Mi az alkáli-szilika reakció (ASR)?

Az alkáli-szilika reakció (ASR) az adalékanyag reaktív szilikája és a betonban lévő alkáliák között zajló reakció, amely gélt képez. A gél megduzzad, és megrepeszti a lemezt.

Mi az ASR

Az ASR kémiai reakció. A beton pórusoldatában lévő alkáli-hidroxidok reakcióba lépnek egyes adalékanyagok bizonyos reaktív szilikaásványaival. A termék alkáli-szilika gél. A gél nedves környezetben vizet szív magába, és megduzzad. A duzzadás a beton tágulásához és repedezéséhez vezethet.

A beton pórusoldata erősen lúgos. Az FHWA szerint ezt a cement hidratációja közben felszabaduló nátrium- és káliumionok okozzák. A nem karbonátosodott cementpép minimális pH-ja 12,5.

Az ASR az alkáli-adalékanyag reakciók egyik típusa. A másik az alkáli-karbonát reakció (ACR), amely bizonyos dolomitos adalékanyagokat érint. Az FHWA mindkettőt felsorolja a helyszíni kézikönyvében, és mindkettő tágulást és repedezést okoz.

Hogyan működik

A reakció az alábbi sorrendben zajlik:

1. A cementből származó alkáli-hidroxidok reakcióba lépnek az adalékanyag egyes fajtáinak instabil szilikájával.
2. A reakció alkáli-szilika gélt hoz létre.
3. A gél a környező pépből vizet szív magába, és kitágul.
4. A belső tágulás megrepeszti a környező betont.

Három dolognak egyszerre kell jelen lennie:

• Alkáli-hidroxidok a pórusoldatban. Az alkáliák nagy része a portlandcementből származik. Az adalékanyagok, az adalékszerek és a kiegészítő cementanyagok is adhatnak alkáliákat. A téli sózás és a tengervíz kívülről juttathat alkáliákat.
• Reaktív ásványok az adalékanyagban. Általában a kristályos szilikát tartalmazó adalékanyag stabil, az amorf vagy nagyon finomszemcsés szilikát tartalmazó pedig reaktív. Az FHWA felsorolja az opált, a kristobalitot, a tridimitet, a vulkáni üveget és a kvarc különböző, mikrokristályos, kriptokristályos és feszültséggel terhelt változatait. A kalcedont és a kovakövet a legreaktívabb formák közé sorolja.
• Nedvesség. Az ASR 80 százalék alatti relatív páratartalom mellett a beton belsejében megáll, és a páratartalom 80 és 100 százalék között erősödik.

Az FHWA szerint a terméket gyakran gélnek nevezik, bár gyakran kristályos.

Hogyan néz ki a burkolaton

A PAVER kézikönyv az alábbi látható jeleket sorolja fel:

• Repedezés, gyakran térképszerű mintázatban.
• Fehér, barna, szürke vagy más színű gél, illetve elszíneződés a repedéseknél.
• Adalékanyag-kipattanások.
• Tágulás, például lemezszint-eltolódás, hézagelcsúszás, kiszorult hézagtömítés, lámpatestek dőlése és az aszfaltburkolat eltolódása, gyűrődése.

Az FHWA kézikönyve bemutatja, hogyan fejlődik a repedezés betonburkolaton. Az első tünetek gyakran a keresztirányú vagy hosszirányú hézagoknál kezdődő, azokra merőleges repedések. A térképszerű repedezés gyakran a lemezek sarkain jelenik meg először. Az ASR előrehaladtával a repedések a lemezek kerülete mentén terjednek, a közepükön gyakran kevés vagy semmi repedés van. A hézagok három okból repedeznek először: több nedvesség van a hézagoknál, kevesebb a tágulást gátló erő a hézagok közelében, és ott nagyobbak a forgalmi igénybevételek.

Később az egész lemezfelszín megreped. A repedések általában a burkolat hossza mentén rendeződnek, mert a lemez hosszában nem tud szabadon tágulni, keresztben viszont jobban tágul. A repedések mentén gél vagy barnás elszíneződés húzódik. A tágulásból eredő hézagzáródás kinyomja a hézagtömítést. Ha a hézagban nem összenyomható anyag van, a beton a hézagnál összetörhet. Ez kiboltosodásba is átcsaphat, vagyis a lemezszélek meggörbüléséhez vagy szétzúzódásához. Ezután a hézagnál lepattogzás indul, mert a fagyás-olvadás és a forgalom hat a megrepedt betonra.

A nedvesség befolyásolja, mennyire látszanak a repedések. A finom repedések száraz napon nehezen láthatók, de eső után, a felület száradása közben könnyen észrevehetők. A repedések tovább megtartják a nedvességet, ez pedig növeli a kontrasztot.

