Vývoj pohledu na problematiku výskytu alkalicko-křemičité reakce v betonu

1. Úvod

Při bobtnání tenké obalové vrstvičky dochází ve hmotě k vnitřním tlakům, které jsou v počátku rozpínání částečně vyrovnávány pórovým systémem hmoty. Nejsou-li expanzivní tlaky vyrovnány, dochází k poruchám vnitřní struktury, a následně i k lepšímu přístupu vlhkosti k poruchovým místům, což má za následek umocnění samotné expanze, a následně i urychlení degradace konstrukce.

Rozeznáváme dva typy alkalického rozpínání, a to reakci alkálií s reaktivním oxidem křemičitým (AKR – alkalicko-křemičitá reakce), případně s dolomity (AUR – alkalicko-uhličitá reakce). [1] [2]

2. Historie alkalického rozpínání betonu

Poprvé byla AKR rozpoznána na konstrukcích namáhaných vysokou vlhkostí, případně ve styku s vodou, s použitím cementu s vysokým obsahem alkálií a druhem reaktivního kameniva. Následně byly vypracovány studie uvádějící vliv vlhkosti, obsahu alkálií a typu reaktivního kameniva v základních podmínkách pro vznik AKR.

V roce 1940 byla degradací vlivem AKR způsobena první veřejností vnímaná závada na vysoké přehradě Parker Dam v Kalifornii, kde bylo pozorováno po 9 letech od výstavby vychýlení oblouků a pilířů o 127 mm až 180 mm při vzniku závažných trhlin. Z následujících výzkumů byl určen negativní vliv cementu s obsahem alkálií nad 0,6 % a zároveň pozitivní vliv 25% přídavku pemzy. Reakcí na výzkum bylo sepsání výchozí normy ASTM C227 „Standard Test Method for Potential Alkali Reactivity of Cement Aggregate Combinations“, zkoumající na zkušebních tělesech potenciální vznik AKR.

Expanzivní mechanismus AKR byl v padesátých letech minulého století vysvětlován především pomocí osmotických tlaků vyvolaných během bobtnání alkalického gelu.

Vzhledem k pucolánovým vlastnostem pemzy byl přezkoumán i vliv pucolánů na možné potlačení AKR a následně bylo i doporučeno využít pucolánů pro limitaci vzniku AKR.

V reakci na výzkum AR byla v letech 1943 až 1947 na základě konzultace s americkými odborníky doporučena maximální hodnota alkálií v cementu na 0,6 % pro výstavbu hydro-elektrárny na řece Waikato na Novém Zélandu. Dále bylo použito pucolánů na eliminaci vlivu AKR a taktéž ke zlepšení zpracovatelnosti a zároveň i proti smrštění.

AUR byla poprvé identifikována v betonu s obsahem jílovitých dolomitů. Následovala snaha objasnit princip této reakce.

V Německu nebylo AR zkoumáno do roku 1965. Po odstranění AKR poškozeného mostu Lachwehrbrücke byl však názor na nereaktivnost německého kameniva změněn. Objekt bylo nutno demolovat 3 roky po výstavbě.

V roce 1968 se již česká společnost zajímala o AR a výsledkem úsilí byla ČSN 72 1179 „Stanovení reaktivnosti kameniva s alkáliemi“. Až do roku 1998, kdy došlo na části dálnice D11 k poškození cementobetonového krytu vozovky vlivem AKR, byla však tato reakce podceňována.

První zmínka o AR z Velké Británie pochází až z roku 1980. V roce 1992 bylo již AR rozpoznáno v 35 zemích světa a v roce 2010 ve 47 zemích.[11]

3. Alkalicko-uhličité rozpínání

Vzhledem k vzácnosti kameniva náchylného k AUR a celkově k velmi malému světovému výskytu AUR byla směřována hlavní pozornost pouze na oblasti s výskytem dolomitického kameniva v betonu, a to především v Kanadě, oblastech severního Ontaria a v Číně, odkud je právě AUR nazývána „alkalicko-dolomitickou reakcí“.

