Mer bærekraftig betong vil spare samfunnet for milliarder

Betong består av cirka 70 prosent sand og stein, kalt tilslag, og cirka 30 prosent sementpasta. Det er bindemiddel bestående av sement, ulike tilsetningsmaterialer og vann. 

Såkalte alkalireaksjoner er skader forårsaket av en langsom reaksjon mellom alkalireaktive bergarter og bestanddeler i sementpastaen. Disse bergartene inneholder mineralet kvarts i en form som kan føre til slike skader.  

Hvis mengden av slike bergarter i betong blir høy nok, kan det føre til skader. 

Forskning siden 1990

Alkalireaksjoner i betong vil koste samfunnet mange milliarder kroner på grunn av redusert levetid og behov for omfattende rehabilitering. I alle fall om vi ikke gjør noe.

Det meste av betong i bruer, dammer, kraftverk og fundamenter for kraftledninger ble nemlig bygget før 1990. Dette var året da forskningen på alkalireaksjoner startet opp ved Sintef og NTNU.

– Forskningen ga relativt raskt et faglig grunnlag for å etablere prøvingsmetoder og regelverk i Norge for å unngå alkalireaksjoner i nye konstruksjoner, forteller seniorforsker Jan Lindgård i Sintef.

Lindgård har forsket på betong siden 1990. 

Han framhever samarbeid med andre internasjonalt ledende fagmiljøer og NTNU som en suksessfaktor.

– Den samlede faglige innsatsen har gjort oss i stand til å bygge mer bærekraftige betongkonstruksjoner med stadig lengre levetid. Det både sparer samfunnet for mange milliarder kroner og reduserer CO2-utslipp.

Ønsker bruk av lokale ressurser 

Forskningen i Norge har hovedsakelig handlet om hvordan man skal bygge bestandige og bærekraftige konstruksjoner av betong med minimal risiko for utvikling av alkalireaksjoner.

Man fant tidlig ut at alkalireaktive tilslag finnes i store deler av landet. Derfor har forskerne hatt to hovedprioriteringer: 

Den ene er å utvikle bindemidler eller sementtyper som skal forhindre utvikling av alkalireaksjoner. 

Den andre er å utvikle pålitelige prøvingsmetoder. Det er for å dokumentere langtids bestandighet for betonger med alkalireaktive tilslag og disse bindemidlene.

– Dermed kan man bruke lokal stein og sand i betongen og spare dyr og forurensende transport, forklarer Lindgård.

Disse er også mer miljøvennlige. Det er fordi en stadig større andel av det som kalles sementklinker erstattes med andre tilsetningsmaterialer.  Sementklinker er små, harde kuler som dannes ved oppvarming av kalkstein og leire. De bidrar til CO2-utslipp under produksjonen.

Vulkansk aske fra Island

I snart 30 år har Heidelberg Materials og flere andre sementprodusenter benyttet flygeaske som erstatning for sementklinker. Dette er et restprodukt fra kullfyrte kraftverk.

Men dette må snart byttes ut med nye materialer. Grunnen er at kullfyrte kraftverk er i ferd med å fases ut.

Ifølge senior prosjektleder Børge Johannes Wigum fra Heidelberg Materials er vulkansk aske fra Island et svært lovende nytt materiale.

– Dette naturlige materialet har tilnærmet tilsvarende egenskaper som flyveaske når det er blandet i sement. Blant annet forhindrer det skadelige alkalireaksjoner, forteller han.

– Til tross for at materialet må tørkes og finmales, har det et veldig lavt CO2-fotavtrykk sammenlignet med sement. Iblanding av rundt 20 prosent vil dermed forbedre sementens klimaregnskap betydelig.

Har forbedret prøvingsmetodene 

Når man skal bygge en ny betongkonstruksjon med levetid på 100 år, er man helt avhengig av å ha metoder for funksjonsprøving som er pålitelige. Det kan for eksempel være bygging av en bro.

I løpet av de siste 25 årene har Jan Lindgård gjennom flere større forskningsprosjekter vært opptatt av å videreutvikle og forbedre slike metoder.

– Når vi skal dokumentere egnetheten til nye tilsetningsmaterialer, er det helt essensielt å forstå skademekanismene. Videre må vi forstå hvordan ulike materialer oppfører seg ved ulike prøvingsmetodene i laboratoriet, forklarer han.

Utfordringer for norske eksportører av tilslag 

Fremdeles har vi et nasjonalt regelverk for alkalireaksjoner. De fleste andre betongområder følger et europeisk regelverk.

