แหล่งหินที่มีแนวโน้มการเกิดปัญหาอัลคาไลซิลิก้า

         การขยายตัวทางเศรษฐกิจของประเทศส่งผลให้มีโครงการก่อสร้าง ทั้งสิ่งก่อสร้างที่เป็นอาคาร และสาธารณูปโภคพื้นฐานทั้งขนาดใหญ่และเล็กเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องจำนวนมาก งานก่อสร้างเหล่านี้มีมูลค่านับแสนล้านบาท และต้องใช้มวลรวมทั้งหินและทรายจำนวนมากเพื่อรองรับงานก่อสร้าง แหล่งวัสดุคุณภาพดีจึงเป็นพื้นฐานสำคัญในการก่อสร้าง และอาจกลายเป็นปัญหาเรื่องความปลอดภัยของโครงสร้าง อายุใช้งาน ลักษณะการใช้งาน รวมทั้งค่าใช้จ่ายในการดูแลรักษา  เนื่องจากปัญหาคุณภาพของวัสดุมวลรวมที่ใช้ในการก่อสร้าง ที่พบความเสียหายของคอนกรีตจากการปนเปื้อนแร่ไพไรต์ในมวลรวม ตลอดจนมีหลักฐานยืนยันลักษณะการเสื่อมสภาพทางเคมีโดยเฉพาะปัญหาอัลคาไลทำปฏิกิริยากับซิลิก้าในมวลรวม (Alkali Silica Reaction, ASR) ซึ่งหากเกิดปัญหานี้ขึ้นแล้วการแก้ไขจะทำได้ยากและสร้างความเสียหายอย่างมาก

  

การแตกร้าวระดับจุลภาค (Microcrack) จากปฏิกิริยา ASR ที่มีซิลิก้าเจลสะสมในรอยร้าว

รูปซ้ายบนและล่างเป็นรอยร้าวของหิน dolomitic chert  รูปขวาบนและล่างเป็นรอยร้าวของหิน chert

 

เขื่อน Val de la Mare เป็นการค้นพบปัญหาปฏิกิริยา ASR แห่งแรกของเกาะอังกฤษ

  โดยธรรมชาติแล้วมวลรวมมีพื้นฐานมาจากหินซึ่งเป็นวัสดุธรรมชาติที่แปรปรวนและมีความหลากหลายมากทั้งจากแร่ธาตุที่เป็นองค์ประกอบ แหล่งกำเนิด ลักษณะการก่อตัว และการผุกร่อนเปลี่ยนสภาพ จากสภาวะแวดล้อมจนอยู่ในสถานะที่นำมาใช้ในการก่อสร้าง  มีรายงานเป็นจำนวนมากกล่าวถึงการเกิดปัญหาเสื่อมสภาพของคอนกรีตเนื่องจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างแร่ธาตุบางชนิดที่ไวต่อการเกิดปฏิกิริยาที่ปนอยู่ในมวลรวมและสารอัลคาไลในปูนซีเมนต์ ที่รู้จักกันในชื่อปฏิกิริยาอัลคาไลกับมวลรวม (Alkali Aggregate Reaction, AAR) โดยแร่ธาตุที่ไวต่อการเกิดปฏิกิริยา เช่น ซิลิก้า (Silica) หรือ คาร์บอเนตบางชนิด ซึ่งจะทำให้เกิดปัญหาการเสื่อมสภาพจากมวลรวมที่ต่างกัน   เกือบทั่วโลกมีรายงานการเสื่อมสภาพของโครงสร้างหรือสาธารณูปโภคเนื่องจากปํญหา AAR กลุ่มย่อยหนึ่ง คือการเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลน์ซิลิก้า (Alkali Silica Reaction , ASR) นับตั้งแต่ปี ค.ศ.1940 การเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลน์ซิลิก้านี้จะเป็นไปอย่างช้าๆ โดยปกติใช้เวลานาน อาจกินเวลาถึง 5 – 15 ปี ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม ลักษณะของมวลรวม และปริมาณอัลคาไลในซีเมนต์  ถึงแม้ในประเทศไทย (ก่อนปี คศ. 2009) ยังไม่มีรายงานอย่างเป็นทางการถึงการเสื่อมสภาพจากสาเหตุการเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลน์ซิลิก้านี้มาก่อน ทั้งนี้อาจเพราะมวลรวมที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรมก่อสร้างในประเทศไทยมักเป็นหินปูนคุณภาพดี จึงยังไม่เคยมีรายงานปัญหา ASR มาก่อน อย่างไรก็ตาม จากข้อมูลกรมทรัพยากรธรณี กระทรวงทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม และสำนักเหมืองแร่และสัมปทาน กรมอุตสาหกรรมพื้นฐานและการเหมืองแร่ กระทรวงอุตสาหกรรม พบว่ามีแหล่งหินอุตสาหกรรมในประเทศประมาณร้อยละ 15 ที่เป็นหินประเภทซึ่งอาจมีปัญหาในด้าน ASR ได้ เช่น หินแกรนิต บะซอลท์ ควอทไซด์ แอนดีไซด์ เป็นต้น

