O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSchade58 cement 2007 8S c h a d e d o o r A S R i nc o n s t r u c t i e sWanneer in een constructie eenexpansieve ASR is opgetreden, isdat veelal herkenbaar aan de intabel 1 weergegeven kenmerken.Deze tabel wordt door de Bouw-dienst Rijkswaterstaat gebruikt alsleidraad om in constructies ASRte constateren. Wanneer enkele totmeerdere van deze kenmerkenworden geconstateerd, kan ersprake zijn van ASR. Wel moet inacht worden genomen dat diversevan genoemde kenmerken ookkunnen optreden door andere oor-zaken. Pop-outs kunnen bijvoor-beeld ook optreden door gebrek-kige vorstbestandheid vantoeslagmaterialen. Voor indirectegevolgen als scheefstanden en ver-vormingen geldt natuurlijk des temeer dat die door een veelheidaan factoren kunnen worden ver-oorzaakt.Visuele kenmerken van ASR inconstructies uiten zich vaak pasna jaren doordat ASR een lang-zaam voortschrijdend proces is ener in veel betonsoorten initieelnog voldoende pori?nruimte voorde gel aanwezig is zonder dat dezegrote druk uitoefent op het beton.Wapening kan een sterke invloedhebben op het scheurpatroon datontstaat. Doordat expansie in derichting van de wapening wordttegengegaan, zal deze vooral lood-recht op de wapening optreden enloopt de scheurontwikkelingvooral parallel aan de wapeningen niet in een willekeurig patroon(fig. 2).C h e m i s c h e r e a c t i eASR is een chemisch proces inbeton, waarbij alkali?n, meestalvoornamelijk afkomstig uitcement, reageren met silica uithet toeslagmateriaal. Deze reactieproduceert een gel, die in combi-natie met water expandeert en kanleiden tot schade aan het beton.De drie benodigde elementen dieleiden tot ASR zijn dus:? alkali?n, in water opgelost in depori?n van het beton, voorna-melijk afkomstig uit cement;? silica, afkomstig uit het toeslag-materiaal;? hoog vochtgehalte.De eerste twee elementen zijn dereagerende elementen, die alsreactieproduct een gel hebben diezich in de pori?n van het betonbevindt. Zonder het derdeelement, het water, zal er echtergeen ernstige schade aan hetbeton worden aangericht.Wanneer er wel water bij deAlkali-silicareactie, zoektochtnaar het mechanismeTabel 1 | Visuele kenmerken van ASR (bron: bouwdienst Rijkswaterstaat)nr. Kenmerk1a aanlopende of dichte voegen ten gevolge van uitzetting of vervorming1b ongewone scheefstand van opleggingen1c verschuiving van vlakken die in elkaars verlengde zouden moeten liggen1d ongewone krommingen / scheefstand2a scheurvorming: craquel?patroon / landkaartenpatroon2b scheur door uitzetting van beton, mogelijk evenwijdig aan hoofdwapening2c locatie van scheuren lijkt te corresponderen met aanwezig vocht2d betonreparatieplekken of ge?njecteerde scheuren zijn toch opnieuw gescheurd2e scheurvorming is pas na jaren ontstaan, scheur loopt door toeslagkorrels heen2 overige kenmerken van scheurvorming ten gevolge van ASR3a afscheiding van een witte, glasachtige gel in scheuren (foto 1)3b de afscheiding is zacht en kan met een scherp voorwerp worden ingedrukt3c gel is aan oppervlak ingedroogd, mogelijk in druipsteenvorm3 overige kenmerken en gevolgen die samenhangen met ASR-gel4 afgedrukte stukken beton (pop-outs) die het gevolg zijn van ASR5 overige kenmerken van ASR (bijv. met betrekking tot bezwijken van constructie)dr.ir. E. Schlangen en dr. O. ?opurog^lu, TU Delft, fac. CiTG / MicrolabAlkali-silicareactie (ASR) is een fenomeen dat optreedt in beton op hogereleeftijd. Door ASR wordt een gel gevormd die zwelt en het beton intern aan-tast. Is het proces eenmaal begonnen, dan is het moeilijk onder controle tekrijgen en kan het een betonconstructie zodanig aantasten dat slopen deenige oplossing is. Het is bekend waardoor ASR ontstaat en hoe het is te voor-komen. In oudere constructies is het echter niet meer te voorkomen en dienende gevolgen te worden ingeschat. Met het oog op nog te bouwen constructieskan het in sommige