アルカリ骨材反応（アルカリこつざいはんのう）とは、コンクリートにおける劣化現象の一つである。コンクリートに含まれるアルカリ性の水溶液が骨材（砂利や砂）の特定成分と反応し、異常膨張やそれに伴うひび割れなどを引き起こす。ASRと略され、アル骨（アルこつ）と略されることもある。
概要 セメントに含有されるアルカリは、セメントの水和反応の過程でコンクリート空隙内の水溶液に溶け出し、主成分は水酸化アルカリとしてpH=13の強アルカリ性を呈するようになる。こうした強いアルカリ性を示す水溶液が、アルカリシリカ反応性鉱物を含有する骨材（反応性骨材）と反応することで、コンクリートに激しい膨張やそれによるひび割れを発生させる。これがアルカリシリカ反応と呼ばれる現象である。
定義 かつてはアルカリ骨材反応（AAR）の中に以下の3種類の反応があると考えられていた。 アルカリシリカ反応
アルカリ炭酸塩反応 アルカリシリケート反応 近年は研究の進展で、いずれもアルカリシリカ反応（ASR）であるという説が有力になった。
劣化因子
物質 アルカリシリカ反応の原因となりやすいシリカ鉱物もしくはガラス質物質は下記の通りである。
石英（微晶質・隠微晶質） クリストバライト トリディマイト オパール 火山ガラス
石英は結晶の大きさで反応速度が変わると考えられているため、実際の構造物で問題になるのは結晶が細粒のもの（微晶質・隠微晶質）と考えられる。他の鉱物も石英より化学的安定性が低く、アルカリシリカ反応を顕著に生じさせやすい。
反応性骨材 日本国内でアルカリシリカ反応を顕著に生じさせる骨材の岩種は安山岩やチャートなどが知られている。岩種はアルカリシリカ反応の考える上で有用な情報であるが、採石場では採取しようとする岩と別の種類の岩が混入することがあり、通常は反応性を有さない岩種でも変質作用によって局所的に反応性を有することがあるので注意が必要である。
アルカリ アルカリシリカ反応に要するアルカリ金属イオン（ナトリウムイオン、カリウムイオンなど）はセメントに由来するものが多い。そのため、建設時にはセメントのアルカリ量を規制することが有効であると考えられる。骨材に鉱物などとして含まれるアルカリ金属イオンが長期的に溶出するおそれがあることも指摘されているが、溶出したアルカリ金属イオンがセメント由来か骨材由来かを区別することは容易ではない。過去には除塩が不十分な海砂を使用したため、建設時から多量のナトリウムイオンが含まれており、アルカリシリカ反応に至ったものが残る。
建設後のアルカリイオンの供給源は、海水や海風による飛来塩分や、凍結防止剤として散布された塩化ナトリウムが考えられる。
機構 アルカリシリカ反応によるコンクリートの激しい膨張は、化学反応によって生じるアルカリシリカゲルが吸水膨張することで生じる。反応性骨材の粒子にアルカリシリカゲルが発生すると、そのアルカリシリカゲルが骨材周囲のセメントペーストより水分を吸収し、反応性骨材の粒子が膨張する。この膨張現象によりコンクリート無いの組織に内部応力が生じ、骨材粒子の内部にひび割れを引き起こすだけではなく、周囲のセメントペーストも破壊する。こうしたアルカリシリカ反応は一般に、温度が高いと進行が早く、コンクリートへの水分の供給が多ければ反応が進みやすい特徴がある。
劣化 アルカリシリカ反応による劣化は潜伏期・進展期・加速期・劣化期の4段階の分類できる。
潜伏期 - アルカリシリカ反応による膨張やそれに伴うひび割れが見られず、外観上の変状が見られない期間。 進展期 - 水分やアルカリが供給されたことでコンクリートが膨張し、ひび割れが発生した状態。この段階では変色やアルカリシリカゲルは見られるが、鋼材の腐食による錆汁は見られない。 加速期 - アルカリシリカ反応による膨張速度が最大の段階で、ひび割れが進展することで幅や密度が大きくなる。また、この時には鋼材の腐食により錆汁が見られるようになる。 劣化期 - 加速期よりもひび割れの幅や密度がさらに増え、段差・ずれ・部分的な剥離が見られるようになる。
アルカリシリカ反応によるコンクリート構造物のひび割れは、周囲の環境や鋼材量、外部拘束の有無の影響を受けて変わる。鋼材が無い（無筋コンクリート）、または少ないコンクリートでは網の目状または亀甲状のひび割れがコンクリート内部にまで発達する。一方で、軸方向に鋼材やPC鋼材がある場合は、拘束が生じていることになり、亀甲状のひび割れとともに鋼材の方向に沿ったひび割れが発生する。
アルカリシリカ反応が進行すると、圧縮強度に対して弾性係数の低下の割合が著しくなる。ここで、圧縮強度と弾性係数の関係をプロットすることでアルカリシリカ反応による劣化の程度を判定できる。
予防対策 JIS A5308により以下が反応対策として記されている。 無害骨材の使用 高炉セメント・フライアッシュセメントなど混合セメントの使用 コンクリートアルカリ総量の規制(Na2O換算 3.0kg/m3以下) また、骨材の反応性を試験する方法として、化学法・モルタルバー法が規定されている。ただし、骨材試験は完全なものではない。
劣化対策 1970年代・1980年代に施工されたコンクリート構造物では、経年によりアルカリシリカ反応が進行している構造物が多々見られる。これらの構造物に対しては、劣化の進行状況に応じ、以下の対策が取られている。
表面被覆 - 潜伏期・進展期に主に適用され、表面から水分が浸入するのを防ぐ。 ひび割れ補修 - 進展期以降に適用され、ひび割れから腐食性物質の浸入を防ぐ。 拘束 - アルカリシリカ反応の対策としては時期を問わず行うことができ、鋼板などを巻きたてる。 内部圧入 - リチウム系の化合物を内部に圧入する。 表面含浸 - コンクリート中の水分が蒸発可能な撥水材を含浸させる。
研究史 アルカリシリカ反応がアメリカで最初に報告されたのは1940年（昭和15年）。
日本国内では、1980年代に近畿・中国・北陸で主に安山岩を用いたコンクリート構造物でアルカリシリカ反応によりコンクリート構造物に変状が起きていると報告された。建設省（当時）や日本コンクリート工学会の調査により、アルカリシリカ反応により変状が生じたコンクリート構造物は日本全国の幅広い地域に分布し、反応性骨材も多種多様にあることが分かってきた。
日本国内でのアルカリシリカ反応の対策が始まったのは1986年（昭和61年）で、日本工業規格（当時）のJIS A 5308-1986「レディーミクストコンクリート」にアルカリシリカ反応対策の方法が規定された。これにより、以後はアルカリシリカ反応でコンクリート構造物が変状を起こす事例は少なくなった。ただし、既にアルカリシリカ反応が起きた構造物で鉄筋破断が生じるという問題が新たに生じるようになった。
脚注
注釈
出典
参考文献
関連文献 『アルカリ骨材反応対策小委員会報告書 -鉄筋破断と新たなる対応-』社団法人土木学会、2005年 『日本産岩石のアルカリシリカ反応性』土木研究所資料・建設省土木研究所地質科学部、H2.1
外部リンク ASRリチウム工法