軽量モルタルの強度向上とCO₂削減のためのセメント粒子径最適化

気候と建設においてセメント粒子が重要な理由

橋から集合住宅に至るまで、現代の構造物はセメントに大きく依存しています。しかし、セメント製造は世界でも最大級の産業由来の二酸化炭素排出源の一つです。本研究は、重い粉砕ではなく主に粗い粒子をふるい落とすことでセメントの粒子を細かくする――驚くほど単純な手段が、より強く軽い構造物をより小さなカーボンフットプリントで実現することを示しています。粒径を調整することで強度を高め、ひび割れ挙動を変え、薄く軽い部材に使われる軽量モルタルの単位強度あたりの排出量を削減できることが示されています。

小さい粒子、軽い配合、日常の建築ニーズ

著者らは、重い砂の一部を膨張軽量粘土で置換した「軽量モルタル」に着目しています。これらの配合は壁やスラブの重量を減らすのに有利で、高層建築や改修にとって魅力的です。しかし、軽量化した配合は同じ強度を得るためにセメント量が増えることが多く、コストと排出量を押し上げます。これに対処するために、研究チームは同じポルトランドセメントの3種を比較しました：通常のブレンド、粒径50マイクロメートルより大きい粒子を除いた「ファイン」セメント、そして25マイクロメートル以下の粒子のみを残した「スーパー・ファイン」セメントです。重要なのは、さらに粉砕するエネルギー集約的な処理は行わず、主に最も大きな凝集体を選択的にふるい分けた点です。

細かいセメントが生モルタルと硬化後にもたらす変化

実験室では、標準の緻密モルタル、軽量モルタル、ファインおよびスーパー・ファインセメントで作った二種の軽量モルタルの計4種を調合しました。水量と化学混和材はほぼ一定に保ち、粒子径だけが挙動を変えるようにしています。セメントが細かくなるにつれて、作業性は向上し、わずかに密度が増し、粒子間のパッキングが改善されていることが示されました。硬化後は、圧縮強度――圧縮に耐える能力――が大きく上昇しました：ファインとスーパー・ファイン配合は、未ふるいの軽量モルタルと比べて3日強度で最大40–45％、7日強度で15–21％の増加を示しました。トレードオフとしては、曲げ耐性がやや低下し、収縮が増加しました。いずれも内部構造がより硬く脆くなること、微細ひび割れが生じやすくなることに起因します。

粒子内部を覗くと反応が加速する理由が見える

なぜ細かいセメントがこのように振る舞うのかを理解するため、チームは最初の12時間にわたる早期反応を追跡しました。X線回折、熱重量測定、透過型電子顕微鏡を用いて、特に接着剤のようなカルシウムシリケート水和物（C–S–H）ゲルといった主要生成物が、細かいセメントほど早く多く生成される様子を観察しました。顕微鏡画像では、内部の「接着材」が散在する針状クラスタから、粒子が小さいほどより早く密で葉状やコンパクトな塊へと進展しているのが見えました。加熱時の重量減少測定は、ファインおよびスーパー・ファインのペーストで結合水と水和物が多いことを確認し、圧縮強度の急増と一致しました。言い換えれば、細かい粒子は比表面積を増やし、水が反応する場を多く与えるため、内部の骨格がより速くかつ高密に形成されるのです。

エネルギー消費、排出、構造性能のバランス

セメント生産はすでに大量のエネルギーを消費し、製品1トンあたりほぼ1トンのCO₂を排出しているため、著者らは加工を含めても細かいセメントが本当に気候に有益かを検討しました。彼らはライフサイクルアセスメントを構築し、従来のセメント、比表面積を増やすための追加粉砕、そして標準セメントを単純にふるい分けして細分する方法の3ルートを比較しました。粉砕は確かに排出と電力消費を増やしますが、設計強度あたりに必要なセメント量を減らすほど強度を高めるため、単位強度あたりのCO₂はわずかに低下します。一方、ふるい分けはさらに有利であることがわかりました。セメントを50マイクロメートルのふるいに通すには約1％のエネルギー増にとどまりながら、軽量モルタルの単位強度あたりのCO₂を最大で14％低減できました。25マイクロメートルまで下げると、処理コスト増と収縮増加を伴いながら、強度上の追加効果は限定的でした。

より環境負荷の小さい軽量建築のために何を意味するか

非専門家向けの結論は、「粒子がどれだけ小さいか」は「どれだけセメントを使うか」と同じくらい重要になりうる、ということです。最も粗い粒子だけを選択的に除去することで、工場のエネルギー消費を大幅に増やすことなく、取り扱いが容易で圧縮強度が大幅に向上し、単位強度あたりのカーボンインテンシティが低いモルタルを製造できます。ただし、非常に細かいセメントは収縮やひび割れが増え、長期耐久性に影響を与える可能性がある点には注意が必要です。総じて、本研究は比較的低技術な調整――工業的なセメントの50マイクロメートル付近でのふるい分け――が、より軽く強い、そしてやや環境負荷の小さいコンクリート系材料への実用的な道筋を提供することを示唆しています。

引用: Nieświec, M., Chajec, A., Walendzik, I. et al. Optimizing cement particle size for strength enhancement and CO₂ reduction in lightweight mortars. Sci Rep 16, 8418 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39546-9

キーワード: セメント粒度, 軽量モルタル, 圧縮強度, CO2排出量, ライフサイクルアセスメント