Het proces start onzichtbaar in de microstructuur van de betonmatrix. Alkali-ionen uit de cementpasta lossen op in het vrije poriewater en creëren een agressief, basisch milieu dat de silica-atomen in reactieve toeslagkorrels zoals chert of opaal aanvalt. De chemische bindingen in het gesteente breken. Er vormt zich een amorfe alkali-silicagel op de grensvlakken tussen het cement en het gesteente. Deze substantie is extreem hygroscopisch. Zodra vocht uit de omgeving de constructie binnendringt, zuigt de gel zich vol en neemt in volume toe.
Expansie volgt onvermijdelijk. De interne druk in de poriën stijgt tot boven de beperkte treksterkte van het beton. De cementsteen bezwijkt. Er ontstaan microscheuren die traag maar gestaag uitgroeien tot een grillig netwerk. Dit proces is zelfversterkend; de nieuwe scheuren fungeren als transportwegen die vocht nog dieper in de kern van de constructie brengen. In de praktijk wordt de schade na verloop van jaren zichtbaar als een karakteristiek landkaartpatroon aan de oppervlakte. Soms perst de druk de gel zelfs naar buiten. Deze gel kristalliseert bij contact met de buitenlucht tot witte, harde afzettingen bij de scheuropeningen. De mechanische samenhang verdwijnt langzaam maar zeker terwijl de constructie letterlijk van binnenuit wordt opengeduwd.
ASR ontstaat niet zomaar. Drie specifieke componenten moeten gelijktijdig aanwezig zijn om het destructieve proces op gang te brengen. Het begint bij de minerale samenstelling van het toeslagmateriaal. Reactieve silica-vormen, zoals opaal, chalcedoon of bepaalde vuursteensoorten, vormen de voedingsbodem. Tegelijkertijd fungeert het poriewater als transportmiddel. Hierin lossen alkaliën uit het cement op, voornamelijk natrium- en kaliumoxiden, wat de alkaliteit van het beton naar een kritiek niveau tilt. Zonder water stagneert de boel. Een relatieve vochtigheid van meer dan 80 procent is essentieel voor de volumevergroting van de gevormde gel.
De verhoudingen zijn cruciaal. Een lage water-cementfactor kan de reactie vertragen, maar zelden voorkomen als de ingrediënten chemisch onstabiel zijn. Externe bronnen dragen soms bij. Denk aan dooizouten of zeewater. Deze voegen extra alkaliën toe van buitenaf, waardoor zelfs beton dat aanvankelijk veilig leek, na jaren alsnog begint te zwellen. Het is een chemisch mijnenveld.
De gevolgen manifesteren zich traag. Eerst is er de interne druk. De silica-gel zwelt en drukt tegen de wanden van de poriën. Beton kan goed tegen druk, maar slecht tegen trek. Het materiaal bezwijkt van binnenuit. Haarscheurtjes vormen zich rondom de toeslagkorrels. Na verloop van tijd fuseren deze micro-defecten tot grotere, zichtbare scheuren. Het karakteristieke 'landkaartpatroon' verschijnt aan de oppervlakte. Onregelmatig. Grillig. Soms wordt een witachtige, kleverige substantie door de scheuropeningen naar buiten geperst; dit is de vloeibare gel die kristalliseert bij blootstelling aan de lucht.
De constructieve schade gaat dieper dan het oog reikt. De elasticiteitsmodulus van het beton neemt vaak drastisch af. Stijfheid verdwijnt. Hoewel de druksterkte in het begin nog redelijk op peil blijft, zorgt de afname in treksterkte voor grote risico's bij buigspanningen. De samenhang tussen de cementsteen en de wapening raakt verstoord. Door de wijdopenstaande scheuren krijgen agressieve stoffen, zoals chloriden, bovendien vrij spel. Dit versnelt de corrosie van de wapeningsstaven. De constructie verzwakt op meerdere fronten tegelijk.
Alkali-silica-reactie (ASR) is de meest voorkomende vorm van de bredere groep Alkali-Aggregaat-Reacties (AAR). Toch bestaat er een tweede, minder bekende variant: de Alkali-Carbonaat-Reactie (ACR). Waar de reactie bij ASR draait om kiezelzuurhoudende mineralen, vindt ACR plaats bij specifieke kleihoudende dolomitische kalkstenen. Het mechanisme verschilt fundamenteel; bij ACR ontstaat er vaak geen zwelling door gelvorming, maar vindt er een proces plaats dat 'dedolomitisatie' wordt genoemd. De kristalstructuur van het gesteente verandert, wat leidt tot een directe volumevergroting van de korrel zelf. Constructief zijn de gevolgen echter even desastreus.
Niet elk toeslagmateriaal reageert met dezelfde felheid. Men maakt in de betontechnologie onderscheid op basis van de reactiesnelheid en het type mineraal:
In de volksmond wordt ASR vaak 'betonkanker' genoemd. Dit is technisch gezien geen correcte term, maar een verzamelnaam voor diverse degradatieprocessen. Vaak ontstaat er verwarring met carbonatatie of sulfaat-aantasting. Hoewel al deze processen leiden tot betonrot en afbrokkeling, is ASR uniek vanwege de interne expansie van het toeslagmateriaal zelf. Terwijl wapeningscorrosie door indringing van chloriden van buitenaf komt, vreet ASR de constructie van binnenuit op. Het is een endogene aanval op de matrix.
Soms wordt ASR verward met de vorming van secundair ettringiet. Beide processen veroorzaken expansie en scheurvorming. Het verschil zit in de chemische bron. Ettringiet is een sulfaatreactie die de cementsteen aantast, terwijl ASR specifiek de interactie is tussen de alkaliën in de cementpasta en de silicaatstructuur van het grind of zand. Onder een microscoop is het verschil helder: bij ASR ziet men de kenmerkende reactieranden rondom de steenkorrels en de aanwezigheid van de hygroscopische silica-gel in de poriën.
