UDK 691.3:622.362(497.6):622.354(497.6) Strokovni članek ISSN 1580-2949 MATER. TEHNOL. 34(1-2)103(2000) A. MLADENOVIČ ET AL.: ALKALNO-REAKTIVNE PETROGRAFSKE KOMPONENTE… ALKALNO-REAKTIVNE PETROGRAFSKE KOMPONENTE V AGREGATU ZA BETON IZ POREČIJ DRAVE IN MURE ALKALI - REACTIVE PETROGRAPHIC COMPONENTS IN AGGREGATE FOR CONCRETE FROM THE BASINS OF THE RIVERS DRAVA AND MURA Ana Mladenovič, Nada Vižintin, Sabina Drnovšek Zavod za gradbeništvo Slovenije, Dimičeva 12, 1000 Ljubljana, Slovenija Prejem rokopisa - received: 1999-11-10; sprejem za objavo - accepted for publication: 1999-12-20 Agregat za beton iz porečij Drave in Mure izkazuje povečano topnost v alkalnem mediju. Da bi točno opredelili, katere so tiste petrografske komponente, ki vstopajo v reakcijo z alkalijami, smo se v okviru sistematičnih raziskav v tej fazi osredotočili na kremen in gnajs. Topnost kremena in gnajsa iz izbranih aktivnih nahajališč smo določili po metodi ASTM C289-94. Vzorci so imeli enako in manjšo zrnavost, kot jo predpisuje standard. Rezultati kažejo, da moramo, ne glede na zrnavost, kremen iz obeh porečij klasificirati kot reaktivno komponento, da pa se njegova reaktivnost z drobljenjem močno zviša. Izmerjena topnost gnajsa v alkalnem mediju je nizka, kar glede na njegovo mineralno sestavo kaže na kamnino z zapoznelo reaktivnostjo. Ključne besede: alkalno-silikatna reakcija, agregat za beton, kremen, gnajs Concrete aggregate taken from gravel pits belonging to the sedimentation basins of the rivers Drava and Mura exhibits solubility in alkaline media. In order to find out which petrographic components react with alkalis, systematic research was performed, focussed on two aggregate components - quartzand gneiss. Solubility in alkali solutions was determined on samples of quartzand gneiss, taken from selected gravel pits, according to the ASTM Standard C289-94. Both the grain size distribution prescribed by the standard, and a finer grain size distribution, were taken into account. The results of the tests showed that, without respect to grain size, the quartz from the two treated river basins should be classified as a reactive component, and that its reactivity increases strongly with finer crushing. The measured solubility of gneiss in the alkaline solution according to ASTM C289-94 was found to be low, which, taking into account its mineral content, indicates a type of rock with delayed reactivity. Key words: alkali-silica reaction, concrete aggregate, quartz, gneiss 1 UVOD Poškodbe betona povzročajo različni fizikalni in kemijski procesi, ki pogosto delujejo istočasno, vplivajo eden na drugega celo katalitično in jih je praktično nemogoče kvantitativno razmejiti. Eden od patogenih procesov v betonu je alkalno-silikatna reakcija (ASR), ki poteka med alkalijami in reaktivnim silikatnim agregatom1. Pogoj za reakcijo je vitalni prispevek okolja v obliki vlage in temperaturnih nihanj. Alkalije so sestavina portlandskega cementa, lahko pa v betonsko konstrukcijo prodrejo kasneje izokolja (kot posledica soljenja). Reaktivne minerale in kamnine klasificiramo glede na njihovo topnost in hitrost reakcije v alkalijah v dve skupini: tiste, ki zalkalijami reagirajo močno in hitro (opal, kristobalit, tridimit, vulkansko steklo, mikro- in kriptokristalni kremen ter makro-kristalni kremen zdeformirano kristalno mrežo)2, in tiste, ki zalkalijami reagirajo počasi oziroma pride do reakcije šele čeznekaj časa (kamnine, ki imajo v sestavi kremen zdeformirano kristalno mrežo, kot so kvarciti, gnajsi, filiti, argiliti, peščenjaki)3. Reakcijski produkt je ekspanzivni hidrofilni gel. Povečanje prostornine gela in s tem prostornine betona spremlja pojav notranjih pritiskov, ki po Diamondu4 lah-MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2 ko dosežejo do 7 MPa. Reakcija se navzven manifestira v pojavu karakterističnih razpok v betonu in pogosto tudi sekundarnih izločkov. Sama ASR je za beton le redko uničujoča, nevarna je predvsem zato, ker razpokanost betona posredno omogoča dostop in delovanje drugih škodljivih dejavnikov in s tem njegovo pospešeno