Preventie van alkali-silicareactie

De alkali-silicareactie (ASR) is een chemische reactie waarbij alkaliën in het beton reageren met reactief silica uit het toeslagmateriaal. Er ontstaat dan de zogenaamde silicagel die bij opname van vocht uitzet en schadelijke scheurvorming in het beton kan veroorzaken. In dit artikel staan we stil bij de maatregelen om schadelijke ASR te vermijden in structurele geprefabriceerde betonproducten en de technische voorschriften hieromtrent. De standaard- en typebestekken van de gewesten kunnen afwijkende voorschriften bevatten, die niet in dit artikel worden behandeld.

Wat is ASR?

Schadelijk ASR kan slechts optreden als aan de volgende drie voorwaarden gelijktijdig wordt voldaan: er moeten voldoende alkaliën in het beton beschikbaar zijn, het toeslagmateriaal moet voldoende reactieve silica bevatten en er moet voldoende vocht in het beton aanwezig zijn. Alkaliën in beton betreffen voornamelijk natrium en kalium en komen hoofdzakelijk voor in de bindmiddelen, maar ook in de granulaten, de hulpstoffen en de vulstoffen. Deze elementen kunnen ook van buitenaf in het beton binnendringen, bijvoorbeeld bij contact met dooizouten of bij blootstelling aan zeewater, zeelucht of kunstmest. Wanneer beton in contact komt met ‘agressieve’ stoffen, is het niet altijd duidelijk welke chemische elementen in deze stoffen precies verantwoordelijk zijn voor het aantasten van het beton. Enige voorzichtigheid is in dat geval wenselijk. Het is gebruikelijk het alkaligehalte van beton en van de bestanddelen van beton uit te drukken als Na₂O-equivalent (het zogenaamde natriumequivalent), uitgedrukt als het gehalte aan natrium­oxide (Na₂O) + 0,658 maal het gehalte aan kaliumoxide (K₂O), waarbij 0,658 niet meer is dan de verhouding van het moleculair gewicht van natrium- en kaliumoxide ⁽¹⁾.

Het grootste deel van het toeslagmateriaal voor beton bestaat uit gesteenten. Veel mineralen waaruit gesteenten zijn opgebouwd, bestaan uit chemische verbindingen met siliciumdioxide (SiO2), kortweg silica. Deze kunnen in meer of mindere mate reageren met alkaliën. De reactiviteit van silica wordt nog niet volledig begrepen, maar wetenschappers baseren zich voornamelijk op de kristalstructuur. Hoe beter deze geordend is, hoe geringer de reacti­viteit⁽¹⁾. Maar gesteenten die in bepaalde delen van de wereld niet-reactief zijn, kunnen dit elders wel zijn. De petrografische beoordeling van de toeslagmaterialen is meestal niet voldoende om het toeslagmateriaal te classificeren als onschadelijk of potentieel reactief. Aanvullende methoden moeten dan gebruikt worden om reactieve vormen van silica te identificeren⁽²⁾. De meest voor de hand liggende methode bestaat erin beton of mortel samen te stellen met het te onderzoeken gesteente en vervolgens bloot te stellen aan omstandigheden die gunstig zijn voor ASR om vast te stellen of de ASR zich manifesteert.

Naast alkaliën en reactief silica speelt ook water een rol in de ASR. Enkel als er voldoende water aanwezig is, zal silicagel kunnen ontstaan. Dit kan water zijn dat van buitenaf in de betonconstructie dringt, maar het kan ook poriënwater zijn. Hiervoor is echter wel veel poriënwater nodig dat doorgaans enkel in massieve constructies in voldoende mate aanwezig is⁽¹⁾. In een constructie kan niet-gehydrateerd water overblijven als deze dikker is dan 50 cm en blootgesteld wordt aan één zijde of als ze dikker is dan 100 cm en blootgesteld wordt aan twee zijden⁽³⁾. In Nederland wordt geadviseerd om bij constructies dikker dan 100 cm steeds te veronderstellen dat ze aan een vochtig milieu blootgesteld worden⁽¹⁾.

