混凝土碱硅酸反应膨胀预测模型的研究进展

龚青南，王德辉

(福州大学土木工程学院,福州 350116)

0 引 言

碱硅酸反应(alkali-silica reaction,ASR)是影响混凝土耐久性主要问题之一。ASR产物具有膨胀性，并对周围的基质施加压力，导致混凝土大面积开裂，同时加速了钢筋锈蚀、碳化和盐蚀等劣化过程。水坝、桥梁和房屋建筑等许多混凝土结构因碱硅酸反应而退化。混凝土的刚度和强度因碱硅酸膨胀反应而降低，结构的安全性也受到影响，部分建筑甚至需要拆除。在1940年，Stanton[1]首次发现碱含量相对较高的水泥会与骨料中的某些矿物成分(如页岩、燧石)产生膨胀反应。从此，大量学者开始在材料层面和结构层面上研究ASR的机理，包括ASR的物理化学特性、ASR对混凝土结构的影响和ASR的抑制措施等。

ASR是混凝土中骨料的活性成分与孔隙溶液中存在的碱性离子(K+和Na+)及OH-之间的化学反应。建立碱硅酸膨胀反应模型有助于从结构层面和材料层面分析ASR的机理，还可以评估混凝土结构的内部损伤状态和监测混凝土的性能变化，提高混凝土结构的耐久性。因此借助精确的预测模型可以在一定程度上预防和补救ASR对混凝土结构造成的危害，从而显著提高混凝土结构的使用寿命。

建立ASR受到骨料矿物成分[2]、温度[3]、碱含量[4]、骨料级配[5]、湿度[6]和荷载[7]等多种因素影响的模型，以不同的因素为导向，ASR膨胀模型主要分为理论模型、结构模型和材料模型三类。其中，理论模型[8-9]被广泛用于预测骨料的“最不利尺寸”[10]，最不利尺寸的骨料导致混凝土最大的膨胀。Suwito等[8]研究的模型得出，当骨料粒径达到0.075 mm时，试件的实测有效膨胀系数(1.8%，砂浆试件长度增量/砂浆试件的基准长度)和预测有效膨胀系数(1.4%，骨料膨胀的体积增量/砂浆膨胀前的体积)都达到最大；Bažant等[9]模拟的ASR数学模型表明，不同活性二氧化硅的质量浓度会导致磨碎玻璃骨料的最不利尺寸产生变化，当活性二氧化硅的质量浓度从300 kg/m3增大至400 kg/m3时，磨碎玻璃骨料的最不利尺寸从2.0 mm增至2.5 mm。当硅质石灰石骨料粒径小于80 μm时，砂浆试件无膨胀迹象，当骨料粒径为0.63～1.25 mm时，砂浆膨胀率(砂浆试件长度增量/砂浆试件的基准长度)最高可达0.33%[5]。理论模型可以预测单一类型骨料的最不利尺寸，其应用范围具有一定的局限性，且大部分理论模型只能反映骨料粒径与试件膨胀率之间的唯象关系，没有考虑到ASR的化学-力学发展过程。

ASR的材料模型分析ASR的过程和机理，考虑了骨料、水泥浆体、孔隙和碱硅酸凝胶的多相性，较好地描述了混凝土的各向异性。现有的材料模型认为 ASR的膨胀主要由两部分构成，即骨料的膨胀和碱硅酸凝胶的膨胀[11]。材料模型从细观或微观层面量化了骨料膨胀和碱硅酸凝胶膨胀对混凝土造成的损伤，可以较为准确地评估或预测混凝土力学性能的劣化程度。结构模型则使用不同的宏观力学本构模型来描述ASR各个阶段的反应过程。结构模型可用于预测受ASR影响的混凝土结构的应力和应变场[12]，从而有效补救ASR带来的危害。在宏观层面上，ASR过程可以分为膨胀和开裂两个阶段。对于膨胀阶段，ASR的力学本构模型可以用线弹性模型来描述[13]，对于开裂阶段，则采用各向同性/各向异性损伤模型作为ASR的力学本构模型[14]。为了更符合实际工程，有研究在ASR建模过程中考虑了徐变和收缩的影响[15-16]。

以往的综述文章侧重于总结ASR的影响因素和抑制措施，但关于国内外碱硅酸膨胀反应模型的研究进展鲜有报道。本文的目的是对国内外学者提出的ASR膨胀模型进行综合评述。首先对ASR的反应机理和过程进行简要描述，总结了ASR膨胀预测模型的现状，并概括三种模型(理论模型、结构模型和材料模型)的优缺点，最后给出结论和评述。

