40

CWB-1/2007

Dr inż. Zdzisława Owsiak

Politechnika Świętokrzyska w Kielcach

Znaczenie ettringitu towarzyszącego reakcji kruszywa z alkaliami
w kilkuletnich zaprawach

The importance of ettringite accompanying the alkali-aggregate
reaction in several-year-old mortars

1. Introduction

In many works concerning the alkali-aggregate reaction (ASR),
the occurrence of secondary ettringite has been noted (1-5). The
crystallization of primary ettringite at the beginning of hydratation
is connected with the delay of the reaction between C

3

A and water,

and is desirable for the setting time control. In the contrary the
ettringite formation in hardened concrete is not desirable and in
some cases can lead to the destruction of concrete microstructure.
It is assumed that secondary ettringite formation is related to prior
occurrence of microcracks in concrete (6).

This paper presents test results of mortars made from cements of
increased alkali content as well as from reactive aggregate. The
mortars were made of CEM I industrial cements, with different
alkalis and tricalcium aluminate content, and of granite aggregate
or quartz sand with opal addition. The main subject of these tests
was the explanation of whether the ettringite which accompanies
the ASR affects mortar expansion.

2. Materials and research methods

The composition of industrial cements used for the tests has been
shown in Table 1. Mortars were made of cements 1 and 2 as well
as of granite aggregate or quartz sand containing 4% of opal addi-
tion. From these mortars bars of dimension 25 x 25 x 250 mm were
produced for expansion tests according to the American standard
ASTM C 227. Mortar composition and aggregate granulometry is
shown in Table 2.

For the measurement of length change of the bars the Graf-
Kaufmann apparatus was used. Measurements were taken over
four years, in the fi rst year – every month, and in the successive
years – every three months. Mortar microstructure was observed
under scanning microscope combined with an X-ray analyser.

1. Wprowadzenie

W wielu pracach dotyczących reakcji kruszyw z alkaliami stwier-
dzono powstawanie opóźnionego ettringitu (1-5). Krystalizacja pier-
wotnego ettringitu na początku hydratacji wiąże się z opóźnieniem
reakcji C

3

A z wodą i jest pożądana ze względu na regulację czasu

wiązania. Natomiast powstawanie ettringitu w stwardniałym betonie
nie jest pożądanym procesem i w niektórych przypadkach może
prowadzić do zniszczenia mikrostruktury betonu. Przypuszcza się,
że powstawanie wtórnego ettringitu związane jest z wcześniejszym
występowaniem rys w betonie (6).

W pracy przedstawiono wyniki badań zapraw przygotowanych
z cementów o zwiększonej zawartości alkaliów i kruszyw reaktyw-
nych. Wykonano również badania mikrostruktury metodą elektro-
nowej mikroskopii skaningowej połączonej z analizą rentgenowską
w mikroobszarze. Zaprawy wykonano z cementów przemysłowych
CEM I, różniących się zawartością alkaliów i glinianu trójwapnio-
wego oraz z kruszywa granitowego lub z piasku kwarcowego
z dodatkiem opalu. Celem tych badań była próba wyjaśnienia
czy ettringit towarzyszący reakcji kruszyw z alkaliami ma wpływ
na ekspansję zaprawy.

2. Materiały i metody badań

Skład cementów przemysłowych zastosowanych w badaniach
podano w tablicy 1. W badaniach zastosowano kruszywo granitowe
lub piasek kwarcowy zawierający dodatek 4% opalu. Z cementu 1
i granitu oraz z cementu 2 i piasku z dodatkiem opalu wykonano
zaprawy i zaformowano beleczki do badań ekspansji zgodnie
z normą amerykańska ASTM C 227. Skład zaprawy i uziarnienie
kruszywa zamieszczono w tablicy 2.

Do pomiarów zmian długości beleczek 25 x 25 x 250 mm zasto-
sowano aparat Graf Kaufmanna. Pomiary wykonywano przez
cztery lata, w pierwszym roku co miesiąc, a w następnych latach
co trzy miesiące. Mikrostrukturę zapraw obserwowano w mikro-
skopie skaningowym sprzężonym z analizatorem rentgenowskim
w mikroobszarze.