Především obsah velkých krystalů dolomitu (CaMgCO₃) vede v alkalickém roztoku k tvorbě brucitu (Mg(OH)₂), který následně sloučením s uhličitanem vápenatým (CaCO₃), uhličitanem draselným (K₂CO₃) a alkalickým hydroxidem vytváří expanzivní gel.

4. Podmínky pro vznik alkalicko-křemičitého rozpínání

Základním předpokladem pro vznik AKR je přítomnost amorfního oxidu křemičitého a vysoké pH hmoty (především dostatek volných rozpustných alkálií). Zároveň je reaktivnost závislá na množství a dále i typu oxidu křemičitého. Okolními podmínkami pro vznik AKR jsou dostatečná vlhkost a vyšší teplota. Pokud je při teplotách 21 °C až 24 °C relativní vlhkost v okolí konstrukce, případně tělesa, nižší než 80 % nemusí k AKR vůbec dojít, neboť není přítomen dostatek vlhkosti k jejímu vzniku.

Je však nutné dodat, že AKR se neprojevuje po krátké době, nýbrž je možné pozorovat projevy této degradace betonu až po několika letech, případně desetiletích.

Studie na Novém Zélandu doporučují nevystavovat beton s reaktivním kamenivem relativní vlhkosti vyšší 75 %.

Nejvíce jsou k AKR náchylné silniční chodníky a mosty, parkovací garáže, vodní nádrže, podvodní konstrukce atd.

Vliv alkálií

Výskyt AKR v konstrukci lze limitovat využitím nízkoalkalického cementu. Cementem s nízkým obsahem alkálií pro možný vznik AKR rozumíme cement s maximálním obsahem 0,6 % ekvivalentních alkálií (Na₂O_ekv. [%] = Na₂O [%] + 0,658 × K₂O [%]). Bylo však prokázáno, že omezení množství alkálií na 0,6 % Na₂O_ekv. nemusí vždy vést k potlačení AKR. Celkové množství alkálií je tudíž vhodné omezit na 0,4 % Na₂O_ekv.

Je však nutné se zaobírat i vnějšími zdroji alkálií, případně alkáliemi do betonu vnášenými kamenivem i alkáliemi z pucolánů a strusky. Při výskytu venkovního zdroje alkálií je možný přesun alkálií směrem k reaktivnímu kamenivu.

Vliv kameniva

Vyhnout se nereaktivnímu kamenivu, tj. kamenivu bez obsahu amorfního oxidu křemičitého, nebývá vždy ekonomicky výhodné.

K nejvíce reaktivním řadíme opál (SiO₂.nH₂O). Dále lze vyjmenovat chalcedon, cristobalit, křemenec, tridymit, vulkanická skla, rohovec, buližník, argillit, droby, filit, břidlice a jiné, případně synteticky vyráběné v podobě skleněných materiálů. V dnešní době se může jednat o různé skelné recykláty a pěnová skla používaná jako příměsi do betonu či přímo jako hlavní plnivo.

V případě využití plniva v podobě skelného recyklátu se jeví výhodné použít hnědé odpadní sklo, a to vzhledem k nižší expanzi vzniklého alkalicko-křemičitého gelu (AK gelu), v porovnání s barevným a zeleným odpadním sklem. Pro eliminaci negativních projevů AKR se jeví efektivní využít přídavku vláken potlačujících expanzi vyvolanou AK gelem. Dále se jeví vhodné využít mísení reaktivních a nereaktivních kameniv. [1] [2] [9]

Vliv vlhkosti

Vzhledem k propustnosti betonu lze projevy AKR snížit adekvátní úpravou povrchové vrstvy, případně lze uvažovat o zajištění vodotěsnosti hmoty. V případě zajištění vodotěsnosti hmoty však narážíme na několik nedostatků, kupříkladu snížením vodního součinitele zvyšujeme celkovou koncentraci alkálií, přičemž také se sníženou pórovitosti snižujeme možnost vykrytí expanzních tlaků na hmotu. Dále je nutné připomenout, že i přes vodotěsnost betonu byly již v několika případech pozorovány negativní dopady AKR.

