CO2硬化がセメント系材料中の鉄筋被膜の性能に与える影響

より環境に優しいコンクリート保護が重要な理由

現代の都市は鉄筋コンクリートに依存しており、その内部に隠れた鉄筋が多くの荷重を負担しています。長期にわたりこれらの鉄筋は錆びることがあり、橋梁や建物、堤防などに深刻な影響を及ぼします。一方でセメント産業は大量の二酸化炭素（CO2）を排出する主要部門でもあります。本研究はCO2硬化と呼ばれる技術を検討しており、これは新しいコンクリートにCO2を固定化すると同時に、本研究が示すように内部の鉄筋を腐食からより良く保護できる可能性があります。

CO2を取り込んで強いコンクリートをつくる

新設コンクリートを湿った空気や蒸気だけで硬化させる代わりに、CO2硬化では初期に高濃度の二酸化炭素に曝露します。ガスはセメントペーストと反応して炭酸塩鉱物を生成し、表面近くの孔隙に詰まります。この反応は材料中にCO2を固定するだけでなく、外層をより緻密にします。ほとんどのコンクリート構造物は鉄筋で補強されているため、著者らはこの変化した環境が高アルカリ性コンクリート中で自然に形成される薄い保護層、いわゆる被動化被膜にどのように影響するかに注目しました。

鉄が被動化し、そして保護を失う様子の観察

研究チームは鉄筋を含む小さなモルタル円柱を作製し、その半分をCO2で硬化させ、残りを標準的な湿潤条件で硬化させました。彼らは電気化学的手法を用いて鉄筋表面の微小な電流を感知し、鉄が能動的な未保護状態から被動化した保護状態へと移行する過程を追跡しました。これらの測定により、通常のモルタルでは鉄筋が安定した被動状態に達するまでに約3週間を要したのに対し、CO2硬化モルタルではほぼその半分の時間で達したことが示されました。著者らは、この促進が表面層の炭酸化による密化で一時的に鉄筋周辺の酸素濃度を高め、溶存酸素を内部へ押し込むことで被膜形成を速めたためだと結論づけています。

薄いがより頑強な保護膜

一見すると、CO2硬化試料の被動化被膜は不利に見えるかもしれません。厚さはわずかに薄く、標準硬化での約4.73ナノメートルに対して約4.06ナノメートルでした。しかし同じ試験では、電荷移動に対する抵抗が大きく、腐食反応が進行しにくいことが示されました。表面顕微鏡観察はその理由を明らかにしました。CO2硬化モルタルでは被膜がより均質で精緻に秩序立ち、塩化物イオンや酸素の経路を遮断する連続的な垂直方向の粒状パターンを形成していました。さらにX線光電子分光による化学分析は、この被膜がFe3+に対してより多くの低酸化状態の鉄（Fe2+）を含むことを示しました。この組成のバランスが被膜をより緻密に詰め、微小欠陥の自己修復能力を高めるようであり、薄さと高い保護性という一見矛盾する性質を説明します。

塩害をはるかに長く遅らせる

実際の構造物は海水や凍結防止剤由来の塩にさらされ、これが被動化被膜を徐々に破壊します。この状況を模擬するため、研究者らは試料を塩化物溶液への浸漬と乾燥を繰り返すサイクルにかけました。標準硬化モルタル中の鉄筋は約18サイクルで保護状態を失い、腐食電流が急増しました。対照的にCO2硬化モルタル中の鉄筋は約30サイクルまで被動状態を維持し、重大な腐食の発現が大きく遅れました。この改善は二重の効果によります。炭酸化された外層が塩化物イオンの浸透を遅らせること、そして改良された被動化被膜自体が攻撃下で安定かつ欠陥が生じにくいことです。

今後の構造物にとっての意義

総合すると、本研究はCO2硬化が単にコンクリート中に温室効果ガスを固定するだけでなく、内部の鉄筋を保護する微視的なシールドを再形成することを示唆します。より緻密で化学的に耐性のある被動化被膜の形成を促進し、表面の孔構造を引き締めることで、CO2硬化コンクリートは長期にわたる塩害耐性を高める可能性があります。設計者にとっては、プレキャスト部材の従来の蒸気養生をCO2硬化に置き換えることで、橋梁や海洋構造物などの使用寿命を延ばしつつCO2の有効利用にも寄与できる——耐久性と気候影響の両面での稀なウィンウィンを提供するかもしれません。

引用: Guo, B., Shi, L., Chu, J. et al. Effect of CO₂ curing on the performance of the passivation film of steel bars in cement-based materials. npj Mater Degrad 10, 50 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00762-3

キーワード: CO2硬化, 鉄筋コンクリート, 鉄筋腐食, 被動化被膜, 塩化物攻撃