Решения на Sika за ремонт на структури, страдащи от алкало-силициева реакция

При структурни повреди, причинени от алкало-силициева реакция могат да бъдат предприети различни мерки като третиране на симптоми чрез прорязване на фуги, подобряване на отводняването и т.н. или отстраняване на причините чрез намаляване на влажността, промяна на реактивността и т.н.

Целта на тази статия е да представи общ преглед на проблема и различните решения, предлагани от Sika за предотвратяване или редуциране на алкало-силициевата реакция.

Технически опит

Какво е алкало-силициева реакция (ASR)?

 Алкало-силициевата реакция (известна също като алкална реакция на добавъчни материали или „рак на бетона“) е реакция на реактивен силиций, съдържащ се в добавъчните материали (агрегати) с алкален материал в присъствието на влага.

Алкало-силициевата реакция е открита за първи път преди повече от 70 години. След първоначалното откритие на проблема започва докладване на множество случаи на ASR от целия свят.

Широко прието е, че трите основни компонента, необходими за индуцирано уврежданe на бетонни и стоманобетонни конструкции от ASR са:
– реактивен силиций (от добавъчните материали);
– достатъчно количество алкали (алкална среда главно от Портланд цимент, но също и от други съставни материали);
– наличие на достатъчно количество влага.

В първия етап, алкалите, идващи основно от цимента влизат в контакт с реактивните агрегати, в резултат на което се образува алкало-силикатен гел.

Във втората фаза, алкало-силикатният гел абсорбира голямо количество вода, което води до промяна в обема (разширение).

Разширителният ефект генерира експанзивни сили във втвърдения бетон. Типичните форми на увреждане от ASR се наблюдават под формата на фини напуквания, проникващи дълбоко в бетонната конструкция.

Какви са последствията от ASR?

Ако не се вземат предпазни мерки, ASR може да окаже значими последствия върху конструкциите, включително значително намаляване на носещата им способност, като може дори да доведе до необходимост от частично или цялосно разрушаване на структурата, каквито случаи са наблюдавани в САЩ и Франция.

Най-често, ASR генерира в структурите пукнатини, които ускоряват тяхното стареене и редуцират дълготрайността. Тези пукнатини позволяват лесното проникване на вода и други агресивни вещества като хлориди, СО2 и др. при това в много по-големи количества.

ASR, обикновено е доста бавен процес. Скоростта й зависи от състава на бетонната смес и условията на околната среда. Развитието и визуалната й поява може да отнеме от няколко до 20 или дори повече години, (виж таблица 1).

Превантивни мерки   

Инертните материали представляват голяма част от бетона. Тяхното влияние върху свойствата на пресния и втвърдения бетон е значителна. За да се спестят разходи и енергия производителите се насочват към използването на най-близките източници на инертни материали.

От друга страна,  източниците на висококачествени агрегати постепенно намаляват, в резултат на което строителната индустрия търси решения с използване на инертни материали с по-ниско качество. Алкало-силициевата реакция (ASR), която може да възникне при агрегати с по-ниско качество, представлява особено предизвикателство и може значително да повлияе на дълготрайността на бетона.

Големите инфраструктурни проекти като напр. язовири, пътища или летищни писти, изискват огромни количества агрегати, които се търсят възможно най-близко до строителните обекти.

Изборът на състава на бетонната смес е от решаващо значение за избягване на ASR. Правилният избор може действително да предотврати повреда в резултат на ASR, дори при използване на силно реактивни агрегати.

Циментовият клинкер допринася най-голяма степен за алкалната среда в повечето бетони. Колкото по-високо е съдържанието на цимент, толкова по-алкална ще бъде сместа. Смесените цименти могат да редуцират алкалното съдържание.

Ниско водоциментно отношение се счита за основен критерий за постигане на плътен, непропусклив бетон. Плътният бетон забавя разпространението на свободните алкали и миграцията на вода в матрицата. За възникване на ASR са необходими агрегати особено чувствителни към алкали, като напр. силициев варовик, пясъчен варовик, варовик, гнайси и кварцит. Порести, напукани, изветрени или натрошени агрегати като цяло са по-реактивни от тези с по-плътна структура и заоблени повърхности.

Пуцоланови добавки като летяща пепел, гранулирана доменна шлака или микросилициев прах реагират и консумират наличните хидроксилни (алкална) йони по време на процеса на хидратация. Тази реакция намалява стойността на рН на разтвора, като по този начин потиска появата на ASR. Пуцолановите добавки се различават по форма и реактивност в зависимост от техния източник, но като цяло  ефектът им е по-хомогенен, ако се добавят в процеса на смилане на цимента, отколкото по-късно в бетонната смес.

Добавки като традиционните ускорители за торкрет бетон може също да въведат в сместа значителни количества алкали, като по този начин значително повишават реактивността. В ситуации с агрегати, които се считат за чувствителни, трябва да се използват безалкални ускорители.