1 碱硅酸反应机理

1.1 碱硅酸凝胶的形成过程

ASR是指混凝土孔溶液中由水泥、含碱外加剂和环境等释放的Na+、K+、OH-与骨料中的活性SiO2发生具有膨胀性的化学反应,ASR导致骨料被侵蚀，生成具有膨胀性的产物并导致混凝土结构开裂。混凝土发生ASR有四个必备条件:(1)含有活性骨料；(2)混凝土孔隙溶液中含有高OH-浓度；(3)可溶性钙源(如Ca(OH)2)，与溶解的二氧化硅反应并形成有害的凝胶；(4)一定的湿度，因为凝胶接触到水分会产生膨胀。排除其中任何一个条件，都可以有效防止ASR的发生[17]。

ASR是由混凝土中的碱性溶液与骨料中的活性二氧化硅发生的化学反应,会在混凝土表面产生无序的网状裂缝，骨料边界有反应环或反应边，混凝土内部有裂缝,空隙中充填有碱硅酸凝胶[18]。因此,ASR首先是一个化学反应,反应物是活性SiO2和混凝土孔溶液中的 Na+、K+、OH-等,反应产物是碱硅酸凝胶。用简单的化学方程式表示为:

Na+(K+)+SiO2+OH-→Na(K)—Si—H(gel)

(1)

ASR膨胀破坏大致可以分为四个阶段:(1)离子(Na+、K+、OH-、Ca2+)侵蚀骨料，导致活性SiO2溶解；(2)活性硅酸盐中的硅烷醇和硅氧烷键被破坏；(3)碱性硅酸盐与离子(Na+、K+、Ca2+)反应形成碱硅酸凝胶；(4)碱硅酸凝胶不断生成，在骨料和水泥浆中引起压力，产生应力，从而导致开裂[19]，如图1所示。

图1 混凝土中ASR机理的示意图[19]Fig.1 Schematic diagram of ASR mechanism in concrete[19]

1.2 碱硅酸反应膨胀开裂理论

关于ASR的膨胀机理，主要有两种理论:一种是吸水肿胀理论[20]，该理论认为ASR是水泥中的碱与集料中的硅质矿物反应生成了碱硅酸凝胶，集料界面发生蚀变，这种胶体在吸水后有体积增大的趋势。当肿胀产生的应力超过混凝土的强度时，将导致混凝土的膨胀和开裂破坏。另一种是渗透压理论[18]，是指活性集料周围的水泥浆体起着半透膜的作用，反应产物中体积较大的硅酸根离子难以通过，但允许水和碱性氢氧化物扩散进来继续与活性二氧化硅反应，不断生成碱硅酸凝胶。因此，反应产物堆积于集料颗粒上，形成巨大的渗透压力，当这种渗透压超过混凝土强度时，造成混凝土结构破坏。这两种理论，都认为ASR生成的碱硅酸凝胶膨胀引起了混凝土破坏。

碱硅酸凝胶的亲水性和膨胀性虽然有害，但这并不足以导致混凝土膨胀开裂[21]。碱硅酸凝胶本身的流变性也非常重要。如果碱硅酸凝胶膨胀良好，完全填充混凝土内部的孔隙，并且凝胶具有低屈服应力和黏度，凝胶就不会对孔隙表面产生较大的压力，可以比较容易移动到孔隙当中[22]，如图2所示。相反，当凝胶具有较高的屈服应力和黏度时，其流变性能相对接近C-S-H凝胶，并能对空隙施加压力，导致混凝土产生拉伸应力。当凝胶产生的压力高于混凝土的拉伸应力时，就会产生内部裂缝，如图3所示。凝胶进入裂缝之后，通过膨胀产生压力[23]。在混凝土的不同区域内，ASR不断发生，导致裂缝的数量和宽度逐渐增加，并相互连接，极大地破坏了混凝土的密实性和整体性[12]。

图2 碱硅酸凝胶膨胀示意图[22]Fig.2 Alkali-silica gel expansion diagram[22]

图3 硬化水泥浆体因ASR膨胀而产生裂缝[23]Fig.3 Cracks in hardened cement paste due to ASR expansion[23]