Výhodné se jeví využít reaktivního kameniva pouze v případě suchých vnitřních prostor, kde se riziko AKR vzhledem k relativní vlhkosti prostředí takřka neprojevuje.

Pro AKR je typický rozvoj v oblasti s vyšší teplotou, přičemž je reakce urychlena především teplotou přes 100 °C.

Vznik alkalicko-křemičitého gelu

Při běžné hydrataci cementu vzniká alkalický roztok s obsahem hydroxylových aniontů OH⁻. Hydroxylové ionty chemicky napadají oxid křemičitý SiO₂ za vzniku kationtu SiO⁻ dále náchylného k reakci s anionty vápníku Ca²⁺, sodíku Na⁺ a draslíku K⁺. Reakcí vzniká tzv. C-S-H gel.

V případě hydratace cementu s vyšší koncentrací alkálií (celkové koncentrace alkálií vzhledem ke koncentraci vápenných iontů) může docházet ke vzniku amorfního alkalického gelu.

Samotná AKR je však způsobena převážně alkalickým roztokem v mikropórech betonové hmoty. Předpoklad pro vznik AKR je převyšující množství reaktantů (K⁺, Na⁺, Ca²⁺, OH⁻) reagujících s křemičitými zrny (Si⁴⁺).

5. Mechanismus poškození struktury alkalickým rozpínáním

Při bobtnání prostupuje alkalický gel pórovitou strukturou hmoty. Ve vyplněných pórech dochází k dalšímu rozpínání gelu vlivem absorpce vody a dále k následnému mechanickému rozrušení vnitřní struktury hmoty.

Expanzní tlak AKR může dosahovat hodnot až 20 N.mm⁻².

Na obrázku je patrný typický vzorek vytvářený trhlinami způsobenými alkalicko-křemičitou reakcí. Výrony gelu skrz trhliny betonu mají charakteristickou žlutou barvu a vysoké pH. Charakteristickým rysem alkalicko-křemičité reakce je také mastný charakter výpotků podél trhlin.

6. Mechanismy tlumící alkalické rozpínání

Minimalizace rizika vzniku AKR je založena především na využití nereaktivních typů kameniv a cementu s nízkým obsahem alkálií. V jiném případě je vhodné využít reaktivních materiálů a speciálních příměsí v podobě úletového popílku, vysokopecní strusky a křemičitých úletů. Speciální příměsi mění obsah alkálií a hydroxylových skupin v betonu a tím redukují jejich rovnovážný stav.

Vliv kameniva na limitaci vzniku alkalického rozpínání

V mnoha případech je vhodné vyhnout se výrobě betonu s použitím reaktivního kameniva. Při občasném výskytu reaktivního kameniva lze využít selektivní těžby, případně mechanickou či chemickou úpravu kameniva.

Dosavadní názory na vliv lehčených kameniv na AKR prosazují teoretický model, ve kterém struktura lehčeného kameniva vykrývá expanzivní tlaky vzniklé bobtnáním alkalického gelu. Například u lehčeného vermikulitu nebyla prokázána reaktivnost, ale v případě expandovaného perlitu bylo pokusně dosaženo vzniku AKR.

Také malé frakce kameniva jsou dobře odolné vůči působení AKR, a to především kameniva o zrnitosti menší než 1 mm, kdy je tlak vyvolaný expanzí alkalického gelu natolik malý, že nedochází k rozsáhlejšímu porušení hmoty sítí trhlin vlivem AKR.

Vliv popílku na limitaci vzniku alkalického rozpínání

Při výstavbě přehrady Lower Notch bylo využito 20% náhrady pojiva úletovým popílkem a zároveň vysoko-alkalického cementu. Následující výzkumy potvrzují prevenci prasklin s využitím popílku, a to i přes využití plniv typu Argillite s obsahem jílových součástí a drob.

Přídavek pucolánu může snižovat alkalitu pojiva. Pucolánová reakce spotřebovává aninonty OH⁻.

