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コンクリートの劣化にはさまざまな原因があります。コンクリートは主に鉄筋の腐食、硬化したセメントペーストの炭酸化、湿潤条件下での塩化物攻撃によって損傷を受けます。化学的損傷は、化学反応（炭酸化、塩化物、硫酸塩、蒸留水など）によって生成される膨張性物質の形成、地下水や海水中に存在する攻撃的な化学種（塩化物、硫酸塩、マグネシウムイオン）、または微生物（細菌、真菌など）によって引き起こされます。その他の損傷プロセスには、水の浸透によるカルシウムの溶出、亀裂の形成と伝播を引き起こす物理現象、火災または放射熱、骨材の膨張、海水の影響、溶出、および高速流による浸食も含まれます。[ 1 ]
コンクリート構造物や部材にとって、おそらく最も破壊的な要因は水でしょう。実際、水はしばしば反応物として化学反応に直接関与し、溶質の輸送や反応を可能にする溶媒、すなわち反応媒体として常に必要不可欠です。水がなければ、多くの有害な反応は進行しないか、進行速度が非常に遅いため、構造物の耐用年数の間にその有害な影響は無視できるほど小さくなります。乾燥したコンクリートは、循環水に接触している水飽和コンクリートよりもはるかに長寿命です。したがって、可能な限り、コンクリートはまず水の浸入から保護されなければなりません。
炭素鋼鉄筋構造物の腐食生成物（酸化鉄）の膨張は、内部に機械的応力（引張応力）を生じさせ、ひび割れの発生やコンクリート構造の破壊を引き起こす可能性があります。鉄筋の設置が不適切であったり、風雨にさらされる表面のコンクリート被覆が不十分であったりすると、構造物の耐用年数中に酸化物膨張や剥離が発生する可能性があります。これは、鉄筋の腐食の結果として、コンクリート塊から平らなコンクリート片が剥離する現象です。
コンクリートは、ほとんどの固結した岩石と同様に、圧縮には非常に強いものの、引張、特に内部応力には耐えられない材料です。その引張強度は圧縮強度の約10分の1です。炭酸カルシウム（方解石、 CaCO₃ ）の沈殿によって多孔性が低下し、圧縮強度が増加するため、炭酸コンクリート自体は非常に堅固な材料です。鉄筋がなく、コンクリートマトリックス内部に引張応力を誘発する膨張性反応生成物が形成されない場合、純粋なコンクリートは多くの場合、長持ちする材料となります。コンクリート本来の耐久性を示す例として、 2000年以上前にローマのコンクリートで造られたローマのパンテオンのドームが挙げられます。
大気中の二酸化炭素（CO₂）や炭酸イオン（HCO₃⁻、水に溶解したCO₂⁻³）がコンクリートの表面から内部に拡散すると、水酸化カルシウム（ポートランダイト、Ca(OH) ₂）と反応し、コンクリートの細孔水のpHは13.5～12.5から8.5（方解石と平衡状態にある水のpH ）まで徐々に低下します。pHが約9.5～10を下回ると、炭素鋼表面に存在する酸化鉄の溶解度が高まり、溶解が始まります。その結果、酸化鉄は下層の金属鉄を大気中の酸素による酸化から保護しなくなり、鉄筋は腐食に対して不動態化されなくなります。鉄腐食生成物（金属鉄の約6～7分の1の密度、つまり6～7倍の体積）の膨張によって内部で生じる相当な力が、コンクリートマトリックスにひび割れを引き起こし、鉄筋コンクリートを破壊します。鉄分が存在しない（そして膨張性物質を生成する有害な化学的劣化反応も起こらない）場合、コンクリートはおそらく最も耐久性のある材料の1つとなるでしょう。しかし、ほとんどの土木構造物においてコンクリートにかかる引張応力を補うためには鉄筋が必要であり、ステンレス鋼は炭素鋼の代替としては高価すぎる金属です。亜鉛めっきやエポキシコーティングは鉄筋の耐食性を向上させることができますが、コンクリートへの表面接着性が低い（滑りやすい）、保護コーティングが局所的に穴が開いたり損傷したりするとガルバニック腐食を誘発する陰極および陽極領域が形成される可能性がある、コストが高いなど、他の欠点もあります。
コンクリートは硬い岩石であるため、高い圧縮応力には耐えられますが、引張応力には耐えられません。そのため、コンクリート内部で膨張が生じると、容易に損傷を受けます。
最も一般的でよく知られている膨張相は、コンクリートに埋め込まれた炭素鋼鉄筋の酸化によって生成される酸化鉄でしょう。腐食生成物は、炭酸化したコンクリート（そのため腐食に対する不動態化がもはや効かない）内の鉄筋の周囲、またはひび割れが発生し始めると大気中の酸素に直接さらされる鉄筋の周囲に形成されます。鉄筋腐食によって生じる損傷は肉眼でもはっきりと確認でき、診断も容易です。
コンクリート中では、特性を把握し特定することがより困難な、その他の有害な膨張性化学反応が発生する可能性がある。これらの反応は、まずコンクリート中の発生場所、すなわち骨材内部か硬化したセメントペースト内部かによって区別することができる。
様々な種類の骨材は、コンクリート内部で異なる化学反応を起こして膨張し、有害な膨張現象を引き起こす可能性がある。
