特別寄稿

本邦の今後のコンクリート研究に関する雑感
東京大学

1．はじめに教授

丸山一平

ルミン酸三カルシウムの水和反応性は高く、他の 2 つのコンクリートは、工業用水に次いで大量に使われてい水和反応は比較的緩やかに進行する。実のところ、これる材料であり、社会インフラおよび建築構造物の多くでらの鉱物の同時進行する水和反応速度の予測も評価も、利用されている 。災害を多くうける日本では、地震、津未だ完全には理解されていないが、ここ 15 年ほどで大波、台風、洪水・氾濫、竜巻、火災といったさまざまな幅な理解がすすんでいる状況にある。

1）

外力に耐えうる建築物を作り、人口密度を上げて都市のポルトランドセメントの水和反応によるコンクリート効率化に努めてきた。さまざまな環境外力に対して人がの硬化過程において、強度・剛性を生じさせるために生き抜くことができること、また、社会の安定のためには、カルシウムを含む低密度水和物の生成が必須条件で資産・財産を適切に管理できることにおいて、鉄筋コンある 1）。すなわち、水とセメントで反応した体積とほぼクリート造建築物は重要な役割を果たしてきた。例えば、同等の体積を有する水和物を製造しなくては、練り混ぜ戸籍や固定資産台帳が安易に燃えたり、流されたりしてたコンクリートは反応により縮んでしまうことになる。

しまう社会において、経済成長は可能だったであろうか。
このコンクリートは、砂、砂利、水、ポルトランドセメントからなり、適切な割合で混合して型枠の中に打込み、概ね 1 か月程度で目標の強度になるように調合することができる。セメントと水が反応して水和物をつくり、これが結合材の働きを果たすが、このプロセスをセメントの水和反応といい、他の化学製品よりも反応が緩やかであるために、1 か月程度の期間がかかる。
ポルトランドセメントの原材料は石灰岩（CaO 原料）、珪石（SiO2 原料）、粘土（Al2O3、SiO2 原料）、鉄屑（Fe2O3原料）である。多くの工業製品が純度を上げて用いられるのに対して、セメントは前述の 4 つの酸化物組成が一定の範囲内に収まっていれば、1450 ℃程度に昇温しさえすれば、セメント鉱物の生成反応が生成して製造できる点で応用性が高い。そのため、原材料にさまざまな産業廃棄物を受け入れることが可能であり、本邦では都市から出てくる建設残土を始めとして、本来であれば埋め立て処理されるような無機系廃棄物を再資源化して用いている 2）。焼成してできる鉱物はおもに 4 つあり、水硬図- 1 C-S-H の概念図

性のエーライト、 ビーライト、 アルミン酸三カルシウ

一般のポルトランドセメントの水和反応において、低ム、鉄アルミン酸四カルシウムである。エーライト、ア密度水和物は珪酸カルシウム水和物（C-S-H）であり、6

GBRC Vol.48 No.4 2023.10

CaO によって形成される平面構造を基盤として SiO2 のまた、石灰石を分解してカルシウムを得るためには常二量体がこの平面構造の上下面に取り付くことによってに CO2 の発生を伴う。日本のポルトランドセメントの層状珪酸塩の基盤が構築される（図- 1）。CaO と SiO2

生産工程においては、6 割程度が煆焼由来の CO2 であでできた各層（C-S-H モノレイヤーと称す）は、表面にり、残りはセメントを焼成するためのエネルギーや粉マイナスの電荷を持つので、C-S-H モノレイヤー2 層の砕・運搬の動力源による CO2 となっている。現在まで間に Ca イオンが入ると電荷バランスを保つことがでの地球上における人工の CO2 発生総量のうち、6％程度がき、2 つの C-S-H モノレイヤーの構造は安定化する。こセメント製造に由来するものであると指摘されている 1）。の形は粘土鉱物に見られる層状構造に似た構造になる。

