10 Konopska-Piechurska M i inni Reaktywnosc alkaliczna kruszyw jako czynnik zagrazajacy trwalosci konstrukcji ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
XXVI
Konferencja
Naukowo-Techniczna
AWARIE BUDOWLANE 2013
M
AŁGORZTA
K
ONOPSKA
-P
IECHURSKA
,
malgorzata.konopska-piechurska@tpaqi.com
TPA Instytut Badań Technicznych Sp. z o.o.
W
IOLETTA
J
ACKIEWICZ
-R
EK
,
w.jackiewicz-rek@il.pw.edu.pl
Politechnika Warszawska
REAKTYWNOŚĆ ALKALICZNA KRUSZYW
JAKO CZYNNIK ZAGRAŻAJĄCY TRWAŁOŚCI
KONSTRUKCJI BETONOWYCH W POLSCE
ALKALINE AGGREGATES REACTIVITY AS THE HAZARDOUS FACTOR
ON CONCRETE STRUCTURES DURABILITY IN POLAND
Streszczenie
W artykule podjęto rozważania dotyczące reaktywności alkalicznej kruszyw, będącej jed-
nym z czynników, mogącym zagrażać trwałości konstrukcji betonowych w Polsce. Przeanalizowano
warunki w jakich zachodzi reakcja alkaliczna kruszywa oraz metody oceny i badania tego zjawiska.
Szczególną uwagę zwrócono na zapisy zabezpieczające przed korozją alkaliczną betonu w Specyfika-
cjach Technicznych oraz wskazano trudności, wątpliwości i problemy związane z zagadnieniem reakty-
wności alkalicznej kruszyw w Polsce.
Abstract
The article elaborates the alkali aggregate reactivity is one of the factors that could be hazardous
factor on concrete structures in Poland. The conditions, methods of evaluation and testing of alkaline
aggregate reactivity were analyzed. Particular attention was given to concrete protection against alkaline
corrosion in the Technical Specifications and problems associated with alkali aggregate reactivity
in Poland.
1. Wstęp
Problem reaktywności alkalicznej kruszyw jest kontrowersyjny, a zarazem trudny do zde-
finiowania w warunkach polskich. Czy sam fakt, iż w ostatnich latach nie zdiagnozowano
spektakularnych przypadków uszkodzeń, czy destrukcji konstrukcji z betonu w wyniku nisz-
czącej reakcji alkalia-kruszywo, świadczy o tym, że problem nie dotyczy Polski? Czy wynika
z tego, że wszystkie kruszywa w Polsce są niereaktywne? Czy w Polsce bada się potencjalną
reaktywność kruszyw, a jeśli tak, to czy badania te są miarodajne? Czy w końcu, w specyfika-
cjach betonu pojawiają się odpowiednie zapisy chroniące konstrukcje, szczególnie narażone,
przed możliwością destrukcji w wyniku reakcji alkalicznej kruszyw i kiedy zaostrzone wyma-
ganie nie są przesadzone?
Niejednokrotnie w betonie obserwujemy występowanie skutków działania różnych koro-
zyjnych mechanizmów równocześnie i ich niekorzystnego synergicznego współdziałania [1].
Trudność stanowi wtedy wskazanie jednej, właściwej przyczyny. Bowiem te same przyczyny
mogą powodować różnego rodzaju uszkodzenia, a częściej odwrotnie – te same objawy mogą
być wynikiem różnych oddziaływań [1]. Ważne jest, aby już na etapie projektowania konstru-
kcji z betonu odpowiednio przewidzieć wszystkie możliwe skutki jego ekspozycji, a tym
samym zabezpieczyć konstrukcję przed korozją, również przed reakcjami alkalicznymi
834
Konopska-Piechurska M. i in.: Reaktywność alkaliczna kruszyw jako czynnik zagrażający…
kruszywa, tam gdzie jest to niezbędne, bo przecież „wszystkie kruszywa reagują z alkaliami;
różnią się tylko rodzajem reakcji, szybkością jej przebiegu i stopniem przemiany” [2].
Autorki referatu, podczas jego opracowywania napotkały na szereg wątpliwości, które
wynikają z praktyki inżynierskiej w podjętym zakresie tematycznym. Referat jest próbą usys-
tematyzowania najważniejszych problemów technologicznych dotyczących specyfikowania
wymaganych cech składników betonu przeznaczonego do konstrukcji szczególnie narażonych
na reakcję alkalia-kruszywo (tj. nawierzchni, oczyszczalni ścieków, mostów itp.), badania
reaktywności alkalicznej kruszyw oraz identyfikacji skutków korozji wywołanej reakcją alka-
lia-kruszywo.
