コンクリートの劣化

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、硬化したセメントペーストの炭酸化や湿潤条件下での塩化物による腐食で鉄筋が腐食することがほとんどです。化学的損傷は、化学反応（炭酸化、塩化物、硫酸塩、蒸留水）によって生成される膨張性物質の形成、地下水や海水に含まれる攻撃的な化学種（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浸出、ひび割れの形成と伝播を開始する物理現象、火災または輻射熱、骨材の膨張、海水の影響、浸出、急流による浸食も含まれます。^[1]

コンクリート構造物やその構成部品に対する最も破壊的な要因は、おそらく水です。実際、水は試薬として化学反応に直接関与することが多く、溶媒、つまり反応媒体として常に必要であり、溶質の輸送と反応を可能にします。水がなければ、多くの有害な反応は進行しないか、進行が非常に遅いため、建設物の予定耐用年数中に有害な結果が無視できるようになります。乾燥コンクリートは、循環水と接触する水飽和コンクリートよりも寿命がはるかに長くなります。したがって、可能であれば、コンクリートをまず水の浸入から保護する必要があります。

炭素鋼補強構造の腐食生成物 (鉄酸化物)の膨張により、内部の機械的応力(引張応力) が発生し、ひび割れが発生してコンクリート構造が破壊される可能性があります。鉄筋が不適切に設置されていたり、風雨にさらされる表面のコンクリート被覆が不十分だったりすると、構造物の耐用期間中に酸化物ジャッキングや剥離が発生する可能性があります。鉄筋の腐食により、コンクリートの平らな破片がコンクリート塊から剥がれ落ちるのです。

コンクリートは、ほとんどの固められた硬い岩石と同様に、圧縮に対して非常に強い材料ですが、張力、特に内部張力には耐えられません。引張強度は圧縮強度の約 10 倍低くなります。炭酸化コンクリート自体は、炭酸カルシウム (方解石、 CaCO ₃ )の沈殿による多孔性の減少により圧縮強度が増加するため、非常に強固な材料です。鉄筋がなく、コンクリート マトリックス内に引張応力を引き起こす膨張性反応生成物が形成されないため、純粋なコンクリートはほとんどの場合長持ちする材料です。コンクリートの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作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（CO ₂）または炭酸イオン（HCO−3、コロラド州2−3水に溶けている鉄分（カルシウム、Ca(OH) 2）がコンクリートの外部表面から内部に拡散すると、鉄分は水酸化カルシウム（ポートランド石、Ca(OH) ₂）と反応し、コンクリート間隙水の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 値が約 9.5～10 を下回ると、炭素鋼の表面に存在する鉄酸化物の溶解度が上昇し、溶解し始めます。 その結果、鉄酸化物は下にある金属鉄を大気中の酸素による酸化から保護できなくなり、鉄筋は腐食に対して不動態化されなくなります。鉄の腐食生成物（金属鉄の約 6～7 倍の密度で、したがって 6～7 倍の体積）の膨張によって内部で生じるかなりの力が、コンクリートマトリックスに亀裂を引き起こし、鉄筋コンクリートを破壊します。 鉄が存在せず（また、膨張性生成物を生成する有害な化学分解反応もなければ）、コンクリートはおそらく最も耐久性のある材料の 1 つでしょう。しかし、ほとんどの土木構造物ではコンクリートにかかる引張力を補うために鉄筋が必要であり、ステンレス鋼は炭素鋼の代わりとしては高価すぎる金属です。亜鉛メッキ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（滑りの危険）、保護コーティングが部分的に穴が開いたり損傷したりした場合にガルバニック腐食につながる陰極および陽極領域が形成される可能性がある、コストが高いなどの欠点もあります。

コンクリートは硬い岩石なので、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。その結果、コンクリートの塊に膨張相が形成されると、コンクリートは簡単に損傷します。

最も普遍的で最もよく知られている膨張相は、おそらく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鉄酸化物です。腐食生成物は、炭酸化されたコンクリート内の鉄筋の周囲に生成されます (したがって、腐食に対して不動態化されなくなります)。または、ひび割れが形成され始めると、大気中の酸素に直接さらされます。鉄筋の腐食によって生じた損傷は、肉眼ではっきりと見え、診断は簡単です。

コンクリートでは、特性評価や特定がより困難な、その他の有害な膨張化学反応が発生することがあります。これらの反応は、まずコンクリート内で発生する場所（骨材内部または硬化したセメントペースト内）によって区別されます。

さまざまな種類の骨材がコンクリート内部でさまざまな化学反応を起こして膨張し、損傷を引き起こす膨張現象を引き起こす可能性があります。

アルカリシリカ反応

最も一般的なのは、反応性非晶質 シリカを含むもので、水の存在下でセメント アルカリ（K ₂ OおよびNa ₂ O）と反応します。一部の骨材のより反応性の高い珪質鉱物成分には、オパール、カルセドニー、フリント、歪んだ石英などがあります。シリカ（実際には水和するとケイ酸）は、水酸化ナトリウム（NaOH）によって簡単に溶解してケイ酸ナトリウム（Na
₂SiO
₃）、水との親和性が高い強力な乾燥剤です。この反応はアルカリシリカ反応（ASR） の中核をなしています。

