Alkalireaksjon i betongdammar ved Tyinosen - Metode, resultat og tiltak

Abstract

Masteroppgåva tek føre seg ulike metodar for vurdering av alkalireaksjon i Tyin Dam 1, 2 og 3, med omsyn til levetid og tiltak. På nedstraumsside er dammane prega av rutemønstra oppsprekking, kalkutfellingar og lekkasjar. Største lengd har Tyin Dam 3 med sine 236 meter og vert i denne oppgåva særleg omtala.

Det er utført eit litteraturstudie som skildrar tidlegare forsking kring alkalireaksjon. Hensikta er å legge grunnlag for utveljing av metode og samanlikning av analyseresultat med teori.

Alkalireaksjon (AAR) eller alkali-silika reaksjon (ASR) i betong er ein kjemisk-fysisk reaksjon der alkali-ion i betongens sementpasta reagerer med reaktive bergartar. I reaksjonen vert det danna eit reaksjonsprodukt, ein alkaligel, som har eigenskapen at den svell ved vassopptak. Dette fører til ekspansjon, og kan i skadelege høve resultere i at sementpastaen sin strekkfastheit vert overskride og betongen sprekk opp.

Uttak av kjerneprøvar på nedstraumsside vart utført november 2018. Hausten 2018 vart det gjennomført mottakskontroll og våren 2019 vart det utført ei rad testar og analysar. Desse omfattar tynn- og planslip, SDT og trykkfastheit, PF/DCS og DRI. For fleire testar og analysar vart det også utarbeida eigne prosedyrar.

Observasjon i mottakskontroll indikerte opprissing, sprekkdanning og alkaligel. Tynn- og planslipanalyse viste omfattande rissdanning i og gjennom tilslag og ut i sementpasta, samt ettringitt i luftporer og riss. Ved SDT er ekspansjon estimert til 0,14 – 0,16% basert på ei lineær betraktning av E-modul i ekspansjonsområdet 0 – 0,15%. Testing viser at betongen si trykkfastheit er signifikant lågare i ytre del (24,5 MPa), samanlikna med indre del av kjerneprøven (35,9 MPa). Måling av kapillær vassmettingsgrad viser høgt fuktinnhald (nær 100%), særleg i området 0 – 500 mm. Samstundes er verdiane for makroporøsitet/luftinnhald og PF låge i området 0 – 250 mm. DRI-resultat viser at ytre del (0 – 150 mm) er mindre prega av alkalireaksjon, medan indre del har jamn skadegrad.

Ved å relatere observasjonar av skadebilete til resultata frå analysane i oppgåva viser ytre del av betongen seg mest utsett for frostskadar. SDT viser at alkalireaksjon opnar opp og gjer konstruksjonen meir mottakeleg for fukt. Samspelet mellom parametrane i PF/DCS og SDT, viser at betongen har låg frostmotstand i området 0 – 250 mm. Vidare skadeomfang må sjåast i lys av ekspansjon pga. alkalireaksjon, kritisk vassmettingsgrad, makroporøsitet og PF-verdi. Eit aukande tal frostsyklusar med store temperatursvingingar vil også gje ytterlegare bidrag til nedbryting.

I tiltak for å auke bestandigheit og levetid har oppgåva vurdert støttemur i naturstein, ny betongplate, platekledning med luftspalte og elastisk beleggsystem. Samspelet mellom økonomi, varigheit av tiltaket, levetidsauke, belastning for miljøet og omdøme har vore viktige omsyn. Den endelege tilrådinga for Tyin Dam 2 og 3 er platekledning med luftspalte, og for Tyin Dam 1 elastisk beleggsystem.

This Master's thesis deals with various methods for assessment of alkali reaction in Tyin Dam 1, 2 and 3, regarding longevity and measures. On the downstream side, the dams are characterized by typical map cracking, calcium carbonate in cracks and leaks. The largest length has Tyin Dam 3 with its 236 meters, and is mentioned in this thesis in particular.

A literature study has been performed that shows previously research on alkali reaction. The purpose is to lay the foundation for the selection of method’s and comparison of analysis results with theory.

Alkali Reactions (AAR) or Alkali-Silica Reaction (ASR) in concrete is a chemical-physical reaction where alkali ion’s in the cement paste reacts with reactive aggregates. In the reaction an alkali gel is formed, which has the nature of swelling by water uptake. This leads to an increase in volume (expansion) and can, in damaging cases, lead to exeed of the tensile strength in the concrete and result in cracking.

Extraction of core samples on the downstream side was done in November 2018. In the autumn of 2018, reception control was carried out and in the spring of 2019 a series of tests and analyzes were done. These includes thin and plan polished sections, SDT and compressive strength, PF/DCS and DRI. For several tests and analyzes, separate procedures were also prepared.

Observation in reception control indicated cracking and alkali-silica gel. Analyzes of thin and plan sections showed extensive cracking formation in and through aggregates and into cement paste, as well as ettringite in air pores and cracks. By SDT, expansion is estimated to be 0,14 – 0,16% based on a linear view of the E-modulus in the expansion range 0 – 0,15%. Testing shows that the concrete's compressive strength is significantly lower in the outer part (24,5 MPa), compared to the inner part of the core samples (35.9 MPa). Capillary water suction measurement shows high moisture content (close to 100%), especially in the range of 0 - 500 mm. At the same time, the values for macro porosity/air content and PF are low in the range 0 - 250 mm. DRI results show that the outer part (0 - 150 mm) is less marked by alkali reaction, the inner part of the core has an more even degree of damage. By relating observations of the injuries, to results from the analyzes in the thesis, the outer part of the concrete shows itself most exposed to frost damage. SDT shows that alkali reaction opens and makes the structure more susceptible to moisture. The interaction between the parameters in PF/DCS and SDT shows that the concrete has low degree of frost resistance in the range 0 - 250 mm. Further extent of damage must be seen in connection with expansion due to alkali reaction, critical degree of saturation, macro porosity and PF value. An increasing number of frost cycles with large temperature fluctuations will also contribute to further deterioration.

In measures to increase durability and longevity, the task has considered a supporting wall in natural stone, new concrete slab, plating with air gap and elastic coating system. The interaction between economy, duration of action, lifetime increase, environmental strain and reputation have been important considerations. The final recommendation is for Tyin Dam 2 and 3 plating with air gap and for Tyin Dam 1 elastic coating system.