Voorschriften prefab

Voor structurele prefab betonproducten wordt in de Europese norm NBN EN 13369⁽⁴⁾ en zijn nationale aanvulling, de NBN B 21-600⁽⁵⁾ voor de weerstand tegen ASR verwezen naar een vorige uitgave van de Europese norm voor beton⁽⁶⁾ en zijn nationale aanvulling⁽⁷⁾. Het is niet realistisch om te streven naar volledig geharmoniseerde specificaties om ASR te voorkomen. Daarom wordt in [6] voor de voorzorgsmaatregelen verwezen naar het CEN-rapport CR 1901⁽⁸⁾, waarin voor België vier maatregelen worden opgesomd:

1 de beperking van het alkaligehalte van het beton;

2 het gebruik van een cement met een laag alkaligehalte;

3 de wijziging van de granulaten;

4 de beperking van de verzadigingsgraad van water in het beton.

Minstens één van deze maatregelen moet genomen worden. In [7] staan dezelfde maatregelen, alleen het wijzigen van de granulaten werd vervangen door het gebruik van niet-reactieve granulaten. Als gekozen wordt voor de beperking van het alkali­gehalte in het beton geeft [8] de grenswaarden overgenomen in Tabel 1. De maatregelen worden niet verder toegelicht in [7] en [8].

In het Algemeen Toepassingsreglement voor de BENOR-certificatie van structurele producten⁽⁹⁾ zijn bepalingen opgenomen die meer invulling geven aan deze in [7]. De potentiële reactiviteit van de granulaten moet, indien van toepassing, nagegaan worden door het uitvoeren van een zwelproef, aan de hand van petrografische analyse of op basis van het gehalte reactieve silica. Als gekozen wordt voor de begrenzing van het alkaligehalte van beton vervaardigd met portlandcement (CEM I) wordt het alkaligehalte bepaald door het opstellen van de alkalibalans op basis van de dosering van de bestanddelen en de verklaarde (voor cementen en hulpstoffen), gemeten (voor aanmaakwater en granulaten) of forfaitaire waarde (voor granulaten) van het alkaligehalte van de bestanddelen. De bepaling van het gehalte aan oplosbare alkaliën van de granulaten geschiedt volgens de methode LPC n° 37⁽¹⁰⁾. Bij gebrek aan experimentele waarden mag voor het opstellen van de alkalibalans het oplosbare alkali­gehalte van gewone granulaten forfaitair op 0,01 % gezet worden en dat van zeegranulaten op 0,03 %. Het alkali­gehalte van het water in de granulaten mag conventioneel gelijkgesteld worden aan dat van het aanmaakwater. De grenswaarde van het alkaligehalte is afhankelijk van het feit of de variatie­coëfficiënt V_c ( = standaardafwijking gedeeld door het gemiddelde) van het totale alkaligehalte van het gebruikte cement, over de afgelopen periode van 1 jaar, gekend is of niet⁽⁹⁾:

• V_cgekend:     3,5      kg/m³
                          1+2 V_c
• V_c niet gekend: 3,0 kg/m³

Nieuwe norm voor beton

Vanaf de 2013-versie van de Europese norm voor beton wordt in een informa­tieve bijlage verwezen naar CEN/TR 16349⁽¹¹⁾. Hierin worden volgende omgevingscategorieën gedefinieerd waarvoor op nationaal niveau voorzorgsmaatregelen vastgelegd moeten worden:

– E1: het beton wordt beschermd tegen vocht van buitenaf;

– E2: het beton wordt blootgesteld aan vocht van buitenaf;

– E3: het beton wordt blootgesteld aan vocht van buitenaf en aan bijkomende verzwarende factoren, zoals dooizouten, vorst-dooicycli, wisselend nat en droog in zeeomgeving, wisselende belastingen of langdurig hoge temperaturen.

In aanvulling op [7] wordt het gebruik van gemalen hoogovenslak, vliegas, silica fume of andere puzzolanen (in cement of als toevoegsel) als effectieve maatregel genoemd. Maar ook de beoordeling van de geschiktheid van een betonmengsel via een prestatieproef is een maatregel die in verschillende landen gebruikt wordt en valt onder nationale bepalingen. De doeltreffende toepassing van de beperking van het alkaligehalte van het beton vereist ofwel de classificatie van elk bestanddeel m.b.t. hun alkaligehalte, ofwel de gegarandeerd kwalitatieve verklaring van het gemiddelde alkaligehalte van elk bestanddeel en de variabiliteit ervan. Als beton wordt blootgesteld aan dooizouten, moet rekening gehouden worden met de bijdrage van die dooizouten aan het alkaligehalte van het beton⁽¹¹⁾.