最も一般的なのは、水の存在下でセメントアルカリ（K₂OおよびNa₂O ）と反応する反応性非晶質シリカを含む骨材です。一部の骨材に含まれるより反応性の高いケイ酸塩鉱物成分には、オパール、玉髄、フリント、および歪み石英などがあります。シリカ（実際には水和したケイ酸）は、水酸化ナトリウム（NaOH）によって容易に溶解し、ケイ酸ナトリウム（Na₂O）を生成します。2 SiO3）は、水に対する親和性が高い強力な乾燥剤、アルカリシリカ反応（ASR）の中核をなすものである
この反応の後、影響を受けた骨材内部に吸湿性と膨張性を持つ粘性シリカゲル相が形成され、骨材は内部から膨張してひび割れます。膨張した骨材の体積膨張はコンクリートマトリックスを損傷し、広範囲にわたるひび割れが伝播してコンクリート構造に構造的な損傷を引き起こします。コンクリート舗装の表面では、ASRによってポップアウト、すなわち骨材の粒径に相当する小さな円錐状の突起（直径最大3cm）が飛び出す現象も発生する可能性があります。
粘土鉱物が一部の不純な集合体中に存在する場合、非常によく似た反応（アルカリケイ酸塩反応）が発生する可能性があり、これも破壊的な膨張につながる可能性がある。
ドロマイトを含む骨材の中には、脱ドロマイト化反応（アルカリ炭酸塩反応（ACR）とも呼ばれる）が起こり、炭酸マグネシウム（MgCO₃）が分解されることがある。3 )水酸化物イオン（OH⁻）と反応する）から水酸化マグネシウム（ブルサイト、Mg(OH)2）が得られます。2）と炭酸イオン（CO 2− 3）が存在します。ブルサイトの膨張によって生じる膨張は、材料の破壊を引き起こす可能性があります。
アルカリケイ酸塩反応や脱ドロマイト反応は、より深刻なアルカリシリカ反応によって覆い隠され、その有害な影響が支配的になることが多い。アルカリ炭酸塩反応（ACR）は共存するASR反応によって阻害されることが多いため、ACRがもはや主要な有害反応とはみなされなくなった理由が説明できる。
黄鉄鉱（FeS）の存在によって引き起こされる劣化やポップアウトははるかにまれである。2 )Fe2 +ジスルフィド（–SS– ）は、大気中の酸素による酸化に非常に敏感で、密度の低い不溶性の酸化鉄（Fe）を形成することによって膨張を引き起こします。2 O3 )オキシ水酸化鉄(FeO(OH) またはFe2 O3・nH2 O) および弱溶性石膏(CaSO )4・2H2 O)。
完了したとき（つまり、すべてのFe 2+がイオンは、溶解度の低いFe 3+に酸化される。イオン)、黄鉄鉱の酸化は、大まかに次のように表すことができます。
黄鉄鉱の酸化によって放出された硫酸は、ポートランダイト（Ca(OH)2 )) 硬化したセメントペースト中に存在することで石膏を生成する。
コンクリートが大気中の二酸化炭素（CO₂ ）によって炭酸化される場合、またはコンクリートに石灰石骨材が使用される場合、 H2 SO4は方解石（CaCO₃）と反応する3）水も石膏を形成し、同時に二酸化炭素を大気中に放出する。
二水石膏は室温で水に比較的溶けやすく（約1～2g/L）、そのため移動性があります。浸透水によって容易に溶出され、コンクリート表面に白華を形成する可能性があります。一方、不溶性の鉄は2 O3・nH2 O は酸化黄鉄鉱の粒子の周りに留まり、赤土に変色する。
硫酸アニオンが硬化セメントペースト（HCP）のさまざまな相と反応してより体積の大きい反応生成物を形成すると、HCP内部で硫酸塩攻撃と呼ばれる3種類の膨張反応を引き起こす可能性があります。
これら3種類の硫酸塩攻撃反応については、本文後半の特定のセクションでより詳しく説明します。硬化セメントペースト（HCP）が影響を受ける場合、コンクリート構造物の構造安定性に対する悪影響は、骨材が影響を受ける場合よりも一般的に深刻です。DEF、ESA、TSAは、ASRやACR反応よりもコンクリートにずっと大きなダメージを与えます。
これら様々な化学膨張反応に共通する点は、いずれも反応物および反応媒体として水を必要とすることです。水の存在は常に悪化要因となります。そのため、ダムや橋脚など水中に浸漬されたコンクリート構造物は特に影響を受けやすいのです。これらの反応は、温度や相対湿度などの環境条件によって反応速度が遅くなるという特徴もあります。進行速度は遅く、損傷が顕在化するまでに数年かかる場合もあります。有害な影響が明らかになるまでには、しばしば10年もの歳月を要します。コンクリート構造物を水との接触から保護することで、損傷の進行を遅らせることができるでしょう。
空気中の二酸化炭素（CO 2 ） （約412 ppm vol.）と水に溶解した重炭酸イオン（HCO − 3）または炭酸イオン（ CO 2− 3 ）が水酸化カルシウム（Ca(OH)）と反応します。2（ポートランダイト）は、ポルトランドセメントの水和炭酸カルシウム（CaCO₃）を形成します。3）次の反応で水分子を放出しながら：
水分子を除けば、炭酸化反応は基本的にセメント窯で行われる石灰石の焼成過程の逆反応である。
コンクリートの炭酸化は、空気にさらされたコンクリートの表面から大気中のCO₂が内部に拡散し、水和セメントペーストの鉱物相と化学反応を起こす、ゆっくりとした連続的なプロセスです。炭酸化は拡散深さが増すにつれて遅くなります。[ 2 ]
炭酸化は、（1）コンクリートの強度と（2）耐久性に対して、相反する2つの影響を及ぼす。
