Microstructural Study of Mortar Bar on Akali-Silica Reaction by Means of SEM and EPMA Analysis

In this study alkali reactivity of crushed stone was conducted according to the ASTM C 227 that is traditional mortar bar test, and C 1260 that is accelerated mortar bar test method. The morphology and chemical composition of products formed in mortar bar, 3 years after the mortar bar tests had been performed, were examined using scanning electron microscopy (SEM) with secondary electron imaging (SEI) and electron probe microanalysis (EPMA) with backscattered electron imaging (BSEI). The crushed stone used in this study was not identified as being reactive by ASTM C 227. However, mortar bars exceeded the limit for deleterious expansion in accelerated mortar bar test used KOH solution. The result of SEM (SEI) analysis, after the ASTM C 227 mortar bar test, confirmed that there were no reactive products and evidence of reaction between aggregate particles and cement paste. However, mortar bars exposed to alkali solution (KOH) indicated that crystallized products having rosette morphology were observed in the interior wall of pores. EPMA results of mortar bar by ASTM C 227 indicated that white dots were observed on the surface of particles and these products were identified as Al-ASR gels. It can be considered that the mortar bar by ASTM C 227 started to appear sign of alkali-silica reaction in normal condition. EPMA results of the mortar bar by ASTM C 1260 showed the gel accumulated in the pores and diffused in to the cement matrix through cracks, and gel in the pores were found to be richer in calcium compared to gel in cracks within aggregate particles. In this experimental study, damages to mortar bars due to alkali-silica reaction (ASR) were observed. Due to the increasing needs of crushed stones, it is considered that specifications and guidelines to prevent ASR in new concrete should be developed.

알칼리-실리카 반응에 의한 모르타르 봉의 SEM과 EPMA 분석을 통한 미세구조 연구

이 연구에서는 알칼리-실리카 반응성을 평가하는데 적용되는 ASTM C 227과 ASTM C 1260 모르타르 봉 시험법으로 쇄석골재의 반응성을 평가하고, 제작된 모르타르를 3년간 일반 환경에 노출시킨 뒤, 알칼리-실리카 반응으 로 인해 생성될 수 있는 반응생성물 확인과 화학분석을 위해 SEM과 EPMA 분석을 실시하였다. 이 연구에서는 SEM의 secondary electron image(SEI)와 EPMA의 backscattered electron image(BSEI)를 이용하였다. 이 연구에 사용된 쇄석골재 는 ASTM C 227에 의해서는 2년간 뚜렷한 팽창을 나타내지 않았지만, KOH 용액을 이용한 반응촉진법에 의해서는 유 해 가능성이 있는 것으로 나타났다. 모르타르 봉 시험 시행 후, SEM SEI 분석 결과, ASTM C 227에 의해 제작된 모 르타르 봉에서는 골재 입자와 시멘트페이스트 사이에 알칼리-실리카 반응에 의한 흔적이나 pore 내에서 반응생성물이 확인되지 않았다. 하지만 ASTM C 1260에 의한 모르타르 봉에서는 알칼리-실리카 반응의 전형적인 반응생성물로 알려 진 꽃잎형(rosette morphology)의 알칼리-실리카 겔(gel)이 확인되었다. EPMA 분석 결과, ASTM C 227에 의한 모르타르 봉에서도 골재 입자 표면에 부분적으로 미세하게 Al-ASR gel이 확인됨에 따라 ASTM C 227에 의해 2년간 무해한 팽 창을 나타내었던 모르타르 봉에서도 알칼리-실리카 반응이 발생하고 있음을 알 수 있었다. 반응성 촉진 시험 후의 모르 타르의 EPMA 분석 결과에서는 골재 입자에 발생된 균열 내부뿐만 아니라 pore 내부에 알칼리-실리카 겔이 축적되어 있는 것으로 나타났으며, 또한 pore 내에서 확인된 겔이 골재 입자 내부에 생성된 겔에 비해 Ca 함량이 더 풍부한 것 으로 나타났다. 국내에서 생산되는 쇄석골재 사용으로 인하여 구조물 내부에 발생한 변화를 미세구조를 통해 확인한 결 과, 알칼리-실리카 반응에 의한 구조물 열화를 알 수 있었다. 따라서, 국내 쇄석골재 사용량 증가에 따라 새로운 건설에 있어서 알칼리-실리카 반응 방지를 위한 고려가 있어야 할 것으로 판단된다.