Leelis-räni reaktsiooni ülevaade ja katseline uurimine

Abstract

Leelis-räni reaktsioon (ASR) on betooni poorides aset leidev keemiline protsess, kus peamiselt tsemendist pärinev leelis reageerib nõrga kristallilise struktuuriga räni mineraale sisaldava täitematerjaliga. Reaktsiooni tulemusel moodustub poorides hügroskoopne geel, mis võib piisava niiskuse toimel paisudes põhjustada betoonkonstruktsioonide struktuurseid kahjustusi. Lõputöös on ülemaailmsete teadusuuringute ja -artiklite põhjal antud lühiülevaade senistest teadmistest ASR olemuse, keemilise reaktsiooni mehhanismi ja kahjustuste kujunemise tingimuste kohta. Selgub, et nii sideaine, täitematerjalide kui ka keskkonnatingimuste kaudu saab reaktsiooni tekkimist ennetada või arenemist pidurdada. Kuigi reaktsioon avastati rohkem kui kolmveerand sajandit tagasi, on reaktsiooni uurimisega hakatud rohkem tegelema viimastel kümnenditel. Kui põhjamaades Norras ja Rootsis tunti reaktsiooni vastu põhjalikumalt huvi juba 1980-1990ndatel aastatel, siis näiteks Soomes hakati sellele rohkem tähelepanu pöörama alles peale 2011. aastal alanud laiapindset uuringut, mille käigus avastati selgete ASR tunnustega betoonkonstruktsioone. Nende hulka kuulusid nii elu- ja tööstushooned, kui ka sillad ja muud rajatised. Nii olemasolevate konstruktsioonide kui ka betooni valmistamiseks kasutatava täitematerjali katsetamiseks on välja töötatud mitmed metoodilised juhendid, millest enamlevinumad on RILEM ja ASTM kohandatud versioonid. Lätis ja Leedus teostatud katsetest selgub, et ka seal leiduv täitematerjal on paiguti leelisega reageeriv ning esineb kahjustuste risk. Kõikides eelnimetatud lähiriikides on kohalike standarditega seatud nõuded, milles määratakse piirmäärad täitematerjalide reageerivusele ning piiratakse tsemendi või betoonisegu leeliselisust kahjustuste ennetamiseks. Lõputöö praktilises osas Eesti karjääridest pärinevate liivadega läbi viidud kiirendatud mördipulga katse tulemused näitavad, et kõikide valmistatud katsekehade pikenemine 14. päeval peale katsekehade NaOH lahusesse paigutamist oli alla 0,10% piirmäära ehk täitematerjalid klassifitseeritakse vastavalt metoodilisele juhendile tõenäoliselt mitte reageerivateks. Enim, 0,08‒0,09% paisunud katsekehadel jäi keskmine lineaarne pikenemine küll alla piirmäära, kuid katse käigus mördipulga pinnale omapäraste eritiste tekkimine võib viidata leelis-räni reaktsiooni toimumisele. Kuivõrd leelis-räni reaktsiooni hindamise metoodika ja lõputöö koostamisel läbi töötatud uuringud kinnitavad varasemate kohalike teadmiste ja kogemuste olulisust, ei leitud selliseid andmeid Eestis asuvate betoonkonstruktsioonide uuringute kohta, millega saaks läbi viidud laboratoorse katse tulemusi võrrelda. Andmete puudumine viitab vajadusele jätkata leelis-räni reaktsiooni ja sellest tingitud kahjustuste võimaliku esinemise uurimist. The aim of this thesis is to assess the risk of ASR in the context of fine aggregates used in Estonia. To this end, answers are first sought to the questions of what it is and how it occurs, what role the materials used in the production of concrete, or the subsequent operational environment play in this. Based on the world-wide published scientific research and articles studied, methods for preventing the reaction in the production of concrete and detecting it in existing structures are introduced, along with examples from neighboring countries. According to publications studied, it turns out that the deleterious process can be somewhat prevented by being attentive to binders and aggregates used in concrete production or to the environment, to where concrete structures are designed. When preparing the thesis, it was observed, there has been more thorough interest in the reaction in the Nordic countries since the 1980s and 1990s, significantly later, though still, in Finland as well. Tests carried out in Latvia and Lithuania show that the aggregates found there can also pose a certain risk of damage caused by alkali-silica reaction. In all the neighboring countries mentioned, with local standards, requirements are determined to define the limits for the reactivity of aggregates and limit the alkalinity of cement or concrete mixtures to prevent damage. So far, no comprehensive risk assessment of a possible reaction has been carried out in Estonia, nor have preventive measures been introduced. An accelerated screening test, based on RILEM AAR-2 methodology using “long-thin” mortar-bars, was conducted to assess the risk for potential alkali-silica reactivity on selected fine aggregates used in Estonian concrete production. The test results show that the expansion of all test specimens after 14 days in 1M NaOH solution was below the 0,10% limit, which is likely indicating to non-reactive materials. The average linear elongation of the specimens that expanded the most, 0,08‒0,09%, remained below the limit, but the peculiar exudate that appeared on the surface of the mortar-bar during the test might indicate the presence of an alkali-silica reaction. While the methodology for assessing the alkali-silica reaction and the studies carried out in the preparation of this thesis confirms the importance of previous local experience, no such info was to be found to compare the results of the laboratory test with conditions of structures in real-life environment. This clearly indicates the need to continue the research of alkali-silica reaction and the risks of damage it may cause in Estonia.