I IMATERIALEN IAANTASTING IALKALI-AGGREGAATREACTIEUITBREIDING KWALITEITSCONTROLE NOODZAKELIJKdr.E.Soers en lic.M.Meyskens, GEOS Onderzoeks- en Controlelaboratorium, Wellen (Belgi?)Beton is een betrouwbare bouwstof, waarmee doorgaans probleemloos kan wordengebouwd. In de loop der jaren is gebleken dat onder bepaalde omstandighedenchemische aantasting kan optreden. Een ernstige vorm daarvan is de alkali-silica- ofalkali-aggregaatreactie (AAR). In Belgi? werd een jaar ofvijfgeleden een eerste gevalvan AAR vastgesteld [1,4]*. Sindsdien werden circa 25 gevallen aangetroffen inbetonconstructies van diverse aard. De praktische kennis die uit dezeschadediagnosen was gegroeid diende als basis voor een onderzoek op ruimereschaal, in opdracht van het Ministerie van Openbare Werken. In deze bijdrageworden de resultaten besproken van een laboratorium.onderzoek, uitgevoerd op dein Belgi? gebruikelijke toeslagmaterialen. Aangepaste kwaliteitscontrole blijktnoodzakelijk om tot een minimalisering van dit soort schade te komen.volgt worden gerangschikt:a. Grind- en zandkorrels samengestelduit chert, chalcedoon, opaal en mi-cro- tot cryptokristallijne kwarts. Zekomen voor in de kwartaire alluvialeafzettingen(zone C) ende gebaggerdezeematerialen (zone D). De sterkstereactiviteit wordt waargenomen bijkorrels samengesteld uit opaal ofpo-reuze verweerde chert (foto 2).b. Steenslag van kiezel- en schieferhou-dende kalksteen uit de Boven-Tour-naisiaanformaties (Carboon uit hetDoornikse, westelijk gedeeltevanzo-ne B). Deze f~nkorrelige kalkstenenworden gekenmerkt door de aanwe-zigheid van chert, f~nverdeeld silica,cryptokristallijne kwarts en fyllieti-sche mineralen (foto's 3a en 3b).c. Porfiersteenslag (zoneE). Het reactie-ve bestanddeel in dit gesteente is demicrokristallijne grondmassa.d. Fijnkorrelige sericietrijke zandsteenRekening houdend met het aantal en deernst van de tot nu toe waargenomenschadegevallen, kunnen de toeslagma-terialen naar afnemende reactiviteit alsResultaten uit onderzoek vanschadegevallenToeslagmaterialenDe toeslagmaterialen die reactief ble-ken te zijn hebben een gevarieerde lit-hologische en mineralogische samen-stelling. De schadelijke reacties die zeteweeg brengen zijn alle van het type al-kali-silicareactie. Alkali-silicaat- en al-kali-carbonaatreacties werden, voor zo-ver bekend, tot op heden niet waarge-nomen. Reactieve toeslagmaterialenkomen voor in formaties in de zones B,C, D en E. Dat wil niet zeggen dat toe-slagmaterialen uit deze zones ? prioriverdacht zijn.den in enkele intrusieve formatiesstollingsgesteenten ontgonnen. Ze D?~~hebben een kwarts-diorietische sa-menstelling en een porfierische tex-tuur, vandaar de benaming 'porfier'.Ondanks de relatief kleine omvangvan deze formaties worden hier grotehoeveelheden steenslag geprodu-ceerd.De ontgonnenformaties vari?ren in ou-derdom van Paleozo?cum tot recent. 1 - - - - - - - - - - - - - - - - 1Sommige gesteenten zijn duidelijk re- 1 Winplaatsen van toeslagmaterialenvoor de Belgische betonindustrieactief gebleken, dat wil zeggen dat ze L- --'een expansieve reactie kunnen ontwik-kelen in een alkalirijk milieu.?Het naslagwerk van D.W. Hobbs [5] geeft eengoed overzicht van de verschillende aspectenvan AAR.Ten aanzien van de ontginningvan toeslagmaterialen voor debetonindustrie kan hetBelgischgrondgebied geologisch-geografischworden ingedeeld in de volgende zones(fig. 1}.