このことから、建設分野、とくにコンクリートセクター

一方で、この Ca イオンは容易に水和する（Ca 原子のにおいては CO2 発生に対する適切な対応をしなくては、まわりに水分子を引き付ける）こと、また、表面の電荷今後、カーボンニュートラルを達成した他の建設材料への2+のバランスを補償する Ca イオンの結合形態が多様性代替がすすみ、需要が低減するとの危機感から多くの技をもつことから、ポルトランドセメントと水の反応にお術開発研究を行っているのが現状である。セメント、あるいて、きれいな積層構造はつくらないことが一般的であいはコンクリート業界におけるカーボンニュートラル化はる 。CaO による基盤はきれいな平面構造にはならず波さまざまな手法の組み合わせで達成が期待されている 6）。

2+2+3）

打った歪んだ構造を持ち、さらに低密度な構造体を形成することになる。C-S-H モノレイヤーはミルフィーユのお菓子のように揺らいだ形状をもち、層間の狭い部分（1 nm 以下）の部分から、 層間の広い部分（4 nm 程度）まで、さまざまな幅を有するとともに、この層間において水分とイオンの移動を許容することができる。この水を多く含む低密度水和物がコンクリートの高い強度を達成することに大きく貢献する。C-S-H の構造は、700m2 /g程度の比表面積を持つものとされ 4）、この高い比表面積が、水素結合やファンデルワールス力によって緩やかに束ねられ、全体として高い剛性、強度を発揮する。このように密度の低い構造をとること、比表面積が高い水和物をつくること、といった特徴はカルシウム（CaO）を有する構造だから達成できるものであり、そのためにカルシウムを用いた材料設計が基盤となって、コンクリート産業を発展させてきた。産業廃棄物を有効利用する上でも、CaO を用いることが前提となっていたのはそのためである。

図- 2 米国（US）、欧州（EU）、日本（JPN）および中国（CN）における今後のコンクリートセクターのカーボンニュートラル達成のための CO2 削減手法とその割合 7）

その手法としては、1）セメント製造プロセスにおける、CO2 を排出しない CaO 資源の利用、バイオマス燃

この重要な CaO であるが、 国内においては石灰岩料やリニューアブルエネルギーによるクリンカー焼成、（CaCO3）を起源とし、昇温による分解（CaO+CO2）をキルン効率の改善、CO2 排出量の小さいクリンカーの経由して得られる。日本における石灰岩は、3 億年前か開発、2）セメント販売時におけるセメント系混和材置ら 2 . 5 億年前に現在の赤道付近でできたサンゴ礁などか換率の増大、粉砕などでの効率増大、輸送におけるカーらなる石灰岩がプレートとともに移動し、2 . 3 億年前かボンニュートラル化、3）コンクリート調合における最ら 1 . 5 億年前ごろに大陸プレートに衝突して、陸側に付適化（たとえば、過剰な強度を求めない）、輸送におけ加されたものであり、生物起源で純度の高いものが多るカーボンニュートラル化、4）建設・施工における最く、国内で自給可能な鉱物資源となっている。日本にお適化、 ならびに炭酸化反応の有効利用、5）カーボンける確定埋蔵量は 112 億トンといわれ、年間生産量がおキャプチャによる有効利用および貯蔵、が考えられる。

およそ 1 億 7 千万トンであり、 約 66 年で枯渇するとい図- 2 には、先進的な取り組みをしている各国、領域の5）われている（2007 年時点） 。そのため、CaO 資源につ今後のセメント製造の CO2 削減方針の構成要素の違いいて、今後適切に利用していくことが求められている。

を示す。このグラフは 2013 年をベースとしての今後の7

GBRC Vol.48 No.4 2023.10

技術開発項目が異なっており、たとえば、エネルギー利せる反応経路を考えることで強度発現を大幅に改善する用効率化をすでに検討していた国については、相対的にことが理解されており、反応経路を詳細に検討して材料縮減余地は少なくなり、寄与率が低くなる点について留配合を検討している 11）, 12）。

意しておく必要がある。

地質的な特性から日本にも当然ながら一部に粘土が存在し、多くの場合、それらは焼き物の街として発展して

2．さまざまな研究開発
2．1 セメントの混和材研究きているが、それらをセメント混和材へ応用するのは難しそうである。それよりも、大量に存在する火山灰の有欧州を中心に、引き続きポルトランドセメントの利用効利用の方が合理的なように思われる。そのため日本に量を削減し、混和材の形でシリカ、アルミ、その他の元おいては火山ガラスの利用が進められている 13）。周知