CWB-1/2007

41

3. Wyniki doświadczeń i ich omówienie

Zaprawy zarówno z granitem, a także z piaskiem kwarcowym
z dodatkiem opalu wykazały ekspansję. Wyniki pomiarów ekspansji
liniowej beleczek zaprawy z cementu CEM I i kruszywa granito-
wego przedstawiono na rysunku 1. Krzywa ekspansji pokazana
na rysunku 1 nie wykazuje charakterystycznego kształtu zwią-
zanego z reakcją kruszywa granitowego z alkaliami w zaprawie
dojrzewającej w warunkach laboratoryjnych (7). W przypadku
typowej krzywej ekspansja występuje w okresie początkowych kilku
miesięcy. Po okresie 6-8 miesięcy ekspansja ta nieco wzrasta, a
następnie utrzymuje się na mniej
więcej stałym poziomie między
pierwszym a drugim rokiem. Jed-
nocześnie pojawiają się rysy na
powierzchni beleczek typowe dla
reakcji alkalia – krzemionka (8).
Po dwóch latach rozszerzalność
zaprawy zaczyna szybko wzrastać
aż do 30 miesiąca. Po tym okresie
wzrost postępuje nadal, lecz jest
znacznie wolniejszy.

Odmienny przebieg ekspansji jest
obserwowany w przypadku zaprawy
z cementu 2 i piasku kwarcowego z
dodatkiem opalu. Rozszerzalność
beleczek z zaprawy przekroczyła
graniczną normową rozszerzalność
wynoszącą 0,1% już po dwóch
miesiącach i jej dalszy przebieg
do jednego roku jest charaktery-

3. Experimental results and discussion

All mortars of CEM I, these which contained granite with opal
and those which contained quartz sand with opal, have been pre-
sented in Figure 1. The expansion curve shown in Figure 1 is not
characteristic for AAR in case of mortars with granite aggregate,
cured under laboratory conditions (7). In the typical curve, expan-
sion occurs during the initial couple of months. After 6-8 months,
this expansion increases slightly, and then remains at a roughly
stable level between the fi rst and the second year. Simultaneously,
cracks on bar surface appear, typical for the alkali-silica reaction
(8). After two years, mortar expansion starts to grow rapidly until
the 30th month. Afterwards the increase continues, but much
more slowly.

A different course of expansion was observed in the case of the
mortar made from the cement 2 and quartz sand with opal ad-

Tablica 1 / Table 1

SKŁAD CHEMICZNY I MINERALNY CEMENTÓW

CHEMICAL AND MINERALOGICAL COMPOSITION OF CEMENTS

Składnik

Component

Cement 1

Cement 2

Strata prażenia

Loss of ignition

1,29

0,2

Części nierozp.

Non soluble in HCl

0,31

0,10

SiO

2

20,64

21,20

Al

2

O

3

5,05

6,40

Fe

2

O

3

2,62

2,80

CaO

63,83

66,30

MgO

1,88

2,70

SO

3

2,48

2,05

Na

2

O

0,14

0,17

K

2

O

1,71

1,41

Na

2

O

e

1,26

1,10

C

3

S

63

59

β C

2

S

12

16

C

3

A

9

12

C

4

AF

8

9

CSH

2

4,2

3,5

Tablica 2 / Table 2

SKŁAD ZAPRAWY

MORTAR COMPOSITION

Uziarnienie kruszywa

Aggregate granulometry

Skład zaprawy

Mortar composition

Frakcja, mm

Fraction, mm

Zawartość frakcji, % mas.

Fraction content, % mass

0,15

÷ 0,30

15

cement

1 część

1 part

0,30

÷ 0,60

25

kruszywo

aggregate

2,25 części

2,25 parts

0,60

÷ 1,18

25

W/C

0,47

1,18

÷ 2,36

25

2,36

÷ 4,75

10

Fig. 1. Linear change of mortars as a function of time

Rys.1. Zmiany liniowe zapraw w funkcji czasu

42

CWB-1/2007

styczny dla zapraw wykonanych z kruszywa szybko reagującego
z alkaliami, w warunkach dojrzewania laboratoryjnego w 38

o

C.