2 NaOH + SiO ₂ → Na ₂ SiO ₃・H ₂ O

この反応の後、影響を受けた骨材の内部に吸湿性で膨張性のある粘性シリカゲル相が形成され、骨材が内部から膨張してひび割れます。その結果、膨張した骨材の体積膨張によりコンクリートマトリックスが損傷し、広範囲にひび割れが広がり、コンクリート構造物に構造的損傷を引き起こします。コンクリート舗装の表面では、ASR によりポップアウト、つまり骨材粒子のサイズに応じた小さな円錐 (直径最大 3 cm (1 インチ)) の放出が発生することもあります。

粘土鉱物が不純な骨材内に存在する場合、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ります。

アルカリ炭酸塩反応

ドロマイトを含む骨材の中には、アルカリ炭酸塩反応（ACR）としても知られる脱ドロマイト化反応が発生するものもあり、炭酸マグネシウム（MgCO
₃）は水酸化イオン（OH⁻
）から生成し、水酸化マグネシウム（ブルーサイト、Mg(OH)
₂）と炭酸イオン（CO²⁻³
_...) ブルー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。

CaMg(CO ₃ ) ₂ + 2 NaOH → Mg(OH) ₂ + CaCO ₃ + Na ₂ CO ₃

多くの場合、アルカリケイ酸塩反応と脱ドロマイト化反応は、有害な影響を主に及ぼす、はるかに深刻なアルカリシリカ反応によって隠されています。アルカリ炭酸塩反応 (ACR) は共存する ASR 反応によって妨げられることが多いため、ACR はもはや主要な有害反応とは見なされなくなっています。

黄鉄鉱の酸化

それほど一般的ではないが、黄鉄鉱（FeS
₂）、Fe^2歳以上
二硫化物（^-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鉄酸化物（Fe
₂お
₃）、鉄オキシ水酸化物（FeO(OH)、またはFe
₂お
₃· nH
₂O）および弱溶解性石膏（CaSO
₄·2時間
₂O）。

完了すると（すなわち、すべてのFe^2歳以上
イオンは溶解度の低いFeに酸化される。^3歳以上
イオン）、黄鉄鉱の酸化は以下のように全体的に表すことができます。

2 FeS ₂ + 7.5 O ₂ + 4 H ₂ O → Fe ₂ O ₃ + 4 H ₂ SO ₄

黄鉄鉱の酸化によって放出された硫酸は、その後ポートランド石（Ca(OH
₂)) が硬化したセメントペーストに含まれて石膏になります。

H ₂ SO ₄ + Ca(OH) ₂ → CaSO ₄・ 2H ₂ O

コンクリートが大気中の二酸化炭素（CO ₂ ）によって炭酸化される場合、またはコンクリートに石灰岩骨材が使用される場合、 H
₂それで
₄方解石（CaCO​
₃) と水が反応して石膏を形成し、同時に CO2 を大気中に放出し_ます。

H ₂ SO ₄ + CaCO ₃ + H ₂ O → CaSO ₄・2H ₂ O + CO ₂

二水和石膏は室温では比較的水に溶けやすく（約1～2g/L）、流動性があります。浸透水によって容易に浸出され、コンクリート表面に白華現象を引き起こす可能性がありますが、不溶性のFeは
₂お
₃· nH
₂O は酸化された黄鉄鉱の粒子の周囲に留まり、赤黄土色に染まります。

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大きな反応生成物を形成し、HCP 内で硫酸攻撃と呼ばれる 3 種類の膨張反応を引き起こす可能性があります。

1. 遅延エトリンガイト形成 (DEF) は内部硫酸塩腐食 (ISA) としても知られています。
2. 外部硫酸塩攻撃（ESA）、および;
3. ソーマサイト型の硫酸塩攻撃 (TSA)。

これら 3 種類の硫酸塩腐食反応については、本文後半の特定のセクションで詳しく説明します。硬化セメントペースト (HCP) が影響を受けると、骨材が影響を受ける場合よりもコンクリート構造物の構造安定性に対する悪影響が一般的に大きくなります。DEF、ESA、TSA は、ASR 反応や ACR 反応よりもコンクリートにダメージを与えます。

これらすべての化学膨張反応に共通するのは、反応物および反応媒体として水が必要であることです。水の存在は常に悪化要因となります。ダムや橋の杭など水中に沈んでいるコンクリート構造物は、特に影響を受けやすいです。これらの反応は、温度や相対湿度などの環境条件に応じて、反応速度が遅いという特徴もあります。反応はゆっくりと進行し、損傷が明らかになるまでに数年かかる場合があります。有害な結果が現れるまでに 10 年かかることもよくあります。コンクリート構造物を水との接触から保護すると、損傷の進行を遅らせることができます。