Een viaduct in het natte rivierengebied. Twintig jaar oud. Op het eerste gezicht solide, tot de zon schuin op de pijlers valt en een fijnmazig netwerk van grillige scheuren onthult. Dit is de handtekening van ASR. De silica-gel in de kern zwelt door constant contact met grondwater. Pijlers 'groeien' millimeters. Opleggingen komen klem te zitten. Voegen worden simpelweg dichtgedrukt door de interne expansie van de betonmassa.
Kijk naar een zware machinefundatie in een industriële hal. Hier werden hoge cementgehaltes gebruikt voor een snelle sterkteontwikkeling, wat onbedoeld een enorme hoeveelheid alkaliën in de matrix bracht. De vloer wordt wekelijks nat gereinigd. De perfecte storm. Het beton barst open. Precisie-instellingen van de machines verlopen doordat de fundering van binnenuit opzwelt. Geen reparatie helpt hier; de chemie stopt niet.
Langs de kustlijn zie je het effect bij golfbrekers of kademuren. Hier fungeert het zeewater als externe leverancier van alkaliën. Natrium uit het zout dringt de poriën binnen en jaagt de reactie met de aanwezige vuursteentjes aan. Het resultaat? 'Pop-outs'. Kleine, kegelvormige deeltjes beton die van het oppervlak afspringen omdat een reactieve korrel vlak onder de huid is geëxplodeerd. De korrel zelf is dan vaak nog zichtbaar als een witachtige, poederige kern in het centrum van de krater.
Het proces is verraderlijk. Een constructie kan er jarenlang perfect uitzien. Dan ineens, vaak na een extreem natte periode, verschijnen de eerste symptomen. Het begint lokaal. Het eindigt vaak met een volledige vervanging van de aangetaste delen, omdat de gel blijft zuigen en de druk blijft stijgen. Onstuitbaar.
De wet stelt veiligheid centraal. Het Besluit bouwwerken leefomgeving (BBL) eist dat een constructie gedurende de gehele beoogde levensduur niet bezwijkt. Voor betonconstructies betekent dit in de praktijk een strikte naleving van de geldende technische normen om degradatie door alkali-silica-reactie te minimaliseren. CUR-Aanbeveling 102 fungeert hierbij als de nationale maatstaf voor inspectie. Het beschrijft gedetailleerde methodieken voor het beoordelen van bestaande kunstwerken waarin men expansieve gel vermoedt. Men trekt boorkernen voor petrografisch onderzoek onder de microscoop. Men meet de resterende expansiecapaciteit in laboratoria.
Voor nieuwbouw is CUR-Aanbeveling 89 leidend. Deze richtlijn biedt een concreet stappenplan om schade te voorkomen, bijvoorbeeld door het voorschrijven van cement met een gegarandeerd laag effectief alkaligehalte of het selecteren van gecertificeerd, niet-reactief toeslagmateriaal conform NEN-EN 12620. NEN 8005 vormt de Nederlandse invulling van de Europese betonnorm NEN-EN 206 en bevat specifieke grenswaarden voor de totale alkali-inbreng per kubieke meter betonmortel. Wie deze normatieve kaders negeert, bouwt een onnodig risico in. Een tikkende tijdbom. Constructeurs en betontechnologen moeten expliciet aantonen dat het gekozen mengsel robuust genoeg is voor de blootstellingsklasse. Zeker in vochtige omgevingen. Het gaat om bewijsbaarheid en juridische houdbaarheid bij voortijdige schadeclaims.
Het begon in Californië. Ingenieur Thomas Stanton ontdekte in 1940 dat de mysterieuze expansie in betonconstructies geen willekeur was, maar het directe resultaat van een chemische vete tussen alkaliën en specifieke mineralen in het toeslagmateriaal. Een doorbraak. Toch bleef de Nederlandse betonwereld decennialang in de veronderstelling dat de lokale grind- en zandvoorraden uit de grote rivieren immuun waren voor dit destructieve proces. Men waande zich veilig. Onterecht, zo bleek later.
De omslag in Nederland kwam pas laat. Pas in 1991 werd bij de Wollebrandsluis officieel vastgesteld dat ASR de boosdoener was achter de voortijdige degradatie. Een schok voor de sector. Plotseling bleken ook de vertrouwde Nederlandse bouwmaterialen, zoals vuursteenhoudend riviergrind, reactieve bestanddelen te bevatten die onder de juiste omstandigheden de constructie simpelweg uit elkaar drukten. De jaren negentig stonden daarom in het teken van koortsachtig onderzoek en het in kaart brengen van risicovolle locaties, waarbij viaducten en sluizen die gebouwd waren met Portlandcement (CEM I) en reactief toeslagmateriaal de grootste zorgen baarden.
De technische evolutie volgde de schadegevallen op de voet. Waar men vroeger blind vertrouwde op de sterkte van cement, verschoof de focus naar de chemische samenstelling. Hoogovencement (CEM III) werd de nieuwe standaard voor infrastructurele werken. Waarom? Vanwege het lage gehalte aan effectieve alkaliën en de dichtere microstructuur. Het was een noodzakelijke defensieve zet. De regelgeving veranderde mee. De oprichting van technische commissies leidde tot de eerste CUR-aanbevelingen, die de industrie dwongen om niet alleen naar de mechanische eigenschappen, maar ook naar de petrografische vingerafdruk van het grind te kijken. Een einde aan de onschuld in de betontechnologie.