- in het noorden (A) wordt zand ont-gonnen uit mariene en continentaleafZettingen van het Cenozo?cum(Tertiair en Kwartair);- in het zuiden (B) wordt in een grootaantal groeven steenslag geprodu-ceerd uit paleozo?sche formaties(Cambrium tot Carboon): kwartsiet,zandsteen, dolomiet, kalksteenen kie-zelhoudende kalksteen;- in het noordoosten (C) heeft de Maassinds het Kwartair alluviale afzettin-gen opgebouwd. Deze regio is dan ookeen belangrijke leverancier van grinden zand, hoofdzakelijk samengestelduit silicarijke materialen (kwarts,kwartsiet, zandsteen) en een niet teverwaarlozenhoeveelheid silex(vuur-steen);- in het westen (D) maakt de betonin-dustrie in ruime mate gebruik vangrind en zand dat in de Noordzee,voor de Belgische en Engelse kust,wordt gebaggerd. Het grind is vooreen groot gedeelte samengesteld uitsilexkeien;- centraal gelegen, ten zuidenvanBrus-sel in de streek van Quenast (E), wor-20 Cement 1990 nr. 11polarisatie- en fluorescentie-microsco-pie ontstaatde mogelijkheid de traditio-nele petrografische waarnemingen tekoppelen aan een microstructureel on-derzoek van het beton. Aldus wordt eenbeeldverkregenvan de samenstellingenvan:- de soort reactieve toeslagmaterialenen hun porositeit;- de soort gebruikte cement;- de structuur van de macropori?n ende aard van de secundaire produktendie deze bevatten;- de capillaire porositeit van de ce-mentsteen, die eveneens een aanwij-zing is voor de water-cementfactorvan het beton;- microstructurele gebreken in de ce-mentsteen, zoals microscheuren enheterogeniteit van de capillaire poro-siteit.Bij een aantal onderzoeken werdenelectronenmicroscopie en r?ntgendif-fractometrie toegepast, waarover overi-gens weinig is gepubliceerd.Schade veroorzaakt door alkali-aggregaatreactieOngeveer 25 betonconstructies metscheurvorming veroorzaakt door AARwerden onderzocht. Op het ogenblikvan het onderzoek varieerde hun ou-derdomvan 6 tot 28jaar. Ze behoren totverschillende typen:- in het werk gestort beton: bruggen,wegen, eenzeewering en een fabrieks-gebouw. Het grootste gedeelte van deschadegevallen betreft brugconstruc-ties;- prefab beton: greppelelementen voorde wegenbouw, voorgespannen bal-ken en verlichtingsmasten.De waargenomen scheurontwikkelingis in overeenstemming methetklassiekeAAR-scheurenpatroon: regelmatig ver-takt in beton dat niet aan spanningenGebruikte methoden bij het onderzoek vanAAR-schadegevallenDe inspecties van beschadigde beton-constructies worden uitgevoerd door detechnische diensten van het Ministerievan OpenbareWerken enhebben ondermeer betrekking op de ontwikkelingvan de scheuren.De meest gebruikte onderzoeksmetho-de bij de schadediagnose van een betonaangetast door AAR, die aansluit bij devisuele inspectie in situ, is het petrogra-fisch onderzoek op slijpplaatjes [1,2,3].Dit petrografisch onderzoek werd uit-gevoerd op slijpplaatjes van betonmon-sters die onder vacuum waren ge?m-pregneerd met een fluorescerendeepoxyhars. Door een combinatie vanDe gesteenten onder d. en e. wordenslechts volledigheidshalve vermeld; zijleveren geen wezenlijke bijdrage aan deschade. Gesteenten die als niet-reactiefof inert kunnen worden omschrevenzijn zuivere kalksteen, dolomiet, grof-kristallijne zandsteen en kwartsiet.2 Alkali-silicareactie in silexzandkorrels. Microscopischeopname met gewoon lichtuit paleozo?sche formaties (steenslag)en recente alluviale