空気中の二酸化炭素（CO _{2 ）} （約412 ppm vol.）と重炭酸塩（HCO⁻
₃）または炭酸塩（CO²⁻³
_...)水中に溶解した陰イオンは 水酸化カルシウム( Ca(OH)
₂コンクリート中のポルトランドセメントの 水和反応によって生成される炭酸カルシウム（CaCO
₃) と同時に、次の反応で水分子が放出されます。

CO ₂ + Ca(OH) ₂ → CaCO ₃ + H ₂ O

水分子を除けば、炭酸化反応は本質的にセメント窯で起こる石灰石の焼成プロセスの逆になります。

CaCO ₃ → CaO + CO ₂

_{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外表面から大気中のCO2がコンクリート内部に} 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継続的なプロセスです。炭酸化は拡散深度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2つの相反する効果をもたらします。

1. コンクリートの細孔空間の微細な空隙を埋める方解石の沈殿により、コンクリートマトリックスの多孔度が減少し、コンクリートの機械的強度が向上します。
2. 同時に、炭酸化によりポートランド石が消費されるため、コンクリートのアルカリ予備緩衝材が減少します。高pH (通常 12.5 – 13.5) を特徴とする超アルカリ性条件 (つまり、塩基性化学条件) は、鉄筋の鋼表面を不動態化し、腐食から保護するために必要です。^[2] pH 10未満では、炭素鋼の表面に保護用の薄いコーティングを形成する酸化鉄の溶解度が増加します。薄い保護酸化物層が溶解し始め、腐食が促進されます。酸化鉄の体積質量は金属鉄(Fe)の 6 – 7 倍にもなるため、鉄筋の周囲に腐食生成物が膨張するという悪影響があります。これにより、鉄筋の周囲のコンクリート マトリックスに引張応力が発生します。鉄筋上のコンクリート カバーでコンクリートの引張強度を超えると、コンクリートが剥離し始めます。鉄筋を腐食から守るコンクリートカバーに亀裂が生じ、CO2 が鉄筋に直接侵入する優先経路となります_。これにより炭酸化反応が加速され、腐食プロセスが加速します。

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、フェノールフタレイン溶液をコンクリートサンプル（コンクリートコア、プリズム、新しく破砕したバー）の新しい表面に塗布することで視覚的に明らかにすることができます。フェノールフタレインはpH 指示薬であり、その色は 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わります。紫色はまだアルカリ性であり、コンクリートが炭酸化していないことを示します。鉄鋼の腐食やコンクリートの劣化に好ましい炭酸化ゾーンは無色です。^{[3] [4]}

炭酸化コンクリートに水が存在することは、鉄筋の周りのコンクリート間隙水の pH を下げ、低 pH で炭素鋼表面の不動態化を解消するために必要です。水は腐食プロセスの中心です。水がなければ、鋼の腐食は非常に制限され、乾燥した炭酸化コンクリート構造物またはコンポーネントに存在する鉄筋は、水の浸入の影響を受けず、著しい腐食の影響を受けません。

塩化物イオンが鉄筋コンクリートに及ぼす主な影響は、鉄筋の孔食を引き起こすことです。鉄筋の断面が小さくなり、鉄筋が設計上耐えるべき引張力に耐えられなくなるため、これは潜在的で危険な局部腐食です。鉄筋の断面が小さすぎたり、鉄筋が局部的に破損したりすると、補強材が失われ、コンクリートはもはや鉄筋コンクリートではなくなります。

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浸出させてポルトランドセメントの化学変化を引き起こし、強度の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。コタキナバルにある10階建てのクイーンエリザベス病院には、早期の破損を引き起こす高濃度の塩化物が含まれていました。

アルカリシリカ反応（ASR）は、アルカリ（Na
₂OとK
₂O）、NaOH および KOH としてコンクリート間隙水に溶解し、水分の存在下で反応性の非晶質（非結晶性）珪質骨材と反応します。反応を様式化した最も単純な書き方は次の通りです（他の表現も存在します）。

2 NaOH + SiO ₂ → Na ₂ SiO ₃・H ₂ O (若いNSHゲル)

この反応により、ゲル状のケイ酸ナトリウム（Na
₂SiO
₃• nH
₂O）、またNa
₂H
₂SiO
₄• nH
₂O、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で膨張し、膨張してひび割れます。その結果、コンクリートの膨張を引き起こします。コンクリートが強く補強されている場合、ひび割れて構造物を損傷する前に、まずプレストレス効果が発生する可能性があります。ASR は骨材に影響を与え、ひび割れた骨材で認識できます。硬化セメントペースト (HCP) に直接影響を与えることはありません。