これは、鉄筋コンクリートの炭酸化反応がコンクリート化学において望ましくないプロセスである理由を説明しています。コンクリートの炭酸化は、コンクリートサンプル（コンクリートコア、プリズム、破断したばかりの鉄筋）の新鮮な表面にフェノールフタレイン溶液を塗布することで視覚的に確認できます。フェノールフタレインはpH指示薬であり、pH < 8.5では無色、pH > 9.5ではピンクがかったフクシア色に変化します。紫色は、まだアルカリ性領域、つまり炭酸化していないコンクリートを示します。鋼材の腐食やコンクリートの劣化に有利な炭酸化領域は無色です。[ 3 ] [ 4 ]
炭酸化コンクリート中に水が存在することは、鉄筋周辺のコンクリート間隙水のpHを低下させ、低pH条件下で炭素鋼表面の不動態化を解除するために必要である。水は腐食プロセスにおいて中心的な役割を果たす。水がない場合、鋼材の腐食は非常に限定的であり、水の浸透の影響を受けない乾燥した炭酸化コンクリート構造物や部材に存在する鉄筋は、深刻な腐食を受けない。
塩化物イオンが鉄筋コンクリートに及ぼす主な影響は、鉄筋（鉄筋）の孔食を引き起こすことです。これは、鉄筋の断面積が設計上想定されている引張力に耐えられなくなるほど小さくなる可能性があるため、気づきにくい危険な局部腐食です。鉄筋の断面積が小さすぎたり、鉄筋が局部的に破損したりすると、鉄筋としての機能が失われ、コンクリートはもはや補強されなくなります。
塩化物、特に塩化カルシウムは、コンクリートの凝結時間を短縮するために使用されてきました。[ 5 ]しかし、塩化カルシウムと（程度は低いものの）塩化ナトリウムは、水酸化カルシウムを溶出させ、ポルトランドセメントに化学変化を引き起こし、強度低下につながることが示されています[ 6 ] 。また、ほとんどのコンクリートに含まれる鉄筋を侵食します。コタキナバルの10階建てのクイーンエリザベス病院は、塩化物の割合が高く、早期に崩壊しました。
アルカリシリカ反応（ASR）は、アルカリ（Na）とシリカの間の有害な化学反応である。2 OとK2 O) がコンクリートの細孔水に NaOH および KOH として溶解し、水分の存在下で反応性の非晶質（非結晶性）シリカ骨材と反応する。この反応を様式化して記述する最も簡単な方法は次のとおりである（他の表現方法も存在する）。
この反応により、ケイ酸ナトリウム（Na）のゲル状物質が生成される。2 SiO3 • nH2 O) もNa2時間2 SiO4 • nH2 O、または NSH (ケイ酸ナトリウム水和物)。この吸湿性ゲルは、影響を受けた反応性骨材内部で膨張し、骨材が膨張してひび割れます。その結果、コンクリートが膨張します。コンクリートが強く鉄筋されている場合、ひび割れや構造物の損傷が発生する前に、まずプレストレス効果が生じる可能性があります。ASR は骨材に影響を与え、ひび割れた骨材によって識別できます。硬化したセメントペースト (HCP) には直接影響を与えません。
コンクリートの温度が初期段階で65℃を超える時間が長すぎると、高温での溶解度が高いためエトリンガイト（AFt）の結晶化は起こらず、溶解度の低いモノ硫酸塩（AFm）が形成されます。セメントの水和熱が放散した後、温度は周囲温度に戻り、AFt相とAFm相の溶解度の温度曲線が交差します。低温でより溶解度が高くなったモノ硫酸塩（AFm）はゆっくりと溶解し、溶解度の低いエトリンガイト（AFt）として再結晶化します。AFtの結晶構造はAFmよりも多くの水分子を収容します。そのため、AFtは32個のH₂O分子を持つため、AFmよりもモル体積が大きくなります。若いコンクリートが冷却された後、数ヶ月または数年かけてAFtは小さな針状結晶として非常にゆっくりと結晶化し、周囲の硬化セメントペースト（HCP）にかなりの結晶化圧力を及ぼす可能性があります。これによりコンクリートが膨張し、ひび割れが生じ、最終的には影響を受けた構造物が破壊される可能性があります。遅延エトリンガイト形成（DEF）の特徴は、アルカリシリカ反応（ASR）と同様のランダムなハニカム状のひび割れパターンです。実際、この典型的なひび割れパターンは、すべての膨張性内部反応と、剛性のある基材または密な鉄筋ネットワークが表面のコンクリート層の動きを阻止する拘束収縮に共通しています。DEFは内部硫酸塩攻撃（ISA）としても知られています。外部硫酸塩攻撃（ESA）もエトリンガイト（AFt）形成と有害な膨張を伴い、同じ有害な症状を引き起こしますが、周囲の地形または環境に硫酸アニオンの外部源が必要です。DEFまたはISA反応を回避する最良の方法は、エトリンガイト（AFt）の形成を阻止する低C3A（トリカルシウムアルミネート）セメントを使用することです。硫酸塩抵抗性（SR）セメントは、 Al2O3の含有量も低くなっています。 DEF、またはISAは、硬化したセメントペースト（HCP）のみに影響を与え、骨材はそのまま残します。
DEFは、アルカリ含有量が高く、したがって水酸化物含有量も高いセメントにおいて、高pHで悪化します。これは、以下のように模式的に示すように、水酸化物アニオン（OH – ）の作用により、エトリンガイト（AFt）がアルミノフェライトモノサルフェート（AFm）に変化することによって起こります。
