5 T C H T N G BETONPR 5 M AAlkali-silicareactieNog maar enkele jaren geleden was de alkali-silicareactie(ASR) in ons land een betrekkelijk onbekend fenomeen.De schaarse informatie over dit schademechanisme wasdan ook vooral afkomstig uit het buitenland.Met 'nieuwe' toeslagmaterialen voor beton leken echternieuwe risico's te worden geïmporteerd.Er was behoefte aan inzicht en regelgeving. DoorCURishierop snel gereageerd; een dezer dagen verschijnt eenCUR-Aanbeveling over ASR.Maatregelen ter voorkoming van ASR blijken eenvoudig:door de juiste keuze van de betonsamenstelling en hetcement kan schade door ASR worden voorkomen.Tot op dit moment komt ASR-schade in Nederland gelukkignauwelijks voor. Natuurlijk willenwe dat graag zo houden.Door de snel groeiende verschei-denheid aan toeslagmaterialen dietot voor kort in ons land nietwerden toegepast, groeide ook debehoefte aan inzicht in de oorzakenvan ASRen mogelijke maatregelenom het risico te voorkomen.Om daarin te voorzien heeft CURenkele jaren geleden een onder-mei 1994zoekseemmissie ingesteld.Beginjuni '94 wordt het resultaatvan deze inspanninggepresen-teerd: een CUR-Aanbeveling metals titel: 'Maatregelen om schadeaan beton als gevolg van de alkali-silicareactie te voorkomen'.Deze CUR-Aanbeveling is vooralvan belang voor de betontechno-loog. Hij (zij)kan door het treffenvan de juiste maatregelen hetrisico van schadelijke ASRpraktisch uitsluiten.POSTBUS 35325203 DM -s HERTOGENBOSCHIn deze afleveringvan BETON/EKbehandelen we de verschillendeinvloedsfactoren en de maatrege-len die genomen kunnen wordenter voorkoming van ASR.alkali-silicareactieDe alkali-silicareactie is een reactievan reactief silicamet alkaliën.Reactief slliça is een bestanddeelvan sommige toeslagmaterialen.Alkaliën (hydroxyden van eenalkalimetaal) zijnaanwezig in hetporiewater van beton.Bij de reactie ontstaan gelvormigereactieprodukten die poriewaterkunnen absorberen en daardoorzwellen. Als gevolg daarvanworden drukspanningenin hetbeton opgebouwd. Bij te hogespanningen zal het beton gaanscheuren. Indat geval is er sprakevan schadelijke ASR.De alkali-silicareactie verloopt alsvolgt: Eerst reageren alkaliën metwater tot alkalihydroxyde.Informulevorm:Na20 + H20 2 NaOH... .. .Daarna reageert het reactief silicamet deze alkalihydroxyde totalkali-silicaathydraat dat zeer veelwater aan zich kan binden.Informulevorm:Si02.nH20 + 2NaOHNa2Si03(n+I)Hp.De reactie verloopt uiterst lang-zaam en de eerste schade wordtpas na jaren zichtbaar. Uiterlijkkenmerkt de schade zich vooraldoor een scheurpatroon dat hetmeest lijkt op een grootschaligecraquelé (foto I).Vaakzijn verkleuringen en uitbloe-dingen van reactieprodukten zicht-baar.Beeld vanASR-sçhade aaneen viaduaSchadelijke ASRkan alleen optredenals aan de volgende drie voorwaar-den tegelijkertijd wordt voldaan:- er moeten voldoende alkaliën inhet beton beschikbaar zijn;- er moet voldoende aanvoer vanvocht mogelijkzijn;- het gehalte aan reactieve bestand-delen in het toeslagmaterialen-mengsel moet in het kritischgebied liggen.Op basis van deze uitgangspuntenkunnen preventieve maatregelenworden beschreven tegen de scha-delijke alkali-silicareactie in beton.tonsamenstellingAlle hiervoor genoemde voorwaar-den kunnen eenvoudig wordenbeïnvloed door de keuze van debetonsamenstelling en de grond-stoffen. Zo wordt het alkaligehaltein beton vooral bepaald door hetcement en het cementgehalte.De aanvoer van vocht hangt behal-ve van de omgeving (droog/nat)ook sterk