W okresie od jednego do dwóch lat przyrost długości próbek jest
nieco wolniejszy a od 21 miesiąca znowu szybszy. Takie zmiany
długości próbek utrzymują się do 49 miesiąca osiągając ponad
0,6%.

W zaprawach stwierdzono obecność żelu krzemianu potasowo-so-
dowo-wapniowego oraz ettringitu dobrze wykrystalizowanego lub
masywnego, wypełniającego rysy i pory. Wykazały to obserwacje
przełamów próbek zaprawy z kruszywem granitowym pod mikro-
skopem skaningowym; w rysach otaczających ziarna kruszywa
oraz przechodzących przez matrycę cementową występowały
produkty reakcji kruszywa z alkaliami w postaci żelu krzemianu
potasowo-wapniowego (rysunek 2). W rysach tych występował
także dobrze wykrystalizowany ettringit (rysunek 3). Także w za-

mixture. Mortar bars expansion
is high and amounts to 0.1%, as
early as after two months, but
further until one year is typical for
mortars containing very reactive
aggregate, cured under laboratory
conditions at 38

o

C. Between one to

two years, the increase of sample
length is somewhat slower, and
after the 21st months – becomes
more rapid again. These changes
of sample length are maintained
until the 49th month, exceeding
0.6%.

In the mortars the presence of
the potassium-sodium-calcium
silicate gel was found, together
with well-crystallised or massive
ettringite fi lling microcracks and
pores. These phases were ob-

served under SEM in the microcracks
surrounding aggregate grains as well
as passing through cement matrix.
The product of ASR was potassium-
calcium silicate gel (Figure 2). In the
microcracks well-crystallized ettringite
was also found (Figure 3). Also in the
mortar containing quartz sand with opal
addition the gel of the potassium-cal-
cium silicate was found, together with
massive ettringite which fi ll pores and
microcracks (Figures 4 and 5).

The reactive component of granite ag-
gregate is cryptocrystalline quartz. The
aggregate reaction is slow, even in the
air of relative humidity ~ 95% and at

Rys. 2. Mikrorysy w zaprawie z kruszywem granitowym wypełnione żelem krzemianu potasowo-wapniowego

Fig. 2. Microcracks in granite aggregate mortar, fi lled with the gel of potassium-calcium silicate

Rys. 3. Wtórny ettringit

Fig. 3. Secondary ettringite

Rys. 4. Pustka powietrzna w zaprawie z piaskiem kwarcowym z dodatkiem
opalu wypełniona masywnym ettringitem

Fig. 4. Air void in the mortar of quartz sand with opal, fi lled with massive
ettringite

CWB-1/2007

43

prawie z piaskiem kwarcowym zawierającym
dodatek opalu występuje żel krzemianu po-
tasowo-wapniowego oraz ettringit masywny
wypełniający pory i rysy (rysunek 4 i 5).

Składnikiem reaktywnym kruszywa gra-
nitowego jest kryptokrystaliczny kwarc.
Proces reakcji kruszywa jest powolny nawet
w powietrzu o wilgotności względnej ~ 95%
i w temperaturze 38

o

C. W jednej publikacji

P. E. Grattan-Bellew (7) zaproponował przy-
bliżenie krzywej ekspansji beleczek zaprawy
z kruszywem granitowym liniami prostymi wy-
kreślonymi jako zależność rozszerzalności od
pierwiastka kwadratowego z czasu dojrzewa-
nia próbek (rysunek 6). Proces rozszerzalno-
ści próbek podzielił on na trzy fazy. Pierwsza
faza obejmuje około 9 miesięcy i jest okresem
początkowym ze stopniem
ekspansji 6x10

-3

%/miesiąc

1/2

.

Następnie przypada główna
faza reakcji alkalia-krzemion-
ka, której towarzyszy stopień
ekspansji 40x10

-3

%/miesiąc

1/2

.

