Concrete Deterioration Near Coastal Area and Characteristics of Associated Secondary Mineral Formation

Various deleterious chemicals can be introduced to existing concrete structures from various external sources. The deterioration of concrete by seawater attack is involved in complex processes due to various elements contained in seawater. In the present study, attention was paid to the formation of secondary minerals and characteristics of mineralogical and micro-structural changes involved in concrete deterioration caused by the influence of major seawater composition. The characteristics of deterioration occurred in existing concrete structures was carefully observed and samples were collected at many locations of coastal areas in Busan-Kyungnam. The petrographic, XRD, SEM/EDAX analyses were conducted to determine chemical, mineralogical and micro-structural changes in the aggregate and cement paste of samples. The experimental concrete deteriorations were performed using various chloride solutions (NaCl, CaCl, $MgCl_2$ and $Na_2SO_4$ solution. The experimental results were compared with the observation results in order to determine the effect of major elements in seawater on the deterioration. The alkalies in seawater appear to accelerate alkali-silica reaction (ASR). The gel formed by ASR is alkali-calcium-silica gel which known to cause severe expansion and cracking in concrete. Carbonation causes the formation of abundant less-cementitious calcite and weaken the cement paste. Progressive carbonation significantly affects on the composition and stability of some secondary minerals. Abundant gypsum generally occurs in concretes subjected to significant carbonation, but thaumasite ({$Ca_6/[Si(OH)_6]_2{\cdot}24H_2O$}${\cdot}[(SO_4)_2]{\cdot}[(CO_3))2]$) occurs as ettringite-thaumasite solid solution in concretes subjected to less significant carbonation. Experimentally, ettringite can be transformed to trichloroaluminate or decomposed by chloride ingress under controlled pH conditions. Mg ions in seawater cause cement paste deterioration by forming non-cementitious brucite and magnesium silicate hydrate (MSH).

해안지역 콘크리트의 성능저하 현상과 이에 수반되는 이차광물의 형성 특징

다양한 유해성 화학물질들이 콘크리트의 설치환경에 따라 외부로부터 유입될 수 있다. 해수에 의한 콘크리트의 성능저하 현상은 해수의 다양한 화학성분에 의한 복잡한 작용이 연관되어 있다. 따라서, 본 연구에서는 주요 해수 성분의 영향으로 인한 콘크리트 성능저하에 관련된 이차광물의 형성에 따른 광물학적, 미세 구조적 변화 특성에 대하여 연구하였다. 부산경남의 해안지역의 기존 콘크리트 구조물들에서 성능저하특징을 관찰하고 콘크리트 시료를 채취하였다. 채취된 시료에 대한 암석학적분석과 XRD 및 SEM/EDAX 분석을 실시하여 골재와 시멘트페이스트의 화학적, 광물학적, 미세구조적 변화를 해석하였다. NaCl, CaCl, $MgCl_2$ 및 $Na_2SO_4$용액을 사용한 실내 콘크리트 변질 실험을 실시하였다. 변질실험 결과를 기존 콘크리트 시료에 대한 분석 결과를 비교함으로서 해수의 주성분들이 콘크리트의 성능저하에의 영향과 메커니즘을 분석하였다. 해수의 알칼리성분들은 알칼리-골재 반응을 가속화하며, 콘크리트의 심한 팽창과 균열을 발생하는 알칼리-칼슘-실리카겔을 형성하는 것으로 나타났다. 탄산화작용은 다량의 비교결성의 방해석을 형성하여 시멘트페이스트를 약화시키고 있다. 또한, 탄산화작용은 그 진행 정도에 따라 일부 이차광물들의 성분과 안정도에 현저한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 탄산화가 현저히 진행된 콘크리트에는 다량의 석고가 형성되었으나, 탄산화가 약하게 진행된 것에는 사우마사이트가 에트린자이트와 고용체를 형성하여 미세 균열을 발생하고 있다. 실험적으로, 에트린자이트는 염소의 유입으로 인하여 trichloroaluminate로 전이되거나 분해되는 것으로 나타났다. 해수의 Mg 이온은 비교결성의 브루사이트와 MSH (magnesium silicate hydrate)를 형성하여 시멘트 페이스트의 성능저하의 원인이 되는 것으로 나타났다.