コンクリートの初期段階で、温度が 65 °C 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) の結晶化が起こらず、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、温度は常温に戻り、AFt 相と AFm 相の溶解度の温度曲線は交差します。低温で溶解度が高くなったモノ硫酸塩 (AFm) はゆっくりと溶解して、溶解度の低いエトリンガイト (AFt) として再結晶します。AFt の結晶構造には、AFm よりも多くの水分子が含まれています。そのため、AFt は 32 個の H ₂ O 分子があるため、モル体積が AFm よりも高くなります。若いコンクリートが冷却されてから数か月または数年経つと、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かけることができます。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る構造物の破壊につなが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) のパターンに似たランダムなハニカムクラック パターンです。実際、この典型的なクラック パターンは、すべての膨張性内部反応に共通しており、また、硬い基質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妨げる拘束収縮にも共通しています。DEF は内部硫酸塩腐食 (ISA) としても知られています。外部硫酸塩腐食 (ESA) もエトリンガイト (AFt) 形成と有害な膨張を伴い、同じ有害な症状を伴いますが、周囲の地形または環境に硫酸アニオンの外部ソースが必要です。DEF または ISA 反応を回避する最善の方法は、エトリンガイト (AFt) の形成を防ぐ低 C _{3 A (アルミナ酸三カルシウム) セメントを使用することです。硫酸塩耐性 (SR) セメントも}Al ₂ O ₃含有量が低くなっています。 DEF または ISA は、硬化したセメントペースト (HCP) にのみ影響し、骨材には影響を与えません。

セメント中のアルカリ含有量、ひいては水酸化物含有量が高く、pH が高いと DEF が悪化します。これは、次の図に示すように、 ヒドロキシルアニオン(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一硫酸塩(AFm) に変化することによって発生します。

AFt + OH ^– → AFm

完全な反応は、反応に関与する試薬と生成物の分子式から導き出すことができます。この反応は、AFt の溶解と AFm の形成を促進します。これらが組み合わさると、高すぎる温度による有害な影響が悪化します。DEF を最小限に抑えるには、低アルカリセメントの使用も推奨されます。コンクリートが浸水にさらされ、(OH ^– ) イオンの浸出により pH が低下すると、エトリンガイト (AFt) の有害な結晶化が優先的に発生します。温度が低下すると、反応は逆になります。

溶液中の硫酸塩がコンクリートと接触すると、セメントに化学変化を引き起こし、微細構造に重大な影響を及ぼし、セメントバインダーの弱化につながる可能性があります（化学的硫酸塩腐食）。硫酸塩溶液はまた、結晶化と再結晶化によって多孔質セメント質材料を損傷する可能性もあります（塩害）。^{[7]硫酸塩と亜硫酸塩は自然環境中に遍在し、}フライアッシュやその他の硫酸塩源を含む「混合」セメントに添加剤として含まれることが多い石膏（硫酸カルシウム）など、多くの発生源から存在します。硫酸バリウムを除いて、ほとんどの硫酸塩は水にわずかに溶けるか、非常に溶けやすいです。これには酸性雨が含まれ、大気中の二酸化硫黄が降雨で溶解して亜硫酸が生成されます。雷雨では、二酸化炭素が酸化されて三酸化物になり、降雨中の残留硫酸がさらに酸性になります。コンクリート下水道インフラは、下水中の硫化物の酸化から生じる硫酸と硫酸 陰イオンによって最もよく攻撃されます。硫化物は、下水本管に存在する硫酸還元細菌が排水中の遍在する硫酸イオンを硫化水素ガス（H
₂S ）。H
₂Sは揮発性で、下水中の水から放出されます。これは下水管の壁に凝縮した薄い膜に溶解し、硫化水素（HS）も伴います。⁻
）および硫化物（S²⁻
）イオン。H
₂SとHS⁻
陰イオンは大気中の酸素や酸素を含んだ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。

H ₂ S + 2 O ₂ → 2 H ⁺ + SO2−4

または、

HS ⁻ + 2 O ₂ → HSO−4

コンクリート下水道の天端（上部）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、天端腐食として知られています。^[8]

ソーマサイトは、珍しい八面体構造の Si 原子を含むカルシウムケイ酸塩鉱物で、化学式はCa ₃ Si (O H ) ₆ ( C O ₃ )( S O ₄ )·12 H ₂ Oです。より単純に 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、石灰岩骨材や細かく粉砕された石灰岩充填材（CaCO ₃ ）などの炭酸イオン源を含む、または炭酸イ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。重炭酸イオン（HCO −3) も反応に寄与する可能性がある。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、ここではダッシュは非化学量論性を示す) を犠牲にして進行する。ソーマサイト型の硫酸塩腐食 (TSA) は、非常に破壊的な硫酸塩腐食の特別なタイプである。CSH は、コンクリート骨材間の隙間を埋める硬化セメントペースト中の「接着剤」である。TSA 反応が「セメント接着剤」のケイ酸塩を消費すると、コンクリートの有害な剥離と軟化につながる可能性がある。膨張とひび割れはよりまれにしか観察されない。一般的な硫酸塩腐食では、水酸化カルシウム(ポートランド石) とカルシウムアルミネート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) を形成するが、TSA の場合は、HCP と骨材の凝集を保証する CSH が破壊される。その結果、C3A含有量の少ない硫酸_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、現場で変質したコンクリートを検査すると、簡単に認識できる場合があります。TSA の影響を受けたコンクリートは粉状になり、スコップで掘り出すことも、指で削ることも可能です。コンクリートの剥離は、TSA の非常に特徴的な現象です。