afzettingen(grind) komen voor in verschillendezones.e. Metamorfe kwarts (Engels: strainedquartz), als bijkomstig mineraal aan-wezig in rivierafzettingen.CementHet cement speelt een belangrijke rol inhet ontstaan van AAR, aangezien het devoornaamste bron van alkali?n (Na enK) is. De betonconstructies waarbij deschade volledig ofvoor het grootste deelaan deze reactie kan worden toege-schreven, werden vervaardigd op basisvan portlandcement.Informatie over de chemische samen-stelling, en meer in het bijzonder overhet alkaligehalte van het gebruikte ce-Regionale verspreiding van de schade'-----------------' Wanneer de geografische ligging vanhet relatief geringe aantal onderzochtebetonconstructies in ogenschouwwordt genomen, blijkt dat deze min ofmeer gelijkmatig over het Belgischegrondgebied zijn verspreid. Gezien despreiding van de verschillende ontgon-nen reactieve soorten toeslagmaterialenen de distributie ervan over een relatiefklein territorium is dit niet verwonder-lijk.ment in beschadigd beton, is niet be-schikbaar. Om het risico van AAR bijgebruik van gevoelige toeslagmateria-len zo gering mogelijk te houden wordt,onder meer in Groot Brittanni?, eenmaximale hoeveelheid van 3kg N azOeqper m3beton aanbevolen (% NazOeq =%NazO + 0,658% KP).Van een aantal betonmonsters, bescha-digd door AAR, werd het alkaligehaltebepaald.Van 20 geanalyseerde monstersbevatten alle, op ??n uitzondering na,meer dan 3 kg NazOeq/m3, te weten 3,1tot 8,2 kg NazOeq/m3? AangenomenI------------------j kan worden dat de gebruikte cementenvan het hoog-alkalische type waren.3 Alkali-silicareactie in kalksteen (k)a. microscopische opname met gewoon licht b. opname door middel van fluorescentie-microscopieCement 1990 nt. 11 21IMATERIALEN4 Wegdek met regelmatig vertaktscheurenpatroon (map cracking);meetlat = 100 mm5 Door alkali-silicareactieveroorzaakte scheurenonderhevig is (fOto 4Jen met een gerichteori?ntatie in voorgespannen beton (fOto5).Descheurvorming is het meestinten-siefin die gedeelten van een constructiedie het meest aan neerslag ofvocht zijnblootgesteld. In enkele gevallen kan deschade zijn bevorderd door bijkomendealkali?n, afkomstig van dooizouten ofzeewater.Aangezien AAR nog maar sinds kort inBelgi? wordt bestudeerd, is het moeilijkeen schatting te maken van het aantalbetonconstructies dat werd hersteld ofvervangen als gevolg van dit soort scha-de.VolgensBesemenDemars [6] is de scha-de aan een brug van het Bowstring-typein Pomeroel, gebouwd in 1975 en her-bouwd in het begin van dejaren tachtig,aan AAR te wijten.Op dat ogenblik bracht het onderzoekgeen schadeoorzaak aan het licht. Deauteurs baseren hun oordeel op de gelij-kenis van het scheurenpatroon met datvan recente schadegevallen, en ook ophet gebruik van toeslagmaterialen dieondertussen als reactiefbekend zijn.Een andere aanwijzing voor het feit datAAR geen recent fenomeen is, is de aan-wezigheid van tientallenjaren oude res-terende betonplaten met AAR-schadein wegen die reeds voor een groot ge-deelte werden gerenoveerd. Het lijkt lo-gisch te veronderstellen dat AAR deoorzaak is van een aantal herstellingenofvernieuwingen die in een recent ver-leden werden uitgevoerd.De meeste betonconstructies die doorAAR zijn aangetast vertonen scheurendie niet van invloed zijn op de stabiliteitof het normale gebruik. Toch werdenreeds enkele constructies vervangen,onder meer de brug B 