Trzecia faza ma stopień eks-
pansji 440 x 10

-3

%/miesiąc

1/2

.

Ostatnia faza rozszerzalności
nie jest zdaniem tego autora
charakterystyczna dla ekspan-
sji zaprawy wywołanej reakcją
alkalia-krzemionka.

Zastosowana analogiczna
aproksymacja prostoliniowymi
odcinkami krzywej ekspansji
zaprawy z piaskiem kwarco-
wym z dodatkiem opalu (rysu-
nek 7) pozwoliła na ustalenie,
że stopień rozszerzalności
w pierwszym okresie wynosi
88x10

-3

%/miesiąc

1/2

, a w drugiej

fazie zmniejsza się do 57x10

-3

%/miesiąc

1/2

. W trzecim okresie

szybkość ekspansji ponownie wzrasta i jej stopień wynosi 137x10

-3

%/miesiąc

1/2

.

W zaprawie z piaskiem kwarcowym z dodatkiem opalu, oprócz
produktów reakcji kruszywa z alkaliami występuje również ettringit
w rysach i pustkach powietrznych.

Przypuszcza się, że na powstawanie, a raczej na rekrystalizację,
ettringitu wtórnego mają wpływ wcześniej powstałe rysy w reakcji
kruszywa z alkaliami (6). Charakterystyczną cechą mikrostruktury
badanych zapraw są obserwowane liczne występowania ettringi-
tu w rysach w strefi e kontaktowej między kruszywem i matrycą
cementową.

temperature 38

o

C. In one of the publications, P. E. Grattan-Bellew

(7) has proposed approximation of the expansion curve of mortar
bars with granite aggregate by straight lines of expansion plotted
as a function of the square root of curing time (Figure 6). He has
divided the process of expansion into three phases: the fi rst phase
covers ca. 9 months and is the initial period with the expansion
degree of 6x10

-3

%/month

1/2

. The second is the main phase of

ASR, with the degree of expansion equal 40x10

-3

%/month

1/2

. The

expansion degree of the third phase is 440x10

-3

%/month

1/2

. In this

author’s opinion (7) the last phase of expansion is not characteristic
for mortar expansion caused by the ASR.

The applied after Grattan-Bellew (7) approximation with straight-
line segments of the expansion curve for the quartz sand mortar

Rys. 5. Mikrokrystaliczny (masywny) ettringit wypełniający rysy w zaprawie z piaskiem kwarcowym
zawierającym opal.

Fig. 5. Microcrystalline (massive) ettringite which fi lls microcracks in quartz sand mortar containing
opal addition

Rys.6. Krzywa ekspansji zaprawy z granitem z zastosowaniem skali czasu jako pierwiastka kwadratowego czasu
w miesiącach. Stopnie ekspansji wyznaczono z nachylenia odcinków prostoliniowych ekspansji

Fig. 6. Expansion curve of granite mortar as a function of square root of time in months. Expansion degrees have
been determined from the slope of straight-line expansion segments

44

CWB-1/2007

Dobrą ilustrację mikrostruktury
przedstawiają zdjęcia z elek-
tronowej mikroskopii skaningo-
wej. Na rysunku 2 pokazano
charakterystyczne spękania
występujące w beleczkach za-
prawy z granitem wypełnione
produktami reakcji kruszywa
z alkaliami, a na rysunku 3 po-
kazano mikropęknięcia w strefi e
kontaktowej kruszywo-zaczyn
wypełnione ettringitem. Rysy
otaczają ziarna kruszywa, a tak-
że tworzą wewnętrzną sieć spę-
kań przechodzących na wskroś
przez matrycę cementową.
Zazwyczaj ettringit występujący
w rysach otaczających kruszywo
wykazuje ułożenie listewkowych
kryształów zorientowany prosto-
padle do powierzchni ziarna kru-
szywa lub ścianek rysy. Także
w badaniach laboratoryjnych Fu
(6) potwierdza wpływ wcześniej
powstałych rys na rekrystaliza-
cję ettringitu uważając, że są
one obszarami sprzyjającym powstawaniu wtórnego ettringitu.
Ettringit w badanych próbkach zaprawy ma postać krystaliczną,
a obserwacje przy większym powiększeniu wykazują, że poje-
dyncze kryształy mają pokrój wydłużonych pręcików, miejscami
pozrastanych (rysunek 3). Szerokość rys wokół niektórych ziaren
kruszyw wynosi około 30

μm, tworzą się one przeważnie tylko wo-

kół niektórych ziaren kruszywa, pozostałe ziarna mają prawidłowo
zbudowaną warstwę kontaktową z matrycą cementową.