2. Warunki reakcji alkalicznej kruszywa
Reakcje alkaliczne kruszywa (z ang.
AAR, Alkali Aggregate Reaction
) zachodzą pomiędzy
składnikami betonu, a ich skutkiem jest pęcznienie reagującego kruszywa. Niektóre rodzaje
krzemionki koloidalnej (reaktywna krzemionka) reagują z alkaliami zawartymi w cemencie
i tworzą żel wokół ziaren kruszywa [1]. Żel ten pęcznieje pod wpływem wilgoci, co prowadzi
do powstania naprężeń powodujących zarysowania betonu (rys. 1). Wiele rys spowodowanych
przez reakcję w betonie przechodzi przez pojedyncze ziarna kruszywa, ale też przez otaczający
je zhydratyzowany zaczyn cementowy [3]. Zjawisku często towarzyszy pojawienie się
wykwitów i nacieków na powierzchni betonu. Reakcje te zwykle nie są główną przyczyną
zniszczenia struktury, jednakże znacznie zmniejszają trwałość betonu w wyniku zarysowań
sprzyjających karbonatyzacji, czy korozji chlorkowej powodującej korozję zbrojenia.
Rys. 1. Schemat mechanizmu niszczenia betonu na skutek reakcji alkalicznej kruszywa wg Autorek
AAR najczęściej diagnozowana jest w betonach z kruszywem krzemionkowym (reakcje
alkalia-krzemionka, z ang.
ASR
) lub z kruszywem węglanowym (reakcja alkalia-węglany,
z ang.
ACR
), a nieprzestrzeganie odpowiednich środków ostrożności może doprowadzić
do stopniowego niszczenia, wymagającego kosztownej naprawy konstrukcji z betonu w celu
utrzymania jej założonej funkcji [4÷5].
Mikrostruktura zarysowania powierzchni, będąca skutkiem reakcji alkaliów z aktywną
krzemionką jest nieregularna i przypomina dużą pajęczynę. Według Neville’a [3] nie jest
łatwo odróżnić ją od mikrostruktury zarysowań spowodowanych atakiem siarczanowym,
zamrażaniem i odmrażaniem lub też znacznym skurczem plastycznym.
Aby wystąpiła reakcja alkalia-krzemionka, muszą być spełnione trzy warunki: 1. kruszywo
z reaktywnymi formami krzemionki (opal, chalcedon, trydymit, kryptokrystaliczny kwarc
– nietrwałe w środowisku zasadowym z wysokim pH), 2. alkalia w zaczynie (wysokie pH), 3.
odpowiednia wilgotność (rys. 2).
Reaktywne kruszywa
Wiele rodzajów kruszyw naturalnych jest zdolnych do interakcji z roztworami alkalicz-
nymi, a ich reaktywność jest funkcją typu i formy składników tworzących kruszywo. Kruszy-
wa, których duża powierzchnia jest porowata, szklista – są bardziej podatne na reakcje. Do skał
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw
835
zawierających krytyczne ilości potencjalnie reaktywnych form krzemionkowych należą: rogo-
wiec i krzemień zawierające chalcedon, skały wulkaniczne, takie jak ryolit, andezyt, porfiry,
tufy, łupków, piaskowiec, kwarcyt, krzemionkowe skały węglanowe, szarogłazy, fyllity,
granity i granodioryty oraz gnejsy.
Alkalia
Ogólna zawartość alkaliów w betonie powinna być zliczana przy uwzględnieniu wszy-
stkich składników betonu. Zazwyczaj jednak, brana jest pod uwagę jedynie zawartość alkaliów
w cemencie, podawana jako równoważna zawartość Na
2
O
eq
(Na
2
O
eq
= Na
2
O + 0.658 K
2
O).
W przypadku ryzyka potencjalnej reaktywności, w niektórych krajach europejskich i Kana-
dzie, przyjmuje się dopuszczalny limit zawartości alkaliów 3 kg/m
3
betonu [5].
