海洋塩スプレー環境下におけるセメントモルタルの水分移動特性の変化

なぜ海の空気が古い建物を傷めるのか

世界中の歴史ある都市の多くは海辺にあり、塩を含んだ空気が石材、煉瓦、漆喰を常に包み込みます。長年にわたり、この目に見えないスプレーは建材内部の微細な孔構造を静かに変え、材料が水分を取り込み、蓄え、放出する仕方を変えてしまいます。本研究は、一般的な材料であるセメントモルタルに着目し、海塩スプレー由来の塩が蒸気の移動にどのような影響を与えるか、そしてそれが沿岸の文化遺産建築の長期的な健全性に何を意味するかを明らかにしようとしています。

空気中の塩、壁の中の塩

沿岸域では、波と風が塩を多く含む細かな霧を巻き上げます。このスプレーが壁に付着して乾くと、塩の結晶が残ります。繰り返しの湿潤・乾燥により、これらの結晶は徐々に材料の孔の奥へ押し込まれていきます。古い建物の仕上げや補修材として広く使われるセメントモルタルは、これに耐えられると長く考えられてきましたが、保存修復の現場では塩が孔を塞ぎ、水の動きを変え、最終的にはひび割れや表面劣化を促進することが示されています。著者らは、現実的な海洋曝露を模した制御下でこれらの影響を定量的に測りたいと考えました。

遅い自然現象を加速する

海辺での数年分の劣化を試験室で再現するために、研究者たちはモルタル試料を塩分5%溶液の霧で噴霧するチャンバーに置き、その後乾燥させることを35サイクルまで繰り返しました。所定のサイクル数ごとに試料を慎重に調整（コンディショニング）し、二つの異なる条件下で水蒸気がどれだけ通過するかを測定しました。一方は片側の空気が非常に乾燥している「乾燥試験」、もう一方は片側が非常に湿潤な「湿潤試験」です。同時に、孔径分布と総孔容積を明らかにするために水銀圧入法で内部孔構造を調べ、走査型電子顕微鏡でモルタル内外に成長する塩の結晶を観察しました。

乾燥空気と湿潤空気で逆の挙動

結果は顕著な二面性を示しました。乾燥条件では、塩を含んだモルタルは蒸気の透過を抑えました。塩スプレーのサイクルが増えるほど水蒸気透過率は着実に低下しました。顕微鏡観察はその理由を示しています。主に表面近くの中間サイズの孔に塩結晶が形成され、重要なサイズ範囲の総孔容積を最大で約40%も減少させていました。これらの結晶は小さな栓のように機能し、水蒸気はより迂回した経路を取るか、あるいは完全に遮断されることになります。しかし湿潤条件では状況が逆転しました。周囲の空気が十分に湿ると、同じ塩結晶が水分を吸って薄い塩水膜となり、隣接する孔をつなぐ液相経路を形成します。こうした液相の連結はむしろ水分輸送を促進し、塩分が増えるにつれて測定された蒸気透過率は有意に上昇しました。

水分流を予測するための単純な法則

これらの観察を設計者や保存修復者が使える形にするため、チームはモルタルを通る蒸気の移動しやすさを二つの主要因、すなわち蓄積された塩量と空気の湿度に結びつける数学モデルを構築しました。塩が溶け始める湿度を境に材料の挙動が変わるため、モデルは「結晶状態」と「塩水状態」の二つの式を用います。清浄な材料の基礎特性と塩含有量の推定値があれば、このモデルは標準データを補正して、複雑な測定を毎回繰り返さなくても塩に汚染された実際の壁が異なる気候条件下でどう振る舞うかを予測できます。

沿岸文化遺産にとっての意味

一般読者への要点は、海風中の塩が壁に白いシミを残す以上の影響を与えるということです。塩は建材内部の微視的な配管系を再形成します。空気が乾燥しているときは、蓄積した結晶が孔を塞ぎ、湿気の放散を遅らせるために壁の深部に湿気を閉じ込めてしまいます。一方、空気が湿潤なときには同じ結晶が融けて水分の早い通路を作ります。本研究はその目に見えない変化をより明確に示し、気候変動に伴う条件で歴史的な壁がどう振る舞うかを予測する手段を提供します。こうした知見は保存修復の設計、適合する材料の選定、換気や断熱の計画に役立ち、沿岸の重要な建物が余計なコストや想定外の劣化を避けつつ長く残るよう支援します。

引用: Li, B., Dai, X., He, S. et al. Evolution of moisture transport properties in cement mortar under marine salt spray environment. npj Herit. Sci. 14, 291 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02562-z

キーワード: 沿岸の文化遺産建築, 塩害, セメントモルタル, 水分移動, 海塩スプレー