52 over de auto-22IAANTASTINGsnelweg E 19 (Brussel-Antwerpen) teKontich, waar het brugdek van lichtbe-ton zwaar beschadigd was door scheu-ren [1,4].Verschillende lichtmasten in voorge-spannen beton, in de omgeving vanBrussel en Luik, werden wegens sterkescheurvorming eveneens verwijderd.Dezeschadegevallenwordenbovendiengekenmerkt door een ontwikkeling vansecundair ettringiet. Wat de schade aanbetonwegen betreft kan worden ver-meld dat in de autosnelweg E 17 nabijGent een door scheuren beschadigderijstrook werd vernieuwd. Gezien hetplaatselijk soms sterk ontwikkeldscheurenpatroon zullen verschillendeandere wegen in de nabije toekomst ookaan herstelling ofvernieuwing toe zijn.Secundaire aspectenOp grond van petrografische waarne-mingen kunnen enkele secundaireaspectenworden vermeld die het optre-den van schade be?nvloeden.De invloed van de microstructuurvan het be-ton op de ontwikkeling van AARDe microstructuur van de cementsteen,meer in het bijzonder de porositeit, be-paalt in belangrijke mate de duurzaam-heid van beton en dus ook de ontwikke-ling van destructieve processen. De dif-fusiesnelheid van de waterige oplossin-gen zal immers in grote mate afhanke-lijk zijn van de kwaliteit (porositeit) vande cementsteen. Deze relatie bleek ookuit waarnemingen door middel vanfluorescentie-microscopie. Een belang-rijk deel van de monsters uit beschadigdbeton bleek een microstructuur te heb-ben die de diffusie van pori?nop-lossingen in de hand werkt, en daardoorschadelijke processen zoals AAR en et-tringietvorming initieert ofversnelt:- een hoge capillaire porositeit van decementsteen, te wijten aan een hogewater-cementfactor;- een gebrek aan homogeniteit van decementsteen, veroorzaakt door eenonvoldoende menging, zodat op mi-croscopische schaal een differentiatiein zones met hoge en lage water-ce-mentfactor ontstaat;- een netwerk van microscheuren, dateen verhoogde permeabiliteit veroor-zaakt.Een sprekend voorbeeld van de invloedvan de microstructuuris zichtbaarinhetbeton van een rijweg in de buurt vanRotselaar. Bepaalde stroken van dezeweg vertonen een dicht netwerk vanscheuren (fOto 4), bij andere daarentegenis nauwelijks scheurvorming waar-neembaar. Fluorescentie-microscopiebracht aan het licht dat de sterk ge-scheurde zones worden gekenmerktdoor een hoge capillaire porositeit,overeenkomend met een water-ce-mentfactor van ongeveer 0,60. Het be-ton dat slechts een geringe scheuront-wikkeling vertoont heeft een vrij dichtecementsteen, overeenkomend met eenwater-cementfactor van ongeveer 0,45.Een ander voorbeeld werd gevonden inhet inmiddels vernieuwde beton van deautosnelweg E 17 nabij Gent. Hier wa-ren de scheurenvooral sterk ontwikkeldbij de voegen tussen de platen, ter plaat-se van de deuvels. Petrografisch onder-zoek bracht in deze zones een sterk ont-wikkeld netwerk van microscheurenaan het licht, mogelijk te wijten aan dezware dynamische verkeersbelasting.Secundaire opvulling van de scheurenDoor AAR veroorzaakte scheuren kun-nen al ofniet gedeeltelijk zijn opgevuldmet gel. Niet zelden echter bevatten de-ze scheuren materialen gevormd doorCement 1990 nr. 11verwering of door secundaire kristalli-satie (portlandiet, calciet, ettringiet).Vooral ettringiet kan zich sterk ontwik-kelen, zodanig dat het in sommige ge-vallen in volume zelfs het gel overtreftdat door AAR is ontstaan. In een aantalbetonconstructies is het