W zaprawie z piaskiem kwarcowym z dodatkiem opalu oprócz żelu
krzemianu alkaliczno-wapniowego występuje również ettringit, jest
to jednak ettringit mikrokrystaliczny, czasem zwany masywnym (9)
(rysunki 4 i 5). Ettringit ten występuje w rysach i pustkach powietrz-
nych wypełniając je w sposób mniej lub więcej całkowity.

Przypuszcza się, że reakcja alkaliów z kruszywem sprzyja
powstawaniu wtórnego ettringitu nie tylko przez wcześniejsze
wytwarzanie rys, ale także może występować chemiczna zależ-
ność pomiędzy składem cementu, a więc także reakcją kruszyw
krzemionkowych z alkaliami i powstawaniem wtórnego ettringitu
(10). Także w badanych zaprawach zastosowano cementy o du-
żej zawartości alkaliów, a w obecności roztworu wypełniającego
pory o dużym stężeniu alkaliów ettringit tworzy się z opóźnieniem
(10). Podczas reakcji alkaliów z kruszywem, na skutek wiązania
alkaliów w produktach reakcji, zachodzi postępujące zmniejszenie
stężenia wodorotlenków sodu i potasu i zmniejszenie pH roztworu
w porach, w następstwie czego może dochodzić do powstawania
ettringitu. Szczególnie taki efekt może występować w tych mikro-
obszarach, w których nastąpiło duże zmniejszenie stężenia tych

with opal admixture (Figure 7) has enabled the fi nding that the
expansion degree in the fi rst phase amounts is 88x10

-3

%/month

1/2

,

while in the second phase it decreases to 57x10

-3

%/month

1/2

.

In the third phase, the expansion rate rises again to 137x10

-3

%/month

1/2

.

In the quartz sand mortar with opal admixture, apart from the ASR
products, also ettringite was found in microcracks and air voids.

It is assumed that the formation, or recrystallization rather, of
secondary ettringite is infl uenced by prior occurrence of microc-
racks caused by the alkali-aggregate reaction (6). A characteristic
feature of the microstructure of tested mortars is the occurrence of
numerous precipitations of ettringite in microcracks in the interstitial
transition zone (ITZ) between aggregate and cement matrix.

A good example of this microstructure is shown in Figure 2 showing
characteristic microcracks occurring in the bars of granite mortar,
fi lled with products of ASR. Figure 3 shows microcracks in the
ITZ, fi lled with ettringite. The microcracks surround aggregate
grains, but they also form an internal network of fi ssures which
pass through cement matrix. Typically, the ettringite found in mi-
crocracks surrounding the aggregate forms the conglomerats of
crystals, oriented perpendicularly to the surface of the aggregate
grains or microcrack walls. Similarly, in laboratory tests, Fu (6)
has confi rmed the infl uence of previously existing microcracks on
ettringite recrystallization, believing that these are the surfaces
favourable for secondary ettringite formation. Ettringite in tested
mortars is principally in crystalline form, and – while observed
under higher magnifi cation – its single crystals have the habit of

Rys. 7. Krzywa ekspansji zaprawy z piaskiem kwarcowym zawierającym opal z zastosowaniem skali czasu jako
pierwiastka kwadratowego czasu w miesiącach. Stopnie ekspansji wyznaczono z nachylenia prostoliniowych
odcinków ekspansji

Fig. 7. Expansion curve of quartz sand mortar with opal addition as a function of square root of time in months.
Expansion degrees have been determined from the slope of straight-line expansion segments

CWB-1/2007

45

wodorotlenków, na przykład w pobliżu powierzchni ziarna kruszywa
reagującego z alkaliami.