反応に関与する試薬と生成物の分子式から、完全な反応を導き出すことができます。この反応は、AFt の溶解と AFm の生成を促進します。これらが組み合わさると、高温による有害な影響を悪化させる要因となります。DEF を最小限に抑えるために、低アルカリセメントの使用も推奨されます。エトリンガイト (AFt) の有害な結晶化は、コンクリートが水の浸透にさらされ、(OH – ) イオンの溶出により pH が低下するときに優先的に発生します。温度が低下すると、反応は逆転します。
コンクリートと接触する溶液中の硫酸塩は、セメントに化学変化を引き起こし、セメント結合材の弱体化につながる重大な微細構造的影響を引き起こす可能性があります（化学的硫酸塩攻撃）。硫酸塩溶液は、結晶化および再結晶化によって多孔質のセメント系材料に損傷を与える可能性もあります（塩攻撃）。[ 7 ]硫酸塩と亜硫酸塩は自然環境に遍在しており、フライアッシュやその他の硫酸塩源を含む「混合」セメントの添加剤としてよく含まれる石膏（硫酸カルシウム）など、多くの供給源から存在します。硫酸バリウムという顕著な例外を除いて、ほとんどの硫酸塩は水にわずかに溶けるか、非常に溶けます。これには、大気中の二酸化硫黄が雨水に溶けて亜硫酸を生成する酸性雨が含まれます。雷雨では、二酸化硫黄が酸化されて三酸化硫黄になり、雨水中の残留硫酸がさらに酸性になります。コンクリート製の下水インフラは、下水中に存在する硫化物の酸化によって生じる硫酸と硫酸アニオンによって最も一般的に侵食されます。硫化物は、下水管に存在する硫酸還元細菌が排水中に遍在する硫酸イオンを還元して硫化水素ガス（H₂）を生成する際に形成されます。2S）。H2Sは揮発性で、下水雰囲気中の水から放出されます。下水管の壁に凝縮した薄い水の膜に溶け込み、そこで硫化水素（HS−）も一緒に存在します。）と硫化物（S 2−）イオン。2 SおよびHS −陰イオンがさらに大気中の酸素または酸素を含む雨水にさらされると、容易に酸化され、それぞれの酸化反応に従って硫酸（実際には硫酸イオンと重硫酸イオンを伴う酸性水素イオン）を生成します。
または、
コンクリート下水道の頂部（クラウン）によく見られる腐食は、このプロセスに直接起因しており、クラウン腐食として知られています。[ 8 ]
タウマサイトは、珍しい八面体構造のSi原子を含むケイ酸カルシウム鉱物で、化学式はCa 3 Si (O H ) 6 ( C O 3 )( S O 4 )·12 H 2 Oで、より簡単にCaSiO 3 ·CaCO 3 ·CaSO 4 ·15H 2 Oと表記されることもあります。
ソーマサイトは、石灰石骨材や微粉砕した石灰石充填材（CaCO₃ ）などの炭酸アニオン源を含む、または炭酸アニオン源にさらされたコンクリート中の硫酸イオンの存在下で特殊な条件下で形成されます。地下水に溶解した重炭酸アニオン（HCO₃⁻）も反応に寄与する可能性があります。この有害な反応は、硬化セメントペースト（HCP）中に存在するケイ酸カルシウム水和物（CSH、ダッシュは非化学量論性を示す）を消費して進行します。ソーマサイト型の硫酸塩攻撃（TSA）は、非常に破壊的な硫酸塩攻撃の特殊なタイプです。CSHは、硬化セメントペースト中の「接着剤」であり、コンクリート骨材間の隙間を埋めています。TSA反応は「セメント接着剤」のケイ酸塩を消費するため、有害な剥離やコンクリートの軟化につながる可能性があります。膨張やひび割れはまれにしか観察されません。一般的な硫酸塩攻撃では、水酸化カルシウム（ポートランダイト）とアルミン酸カルシウム水和物が硫酸塩と反応してそれぞれ石膏とエトリンガイト（膨張相）を形成するのに対し、TSA の場合は HCP と骨材の凝集性を確保する CSH が破壊される。その結果、低C 3 A硫酸塩耐性ポルトランドセメントを含むコンクリートでも影響を受ける可能性がある。[ 9 ]
TSAは、現場でコンクリートの状態を調べると、比較的容易に識別できる場合がある。TSAの影響を受けたコンクリートは粉状になり、スコップで掘り出したり、指で削り取ったりすることができる。コンクリートの剥離は、TSAの非常に特徴的な症状である。
TSAは、1990年にイギリスのキンメリッジアン泥灰岩層にあるM5高速道路の橋の基礎杭で初めて確認されました。これらの泥灰岩は、無酸素条件下で堆積した粘土と石灰岩の混合物で、黄鉄鉱（FeS 2、Fe 2+二硫化物）が豊富です。これらの泥灰岩が掘削されると、黄鉄鉱は大気中の酸素または酸素を豊富に含む浸透水にさらされ、急速に酸化されます。黄鉄鉱の酸化により硫酸が生成されます。次に、H 2 SO 4は、ポートランダイト（硬化セメントペースト、HCPに存在する）および方解石（CaCO 3、石灰岩骨材または炭酸塩HCPに存在する）と反応します。黄鉄鉱の酸化によって引き起こされる媒体の強い酸性化により、炭酸水素イオン（HCO − 3）または二酸化炭素（CO 2 ）がカルシウム（Ca 2+）および硫酸イオン（SO 2− 4 ）とともに放出されます。
黄鉄鉱の完全酸化は、以下のように模式的に表すことができる。
黄鉄鉱の酸化によって放出された硫酸は、ポートランダイト（Ca(OH)2 )) 硬化したセメントペースト中に存在することで石膏を生成する。
