The Journal of Engineering Geology (지질공학)

The Korean Society of Engineering Geology (대한지질공학회)
권호 표지

Secondary Mineral Formation and Expansion Mechanisms Involved in Concrete Pavement Deterioration

콘크리트 포장 도로의 성능저하에 관련된 이차광물형성과 팽창메카니즘

  • ;
  • Rober D. Cody
  • Published : 2002.03.01
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

A significant question is what role does newly-formed expansive mineral growth play in the premature deterioration of concrete. These minerals formed in cement paste as a result of chemical reactions involving cement paste and coarse/fine aggregate. Petrographic observations and SEM/EDAX analysis were conducted in order to determine chemical and mineralogical changes in the aggregate and cement paste of samples taken from lowa concrete highways that showed premature deterioration. Formation and expansive mechanisms involved in deterioration were Investigated. Brucite, Mg(OH)$_2$, is potentially expansive mineral that farms in cement paste of concretes containing reactive dolomite aggregate as a result of partial dedolomitization of the aggregate. No cracking was observed to be spatially associated with brucite, but most brucite was microscopic in size and widely disseminated in the cement paste of less durable concretes. Expansion stresses associated with its growth at innumerable microlocations may be retrieved by cracking at weaker locations in the concrete. Ettringite, 3CaO.Al$_2$O$_3$.3CaSO$_4$.32$H_2O$, completely fills many small voids and occurs as rims lining the margin of larger voids. Microscopic ettringite is common disseminated throughout the paste in many samples. Severe cracking of cement paste causing premature deterioration is often closely associated with ettringite locations, and strongly suggests that ettringite contributed to deterioration. Pyrite, FeS2, is commonly present in coarse/fine aggregates, and its oxidation products is observed in many concrete samples. Pyrite oxidation provides sulfate ions for ettringite formation.

새로이 형성되는 이차광물들이 콘크리트의 조기 성능 저하 (열화)에 미치는 영향은 현재까지 명확히 규명되지 않고 있다. 이들 광물들은 시멘트 페이스트와 골재간의 화학적 반응의 결과로 시멘트 페이스트 내에 형성된다. 조기 성능 저하 현상을 보이는 미국 아이오와주의 콘크리트 포장의 고속도로들로부터 채취된 시료들 내의 골재와 시멘트 페이스트에서의 화학적 광물학적 변화를 규명하기 위하여 암석학적 관찰과 SEM/EDAX 분석을 실시하였다. 이러한 분석에 의거 성능 저하에 연관된 이차광물의 형성과 팽창 메카니즘에 대하여 연구하였다. 브루사이트(Brucite, Mg(OH)2)는 골재의 탈백운석화(dedolomitization) 반응의 결과로 시멘트 페이트스 내에 생성되는 잠재적인 팽창성 광물이다. 시멘트 페이스트의 균열현상은 이들 광물과 공간적인 연관성을 보여주지는 않으나, 대부분이 극 미세입자의 크기로 조기 성능 저하 현상을 나타내는 콘크리트의 시멘트 페이스트 내에 광범위하게 산재되어 나타난다. 무수한 미세공간들에서의 이들 광물 성장에 의한 팽창성 응력은 콘크리트내부의 약한 부분에서 균열로 나타난다. 에트린자이트(3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O)는 많은 작은 공극들을 완전히 채우고 있으며, 큰 공극들의 가장자리에 테두리와 같은 형태로 나타난다. 미세한 에트린자이트가 많은 콘크리트 시료들의 시멘트 페이스트에 산재해서 나타나기도 한다. 조기 성능 저하의 원인이 되는 시멘트 페이스트의 심한 균열이 에트린자이트와 공간적으로 연관되어 나타나는데, 이러한 사실은 에트린자이트가 콘크리트의 성능 저하에 기여한다는 것을 지시한다. 황철석 (FeS2)이 일반적으로 골재 내에 산재하는데, 이 광물의 산화작용의 산물이 많은 콘크리트 시료들에서 관찰된다. 이런 황철석의 산화작용은 에트린자이트를 형성하기 위한 황산염을 공급하게된다.