素を含有する材料の利用が検討されている。鉄鋼業分野のように小樽築港時より火山灰の利用は研究されておが鉄鉱石を今後どのように取り扱っていくかという不透り、日本のコンクリート工学分野においても古くから存明な部分もあるが、吸熱反応であるので水素還元がすぐ在する研究である 14）。 火山灰の中にはガラス質の他、にできるとも思えないが、従来の高炉による製造からはいくつかの鉱物、風化によってできる二次鉱物が存在す変化するので、高炉スラグはなくなるかあるいは性質はるため、反応性は産地や場所によってさまざまである。

変化していくものと考えられる。そのため、品質の変化

この中からガラス質分を抽出することによって反応性をした高炉スラグの有効利用方法についてあらためて検討高める技術も開発され、近年ではさらに多くの産地の火をしていく必要があるだろう。フライアッシュについて

山灰の有効利用が研究されつつある 15）。同じくシリカ、も石炭火力発電所が欧州のルールによって利用されなくアルミナ資源としては、珪藻土の利用も検討できると考なっていくことを想定した場合にはなくなっていくことえられ、日本は日本の特性に準じた研究をしていくべきになり、従来、大量に利用されていた混和材は生産されであるが、今後の人口減少とインフラ規模の緩やかな減なくなっていく 。この観点から、欧州を中心に焼成カ少を想定するのであれば、国際化を念頭に研究開発の方オリン、あるいは焼成粘土を混和材とする研究が大規模向性を意識していく必要がある。に行われており、欧州、インド、南アジアおよび南米の

2．2 新しいセメントの研究

8）

一部で規格化がすすみ利用にはずみがついている 9）。

すでに 1980 年代にフランスで水ガラス、アルカリ金

一方、粘土が自然物であり組成に変動があること、そ属、焼成メタカオリンを用いた硬化体としてジオポリれに応じて反応性をたかめる焼成温度が変化すること、マーが提唱されている 16）。これらは新しい軽元素によ焼成後の反応パスが多数あること、混和材を混合した系る硬化体という観点で革新的材料になりえたが、製造上全般の問題ではあるが初期強度発現に課題があること、のいくつかの課題があるために応用の範囲は限られていなどについて多くの研究が進められている。特に焼成温る。コストも大きな要因の一つである。近年では、カル度は、低温であればただの脱水になってしまい、温度がシウムとシリカからなる鉱物で、水と CO2 と反応する

高すぎると別の鉱物が生成してしまうため、メタ化させことで炭酸カルシウムとシリカゲルになるものをセメンて反応性を高める温度帯は想定よりも狭く、工業的な応トの混和材利用 17）, 18）, 19）、あるいはセメントとして利用用を考えると焼成炉の中の温度分布や滞留時間なども相する研究が日本・欧州で行われ一部実用化されている。

当に制御しなくてはいけない印象を受ける。しかしながこれらは、セメント反応時に CO2 を再度固定化ができら、これらの研究が将来性あるものであるとの印象は欧るという点でカーボン・オフセット技術として考えられ州およびアジア各国で共有されており、 今後 10 年は、るとされている。

少なくとも多くの研究リソースが注がれると推察されその他には、カルシウムと似た挙動をする材料としてる。なお、類似の焼成粘土の混和材利用は日本でも戦前マグネシウムがある。このマグネシウムは、炭酸塩としにはなされているが、材料設計の観点が未熟でカルて存在する以外にも、海水を淡水化処理した結果得られシウム、シリカ、アルミの役割についての知見がすくなたり、あるいは、蛇紋岩などから特殊な工程を経て取りかったため、現在の配合とは大分異なった領域で研究し出したりすることで CO2 を排出せずに取り出すことがた結果が残っている。現在は、ヘミカーボネート、モノできる可能性があるとされており、これを炭酸化させつカーボネートというアルミ・カルシウム・水からなる水つ固体化させる研究や、あるいはマグネシウムを用いた和物に一部 CO3 が入り込んだ結晶を合目的的に生成さ水硬性セメントの研究もなされている 20）。