コンクリートに石灰石骨材や充填材も含まれている場合、 H2 SO4は方解石（CaCO₃）と反応する3）水も石膏を形成し、同時にCO2を。
石膏は水に比較的溶けやすい（約1～2g/L）ため、TSAに必要なカルシウムイオンと硫酸イオンが豊富に存在する。
同時に、炭酸（H₂O + CO₂ ⇌ H₂CO₃ ）が方解石を溶解して可溶性の炭酸水素カルシウムを生成する。
つまり、コンクリート中の硬化セメントペーストからCSHと反応するために必要なすべての化学成分が揃うと、TSA反応が起こります。多くの粘土や泥灰土など、黄鉄鉱を多く含む地盤が土木工事のために掘削されると、黄鉄鉱の酸化によって生じる強い酸性化がTSAを誘発する強力な原動力となります。これは、CSHを攻撃してソーマサイト（CaSiO 3 ·CaCO 3 ·CaSO 4 · 15H 2 O）を形成するために必要なすべてのイオンを解放して移動させるためです。
TSAは低温で促進されますが、温暖な地域では高温でも発生することがあります。その理由は、TSA反応に必要な成分のほとんどが逆行溶解することにあります。実際、溶解した二酸化炭素（CO₂ ）、ポートランダイト（Ca(OH) ₂）、方解石（CaCO₃）、石膏（CaSO₄・2H₂O ）の溶解度は、温度が低下すると増加します。これは、これらの鉱物種の溶解反応が発熱反応であり、熱を放出するためです。低温は熱放出を促進し、発熱反応を促進します。シリカ（CSH由来）の溶解度だけが温度とともに増加します。これは、シリカの溶解が熱を必要とする吸熱プロセスであるためです。
コンクリートのひび割れを水が流れる際、溶液が不飽和状態であれば、硬化したセメントペーストや骨材に含まれる様々な鉱物が水に溶け出すことがあります。カルシウムイオン（ Ca²⁺）などの溶解したイオンは溶出され、溶液としてある程度の距離を移動します。浸透水の物理化学的条件が水の流れに沿って変化し、水が特定の鉱物に対して過飽和状態になると、それらの鉱物がさらに沈殿し、ひび割れ内部やコンクリート表面にカルテマイト（主に炭酸カルシウム）の沈殿物を形成することがあります。このプロセスは、特定の条件下でひび割れの自己修復を引き起こす可能性があります。
ファゲルルンド[ 10 ]（2000）は、「強度に影響が出る前に、石灰の約15％が溶解する必要がある。これはセメント重量の約10％、つまり最初に形成されたCa(OH) 2のほぼすべてに相当する」と結論付けた。したがって、構造的完全性に影響が出る前に、大量の「水酸化カルシウム」（Ca(OH) 2 ）がコンクリートから溶出されなければならない。しかし、もう一つの問題は、Ca(OH) 2が溶出すると、鉄筋の腐食が構造的完全性に影響を与える可能性があることである。
硬化したコンクリートの中には、遊離した「水酸化カルシウム」(Ca(OH) 2 ) [ 2 ]が残っており、これはさらに解離して Ca 2+イオンと水酸化物 (OH − ) イオンを形成する可能性があります。 [ 11 ]コンクリートに存在する微細な亀裂や空隙を通って浸透経路を見つけた水は、(Ca(OH) 2 ) と Ca 2+ (その時点での溶液の pH と化学反応に応じて) を容易に構造物の下部に運び、そこで浸出液が大気と接触します。[ 12 ] 大気中の二酸化炭素(CO 2 ) は浸出液に容易に拡散し、化学反応を引き起こし、コンクリート構造物の外側に炭酸カルシウム(CaCO 3 ) を沈殿 (堆積) させます。主に CaCO 3からなるこのコンクリート由来の二次堆積物は「カルテマイト」として知られており[ 12 ] 、鍾乳石などの洞窟の「洞窟生成物」の形状を模倣することができます。鍾乳石、流紋石など[ 13 ]錆びた鉄筋からの鉄などの他の微量元素は、 CaCO3と同時に浸出液によって運ばれて沈殿する可能性がある。これにより、カルセマイトがオレンジ色または赤色に着色されることがある。[ 14 ] [ 15 ]
コンクリートから水酸化カルシウムが溶出する化学反応は、関与する化学反応が異なるため、洞窟の鍾乳石よりも最大で約200倍速くカルセマイトの成長を促進する可能性があります。[ 16 ]カルセマイトが見られることは、コンクリート構造物からカルシウムが溶出しており、コンクリートが徐々に劣化していることを示す視覚的な兆候です。[ 12 ] [ 17 ]
浸出液の浸透経路から水酸化カルシウムが溶出している非常に古いコンクリートでは、化学反応が石灰岩の洞窟内の「鍾乳石」の化学反応に似たものに戻る可能性があります。 [ 12 ] [ 13 ]これは、二酸化炭素を多く含む雨水や浸透水が弱い炭酸を形成し、コンクリート構造物内部から炭酸カルシウム（CaCO3）を溶出させて構造物の下部に運びます。[ 18 ]大気と接触すると、二酸化炭素が脱気し、炭酸カルシウムが沈殿してカルセマイト堆積物が形成されます。[ 12 ]これは鍾乳石の形状や形態を模倣しています。[ 13 ]この脱気化学はコンクリート構造物では一般的ではありません。浸出液はコンクリートを通して新しい経路を見つけて遊離水酸化カルシウムにアクセスできることが多く、これにより化学反応は前述のCO2が反応物となるものに戻ります。[ 12 ]