  ถึงแม้งานก่อสร้างโครงการขนาดใหญ่ยังคงใช้หินปูนคุณภาพดีในรูปคอนกรีตผสมเสร็จ เป็นมวลรวมหลัก ซึ่งผู้ผลิตคอนกรีตรายใหญ่มักจะมีกระบวนการคัดกรองแหล่งหินเพื่อเลี่ยงจากการใช้แหล่งหินที่มีปัญหา ขณะที่หากเป็นโครงการขนาดเล็ก ยังมีการติดตามการเสื่อมสภาพที่ค่อนข้างจำกัด แม้ปฏิกิริยานี้ยังเป็นที่รู้จักกันน้อยในประเทศไทย แต่ในปัจจุบันเริ่มมีรายงานการพบปัญหานี้อย่างเป็นทางการแล้วตั้งแต่ปี คศ. 2009 ซึ่งจัดเป็นการเสื่อมสภาพทางเคมีลักษณะหนึ่ง อาจเนื่องมาจากการก่อสร้างที่ขยายตัวในปัจจุบัน จนปริมาณของแหล่งหินปูนคุณภาพดีเริ่มมีจำกัด ทำให้พบงานก่อสร้างบางส่วนที่อาจมีการใช้แหล่งหินที่มีคุณภาพด้อยลง ซึ่งทำให้มีความเสี่ยงต่อการเกิดการเสื่อมสภาพของคอนกรีตจากปัญหาอัลคาไลซิลิก้ามากขึ้น  ผู้เกี่ยวข้องจึงจำเป็นต้องให้ความสนใจปัญหาดังกล่าวมากขึ้นกว่าในอดีต

      รศ.ดร.สุวิมล สัจจวาณิชย์ อาจารย์ภาควิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ ร่วมกับ ดร. กฤษณ์ วันอินทร์ จากภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ คณะวิทยาศาสตร์ และ ผศ.ดร.ดวงฤดี ฉายสุวรรณ ภาควิศวกรรมวัสดุ คณะ วิศวกรรมศาสตร์ จึงได้ทำการวิจัยเรื่อง ปัญหาจากแหล่งมวลรวมและการเสื่อมสภาพของโครงสร้างจากปัญหาอัลคาไลน์ซิลิก้าในประเทศไทย ใช้เวลา 2ปี ในการสำรวจและ รวบรวมตัวอย่างมวลหิน และทรายจากแหล่งหินที่ได้รับการจดทะเบียนเป็นโรงโม่หินกำลังผลิตเกิน 200ตัน/ ชั่วโมงในภาคตะวันออก และภาคกลางบางส่วนของประเทศ จัดทำฐานข้อมูลเชิงวิศวกรรมมของแหล่งหินและระบุตำแหน่งของแหล่งหินที่มีแนวโน้มจะเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้าในภาคตะวันออกของประเทศไทย เพื่อศึกษาแนวโน้มการเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้าของหินก่อสร้างจากแหล่งชายฝั่งทะเลตะวันออกซึ่งเป็นพื้นที่พบปัญหากรณีแรกของประเทศ ทำการทดสอบกลไกการเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้าของมวลรวมจากตัวอย่างที่รวบรวมได้ เทียบตัวอย่างควบคุมที่ไม่มีการเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้า  โดยวิธีต่างๆ จากนั้นจึงคัดกรองมวลรวมจากแหล่งหินที่แสดงแนวโน้มปัญหามาหล่อชิ้นตัวอย่างเพื่อศึกษาปัจจัยที่มีผลกระทบต่อการขยายตัวของคอนกรีตและความรุนแรงของการเสื่อมสภาพจากปัญหาอัลคาไลซิลิก้า

