ISSN 2186-5647−日本大学生産工学部第44回学術講演会講演概要（2011-12-3）−5-70

カルシウム系化合物の炭酸化速度【緒言】

日大生産工（院）

○平野太朗

日大生産工

智・町長治

田中

カ ル シ ウ ム 水 和 物 (C-A-H) ， エ ト リ ン ガ イ ト

世界規模で地球温暖化問題が叫ばれる中，そ(AFt)やモノサルフェート(AFm)などの安定水和の原因となる二酸化炭素(CO2)の削減は，人類全生成物へと変化する．しかし，それらの水和物体で取り組むべき重要な課題である．なかでも，は施工された雰囲気により変化する．その変化

石灰工業であるセメント産業から排出されるの一つとしてカルシウム含有水和生成物の空気CO2 は，わが国の総排出量の約 4 %を占めてい中における炭酸化反応が挙げられる．

る(2008 年度)．セメント製造時に発生する CO2

カルシウム系化合物であるセメント水和物は，は，燃焼を主とするエネルギー起源のものに加

約 1/3 が水酸化カルシウムで占められている．

え，原料である石灰岩(炭酸カルシウム)の熱分

この水酸化カルシウムは，結晶または空隙の飽解等によるプロセス起源でも発生する．その発和水溶液中に存在する．水酸化カルシウムの飽生量は，セメント 1 t 当たり，エネルギー起源か和水溶液は，pH 12～13 の強アルカリ性を示し，ら 299 kg，プロセス起源から 427 kg の計 726

セメント水和物の pH を決定している 1)．一方，kg(年間総排出量 5,115 万 t(2007 年度))発生して大気中には弱酸性の CO2 が 0.03 %含まれている．

いる．セメント産業は，典型的なエネルギー多その結果，水酸化カルシウムと CO2 が反応し，消費型産業である．つまり，生産コストに占め炭酸カルシウムを生成する．また，カルシウムるエネルギー費の割合が高い．そこで，わが国含有水和生成物も CO2 と反応し，炭酸カルシウ

では，世界各国のセメント産業に先駆け，省エムを生成する．炭酸カルシウムとなった部分のネルギー対策を最重点課題として取り組んできpH は 8.5～10 になる．この反応を炭酸化反応とた．それらは，これまで様々な新技術の開発・呼ぶ．炭酸化はコンクリート構造物内の鉄筋を導入を行いながら，既存設備においても徹底的腐食させる要因のひとつである．

なエネルギー利用効率改善対策を実施してきた．

しかし，環境問題の観点から洞察すると，セその結果，わが国のセメント産業のエネルギー

メント水和硬化体は大気中の CO2 を吸収し，地効率は世界最高水準となっているが，その対策

球温暖化対策になる．つまり，プロセス起源かは限界に達しつつある．

ら排出された CO2 は炭酸化反応により 100 %回

セメントは一般的には普通ポルトランドセメントを指し，土木・建築構造物の建設用として収可能とすれば，セメント産業の CO2 排出量は最終的に約 60 %減少する．

汎用性が高い．この主要な構成化合物は，ケイ各種セメントは，種類により構成化合物の割酸三カルシウム(C3S)，ケイ酸二カルシウム(C2S)，合が異なるため，水和生成物の割合も異なる．

アルミン酸三カルシウム(C3A)，鉄アルミン酸四炭酸化の速さは水和生成物により異なると考えカルシウム(C4AF)の複合酸化物 4 種で構成されられるため，反応の進行が変化する．

る．これらの複合酸化物は，すべてカルシウム

そこで本研究では，カルシウム系化合物であとの化合物であり，化学成分別にみると，酸化るセメント水和物を促進炭酸化させ，炭酸化率カルシウムは 60 %以上含まれる．そして，複合をセメント種類別に究明した．そして，カルシ

酸化物は水和反応により，水酸化カルシウム，ウム系化合物はプロセス過程で発生した CO2 をケイ酸カルシウム水和物 (C-S-H)，アルミン酸回収することを実証した．

Carbonation velocity of calcium-based compounds
Taro HIRANO, Satoshi TANAKA and Osamu MACHINAGA― 897 ―

【実験方法】

する速さが異なるためである．しかし本実験で炭酸化する試料はカルシウム系化合物として，水酸化カルシウム，普通ポルトランドセメント，は，粉体を水中でかくはんしているため，カルシウムの溶出量が影響していると考える．

中庸熱ポルトランドセメントを用いた．これら
各 10 g を水セメント比(W/C) 2,000 %となるよう脱炭酸水 200 ml と混合し，0，3 日かくはんし水和させた．この所定時間水和させた混合溶液に，濃度 100 %の二酸化炭素を 40 ml/min の流量で所定時間吹き込み，炭酸化させた．これをメタノール，アセトンで水和停止を行いつつ吸引ろ過し，乾燥させ，粉末 X 線回折(XRD)により生成物を同定した．XRD の測定条件は，対陰極

図 1 普通ポルトランドセメント各状態の
XRD パターン

Cu(CuKα)，管電圧 40 kV，管電流 20 mA，スキャンステップ 0.010 deg，スキャンスピード
4 °/min，発散スリット 1/2 deg，受光スリット 0.15mm，散乱スリット 1/2 deg，2θ = 5～45° とした．
また，示差熱重量測定(TG-DTA)により，炭酸化率を求めた．TG-DTA の測定条件は昇温速度
10 ℃/min，測定温度は室温～1,000 ℃とした．
【結果および考察】

図 2 普通ポルトランドセメントの炭酸化時間別
XRD パターン

普通セメントの未水和物，セメント水和反応物，セメント炭酸化反応物の XRD 結果を図 1△:C3S ▲:β-C2S □:C3A ■:C4AFに示す．図 1 より，未水和物および水和反応物○:Ca(OH)2 ☆:AFt

は，炭酸化反応により，主に炭酸カルシウム(カ◇:C3AH6 ◆:C-S-H●:CaCO3(calsite) ▼:SiO2 ▽:Fe(OH)3ルサイト型)を生成する．炭酸化反応物には，水100Fe(OH)3 等の析出はほとんど見られなかった．

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炭酸化率 / ％和物の分解により生成される SiO2，Al(OH)3 や
つぎに，未水和の普通ポルトランドセメントを所定時間炭酸化した XRD 結果を図 2 に示す．
図 2 より，炭酸化が進行すると未水和物のピークが低下し，炭酸カルシウム(カルサイト型)のピークが出現して経過時間的に成長した．これ60402000は，未水和物が溶解析出とともに炭酸化し，水0.51

炭酸化時間 / hr

和結晶物を生成することなく炭酸化されたと思図 3 水酸化カルシウムおよび各セメントの炭酸化速度われる．
炭酸化率は TG より炭酸カルシウムの脱炭酸量を測定し，計算した値を図 3 に示す．図 3 よ◆:水酸化カルシウム■:普通ポルトランドセメント(材齢 3 日)▲:中庸熱ポルトランドセメント(材齢 3 日)り，普通ポルトランドセメント(材齢 3 日)は，中庸熱ポルトランドセメント(材齢 3 日)よりも炭酸化速度が速かった．土木・建築分野での炭【参考文献】

酸化の指標となる中性化速度係数では，中庸熱

1) 和泉意登志，喜多達夫，前田照信，コンク

セメントは普通セメントより大きい．これは，リートの耐久性シリーズ「中性化」，技報堂

各セメントの空孔量により，二酸化炭素の浸透

出版，1986，pp. 1-3― 898 ―