Lapszámok

Már közel egy évszázada ismert, hogy bizonyos beton adalékanyagok és az oldott alkáliák között lassan, akár évtizedekig észrevétlenül lezajló kémiai folyamatok eredményeként a betonszerkezet menthetetlenül tönkremehet. Az alábbiakban a reakció folyamatát, előidéző körülményeit és vizsgálati módszereit mutatjuk be.

Az alkáli-szilikát reakció folyamata

A repedezettséget okozó tönkremeneteli folyamatot kezdetben nem tudták megkülönböztetni a beton normális szilárdulása során tapasztalható jelenségektől. A kémiai reakció alapjait csak az ’50-es években kezdték el feltárni részleteiben (Powers – Steinour, 1955), de még napjainkban is kutatják és pontosítják a folyamatot.

1. kép - ASR okozta repedések (forrás: petrol.co.uk)

Az általánosan elfogadott definíció szerint az alkáli-szilikát reakciót (ASR) a beton pórusvizében oldott, ionos állapotban lévő alkálifém-hidroxidok és a beton adalékanyagában jelenlévő reaktív szilikát, illetve SiO2-fázisok közötti térfogatnövekedéssel járó komplex kémiai reakciók okozzák, amennyiben kritikus mennyiségű reaktív ásványfázis, effektíven magas alkáliakoncentráció és a reakció szempontjából hatékony vízmennyiség egyidejűleg van jelen. A térfogatnövekedés olyan mértékű nyomást okozhat, amely megrepesztheti magát a szemcsét és az azt körbevevő cementkövet is (1. kép). Több ilyen szemcséből kiinduló repedés pedig olyan hálózatot képes alkotni, amely az egész betonszerkezet tönkremenetelét okozhatja (2. kép).

2. kép - Jellegzetes hálós repedéskép (forrás: Werner et al. 2015)

Újabb kutatások (Bažant – Steffens, 2000, Ichikawa - Miura, 2007, Rajabipour et al., 2015) szerint a kovasavgél repesztőhatását tovább növeli, hogy a kovasavgél határfelületén Ca2+-felvétellel egy szilárd, nem duzzadó, félig áteresztő alkáli-kalcium-hidrát-réteg jön létre, amely nagyobb mértékig tartja meg és hagyja növekedni a kovasav-gél duzzadásából származó nyomást. A repedések megjelenése tovább gyorsíthatja a tönkremenetelt, mivel így megnő a beton vízfelvétele és ezzel az alkáliák migrációja, valamint a szemcsében lévő repedésekkel újabb reakcióképes felületek nyílnak meg.

A fent leírt ASR-folyamat elsősorban amorf és mikrokristályos szilícium-dioxid-fázisokat tartalmazó kőzetek esetén léphet fel (pl. opál, kalcedon, kőzetüveg), de sajátos szerkezetű kristályos SiO2 is okozhat problémát (feszített kvarc, kataklázos kvarc, mirmekit, krisztobalit, tridimit). A mikrokristályos, kriptokristályos szilikátásványok gyakorlatilag bármilyen kőzettípusban jelen lehetnek, vagy akár utólagos átalakulási folyamatok, cementáció révén is kialakulhatnak. Az üledékes kőzeteket világszerte alkalmazzák betonokban adalékanyagként, és ezekkel kapcsolatban dokumentálták a legtöbb ASR okozta károsodást. Ilyen kőzettípusok a grauvakke, a kovás mészkő, tűzköves/szaruköves üledékek, amelyek azért is jelentenek nagyobb kockázatot, mert porózus jellegükből adódóan a beton pórusvizével közvetlenül és nagy felületen tudnak érintkezésbe lépni az eleve reaktív szilícium-dioxidot tartalmazó lazábban cementált törmelékes szemcsék. Az amorf kőzetüveg vagy kriptokristályos SiO2 jellemzően vulkáni kiömlési folyamatok során képződik, mivel ekkor a gyors hőmérsékletcsökkenés miatt nem tud a szilikátolvadék teljes tömegében kikristályosodni. A mélységi magmás kőzetek, melyek szilikátásványai jól fejlett kristályok, már sokkal kevésbé vannak kitéve az ASR veszélyének. Az átkristályosodott vagy metamorfózison átesett kőzet-anyagban a kristályos szilikát ásványokban, de a kvarcban is kialakulhatnak olyan rácsfeszültségek, torzulások, melyek potenciálisan megnövelhetik az ASR-folyamatok kialakulásának valószínűségét, valamint mikrokristályos (<100 µm) vagy kriptokristályos (<10 µm) fázisok is létrejöhetnek.