propadanje. Ključni varnostni ukrep za preprečevanje ASR je, poleg opredelitve in presoje atmosferske obremenjenosti bodoče konstrukcije v zunanjem okolju, uporaba agregatov s petrografskimi komponentami, ki ne bodo reagirali zalkalijami v takšnem obsegu, da bi to povzročilo nastanek poškodb v betonu. Nevarnost ASR v Sloveniji se po dosedanjih raziskavah pojavlja v izpostavljenih betonih, pripravljenih zagregatom izporečij Mure in Drave. V obeh vrstah agregatov prevladujejo silikatne komponente identične petrografske sestave, ki nekoliko variirajo le glede vsebnosti. Med njimi prevladujejo različni kristalizacijski različki kremena in kremen s deformirano kristalno mrežo. Bistvene komponente so še kvarcit, gnajs in peščenjak, torej kamnine in minerali, ki veljajo za potencialno reaktivne5. 103 A. MLADENOVIČ ET AL.: ALKALNO-REAKTIVNE PETROGRAFSKE KOMPONENTE… 2 EKSPERIMENTALNO DELO Preiskave so nadaljevanje sistematičnega preuče-vanja reaktivnih petrografskih komponent v agregatu za beton v porečjih Drave in Mure. Kot reaktivno kompo-neto smo v prvi fazi že identificirali kvarcit5, v tej pa smo se osredotočili na kremen in gnajs. Gnajs je plastovita do masivna metamorfna kamnina, po sestavi pretežno izkremena, glinencev in sljude. Analizirali smo vzorce iz dveh gramoznic v porečju Drave in izštirih v porečju Mure. Izpovprečne sestave agregata za beton smo izločili zrna kremena in gnajsa. Pri kremenu nismo posebej opredeljevali velikosti kristalizacije kremenovih zrn in deleža z deformirano kristalno mrežo. Kot problem na področju preučevanja ASR se vsa leta od odkritja reakcije izpostavlja dejstvo, da je korelacija med napovedovanjem ASR v betonu na osnovi laboratorijskih simulacijskih metod in postavljenih meril ter dejanskim obnašanjem betona med dobo uporabnosti pri mnogih agregatih in v mnogih okoljih slaba6. To kaže predvsem na dvoje: da z laboratorijsko simulacijo ni možno zajeti vseh različnih pogojev okolja ter da se agregati kot naravni materiali obnašajo izrazito individualno, pogosto nepredvidljivo, zato njihove reaktivnosti ni možno zajeti in razložiti z neko uniformirano metodo. Razlike lahko nastanejo celo znotraj sedimentacijskega bazena in znotraj istih petrografskih vrst. Po Gratham Belowu7,8 je za vsak regionalni petrografski bazen in klimatske razmere treba oblikovati lastna merila. Ob upoštevanju omenjene problemtike smo za določanje reaktivnosti agregata v alkalnem mediju v osnovi privzeli preskusno metodologijo, ki jo predpisuje standard ASTM C 289-949. Reaktivnost kremena in gnajsa iz posameznih gramoznic smo najprej analizirali skladno s standardom. V drugi fazi smo namesto na zrnavosti 0,15 - 0,3 mm, kakršno predpisuje standard, določili reaktivnost kremena in gnajsa zrnavosti 0,0 - 0,3 mm. Na obeh petrografskih različkih smo namreč želeli preveriti v svetu eksperimentalno potrjene ugotovitve7,10, da drobljenje kremena pod 100 µm bistveno poveča njegovo topnost. Zrnavost 0,0 - 0,3 mm obenem tudi bolje reprezentira zrnavostno sestavo finih zrn v agregatu za beton. Vsebnost zrn 0,0 - 0,15 mm je bila v analiziranih vzorcih od 56,9 do 65,4 mas%. 3 REZULTATI IN RAZPRAVA 3.1 Alkalna reaktivnost kremena Podatki o alkalni reaktivnosti kremena izporečij Drave in Mure so prikazani na diagramu na sliki 1. Parameter Sc pomeni količino raztopljenega SiO2, Rc pa zmanjšanje alkalnosti reagenta. Bistvena ugotovitev je razlika v topnosti kremena glede na začetno velikost zrn, ki vstopajo v reakcijo z Slika 1: Rezultati alkalne reaktivnosti kremena Figure 1: The results of alkali reactivity of quartz alkalijami. Glede na eksperimentalno določena razmejitvena merila v standardu se rezultati topnosti zrnavosti 0,15 - 0,3 mm koncentrirajo na meji med neškodljivim in škodljivim agregatom. Le en vzorec (Drava, gramoznica 2) izkazuje rezultat, ki ga še uvršča v področje neškodljivega agregata, medtem ko drugi vzorec iz porečja Drave in vse vzorce iz porečja Mure klasificiramo kot škodljiv agregat. Topnost kremena z zrnavostjo 0,0 - 0,3 mm material uvršča v škodljivo področje. Rezultati o količini raztopljenega