Geïnspireerd op [11] werd in België in 2018 een nieuwe methode voor de beheersing van het risico op ASR geïntroduceerd in de nationale aanvulling van de Europese norm voor beton. In de meest recente nationale aanvulling⁽¹²⁾, die nog niet van toepassing is gesteld voor prefab betonproducten, is deze methode verder uitgewerkt. Enerzijds worden de economische en maatschappelijke kosten die de optredende schade met zich meebrengt vertaald in ASR-preventieniveaus (PREV, zie Tabel 2). Anderzijds wordt de ernst van de blootstelling ingedeeld in ASR-blootstellingscategorieën (AR, zie Tabel 3), die nauw verbonden zijn met de omgevings- of milieuklassen. In functie van beide dient één van de volgende maatregelen genomen te worden (zie Tabel 4):

– Maatregel 1: het gebruik van granulaten met een geattesteerde declaratie van niet-reactiviteit;

– Maatregel 2: het gebruik van LA-cement zonder opmaak van een alkalibalans;

– Maatregel 3: het beperken van het alkaligehalte van het beton (alkali­balans);

– Maatregel 4: het uitvoeren van zwelproeven die de bestandheid van het beton tegen ASR bevestigen.

Bij maatregel 1 wordt de nadruk gelegd op een geattesteerde declaratie. Er zijn echter niet veel granulaten op de markt waarvoor dergelijke verklaring beschikbaar is.

Aan het gebruik van LA-cement bij maatregel 2 zijn enkele voorwaarden gekoppeld. Zo is het mengen van cementen niet toegestaan, mag slechts één toevoegsel type II gebruikt worden (maximaal 50 kg/m³), worden de cementgehaltes beperkt en is het gebruik van kunstmatige granulaten niet toegestaan. Voor maatregel 3 wordt vastgelegd welke alkaligehalten van de bestanddelen mogen toegepast worden (zoals geattesteerde of forfaitaire waarden) en welke grenswaarden geldig zijn in geval van gebruik van cementen, al dan niet gecombineerd met andere cementen, en in geval van gebruik van vliegas of gemalen hoogovenslakken als toevoegsel type II. Voor deze toevoegsels is het gehalte aan oplosbare alkaliën dat beschikbaar is om deel te nemen aan de ASR aanzienlijk lager dan het totale alkaligehalte. Dit wordt in rekening gebracht door het totale Na₂O-equivalent van deze toevoegsels te vermenigvuldigen met een correctiefactor 0,17. Ter illustratie worden in Tabel 5 de grenswaarden voor de alkalibalans weergegeven in geval van gebruik van cement zonder toevoegsel type II. Voor meer informatie verwijzen we naar [12]. Voor het uitvoeren van de zwelproeven (maatregel 4) kunnen de gemodificeerde Oberholsterproef en NF P18-454⁽¹³⁾ toegepast worden. De eerste is een versnelde proef en wordt toegelicht in Bijlage Q van [12]. Wanneer het resultaat negatief is, wil dit niet noodzakelijk zeggen dat het beton geen ASR-weerstand heeft. In dat geval moet een tragere proefmethode, bv. [13], gebruikt worden. Dit is met name zo voor een samenstelling op basis van CEM I LA en potentieel reactieve granulaten. In afwijking van bovenvermelde proefmethoden wordt het werkelijke alkaligehalte van de te gebruiken grondstoffen bepaald en wordt elke betonbatch door toevoeging van NaOH aangerijkt met alkaliën tot minstens het maximum alkaligehalte op basis van maatregel 3 bereikt wordt. De criteria waaraan voldaan moet worden, staan voor de Oberholsterproef in Bijlage Q, voor de tragere proef⁽¹³⁾ wordt verwezen naar FD P18-456⁽¹⁴⁾. De betonsamenstelling kan als niet-reactief beschouwd worden als aan de criteria voldaan is voor drie betonbatches afzonderlijk.