gevallen nuttig zijn het mechanisme, de mechanica in hetmateriaal, te begrijpen. In het Microlab wordt momenteel met een combina-tie van experimenteel onderzoek en numeriek modelleren deze materiaalme-chanica onderzocht.1 |Scheurvorming en over-matige gel-uitbloeiing invergevorderd stadiumvan ASR bij sluizencom-plex in Noord-HollandO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSchad ecement 2007 8 59reactie wordt betrokken, zal de geldit water opnemen en daardoorsterk uitzetten. Indien er in hetbeton niet genoeg ruimte aanwe-zig is, kan deze expansie leidentot scheuren in het beton metsoms ernstige gevolgen, zoalssterkte- en stijfheidreducties.V o o r k o m e n v a n s c h a d eIn 1994 is CUR-Aanbeveling 38verschenen, waarmee zou moetenworden voorkomen dat ASR inbeton optreedt. De basis van demaatregelen bestond hieruit, datminimaal ??n van de drie contri-buerende factoren voor expansieveASR zou worden weggenomen.Deze factoren zijn:? er moeten voldoende alkali?n inhet beton beschikbaar zijn;? er moet blijvend of periodiekvoldoende vocht in het betonaanwezig zijn;? het gehalte aan reactievebestanddelen moet in het kri-tisch gebied liggen.In de in 2002 verschenen CUR-Aanbeveling 89 is een stroom-schema opgenomen dat moetworden gevolgd om te voorkomendat in nieuw te bouwen construc-ties schadelijke ASR zal optreden.Het principe houdt in dat er eentoets plaatsheeft voor de milieu-klasse waarin de constructie wordttoegepast, het alkaligehalte vanhet cement en het type toeslagma-teriaal. Tevens is een testmethodeopgenomen met een zeer ver-snelde mortelbalkexpansietest(UAMBT), om te beoordelen of decombinatie cement-toeslag-milieu-klasse aanleiding geeft tot schade-lijk ASR.W a a r o m d a n v e r d e ro n d e r z o e k ?De toetsing in de CUR-Aanbeve-ling kan er dus toe leiden datbepaalde toeslagmaterialen incombinatie met bepaalde cement-soorten in een bepaalde milieu-klasse niet mogen worden toege-past. Op zich geen probleem,zeker niet in Nederland, omdat bijtoepassing van CEM III (hoog-ovencement) er meestal geen pro-blemen zijn. Maar in anderelanden is dat anders, daar wordtvoor het overgrote deel CEM I(portlandcement) gebruikt en isreactief toeslagmateriaal veelal hetenige alternatief. Het begrijpenvan de materiaalmechanica en hetkarakteriseren van de materiaalei-genschappen die van invloed zijnop de reactie, het ontstaan enzwellen van de gel en het cre?renvan scheuren in het materiaal,kunnen dan helpen om schade tevoorkomen door een slim ontwerpvan constructie en materiaal.Ook is het belangrijk om vooroudere constructies, waarin depotentie voor het ontstaan vanab2 |Scheurontwikkelingafhankelijk van verhinde-ring van vervormingendoor wapeninga. alleen onderwapeningb. gelijke onder- enbovenwapening3 |Ingescande en binairemateriaalstructuur vanbeton met grove korrels(M1) en beton met fijntoeslag (M2)M1M2O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSchade60 cement 2007 8ASR aanwezig is of waar hetproces reeds is begonnen, tekunnen inschatten hoe de schadezich in de toekomst zal ontwik-ken. Hierdoor kan worden inge-schat hoe de draagkracht endaarmee de veiligheid van de con-structie in de toekomst zalafnemen.M e c h a n i s c h m o d e lOm het mechanisch gedrag vanmaterialen te bestuderen, ishiertoe in het Microlab een modelontwikkeld. De eerste toepassingvan dit zogenoemde lattice-modelwas het bestuderen van hetscheurgedrag van beton onder uit-wendige belasting. Hiertoe wordteen zeer fijn netwerk (lattice) vankleine balkelementjes gemaakt,die normaalkrachten, dwarskrach-ten en buigende momentenkunnen overbrengen. De balkjeszijn in de knopen stijf verbonden.Op dit netwerk wordt een materi-aalstructuur van bijvoorbeeldbeton geprojecteerd. Dit kan meteen ingescand plaatje of met eengegenereerde materiaalstructuur(fig. 3). Balkjes die in de verschil-lende zones (cementmatrix, toe-slagkorrel, grensvlak tussen beide)van