Przeprowadzone badania modelowe przez Starka i Bollmanna (11)
wykazały, że strącanie ettringitu z roztworu o rosnącym pH staje
się coraz mniej prawdopodobne, a ettringit pierwotny występujący
w stwardniałym zaczynie może przekształcać się w monosiarczan
z powodu zwiększenia stężenia jonów wodorotlenkowych. Pier-
wotny ettringit tworzy się przy pH około 13 w zaczynie z cementu
portlandzkiego o średniej zawartości alkaliów, następnie podczas
hydratacji zmniejsza się zawartość fazy ciekłej i pH zwiększa się
aż do 13,8 po 28 dniach. W tych warunkach również w normalnej
temperaturze rozkład ettringitu jest możliwy i z tego powodu et-
tringit nie jest wykrywany w zaczynie (11). W zaczynie z cementu
portlandzkiego pH roztworu w porach wynosi ponad 13,8, a za-
chodzący w tych warunkach rozkład ettringitu może prowadzić
do zwiększenia zawartości siarczanów w tym roztworze (12).
Z powodu zmian składu fazy ciekłej w zaprawie czy betonie pod-
czas użytkowania i ze zmniejszeniem pH rekrystalizacja ettringitu
jest możliwa głównie w porach oraz strefach kontaktowych między
matrycą cementową a ziarnami kruszywa. Dlatego występowanie
dużej zawartości ettringitu głównie w porowatych, popękanych

czy zniszczonych przez reakcję kruszyw z alkaliami zaprawach
można przypisywać rekrystalizacji ettringitu, która ma miejsce na
przykład w wyniku zmian pH. Proces ten jest prawdopodobnie
wspomagany przez zwiększoną przepuszczalność wynikającą
z licznych mikropęknięć spowodowanych reakcją alkalia-krzemion-
ka. Występowanie ettringitu w pęknięciach i pustkach może być
wynikiem przemieszczania się fazy ciekłej w zaczynie (zawierającej
jony siarczanowe) w kierunku uwodnionego żelu alkaliczno-krze-
mianowego, a obszar fazy żelowej może zapewniać korzystne
środowisko dla zarodkowania i wzrostu ettringitu.

Dotychczas nie ma jednoznacznej odpowiedzi czy powstawanie
ettringitu w stwardniałym betonie może być jednym z mechani-
zmów niszczenia jego mikrostruktury. W literaturze są podawane
różne hipotezy możliwych mechanizmów niszczenia stwardniałego
betonu związanych z tym procesem. Jedni ekspansję przypisu-
ją obecności ettringitu koloidalnego (13) i uważają, że ettringit
masywny z powodu absorpcji wody może zwiększać objętość.
W przeciwieństwie do ekspansji ettringitu masywnego uważa
się,

że opóźniony ettringit o budowie krystalicznej nie jest zdolny

do absorpcji wody i nie wywołuje ciśnienia ekspansji, które po
przekroczeniu wytrzymałości na rozciąganie betonu mogłoby
powodować jego pękanie. Stąd powstający w wyniku rekrystali-
zacji ettringit, wypełniający rysy wokół ziaren kruszywa może nie
mieć wpływu na ekspansję i zniszczenie betonu. Także ettringit
krystalizujący w rysach w zaczynie lub porach powietrznych,
według tych hipotez, nie ma wpływu na zniszczenie betonu (6).
Inni z kolei twierdzą, że rekrystalizacja ettringitu w stwardniałym
betonie, zachodząca z powodu zmiany stężenia jonów OH

-

wy-

nikających z reakcji krzemionki z alkaliami, może prowadzić do
zniszczenia betonu z powodu ciśnienia krystalizacji. Na przykład
Pettifer i Nixon (1) zaobserwowali, że powstawaniu krystaliczne-
go ettringitu towarzyszy duża rozszerzalność. Także Johanson

elongated needles (Figure 3). The width of microcracks surround-
ing some aggregate grains amounts to ca. 30

μm; these are formed

around only some of the aggregate grains, while the remaining
grains present regular ITZ with the cement matrix.