af van de permeabiliteitvan het beton. Hierin speelt decementkeuze een grote rol.Indien we werken met een bekenden vertrouwd toeslagmateriaal iser al helemaal geen reden om scha-delijke ASRte vrezen. We nemende verschillende invloedsfactoren.eens onder de loep.talkaligehalteHet alkaligehalte in beton wordtbepaald door de grondstoffen ende samenstelling van het beton.Het cement heeft grote invloedop het alkaligehalte.De andere grondstoffen in hetbetonmengsel leveren in dit op-zicht in het algemeen slechts eenbescheiden bijdrage.Totaal alkaligehalte in Na20-equivalent per rn' beton:met 0,7% (m/m) Na20-equivalent levertmet 0,0 IO%(m/m) Na10-equivalentlevertmet 0,0 I2%(m/m) Na20-equivalent levertmet 2,0 %(m/m) Na20-equivalent levertLMaar ook achteraf kunnen alkaliënin het beton dringen. Dit is bijvoor-beeld mogelijk in een omgevingmet zeewater of wanneer het betonmet dooizouten in aanraking komt.Alkaliën zijn hydroxyden vankalium en natrium (en eigenlijk ookvan lithium, caesium en rubidium,die niet in beton voorkomen).Het alkaligehalte wordt uitgedruktin een Na20-equivalent. Dit is desom van het gehalte aan natrium-oxyde (Na20) en 0,658 maal hetgehalte aan kaliumoxyde (K20 ).Het alkaligehalte van beton wordtberekend uit de in wateroplosbare alkaliën in de toeslagma-terialen, en het alkaligehalte vanhet cement, vulstoffen, hetaanmaakwater, hulpstoffen,alsmede van eventuele anderebestanddelen.Bijeen totaal alkaligehalte in betonkleiner dan 3kg/m'is het risico opschadelijke ASR vrijwel uitgesloten.Voor het bepalen van hetalkaligehalte in de verschillendegrondstoffen zijn verschillendeanalysemethoden beschikbaar.Van veel grondstoffen zoals cementen hulpstoffen kan het alkaligehaltebij de leverancier of producentworden opgevraagd.Daarna kan analoog aan de bereke-ning van het chloridegehalte inbeton het alkaligehalte van hetmengsel worden berekend.Het volgende voorbeeld laat zienhoe deze berekening wordtuitgevoerd:320 kg pc1250 kg zeegrind700 kg zeezand3 kg hulpstofmentDe cementsoort speelt bij hetASR-risico een belangrijke rol.Twee invloedsfactoren zijn daarbijvan belang.De eerste factor is de permeabili-teit van de cementsteen.Uitgebreid internationaalonderzoek toont aan dat dedoorlatendheid, zowel voor alka-liën als vocht, bij toepassen vanhoogovencement aanzienlijk. geringer is dan bij portlandcement.De verklaring voor dit gedrag ligtvooral in het grote verschil indiffusieweerstand tussen portland-cement en hoogovencement.Door de hoge diffusieweerstandvan hoogovencement verloopt hettransport van water en ionen zolangzaam dat binnen de levensduurgeen expansie optreedt.Deze hoge diffusieweerstand is eengevolg van de dichtere structuurvan de cementsteen. Ook metportlandvliegascement wordt, zijhet in mindere mate, een dichterecementsteen verkregen dan metportlandcement. Mits aan bepaalderandvoorwaarden wordt voldaan,heeft het toevoegen van vliegas aanbeton eenzelfde effect.De tweede factor is het alkaligehaltedat, zo blijkt ook uit het reken-voorbeeld, vooral afhankelijk is vanhet cementgehalte en van de soorten het fabrikaat van het cement.2,24 kg0,13 kg0,08 kg0,06 kg2,51 kg.Gelukkig kunnen we vaststellen datjuist in Nederland veel hoogoven-cement is en wordt verwerkt,wat beton oplevert dat bijzonderresistent is tegen ASR.In deCUR-Aanbeveling isvastge-legd dat schadelijke ASR in betonniet kan optreden bij gebruik vande volgende cementen:- hoogovencement met eenslakgehalte > 65% en eenalkaligehalte < 