External sulfate attack in dam concretes with thaumasite formation

Abstract

Concrete core samples extracted from different areas of the Mequinenza Dam (Spain) have been studied and expansive reactions affecting the structure were not found. However, expansive reactions in the concrete of certain parts located near the abutments of two galleries have been observed as a consequence of an external sulfate attack due to the sulfur compounds contained in the lignites that are present on the surrounding terrain. Secondary gypsum, ettringite, and thaumasite, as well as several sulfate efflorescence have been detected. The thaumasite formed in the degraded concrete is related to a Thaumasite Sulfate Attack (TSA). Scanning Electron Microscopy (SEM) and Rietveld analyses of the TSA samples would show that thaumasite could have been formed thanks to ettringite acting as nuclei or by a direct precipitation from solutions within the pores of the cement matrix. RESUMEN:Ataque sulfático externo en hormigones de presa con formación de thaumasita. Se han estudiado testigos de hormigón extraídos de diferentes zonas de la presa de Mequinenza (España) descartando la existencia de una reacción expansiva que pudiera afectar a la estructura. Sin embargo, se han observado reacciones expansivas en el hormigón de ciertas zonas próximas a los estribos de dos galerías, como consecuencia de un ataque sulfático externo debido a los compuestos de azufre contenidos en los lignitos que están presentes en los terrenos circundantes. Se ha identificado un conjunto de productos relacionados con el ataque sulfático: yeso secundario, ettringita y thaumasita, además de sales sulfatadas solubles. Las zonas más degradadas del hormigón coinciden con una cristalización abundante de thaumasita (Thaumasite Sulfate Attack-TSA-). El estudio de las muestras de TSA, mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y el método de Rietveld, indicaría que la thaumasita podría haberse formado a partir de la ettringita como medio de nucleación o por precipitación directa a partir de sus componentes en disolución dentro de los poros de la matriz cementicia.

Internal Sulphate Attack in Masonry Mortars with Thaumasite Formation

“…The vast majority of studies and case reports of thaumasite formation have sulphates coming from an external source [19][20][21]. There are very few studies in the literature in which the cause of the appearance of thaumasite is due to internal sulphate attack.…”

Evaluación del estado de elementos estructurales del Mercado de Legazpi: Ataque por sulfatos al hormigón y corrosión de las armaduras

“…En España no se han reportado muchas estructuras de hormigón que haya sufrido un ataque sulfático con formación de taumasita. En (26), los autores señalan un caso de formación en el hormigón de la presa de Mequinenza, construcción ubicada en terrenos con lignitos de alto contenido de sulfuros de hierro, la taumasita aparece en las canaletas del interior de las galerías por donde circula agua constantemente como consecuencia de un ataque externo por sulfatos. Otros casos de aparición de taumasita en España son (27) (Valle de los Caídos) donde se produce por incompatibilidad de los materiales usados, yeso; en (28) la aparición de taumasita se asume como la causa del fallo en un pavimento y en (29) se relaciona en un estudio sobre metodología de reparación de yesos históricos.…”

“…Otros casos de aparición de taumasita en España son (27) (Valle de los Caídos) donde se produce por incompatibilidad de los materiales usados, yeso; en (28) la aparición de taumasita se asume como la causa del fallo en un pavimento y en (29) se relaciona en un estudio sobre metodología de reparación de yesos históricos. La aparición de taumasita conlleva la pérdida de capacidad cohesiva del gel CSH y, en caso de que se forme en gran cantidad, puede llegar a convertir al hormigón en una masa que se desprende fácilmente y se desintegra con una leve presión manual (26).…”

Quantification of Chlorides and Sulphates on Concrete Surfaces Using Portable X-ray Fluorescence. Optimization of the Measurement Method Using Monte Carlo Simulation

“…The sulphates present in mortars and concretes may come from the gypsum or anhydrite added to the clinker in the cement manufacturing process as a setting retarder, or they may have been incorporated once cement has hydrated and hardened. An excess of sulphates can be harmful, since if they react with hydrated calcium aluminates, secondary ettringite is formed, while they react with CSH gel, thaumasite can be formed [1][2][3]. The appearance of secondary ettringite causes tensions inside the concrete due to the increase in volume [4], while the formation of thaumasite leads to the disappearance of the CSH gel, which is the main cohesive compound in cement.…”