Reactive components of Finnish aggregates causing alkali-silica reaction in concrete and evaluation of petrographical examination and accelerated mortar bar test as assessment methods

Abstract

The alkali-silica reaction is the most common of the alkali-silica reaction types and the most widely studied. The alkali-silica reaction is a damage mechanism observed in concrete structures and is related to the reaction between metastable silica in aggregate and alkalis provided by cement in concrete. Metastable silica in nature is typically associated with unstable silica polymorphs, microand cryptocrystals of quartz, or quartz with poorly crystalline or disturbed crystal structure present in the aggregates. The alkali-silica reactivity of aggregates is typically investigated primarily by petrographic or accelerated mortar-bar test, which are both relatively rapid and inexpensive assessment methods. The aim of the study was to use a petrographic method to identify the possible components affecting alkali-silica reactivity in studied rock samples and to evaluate the differences in significance between them using an accelerated mortar prism test. Both test methods followed the procedure recommended by RILEM and their compatibility was additionally evaluated based on the results of this study. Quartz was classified as non-reactive unstrained quartz, strained quartz ja micro/cryptocrystalline quartz based on optical features, and additionally, average of undulatory extinction angle of quartz was measured. The results of the petrographic examination were compared with the swelling results of the accelerated mortar prism test using statistical methods to find correlations. The samples were selfcollected for the purpose of this study, consisting of both boulder and outcrop samples from several locations around Finland. From the samples examined, the most relevant metastable forms of silica were found to be microcrystalline and strained quartz. Microcrystalline quartz resulted in relatively faster and more extensive swelling than strained quartz in the studied samples based on the results of the accelerated mortar bar test. Measuring the angle of undulatory extinction can be useful tool in assessing the reactivity but cannot be reliably used deterministically in estimating reactivity due to other factors affecting the measurement results in thin section. Applied testing methods can be considered highly comparable, but based on a larger body of research, the methods are not recommended as exclusionary when assessing the suitability of aggregates due to their tendency to produce more pessimistic results than performance of real concrete structures in nature. Suitability of accelerated mortar bar test for assessing Fennoscandian aggregates should be further evaluated together with other researchers within Fennoscandian area by mirroring the results of accelerated mortar bar test to actual performance of real concrete structures. Assessing ASR in Finland could be developed by training researchers to distinguish reactive forms of quartz during petrographical examination, especially the ones identified in this study.

Alkali-silikareaktio on alkali-kiviainesreaktiotyypeistä yleisemmin tavattu sekä laajemmin tutkittu muoto. Alkali-silikareaktio on betonirakenteissa havaittava vaurioitumismekanismi, joka liittyy kiviaineksen metastabiilin silikan sekä sementin alkalien väliseen reaktioon betonissa. Metastabiili silika liittyy tyypillisesti luonnonolosuhteissa kiviaineksessa esiintyvän kvartsin epästabiileihin polymorfeihin, mikro- ja kryptokiteisiin tai heikosti kiteytyneeseen tai häiriintyneeseen kvartsin kiderakenteeseen. Kiviaineksen alkali-silikareaktiivisuutta tutkitaan tyypillisesti ensisijaisesti petrografisella tutkimuksella tai kiihdytetyllä laastiprismakokeella, jotka ovat sekä suhteellisen nopeita että kustannukseltaan edullisia tutkimusmenetelmiä. Tutkielman tavoitteena oli tunnistaa petrografisella menetelmällä kiviainesnäytteistä mahdolliset alkali-silikareaktiivisuuteen vaikuttavat komponentit ja arvioida niiden välisiä merkittävyyseroja reaktiossa kiihdytetyn laastiprismakokeen avulla. Molemmat testausmenetelmät seurasivat RILEMin suosituksen mukaista menettelytapaa, ja lisäksi menetelmien yhteensopivuutta arvioitiin tämän tutkimuksen tulosten perusteella. Kvartsi luokiteltiin ei-reaktiiviseen kvartsiin, jännittyneeseen kvartsiin ja mikro-/kryptokiteiseen kvartsiin optisten ominaisuuksien perusteella, ja lisäksi kvartsista määritettiin keskiarvo aaltosammumisen kulmalle. Petrografisen tutkimuksen tuloksia verrattiin kiihdytetyn laastiprismakokeen paisumistuloksiin käyttäen tilastollisia menetelmiä korrelaatioiden löytämiseksi. Näytteet perustuivat itsekerättyyn aineistoon tutkimusta varten koostuen sekä lohkareettä kalliopaljastumanäytteistä, jotka kerättiin useista paikoista ympäri Suomea. Tutkituista näytteistä havaittiin olennaisimpina silikan metastabiileina muotoina mikrokiteinen sekä kiderakenteeltaan jännittynyt kvartsi. Mikrokiteinen kvartsi johti jännittynyttä kvartsia suhteellisesti nopeampaan ja laajempaan paisumiseen tutkituissa näytteissä perustuen kiihdytetyn laastiprismakokeen tuloksiin. Aaltosammumisen kulman mittaamisesta voi olla hyötyä reaktiivisuutta arvioidessa, mutta pelkän kulman mittaamista ei voida luotettavasti käyttää reaktiivisuuden määritykseen johtuen muista mittaustuloksiin vaikuttavista tekijöistä ohuthieessä. Tutkimusmenetelmiä voidaan pitää hyvin vertailukelpoisina, mutta perustuen laajempaan tutkimustyöhön, kiviaineksen soveltuvuutta arvioidessa menetelmiä ei suositella poissulkevina johtuen niiden taipuvaisuudesta tuottaa heikompia tuloksia kuin todellisten betonirakenteiden suorituskyky luonnossa. Kiihdytetyn laastiprismakokeen soveltuvuutta Fennoskandian alueen kiviaineksen tutkimiseen tulisi tarkemmin arvioida yhteistyössä muiden Fennoskandian alueen tutkijoiden kanssa peilaamalla kiihdytetyn laastiprismakokeen tuloksia todellisten betonirakenteiden suorituskykyyn. Alkalisilikareaktion tutkimista Suomessa voidaan kehittää kouluttamalla asiantuntijoita tunnistamaan petrografisessa menetelmässä erityisesti tässä tutkielmassa havaittuja kvartsin reaktiivisia muotoja.