Mikor jelenik meg az ASR

Az ASR általában több év után jelentkezik, nem az első néhány évben. Az FHWA kézikönyve tipikusként 5 és 10 év közötti időt ad meg. A közepesen reaktív adalékanyag hidegebb éghajlaton 15 vagy több évig is eltarthat. A nagy reakcióképességű adalékanyag meleg, párás éghajlaton két éven belül megrepedhet. Egy FHWA-táblázat burkolatok ASR-jére tágabb, 5 és 25 év közötti tartományt ad. Ezzel szemben a plasztikus zsugorodási repedés az első évben jelenik meg.

Hogyan különböztethető meg az ASR más okoktól

Több más folyamat is hasonló módon repeszti meg a betont. Az FHWA szerint a repedezés és a többi tünet nem bizonyítja az ASR-t, mert más romlási folyamatok is okozhatják őket.

• D-repedezés. A minta hézagnál hasonlíthat az ASR-re. A PAVER a repedés iránya alapján különbözteti meg őket. Az ASR a hézag homlokfelületére merőleges repedést is mutat. A D-repedezés főként a hézagfelületekkel párhuzamos repedéseket hoz létre. A mechanizmus más, mert a D-repedezés a fagyra érzékeny adalékanyag tágulásából származik. Lásd: a D-repedezés szócikket.
• Térképszerű repedezés, hajszálrepedezés és száradási zsugorodás. A PAVER a látható tágulási jelek alapján különbözteti meg az ASR-t a térképszerű repedezéstől és a skálázódástól. Az FHWA egy száraz környezetben lévő burkolatot mutat be kiterjedt térképszerű repedezéssel. A petrográfiai vizsgálat nem talált ASR-t, a jelentés a száradási zsugorodást tekinti az okának.
• Szulfátos támadás és késleltetett ettringit-képződés. Ezek szintén térfogatnövekedést és repedezést okoznak. Az FHWA szerint a késleltetett ettringit-képződés gyakran az ASR-rel együtt fordul elő.
• Fagy-olvadás okozta kipattanások. A kipattanásokat az adalékanyagban a fagy-olvadás hatása is okozhatja ASR nélkül.

Az FHWA osztályozási táblázatot ad egy állapotfelméréshez. Négy jellemző alapján becsüli az ASR valószínűségét: a tágulás vagy elmozdulás, a repedésmintázat, a felület elszíneződése és a kiszivárgások. Kiterjedt térképszerű repedezés, a sötét elszíneződés mellett egy világos zóna és több repedésnél jelentkező zselészerű gél nagy valószínűséget jelez. Ugyanez a kézikönyv szerint csak a magminták és a laboratóriumi vizsgálat állapítja meg, mekkora szerepe van az ASR-nek.

Hogyan erősíthető meg az ASR

Szemrevételezéssel nem erősíthető meg az ASR. Az FHWA kézikönyve szerint csak a magminták és a laboratóriumi vizsgálat, köztük a petrográfiai vizsgálat állapítja meg, mennyire járult hozzá az ASR a károsodáshoz. A PAVER a magfúrást és a petrográfiai elemzést nevezi meg az egyetlen véglegesítő módszerként.

A laboratóriumi vizsgálatok az adalékanyagot az építés előtt reaktivitásra szűrik:

• ASTM C1260, habarcsrudak. A vizsgálat 16 napon belül kimutatja az adalékanyag káros ASR-jének lehetőségét. Nem értékeli az adalékanyagot kiegészítő cementanyagokkal kombinálva.
• ASTM C1293, betonprizmák. A vizsgálat a betonprizmák hosszváltozását méri. Pucolánnal vagy kohósalakkal kevert adalékanyagot is vizsgálhat.
• ASTM C1567. Az FAA P-501 specifikáció a tervezett keverékben lévő összesített adalékanyagokra és kiegészítő cementanyagokra használja.
• Petrográfiai elemzés, ASTM C295. Az FHWA ezt nevezi meg arra, hogy az adalékanyagban a potenciálisan reaktív ásványokat megtalálják.

Az FHWA az AASHTO PP 65 szerinti határértékeket közli közúti használatra. A habarcsrudak tágulása 14 nap után nem haladhatja meg a 0,10 százalékot, 1 M nátrium-hidroxid-oldatban, 176 °F (80 °C) hőmérsékleten. A betonprizmák tágulása 1 év után nem haladhatja meg a 0,040 százalékot. Az ASTM C1293 szabvány szerint a laboratóriumi utókezelés eltér a helyszíni feltételektől.