2 碱硅酸反应的模型

2.1 理论模型

理论模型对ASR作了一系列简化，在代表性反应单元体(representative element volume,REV)内描述碱硅酸凝胶与水泥基质的相互作用，它强调ASR的化学机理，不同阶段的理论模型认为ASR膨胀来源不同，其大致发展方向为：反应产物的膨胀→骨料的膨胀和反应产物的膨胀→碱离子扩散、骨料和反应产物膨胀→膨胀开裂时的断裂力学效应。导致ASR最大膨胀的骨料粒径称为骨料最劣粒径，理论模型主要用来预测骨料最劣粒径。

Hobbs[24]提出了一个理论模型，该模型假设ASR分为两个阶段：在第一阶段，碱和活性骨料迅速反应，直到其中一种反应物耗尽；第二阶段，第一阶段的反应产物吸水形成碱硅酸凝胶。该模型认为活性骨料的数量越多，碱骨料反应速率越快，凝胶体积不断增大，导致混凝土逐渐膨胀，直至开裂，只有当凝胶体积超过特定值时，才会在混凝土中产生裂缝。Hobbs理论模型可以预测砂浆开裂和膨胀的时间，如图4所示，预测模型的膨胀曲线与实际观察的膨胀曲线吻合良好。但是该模型只能预测砂浆的开裂时间，不能预测混凝土的开裂和膨胀行为，因为引发混凝土开裂所需的应变能大于砂浆。

图4 试件200 d膨胀率与蛋白石含量(质量分数)之间关系(变化水泥碱含量，%为质量分数)[24]Fig.4 Relationship between 200 d expansion rate and opal content (mass fraction)(change of cement alkali content,% is mass fraction)[24]

Groves等[25]基于对受ASR侵蚀的石英玻璃砂浆微观结构的观察，开发了一种砂浆膨胀预测模型。该模型假设碱硅酸凝胶主要形成于石英玻璃颗粒的表面,形成的凝胶导致基质膨胀，通过测量骨料表面凝胶层的厚度，可以得到砂浆膨胀的预测值。该模型预测石英玻璃砂浆28 d膨胀率(凝胶层的体积/骨料膨胀前的体积)为0.53%，而观测值(砂浆试件的长度增量/砂浆试件的基准长度)高达0.8%。石英玻璃砂浆膨胀预测模型定量计算了石英玻璃颗粒本身的膨胀以及ASR产物的膨胀，但模型中的部分参数都是采用经验估计，并不能充分解释预测值与观测值的差距。

膨胀模型结合各种扩散理论，表征ASR发展过程[26-27]:(1)氢氧化物和碱离子扩散到骨料中，与骨料中的活性二氧化硅反应；(2)碱硅酸凝胶不断生成导致混凝土膨胀。图5显示了骨料发生碱硅酸破坏后产生的典型裂纹，膨胀扩散模型假设，骨料和周围水泥基质中的裂纹是由碱离子向骨料中扩散产生的本征应力引起的，而不是由反应产物施加的压力引起的。研究进一步假设，在骨料周围存在多孔区，并且只有当反应产物的体积超过多孔区的可用体积时，膨胀才开始[28]。相比较之前的模型，膨胀扩散模型考虑了氢氧化物和碱离子扩散对膨胀的影响，但没有考虑到ASR膨胀开裂过程中的力学效应。

图5 水泥基材料骨料和基体中的典型裂纹模式[27]Fig.5 Typical crack pattern in aggregate and matrix of cementitious materials[27]

Suwito等[8]提出的数学模型强调ASR膨胀过程是化学-力学耦合的过程，假设的基本单元如图6所示，内核是骨料，外层是水泥基体。模型的力学部分采用修正的广义自洽法进行分析。模型的化学部分包括两个相反的扩散过程。一种是离子从孔隙溶液扩散到骨料中，另一种是碱硅酸凝胶从骨料表面渗透到周围的多孔水泥基体中。总的碱硅酸凝胶分为两部分：凝胶直接沉积在界面孔隙中，不引起膨胀;凝胶渗透到水泥基体周围的孔隙中，产生界面压力，导致膨胀。第一种凝胶的生成量和第二种凝胶的渗透速率取决于骨料的粒径和水泥基的孔隙率。

图6 模型的基本单元[8]Fig.6 Basic unit of the model[8]