secundaireontstaan van het ettringiet duidelijkmerkbaar door het feit dathetzich heeftgevormd in door AAR ontstane scheu-ren. Onder de microscoop kan het intwee vormen worden waargenomen:- als rJjne naaldachtige kristallen die dewand van scheuren en holten bekle-den;- als een massiefmateriaal bestaande uitlangwerpige ofvezelachtige kristallen,dat de door AAR veroorzaakte scheu-ren opvult, maar zich ook ontwikkeltaan het grensvlak korrels - cement-steen. Dit massief ettringiet heeft ze-ker bijgedragen totde scheurvorming.Hetontstaanvan ettringietkan in de on-derzochte betonconstructies niet wor-den verklaard uit het binnendringenvan sulfaathoudend water. Op basis vanrecent onderzoek zijn echter wel andereinterpretaties mogelijk. Duitse onder-zoekers [7,8] hebben de relatie bestu-deerd tussen expansieve ettringiet-vorming in beton en de warmtebehan-deling die het heeft ondergaan tijdenshet produktieproces. Zij bewezenproefondervindelijk dat een te vroegeverwarming of te hoge temperaturen(boven 65?C) de vorming van secundairettringiet kan veroorzaken. Dit is te wij-ten aan de reactie van calciumsulfaat(zwak gebonden aan calciumsilicaat-hydraten) met tricalciumaluminaat ofmonosulfaat. Dit is de verklaring voorde late, destructieve vorming van et-tringiet in prefab elementen (bijvoor-beeld lichtmasten).Gelijksoortige verschijnselen die zichvoordoen in in het werk gestort betonkunnen op deze wijze echter niet wor-den verklaard. In deze gevallen kan eer-der worden gedacht aan een ontstaanvan etrringiet zoals voorgesteld doorJ0-nes en Poole [9]. Zij verklaren de et-tringietvorming in samenhang metAAR-scheuren uit het rekristalliserenvan een primaire gedispergeerde fasevan het mineraal. Een andere mogelijkeoorzaak, die verder onderzoek verdient,is de aanwezigheid van sulfiden als klei-ne insluitingen in bepaalde kalkstenen.Onderzoeksresultaten uit experi-menteellaboratoriumonderzoekIn opdracht van het Ministerie vanOpenbare Werken, afdeling Bruggen-bureau, werd doorGEOS een systemati-sche studie uitgevoerd met betrekkingCement 1990 nr. 11tot de alkaligevoeligheid van de Belgi-sche toeslagmaterialen.Als materiaal werden monsters zand,grind en steenslag gebruikt uit 31 pro-duktiecentra (groeven en voorradenbaggermateriaal). Om tot een zo goedmogelijke representativiteit te komenwerden de monsters getrokken uit ver-schillende geologische formaties, geo-grafisch gespreid en met inachtnemingvan de belangrijkheid als bevoorra-dingsbron voor de betonindustrie.De toegepaste beproevingsmethodenwerden gekozen uit de methoden diezijn ontwikkeld en uitgetest in landendie reeds geruime tijd met AAR zijn ge-confronteerd (Denemarken, Zuid-Afrika, Canada). Voor de expansieproe-ven werden methoden gekozen waar-mee na een korte tot middellange be-proevingsduur resultaten konden wor-den verwacht en die konden wordenuitgevoerd met een gebruikelijke labo-ratoriumuitrusting.Petrografische controleMet de petrografische onderzoekme-thode werd een eerste schatting verkre-gen van de hoeveelheid potentieel reac-tieve korrels. Natuurzand en tot zandgebroken grind en steenslag werden opslijpplaatjes microscopisch onderzocht.Voor de bepaling van het percentage re-actieve bestanddelen werd gebruik ge-maakt van de mineralogische eigen-schappen, zoals de hoeveelheid chert,chalcedoon, opaal, micro- tot crypto-kristallijn kwarts, maar ook van de po-rositeit