TSA は、1990 年代にイギリスのイングランドで、キメリッジアン泥灰岩層にある高速道路 M5 の橋梁の基礎杭で初めて確認されました。これらの泥灰岩は、無酸素状態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)を豊富に含んでいます。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、急速に酸化されました。黄鉄鉱の酸化により硫酸が生成されます。次に、H ₂ SO _{4 が}ポートランド石 ( 硬化したセメントペースト ( HCP ) に存在 ) および方解石( CaCO ₃ ( 石灰岩骨材または炭酸 HCP に存在 ) と反応します。黄鉄鉱の酸化によって媒体が強く酸性化されると、重炭酸イオン ( HCO −3）または二酸化炭素（CO ₂）とカルシウム（Ca ²⁺）および硫酸イオン（SO2−4）。

黄鉄鉱の完全な酸化は次のように図式化できます。

2 FeS ₂ + 7.5 O ₂ + 4 H ₂ O → Fe ₂ O ₃ + 4 H ₂ SO ₄

黄鉄鉱の酸化によって放出された硫酸は、その後ポートランド石（Ca(OH
₂)) が硬化したセメントペーストに含まれて石膏になります。

H ₂ SO ₄ + Ca(OH) ₂ → CaSO ₄・ 2H ₂ O

コンクリートに石灰岩骨材や充填材も含まれている場合、 H
₂それで
₄方解石（CaCO​
₃) と水が反応して石膏を形成し、同時に CO2 も放出し_ます。

H ₂ SO ₄ + CaCO ₃ + H ₂ O → CaSO ₄・2H ₂ O + CO ₂

石膏は水に比較的溶けやすい（約 1～2 g/L）ため、TSA に利用できるカルシウムイオンと硫酸イオンが豊富にあります。

同時に、炭酸（H ₂ O + CO ₂ ⇌ H ₂ CO ₃）が方解石を溶かして可溶性の重炭酸カルシウムを形成します。

H ₂ O + CO ₂ + CaCO ₃ → Ca(HCO ₃ ) ₂

したがって、コンクリート中の硬化したセメントペーストからの CSH と反応するために必要なすべての化学成分が一緒に存在すると、TSA 反応が発生する可能性があります。土木工事のために、多くの粘土や泥灰岩などの黄鉄鉱を多く含む地盤を掘削する場合、黄鉄鉱の酸化によって生成される強い酸性化が、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動員するため、TSA を引き起こす強力な原動力となります。

TSA は低温で起こりやすいですが、温暖な地域では高温でも起こります。その理由は、TSA 反応に必要なほとんどの成分の溶解度が逆行することにあります。実際、溶解した二酸化炭素(CO ₂ )、ポートランド石( Ca(OH) ₂ )、方解石( CaCO ₃ )、石膏( CaSO ₄ ·2 H ₂ O ) 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。温度が低いと熱放出が促進されるため、発熱反応が起こりやすくなります。シリカ(CSH 由来) の溶解度のみが温度とともに増加します。これは、シリカの溶解が吸熱反応であり、進行に熱を必要とするためです。

水がコンクリートの亀裂を流れる際、溶液がミネラルに対して不飽和であれば、硬化したセメントペーストまたは骨材に含まれるさまざまなミネラルが水に溶解することがあります。カルシウム (Ca ²⁺ )などの溶解したイオンは浸出し、溶液となってある程度の距離を移動します。浸出水中の物理化学的条件が水路に沿った距離とともに変化し、水が特定のミネラルに対して過飽和状態になると、それらのミネラルがさらに沈殿し、亀裂の内側またはコンクリートの外表面にカルテマイト堆積物(主に炭酸カルシウム) を形成します。このプロセスにより、特定の条件下では亀裂が 自己修復することがあります。

Fagerlund ^[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%、または最初に生成された Ca(OH) ₂のほぼすべてに相当する」と結論付けました。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浸出する必要があります。ただし、もう 1 つの問題は、Ca(OH) 2}が浸出すると、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す。

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]が残り、これがさらに解離してCa ^2+イオンと水酸化物イオン（OH ⁻）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小な亀裂や気孔を通り抜ける水は、（溶液のpHとその時の化学反応に応じて） Ca(OH) ₂とCa ^{2+を容易に構造物の裏側に運び、浸出液が大気と接触します。 [12]大気中の} 二酸化炭素（CO ₂）は容易に浸出液に拡散して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で構成されるコンクリート由来のこの二次堆積物は「カルテマイト」^{[12]として知られており、}鍾乳石、石筍、洞窟の「洞窟生成物」の形状を模倣することができます。鉄筋の錆び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、堆積する可能性がある。これにより、カルテマイトはオレンジ色または赤色になる可能性がある。^{[14] [15 ]}