上述模型都是描述骨料粒径与碱硅酸凝胶膨胀之间的关系，但没有考虑到ASR凝胶膨胀开裂过程的断裂力学性能。Bažant等[29]提出了一种断裂力学理论，使用应力强度因子来评估ASR引起的裂纹扩展，从初始阶段的边缘裂缝到末尾阶段的小圆形裂纹，如图7(a)所示。应力强度因子主要来自凝胶产生的压力和外部荷载施加的应力，如图7(b)所示。该模型还解释了砂浆试件加速试验中骨料最不利尺寸效应出现逆转的现象。骨料粒径的减小导致混凝土抗拉强度降低，因为单位体积内玻璃颗粒的表面积增加，导致更大体积分数的玻璃颗粒发生ASR，产生更大的凝胶压力。对于足够小的骨料，骨料粒径变化对发生过ASR的骨料影响甚微，同时骨料粒径的减小使反应骨料表面缺陷处的应力强度因子减小，所以此时ASR产生的凝胶压力较小，出现骨料最不利尺寸效应的逆转现象。

图7 (a)玻璃骨料裂缝的演变;(b)揭示裂纹加压与外加应力等效的叠加论证(p为ASR凝胶膨胀对周围水泥施加的径向压力,K1为p引起的应力强度因子,2a为骨料的平面直径,c为凝胶层的厚度,S为立方体单元的边长,D为骨料的立面直径)[29]Fig.7 (a)Evolution of cracks in glass aggregate;(b)demonstrates superposition of crack compression and external stress equivalence (p is the radial pressure exerted by the expansion of alkali-silica gel on the surrounding cement,K1 is the stress intensity factor induced by p,2a is the plane diameter of aggregate,c is the thickness of gel layer,S is the side length of cube unit,and D is the facade diameter of aggregate)[29]

2.2 结构模型

结构模型从结构层面上分析受ASR影响的混凝土力学性能。该模型主要用于研究混凝土结构在ASR影响下的位移场、应力场和损伤开裂行为。建立结构模型有利于预测ASR对结构耐久性的长期影响和评估结构的实时状态，从而对发生碱硅酸膨胀破坏的混凝土结构采取相应的修复措施。结构模型主要包括现象学模型、有限元分析模型和化学-力学耦合模型。

2.2.1 现象学模型

Bažant等[29]和Thompson等[30]提出的现象学模型假设膨胀的主方向与主应力方向一致，该模型认为混凝土的各向异性膨胀只跟应力状态有关，通过应力与应变的关系直接确定ASR膨胀，并没有考虑到ASR的化学机理和离子扩散对ASR膨胀的影响，如图8所示。

图8 压缩应力作用下的膨胀应变率(纵坐标代表的是ASR产生的膨胀压应变，表示试件在无压应力状态下达到的最大ASR膨胀，横坐标σi代表的是ASR产生的膨胀压应力,σL对应ASR膨胀引起的应变开始减少的初始压应力,σmax表示抵消ASR膨胀引起的应变的压应力)[30]Fig.8 Expansion strain rate under compressive stress represents the expansion compressive strain generated by ASR， represents the maximum ASR expansion of the specimen in the state of no compressive stress，σi represents the expansion compressive stress generated by ASR，σL corresponds to the initial compressive stress at which the strain begins to decrease due to ASR expansion，σmax represents the compressive stress that counteracts the strain caused by ASR expansion)[30]

2.2.2 有限元分析模型

Léger等[12]将观察到的混凝土膨胀与压应力状态、温度、湿度和组分等因素建立关系，用于大坝混凝土中ASR膨胀的有限元数值模型。

(2)

2.2.3 化学-力学耦合模型

改进结构模型的另一个方法是通过化学-力学耦合模型，表1对各类化学-力学耦合模型进行了总结。Pietruszczak[13]、Huang等[31]和Ulm等[32]开发了基于ASR动力学的模型，该模型认为碱硅酸凝胶的不断形成导致混凝土逐渐膨胀，ASR的动态反应与混凝土力学性能的劣化有关。相关研究[33-34]都通过经典弥散裂缝模型来表示应力和膨胀的各向异性分布。Kawabata等[22]提出的模型考虑了徐变对混凝土受压和受约束膨胀行为的影响，其预测的体积总应变略高实测值，如图9所示。

图9 膨胀预测值与实测值的比较[22]Fig.9 Comparison of predicted and measured expansion values[22]

表1 有关化学-力学耦合模型的文献汇总Table 1 Literature summary of chemical-mechanical coupling model

尽管上述模型预测了结构的位移和应力状态，但无法准确预测ASR产生的裂纹形态和裂纹分布。LDPM模型基于观察到的实验数据，在骨料和水泥浆体中引入损伤本构模型，能够模拟裂纹模式和裂纹分布[35]，而且该模型可以区分造成开裂的ASR膨胀和未造成开裂的ASR膨胀，如图10所示。