Опитът показва, че използването на специални добавки на базата на литиев нитрат може да предотврати ASR. Друго възможно решение е добавянето на въздуховъвличащ агент, за създаване на изкуствен разширителен обем от въздушни кухини във втвърдения бетон за поемане на ASR.

Корективни мерки

Намаляването на последиците от алкало-силициевата реакция (ASR) може да се постигне чрез два различни подхода:
– лечение на симптомите при увреждане от ASR;
– отстраняване на причините за ASR.

Лечение на симптомите при увреждане от ASR:

Включва запълване на пукнатини, прорязване на фуги (за освобождаване на вътрешните напрежения в бетона) или осигуряване срещу последващо разширяване.

Инжектиране на пукнатини:

Инжектирането на пукнатини с ниско вискозна епоксидна смола като Sikadur®-52 Injection ще спомогне за защита на армировката от корозия и ще възстанови структурната цялост на бетона.

Въпреки това, този метод няма да спре процеса на ASR и така няма да се предотврати бъдещо разрастване в бетона. Следователно, неизбежно, ако не се предприемат други мерки, в крайна сметка ще се получи ново напукване.

Прорязване на фуги:

Методът за прорязване на фуги в бетона, които да позволят бъдещо разширение се използва с успех при множество хидравлични структури. След прорязването, фугата се уплътнява с гъвкав полиуретанов фугоуплътнител като Sikaflex® PRO-3, който предотвратява проникване на вода , замърсители и агресивни вещества във фугата.

Въпреки това, този метод не се занимава с причината за проблемите и произхода на пукнатините, така че има вероятност от поява на пукнатини на други места.

Осигуряване срещу последващо разширяване:

За предотвратяването на нежелано разширяване и нарушаване на бетонната структура може да се използват композитни материали (стъклени тъкани импрегнирани и залепени с епоксидни смоли). Такъв тип система често се използва за увиване и защита на стоманобетонни колони. Предлаганите от Sika продукти при този вид мерки са SikaWrap®-430 G (при работа по „сух“ метод) или SikaWrap®-930 G (при работа по „мокър“ метод). Изборът на подходяща система зависи от нивото на осигуряване, което се изисква.

Тези решения възпрепятстват обмена на водни пари, като съществуващата остатъчна влага в бетона ще позволи процеса на ASR да продължи още известно време. Следователно, ефикасността и ефективността на осигуряването срещу последващо разширяване ще зависи от това дали допълнителната система е достатъчна, за да поеме допълнителните вътрешни напрежения, които ще възникнат в бетонната структура.

Отстраняване на причините за ASR:

За да настъпи ASR са необходими три фактора, които трябва да присъстват в едновременно в бетона – алкали (алкална среда), реактивни агрегати и влага.

Очевидно е, че при съществуващи структури, страдащи от ASR, реактивните агрегати и алкалната среда не могат да бъдат отстранени. Следователно, единствените практически възможни средства за справяне с причините за ASR са изсушаване на бетона и премахване на влагата, която се изисква, за да предизвика ASR или промяна на характера на реакцията по химически път чрез въвеждане на литиеви съединения или CO2.

Изсушаване на бетона:

Общоприето е, че относителната влажност е добра мярка за определяне на чувствителността на бетона към ASR. Проведени експерименти показват, че разширяването се намалява значително, ако вътрешния относителната влажност (RH) е под 90% и че реакцията спира почти напълно, ако относителната влажност спада под 80%*.

* Pednault, J. 1996. Development of testing and analytical procedures for the evaluation of the residual potential of reaction, expansion, and deterioration of concrete affected by ASR. M.Sc. Memoir. Québec City: Université Laval.

Има няколко различни метода за намаляване на относителната влажност в бетонните структури:
– Подобряване на системата за отводняване;
– Полагане на водонепропусклива, но „дишаща“ (паропропусклива) система на база хидрофобен импрегнатор или защитно покритие (хидрофобен импрегнатор на база силин / силоксан, повърхностни защитни покрития на база акрилат или цимент или комбинация от тези две системи);
– Полагане на еластомерна хидроизолационна мембрана.

Подобряване на системата за отводняване:

При някои случай, предпазването на бетонната структура от ASR може да бъде толкова просто като подобряване на дренажната система, за да се намали проникването на влага.

Всъщност, за всички структури, страдащи от ASR, това винаги трябва да се има предвид в допълнение към всички други възможни мерки.

Полагане на „дишаща“ система:

Хидрофобни импрегнатори:

Използването на хидрофобни импрегнатори на база силан е изследвано подробно в няколко различни страни, вкл. Австралия, Канада, Франция, Германия, Южна Африка и САЩ.

Giannini*описва ясно защо силиани са ефективни за намаляване на влагата в бетона и следователно имат положителен ефект за намаляването на ASR (виж фиг. 5 за описание на механизма на действие на хидрофобните импрегнатори на база силан).

