持続可能なバインダー（GGBSと炭酸カルシウム）を用いた低セメントコンクリートの炭酸化による微視的構造変化の調査

より小さなカーボンフットプリントで強くなるコンクリート

コンクリートは現代のほぼすべての建物、道路、橋を静かに支えているが、その主要成分であるセメントの製造は大量の二酸化炭素を排出する。本研究では、一般的な鉱物である炭酸カルシウムと、工業副産物である高炉スラグ（GGBS）を組み合わせてセメントの大部分を置き換えつつ、強く長持ちするコンクリートを作れるかを検討する。混合物内部の単純な粉体サイズの変更が、排出量を削減し性能を改善する可能性を示している。

なぜコンクリートの材料を見直すのか

セメント生産は石灰石を高温で焼成する必要があるため、人為起源の炭素排出のかなりの割合を占める。一方で、世界のコンクリート需要は増え続けている。研究者らは、強度や耐久性を損なうことなくより持続可能な材料でセメントの多くを置き換えられるかを探った。着目したのは、コンクリートでの使用が既に知られている鉄鋼スラグと、他の製品で充填材として広く使われる微粉砕された炭酸カルシウムである。

新しいコンクリート混合物の作製と試験方法

研究チームは、バインダーの半分を普通ポルトランドセメント、残りの半分をスラグとするコンクリートを設計した。次に、スラグの一部を5〜20％の範囲で炭酸カルシウムに置換し、水分量は一定に保った。作業性や初期挙動を調べるために，より単純なモルタル試料も作製した。新鮮な混合物はスランプやフロー試験で作業性を確認した。硬化試料は3か月間、圧縮強度、引張や曲げに対する抵抗、そしてコンクリート内部の鋼材が保護されているかを示す炭酸化深さを測定した。超音波パルス速度やリバウンドハンマー試験などの非破壊試験で内部品質や表面硬度を評価し、顕微鏡観察や電気的試験で材料内部の細孔で何が起きているかを明らかにした。

微視的構造内部で何が起きるか

顕微鏡画像は、微細な炭酸カルシウム粒子がセメントやスラグ粒子間の隙間に入り込み、混合物をより密に詰める小さな石のように働くことを示した。このより緻密な充填により空隙が減り、水やガスがコンクリート中を移動しにくくなる。制御された二酸化炭素暴露下では、コンクリート中の一部生成物が追加の炭酸カルシウム結晶に変わり、これらの新しい結晶が細孔や微小ひびを封鎖して材料をさらに緻密化する。イオンの移動のしやすさを追う電気インピーダンス試験は、炭酸カルシウムを含む混合物が時間とともにより精緻で連通性の低い細孔ネットワークを形成することを確認した。

強度と耐久性がどのように向上したか

結果は明確な最適点を示した。スラグの一部を15％炭酸カルシウムに置換したとき、コンクリートは総合的に最良の性能を示した。90日後、この配合は70メガパスカルを超える圧縮強度を達成し、炭酸カルシウムを含まない標準配合よりも分裂および曲げに対する抵抗が高かった。また、炭酸化深さが浅く、パルス速度やリバウンド値が高く、いずれもより緻密で結合の良い内部構造の指標であった。置換率がさらに高くなると、作業性が低下し超微細粒子が凝集し始め、緻密化から得られる利点が一部相殺されて強度がわずかに低下した。

今後の建築にとっての意味

非専門家にとっての要点は、微粉砕された炭酸カルシウムを適度に、かつスラグと組み合わせて加えることで、コンクリートをより環境に優しく、かつ強靭にできるということだ。セメントの一部をこれらの材料に置き換えることで、建設の炭素コストを削減しながら強く耐久性のある構造を得られる。本研究は、この低セメント配合において炭酸カルシウムを約15％含めることが、強度、耐久性、持続可能性の実用的なバランスを提供することを示唆しており、性能を損なうことなく地球に優しい日常的なコンクリートへの道を示している。

引用: Kumar, B.N., Neelamegam, P., Sai, A.P.D. et al. Investigation of carbonation-induced microstructural changes in low-cement concrete using sustainable binders: GGBS and calcium carbonate. Sci Rep 16, 14847 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45725-5

キーワード: 低炭素コンクリート, 炭酸カルシウム, GGBS, 微細構造, 炭酸化