2,0% (m/m);- hoogovencement met eenslakgehalte > 50% en eenalkaligehalte 25% en eenalkaligehalte < I, I%(m/m).De CUR-Aanbeveling benoemthierbij ook beton waarin conformNEN 5950 portlandcement alsbindmiddel wordt toegepast enwaaraan vliegas als vulstof istoegevoegd. Daarbij dienen devolgende randvoorwaarden teworden gehanteerd:- het vliegasgehalte, berekend opde massa van cement plus vliegas,moet groter zijn dan 25%;- het alkaligehalte, van de combina-tie van portlandcement metvliegas, moet kleiner zijn dan I, I%(m/m).ToeslagmateriaalHet is duidelijk dat in de meestebetonsamenstellingen deeigenschappen van het toeslagma-teriaal geen rol meer spelen.Zeker in ons land blijkt in depraktijk slechts zelden diecombinatie van randvoorwaardenop te treden waaronderschadelijke ASR kan optreden.Toch zijn er situaties denkbaarwaarin we behoefte hebben aanmeer inzicht in het toeslagmateri-aal met het oog op ASR.Welke bestanddelen in hettoeslagmateriaalspelen dan een rolen hoe kan de ASR-gevoeligheidvan het toeslagmateriaal wordenbeoordeeld?Reactieve bestanddelenToeslagmaterialen bevatten somsamorf of slecht-kristallijn silicadatop grond van zijn mindergeordende kristalstructuur en/ofzijngroter specifiek oppervlaksneller met alkaliën reageert dangrof-kristallijne kwarts. In ditverband als 'reactief bekendebestanddelen zijn opaal,chalcedoon, cristoballet, tridymieten cryptekristallijne kwarts.Schematisch diagram vanhetpessimum gebied waarin ASRdestructiefkanzijn:A - Wel reactie, geenscheurvorming; erworden slechts weinig reactieproduktengevormd omdater weinig reactiefsilicaaanwezig is.In het betonis voldoendeexpansieruimte aanwezig.B- Reactie en scheurvorming; hoeveelheidreactiefsiliea is beperkend, eriseenoverschot aan alkaliën. Lokaalonvoldoende expansieruimte.C Reactie en scheurvorming;beschikbaarheid alkaliën beperkend,overschot aanreactiefsilica aanwezig. Terplaatse is eronvoldoende expansieruimte.D Wel reactie, geenscheurvorming. Eriszoveel. reactiefsi/iea aanwezig datASRzeer snelen op veelplaatsen tegelijkoptreedt, waardoor lokaal voldoendeexpansieruimte aanwezig is.A Bhoeveelheid 5i02oKritisch gebiedZowel bij een laagals bijeen hooggehalte van deze reactieve bestand-delen in het toeslagmateriaal kanschadelijke ASR niet optreden.Schadelijke ASRblijkt alleen moge-lijkals het gehalte 'reactief binnenbepaalde grenswaarden ligt. Ditgebied noemt men het 'kritischegebied', ook wel het 'pessimum'genoemd.Dit betekent dat toeslagmaterialenop grond van hun mineralogischesamenstelling in relatie tot ASRalsvolgt worden ingedeeld:- toeslagmaterialen met een,zodanig laaggehalte aan reactiefSiO2 dat geen schadelijke ASRkan optreden ('onder-kritisch');- toeslagmaterialen die een zodanighoog gehalte aan reactievebestanddelen bevatten dat ze bijtoepassing als enig toeslagmateri-aal in beton geen risico geven ophet optreden van schadelijke ASR('boven-kritisch');- toeslagmaterialen met eengehalte aan reactief SiO2 binnenhet kritische gebied.Infiguur 2 is een en ander schema-tisch weergegeven.Gebleken is dat de ligging van hetgebied sterk afhangt van de mine-ralogische samenstelling en deporositeit van de reactieve bestand-delen.Bovendien is de ligging van hetkritische gebied afhankelijkvan hetcementgehalte, het alkaligehalte ende water-cementfactor, en dekorrelgrootte van het reactievetoeslagmateriaal.De indelingvan toeslagmaterialenop ASR-gevoeligheidberust daar-om vooral op praktijkervaringenen kan worden ondersteund doorlaboratoriumproeven.Verder