het materiaal vallen, krijgeneigenschappen die corresponde-ren met de eigenschappen van diezone. Vervolgens wordt het latticebelast met een externe vervormingof belasting en kan de resulte-rende spanning in elk balkjeworden berekend. Het balkje metde hoogste spanning (relatief totzijn eigen sterkte) wordt uit hetlattice verwijderd en op die plaatswordt dus een scheur gecre?erd.Daarna wordt het lattice weerbelast en wordt het volgendebalkje verwijderd. Dit proceswordt herhaald totdat het gehelelattice is doorgescheurd en hetmateriaal is bezweken. Ditsimpele model heeft in hetero-gene materialen zeer realistischescheurpatronen opgeleverd enheeft een enorme bijdrage gele-verd aan het verklaren van scheur-mechanismen.Hetzelfde model wordt nu voorhet onderzoek aan ASR toegepast,zij het na enkele aanpassingen. Eris nu immers geen externe belas-ting aanwezig, maar de belastingzit in het materiaal zelf, namelijkde uitzetting van de gel die bij dereactie wordt gevormd. Waarprecies deze gel wordt gevormd, isnog een beetje de vraag: in de toe-slagkorrels, precies op de over-gang korrel-cementmatrix - de`Interfacial Transition Zone' (ITZ)- of in de cementmatrix? Hetmodel biedt verschillende moge-lijkheden om hiermee te spelen,namelijk de korrels laten uitzet-ten, alleen de ITZ of gedeeltes vande cementmatrix laten zwellen. Inde figuren 4 en 5 zijn hiervanenkele voorbeelden gegeven. Hieris in twee betonsoorten het ont-staan van scheuren door ASR00,00200,00150,00100,00050,00250,00300 0,00005 0,0001 0,00015 0,0002totale uitzettinglokaleuitzettingM1_ITZM1_ITZ+crackM1_particleM2_ITZM2_ITZ+crackM2_particle4 |Berekende vervormingenvan beton met grof (M1)en fijn (M2) toeslag metverschillende zwel-mechanismen5 |Berekende scheurpatro-nen in beton met grof(M1) en fijn (M2) toeslagmet verschillende zwel-mechanismenM1M2O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSchad ecement 2007 8 61onderzocht. Beton M1 is eenmateriaal met alleen grote korrels,beton M2 met enkele grote, maarvoornamelijk kleine korrels. Hetvolume aan korrels is echter inbeide materialen gelijk gehouden.Deze totale uitzetting is aangege-ven in figuur 4. De verticale asgeeft de lokale uitzetting. Dit is deopgelegde uitzetting in de simula-tie, hetgeen overeenkomt met eenbepaalde hoeveelheid reactie inhet materiaal of een bepaalde hoe-veelheid geproduceerde gel. Ookkan deze as eventueel wordengezien als een tijdas. Bij eenbepaalde lokale uitzetting is ver-volgens de totale uitzetting in hetmateriaal (op de horizontale as)uitgerekend.Uit de simulaties aan deze mate-rialen blijkt dat bij beton M1(alleen grote korrels) bij dezelfdeopgelegde uitzetting een veel klei-nere totale uitzetting wordtgemeten en ook veel minderscheuren dan in beton M2 (voor-namelijk kleine korrels) voorko-men indien de uitzetting van degel voornamelijk in de ITZ wordtgeconcentreerd.V e r i f i c a t i e m e t m e t i n g e nHet toepassen van simulatiesgeeft veel inzicht. Maar of het ookrealistisch is, kan alleen maarworden beoordeeld als deze resul-taten worden vergeleken metexperimenten. Hiervoor zijn ver-snelde testen ontwikkeld. Zoalsreeds vermeld, is ASR een procesdat zeer traag verloopt. Het kanwel twintig jaar duren voordatscheuren zichtbaar worden. Doorproefstukjes van beton in een 1MNaOH-oplossing bij 80 ?C te plaat-sen, wordt de reactie versneld enzijn de resultaten reeds na eenweek zichtbaar. De totale uitzet-ting van de proefstukjes kanworden gemeten en hiermeekunnen de resultaten van desimulaties worden vergeleken.Tevens kunnen in de proefstukjesinterne scheuren zichtbaarworden gemaakt (foto 6). Evenalsbij de voorspellingen met hetmodel blijkt ook het echte materi-aal beton M2 veel meer scheurente bevatten en ook een grotere uit-zetting te vertonen.Foto 6 toont een detailopname vanhet gescheurde materiaal,gemaakt met een elektronenmi-croscoop (ESEM). Zichtbaar is eenmet gel gevulde scheur, die