Expansion phenomena during internal sulfate attacks

Abstract

Die Dauerhaftigkeit von Beton hängt von vielen Faktoren ab, wie den klimatischen Bedingungen, der chemischen Zusammensetzung des Zements und den mechanischen Eigenschaften der Betonmischung. Sulfatangriff (SA) ist ein Phänomen, das die Dauerhaftigkeit von Beton nach mehreren Jahren stark beeinträchtigt, was die Untersuchung von SA sehr schwierig macht. Wenn die Sulfat-Ionen im Inneren der Betonrezeptur vorhanden sind, z. B. bei Verwendung von mit Gips kontaminiertem Recyclingbeton, wird der Angriff als interner Sulfatangriff (ISA) bezeichnet. Das Wissenüber ISA ist begrenzt, und die mit dem expansiven Verhalten verbundenen Probleme sind nicht ausreichend charakterisiert. In dieser Arbeit untersuchten wir den Einfluss wichtiger Variablen wie Wasser-Zement-Verhältnis (w/z), Zementart, Zementhydratationszustand, Feuchtigkeits- und Temperatursänderungen, Gipsgehalt und Gipsfeinheit auf ISA. Zur Messung der ISA-induzierten Ausdehnung wurden verschiedene Methoden angewandt,wie z. B.: Prismenlängenänderung, Le-Chatelier-Ausdehnungsringe (LC) und eine in eine Druckvorrichtung integrierte Ödometerzelle. Außerdem wurden rheologische Tests durchgeführt, um die primäre Hydratation des Zementleims in Verbindung mit der Bildung von sekundärem Ettringit zu untersuchen.Die rheologischen Tests zeigten, dass die frühe Reaktivität des hydratisierten Zements Fondu sehr empfindlich auf die Zugabe von hydratisiertem Gips (HG) reagiert hat. Bei der Zementmischung (Blaue + Fondu) führte die Zugabe von HG zu einer Schwächung des Zementsteins, was wahrscheinlich auf eine verzögerte Hydratation von C!S und C"Szurückzuführen ist. Der hydratisierte Zement Blaue und die Zementmischung (Blaue +Fondu) zeigten eine hohe Ausdehnung im modifizierten LC-Test (zweidimensionale bzw.eingeschränkte Ausdehnung). Der eingeschränkte LC-Test war für die Messung der Ausdehnung vom Zementleim mit hoher Konsistenz und hohen Ausdehnungswerten effektiv. Das Ödometergerät war sehr empfindlich gegenüber Temperaturänderungen,was die Messung des Kristallisationsdrucks mit diesem Gerät sehr schwierig gemacht hat.Mörtelprismen mit frischen Zementpulvern mit HG-Zusatz zeigten anfangs eine geringe Ausdehnung. Die Werte der Ausdehnung wurden nach jedem Verwitterungszyklus reduziert.

The durability of concrete is governed by many factors, such as climate conditions, cement chemical composition, and the mechanical properties of the concrete mixture. Sulfateattack (SA) is a phenomenon that strongly affect the durability of concrete after several years, which make studying SA very challenging. If the sulfate ions are internally available in the concrete formulation for example using recycled concrete contaminated with gypsum, the attack is called internal sulfate attack (ISA). The knowledge on ISA is limited and the issues linked to expansive behavior lack proper characterization. In this work, weinvestigated the influence on ISA of key design variables such as: water to cement ratiow/c, cement type, cement hydration state, moisture and temperature variation, gypsum content and fineness. We used several methods to measure the ISA-induced expansion,such as: prism length variation, Le-Chatelier expansion rings (LC), and oedometer-cellintegrated in a compression device. Rheological tests were also conducted to monitor theearly hydration of pastes linked to the formation of secondary ettringite.The rheological tests showed that the early reactivity of hydrated cement Fondu was very sensitive to the addition of hydrated gypsum (HG). In blended cement (Blaue + Fondu),the HG addition fragilized the paste probably due to delayed hydration of C!S and C"S.The hydrated cement Blaue and the blended hydrated cement (Blaue + Fondu) showed high expansion in modified (confined expansion) LC tests. The confinement in LC was effective when measuring cement pastes with high consistency and high expansion values. The oedometer device was very sensitive to temperature changes, which made the measurement of the crystallization pressure with this device very difficult. Mortarprisms with fresh cement powders with HG addition showed initial small expansion followed by shrinkage after each weathering cycle.