アルミネートカルシウムと水ガラスのポリマーをセメント代替に

より少ない炭素で建築する

コンクリートは私たちの住まいや橋、都市のスカイラインに至るまで至る所にあります。しかし、コンクリートを結びつけるセメントの製造は大量の二酸化炭素を放出し、世界のCO2排出量のおよそ8％を占めています。本研究は、建築現場で使いやすさを保ちながらその気候負荷を大幅に削減し得る、新しい種類の鉱物ベースの「接着剤」を提示します。

新しいタイプの石材用接着剤

著者らは主に二つの成分からなるバインダーを検討します：アルミニウムに富む特殊セメントであるアルミネートカルシウムセメントと、水ガラスと呼ばれるケイ酸ナトリウムの液体形態です。強いアルカリ条件で混合すると、これらは反応してシリコン、アルミニウム、酸素、ナトリウムやカルシウムなどの金属イオンのみで構成される炭素を含まない岩石様のポリマーを形成します。一般的なポルトランドセメントとは異なり、この新しいバインダーは主要なカルシウム源として炭素を多く含む石灰石を必要としないため、従来のセメント生産で生じる多くのCO2を回避できます。混合物は注げる懸濁液であり、従来のコンクリートと同じ道具や工法で扱えます。

鉱物ネットワークの形成メカニズム

この反応を理解し最適化するために、研究者たちは赤外分光法や核磁気共鳴（NMR）といった、固体中の原子結合を追跡する手法を用いました。彼らは、カルシウムアルミネート中で四面体配置にあるアルミニウム原子だけが反応に関与し、六配位のアルミニウム（ある種の酸化アルミニウムに見られるようなもの）は室温では不活性のままであることを示しました。反応が進むにつれて、ケイ素–酸素–ケイ素結合から混合のケイ素–酸素–アルミニウム結合へと結合が移り、長い –O–Si–O–Al–O– の鎖とネットワークが構築されます。データは、反応性のケイ素単位と反応性のアルミニウム単位の数が概ね等しい、すなわち1対1の比率のときに最も安定で効率的な構造が形成されることを示しており、これは天然鉱物や古代のバインダーに関する過去の予測と一致します。

混合の最適点を探る

実際の建築では、十分に速く硬化し、最終的に強度が出る材料が必要です。チームはアルミネートカルシウムセメントの量と種類、および水ガラスを「活性化」するために添加する水酸化ナトリウムの量を調整しました。試験用のキューブを流し込み、耐圧強度を測定したところ、強度が急速に上昇してから頭打ちになるアルミネート添加量の最適範囲を見出しました。その点を超えると追加のセメントはコストを増すだけで性能向上はほとんどありませんでした。また、硬化時間が液体中のナトリウム量とケイ素量の比にどう依存するかもマッピングしました。ある一定のナトリウム濃度を下回ると硬化は起こらず、ナトリウム対ケイ素が概ね1対1の付近では数時間で固まるため、建設作業に適した実用的な時間窓が得られます。

砂漠の砂から耐久レンガへ

新鮮な混合物は流動性が高く粘度が低いため、幅広い充填材や骨材を結合できます。著者らは砂丘砂、砂利、石、パーライトやバーミキュライトのような膨張鉱物、さらには木片やバイオチャーのような有機材料までも固体複合材料に封じ込められることを実証しました。洗浄していない砂丘砂と砂利から作られたレンガは、4℃〜65℃の広い温度範囲で構造用コンクリートに匹敵する40メガパスカル以上の圧縮強度に達しました。注目すべきは、−21℃で凍結保存した混合物が解凍後も作業可能で、その後適切に硬化したことで、寒冷地での利用にも柔軟性をもたらします。バイオチャーを含めると、得られる軽量ブロックは生産時に排出される炭素量よりも多くを貯蔵できる場合さえあります。

コンクリートのカーボンフットプリントを削減する

研究はまた、従来のポルトランドセメントからこの新しいバインダーに切り替えた場合の気候効果を推定しています。典型的な構造用コンクリートは、燃料消費を数えなくとも、キルン内での石灰石の不可避な分解だけで立方メートル当たり約140キログラムのCO2を放出します。これに対して新しいシステムの排出は主にアルミネートカルシウムや炭酸ナトリウム由来の水酸化ナトリウムの製造時に生じるCO2に由来します。骨材が豊富な最適化混合物では、総排出量はポルトランドセメントコンクリートと比べて約3分の1に削減できます。原材料の生産や混合を太陽光発電で賄う可能性と組み合わせれば、著者らは世界のセメント関連排出量を人類全体の約8％から2％未満にまで下げられると主張します。

なじみある工程でよりクリーンな結果を

建設者にとって重要な発見の一つは、このポリマーベースのコンクリートが従来のコンクリートと非常によく似た挙動を示すことです：液体成分と固形粉末から混合し、注入して約10日間湿潤状態で養生します。既存のミキサー、ポンプ、型枠はそのまま再利用でき、作業者に特別な再訓練は不要です。化学の本質は古代ローマのコンクリートに見られる耐久性のある鉱物ネットワークを想起させますが、原料は明確に定義され入手しやすいものです。大規模に採用されれば、このアルミネートカルシウムと水ガラスのバインダーは建設産業が現代的な施工法を維持しつつ、世界で最も重要な材料の一つであるコンクリートの気候影響を大幅に低減する道を開くでしょう。

引用: Spangenberg, B., Epping, J.D. A polymer of calcium aluminate and water glass as cement substitute. Sci Rep 16, 14042 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50294-8

キーワード: 低炭素コンクリート, セメント代替, ジオポリマーバインダー, アルミネートカルシウムセメント, 水ガラス