SiO2 v analiziranih vzorcih kremena so podani v tabeli 1. Analize dokazujejo 3- do 4-krat več raztopljenega SiO2 v vzorcu zrnavosti 0,0 - 0,3 mm v primerjavi z vzorcem zrnavosti 0,15 - 0,3 mm. Ugotovitev je pomembna za tehnološko prakso, zlasti pri izdelavi prefabriciranih betonskih elementov (cevi, tlakovci, robniki), kjer se kot agregat praviloma uporablja zrnavost do 4 mm in istočasno nakazuje vzrok ali enega od vzrokov poškodb, ki so evidentirani na teh materialih v dobi uporabnosti. Tabela 1: Količina raztopljenega SiO2 v analiziranih vzorcih kremena Table 1: Disolved silica in analysed samples of quartz Vzorec Vsebnost raztopljenega SiO2 (mmol/l) v vzorcih kremena različne zrnavosti 0,0 - 0,3 mm 0,15 - 0,3 mm Drava, gramoznica 1 47,5 131,0 Drava, gramoznica 2 40,9 162,4 Mura, gramoznica 1 29,7 123,4 Mura, gramoznica 2 37,9 130,4 Mura, gramoznica 3 41,7 163,3 104 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2 A. MLADENOVIČ ET AL.: ALKALNO-REAKTIVNE PETROGRAFSKE KOMPONENTE… Slika 2: Rezultati alkalne reaktivnosti gnajsa Figure 2: The results of alkali reactivity of gneiss 3.2 Alkalna reaktivnost gnajsa Rezultati alkalne reaktivnosti gnajsa iz porečij Drave in Mure so prikazani na diagramu na sliki 2. Rezultati reaktivnosti uvrščajo gnajs iz obeh porečij v področje neškodljivega agregata. Bistvene razlike v topnosti med zrnavostjo 0,0 - 0,3 mm in 0,15 - 0,3 mm nismo ugotovili. Glede na dejstvo, da gnajs kot metamorfna kamnina, nastala pri povišanem pritisku in temperaturi nedvomno vsebuje kremen zdeformirano kristalno mrežo, ki je poleg tega bistvena komponenta, ni verjetno, da bi bil gnajs v resnici inertna kamnina. Menimo, da gre za kamnino, ki je zapoznelo reaktivna in ki jo zuporabljeno standardizirano metodo in veljavnim merilom ni možno ovrednotiti. 4 SKLEP Z namenom, da bi opredelili reaktivne petrografske komponente v agregatu za beton iz gramoznic v porečjih Drave in Mure, smo v tej fazi analizirali alkalno reaktivnost kremena in gnajsa. Izrezultatov analizpovzemamo ključne ugotovitve: a) vzorci kremena iz izbranih gramoznic po standardiziranem merilu sodijo med reaktivne komponente b) topnost kremena se z zmanjševanjem velikosti zrn močno zviša c) gnajsa zuporabljeno metodo nismo mogli opredeliti kot reaktivnega, glede na sestavo, v kateri prevladuje kremen pa sodimo, da kamnine ni možno identificirati kot nereaktivne, temveč gre za kamnino z zapoznelo reakcijo, pri kateri bo treba eksperimentalno s cementom določiti njegovo hitrost in obseg reakcije zalkalijami. 5 LITERATURA 1 D.W. Hobbs, Alkali-silica Reaction in Concrete. Thomas Telford, London, 1988, 7-11 2 L. Dolar-Mantuani, Handbook of Concrete Aggregates. Noyes Publications, New Jersey, 1983, 84-113 3 D.M.Roy, J.H.Lee, AAR Investigation of Concretes for Storage of Radioactive Waste. The 10th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete. Melbourne, 1998, 39-50 4 S. Diamond, Another Look at Mechanisms. The 8th International Conference on Alkali Aggregate Reaction, Kyoto, 1989, 83-94 5 A. Mladenovič, N. Vižintin, Kovine zlit. tehnol., 31 (1997) 1-2, 173-175 6 R.N.Swamy, Assesment and Rehabilitation of AAR-affected Structure. The 10th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete. Melbourne, 1998, 68-83 7 P .E. Grattan-Bellew, Evaluation of Test methods for Alkali-aggregate Reactivity. The 6th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete. Copenhagen, 1983, 303-312 8 P .E. Grattan-Bellew, Test Method and Criteria for Evaluating the Potential Reactivity of Aggregates. The 8th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete. Kyoto, 1989, 279-294 9 ASTM 289-94, Standard Test Method for Potential Alkali-Silica Reactivity of Aggregates (Chemical Method). Annual Book of ASTM Standards, 1994, Vol. 04.02. (Concrete and Aggregates) 10 D. Sorentino, J.Y. Clement and J.M. Goldberg, A New Approach to Characterize the Chemical Reactivity of the Aggregates. The 9th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete. London, 1992, 1009-1016 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2 105