van de korrels.Resultaten en commentaar:Bij de petrografische controleis hetvooreen ervaren waarnemer mogelijk dehoeveelheid reactieve materialen bij be-nadering te bepalen, in het bijzonder bijnatuurzand (groeve- of baggerzand).Proefondervindelijk werd bij deze toe-slagmaterialenvastgesteld dat de onder-grens voor de toelaatbare hoeveelheidreactieve korrels op 2% kan worden ge-steld. Bij gebroken rotsgesteenten meteen homogene samenstelling (zand-steen, kalksteen, vulkanische gesteen-ten) is met behulp vande petrografischecontrole weliswaar een indicatie tenaanzien van de potenti?le reactiviteitvan deze materialen te verkrijgen, maargeen nauwkeurige bepaling van de hoe-veelheid reactief materiaal.Expansieprpeven op mortelprisma'sDeze proeven werden uitgevoerd metnatuurzand en grofkorrelige toeslag,gebroken tot een korrelafmeting vanmaximaal 4 mmo De mortelprisma's,met standaardafmetingen 160 x 40 x 40mm3, werden aan beide uiteindenvoor-zien van metalen meetstiften. Wegensde uiteenlopende waterbehoefte van deverschillende zandsoorten werd inplaats van een constante water-cement-factor uitgegaan van een constantevloeibaarheid van de specie. Als cementwerd portlandcementgebruiktmetver-schillende alkaligehalten (uitgedrukt in%NazOeq). Een beperkt aantal proevenwerd uitgevoerd met hoogovencementvan het type HL30 (meer dan 60% hoog-ovenslak) en eenvliegascement (vervan-ging van 25% klinker door vliegas).Twee methoden, bekend als versneldeexpansieproeven, werden proefonder-vindelijk vergeleken: de Deense testontwikkeld door Chatterji [10] en deZuidafrikaanse testvolgens Oberholsteren Davies [11]. Bij de methode volgensChatterji worden de mortelprisma's bijeen ouderdom van 28 dagen in een ver-zadigde NaCI-oplossing van 50 ?C ge-dompeld. Hun lengte wordt wekelijksgedurende 25 weken gemeten.Bij de methode volgens Oberholster-Davies begint de proefmet prisma's van24 uur oud. De proefstukken wordengedurende 24 uur inwatervan 80 ?C be-waard. Na een eerste meting worden zeovergebracht in een NaOH.1N-oplos-sing bij 80 oe. Hun lengte wordt dage-lijks gemeten gedurende 25 dagen. Bijeen lengtetoename van 0,1 % of meerwordt het materiaal als reactief be-schouwd.Resultaten en commentaar:1. De methode Chatterji gaf resultatendie in overeenstemming zijn met voor-afgaande petrografische controles vannatuurzand en grind die silex en chertals reactief materiaal bevatten. Eenproef uitgevoerd volgens de methodeOberholster-Davies op hetzelfde soorttoeslagmateriaal gaf minder of hele-maal geen expansie. Bovendien werdmeermalen een sterke uitwendige aan-tasting van de proefstukken geconsta-teerd, terwijl er intern geen scheurenwaarneembaar waren. Gebroken reac-tief rotsmateriaal daarentegen reageer-de beter op de methode Oberholster-Davies. Enkele resultaten van expansie-proeven zijn weergegeven in de figuren6,7 en 8.Deze waarnemingen leiden tot de con-clusie dat de te kiezen beproevingsme-thode afhankelijk is van het soort toe-slagmateriaal. Een voorafgaand petro-grafisch onderzoek kan bij deze keuzehelpen.2. Aan de hand van de mortelexpansie-proeven en de petrografische controles23IAANTASTINGIMATERIALEN,0.20.2*ei*>< eil1.l0.1 ~0.10 :cr:=::::::: : ! cl r=::::= ':::;: I I .-::c::=:. 0 - --0.1 -0.10 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24weken weken__ P40(0.72) ~ P40(OA3) __ P40(1.25) __ P40(0.72)0.2* 0.2ei>< ~l1.l0.1 ci.>