In the quartz sand mortar with opal admixture, apart from the
gel of alkali-calcium silicate, ettringite is also formed, but this is
microcrystalline ettringite, sometimes referred to as massive (9)
(Figures. 4 and 5). This ettringite occurs in microcracks and air
voids, fi lling them more or less completely.

It is assumed that the ASR is favourable for secondary ettringite
formation not only by prior formation of microcracks, but also be-
cause there can appear a chemical dependence between cement
composition (hence the ASR) and secondary ettringite formation
(10). In the tested mortars as well, cements rich in alkalis were
used, and in the presence of the pore solution with high-alkali
concentration, the formation of ettringite is delayed (10). During
the ASR, due to binding of alkalis in reaction products, progres-
sive decrease of sodium and potassium hydroxides concentration
as well as decrease of pH of the pore solution should take place.
Consequently, there are better conditions for ettringite formation.
This effect may be found especially in those microsurfaces where
a considerable concentration decrease of these hydroxides has
occurred, for example in the vicinity of the reactive aggregate
grain.

Model tests conducted by Stark and Bollmann (11) have demon-
strated that the precipitation of ettringite from the solution of rising
pH is becoming less and less possible, and primary ettringite found
in the hardened paste may be transformed into a monosulphate
due to an increase in the concentration of hydroxide ions. Primary
ettringite is formed at pH of ca. 13 in the Portland cement paste
of medium alkali content, next – during hydratation the content of
the liquid phase decreases and the pH rises to 13.8 after 28 days.
Under these conditions, also at normal temperature, ettringite
decomposition is possible and as a result ettringite is not detected
in the paste (11). In Portland cement paste, the pH of the pore-
solution exceeds 13.8, and ettringite dissolution occurring under
these conditions may lead to an increase in sulphate content in
the solution (12). Due to changes in the composition of the liquid
phase in the mortar or concrete in use, and with the decrease of
pH, ettringite recrystallization is possible mainly in the pores and
in ITZ. Consequently, the occurrence of high ettringite content
mainly in mortars which are porous, cracked or damaged by the
alkali-aggregate reaction may be attributed to ettringite recrystal-
lization which occurs, for instance, as a result of pH changes. This
process is probably reinforced by increased permeability resulting
from numerous microcracks caused by ASR. The occurrence of
ettringite in microcracks and voids may be the result of migration of
the liquid phase (containing sulphate ions) in the paste towards the
hydrated alkali-silicate gel, and the surface of gel itself may form
favourable conditions for ettringite nucleation and growth.

So far, no unambiguous answer to the question of whether the
formation of ettringite in hardened concrete may be one of the

46

CWB-1/2007

i inni (3) uważają, że ciśnienie wywołane wzrostem kryształów
ettringitu może mieć znaczący wpływ na ekspansję betonu. Stąd
rekrystalizacja ettringitu w mikropęknięciach wypełnionych żelem
mogła przyczynić się również do obserwowanego zniszczenia
mikrostruktury zaprawy.

Praktyczne następstwa opóźnionego powstawania ettringitu wy-
dają się być bardziej różnorodne i złożone niż zwykła ekspansja.
Przedstawiony na rysunkach 5 i 6 przebieg ekspansji zapraw
może wskazywać na wpływ powstawania opóźnionego ettringitu
na ekspansję. Można przypuszczać, że odcinki prostoliniowe 1 i 2
na krzywych ekspansji są związane z reakcją alkaliów z krzemion-
ką. Natomiast znaczny stopień ekspansji zaprawy przedstawiony
jako odcinek 3 na krzywej może być spowodowany tworzeniem
wtórnego ettringitu.