コンクリートから水酸化カルシウムが浸出する化学反応は、さまざまな化学反応を伴うため、洞窟の洞窟生成物よりも最大約200倍速くカルテマイトの成長を促進する可能性があります。^[16]カルテ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浸出しており、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浸出した非常に古いコンクリートでは、化学反応が石灰岩の洞窟の「洞窟生成物」化学反応に似たものに戻ることがあります。 ^{[12] [13]}これは、二酸化炭素を多く含む雨や浸透水が弱い炭酸を形成し、コンクリート構造物の内部から炭酸カルシウム（CaCO ₃）を浸出させて構造物の裏側に運ぶものです。^[18]大気に触れると、二酸化炭素が脱ガスし、炭酸カルシウムが沈殿してカルテマイト堆積物を形成します。^[12]これは洞窟生成物の形状と形態を模倣しています。^[13]この脱ガス化学反応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過する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することが多く、これにより化学反応が前述の CO ₂が反応物である状態に戻るためです。^[12]

海水に晒されたコンクリートは、その腐食作用の影響を受けやすくなります。この影響は、コンクリートが恒久的に水没している場所よりも、潮汐帯より上の場所でより顕著になります。水没した場所では、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ーサイト(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します。これらの鉱物層は、マグネシウム、塩化物、硫酸塩イオンによる侵食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します。水面より上では、波自体や波が運ぶ砂や砂利による浸食、およびコンクリートの細孔に染み込んで乾燥した水からの塩の結晶化によって、機械的損傷が発生する可能性があります。ポゾランセメントおよびセメント質材料として60 重量%を超える高炉スラグを使用するセメントは、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あります。海水の侵食は、塩化物と硫酸塩の両方の侵食の側面を示します。

細菌自体はコンクリートに目立った影響を与えない。しかし、未処理の下水中の硫酸還元細菌（SRB）は硫化水素（H 2 _{S ）}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）と水位より上のコンクリート表面のバイオフィルムに存在する好気性細菌（生物的反応）によって_硫酸（ H 2 SO ₄ ）中で酸化される。硫酸は硬化セメントペースト（HCP）中の炭酸塩、さらに水酸化カルシウム（ポートランド石：Ca(OH) ₂）とケイ酸カルシウム水和物（CaO·SiO ₂ ·nH ₂ O）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する。 ^[19]

H ₂ SO ₄ + Ca(OH) ₂ → CaSO ₄ + 2H ₂ O

H ₂ SO ₄ + CaO・SiO ₂・n H ₂ O → CaSO ₄ + H ₂ SiO ₃ + n H ₂ O

いずれの場合も、柔らかく膨張性があり水溶性の石膏腐食生成物(CaSO _{4 ) が生成されます。石膏は}廃水で簡単に洗い流され、コンクリート骨材の損失を引き起こし、新しい材料を酸の攻撃にさらします。

黄鉄鉱（二硫化鉄（II） ）を含む地面に敷かれたコンクリートの床も危険にさらされています。予防策として、下水を前処理して pH を上げたり、硫化物を酸化または沈殿させて硫化物還元細菌の活動を最小限に抑える場合があります。^{[引用が必要]}

細菌は水中に浮遊するよりも固体の表面に付着することを好むことが多いため（プランクトン性細菌）、定着性（すなわち固定性）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よくあります。死んだ細菌と生きた細菌の複数の層（タマネギのように）でできたバイオフィルムは、バイオフィルムの外側の水によくある厳しい条件から生きた細菌を保護します。コンクリートで覆われた金属要素のすでに露出した表面に形成されるバイオフィルムは、金属の腐食を加速させる一因にもなります（金属表面での差気および陽極領域の形成）。SRB細菌によって生成される硫化物も、鋼鉄やその他の金属に 応力腐食割れを引き起こす可能性があります。

鋳造および型枠取り外しのプロセス中に損傷が発生する場合があります。たとえば、振動による圧縮が不十分なため、型枠の取り外し中に梁の角が損傷することがあります (フォームバイブレーターの使用により改善)。ベースプレートのないスチール型枠の使用により、その他の物理的損傷が発生する場合があります。スチール型枠は、次に構築されるスラブの重量により、コンクリートスラブの上面を挟みます。

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、地震の揺れ、その他の振動源によってひび割れが生じやすく、また、急激な温度変化による膨張や収縮によってもひび割れが生じやすくなります。