2-810）

GBRC Vol.48 No.4 2023.10

2．3 再利用

物の真の性能が理解されないまま、劣化、補強が行われ
21）、ても、結局、どれだけの性能を保持しているかがわから、骨材ないのでは、素晴らしい技術にみあうコスト負担を建物、などを皮切りにリ所有者等に要求することは難しい。従来の工学としてのサイクルコンクリートの研究が行われてきた。再生骨材

建築設計だけではなく、科学としての建築構造物の理解に関する研究も歴史が古く、骨材という有限資源をが、長期利用の観点から必要となる。一般の環境におい有効利用することからも再生骨材の社会実装は重要であても鉄筋コンクリート構造物の耐震性能は日々変化してる。フランスでは、再生骨材に CO2 を吸着させてコンいることはあまり材料に興味をもっていない構造工学者

クリートに用いる研究が行われ、 粉砕、 輸送、CO2 固には理解されていない。 たとえば、20 ℃、60 %RH 程定のエネルギーを考慮しても、CO2 固定量が実質的に度の乾燥環境において、鉄筋コンクリート構造物の剛性上回り、コンクリート中に Carbon Capture Utilizationが半分になりうることなど 29）, 30）は性能評価上重要な課and Storage（CCUS）として可能であることを確認し題になると著者は考えている。

日本においては、 完全リサイクルコンクリート
セメント回収型完全リサイクルコンクリート
回収型リサイクルコンクリート

22）

23）

24）

た実証プロジェクトが行われた。強度、耐久性との25）

バランスを考慮した調合設計手法も提案されており、3．まとめ

カーボンプライシングが現実となっている今、このよう最近のニーズに即して、現在実施されている世界的動な研究は大きな動機をもっている。日本にもエコタンカ向を踏まえ、日本において必要となる研究について取りルといった技術があり普及し始めているが、可能なまとめた。非常に大きなテーマであるため、それぞれの限りカルシウムをもとの炭酸カルシウムに戻す、あるい

詳細をつめていくと、それだけでレビュー論文ができては、カルシウムを循環させる研究が重要となる。この観しまうような内容であるため、議論の粒度については、点で、筆者は、C4 S 研究開発プロジェクトの中で炭重要性や理解の観点、社会からのニーズの大小を多少反26）27）。これは廃コ映させて判断した。そのため、それぞれのトピックでのンクリートを炭酸化させるとともに、その過程でコンク議論はやや飛躍がある部分もあるが、その点はご容赦いリートを炭酸カルシウムを用いて結合して硬化体を製造ただきたい。今後、日本は高齢化と人口減少を迎え、研する技術であり、実現されれば炭酸カルシウムコンク究投資が少なくなっていく。そのため、国際的には研究リートとして永遠に再利用が可能となる循環システムが開発分野が広がっていくなか、国内の研究機関のみで研達成可能となる。

究開発をしていくのは難しくなってきている。そのた

2．4 長期利用

め、英語で議論を発信していきながら、国際的な研究機

酸カルシウムコンクリートを提唱した

28）

構造物を長く利用することで資源の投入量を減らすこ関とシナジーを得ながら、国内の利益も誘導しつつ研究とができ、それだけでもカーボンニュートラルに貢献が開発をしていくことで、レバレッジを効かせて投資対効できる。その観点では引き続き、耐震、台風、疲労に対果が高い研究開発に努めることが必要になる。そういっ応する技術開発が重要であり、とくに材料変質と構造性た活動になんらかの貢献ができるのであれば望外の喜び

能、すなわち、構造物の時間依存性性能変化予測技術、である。

ならびに、劣化した構造物の補修・改修技術が重要となる。建築物に関して建物寿命は商業上の理由によることが多く、法律、あるいは構造性能上で寿命決定する場合は必ずしも多くは無い。そのため、欧米のようにゆとり