4. Wnioski

• Zaprawa zarówno z granitem, a także z piaskiem kwarcowym

z dodatkiem opalu wykazała ekspansję,

• Zaobserwowano występowanie w zaprawach żelu krzemianu

potasowo-sodowo-wapniowego oraz ettringitu krystalicznego
lub masywnego wypełniającego rysy i pory,

• W obydwu przypadkach występuje podobny etap zwiększonej

ekspansji i nie można wykluczyć, że jest on związany z po-
wstawaniem ettringitu w stwardniałej zaprawie.

Literatura / References

1. K. Pettifer, P. J. Nixon, Cem. Concr. Res. 10 str. 173, (1980).

2. A. Shayan, G. W. Quick, ACI Materials J. 89, str. 348-361, (1992).

3. V. Johanson, N. Thaulow, J. Skalny, Adv. Cem. Res. 5, str. 23-29,
(1993).

4. K. Scrivener, H. F. W. Taylor, Adv. Cem. Res. 20, str. 139-146, (1993).

5. Z. Owsiak, Cement-Wapno-Beton 6, str. 241-243, (2000).

6. Y. Fu . et al., Cem. Concr. Res. 24, str. 1493-1498, (1994).

7. P. E. Grattan-Bellew, Cem. Concr. Res. 35, str. 1868 (2005).

8. R. G. Sibbick, C. I. Page, Proc. of the 9

th

Inter. Conf. on AAR in Concr.

Londyn 1992, str. 980-987.

9. S. Diamond, Intern. RILEM TC 186-ISA Workshop Intern. Sulfate Attack
and DEF, Villars, Szwajcaria, 2002, str. 178-195.

10. P. W. Brown, J. V. Bothe, Adv. Cem. Res., 5 str. 47-63, (1993).

11. J. Stark, K. Bollmann, Proc. Nordic. Concr. Res. Mtg. Island, 1999,
str. 4-28.

12. D. Damidot, F. P. Glasser, Cem. Concr. Res. 23, str. 1195-1204,
(1993).

13. P. K. Mehta, Cem. Concr. Res. 13, 401-406, (1983).

causes for its microstructure deterioration has been offered. The
literature provides a variety of hypotheses concerning possible
mechanisms of hardened concrete deterioration related to this
process. Some researchers attribute the expansion to the pres-
ence of colloidal ettringite (13), believing that massive ettringite
may increase its volume due to water absorption. In contrast to
expansion of massive ettringite, it is believed that delayed crystal-
line ettringite is not capable of water absorption and does not cause
expansion pressure, which – upon exceeding concrete tensile
strength – could result in concrete cracking. Hence the ettringite
resulting from recrystallization, which fi lls cracks around aggregate
grains, may fail to infl uence expansion and concrete deterioration.
Similarly, the ettringite which crystallizes in microcracks in the
cement matrix or air voids, according to these hypotheses, does
not affect concrete deterioration (6). Others, in turn, claim that
ettringite recrystallization in hardened concrete, occurring due to
the change in the concentration of OH

-

ions, as a consequence of

the ASR, may lead to concrete destruction due to crystallisation
pressure. Pettifer and Nixon (1), for example, have observed that
the formation of crystalline ettringite is accompanied by consider-
able expansion. Also Johanson et al. (3) are of the opinion that
the pressure caused by the growth of ettringite crystals may have
considerable infl uence on concrete expansion. Hence ettringite
recrystallization in microcracks fi lled with gel could contribute to
the observed damage of mortar microstructure as well.

Practical consequences of delayed ettringite formation appear to
be more diversifi ed and complex than regular expansion. Mortar
expansion, as presented in Figures. 5 and 6, may be caused by
delayed ettringite formation. It may be suggested that the straight-
line segments 1 and 2 of expansion curves are connected with the
alkali-silica reaction. The considerable mortar expansion degree,
in turn, presented by segment 3 on the curve may be the result of
delayed ettringite formation.

4. Conclusions

• Both granite mortar and quartz sand mortar with opal admixture

have shown expansion,

• The occurrence of the gel of potassium-sodium-calcium silicate

has been observed, as well as the presence of crystalline or
massive ettringite which fi lls microcracks and pores,

• In both cases, a similar stage of increased expansion occurs

and its connection with ettringite formation in hardened mortar
cannot be excluded.