海水にさらされたコンクリートは、その腐食作用を受けやすい。その影響は、コンクリートが恒久的に水没している場所よりも潮間帯より上でより顕著である。水没帯では、マグネシウムイオンと炭酸水素イオンが約30マイクロメートルの厚さのブルサイト（水酸化マグネシウム：Mg(OH) ₂ ）の層を沈殿させ、その上に炭酸カルシウムがアラゴナイトとしてゆっくりと沈着する。これらの鉱物層は、マグネシウムイオン、塩化物イオン、硫酸イオンによる攻撃や炭酸化などの他のプロセスからコンクリートをある程度保護する。水面より上では、波自体や波が運ぶ砂や砂利による侵食、コンクリートの細孔に浸透した水からの塩の結晶化と乾燥によって機械的な損傷が発生する可能性がある。ポゾランセメントや、セメント質材料として60重量％以上の高炉スラグを使用したセメントは、純粋なポルトランドセメントよりも海水に対する耐性が高い。海水による攻撃は、塩化物攻撃と硫酸塩攻撃の両方の側面を示す。
細菌自体はコンクリートに目立った影響を与えません。しかし、未処理の下水中の硫酸還元細菌（SRB）は硫化水素（H₂S ）を生成する傾向があり、これは大気中の 酸素（非生物的反応）と水面上のコンクリート表面のバイオフィルム中に存在する好気性細菌（生物的反応）によって硫酸（H₂SO₄）に酸化されます。硫酸は硬化セメントペースト（HCP）中の炭酸塩、水酸化カルシウム（ポートランダイト：Ca(OH) ₂）およびケイ酸カルシウム水和物（CaO・SiO₂・nH₂O ）を溶解し、強度低下を引き起こすとともに、コンクリートに有害な硫酸塩を生成します。 [ 19 ]
いずれの場合も、柔らかく膨張性のある水溶性の腐食生成物である石膏（CaSO₄ ）が生成される。石膏は廃水によって容易に洗い流され、コンクリート骨材の損失を引き起こし、新しい材料を酸による腐食にさらすことになる。
黄鉄鉱（二硫化鉄(II)）を含む地盤上に敷設されたコンクリート床も危険にさらされます。 予防策として、下水は前処理され、pHを上げたり、硫化物を酸化または沈殿させたりすることで、硫化物還元細菌の活動を最小限に抑えることができます。
細菌は水中に浮遊する（プランクトン性細菌）よりも固体の表面に付着することを好むため、定着性細菌によって形成されるバイオフィルムは、細菌が最も活発に活動する場所となることが多い。死んだ細菌と生きた細菌が何層にも重なった（タマネギのような）バイオフィルムは、バイオフィルム外の水中でしばしば見られる過酷な環境から生きた細菌を保護する。コンクリートに埋め込まれた金属部材の既に露出した表面に形成されるバイオフィルムは、金属表面の腐食（差動通気と陽極領域の形成）を促進することもある。硫酸還元細菌（SRB）によって生成される硫化物は、鋼鉄やその他の金属に応力腐食割れを引き起こすこともある。
型枠の打設および撤去工程中に損傷が発生する場合があります。例えば、梁の角は振動による締め固めが不十分なため（型枠振動機を使用することで改善されます）、型枠撤去時に損傷する可能性があります。また、ベースプレートのない鋼製型枠を使用すると、別の物理的な損傷が発生する場合があります。鋼製型枠は、次に構築されるスラブの重量によってコンクリートスラブの上面を挟み込んでしまうためです。
コンクリートスラブ、ブロック壁、パイプラインは、地盤沈下、地震動、その他の振動源、および温度変化による膨張・収縮によってひび割れを起こしやすい。
セメントの水和反応では水分子が消費されます。硬化したセメントペースト中に存在する水和生成物の体積の合計は、セメントクリンカー中に存在する反応鉱物相の体積の合計よりも小さくなります。そのため、生コンクリートやごく若いコンクリートは水和反応によって体積が収縮します。これは「化学収縮」または「自己乾燥」と呼ばれる現象です。ごく若いコンクリートがまだ液体の状態、または十分に可塑性のある状態であり、体積変化（収縮）を容易に吸収できる限り、これは問題になりません。
硬化が進み、生コンクリートの粘度が増して固まり始めると、不要な蒸発による水分損失によって「塑性収縮」が発生することがあります。これは、コンクリートが高温条件下（例えば夏場）で打設され、蒸発に対する十分な保護が行われていない場合に起こります。鉄筋の上部ではコンクリートの収縮が局所的に拘束され、まだ固まりきっていない、抵抗力の弱いコンクリートが自由に収縮できないため、ひび割れが発生しやすくなります。
コンクリートが初期凝結後も硬化を続け、徐々に機械的強度を発達させる養生は、コンクリートに望ましくないひび割れが生じるのを防ぐ上で重要な段階です。温度（夏季または冬季）によって、コンクリートの凝結および硬化速度を制御するセメント水和反応速度が異なるため、養生期間は数日（夏季）から最大2週間（冬季）までかかる場合があります。この段階では、ゆっくりとしたセメント水和反応を継続するために水が必要であるため、蒸発による水の損失を避けることが非常に重要です。この段階での水の損失はコンクリートの収縮を悪化させ、許容できないひび割れの発生につながる可能性があります。ひび割れは、養生期間が短すぎる場合、または養生が不十分な場合に発生します。これは、若いコンクリートが、望ましくない早期乾燥によって生じる引張応力に耐えるのに十分な初期強度をまだ発達させていないためです。ひび割れは、初期コンクリートが乾燥から十分に保護されておらず、高温、直射日光、乾燥した空気、低い相対湿度、夏季の強風などの好ましくない気象条件により、熱で水分が過剰に蒸発した場合に発生します。養生は、コンクリート表面の湿潤状態を維持することを目的としています。これは、型枠を長時間設置したままにするか、コンクリート表面（例えば、大型スラブやラフトの場合）に疎水性の油性製品（養生剤）の薄膜を塗布して水分の蒸発を最小限に抑えることで実現できます。