Előzetesen egy kőzettípusról sem jelenthető ki, hogy ASR szempontjából kockázatos, ezért mindenképpen szükséges a felhasználás előtti vizsgálata. Egy nemzetközi együttműködés keretében a RILEM Technical Committee 1988 óta foglalkozik ennek a káros jelenségnek a kutatásával, és a több évtizedes munka eredményeként 2016-ban jelentetett meg egy átfogó tanulmányt (RILEM 2016), valamint egy petrográfiai atlaszt az ASR okozta betonkárosodás okainak feltárására, megelőzésére és vizsgálati módszereire vonatkozóan, melyhez a PARTNER Project keretében európai CEN-tagállamok is csatlakoztak.

A jelenleg érvényben lévő, európai beton termékszabvány (MSZ EN 206:2013+A1:2017) ajánlása szerint az adalékanyagok ASR érzékenységének értékelésére a CEN/TR 16349:2012 az irányadó, melynek kidolgozásakor figyelembe vették a RILEM által kidolgozott irányelveket (RILEM TC ACS AAR-7.1).

Magyarországon jelenleg nincs érvényben lévő vizsgálati szabvány. A beton adalékanyagokra vonatkozó MSZ EN 12620:2002+A1:2008 termékszabvány is csak az ASR-re vonatkozó útmutatásokat tartalmazza. Ugyanakkor elterjedt az Egyesült Államok ASTM C289:2007 (2016- ban visszavont) szabvány szerinti minősítő vizsgálata, holott a legtöbb országban ezt a kémiai módszert csak kiegészítésként alkalmazzák. A szakma régóta szorgalmazza más vizsgálati módszerek bevezetését, úgymint a német Alkali-Richtlinie des DAfStb, vagy az NBRI (National Building Research Institute) gyors habarcshasábos vizsgálati eljárását. Nemzeti szabványként angol nyelven elérhető a 1901:2000-es számú CEN Report, mely a Regionális előírások és ajánlások a beton alkáli-kovasav-reakció okozta károsodásának elkerülésére címet kapta. Ez az ajánlás alaposan körbejárja az európai országokban 1995-ig tett erőfeszítéseket az ASR témakörében, egységes vizsgálati metódusra azonban nem tesz javaslatot, inkább azt hangsúlyozza, hogy a károsodás kialakulásának okai a regionális geológiai és klimatikus viszonyok egyedi kombinációja miatt a megelőzési és vizsgálati módszerek országonként eltérők.

Vizsgálati módszerek

A legtöbb országban az ún. habarcshasáb módszert (ASTM C227), vagy annak gyorsított verzióját (ASTM C1260) alkalmazzák, kiegészítve a kémiai módszerrel, illetve több helyen előzetes petrográfiai vizsgálatokat (kőzettani vékonycsiszolatok vizsgálata polarizációs mikroszkóppal) is alkalmaznak.

A Cemkut Kft. hosszú évek óta használja a kémiai vizsgálati módszert, de néhány kétséges adalékanyag miatt szükségessé vált a valós folyamatot jobban szimulálni képes habarcshasáb módszer gyorsított verziójának igénybevétele is.

A módszerek megegyeznek abban – és ez a fő hátrányuk is –, hogy egy potenciálisan csak évek-évtizedek alatt lezajló káros folyamatot kíván a piaci elvárásoknak megfelelően felgyorsítani. A kémiai módszer esetén ez az idő 2 nap, míg a habarcshasáb módszernél ez 16 nap. A vizsgálati eredmény minden esetben legalább két mintán végzett vizsgálatok egyedi eredményeinek átlagaiból számolt értékek, és kétséges kimenetel esetén indokolt az ismételt vizsgálat.

A reakció sebességét az alábbi tényezők megváltoztatásával lehet növelni:

• megnövelt alkáliakoncentráció
• magasabb hőmérséklet
• magasabb páratartalom és vízutánpótlás
• magasabb nyomás
• az adalékanyag felületének megnövelése
• az átjárható porozitás növelése.

