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混凝土中含有一些骨料，可能是砂石、石灰石、燧石等。水泥中也含有一些碱金属离子，如钠离子、钾离子等。在水泥水化的反应过程中，还会生成碱性的氢氧根离子，这些离子可能会发生反应，生成一些凝胶状物质，体积有所膨胀，这就是碱骨料反应（alkali aggregates reaction, AAR） [41] 。碱骨料反应会引起混凝土膨胀开裂，有时在裂缝处还会流出白色胶状物质，还会导致混凝土表面出现鼓包，进而分离脱落。碱骨料反应是一种非常缓慢的化学反应，有时在混凝土结构建成几十年之后才会出现明显的破坏现象，但它的持续发展会给混凝土结构安全造成重大影响。根据骨料的不同，碱骨料反应可分为两种类型：一种是含有二氧化硅成分的反应，叫做碱-硅反应（alkali silica reaction, ASR），这是最重要的一种碱骨料反应；还有一种是含有石灰石成分的反应，即碱-碳酸盐反应（alkali carbonate reaction, ACR） [42] 。
碱-硅反应的发生需要一些特定的条件，具体包括：
（1）骨料里面包含硅酸盐成分，例如石英、燧石、玉髓石、蛋白石等。一些骨料中含有一定比例的活性二氧化硅，这些活性物质在水中会以正硅酸[Si（OH） 4 ]的形式存在，正硅酸容易与碱性物质发生反应。
（2）孔隙液里面有足够的碱金属离子。这些碱金属通常在水泥里面以它们的氧化物形式表示，例如Na 2 O、K 2 O等，它们在水泥中的质量百分数可以用有效碱含量来表示（Na 2 Oeq）。经验认为，这个数值小于0.6%就是低碱水泥，就不太容易发生碱骨料反应而导致混凝土膨胀开裂。
（3）需要有足够的水，因为反应只发生在潮湿环境，当环境湿度小于80%时，骨料中的活性二氧化硅与碱金属离子可以不发生反应。
碱-硅反应的主要化学方程式为：
反应生成的碱硅凝胶能够吸水膨胀，进而造成破坏。混凝土中还会存在钙离子，参与碱-硅反应生成钙-碱-硅水合物凝胶[CaO-（Na/K） OH - SiO 2 -H 2 O]。这种凝胶不会膨胀，因此对混凝土的影响比较小。游离的钙离子主要来源于氢氧化钙，其含量主要取决于碱金属浓度，因为氢氧化钙的溶解度与碱金属浓度成反比。因此，对于碱金属含量比较高的混凝土，由于氢氧化钙的溶解度降低，游离的钙离子减少，主要反应产物是可以吸水膨胀的碱硅凝胶。这种凝胶的黏度很低，可以从骨料逐渐扩散出来，而CaO-（Na/K）OH - SiO 2 -H 2 O凝胶的黏度比较高。
相对于碱-硅反应，碱-碳酸盐反应发生的频率比较低，主要在使用白云石灰石[CaMg（CO 3 ） 2 ]作为骨料的混凝土中出现。这种骨料含有相当多的碳酸钙成分，晶体间由黏土颗粒连接。骨料中白云石含量可能会影响碱-碳酸盐反应造成的膨胀，一些研究认为含量在60%左右会引起最大的膨胀。
碱-碳酸盐反应首先会发生骨料的脱白云作用（dedolomitization），方程式为：
这个反应生成的碱金属碳酸盐，会跟氢氧化钙继续反应，重新生成碱性物质：
重新生成的碱性物质会继续参与上面的脱白云作用。然而，脱白云作用的产物并不是一种可以吸水膨胀的凝胶。一种解释认为ACR造成的膨胀是由于粗骨料中的白云石颗粒与碱发生反应后，粗骨料自身会膨胀。但近年来的研究认为，脱白云作用不会造成膨胀，含有白云石灰石骨料的混凝土出现膨胀开裂主要还是因为碱-硅反应。因此，所谓的碱-碳酸盐反应只是碱-硅反应的一个特例。这种说法正在被越来越多的研究成果所证实 [43] 。