De aanwezigheid van alkaliën in de betonmatrix begint al bij de thermische processen in de cementoven. Grondstoffen zoals klei en kalksteen worden verhit, waarbij natrium- en kaliumverbindingen worden ingebed in de klinkerfasen. Zodra het cement op de bouwplaats met water in contact komt, vindt er een snelle dissociatie plaats. De alkaliën lossen op. Chemische dynamiek in het aanmaakwater zorgt direct voor een stijging van de concentratie ionen in de porievloeistof. In de praktijk beheerst de betontechnoloog dit proces door de alkaliteit te berekenen als een Na2O-equivalent. Een vaste som. Hierbij wordt het gehalte natriumoxide opgeteld bij 0,658 maal het gehalte kaliumoxide, wat resulteert in een getal dat de totale alkalische potentie van het mengsel representeert.
Tijdens het mengen en de daaropvolgende hydratatie migreren deze ionen door de capillaire poriën. Ze blijven aanwezig in de vloeibare fase tussen de vaste hydratatieproducten. De controle hierop geschiedt via de analyse van productcertificaten van het cement en de toeslagmaterialen. Bij constructies waarbij reactieve silica in het aggregaat aanwezig is, verschuift de uitvoering naar mitigatie. Men past de mengselamenstelling aan. Het gebruik van hoogovenslak of poederkoolvliegas is hierbij een gangbare methode om een deel van de vrije alkaliën chemisch te binden in stabielere verbindingen, waardoor de effectieve concentratie in het poriewater afneemt. Diffusie speelt ook na de verharding een rol; externe alkaliën uit zeewater of dooizouten kunnen de interne balans verstoren door via het poriënstelsel de constructie binnen te dringen, wat een voortdurende chemische interactie binnen de betonmatrix teweegbrengt.
De aanwezigheid van alkaliën in het beton is onvermijdelijk, maar de concentratie ervan wordt door verschillende factoren bepaald. Het proces begint vaak bij de chemische samenstelling van het cement. De klinkerfasen bevatten van nature natrium- en kaliumverbindingen. Een hoog cementgehalte leidt direct tot een hogere alkalische potentie. Externe bronnen verzwaren de belasting aanzienlijk. Dooizouten op brugdekken dringen via het poriewater de matrix binnen. In kustgebieden zorgt de constante blootstelling aan zeewater voor een gestage toename van chloride- en alkalionen door capillaire absorptie en diffusie.
De gevolgen van een te hoge alkaliteit manifesteren zich meestal in de vorm van de alkali-silicareactie (ASR). Wanneer de alkaliën reageren met reactieve mineralen in het toeslagmateriaal, ontstaat er een expansieve alkaligel. Deze gel is hygroscopisch. Hij zuigt vocht op en zwelt. De inwendige druk die hierdoor ontstaat, overschrijdt de treksterkte van het beton. Het resultaat is destructief. Er ontstaat een wijdvertakt netwerk van scheuren, vaak aangeduid als craquelé of landkaartpatroon. Stukjes beton kunnen losschieten bij het oppervlak, de zogenaamde pop-outs. De constructieve samenhang neemt af. Door de scheurvorming krijgt de wapening bovendien minder bescherming, waardoor de duurzaamheid van de gehele constructie op de lange termijn in gevaar komt.
In de betontechnologie maken we primair onderscheid tussen natriumverbindingen en kaliumverbindingen. Hoewel ze chemisch nauw verwant zijn, verschillen ze in hun reactiviteit en moleculaire massa. In analyserapporten kom je ze tegen als natriumoxide (Na2O) en kaliumoxide (K2O). Omdat hun effect op de betonmatrix vergelijkbaar is, worden ze rekenkundig samengevoegd. Dit noemen we het Na2O-equivalent. Het is een gestandaardiseerde eenheid. Het telt de totale alkalische potentie op in één getal. Hierbij wordt het kaliumgehalte gecorrigeerd met een factor 0,658. Puur chemische logica om de verschillen in atoomgewicht te overbruggen.
Cementspecificaties kennen een cruciale variant: het LA-cement. De afkorting staat voor Low Alkali. Dit is cement met een gegarandeerd laag alkaligehalte, meestal begrensd op een Na2O-equivalent van 0,60%. Het is de standaardkeuze bij projecten waar de kans op schadelijke reacties groot is. Denk aan viaducten of waterkeringen. Regulier cement kent deze beperking niet. Het verschil is essentieel. Bij gebruik van reactieve toeslagmaterialen, zoals bepaalde soorten grind of zandsteensplits, is de keuze voor de LA-variant de enige weg om expansie en scheurvorming op termijn te voorkomen.