Více než 25 % obsahu pemzy či úletových popílku dostatečně potlačuje AKR.

Úletový popílek

Úletový popílek rozdělujeme na popílek třídy F a popílek třídy C (ASTM C618 „Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete“). Třída F obsahuje popílek ze spalování černého uhlí. Obsah CaO je limitován maximální hranicí 5 %. Třída C vzniká při spalování hnědého uhlí a zachycený úletový popílek obsahuje 10 až 40 % CaO. Pro potlačení AKR je vhodnější popílek třídy F, tj. popílek ze spalování černého uhlí.

Vzhledem k dosavadním výzkumům lze usuzovat na potlačování AKR popílkem především díky redukci alkality pojiva, celkové redukci výskytu vápenatých iontů a zároveň redukci přechodů iontů díky zvýšené vodní nepropustnosti. Efektivita popílku závisí především na celkové skladbě betonu, procentu náhrady cementu, alkalitě cementu a zároveň na stáří vzorku.

Vliv křemičitých úletů na limitaci vniku alkalického rozpínání

Mikrosilika působí na strukturu betonu dvojím způsobem. Svými pucolánovými vlastnostmi zvyšuje pevnost cementového tmele a zároveň snižuje počet a rozměry vnitřních kapilár.

K eliminaci vzniku AKR se doporučuje využít křemičitých úletů v minimálním množství alespoň 8 až 10 % z hmotnosti cementu, případně lze využít geotermálních křemičitanů.

7. Pokračující výzkumy alkalicko-křemičité reakce

V současné době stále probíhají po světě výzkumy zaměřené na omezení následků AKR, na její eliminaci či prevenci vzniku poškození betonu, pokud není k dispozici jiné kamenivo než to reaktivní. Dále se vědci a výzkumné skupiny věnují také problematice oprav takto poškozených betonových těles.

Příklady ošetření poškozeného betonu

Existuje několik účinných metod, jak omezit, zastavit či alespoň částečně opravit poškozený beton, aby mohl dále sloužit svému účelu. Jedná se například o elastomerové nátěry, nátěry silanem či postřik dusičnanem lithným.

Výzkumy v Itálii

Na Boloňské univerzitě se věnují studiu AKR z pohledu pórovitosti. Jako reaktivní plnivo používají varné sklo Pyrex a vzorky podrobují zrychleným testům podle ASTM standardů.

Alkalicko-křemičité reakce byly spuštěny v cementových maltách v různých podmínkách vytvrzování. Zkoumané kompozity se lišily pouze v pórovitosti. Celková otevřená pórovitost byla ovlivněna vodním součinitelem a také přidáním provzdušňovací přísady. Byla studována závislost vzniku AKR a její razance na porozitě matriálu. Na rychlost a rozsah expanze mělo vliv zejména propojení pórové struktury v materiálu, tj. kapilární pórovitost. Výsledky získané za různých podmínek ukazují, že pórovitost kompozitu vždy hraje důležitou roli při ovlivňování rozsahu expanze.

Vliv pórovitosti na makroskopickou expanzi nebyl zanedbatelný. V závislosti na podmínkách a dobách vytvrzování se mohou rozdíly v zaznamenané expanzi pohybovat od přibližně 100 do 300 %, od nejvyššího k nejnižšímu vodnímu součiniteli. Zvyšující se vodní součinitel v cementových materiálech vedl k vyšší expanzi za stejných podmínek. [20]