groeitin de cementmatrix vanuit eengrindkorrel die rechts onderin hetplaatje te herkennen is. Met ditsoort opnames is het mogelijk teanalyseren waar de scheur loopten waaruit de gel bestaat die in descheur aanwezig is.E x p e r i m e n t e l e b e p a l i n gv a n i n v o e r p a r a m e t e r sIn het model wordt dus een uit-zetting van bepaalde delen aange-nomen om de zwelling van de gelte introduceren. Hiertoe is hetechter nodig te weten hoeveel degel uitzet en welke krachten dezeuitoefent op het materiaal en opafstandsmeterrvs-framespanningsmeterverwarmingthermokoppelpastapastapastatoeslag1M NaOH, 80 ?Ctoeslagtoeslagmetalen platenreactiegrensvlakmaloliegefixeerd6 |Scheurvorming in en rond toeslag engelvorming in scheur7-8 | Schematische weerga-ve en foto's van opstel-ling om zwelkrachten temeten in grensvlak toe-slag-matrixO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSchade62 cement 2007 8de scheurwanden. Ook hier geldthet kip en het ei verhaal: watgebeurt er eerst? Zal misschieneerst de toeslagkorrel uitzetten enscheuren cre?ren, waarna degevormde gel deze scheuren kanvullen? Of zal misschien de geleen klein scheurtje maken, vervol-gens in de scheur dringen en eenzodanige kracht in de scheur uit-oefenen, dat deze verder groeit?Dit wordt momenteel in een spe-ciaal hiervoor ontworpen opstel-ling onderzocht (fig. 7, foto 8).Een klein proefstukje (ca. 10 x 10x 20 mm3), dat voor de helftbestaat uit een toeslagkorrel envoor de helft uit cementmatrix,wordt in een miniatuur trekbankjegeplaatst, ook weer in een oplos-sing van 1M NaOH bij 80 ?C. Inhet proefstukje is als het wareslechts 1 ITZ tussen korrel enmatrix aanwezig. Met het trek-bankje kan vervolgens wordengemeten wat de vrije zwelling isvan deze ITZ. Maar het is ookmogelijk de vervorming te verhin-deren en daarmee de kracht temeten die wordt geleverd door deuitzettende gel. Voorbeelden vaneen gemeten vrije vervorming eneen gemeten kracht (bij verhin-derde vervorming) zijn weergege-ven in figuur 9. Met deze methodeworden de inputparameters voorhet model verkregen.Ook bij deze proeven wordt weerin detail gekeken naar de hoeveel-heid en soort gel die op het grens-vlak wordt gevormd. Een opnamehiervan is te zien in foto 10. Degevormde gel is zichtbaar als deverticale band in het midden vanhet plaatje. De toeslagkorrel islinks hiervan en de cementmatrixrechts.T e n s l o t t eDe eerste resultaten van hetonderzoek zien er zeer hoopge-vend uit. Met het model lijkt hetalsof de werkelijkheid redelijk kanworden benaderd. De proefopstel-ling voor het bepalen van deinvoerparameters vertoont nogenkele kinderziekten, maar dezeworden naar verwachting snelopgelost. De vervolgstap is ommet deze opstelling het gedragvan verschillende soorten toeslag-materiaal in combinatie met ver-schillende typen cement te gaantesten. Als dan de mechanica vande basismechanismen duidelijk is,kan ook het beton zodanig wordenontworpen dat er geen schademeer ontstaat door ASR, waarbijdan ook reactief toeslagmateriaalkan worden gebruikt. Ook hierbijis het namelijk een kwestie vanactie en reactie, waarbij de zwel-lende gel de actiekracht levert. Eris weer sprake van een goed mate-riaal als de cementmatrix eenzodanige reactiekracht kan leverendat de matrix niet scheurt en hetbeton dus niet stuk gaat, of dat descheuren die ontstaan eventueeldoor toevoeging van vezels heelklein blijven en de ASR zich nietverder kan ontwikkelen.Het project wordt gefinancierddoor Delft Cluster. In het projectwordt tevens samengewerkt meten is financi?le steun ontvangenvan INTRON B.V. en Ecoles desMines de Douai, Frankrijk. n0402060800 24 48 72 96 120 144 168 1920 24 48 72 96 120 144 168 192tijd (uur)gemetenvrijezwelling-160-80-100-120-140-60-40-200tijd (uur)gemetenkracht9 |Gemeten vrije zwelling(boven) van en gemetenkracht (onder) in grens-vlak toeslag-matrix10 | ESEM-opname van ASR-gel gevormd in grensvlak toeslag-matrix