Keywords

References

  1. Cement and Concrete Research v.26 no.7 Aggregate expasivity due to sulfide oxidation. I. Reaction system and ratemode CASANOVA, L. A.;AGUADO, A https://doi.org/10.1016/0008-8846(96)00085-3
  2. Cement and Concrete Research v.6 no.5 Discussion of scanning electron micrographic studies of ettringite formation CHATTERJI, S. https://doi.org/10.1016/0008-8846(76)90036-3
  3. Magazine of Concrete Research v.15 A new hypothesis of sulphate expansion CHATTERJI, S.;JEFFERY, J. W. https://doi.org/10.1680/macr.1963.15.44.83
  4. Final Report HR-355 The role of magnesium in concrete deterioration:Iowa Deparment of Transport CODY, R. D.;SPRY, P. G.;CODY, A. M.;GAN, G.
  5. Cement and Concrete Research v.13 no.4 Modeling of expansive cement COHEN, M. D. https://doi.org/10.1016/0008-8846(83)90011-X
  6. Cement and Concrete Research v.23 no.6 Mechanism of dedolomitization and expansion of dolomitic rocks DENG, M.;TANG, M. https://doi.org/10.1016/0008-8846(93)90077-M
  7. Cement and Concrete Research v.24 no.6 Formation and expansion of ettringite crystals DENG, M.;TANG, M. https://doi.org/10.1016/0008-8846(94)90092-2
  8. Proceedings of the 9th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction In Concrete v.1 Alkali-aggregate reaction structural effects:A finite element model DIAB, Y.;PRIN, D.
  9. Cement & Concrete Composites v.18 no.3 Delayed ettringite formation-processes and problems DIAMOND, S. https://doi.org/10.1016/0958-9465(96)00017-0
  10. Proceedings of the 9th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction In Concrete v.1 Free expansions and stresses in concrete released to alkali-aggregate reaction DURAND, B;ROUX, R;HOUDE, j;BLANCHETTE, A.
  11. Journal of Materials Science Leters v.14 A through-solution mechanism for delayed ettringite formation in pre-existing cracks in Portland cement mortar FU, Y.;BEAUDOIN, J. J. https://doi.org/10.1007/BF00318262
  12. Proceedings of the 9th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction In Concrete v.1 Microcrystalline quartz, undulatory extinction and the alkali-silica reaction GRATTAN-BELLOW, P.E.
  13. Cement and Concrete Research v.14 no.4 Adiscussion of the pater "Theories of expansion in sulfoaluminate-type expansive cements:Schools of thought" MATHER, B. https://doi.org/10.1016/0008-8846(84)90139-X
  14. Cement and Concrete Research v.6 no.2 Scanning electron micrographic studies of ettringite formation METHA, P. K. https://doi.org/10.1016/0008-8846(76)90115-0
  15. Cement and Concrete Research v.6 no.5 Reply to discussion by S. Chatterji of "Scanning electron micrographic studies of ettringite formation" METHA, P. K. https://doi.org/10.1016/0008-8846(76)90037-5
  16. Cement and Concrete Research v.15 no.2 Ettringite formation on the aggregate-cement paste interface MONTERIO, P. J. M. https://doi.org/10.1016/0008-8846(85)90049-3
  17. Proceedings of the 6th International Conference on Cement Microscopy Deterioration of concrete containing a carbonaceous sulphide-bearing aggregate OBERHOLSTER, R. E.;TOIT, P. DU.;PRETORIUS, J. L.;Bayles, K.(ed.)
  18. Transportation Research Record v.1110 Sulfate Impurities form deicing salt and durability of portland cement mortar PITT, j. M.;SCHLUTER, M. C.;LEE, D. Y.;DUBBERKE, W.
  19. Cement & Concrete Composites v.18 no.3 An experimental clarification of the association of delayed ettringite formation with alkli-aggregate reaction SHAYAN, A;IVANUSEC, I. https://doi.org/10.1016/0958-9465(96)00012-1
  20. Proceedings of the 9th International Conference on Concrete Alkali-Aggregate Reaction v.2 Undulatory extinction of quartz in British hard rocks SMITH, A. S.;DUNHAM, A. C.;WEST, G.
  21. Ⅱ Cemento v.88 no.3 Alkali-carbonate reaction and ph value TANG, M;LIU, ZH.;LU, Y. N.;HAN, S. F.
  22. Cement Chemistry TAYLOR, H. F. W.