4．付記
本稿執筆にあたり、著者の過去の文献も参考にし、一部の文章について改変して用いた 31）, 32）, 33）。のあるストックとしての建築を設計することの普及が重要である。鉄筋コンクリート建築物については、塗装や仕上げと内部のコンクリートの変質の相関、あるいは塗装や仕上げの劣化とそのモニタリング技術なども躯体保護技術の基幹研究として重要になる。また、中古市場の普及を考えると、構造物の実力評価手法、すなわち、非破壊、微破壊、モニタリング、数値計算技術を総合した建物性能評価システムの構築が喫緊の課題である。建築【参考文献】

1）Scrivener K., John V., Gartner E ： Eco-efficient
cements: Potential economically viable solutions for a
low-CO 2 cement-based materials industry. Cementand Concrete Research, Vol. 114 , pp. 2 - 26 , 2018 .
https://doi.org/ 10 . 1016 /j.cemconres. 2018 . 03 . 015
2）セメント協会：循環型社会構築に向けた取り組み https://www.jcassoc.or.jp/seisankankyo/seisan 01 /seisan 01 a.
html, 2023 年 7 月 29 日確認
9GBRC Vol.48 No.4 2023.103）Gartner E, Maruyama I, Chen J： A new model for
the C-S-H phase formed during the hydration ofPortland cements. Cement and Concrete Research,
Vol. 97 , pp. 95 - 106 , 2017 . https://doi.org/ 10 . 1016 /j.cemconres. 2017 . 03 . 001
4）S. Brunauer, I. Odler, M. Yudenfreund ： The newmodel of hardened Portland cement paste, Highw.
Res. Rec. pp. 89 - 101 , 19705）杉田隆：石灰石鉱業の現状と課題，Journal of the Societyof Inorganic Materials, Japan, 14 巻 , 329 号 , pp. 226 231 , 20076）Global Cement and Concrete Association, Our path tonet zero -past, present and future actions, https://
gccassociation.org/concretefuture/our-path-to-netzero/（2023 年 1 月 5 日確認）
7）Maciej Zajac, Ippei Maruyama, Atsushi Iizuka,
Jorgen Skibsted, Enforced carbonation ofcementitious materials, Cement and ConcreteResearch（accepted）
8）Glasgow Financial Alliance for Net Zero：Financial
Institution Net-zero Transition Plans - Fundamentals,Recommendations, and Guidance, 2022
9）ICR Research：LC 3 in codes and standards, https://www.cemnet.com/Articles/story/ 172916 /lc 3 -in-codesand-standards.html（2023 年 7 月 29 日確認）
10）たとえば、永井章一郎：セメントに對する諸種の人工珪酸物質の混用に就て（第一報），大日本窯業協會雑誌，Vol.37,No. 441 , pp. 361 - 370 , 1929 . 911）Matschei T, Lothenbach B,Glasser FP： The role ofcalcium carbonate in cement hydration. Cement andConcrete Research, Vol. 37 , pp.551- 558 , 2007 . https://doi.org/ 10 . 1016 /j.cemconres. 2006 . 10 . 01312）Matschei T, Lothenbach B, Glasser FP ： The AFm
phase in Portland cement. Cement and Concrete
Research, Vol. 37 , pp. 118 - 130 , 2007 . https://doi.
org/ 10 . 1016 /j.cemconres. 2006 . 10 . 010
13）小川八助，内海三貞：セメント要論，工業化学雑誌，Vol.3,No. 11 , pp. 754 - 767 , 1900
14）たとえば、大日本窯業協會：混合セメントに關する座談會，大日本窯業協會雑誌，Vol. 48 , No. 576 , pp. 576 - 588 , 1940
15）友寄篤，野口貴文，袖山研一，東和朗：火山ガラス微粉末の粉末度と置換率が強度発現に及ぼす影響，セメント・コンクリート論文集，Vol. 73 , pp. 465 - 470 , 202016）Davidovits, J. US Patent No. 4509985 , 198217）Meyer, V., Sahu, S., & Dunster, A. ： Properties ofsolidia cement and concrete. In Proceedings of the 1 stInternational Conference on Innovation in Lowcarbon