– Vårt system er forutsigbart og fleksibelt for produsentene av tilslag, sement og betong. Siden systemet ble etablert midt på 1990-tallet, har det vært i stadig utvikling for å øke påliteligheten etter hvert som forskningen har gitt ny kunnskap, sier Lindgård.

Siden det er nasjonale regler som gjelder, benytter ulike europeiske land ulike prøvingsmetoder og kriterier for aksept ved import av tilslag. Norge er storeksportør av tilslag til Europa. De opplever ofte at et manglende felles regelverk gir uforutsigbarhet.

– Et betongtilslag kan være godkjent som ikke-alkalireaktivt i Norge. Likevel risikerer det å bli klassifisert som alkalireaktivt for eksempel ved import i Tyskland og vice versa, forklarer Lindgård.

Norske forskere og andre aktører i betongbransjen har derfor jobbet aktivt internasjonalt de siste 25 årene. Målet er å utvikle pålitelige, felles internasjonale prøvingsmetoder.

Mange tusen konstruksjoner vil utvikle skader 

I Norge har vi rundt 12.000 betongbroer, flere tusen betongdammer og mange hundre tusen betongfundamenter til hovedstrømledningene. Det meste ble bygget før vi ble oppmerksomme på at alkalireaksjoner er noe som angår oss i Norge.

Hvis man forsiktig anslår at cirka 30 prosent av disse konstruksjonene har en betongsammensetning som kan føre til alkalireaksjoner, betyr det at mange tusen konstruksjoner vil utvikle skader over tid. 

Om man klarer å forlenge levetiden til disse med noen få år, vil det bety milliarder spart. 

Karakteristisk rissmønster forårsaket av alkalireaksjoner på et søylefundament for en 60 år gammel bro. (Foto: Jan Lindgård / Sintef)

Potensialet er imidlertid en betydelig større forlengelse av levetiden.

– Et godt estimat er at et effektivt rehabiliteringstiltak som kan forlenge levetiden med cirka 30 år, bare vil medføre en kostnad og et CO2-utslipp på 5–10 prosent i forhold til alternativet med riving og nybygging, sier Lindgård.

Med bakgrunn i dette har ekspertene de senere årene også sett på hvordan man skal håndtere eksisterende konstruksjoner som er utsatt for alkalireaksjoner.

Dette gjelder både analysemetoder i laboratoriet og beregningsmetodikk. Det finnes ikke et regelverk i dag for hvordan man skal beregne en konstruksjon med alkalireaksjoner. 

Samarbeider med Statens vegvesen

Forskerne ser også på hvordan man kan gjøre kompliserte tiltak for vedlikehold og reparasjon.

Forskere ved Statens vegvesen har sammen med kolleger ved NTNU og Sintef sett nærmere på dette. De ser nå blant annet på alkalireaksjoner i bruer.

Jan Lindgård ved Sluppen viadukt i Trondheim. Der støpes det nå nye kantdragere. De gamle måtte byttes ut på grunn av alkalireaksjoner kombinert med påfølgende frostnedbryting. (Foto: Eva Rodum / Statens vegvesen)

Sjefingeniør Bård M. Pedersen fra Statens vegvesen understreker viktigheten av dette forskningsarbeidet.

– Prosjektet vil bidra til sikrere kunnskap om hvordan denne skademekanismen påvirker lastsituasjon og bæreevne. Dette vil kunne gjøre oss bedre rustet til å bevare de cirka 12.000 betongbruene i det norske vegnettet lengst mulig, sier han.

Viktig forskning gjenstår

For å unngå å bygge nye betongkonstruksjoner som kan utvikle skader undersøker forskere nå om tilslaget også kan bidra med alkalier til betongen. Det kan øke risikoen for framtidige skader. De ser også på hvordan man kan ta hensyn til dette i regelverket.

Derfor er det fortsatt et stort behov for videre støtte fra Forskningsrådet, større byggherrer og viktige samarbeidspartnere i betongbransjen, ifølge Lindgård.

– På sikt vil dette være vel anvendte midler. Det vil gi store samfunnsøkonomiske gevinster i form av mer bærekraftige og bestandige nye betongkonstruksjoner. Det vil også gi forlenget levetid for eksisterende konstruksjoner, sier han.

– Og når levetiden til konstruksjonene øker, gir det i tillegg et viktig bidrag til reduksjon av klimagassutslipp.