moeten we er in beton-samenstellingen op bedacht zijndat we eigenlijkaltijd werken metmengsels van toeslagmaterialen.Wanneer de toeslagmaterialen elkeen onderkritischgehalte aanreactief SiO2 bevatten, kunnen zezonder meer in elke mengverhou-ding worden verwerkt.Wanneer een gedeelte van detoeslagmaterialen een boven-kritisch gehalte aan Si02 bevat, kanhet toeslagmaterialenmengsel alsgeheel in het kritische gebiedkomen te liggen.Indien toeslagmaterialen van eennieuwe winplaats worden aange-boden kan de ASR-gevoeligheidworden beoordeeld op grond vande volgende informatie:- langdurige ervaring elders(bijvoorbeeld in het land vanherkomst) met het gebruik vanhet materiaal in beton;door microscopisch onderzoekbepaalde mineralogischesamenstelling;- onderzoek de ASR-gevoeligheid met behulp van dezogenaamde 'mortar-bar"metho-de en/of "concrete prism tests'.Hiervoor zijn in diverse landenvan herkomst normenbeschikbaar.Nadrukkelijk wordt hierbij op-gemerkt dat langdurige praktijk-ervaring de meestwaardevolleinformatiebron vormt.Een microscopisch onderzoekvan de mineralogische samenstel-lingis een zinvolle aanvulling omte voorkomen dat bijhet mengenvan toeslagmaterialen mengselsvan 'onder-' en 'boven-kritisch', deASR-gevoeligheidonbedoeldin het kritische gebied komen.De beproevingsmethoden voor debepaling van de ASR-gevoeligheidvan toeslagmaterialen verschillenvan land tot land en zijn nietzonder meer toepasbaar voortoeslagmaterialen van andereherkomst. Daarbij gaat het in demeeste gevallen om versneldebeproevingen waarbij mortels ofbeton met een extreem hoogalkaligehalte wordt gebruikt. Vaakwordt de proef met alleen fijn ofverkleind toeslagmateriaaluitgevoerd en de conditioneringvan de proefstukken ten aanzienvan temperatuur en nat-droog-wisselingen verschilt sterk met degebruikelijke omstandigheden in depraktijk. Dit alles maakt eeneenduidige beoordeling van deresultaten moeilijk.BeoordelingsprocedureDe maatregelen ter voorkomingvan ASRzijn in de eUR-Aanbeve·linguitgewerkt tot beoordelings-procedures die zijn gekoppeld aande milieuklasse voor de desbe-treffende betonconstructie.Hiertoe zijn gedetailleerdebeoordelingsscherna's opgenomen.We volstaan hier met een kortetoelichting per milieuklasse.Milieuk/asse /Milieuklasse I betreft betoncon-structies in een droge omgeving.Hier is onvoldoende aanvoer vanvocht. Integendeel, het betondroogt uit en er is dus geen gevaarvoor ASR.Mi/ieuk/asse 2Inmilieuklasse 2 kan schadelijkeASR niet optreden indien het alka-Iigehaltevan het mengsel wordtbeperkt tot maximaal kg/m'.Ook kan door de keuze voor éénvan de eerder genoemde cement-soorten ASR-risico wordenuitgesloten.Milieuklassen 3 en 4In de milieuklassen 3 en 4 kan nietworden volstaan met eenbeperking van het alkaligehalte inhet mengsel. Hier is het immersmogelijk dat het beton in aanrakingkomt met natrium- of kaliumhou-dende zouten uit zeewater ofdooizouten die in het betonkunnen dringen. Hierdoor bestaatde mogelijkheid dat het alkaligehal-te van het beton in de loop van detijd toeneemt.Om deze reden kan hier wordengekozen voor een van de eerdervermelde cernentsoorten.Milieuk/asse 5Het risico op ASRin milieuklasse 5hangt ervan af of het al dan nietmogelijk is dat alkaliën van buitenafhet beton binnendringen.Daarbij moet worden nagegaan ofhet beton in aanraking komt metnatrium- of kaliumhoudendezouten. In dat geval kan het alkali-gehalte oplopen door indringenvan alkaliën van buiten.Is dit geval dient de