A leggyakrabban az első három tényezővel gyorsítják a reakciósebességet, amely alkáliadús, magas hőmérsékletű víztelítést jelent.

A kémiai vizsgálat (ASTM C289 viszszavont szabvány) során a porított adalékanyagból 24 óra alatt 80 °C hőmérsékletű és 1M NaOH-koncentrációjú oldatba kioldódó szilikát mennyiségét és az oldat alkalinitás-csökkenését mérjük. A két értéket a szabványban meghatározott diagramon jelölve leolvasható, hogy az adalékanyag káros, potenciálisan káros, vagy elhanyagolható mértékű ASR jelenséget mutat. A módszer előnye, hogy gyorsan elvégezhető, hátránya ugyanakkor, hogy a reakció kimenetelét, a kioldott szilícium mennyiségét erősen befolyásolják az olyan mérési körülmények, mint a reakcióedény fajhője, vagy a 150–300 µm közötti frakció szemeloszlása.

3. kép - ASTM C1260 szerinti vizsgálat során tönkrement próbatest (forrás: CEMKUT Kft.)

A gyorsított habarcshasáb módszer (ASTM C1260) esetén az adalékanyag nem közvetlen kerül az alkáliadús közegbe, hanem az abból alkotott habarcshasábot merítjük 14 napra a szintén 80 °C hőmérsékletű és 1M koncentrációjú NaOH-oldatba és az esetlegesen bekövetkező ASR okozta duzzadást mérjük mint hosszváltozást. A módszer előnye, hogy az adalékanyagszemcsék környezete jobban megfelel a valós felhasználás szerinti körülményeknek, illetve hogy a reakció nincs a végletekig felgyorsítva, viszont a káros folyamat mértéke kimutatható (3. kép). Ugyanakkor ennél a módszernél, akárcsak a kémiai módszer esetében, az eredménynek három kimenetele van, vagyis van egy köztes, bizonytalan kategória. Bár többféle habarcsmódszer is létezik, ezek vizsgálati ideje sokkal hosszabb, akár egy évig is eltarthat, ezért ezeket leginkább a károsodás okozta gazdasági károk mértékével arányosan a problémával súlyosabban érintett országokban (Dánia, Izland, Svédország, Németország) alkalmazzák. Ezért is indokolt a valós felhasználás szerinti körülményeknek jobban megfelelő és már rutinszerűen alkalmazott gyorsított habarcsmódszer bevezetése, kiegészítve a leggyorsabban elvégezhető kémiai teszttel.

Bár hazánkban az ASR-érzékeny adalékanyagok és erre az okra visszavezetett károk nem jellemzők (Révay, 1996), a folyamat lappangó jellege miatt mégis érdemes előzetes vizsgálatokkal minősíteni az adalékanyagokat, különösen a 100 évre tervezett betonszerkezetek esetén.

Irodalom:

Bažant, Z.P. - Steffens, A. (2000): Mathematical model for kinetics of alkali–silica reaction in concrete, Cem. Concr. Res. 30 pp. 419–428.

FHWA – Federal Highway Administration (2013): Methods for Evaluating and Treating ASR-Affected Structures: Results of Field Application and Demonstration Projects, U.S. Department of Transportation, p. 80

Ichikawa T., Miura M. (2007): Modified model of alkali-silica reaction- Cement and Concrete Research 37 pp. 1291–1297

Jana D. (2008): DEP and ASR in concrete - A systematic approach from petrography – Proceedings of the 13th Conference on cement microscopy p. 18

Powers T.C. – Steinour H.H. (1955): An interpretation of some published researches on the alkali–aggregate reaction. Part 1 – the chemical reactions and mechanism of expansion. Journal of the American Concrete Institute, Proceedings 51(2), pp. 497–516.

Révay M. (1996): Az adalék-alkáli reakció, az adalék-alkáli korrózió valószínűsége hazánkban. Betonszerkezetek tartóssága. Konferencia kiadvány. Műegyetem, pp. 187- 198

RILEM (2016): Alkali Aggregate Reaction in Concrete Structures: International Specification to Minimise Damage from Alkali Reactions in Concrete: Part 1 Alkali-Silica Reaction, Springer, pp. 131-147

Werner D. – Gardei A. – Simon S. (2015): Microscopic investigation of building materials affected by alkali-silica reaction - 15th Euroseminar on Microscopy Applied to Building Materials pp. 183-190