Wilgotność
Żel pochłania wilgoć, a to prowadzi do pęcznienia. Z tego powodu, szkodliwe reakcje nie
zachodzą w warunkach suchych, a badania wykazują, że dopiero, gdy wilgotność przekroczy
80%. Zmniejszenie przepuszczalności betonu, poprzez redukcję w/c, czy stosowanie dodat-
ków mineralnych, utrudnia transport wilgoci i zapobiega szkodliwym reakcjom.
Temperatura
Betony w cieplejszym klimacie są bardziej podatne na ASR niż w chłodniejszym klimacie,
ponieważ szybkość reakcji zwykle wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. W przypadku
większości kruszyw, wyższe temperatury oznaczają również większe pęcznienie.
Rys. 2. Warunki występowania reakcji alkalicznej kruszywa
Dostępne informacje [1÷22] dotyczące mechanizmów reakcji, szczególnie niebezpiecz-
nych reaktywnych minerałów w kruszywach, jak i środków ostrożności podejmowanych
w celu zapobiegania występowaniu reakcji – wciąż nie wyjaśnia kompleksowo zarówno ASR
jak i ACR. Szczególne braki zauważalne są w zakresie stosowania metod identyfikacji poten-
cjalnej reaktywności, metod napraw uszkodzonych konstrukcji, czy też kontroli skutków
reakcji w konstrukcjach już istniejących [5].
3. Metody oceny i badania reaktywności alkalicznej kruszyw
Reaktywność alkaliczna kruszyw jest zjawiskiem złożonym, pod względem typów reakcji
alkalicznych, jak i różnorodności czynników mineralogicznych, chemicznych i atmosferycz-
nych (zwłaszcza zmienna temperatura i wilgotność) wpływających na ich wystąpienie
i przebieg [6]. W zależności od powyższych zjawisk metody badań oraz kryteria oceny
zjawiska reaktywności alkalicznej są różne, a ich ujednolicenie jest bardzo trudne [6].
836
Konopska-Piechurska M. i in.: Reaktywność alkaliczna kruszyw jako czynnik zagrażający…
Zgodnie z normą PN-EN 12620+A1:2010 [7] ”Jeśli jest to wymagane, reaktywność alka-
liczno-krzemionkową kruszyw należy oceniać zgodnie z postanowieniami ważnymi w miejscu
zastosowania, a wyniki deklarować”.
W Polsce, w związku z brakiem wskazań dotyczących metod badania (brak uzupełnienia
krajowego do normy PN-EN 12620 [7]) stosowane są trzy metody według polskich norm:
1. PN–B 06714-34:1991 Kruszywa mineralne – Badania – Oznaczenie reaktywności alka-
licznej [8] (norma wycofana 27 listopada 2012 bez zastąpienia) – badanie polega na
ustaleniu zmian liniowych oraz zmian destrukcyjnych beleczek betonowych (rysy, pęk-
nięcia, zmiany barwy, wykwity, wycieki, odpryski). Norma uwzględnia ekstremalne
warunki oddziaływania alkaliów na kruszywo. Norma określa skład ilościowy kruszywa
przeznaczonego do badań oraz cementu o zawartości alkaliów 1,2 ± 0,1% (w przelicze-
niu na Na
2
O) i warunki przechowywania: wilgotne w temperaturze 36÷40°C.
2. PN–B 06714-46:1992 Kruszywa mineralne – Badania – Oznaczenie potencjalnej reakty-
wności alkalicznej metodą szybką [9]– badanie polega na przeprowadzeniu reakcji
kruszywa z wodorotlenkiem sodu i oznaczeniu ubytku masy kruszywa oraz określeniu
zawartości reaktywnej krzemionki. Metoda ta jest najczęściej stosowana ze względu na
bardzo krótki czas badania.
3. PN–B 06714-47:1988 Kruszywa mineralne – Badania – Oznaczenie potencjalnej reakty-
wności alkalicznej [10] – oznaczenie zawartości krzemionki rozpuszczalnej w wodoro-
tlenku sodowym (NaOH) – badanie polega na określeniu metodą masową zawartości
krzemionki rozpuszczalnej po reakcji odpowiednio przygotowanej próbki kruszywa
z roztworem wodorotlenku sodowego, o stałym stężeniu c(NaOH) = 1 mol/1, w tempe-
raturze 80°C w ciągu 24 h. Metoda ta jest rzadko stosowana.