Cement & Concrete Technology, London, UK, pp. 24 26 , 2019 , June18）Saito, T., Sakai, E., Morioka, M., & Otsuki, N. ：Carbonation of γ-Ca 2 SiO 4 and the Mechanism ofVaterite Formation. Journal of Advanced Concrete
Technology, 8（3）, pp. 273 - 280 , 201019）取違剛，横関康祐，吉岡一郎，中本健二，盛岡実 , & 樋口隆 行：CO 2 排 出 量 ゼ ロ 以 下 の 環 境 配 慮 型 コ ン ク リート「CO 2 -SUICOM（スイコム）」，セメント・コンクリート ,No. 786 , pp. 26 - 31 , 20121020）E. Gartner, M. Gimenez, V. Meyer, A. Pisch：A. Novel
Atmospheric, Pressure ap- proach to the mineral
capture of CO 2 from industrial point sources,Proceedings of the CCUS 2014 -Carbon Capture,Utilization and Storage Conference, Pittsburgh, PA,
USA, 2014 , https://doi.org/ 10 . 13140 / 2 . 1 . 1092 . 9600 .
21）友澤史紀，野口貴文：完全リサイクルコンクリート，コンクリート工学，35 巻 7 号，pp. 57 - 60 , 199722）田村雅紀，野口貴文，友澤史紀：セメント回収型完全リサ
イクルコンクリートの完全リサイクル住宅（SPRH）への実施工検討（材料施工），日本建築学会技術報告集，11 巻
21 号，pp. 27 - 32 , 200523）辻埜真人，野口貴文，北垣亮馬，長井宏憲：マイクロ波加熱を利用した骨材回収型完全リサイクルコンクリートに関する研究，日本建築学会構造系論文集，Vol. 76 , No. 660 ,pp. 223 - 229 , 201124）建設廃棄物処理再利用委員会：再生骨材コンクリートに関する研究， コンクリート工学，Vol. 16 , No. 7 , pp. 18 - 31 ,1978 . 725）Torrenti, J. M., Amiri, O., Barnes-Davin, L., Bougrain,F., Braymand, S., Cazacliu, B., ... & Turcry, P.：TheF a s t C a r b p r o j e c t : Ta k i n g a d v a n t a g e o f t h eaccelerated carbonation of recycled concrete
aggregates. Case Studies in Construction Materials,
Vol. 17 , e 01349 , 2022 . https://doi.org/ 10 . 1016 /j.cscm.
2022 .e 01349
26）日本コンクリート工業株式会社：エコタンカル ® https://www.ncic.co.jp/products/environment/ecocaco 3 .html（2023 年 7 月 29 日確認）
27）野口貴文：コンクリートによる CO 2 の吸収固定・循環技
術の方向性：ムーンショット「C4S 研究開発プロジェクト」の概要，配管技術 The piping engineering/ 配管技術編集委員会 編，63（14）, pp. 18 - 23 , 2021
28）Maruyama, I., Kotaka, W., Kien, B. N., Kurihara, R.,
Kanematsu, M., Hyodo, H., ... & Noguchi, T.：A newconcept of calcium carbonate concrete using
demolished concrete and CO 2 . Journal of Advanced
Concrete Technology, 19（10）, pp. 1052 - 1060 , 202129）Sasano H, Maruyama I, Nakamura A, et al：Impactof drying on structural performance of reinforced
concrete shear walls. Journal of Advanced Concrete
Technology, Vol. 16 , pp. 210 - 232 , 2018 . https://doi.
org/ 10 . 3151 /jact. 16 . 21030）Maruyama I ： Impact of drying on concrete andconcrete structures. RILEM Technical Letters 7 : 1 11 , 2022 . https:/ /doi.org/ 10 . 21809 /rilemtechlett.
2022 . 15431）丸山一平：CO2 が原料の完全リサイクル可能なコンクリート製造技術， 月間ファインケミカル，Vol. 52 , No. 3 , pp. 5 11 , 2023 年 3 月32）丸山一平， 吉田英一， 山本鋼師， 野口貴文： コンクリーション生成メカニズムの工学的応用事例 , 地質学会誌 ,Vol. 128 , No. 1 , pp. 281 - 285 , 2022
33）丸山一平：鉄筋コンクリート構造の技術的変遷 第 13 回 ,鉄筋コンクリートの長期挙動，ビルディングレター，No.654,
pp. 21 - 32 , 2020 . 6