Výzkumy v Turecku

V Turecku na Univerzitě Yüzüncü Yıl ve městě Van se věnují výzkumu zaměřenému na využití pemzy a vezikulární čedičové lávy (čediče) jako plniva pro regulaci vzniku a negativního vlivu AKR na beton. Vzorky byly speciálně připraveny podle standardů ASTM s použitím 30 % pemzy nebo čediče jako náhrady reaktivního kameniva. Reaktivní kamenivo bylo těženo v sopečných oblastech na severu a severozápadě Vanského jezera v Turecku. Toto kamenivo je nazýváno ETRA. Na snímku z elektronového mikroskopu se potvrdila přítomnost alkalického gelu. Na vzorku na obrázku (a) je vidět charakteristická prasklina v betonu vyplněná alkalickým gelem ve vzorku obsahujícím pouze reaktivní kamenivo. Na vzorku na obrázku (b) je patrné, že náhrada části reaktivního kameniva pemzou vedla k omezení vzniku AKR, na snímku není prokazatelně přítomen alkalický gel v blízkosti zrn reaktivního kameniva. Naopak v případě použití čediče ve vzorku na obrázcích (c) a (d) se potvrdila přítomnost alkalického gelu s typickou expanzí a trhlinami v pórech betonu a na povrchu kameniva, avšak v menší míře než bez použití čediče. Došlo tedy ke snížení expanze, ale nedošlo k omezení vzniku alkalicko-křemičité reakce. [21]

8. Závěr

Základním předpokladem pro vznik AKR je hodnota relativní vlhkosti nad 80 %, zvýšená teplota, vysoké pH roztoku a především obsah reaktivní formy kameniva (opál, chalcedon, křemen, cristobalit, tridymit, rohovec, vulkanická skla a celkově vulkanické horniny, břidlice a jílovité břidlice, meta-droby, fylity, aj.).

Prevence před expanzními účinky AKR na vnitřní strukturu hmoty s plnivy obsahujícími reaktivní formu oxidu křemíku může být založena na uložení betonu ve vnitřní části konstrukce bytové výstavby, jelikož vnitřní části konstrukce v tomto případě nejsou ve větší míře vystaveny působení nadměrné relativní vlhkosti vzduchu.

V případě vystavení betonového prvku vůči působení zvýšené vlhkosti je důležitý především poměr alkálií a reaktivní formy oxidu křemičitého. Zapotřebí je vyšší obsah alkálií než obsah reaktivních částic. Obsah alkálií lze kontrolovat především u cementu, kdy při hranici 0,6 % Na₂O_ekv. by nemělo docházet ke vzniku AK gelu, případně na hranici 0,4 % Na₂O_ekv. s ohledem na vliv alkálií přidávaných s plnivy a zároveň na vliv externího přístupu alkálií.

Ve výzkumech se ukázalo, že jako důležitý faktor ovlivňující vznik a razanci alkalicko-křemičité reakce, respektive jejího vlivu na poškození betonu je pórovitost, a to jak pórovitost vnesená do matrice betonu pomocí náhrady části reaktivního kameniva kamenivem pórovitým, jako je pemza či čedič, tak i pórovitost vlastního tmelu upravená pomocí provzdušňovací přísady a vodního součinitele.

Jako vhodné způsoby ošetření již poškozených struktur se osvědčily jak injektáže trhlin, např. epoxidem, tak i různé nástřiky a nátěry, např. nátěr silanem, elastomerovými nátěry či nástřik dusičnanem lithným.