  

                                                                                       แหล่งเหมืองหินปูน จังหวัดชลบุรี

                         แหล่งหิน จังหวัดระยองและลักษณะหิน ซึ่งส่วนใหญ่เป็นหินแกรนิต

                    (ก)หินแอนดีไซต์ จ. เพชรบูรณ์                   (ข) หินควอร์ตไซต์ จ.กำแพงเพชร  

                      (ค) หินชีสต์/ไนทซ์ จ.ตาก                             (ง) หินบะซอลต์ จ.บุรีรัมย์

        ผลการศึกษาเบื้องต้นในปีแรก พบว่าหินตัวอย่าง 4 ใน 9 แหล่งได้แก่ หินปูน จากจังหวัดชลบุรี หิน Greywacke จากจังหวัดจันทบุรี และจังหวัดตราด บ่งชี้ว่ามีโอกาสเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้า ตามมาตรฐานคุณภาพผลิตภัณฑ์ ASTM International  จากการศึกษาในปีที่สองซึ่งมีการเก็บตัวอย่างทรายและหินเพิ่มอีก 9 แหล่ง รวมเป็น 18 แหล่ง จากพื้นที่รวม 9 จังหวัดเพื่อทำการศึกษารายละเอียดเพิ่มเติม วิเคราะห์หิน และทำฐานข้อมูลเบื้องต้น  ผลการศึกษาพบว่า วัสดุมวลรวมอย่างน้อย 3 แหล่งจาก9 แหล่งที่ศึกษา มีแนวโน้มการเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้าได้  มี 1แหล่งบ่งชี้ความไม่แน่นอน และอีก 5 แหล่งซึ่งเป็นหิน Biotite granite, Calsilicate และหิน granite แสดงการขยายตัวต่ำกว่าเกณฑ์ บ่งชี้ว่าไม่มีแนวโน้มปัญหาการเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้า  และยังพบว่าแหล่งหินที่สำรวจเบื้องต้นมีความแตกต่างกันในชนิดของหิน และความแปรปรวนแม้ในแหล่งเดียวกัน ขณะที่มีหินปูนบางชนิด หิน Greywacke  หิน Andesitic Basalt และหิน granite ที่ใช้ในการศึกษาแสดงถึงแนวโน้มที่จะเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้า ส่วนหิน Biotite granite จากทุกแหล่งที่ศึกษา หิน graniteบางแหล่งและหิน Calsilicate ไม่มีแนวโน้มที่จะเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้าในหินเหล่านี้ สอดคล้องกับการทดสอบด้วยการพ่น Uranyl acetate พบการเรืองแสงภายใต้แสง UV เป็นยืนยันผลการทดลองถึงแนวโน้มการเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้าในหินปูนบางชนิด, หินGreywacke และหิน Andesitic Basalt ที่ใช้ในการศึกษา และในส่วนของหิน Biotite granite จากทุกแหล่งที่ศึกษาตรวจพบการเรืองแสงที่บ่งชี้ถึงการเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้าน้อยมาก จึงเป็นการยืนยันว่าหินเหล่านี้ไม่มีแนวโน้มที่จะเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้า

  