Er bestaat vaak verwarring tussen alkaliën en de alkaliteit (pH-waarde) van beton. Ze zijn niet inwisselbaar. Alkaliën zijn de specifieke stoffen. De natrium- en kaliumionen die in de porievloeistof rondzwemmen. Alkaliteit daarentegen is een status. Het beschrijft de basische toestand van het beton. Een betonmengsel kan een zeer hoge alkaliteit hebben (pH > 13) door de aanwezigheid van calciumhydroxide, terwijl het gehalte aan vrije alkaliën relatief laag blijft. Alkaliën zijn de drijvende kracht achter specifieke chemische reacties zoals ASR, terwijl de algemene alkaliteit zorgt voor de bescherming van de wapening. Twee verschillende mechanismen onder één noemer.
Een inspecteur op een parkeerdek spuit een indicatorvloeistof op een vers breukvlak van een betonkern. De felle roze verkleuring is direct zichtbaar. Een goed teken. De alkaliën in het poriewater houden de pH-waarde hoog genoeg om de wapening te beschermen tegen corrosie. Hier zie je de nuttige kant van de chemie in actie.
Kijk naar een betonnen fietspad in een waterrijk gebied. Kleine, kegelvormige kratertjes ontsieren het oppervlak. Pop-outs. Een reactief korreltje grind is door de concentratie alkaliën gaan zwellen en heeft het bovenliggende beton simpelweg weggedrukt. Een visueel bewijs van de expansieve kracht die alkaliën kunnen ontketenen wanneer de mengselsamenstelling niet optimaal is afgestemd op de omgeving.
De laborant in de betoncentrale voert een snelle check uit op een nieuw binnengekomen partij toeslagmateriaal. Hij weet dat de alkaliën in het cement een vaste waarde zijn, maar de mineralogie van het zand kan variëren. Bij twijfel over de reactiviteit van de silica in het zand schakelt hij direct over naar een hoogovencement. Het verlagen van de effectieve alkaliteit in het mengsel is op dat moment de enige manier om de duurzaamheid van de toekomstige constructie te garanderen.
Langs de snelweg vertoont een steunpunt van een viaduct een fijnmazig netwerk van scheuren. Het lijkt op een opgedroogde rivierbedding. In deze barsten zit een glazige substantie die hard aanvoelt. Dit is de alkaligel die naar buiten is geperst. De constructie 'zweet' als het ware zijn eigen afbraakproducten uit door de jarenlange interactie tussen cementionen en het toeslagmateriaal.
Vroeger was beton chemisch tam. Romeinse mortels en middeleeuwse kalkmengsels bevatten nauwelijks vrije alkaliën, simpelweg omdat de brandtemperaturen in de ovens te laag waren om deze stoffen uit de grondstoffen te mobiliseren. De ommekeer kwam met de industriële revolutie. De uitvinding van de roterende cementoven aan het eind van de negentiende eeuw maakte hogere baktemperaturen mogelijk, vaak boven de 1450 graden Celsius. Men bouwde sneller. Men bouwde groter. Maar onbedoeld raakten natrium- en kaliumverbindingen uit klei en kalksteen effectiever ingebed in de cementklinker. De alkali-concentratie in bouwwerken steeg wereldwijd zonder dat men de gevolgen overzag.
Het jaar 1940 geldt als het technische nulpunt. Thomas Stanton, een ingenieur in Californië, legde toen voor het eerst het verband tussen mysterieuze scheurvorming in betonwegen en de interactie tussen alkaliën uit cement en reactieve bestanddelen in het zand en grind. Voor die tijd was schade aan beton een raadsel. Een kwestie van 'slechte pech' of uitvoeringsfouten. De ontdekking van de alkali-silicareactie (ASR) veranderde de betontechnologie fundamenteel van een puur mechanische discipline naar een chemische wetenschap.
In Nederland kwam het besef van de risico's pas echt op stoom tijdens de grootschalige infrastructuurprojecten in de tweede helft van de twintigste eeuw. Toen viaducten uit de jaren '60 na enkele decennia tekenen van landkaartachtige scheurvorming vertoonden, werd de noodzaak voor regulering dwingend. De introductie van LA-cement (Low Alkali) in de normatieve kaders was een directe reactie op deze schadegevallen. Wat ooit begon als een onbedoeld bijproduct van efficiëntere cementproductie, is nu een van de meest kritische ontwerpvariabelen in de betonmortelindustrie. De focus verschoof van kortstondige druksterkte naar chemische stabiliteit over een levensduur van honderd jaar of meer.
Joostdevree | Nl.wikipedia | En.wikipedia | Betonhuis | Libstore.ugent | Bwk.kuleuven | Duurzaam-betonherstel