9. Literatura

1. BÁRTA, R.: „Chemie a technologie cementu“, Nakladatelství Československé akademie věd, Praha 1961, vydání I – 1108 stran.
2. FOJTÍK, T.: “Actual Problems State of Alcali-silica Reaction and Methods of its Detection”, VUT Brno, 2004. 6 s. Seminární práce. VUT FAST Brno.
3. ROLAND F. BLESZYNSKI, MICHAEL D.A. THOMAS: “Microstructural Studies of Alkali-Silica Reaction in Fly Ash Concrete Immersed in Alkaline Solutions”, Department of Civil Engineering, University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada, 1998 by Elsevier Science Ltd., ISSN 1065-7355/98/$19.00, PII S1065-7355(97)00030-8.
4. Alkali-Silica Reaction in Concrete - Structville. Home - Structville [online]. Copyright © [cit. 19.08.2022]. Dostupné z: https://structville.com/2022/05/alkali-silica-reaction-in-concrete.html.
5. SABINS, F.: “Ultra-Lightweight Cement - Fourth Quarterly Technical Progress Report”, Issued October 23, 2001, DOE Award Number DE-FC26-00NT40919.
6. Alkali-silica reaction (ASR) - alkali sensitivity of aggregates and concretes as well as damaging, deleterious ASR in concrete (“concrete cancer”). Forschungs- und Kompetenzzentrum für Zement, Beton und Umweltschutz [online]. Copyright © 2022 VDZ [cit. 19.08.2022]. Dostupné z:
   https://www.vdz-online.de/en/services/concrete-technology/durability-assessment/alkali-silica-reaction-asr-testing.
7. SSANG-SUN JUN AND CHI-SUB JIN: “Effect of Fineness Modulus of Reactive Aggregate on Alkali Silica Reaction” International Journal of Concrete Structures and Materials, Vol. 4, No. 2, pp. 119~125, December 2010.
8. Alkali–silica reaction - Wikiwand. Wikiwand [online]. Dostupné z:
   https://www.wikiwand.com/en/Alkali%E2%80%93silica_reaction.
9. STAR, J.; WICHT, B.: „Dauerhaftigkeit von Beton, Schriften der Hochschule für Architektur und Bauwesen Weimar“, F.A. Finger-Institut, Heft 100, Weimar 1995.
10. THE CEMENT AND CONCRETE ASSOCIATION OF NEW ZELAND: “TR 3 - Alkali Silica Reaction - Minimising the Risk of Damage to Concrete - Guidance Notes and Recommended Practice”, Second Edition 2003, ISSN: 1171-4204, ISBN: 0908956185.
11. AMERICAN CONCRETE INSTITUTE: “State-of-the-Art Report on Alkali-Aggregate Reactivity”, ACI 221.1R-98, Reported by ACI Committee 221, ACI 221.1R-98 became effective August 19, 1998, Copyright 1998.
12. What You Should Know About Alkali-Silica Reactivity in Concrete | AET. Home | AET [online]. Copyright © 2021 American Engineering Testing, Inc. All rights reserved. [cit. 22.08.2022]. Dostupné z:
    https://www.teamaet.com/what-you-should-know-alkali-silica-reactivity-in-concrete/.
13. TUTHILL, L. H.: “Performance Failures of Concrete Materials and of Concrete as a Material”, ACI Concrete International, V. 2, No. 1, pp. 33-39., 1980.
14. TUTHILL, L. H.: “Alkali-Silica Reaction—40 Years Later”, ACI Concrete International, V. 4, No. 4, pp. 32-36., 1982.
15. THOMAS, M.D.A.; FOLLIARD, K.J.; FOURNIER, B.; RIVARD, P.; DRIMALAS, T.: “Methods for Evaluating and Treating ASR-Affected Structures: Results of Field Application and Demonstration Projects – Volume I: Summary of Findings and Recommendations”, FHWA Office of Pavement Technology, 2013, 76 stran.
16. SWENSON, E. G.: “A Reactive Aggregate Undetected by ASTM Tests”, Bulletin No. 266, ASTM, Philadelphia, Pa., pp. 48-51, 1957.
17. HANSEN, W. C.: “Studies Relating to the Mechanism by which the Alkali-Aggregate Reaction Produces Expansion in Concrete”, ACI JOURNAL, Proceedings V. 40, pp. 213-227, 1944.
18. POWERS, T. C., STEINOUR, H. H.: “An Interpretation of Published Researches on the Alkali-Aggregate Reaction”, ACI JOURNAL, Proceedings V. 51, pp. 497-516 and 785-812, 1955.
19. TSUNEKI ICHIKAWA, MASAZUMI MIURA: “Modified model of alkali-silica reaction”, Cement and Concrete Research 37 (2007) 1291–1297, ScienceDirect 2007.
20. Saccani A, Manzi S. The Role of Microstructure in Alkali–Silica Reaction Tests. Crystals. 2022; 12(5):646.
    https://doi.org/10.3390/cryst12050646.
21. Oyan, Vural & Özvan, Ali & Tapan, Mucip. (2013). Effectiveness of Pumice And Scoria Aggregates in Controlling Alkali Silica Reaction.