samenstellingte worden beoordeeld zoals inmilieuklasse 3/4.Indien geen alkaliën van buitenkunnen indringen, wordt debeoordeling volgens milieuklasse 2gevolgd.7R in NederlandVergelijkenwe de hiervoor be-schreven randvoorwaarden voorhet optreden van ASRmet deNederlandse situatie wat betrefttoegepaste cementsoorten enbetonsamenstellingen. dan heeftde alkali-slllcareactie hiernauwelijks kans.Viamarktonderzoek dat binnen debetonmortelindustrie al een aantaljaren wordt uitgevoerd. is eengoed inzichtverkregen in de gele-verdesamenstellingen in ons land.Indien de resultaten van dezemarktonderzoeken worden ver-geleken met de randvoorwaardenvoor het optreden van schadelijkeASR,blijkt dat bij meer dan 97%van de leveranties schadelijke ASRis uitgesloten dank zij debetonsamenstelling. Voor alleduidelijkheid: in de resterendeminder dan 3% bestaat uitsluitendrisico indien ASR-gevoeligtoeslagmateriaal wordt toegepast.Vermeldenswaard is hierbij datdeze marktonderzoeken zijnuitgevoerd in een periode waarinniet bewust op ASR-ongevoeligesamenstellingen werd gestuurd.t slotIn deze BETON/EK hebben wegezien dat tot voor kort de alkali-silicareactle in ons land eenbetrekkelijk onbekend fenomeenwas. Daarbij kwam dat inNederland ASR-schade niet eerderwas vastgesteld.De komst van nieuwe toeslagmate-rialen leek dit beeld te zullenverstoren.De hier besproken eUR-Aanbeveling geeft de betontechno-loog de informatie om ook metnieuwe en in sommige opzichtenmogelijk nog onbekendetoeslagmaterialen verantwoord tewerken. De achtergronden vandeze aanbeveling zijn uitgebreidtoegelicht.De betontechnoloog krijgtdaarmee duidelijke richtlijnenwaardoor ook in de toekomst,met andere toeslagmaterialen,beton kan worden vervaardigd metde gebruikelijk hoge duurzaam-heid, óók als het gaat om ASR·risico.In onze volgendeuitgave:Duurzaamheid entoeslagmateriaalDe dichtheid van verhard betonen de dekking op de wapeningzijnbepalend voor deduurzaamheid vanbeton.In deze aflevering wordtspeciaal ingegaan op mogelijkeverschillen tussen grindbeton enlichtbeton.eratuur- Concrete Society Technical Report No. 30 "Alkali-silicareaction -minimisingthe risk of damage to concrete", London Concrete SocietyISBN 0-946691-20-7, oktober 1987.- British Cement Association "The diagnosis of alkali-silica reaction',report of a working party, Publication 45.042, Wexham Springs BCA,1992 (2e druk) ISBN 0-7210-1369-4.- R.f.M. Bakker, Permeability of blended cement concretes.- R.f.M. Bakker, On the cause of the increased resistance of concretemade from blast furnace cement to the alkali-silicareaction and tosulphate resistance, Technische Hochschule Aachen (dissertatie) 1980.- O.W. Hobbs, Alkali-silicareaction in concrete, Thomas TelfordPublicationsl988, ISBN 07277-13 17-5.Daar maak je 't mee.BETONlEK is een praktijkgerichtvoorlichtingsblad op het gebiedvan de betontechnolgie enverschijnt 10 keer perjaar.Redactie:tel. 073 -401 222Abonnementen:tel. 073 -401 231 VAKTIJDSCHRIFfENUitgave:Stichting BetonPrisma,Postbus 3532,5203 DM 's-Hertogenbosch.De Stichting BetonPrismais eeninitiatief van de VerenigingNederlandse Cementindustrie(VNC).Overname van artikelen enillustraties is toegestaan, ondervoorwaarde van bronvermelding.Abonnementsprijzen:Nederland f 25,-, NederlandseAntillen en België f 26,- anderelanden f 40,-Abonnementen lopen per kalen-derjaar. Aan het het eind van eenkalenderjaar wordt het abonne-ment automatisch verlengd, tenzijvoor I december schriftelijkwordt opgezegd.ISSN 0166-137x