W praktyce w Polsce używa się dwóch metod oceny reaktywności alkalicznej: wg normy
PN-B-06714-46 [9] oraz normy PN-B-06714-34 [8]. Schemat oceny i postępowania przy
określaniu reaktywność alkalicznej kruszyw według norm polskich przedstawiono na rys. 3.
Bardzo podobny do polskiego schematu postępowania przy ocenie reaktywności alkalicznej
kruszyw można znaleźć w Niemczech, gdzie stosowana jest Dyrektywa „Działania zapobie-
gające szkodliwej reakcji alkalicznej w betonie” [11], która uwzględnia kompleksowe
podejście do problemu reaktywności alkalicznej łącznie ze wskazaniem przykładów kruszyw,
które nie powinny być stosowane ze względu na swoją reaktywność.
Rys. 3. Schemat oceny reaktywności kruszyw według norm polskich
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw
837
Tablica 1. Porównanie założeń oceny reaktywności alkalicznej kruszyw według norm PN-B i dokumen-
tów RILEM
Normy/Wytyczne
PN-B
RILEM
1. BADANIE KRUSZYW
1.1.Dokument
PN-B-06714-46
AAR-1
Temperatura 90°C, środowisko –
roztwór NaOH: dla kruszywa do
4,0 mm – 4%; dla kruszywa do
63,0 mm – 10%
1.2. Warunki i opis
badania
Badanie petrograficzne
1.3. Czas badania
1 godz.
—
Zakwalifikowanie kruszywa do od-
powiedniego stopnia reaktywności
(stopień 0 – niereaktywne, stopień 1
– potencjalnie reaktywne, stopień 2 –
reaktywne) w wyniku ubytku masy
i zawartości reaktywnych krzemieni
Zakwalifikowanie kruszywa do odpowie-
dniej klasy reaktywności kruszywa (klasa I
– niereaktywne, klasa II – potencjalnie
reaktywne, klasa III – bardzo reaktywne)
oraz typu reakcji (ASR lub ACR)
1.4. Ocena
2. BADANIE BELECZEK ZAPRAW
2.1. Dokument
AAR-2
AAR-3
Temperatura 80°C,
środowisko – roztwór
1 M NaOH
Temperatura 38°C,
środowisko – wil-
gotność min. 90%
2.2. Warunki i opis
badania
2.3. Czas badania
14 dni
1 rok
Kryteria dla rozsze-
rzalności liniowej:
kruszywo niereak-
tywne < 0,05%;
potencjalnie reak-
tywne 0,05÷0,1%;
kruszywo reaktyw-
ne > 0,1%
Kruszywo potencjalnie
reaktywne: wydłużenie
beleczek:
40×40×160 mm
> 0,8%;
25×25×285 mm
> 0,1%;
Brak
2.4. Ocena
3. BADANIE BELECZEK BETONU
3.1. Dokument
PN-B-06714-34
AAR-4.1
Temperatura 36÷40°C, środowisko
– przechowywanie nad wodą,
beleczki 25×25×250 mm
Temperatura 60°C, środowisko –
przechowywanie w wodzie, beleczki
75×75×250 mm
3.2. Warunki i opis
badania
Cement o zawartości reaktywnych
alkaliów 1,2% Na
2
O
eq
w stosunku
do masy cementu
Cement o zawartości reaktywnych alkaliów
powyżej 1,15% Na
2
O
eq
w stosunku do masy
cementu
3.3. Cement
3.4. Czas badania
180 dni
15 tygodni
Wartość ekspansji liniowej
beleczek < 0,1% –
kruszywo niereaktywne
Rozszerzalność liniowa > 0,03% –
kruszywo reaktywne
3.5. Ocena
Metody stosowane w Polsce nie do końca skutecznie oceniają reaktywność kruszyw [6].
Szczególnie dotyczy to reakcji alkalia-węglany (ACR) oraz tzw. reakcji powolnych zachodzą-
cych w kruszywach z mniejszą intensywnością np. reakcji alkalia-krzemiany. Być może do-
brym rozwiązaniem byłoby stosowanie nowych metod badań wraz z kryteriami oceny reakty-
wności alkalicznej opracowanych w ramach prac Komitetów Technicznych RILEM (TC 191
oraz RILEM TC 219) [12].
Próbę porównania głównych założeń i kryteriów oceny wg norm polskich i dokumentów
RILEM zestawiono w tablicy nr. 1.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]