* E.R. Giannini et all, University of Texas, Austin, USA. Coatings and Overlays for Concrete Affected by Alkali Silica Reaction. Concrete Solution 2011, Dresden, Germany.

За повишаване на ефективността, силановия хидрофобен импрегнатор трябва да проникне възможно най-дълбоко в структурата на бетона. Затова следва да се използват дълбокопроникващи импрегнатори като Sikagard®-705 L (течен, 99% силан) и Sikagard®-706 Thixo (кремообразен, 80% силан).

Защитни покрития:

 В Дания, някои дългосрочни (10 годишни) изследвания* са показали, че вододисперсните „дишащи“ покрития са ефективни за спиране или значително намаляване на разрушителния процес, вследствие на алкало-силициева реакция (ASR), докато състоянието на подобни структури, които не са защитени продължава да се влошава. В посочените изследвания е използван Sikagard®-550 W и тази система все още се специфицира от датските пътни органи като метод за редуциране на ASR при мостови конструкции.

* Sika Article Jutland Bridges Investigation, AEC Laboratories, 1994

Комбинация от хидрофобен импрегнатор и защитно покритие:

 Във Франция, проучване* показа ползата от система, която включва силанов хидрофобен импрегнатор и еластомерно покритие на циментова основа. Докато хидрофобения импрегнатор (и в някаква степен циментовото покритие) предотвратява проникването на вода в бетона, еластичното покритие премоства съществуващите пукнатини.

Този подход е възприет в Бразилия при възстрановяване на морско съоръжение, страдащо от ASR, където след първоначалното инжектиране с епоксидна смола за запечатване на пукнатини с ширина над 100 микрона, е използвана комбинация от силанов хидрофобен импрегнатор (Sikagard®-705 L), използван като грунд под еластомерно вододисперсно покритие (Sikagard®-550 W).

* G. Baillemont et all, SANEF. Diagnosis, Treatment And Monitoring Of A Bridge Damaged By AAR 11th International Conference on Alkali‐Aggregate Reaction, Quebec 2000

Полагане на еластомерна хидроизолационна мембрана (паронепропусклива):

Еластомерните водоустойчиви мембрани (на база разтворители или битум) могат да бъдат ефективни при намаляване на проникването на вода в структурата. Въпреки това, всички подобни системи, в най-добрия случай имат изключително ограничена паропропускливост и затова тяхната способност да „дишат“ е силно намалена в сравнение с импрегнаторите на база силан или защитните покрития, които позволяват всяка остатъчна влага или проникване на влага от други повърхности да се отдели чрез повърхностно изпарение.

Следователно, използването на еластомерни хидроизолационни мембрани може в действителност да не намали бъдещото разширяване, тъй като бетона няма да може да изсъхне, следствие на което разширението, предизвикано от ASR може да продължи.

Промяна на характера на реакцията:

Литиеви съединения:

Въпреки че използването на съединения на лития (особено литиево-нитратни) е задълбочено изследвано и е доказано, че са много ефективни като превантивни средства за предотвратяване на развитието ASR в пресен бетон в критични условия, има много малко доказателства в областта, които доказват, че използването на такива състави при втвърден бетон са напълно ефективни.

В тази област Sika е разработила SikaControl®-ASR, състоящ се от патентован състав на база литиев нитрат.

За ефективно спиране на реакцията, литиевото съединение трябва да има достъп до цялата бетонна структура, засегната от ASR. При съществуващи бетонни структури това на практика се оказва много трудно постижима задача.

Въвеждане на CO2:

Използването на СО2 в конструкции за намаляване на алкалността на циментовата паста е изследвано* като средство за намаляване на ASR. Алкалността на средата може да се намали чрез инжектиране на въглероден двуокис в структури, засегнати от ASR. Това ще понижи рН-то на средата, като по този начин се предотвратява по-нататъшно разширяване, следствие ASR.

Все пак тази техника има някои технически ограничения. Нагнетяването на газ под налягане в една вече отслабена структура може да има сериозни деструктивни последици. Освен това, тази техника има и допълнителни последици от карбонизация на бетонната матрица около вградената стоманена армировка, които биха могли значително да увеличат вероятността и степента на бъдеща корозия.

* Calvalcanti and Silveira, 1989

Забележка: Информацията в настоящото и всички други съвети се предоставят добронамерено и се базират на текущите познания и опит на Sika с продуктите при условия на правилно съхранение, боравене и използване в нормални условия в съответствие с препоръките на Sika. Информацията се отнася само за приложенията и продуктите, упоменати в настоящото. При промени в параметрите на използване като напр. промени в основата и др., или за друг вид приложение, консултирайте с Техническата служба на Sika преди да използвате продуктите на Sika. Информацията, съдържаща се в настоящото, не освобождава потребителя на продуктите от задължението да ги изпита за пригодност. Всички поръчки се приемат съгласно нашите текущи условия на продажба и доставка. Потребителите са длъжни винаги да правят справка с последното издание на Лист с технически данни за съответния продукт, копия от които се предоставят по заявка.