การตัดตัวอย่างแผ่นบางของหิน crushed rock จากหินในกลุ่มหินชลบุรี(ซ้าย)และกลุ่มหินตราด(ขวา)

          การรายงานผลใน Form ของฐานข้อมูล

 

 

การเปรียบเทียบมอร์ต้าร์ที่พ่น Uranyl acetate ระหว่างในแสงปกติและแสง UV ของตัวอย่าง

     นอกจากนั้นผลจากการสำรวจแหล่งหินในภาคกลางของประเทศพบหิน Rhyolite หนึ่งแหล่งที่มีแนวโน้มการเกิดปฎิกิริยาจากการทดสอบเร่งปฎิกิริยาและวัดการขยายตัว พบทราย2 แหล่งมีแนวโน้มเกิดปฎิกิริยาอัลคาไลซิลิก้าได้ 

      สำหรับการศึกษาปัจจัยที่มีผลกระทบต่อการขยายตัวและความรุนแรงของการเสื่อมสภาพของคอนกรีต พบว่า มีปัจจัยสามชนิด ได้แก่ ปริมาณหิน ชนิดของหินและปริมาณคลอไรด์ โดยการศึกษาที่ใช้หินปูนที่ไวต่อปฏิกิริยา พบว่า เมื่อใช้ปริมาณมากขึ้น จะมีผลกระทบต่อการขยายตัวมากขึ้น  ส่วนชนิดของหินก็มีความสำคัญต่อพฤติกรรมการขยายตัวจากปัญหาปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้า หินที่ไวต่อปฏิกิริยาสามชนิดที่เลือกศึกษาในโครงการนี้ได้แก่ หินไรท์โอไรท์ หินเกรย์แวคและหินปูน ทั้งนี้การทดสอบที่อายุการเร่ง 14 วันเท่ากันมีความรุนแรงในการขยายตัวต่างกัน โดยหินไรท์โอไรท์มีการขยายตัวสูงสุด แต่หินทุกชนิดมีแนวโน้มขยายตัวเพิ่มขึ้นเมื่อเร่งปฏิกิริยานานขึ้น และยังพบว่าทรายแม่น้ำหนึ่งแหล่ง มีการขยายตัวเกินเกณฑ์ และอีกหนึ่งแหล่งแสดงแนวโน้มปัญหาการเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้าด้วย ส่วนผลการศึกษาปริมาณคลอไรด์ บ่งชี้ว่าสารละลาย NaCl ที่มีความเข้มข้นสูงเป็นปัจจัยหนึ่งที่ทำให้ปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้ามีอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่สูงขึ้น และมีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้าที่สูงขึ้นในช่วงแรกด้วย

   นอกจากนั้นยังพบว่าการใช้เถ้าลอยแทนที่ซีเมนต์ มีผลต่อการลดการขยายตัวของมอร์ตาร์บาร์ที่ใช้หินปูนที่แสดงแนวโน้มการเกิดปฏิกิริยาในระดับต่างกัน การแทนที่ด้วยเถ้าลอยในระดับร้อยละ 35-50 มีผลต่อการลดการขยายตัวจากมวลรวมเกรย์แวคจากแหล่งหนึ่งที่เลือกมาศึกษาในเบื้องต้นอย่างชัดเจน

  ผลการศึกษาดังกล่าว เป็นเพียงแนวทางห้ได้ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับแนวโน้มแหล่งหินที่อาจมีปัญหาและพฤติกรรมการขยายตัวและปัจจัยที่เกี่ยวข้องต่อการเกิดปฏิกิริยาอัลคาไลซิลิก้า ซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมก่อสร้าง รวมทั้งการสร้างความตระหนักจากภาครัฐเพื่อป้องกันปัญหาที่จะสร้างความเสียหายในอนาคต

	ที่มาข้อมูล : โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก. หัวหน้าโครงการ : รศ.ดร.สุวิมล สัจจวาณิชย์ ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์   เรียบเรียง : ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก. โทร. 02 561 1474 e-mail : rdiwan@ku.ac.th
รศ.ดร.สุวิมล สัจจวาณิชย์