コンクリートが十分に凝結・硬化した後、毛細管水の漸進的な減少も「乾燥収縮」の原因となります。これは、コンクリートの寿命が進むにつれて、乾燥状態下でコンクリートの大きな細孔がもはや完全に水で飽和しなくなるときに起こる、継続的かつ長期的なプロセスです。
コンクリートが凝結・硬化中に過度な温度上昇にさらされる場合、例えばセメントの水和熱が容易に逃げられない大規模なコンクリート構造物（半断熱条件）では、温度勾配と体積変化の差によって熱ひび割れや亀裂が発生することがあります。これらを最小限に抑えるには、速硬性セメント（CEM I：ポルトランドセメント）よりも遅硬性セメント（CEM III：高炉スラグ入り）が好まれます。また、低温条件下（例えば夜間や冬季）でコンクリートを打設したり、冷水や氷を冷却骨材と混ぜてコンクリートを製造したりすることも、熱ひび割れの抑制に効果的です。
コンクリート構造物が鉄筋で強く補強されている場合、非常に密な鉄筋網が、鉄筋の外側の層の上に設置された保護コンクリート被覆の、自然な乾燥収縮による収縮運動を阻害することがあります。その結果、膨張性化学反応（ ASR、DEF、ESA ）によって生じるひび割れにも見られる特徴的なハニカム状の亀裂網が形成されます。
鉄筋上部のコンクリート被覆に亀裂が生じると、水やCO₂（鉄筋周辺のpH低下）、塩化物イオン（孔食）などの腐食性物質がコンクリート内部に浸入する優先的な経路となります。そのため、亀裂の物理的な形成はコンクリートの化学的劣化を促進し、鋼材の腐食を悪化させます。物理的劣化と化学的劣化は密接に関連しており、水の浸入は有害な膨張性化学反応（鉄腐食生成物、ASR、DEF、ISA、ESA）による膨張性生成物の形成も加速させます。
コンクリート構造物のひび割れが炭酸化と塩化物浸透に及ぼす影響を定量的に推定するために、さまざまなアプローチと方法が開発されてきました。[ 20 ]これらの目的は、これらの有害な化学物質の浸透深さを過小評価することを避け、コンクリート構造物の耐用年数全体にわたって鉄筋を腐食から保護するのに十分なコンクリート被覆の厚さを計算することです。
冬季や寒冷地では、気温が摂氏0度を下回ると、コンクリートの細孔内で氷が結晶化します。これは、コンクリートマトリックス内部で高い引張強度を持つ物質が体積膨張を起こす物理的メカニズム（状態変化）の一つです。コンクリートの引張強度を超えると、ひび割れが発生します。生コンクリートの練り混ぜ時に空気連行剤を添加すると、生コンクリートスラリー中に微細な気泡が形成されます。これにより、硬化コンクリート中に多数の小さな空気で満たされた微細な空洞ができ、氷の体積膨張を吸収する空隙として機能し、引張応力が発生するタイミングを遅らせます。空気連行により、コンクリートの打設時の作業性が向上し、特に凍結融解サイクルのある気候では、硬化後の耐久性が向上します。
過負荷、衝撃、振動（橋梁、トラックの交通量が多い道路など）は、コンクリート構造物に機械的応力や変形を引き起こし、コンクリートの機械的劣化の原因となる可能性があります。コンクリートの長期的な乾燥収縮に加えて、プレストレストコンクリートやポストテンションコンクリートを用いた土木構造物（橋梁、原子力発電所の一次格納容器など）では、コンクリートの緩やかなクリープや変形も発生する可能性があります。
熱伝導率が低いため、コンクリート層は鋼構造物の耐火によく使用されます。しかし、コンクリート自体も火災で損傷を受ける可能性があり、 1996年の英仏海峡トンネル火災では、トンネルの長さ数百メートルにわたって火災による損傷が広がりました。このため、ASTM E119 [ 21 ]などの一般的な耐火試験規格では、セメント系製品内部の相対湿度が75%以下でない限り、セメント系製品の耐火試験は許可されていません。そうでない場合、コンクリートは著しい剥離を起こす可能性があります。
約 300 °C までは 、コンクリートは通常の熱膨張を起こします。この温度を超えると、水分の損失により収縮が起こりますが、骨材は膨張を続け、内部応力が発生します。約 500 °C までは、主な構造変化は炭酸化と細孔の粗大化です。573 °C では、石英が相転移により急速に膨張し、900 °Cでは方解石が分解により収縮し始めます。450～550 °C では、セメント水和物が分解して酸化カルシウムを生成します。炭酸カルシウムは約 600 °C で分解します。構造物の冷却時に酸化カルシウムが再水和すると膨張し、火災に耐えて崩壊しなかった材料に損傷を与える可能性があります。火災に見舞われ、数年間放置された建物のコンクリートは、再吸収された二酸化炭素による広範囲の炭酸化を示します。