化学的収縮（自己乾燥）

セメントの水和プロセスでは、水分子が消費されます。硬化したセメントペーストに含まれる水和生成物の体積の合計は、セメントクリンカーに含まれる反応鉱物相の体積の合計よりも小さくなります。したがって、フレッシュコンクリートと非常に若いコンクリートの体積は、水和反応により収縮します。これは「化学収縮」または「自己乾燥」と呼ばれます。フレッシュコンクリートがまだ液体または十分に可塑性のある状態にあり、体積変化（収縮）に容易に対応できる限り、これは問題ではありません。

プラスチックの収縮

硬化段階の後半、生コンクリートの粘性が増し、硬化し始めると、不要な蒸発による水分損失により「塑性収縮」が発生する可能性があります。これは、コンクリートが夏季などの高温条件下に置かれ、蒸発に対する保護が不十分な場合に発生します。コンクリートの収縮がこのレベルで局所的に抑制され、まだ硬化中で抵抗力が弱いコンクリートは自由に収縮できないため、鉄筋の上にひび割れが発生することがよくあります。

養生不良（早期の水分喪失）によるひび割れ

コンクリートが初期硬化後も硬化を続け、徐々に機械的強度を増していく養生は、コンクリートに不要なひび割れが生じないようにするための重要な段階です。気温（夏または冬の条件）と、コンクリートの硬化速度を制御するセメントの水和反応速度に応じて、養生時間はわずか数日（夏）または最大 2 週間（冬）かかります。ゆっくりとしたセメントの水和を継続するには水が必要であるため、蒸発による水分の損失を避けることが重要です。この段階で水分が失われると、コンクリートの収縮が悪化し、コンクリートに許容できないひび割れが生じる可能性があります。若いコンクリートが、望ましくない時期尚早の乾燥によって引き起こされる引張応力に耐えるのに十分な初期強度をまだ発揮していないときに、養生が短すぎたり、養生が不十分だったりすると、ひび割れが生じます。ひび割れは、コンクリートの初期段階で乾燥に対する保護が不十分で、気象条件が好ましくないために熱とともに水分が蒸発しすぎると発生します。気象条件が好ましくない場合には、高温、直射日光、乾燥した空気、相対湿度の低さ、夏季または高温時の強風などが考えられます。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。養生は、型枠を長時間設置するか、コンクリート表面に疎水性の薄い油性製品 (養生剤) を塗布して (大きなスラブやラフトなど)、水分の蒸発を最小限に抑えることで行うことができます。

乾燥収縮

コンクリートが十分に固まって硬化した後 (28 日後)、毛細管水の漸進的な損失も「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長く、乾燥状態にあるコンクリートの大きな細孔がもはや水で完全に飽和していないときに発生する、継続的かつ長期的なプロセスです。

熱亀裂

コンクリー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のように、コンクリートが凝結および硬化中に過度の温度上昇にさらされると（半断熱条件）、温度勾配と体積差の変化によって熱ひび割れや亀裂が形成されることもあります。これらを最小限に抑えるには、速硬化セメント（CEM I：ポートランドセメント）よりも、遅硬化セメント（CEM III、高炉スラグ使用）の方が適しています。より寒い条件（夜間や冬季など）でコンクリートを流し込んだり、冷却した骨材に冷水と氷を混ぜてコンクリートを準備したりすることも、熱ひび割れを最小限に抑えるのに役立ちます。

コンクリート構造物が重厚に補強されている場合、非常に密な鉄筋ネットワークが、自然な乾燥収縮プロセスにより、鉄筋の外側の層の上にある保護コンクリートカバーの収縮運動を妨げる可能性があります。その結果、膨張化学反応 (ASR、DEF、ESA) によって生じるひび割れにも典型的なハニカム パターンを持つ亀裂のネットワークが形成されます。

鉄筋上のコンクリートカバーに亀裂が形成されると、コンクリートに水やCO2 (鉄筋周囲のpHの低下) や塩化物イオン (孔食) などの腐食性物質が優先的に侵入する経路となります。したがって、亀裂の物理的形成はコンクリートの化学的劣化を促進し、鉄の腐食を_悪化させます。物理的劣化プロセスと化学的劣化プロセスは密接に結びついており、水の浸入があると、有害な膨張化学反応による膨張性生成物 (鉄腐食生成物、ASR、DEF、ISA、ESA) の形成も促進されます。

コンクリート構造物のひび割れが炭酸化や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や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しないようにし、コンクリート構造物の全耐用年数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カバーの厚さを計算することです。

冬季や寒冷気候で気温が0 °Cを下回ると、コンクリートの細孔内での氷の結晶化も、コンクリート マトリックス内で高い引張強度を発揮する物質の体積膨張の原因となる物理的メカニズム (状態変化) 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。生コンクリートの混合中に空気連行剤を追加すると、生コンクリート スラリー内に小さな気泡が形成されます。これにより、硬化したコンクリート内に空気で満たされた小さなマイクロキャビティが多数生成され、氷の体積膨張に対応するための空き容量として機能し、瞬間引張応力の発生を遅らせます。空気連行により、コンクリートは打設中により作業しやすくなり、硬化すると、特に凍結融解サイクルの影響を受ける気候で耐久性が向上します。