Hogyan osztályozzák az ASR-t

A PAVER az ASR-t 76. hibaként osztályozza. A súlyosság alacsony, közepes vagy magas, és az idegen tárgy (FOD) kockázatától, valamint a repedés szélességétől és a lemez elmozdulásától függ. A szoros repedés többnyire legfeljebb 1 mm széles. Ha a PAVER magas súlyosságú ASR-t rögzít, ugyanazon a lemezen más hibát nem rögzít.

Hogyan előzhető meg az ASR

Az FHWA négy stratégiát nevez meg az új betonhoz:

1. Reaktív adalékanyag kerülése. Az adalékanyagot petrográfiai elemzéssel és tágulási vizsgálatokkal kell tesztelni, és a helyszíni teljesítményét át kell tekinteni. Az FHWA hozzáteszi, hogy ez nem mindig a legjobb megoldás, például ha nincs helyben nem reaktív adalékanyag.
2. Az összes alkáli korlátozása a keverékben. Magas szintű megelőzéshez az AASHTO PP 65 protokoll 3,0 lb/yd3 nátrium-oxid-egyenértékű határértéket ír elő. Az FHWA figyelmeztet, hogy az alacsony alkálitartalmú cement is adhat magas összesített alkálitartalmat, ha a keverék nagy mennyiségű cementet használ. Az FAA AC 150/5320-6G szerint a magas cementtartalom növelheti az alkálitartalmat.
3. Kiegészítő cementanyagok (SCM) használata. Az FHWA ezt nagyon hatékony stratégiának nevezi. Minden SCM-hez tipikus szinteket ad meg:
   • Alacsony kalciumtartalmú pernye: 20 és 30 százalék.
   • Közepes kalciumtartalmú pernye: 25 és 35 százalék.
   • Magas kalciumtartalmú pernye: 40 és 60 százalék.
   • Szilikapor: 8 és 15 százalék.
   • Kohósalakcement: 35 és 65 százalék.
   • Metakaolin: 10 és 20 százalék.
4. Lítium-alapú adalékszerek használata. A lítium-nitrát a vizsgálatokban működik, de a hatás az adalékanyagtól függ. A dózist vizsgálatokkal kell beállítani.

Az FAA ezeket a szabályokat a P-501 tételbe (Cement Concrete Pavement) foglalja. A kivitelező a finom és a durva adalékanyagot külön-külön ASTM C1260 szerint vizsgálja, a vizsgálatot 28 napra kiterjesztve. Az összesített anyagok ASTM C1567 vizsgálatra mennek. A specifikáció akkor fogadja el a keveréket, ha a tágulás 28 napon nem haladja meg a 0,10 százalékot. Lítium-nitráttal készült keveréknél a vizsgálat CRD C662. A mérnöknek szóló útmutató szerint 0,6 százaléknál kisebb egyenértékű alkálitartalmú, alacsony alkálitartalmú cementet kell előírni.

Teendők, ha az ASR jelen van

Az FHWA szerint kézikönyve csak a tünetek felismerésében segíti az ellenőrt. A diagnózis után a tulajdonos megkezdheti az enyhítést, figyelheti a szerkezetet, vagy folytathatja a rutinszerű ellenőrzést. Egy meglévő szerkezetben a belső relatív páratartalom csökkentése lassítja a reakciót. Az FHWA szerint az ASR-rel érintett betonelem hirtelen összeomlása ritka. A folyamatos ASR azonban továbbra is üzemeltetési problémákat, magasabb karbantartási költséget és rövidebb élettartamot okozhat.

A javítások a hatásokat kezelik, nem az okot. Az FAA AC 150/5380-6C a kiboltosodás helyi javításaként a kiboltosodott terület lemezének cseréjét és a hézagok újratömítését sorolja fel. Emellett a hézagok lepattogzásának részmélységű javítását is. Az FHWA szerint a hézagnál tovább fog tartani a lepattogzás, és foltozásra lehet szükség. Súlyos esetben a kiterjedt foltozás csak késlelteti a nagyobb javítást vagy cserét.

Az ASR a repülőtéren

A PAVER jelzi, hogy a vegyi burkolati jégtelenítők felgyorsíthatják az ASR okozta repedezést. Az FHWA kézikönyve szerint az ASR akkor is csökkentheti a beton fagyállóságát, ha van légbuborékképzés. Hozzáteszi, hogy a vízszintes felületek, például a burkolatok, különösen sebezhetők. Ha az ASR-repedések telítődnek, a fagyó víz tágítja őket.

Az ASR a PCI-felmérés egyik hibatípusa. A felmérés a látható jeleket rögzíti, az okot viszont magminták és laboratóriumi vizsgálat állapítja meg. A kapcsolódó hibákhoz lásd a hézagi lepattogzás és a térképszerű repedezés szócikket.