100 ℃までの高温にさらされたコンクリートは、通常、健全であると考えられています。コンクリート構造物のうち、約300 ℃（水セメント比による）を超える温度にさらされた部分は、おそらくピンク色になります。約600 ℃を超えるとコンクリートは薄い灰色になり、約1000 ℃を超えると黄褐色になります。[ 22 ] 経験則として、ピンク色になったコンクリートはすべて損傷していると判断し、除去する必要があります。
火災が発生すると、コンクリートはガスや液体にさらされ、それらはコンクリートに有害となる可能性がある。また、火災によって発生したガスが水と接触すると、塩類や酸なども発生する。
コンクリートが非常に高温に急速にさらされると、コンクリートの爆発的な剥離が発生する可能性がある。非常に高温で非常に速い火災では、コンクリート内部の水が蒸発する前に沸騰する。コンクリート内部の水蒸気は膨張圧力を及ぼし、剥離を引き起こして強制的に排出する可能性がある。[ 23 ]
原子力発電所や高フラックス材料試験炉において、コンクリート構造物が中性子線やガンマ線に曝されると、コンクリート構造部材に放射線損傷が生じる可能性がある。常磁性欠陥や光学中心は容易に形成されるが、コンクリートに含まれる鉱物の結晶格子内の原子を十分に多く変位させるには、非常に高いフラックスが必要となる。そうして初めて、重大な機械的損傷が観察されるようになる。
しかしながら、非常に高い中性子フルエンス（単位断面積あたりの中性子数：中性子/cm² ）での中性子照射は、一部のコンクリート骨材に含まれる石英の一部を非晶質化することが知られています。この非晶質化プロセスはメタミクト化とも呼ばれます。格子構造が乱れたメタミクト石英はアルカリシリカ反応を起こしやすく、そのため原子力格納容器のコンクリートに有害な化学膨張を引き起こす可能性があります。
コンクリート構造物は、経年劣化、化学攻撃、火災、衝撃、移動、鉄筋腐食などによる損傷を受けた場合、修復が必要になることがあります。 [ 24 ]構造物が弱体化した場合（設計や施工のミス、過大な荷重、用途変更などによる場合）、補強が必要になることがあります。
まず最初に行うべきことは、劣化の原因を特定するための調査です。修復の一般的な原則としては、劣化の進行を食い止め、それ以上の劣化を防ぐこと、露出した鉄筋を処理すること、ひび割れによって生じた亀裂や穴、あるいは剥離や損傷したコンクリートの損失によって生じた亀裂や穴を埋めることなどが挙げられます。
コンクリート構造物の修復、保護、再生にはさまざまな技術が利用可能であり、[ 25 ]修復原則の仕様が体系的に定義されています。[ 26 ]適切なアプローチの選択は、初期損傷の原因（衝撃、過大荷重、移動、鉄筋の腐食、化学的攻撃、火災など）と、修復が完全に荷重を支えるものか、単に外観上の修復のみであるかによって異なります。
コンクリートステッチングは、金属製のステープルまたはステッチを用いて、ひび割れたコンクリート表面の構造的完全性を回復させる工法です。この工法では、ひび割れに沿ってトルクをかけることで、荷重と張力を効果的に伝達し、影響を受けた部分を安定させ、強化します。その簡便性と最小限の工事で知られるコンクリートステッチングは、橋梁や建築物などの重要なインフラ構造物で広く利用されており、ひび割れの進行を防ぐことでコンクリート構造物の寿命を大幅に延ばします。
コンクリートの強度や性能を元の（損傷のない）状態以上に向上させない補修原則には、剥離や層間剥離後のコンクリートの交換と修復、構造物の耐荷重能力を回復するための補強、物理的または機械的な攻撃に対する抵抗力の向上などが含まれる。
劣化の進行を阻止し、さらなる劣化を防ぐための修復原則には、陽極領域の制御、陰極防食、陰極制御、抵抗率の向上、不動態化の維持または回復、化学的攻撃に対する耐性の向上、有害物質の侵入に対する保護、および水分制御が含まれる。
剥離または損傷したコンクリートの除去によって生じた穴を埋める技術には、モルタル補修、流動コンクリート補修、および吹き付けコンクリート補修があります。構造目的（強度と耐荷重能力の回復）または非構造目的（さらなる動きが予想される柔軟な補修、または水やガスの浸透を防ぐため）でコンクリートのひび割れ、亀裂、または空隙を埋めるには、通常、エポキシ、PU、またはアクリル樹脂をベースとした低粘度樹脂またはグラウト、あるいは微粉化セメントスラリーを注入します。[ 27 ]
ひび割れ補修のための斬新な提案の一つは、バクテリアを利用することである。バシラフィラは、損傷したコンクリートを修復し、ひび割れを埋めて元の状態に戻すように設計された遺伝子組み換えバクテリアである。
コンクリート構造物を強化し、耐荷重能力を高めたり、使用中の性能を向上させたりするためのさまざまな技術が利用可能です。これらには、コンクリートの断面積を増やしたり、鋼板や繊維複合材などの材料を追加して引張能力を高めたり、コンクリートの拘束を増やして圧縮能力を向上させたりすることが含まれます[ 28 ] [ 29 ] 。
スイスでは、高速道路インフラの鉄筋コンクリートは、CFUP（BFUPとも呼ばれる）と呼ばれる高性能コンクリートで保護されることが多い。[ 30 ]
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