過負荷、衝撃、振動（橋、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ストレス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ります。コンクリートの長期乾燥収縮に加え、プレストレストおよびポストテンションの土木構造物（橋、原子力発電所の一次格納容器ドーム）でも、コンクリートがゆっくりとクリープしたり変形したりすることがあります。

コンクリートは熱伝導率が低いため、鉄骨構造物の耐火処理によく使用されます。しかし、コンクリート自体は火災によって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、火災による被害がトンネル全長の数百メートルにわたって広がりました。このため、ASTM E119 ^[21]などの一般的な耐火試験規格では、セメント製品内の相対湿度が75%以下でない限り、セメント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く剥離する可能性があります。

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。その温度を超えると、水分損失により収縮が起こりますが、骨材は膨張し続け、内部応力を引き起こします。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、石英は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が発生します。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が起こり、火災には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。火災に遭い、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炭酸化が著しく進んでいます。

100℃までの温度にさらされたコンクリートは、通常は健全であると見なされます。コンクリート構造物のうち、約300℃以上の温度（水セメント比に依存）にさらされた部分は、ほとんどの場合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変わり、約1000℃を超えると黄褐色に変わります。^[22] 目安としては、ピンク色のコンクリートはすべて損傷しているとみなし、除去する必要があります。

火災によりコンクリートは、火災で発生したガスが水と接触すると発生する塩分や酸など、コンクリートに有害なガスや液体にさらされます。

コンクリートが急激に非常に高い温度にさらされると、コンクリートの爆発的な剥離が起こる可能性があります。非常に高温で急速な火災では、コンクリート内の水は蒸発する前に沸騰します。コンクリート内の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ります。^[23]

原子力発電所や高フラックス材料試験炉でコンクリート構造物が中性子やガンマ線にさらされると、コンクリート構造部品に放射線損傷が生じる可能性があります。常磁性欠陥や光学中心は簡単に形成されますが、重大な機械的損傷が観察される前に、コンクリート中に存在する鉱物の結晶格子内の十分に多数の原子を変位させるには、非常に高いフラックスが必要です。

しかし、非常に高い中性子フルエンス（断面積あたりの中性子数：中性子/cm ²）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。不規則な格子構造を持つメタミクト石英はアルカリシリカ反応を起こしやすく、そのため核格納容器構造物のコンクリートで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、化学腐食、火災、^[24]衝撃、移動、鉄筋の腐食などにより損傷を受けた場合、修復が必要になることがあります。構造物が弱体化している場合（設計や施工の誤り、過度の荷重、用途の変更など）は、補強が必要になることがあります。

最初のステップは、劣化の原因を突き止めるための調査です。修復の一般的な原則には、劣化の進行を阻止して防止すること、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、または剥がれたり損傷したコンクリートの損失後に生じた亀裂や穴を埋めることが含まれます。

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]修復原則の仕様は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、最初の損傷の原因（衝撃、過度の荷重、動き、鉄筋の腐食、化学腐食、火災など）と、修復が完全な荷重支持であるか、単に外観上のもの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では、金属のステープルまたはステッチを使用して、ひび割れたコンクリート表面の構造的完全性を回復します。この方法は、ひび割れ全体にトルクを適用し、負荷と張力を効果的に伝達して、影響を受けた領域を安定させ、強化します。コンクリートステッチングは、そのシンプルさと最小限の混乱で知られており、橋や建物などの重要なインフラストラクチャで広く使用されており、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修復原則には、剥離や層間剥離後のコンクリートの交換と修復、構造上の耐荷重能力を回復するための強化、物理的または機械的な攻撃に対する耐性の向上などがあります。

さらなる劣化を阻止し防止するための修復原則には、陽極領域の制御、陰極保護、陰極制御、抵抗率の向上、不動態の維持または回復、化学的侵食に対する耐性の向上、有害物質の侵入に対する保護、および湿気の制御が含まれます。

剥がれたり損傷したコンクリートを除去した後の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、吹付コンクリート補修などがある。構造上の目的（強度と耐荷重性の回復）または非構造上の理由（さらなる動きが予想される場合の柔軟な補修、あるいは水やガスの浸透を防ぐため）でコンクリートの亀裂、裂け目、または空隙を埋めるには、通常、エポキシ、PU、アクリル樹脂をベースにした低粘度樹脂またはグラウト、または微粉セメントスラリーを注入する。^[27]

ひび割れの修復に関する新しい提案の 1 つは、バクテリアを利用することです。BacillaFillaは、損傷したコンクリートを修復し、ひび割れを埋めて、コンクリートを元通りにするために設計された遺伝子組み換えバクテリアです。

コンクリート構造物を強化し、耐荷重能力を高めたり、供用時の性能を改善したりするためのさまざまな技術があります。これには、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力を高めて圧縮能力を改善したりすることが含まれます^{[28] [29]}。

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