Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de sciences et génie des matériaux (Laboratoire des matériaux de construction LMC)

Mechanical effects of alkali silica reaction in concrete studied by SEM-image analysis

Ben Haha, Mohsen ; Scrivener, Karen (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3516.

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    Summary
    The occurrence of alkali-silica and alkali-silicate reactions causes damage in concrete. Even though the reaction has been known for some time, the progress of reaction in affected structures is difficult to predict. This research programme aims to study the relationship between the progress of the reaction and the mechanical properties of the concrete in order to support better prognosis of the effect of ASR on affected structure. The basic principal of the research programme is to characterise the chemical, microstructural and mechanical state of the concrete, the degree of expansion in the initial and final states and how the rate of change of the chemical reaction is related to the changes in mechanical properties. In practice this is difficult to do because: In the field the induction and reaction periods are very long necessitating accelerated testing in the laboratory The amount of reactive material in the aggregate is usually small, and hence difficult to measure The relation between the degree of reaction, expansion and the change of mechanical properties is not known. The microstructural characteristics of some Swiss aggregates have been studied and quantified using microscopic techniques. Mortar and concretes samples were made with the aggregates and subjected to ASR. Image analysis of SEM-BSE obtained from polished samples was used to quantify the reaction degree. In this project, a series of mechanical tests, in parallel to the chemical reaction were undertaken in order to determine the effect of ASR on the mechanical properties of concrete. The principal objective of this research is the development of a tool relating laboratory results to real structures. Important aspects of the research were: A multidisciplinary approach to chemical, microstructural and mechanical characterisation to increase the chances of finding a combination of techniques which can be used to assess the degree of reaction Use of modelling approach to link between microstructural changes and mechanical properties, which can in turn, be used to extrapolate the evolution of properties in the long term The results show a strong relationship between the observed reactivity and the degrees of expansion in the concretes and mortars. The presented micromechanical modeling is able to correctly reflect the laboratory results and sheds further light on the mechanism of ASR pertinent to field structures.
    Résumé
    L'occurrence des réactions alcali silice et alcali silicate cause des endommagements des bétons. Bien que la réaction soit connue depuis un certain temps, il est difficile de déterminer l'avancement de la réaction sur les structures affectées. Cette thèse vise à étudier le rapport entre l'avancement de la réaction et les propriétés mécaniques du béton afin de mieux pronostiquer l'effet de la RAS sur les structures. La base du programme était ainsi de caractériser l'influence de certains paramètres sur la chimie, la microstructure et les propriétés mécaniques du béton. Il était aussi prévu de trouver un lien entre les expansions initiales et finales et comment le taux d'avancement est lié aux changements des propriétés mécaniques. Produire une telle approche à partir des résultats sur les structures est difficile parce que : la période d'induction et de réaction sont très longues, ainsi elles doivent être accélérées dans le laboratoire la quantité de matériau réactif dans les granulats est petite, et par conséquent difficile à mesurer la relation entre le degré de réaction, l'expansion et les changements des propriétés mécaniques n'est pas connue. Les caractéristiques microstructurales de quelques granulats suisses ont été étudiées et mesurées en utilisant des techniques microscopiques. Des échantillons de mortier et de béton ont été confectionnés avec ces granulats et soumis à la réaction alcali silice. L'analyse des images microscopiques obtenues à partir des échantillons polis a été utilisée pour mesurer le degré de réaction. Dans ce projet, une série d'essais mécaniques, en parallèle à la réaction chimique a été entreprise. Les essais mécaniques ont comme objectif la description du comportement de quelques propriétés mécaniques en présence de l'alcali silice. Selon les résultats de laboratoire, la tâche principale actuelle était d'extrapoler les résultats obtenus en laboratoire à l'échelle de la structure. Les aspects importants de la recherche étaient: L'approche multidisciplinaire : la caractérisation microstructurale et mécanique pour trouver une combinaison des techniques qui peuvent être employées pour évaluer le degré de réaction. Modéliser par une approche micromécanique les changements microstructuraux et les propriétés mécaniques engendrées. Les résultats montrent une relation prometteuse entre la réactivité observée et les expansions dans les bétons et les mortiers. L'approche de modélisation micromécanique présentée a pu reproduire correctement les résultats de laboratoire et permet un éclaircissement des mécanismes de la réaction alcali silice et peut être utilisée dans les bétons de structures.
    Zusammenfassung
    Das Auftreten von Alkali-Silika-Reaktionen (ASR) verursacht Schäden im Beton. Obwohl diese Reaktionen seit einiger Zeit bekannt sind, ist der genaue Reaktionsablauf in den betroffenen Strukturen schwierig vorherzusagen. Diese Dissertation hat zum Ziel, den Zusammenhang zwischen dem Reaktionsablauf und den mechanischen Eigenschaften des Betons zu untersuchen, um bessere Vorhersagen über die Wirkung der ASR auf betroffene Strukturen machen zu können. Grundlegend für dieses Forschungsprogramm ist, den chemischen, mikrostrukturellen und mechanischen Zustand des Betons wie auch den Ausdehnungsgrad im Anfangs- und Endzustand zu beschreiben. Weiter soll die Frage behandelt werden, welcher Zusammenhang zwischen der Ablaufsgeschwindigkeit der chemischen Reaktion und den mechanischen Eigenschaften besteht. In der Praxis ist dies aus folgenden Gründen schwierig durchzuführen: Die Induktions- und Reaktionsperioden sind sehr lang, was eine beschleunigte Testung im Labor erforderlich macht Die Menge des reaktiven Materials im Aggregat ist normalerweise klein, und folglich schwierig zu messen Die Beziehung zwischen dem Reaktionsgrad, der Ausdehnung und den Veränderungen der mechanischen Eigenschaften ist nicht bekannt Die Eigenschaften der Mikrostruktur einiger Schweizer-Aggregate wurden mit Hilfe von mikroskopischen Techniken untersucht und gemessen. Mit den Aggregaten wurden Mörtel- und Betonproben hergestellt und einer ASR unterzogen. Anhand der mikroskopischen Bildanalyse der polierten Proben wurde der Reaktionsgrad gemessen. In diesem Projekt wurden eine Reihe mechanischer Test parallel zu den chemischen Reaktionen durchgeführt, um die Wirkung der ASR auf die mechanischen Eigenschaften des Betons feststellen zu können. Das Hauptziel dieser Forschung ist die Entwicklung eines Tools, welches ermöglicht, Laborresultate und reale Strukturen in Beziehung zu setzen. Die wichtigen Aspekte dieser Untersuchung waren : Ein multidisziplinärer Ansatz für das chemische, mikrostrukturelle und mechanische Verhalten von Beton, um schlussendlich die Chancen zu erhöhen, eine Kombination von Techniken zu finden, die verwendet werden kann, um den Reaktionsgrad zu bestimmen. Modelisierung der mikrostrukturellen Veränderungen und der dazugehörigen mechanischen Eigenschaften mit Hilfe eines mikromechanischen Ansatzes. Die Resultate zeigen eine vielversprechende Beziehung zwischen der beobachteten Reaktivität und der Expansion im Beton und im Mörtel. Der hier vorgestellte Ansatz der mikromechanischen Modelisierung ist in der Lage, die Laborresultate richtig wiederzugeben und trägt somit zur weiteren Klärung der ASR-Mechanismen bei, welche für die Strukturbetons von grosser Wichtigkeit sind.