Een fabrikant van BENOR-gecertifi­ceerde structurele prefab betonproducten die wil afwijken van de bepalingen van [9] – bijvoorbeeld om een alkalibalans op basis van maatregel 3 op te stellen, in het bijzonder bij het gebruik van een ander bindmiddel dan enkel CEM I, of om de geschiktheid van het beton aan te tonen op basis van maatregel 4 – kan hiervoor bij PROBETON een aanvraag indienen. Vermits dit een afwijking is die niet-tegenstrijdig is met normbepalingen, die in het kader van het BENOR-merk nog formeel van toepassing zijn, zal dit meestal toegestaan worden.

Nieuwe bindmiddelen

Er wordt tegenwoordig veel onderzoek gedaan naar geopolymeerbeton. Dit is beton waarbij geen traditioneel cement als bindmiddel wordt gebruikt maar alkalisch te activeren grondstoffen, zoals bijvoorbeeld hoogovenslak, vliegas, gecalcineerde klei en natuurlijke puzzolanen. Omdat de toeslagmaterialen reeds in een vroeg stadium worden blootgesteld aan hoge concentraties alkaliën en een hoge pH, treedt de ASR onmiddellijk op in reactieve granulaten. In het nog vloeibare beton zal door de gelvorming geen scheurvorming optreden. Op termijn daalt het alkaligehalte en neemt de reactiviteit af. Onderzoek wijst uit dat alleen met hoge doseringen van zeer gevoelig toeslagmateriaal schadelijke expansie kan optreden. Geopolymeerbeton kan op het einde van zijn levensduur ook herleid worden tot granulaten. Ondanks het feit dat het overgrote deel van de alkaliën niet-oplosbaar is, moeten ze, zoals gewone betongranulaten, beschouwd worden als ASR-gevoelig omdat het moeilijk te achterhalen is wat voor toeslag­materiaal oorspronkelijk werd toegepast in het beton⁽¹⁵⁾. (BHE)

Referenties

1. Betoniek Standaard 15/02, ASR-verzekering, maart 2010.
2. To be or not to be…alkali-reactive. A challenge for the petrographic method, Fernandes et al, Conference paper, ResearchGate, February 2019.
3. Maatregelen ter preventie van Alkali-Silica Reactie (ASR)/Mesures de prévention en matière de réaction alcali-silice (RAS), FEDBETON, Steven Schaerlaekens, 2018.
4. NBN EN 13369:2004+A1:2006+AC:2006 – Common rules for precast concrete products.
5. NBN B 21-600:2009 – Common rules for precast concrete products – National supplement to NBN EN 13369:2004+A1:2006+AC:2006.
6. NBN EN 206-1:2001+A1:2004+A2:2006 – Concrete – Part 1 : Specification, performance, production and conformity.
7. NBN B 15-001:2004 – Concrete – Specification, performance, production and conformity – National supplement to NBN EN 206-1:2001.
8. CR 1901:1995 – Regional specifications and recommendations for the avoidance of damaging alkali silica reactions in concrete, CEN.
9. ATR 21-600 – Algemeen Toepassingsreglement BENOR/Règlement d’application Général BENOR, PROBETON, uitgave/édition 1, 2008.
10. Essai de granulats – Détermination des alcalins solubles dans l’eau de chaux, Méthode d’essai LPC n° 37, LCPC, février 1993.
11. CEN/TR 16349:2012 – Framework for a specification on the avoidance of a damaging Alkali-Silica Reaction (ASR) in concrete, CEN.
12. NBN B 15-001:2022 – Concrete – Specification, performance, production and conformity – National supplement to NBN EN 206:2013+A2:2021.
13. NF P18-454:2021 – Béton – Réactivité d’une formule de béton vis-à-vis de l’alcali-réaction – Essai de performance.
14. FD P18-456:2004 – Béton – Réactivité d’une formule de béton vis-à-vis de l’alcali-réaction – Critères d’interprétation des résultats de l’essai de performance.
15. Geopolymeerbeton: Hoe zit het nu?, Betoniek Vakblad, 3/2022.