图10 试样中在不同条件下模拟的裂纹模式[35]Fig.10 Crack patterns simulated in samples under different conditions[35]

2.3 材料模型

结构模型没有考虑到较低尺度下混凝土宏观劣化的根源，在一定程度上依赖于混凝土宏观膨胀、裂纹分布和力学性能劣化之间的唯象关系。结构模型忽略了ASR过程中的细观演化，对ASR的起源和驱动因素描述有限。材料模型是对碱硅酸凝胶和混凝土基质之间的相互作用的描述，该模型的发展经历了两个阶段：第一阶段是基于骨料界面处碱硅酸凝胶的细观模拟，此阶段的研究假设碱硅酸凝胶只在骨料表面形成并发展；第二阶段则是基于骨料内部和界面处碱硅酸凝胶的细观模拟，即碱硅酸凝胶不仅可以在骨料表面形成，也可以在骨料内部形成发展并产生裂缝。

2.3.1 基于骨料界面处ASR凝胶的细观模拟

Multon等[36]提出的细观模型用质量平衡方程模拟碱对活性二氧化硅的侵蚀，并使用损伤理论评估ASR引起的裂缝对砂浆试件刚度的影响情况，同时也计算了混凝土REV的膨胀，REV的定义如图11所示，但该模型只考虑了单一因素对ASR物理化学和力学过程的影响。许多ASR模型都只研究了单一因素对ASR的影响,如骨料的物理化学性质或碱含量。然而，由于ASR机理较为复杂，建模过程中若考虑多个因素对ASR膨胀的影响时，单个因素的影响可能会发生很大变化，不同模型的预测结果也可能不同，因此很难评估和比较不同模型之间的差异。

图11 活性骨料REV的定义[36]Fig.11 Definition of REV of reactive aggregate[36]

Charpin等[37]提出了碱硅酸反应的断裂力学模型,该模型假定每个骨料嵌入到无限的水泥基体中，确定每个骨料都储存着一定的弹性能量，从而得到不同骨料级配混凝土自由膨胀的预测值。该模型得出，当水泥基体没有(或非常小的)初始裂缝时，即使受到充分侵蚀，较小粒径的骨料也不会导致水泥浆开裂。虽然小粒径骨料的压力很大，但是储存在骨料周围水泥基体中的弹性能量较小，不足以提供产生裂缝所需的能量，因此不会导致水泥基体开裂，如图12所示。然而，该模型没有考虑ASR中的化学过程以及凝胶扩散的影响。

图12 不同骨料尺寸和不同初始裂缝长度的压力P(T):x=0(实线曲线)和x=0.5(虚线曲线)(横坐标α代表骨料的侵蚀程度，x代表初始裂缝的宽度，T代表时间)[37]Fig.12 Pressure P(T):x=0 (solid curve)and x=0.5 (dashed curve)for different aggregate sizes and different initial crack lengths (α represents the erosion degree of aggregate,x represents the width of initial crack,and T represents time)[37]

Rezakhani等[38]研究了混凝土不同REV对ASR膨胀的影响，如图13所示。该模型模拟了不同REV尺寸下混凝土自由膨胀的裂缝分布模式，如图14所示，随着REV尺寸的不断增大，裂纹数量也逐渐增多。Ichikawa等[39]提出的模型认为碱硅酸凝胶先在骨料表面形成，碱硅酸凝胶形成后与钙离子反应，转化为不溶的紧密而坚硬的反应环。反应环允许碱性溶液渗透，阻止碱硅酸凝胶通过，因此，碱硅酸凝胶不断聚集在骨料中，产生足以使骨料和周围混凝土开裂的膨胀压力，如图15所示。

图13 不同尺寸的REV内部的球形颗粒分布[38]Fig.13 Distribution of spherical particles in REV with different sizes[38]

图14 120 d后由自由膨胀导致的REVs裂缝张开轮廓[38]Fig.14 Crack opening profile of REVs after 120 d due to free expansion[38]

图15 ASR诱发混凝土开裂机理的示意图[39]Fig.15 Schematic diagram of concrete cracking mechanism induced by ASR[39]

2.3.2 基于骨料内部碱硅酸凝胶的细观模拟

Ben等[40]通过扫描电子显微镜图片分析量化混凝土中ASR的程度，在抛光部分的图像上分析骨料的损伤状态，发现ASR分布在整个骨料范围内，证实了骨料界面处和骨料内部都发生了碱硅酸膨胀破坏，如图16所示。

