コンクリートの炭素固定と腐食のジレンマ：早期硬化CSA-PCモルタルからの知見

コンクリートに炭素を閉じ込めるのが簡単でない理由

コンクリートは世界有数の二酸化炭素排出源の一つですが、一方で時間とともにCO2を再吸収する性質も持ちます。近年の発想の一つは、新設コンクリートに意図的に余分なCO2を注入して「固定」し、材料を強化することです。本研究は重要な実用的疑問を投げかけます：普及している低炭素セメント配合に対して、早期の段階で積極的にCO2を注入すると、本当に耐久性が向上するのか、それとも内部の鉄筋を静かに錆びやすくしてしまうのか？

隠れた炭素スポンジとしてのコンクリート

現代社会では年間約300億トンのコンクリートが打設され、セメント系材料は既に年間ほぼ10億トンのCO2を大気と反応して吸収しています。技術者らは現在、「強制炭酸化」を試みており、新設や再利用コンクリートを濃縮したCO2下で処理します。早期段階の材料は依然として多孔なので、ガスが容易に浸透し、CO2を炭酸塩鉱物として閉じ込める化学反応が加速されます。これらの反応はまた細孔を詰めて初期強度を高めることがあり、より環境負荷の小さいかつ強靱な構造物を作る魅力的な手段となり得ます。

低炭素セメント混合物を顕微鏡で見る

著者らは、75％の硫酸アルミネートカルシウム（CSA）セメントと25％のポルトランドセメントを組み合わせたハイブリッドモルタルに注目しました。CSAは製造時のエネルギー消費とCO2排出が少ない一方で、標準セメントよりも内部がアルカリ性に乏しくなる傾向があります。これは重要で、従来のコンクリート中の鉄筋は非常にアルカリ性の毛管溶液によって表面が“パッシブ”になり、錆びにくく保たれているからです。本研究では、細長いモルタル円柱に細い鋼棒を埋め込み、人工的な炭酸化を行わない群と、生後1日目に高圧純CO2を4、24、72時間与えた群とを比較しました。その後、全ての供試体を28日まで養生し、塩分の多い水への浸漬と乾燥を繰り返すサイクルに43週間さらして、塩素イオンが多い過酷な環境を模擬しました。

鋼材の保護被膜が失われる様子を追う

暴露期間を通じて、チームは電気化学的手法で鋼材の状態を追跡しました。開回路電位、分極抵抗、腐食電流密度を測定し、これらから金属がどの程度活発に溶解しているかを評価しました。またモルタルのpHも定期的に測定しました。激しい塩分暴露を行う前でさえ、このCSA多めのモルタルの全体的なpHは、鋼に堅牢な被膜を維持するために必要とされる従来の閾値（およそ11.5）を下回っていました。湿乾サイクルが進行するにつれてpHはさらに低下し、特に事前に炭酸化された試料で顕著でした。炭酸化したモルタルの腐食電流は迅速に非炭酸化の参照試料の約10倍の値まで上昇し、「高い」腐食速度に相当しました。つまり、すべての鋼棒が危険にさらされる中で、早期の強制炭酸化は明らかに腐食をより深刻な段階へと押し進めていました。

広がりモルタルを満たす錆

損傷の発生箇所や進展様式を調べるために、研究者たちは高分解能イメージングと化学分析を行いました。X線コンピュータ断層撮影は鉄筋周囲の錆で満たされた領域の3次元マップを提供し、反射電子顕微鏡観察と元素マッピングは鉄を多く含む腐食生成物が周辺モルタルへどのように移動したかを明らかにしました。非炭酸化試料では、鋼表面に薄い錆層が付着し、モルタルへの侵入は数十マイクロメートル程度にとどまりました。一方で炭酸化したモルタルでは、はるかに厚く不規則な錆帯が見られ、腐食生成物はマトリックス中に最大で約2ミリメートルまで浸透し、平均体積が早期のCO2処理4時間後だけでほぼ倍増するようなクラスターを形成していました。X線光電子分光法は、炭酸化試料の鋼表面に高価数の鉄酸化物・水酸化物や結合水が多く含まれていることを確認し、これはさらに進行しやすい厚い活発な錆層の指標です。

より緻密になっても腐食が速まる

逆説的に、腐食を促進した同じ炭酸化はモルタルの微細構造をより緻密にしました。熱分析と窒素吸着測定は、円柱の外層で炭酸カルシウムの生成が進み、大きな孔から微小〜中孔へのシフトが起きていることを示しました。一方で鋼近傍の内層は、炭酸化と錆の内部成長および外向き移動の両方によって変化していました。全体として細孔ネットワークは締まり、原理的には塩化物のような侵襲イオンの移動を遅らせ、腐食生成物の広がりを制限するはずです。実際、炭酸化時間を4時間から72時間に延ばしても総錆体積が大きく増加することはなく、主に分布の仕方が変化しました—より多数で浅い錆領域が形成され、大きな一塊の錆が増えるわけではありません。これは微細化した細孔がさらなる浸透を妨げたためです。

より環境配慮したコンクリートに対する示唆

非専門家向けに要約すると、若い鉄筋コンクリートに余分なCO2を注入することは諸刃の剣です。炭素を固定し、材料の内部細孔を小さく緻密にする効果はあります。しかし、このようなCSA–ポルトランド混合のようにアルカリ性が低い系では、早期の深い炭酸化が鋼を通常守っている化学的保護を大きく奪ってしまいます。その結果、腐食の発生頻度が増え、錆がコンクリート内部により広がりやすくなります。たとえ緻密な微細構造が錆の浸透深さを制限したとしても、早期強制炭酸化は環境および機械的利点を有する一方で、化学や設計が十分に慎重に制御されない限り、鉄筋を有する部材の長期耐久性を著しく損なう可能性があると著者らは結論づけています。

引用: Qiang, Z., Yan, L., Yue, Q. et al. The carbon sinking-corrosion dilemma in concrete: insights from early-age CSA-PC mortar. npj Mater Degrad 10, 24 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00737-4

キーワード: コンクリートの炭酸化, 鉄鋼の腐食, 硫酸アルミネートカルシウムセメント, CO2隔離, 鉄筋コンクリートの耐久性