za pripravo betonskih agregatov uporabljamo v Sloveniji drobljene karbonatne kamnine iz kamnolomov tehničnega kamna in prodnat material iz gramoznic. Z mineraloško-petrografskimi analizami po JUS B.B8.0048, ki jih opravljamo v okviru certificiranja frak- cij kamenega agregata za beton in asfalt, ugotavljamo, da je prod porečij Save, Soče in Savinje pretežno karbonaten z zelo malo silikatnih primesi. V dravskem produ količina silikatnih sestavin niha med 40 in 60% m/m. Murski prod je v celoti sestavljen iz silikatnih sestavin. V tabeli 2 je predstavljena mineraloško-petrografska sestava prodnatih materialov s porečij Save, Drave in Mure. Sestavine, sumljive za ASR. so vsi magmatski različki, med sedimentnimi kamninami roženec in tuf, od metamorfnih kamnin pa predvsem tiste, ki vsebujejo kremen (gnajs, kvarcit, blestnik). Odločitev, da smo težišče raziskav ASR usmerili na metamorfne sestavine v dravskem in murskem produ, izhaja iz treh dejstev: • pri betonih, v katerih je kot agregat uporabljen dravski ali murski prod, se občasno pojavljajo poškodbe, in v splošnem veljajo za manj obstojne v primerjavi z betoni, v katerih je uporabljena druga vrsta agregata • vsebnost metamorfnih komponent sicer niha, občasno pa doseže tudi 40% m/m • preveriti želimo, ali ugotovitve, da procesi metamor-foze deformirajo kristalno mrežo kremena v kamninah, kar povečuje topnost kremena v alkalij ah , in ugotovitve, da se topnost kremena povečuje z zmanjševanjem velikosti zrn4, veljajo tudi za metamorfne različke v naših prodih. V prvi fazi smo ugotavljali, kako hitro in v kakšnem obsegu reagirajo z alkalijami zrna kvarcita. Z optičnim Tabela 2: Petrografska sestava prodov in peskov v Sloveniji Reka SAVA DRAVA MURA Sestavine (%) proč pesek 3rod pesek proč pesek min. max. min. max. min. max. min. max. min. max mm. max. MAGMATSKE KAMNINE keratofir, porfir 0,0 1,0 0,0 0,4 0,0 1,3 0,0 0,4 andezit 0,0 1,1 0,1 0.8 SEDIMENTNE KAMNINE apnenec, dolomit 80,4 91,9 71,2 84,7 15,0 37,7 peščenjak 4,8 11,4 4,1 7,9 4,1 19,9 5,5 10,7 3,5 9,7 1,4 5,3 meljevec 0,8 3,8 1,7 4,3 0,2 3,7 1,5 4,6 0,0 6,5 0,0 3,5 skrilavec 0,0 1,1 0,0 1,8 lapor 0,0 1,5 0,4 2,2 0,0 1,7 0,4 1,0 roženec 0,0 1,4 0,3 2,5 0,1 2,4 0,8 2,5 konglomerat 0,0 3,4 tuf 0,5 3,5 0,6 3,1 METAMORFNE KAMNINE kvarcit 0,0 0,4 0,0 0,9 3,0 10,5 2,0 6,3 1,3 12,5 1,5 3,6 gnajs 4,9 10,3 1,3 4,4 13,7 26,6 6,6 19,7 amfibolit 1,0 6,8 0,8 3,5 0,0 2,5 0,0 2,4 filit 0,0 1,1 0,0 1,0 0,0 0,5 0,0 0,0 blestnik 0,0 2,9 0,1 1,7 0,1 2,9 0,0 1,6 serpentinit 0,0 0,2 0,0 . 0,3 0,0 0,5 0,0 0,5 MINERALI kremen 0,3 3,2 3,2 7,8 29,3 51,7 53,6 61,8 56,0 75,1 71,5 82,4 sljuda 0,0 0,9 0,2 0,8 0,6 4,8 0,1 0,4 0,7 3,0 ne ikodljiva škc lljiva kai mina can una / • ■ / / » u - * i 25 50 75 100 250 500 750 1000 2500 Sc nnol/1 ■ kvaren s prevladujočim mikroknstalnim kremenom • kvarcil s prevladujočim debelozmatim kremenom Slika 1: Rezultati kemične analize Figure 1: Results of chemical test mikroskopom smo ločili zrna kvarcita z ozirom na velikost zrn kremena. S kemijsko metodo po standardu JUS B.B8.0569 smo nato ločeno analizirali debelozrnate in mikrokristalne različke. Rezultate podajamo na diagramu (slika 1), kjer je Sc količina raztopljenega Si02, Rc pa zmanjšanje al-kalnosti raztopine NaOH. Kriterij v obliki krivulje je določen eksperimentalno in je podan v standardu. 4 Diskusija rezultatov Iz dobljenih rezultatov (slika 1) ugotavljamo, da kvarcit v prodnatih nanosih Mure in Drave ni alkalno i-nertna kamnina. Izražena je rahla tendenca povečane topnosti v alkalijah pri mikrokristalnih različkih. Na podlagi veljavnih kriterijev smo ga uvrstili med mejne kamnine, ki zahtevajo nadaljnjo presojo uporabnosti po metodi JUS B.B8.05710, s katero skozi daljše obdobje spremljamo raztezke cementnih prizem in zaznamo tudi morebitne zakasnele reakcije. 5 Sklep V prodnatih agregatih s porečij Drave in Mure so prisotne kamnine in minerali, ki v betonu v optimalnih okoliščinah reagirajo z alkalijami. To so predvsem meta-morfozirani petrografski različki z visoko vsebnostjo kremena. Preiskave smo razširili tudi na druge kamnine in kremenov pesek, istočasno pa simuliramo obnašanje reaktivnih komponent v cementnih prizmicah v daljšem časovnem obdobju. 6 Literatura 1 D. W. Hobbs, Alkali-silica reaction in concrete. Thomas Telford London, 1988, 183 str. - L. Dolar-Mantuani, Handbook of Concrete Aggregates. Noyes Publi-cations, New Jersey, 1983, 345 str. P. E. Grattan-Bellew, Microcrystalline quartz, undulatory extinction the alkali-silica reaction. The 9th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete. London, 1992, 383-394 4 W. J. French, Reactions between aggregates and cement paste - an interpretation of the pessimum. Q. J. eng. Geol. London, 13 1980 213-247 B. Zatler, V. Ocepek, Uporaba mineralnih agregatov z ozirom na namembnost in tehnološko tehnično vrednotenje za betone, malte, asfalte in tampone. ZRMK, Ljubljana, 1980, 89 str. "B. Zatler, V. Ocepek, N. Vižintin, Izpitivanje alkalno silikatne reaktivnosti agregata u betonu. Savetovanje Alkalna reaktivnost agregata u betonu, Beograd 1984. 61-69 7B. Zatler-Zupančič, A. Mladenovič, Alkali reactive components in the sand and gravel of the river Danube and it's tributaries. The 9th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete. London, 1992, 1121-1128 JUS B.B8.004, Kameni agregat, Ispitivanje mineraloško-petrograf-^skog sastava. Savezni zavod za standardizaciju, Beograd 1986, 4 str. JUS B.B8.056, Kamen i kameni agregat, Odredivanje alkalno-sili-katne reaktivnosti. Hemijska metoda, Savezni zavod za standardizaciju, Beograd 1986, 7 str. JUS B.B8.057. Kameni agregat, Ispitivanje alkalno-silikatne reaktivnosti metodom sa malter prizmicama. Savezni zavod za standardizaciju. Beograd 1986, 6 str.