图16 用于提取活性骨料的图像分析程序：从原始图像(a)中提取一部分作为掩膜(b)，通过阈值处理(c)获得骨料中的损伤，对有凝胶的部分标有G[40]Fig.16 Image analysis procedure used to extract the degree of reaction.The aggregates are extracted from the original image (a)as a mask (b),and the damage in the aggregates is obtained through thresholding (c),gel packets are marked with G[40]

材料模型相较于结构模型的优势在于强调了ASR的过程,而非只表征宏观膨胀结果和力学性能劣化的唯象关系。为了反映ASR造成的损伤，Garcia-Diza等[41]通过测定骨料内部孔隙体积变化，从而建立了基于骨料膨胀的预测模型，得到砂浆的膨胀约为骨料膨胀的3倍，但是该模型仅研究了骨料膨胀与砂浆膨胀的关系，不能通过骨料膨胀预测混凝土的膨胀。

Dunant等[42]基于有限元建模(XFEM)框架建立的ASR细观模型，即AMIE碱硅酸膨胀预测模型，随着骨料单元的反应分数(参与反应的骨料质量/骨料单元的质量)从0%增大到1.8%，发生膨胀反应的骨料数量下降了45%，说明ASR产生的膨胀有限。该研究证实ASR的宏观损伤是由骨料中不断增长的碱硅酸凝胶引起的。然而，该模型并没有考虑碱离子的扩散和徐变等因素对ASR的影响。

总之，材料模型侧重于从细观层面研究骨料膨胀和内部损伤发展与混凝土宏观膨胀之间的联系，却较少关注离子扩散动力学、徐变、收缩等因素的影响，因此需要一个能够综合考虑骨料表面和内核处碱硅酸凝胶发展的损伤模型，反映ASR对混凝土造成的真实损伤。考虑多个因素的ASR膨胀预测模型更能反映出ASR对混凝土造成的真实损伤，更加符合工程实际。材料模型往往对碱硅酸凝胶产生的位置作出假设，但碱硅酸凝胶分布的位置跟骨料的矿物学性质有关[11]，例如蛋白石或玻璃质火山岩等物质一般在骨料表面处形成碱硅酸凝胶。对于含有各种矿物成分的骨料，其ASR的形成位置则分散在整个骨料范围内。

综上所述，三种模型各有优缺点，解决这些问题的方法是开发一种复合模型，将细观或微观层面上的材料模型和宏观层面上的结构模型相结合，建立宏微观的联系,比如将碱硅酸凝胶的化学特性与试件的宏观膨胀率、力学性能建立关系，还可以通过混凝土微观性能的优劣(如孔隙率)来表征ASR造成的损伤。

3 结语与展望

综上所述，理论模型基于对REV的膨胀分析，表征了局部水平上的ASR，可以预测骨料的最不利尺寸。然而，理论模型只能预测特定种类骨料的膨胀，不具有普遍适用性，因此，理论模型是否可以用于预测普通混凝土结构的膨胀率仍需要进一步验证。而且，理论模型不能模拟混凝土基体中的裂纹分布和裂纹形态。

结构模型通常由力学本构模型和反应动力学模型两部分组成，力学本构模型包括线弹性模型和各向同性/各向异性损伤模型，还有考虑了徐变和收缩的复杂本构模型。反应动力学模型则以实验观察为基础进行构建。结构模型可以模拟结构的应力场和应变场，通过预测结构的力学行为来抑制和补救碱硅酸膨胀反应带来的危害。然而，基于实验观察建立的结构模型，其预测的应力场不能保证足够精确。此外，结构模型没有考虑到较低尺度下混凝土宏观劣化的根源，因此该模型实际上依赖于混凝土宏观膨胀、裂纹分布和力学性能劣化之间的唯象关系。

材料模型侧重于从细观层面研究骨料膨胀和内部损伤与混凝土宏观膨胀之间的联系，能够反应骨料、水泥基体和碱硅酸凝胶的细观损伤，模拟试件的裂纹分布和裂纹形态。却较少关注离子扩散、徐变、收缩等因素对ASR的影响。而且为了简化分析，该模型往往对碱硅酸凝胶产生的位置作出假设，假设碱硅酸凝胶在骨料内部或骨料界面处生成，但碱硅酸凝胶分布的位置受到很多不可控因素的影响(如骨料矿物成分)，导致其预测的结果不够精确。