Alkali - carbonate reaction of aggregates

In the construction industry carbonate aggregates are commonly used in processes such as concrete production. Aggregates which contain (in their mineral composition) dolomite and an admixture of clay minerals and amorphous silica , can react with alkalis. These reactions can lead to a destructive expansion in concrete. This article explains the mechanisms and the essence of this phenomenon. What is more, some effective and fast methods of the estimation and evaluation of Polish aggregates consisting of carbonate rocks suggests effective methods to determine the usefulness of Polish carbonate aggregates in concrete production are discussed in the paper. Underneath the quality criteria to determine the reactivity of the aggregates will be given. It has been agreed that alkaline reaction and expansion are two separate phenomena related to each other genetically. The aggregates in which reactions caused by clay-siliceous admixtures occur are subjected to expansion. Mineral composition of expansive aggregates as well as their texture indicate that epigenetic dolomites with a distinctive texture are the most reactive. The phase transformations do not end with a complete disintegration of dolomite. They have a cyclical character. They consist of interchangeable reactions of dedolomitization and dolomitization of secondary calcite formed as a result of dolomite's disintegration. The secondary calcite can be effected by Mg+2 ions from pores' solutions and it can form a secondary dolomite. The Mg2+ ions originate from brucite [Mg(OH)2], created in dolomitization process. As a consequence of its reaction with silica, brucite can dissolve and enrich secondary calcite with magnesium. Therefore the reactions which take place in reactive carbonate aggregates and concrete that ismade of it are in fact ongoing processes which consist of dolomite's changes into calcite and vice versa. They are reactions between dedolomitization products (brucite, silica) and products from outside (water, alkalis). The described dedolomitization reactions are a phase of the process that enables expansion due to formation of pressure in inter-granular cracks, with pressure being a result of dry clay-minerals' expansion under the influence of water solutions. Loosening of the aggregate's structure as an effect of dedolomitization reaction makes it easier for water solutions to migrate far into the aggregate's grains followed by their contact with clay minerals.

Kruszywa ze skał węglanowych stosowane są powszechnie w budownictwie między innymi do produkcji betonów. Niektóre z nich, zawierające w swym składzie mineralnym obok dolomitu domieszki minerałów ilastych i bezpostaciowej krzemionki, mogą reagować z alkaliami powodując szkodliwą ekspansję w betonach.W artykule opisano istotę i mechanizmy tego zjawiska oraz zaproponowano efektywne metody oceny przydatności polskich kruszyw ze skał węglanowych do produkcji betonów. Podano kryteria jakościowe oceny reaktywności. Ustalono, że reakcje alkaliczne i ekspansja to dwa oddzielne zjawiska, ale genetycznie powiązane ze sobą. Ekspansji podlegają tylko te kruszywa, w których wystąpiły reakcje spowodowane występowaniem domieszek ilasto- krzemionkowych. Skład mineralny kruszyw ekspansywnych oraz ich tekstura wskazują, że szczególnie reaktywne są dolomity epigenetyczne o charakterystycznej teksturze. Przemiany fazowe nie kończą się z chwilą całkowitego rozpadu dolomitu, lecz mają charakter cykliczny. Składają się one z następujących po sobie na przemian reakcji dedolomityzacji i dolomityzacji wtórnego kalcytu powstałego z rozpadu dolomitu. Wtórny kalcyt może ulegać oddziaływaniu jonów Mg+2 znajdujących się w roztworach porowych i tworzyć wtórny dolomit. Jony Mg+2 pochodzą z powstającego w procesie dedolomityzacji brucytu [Mg(OH)2], który w wyniku reakcji z krzemionką (SiO2) może się rozpuszczać i wzbogacać wtórny kalcyt w magnez. Tak więc reakcje zachodzące w reaktywnych kruszywach węglanowych i betonach z nich wykonanych są procesami ciągłymi polegającymi na kolejnych przemianach dolomitu w kalcyt i odwrotnie, a także reakcją pomiędzy produktami dedolomityzacji (brucyt, krzemionka) i produktami dostarczonymi z zewnątrz (woda, alkalia). Opisane reakcje dedolomityzacji są etapem umożliwiającym tworzenie się zjawiska ekspansji w wyniku powstawania w porach międzyziarnowych ciśnienia jako efekt pęcznienia suchych minerałów ilastych pod wpływem roztworów wodnych. Rozluźnienie struktury kruszywa jako efekt reakcji dedolomityzacji ułatwia migrację roztworów wodnych w głąb ziaren kruszywa i ich kontakt z minerałami ilastymi.