コンクリートの結合材であるセメントの生産は、2018年に世界の炭素排出量の7%を占めた。
研究者たちは、気候変動への影響を減らすため、コンクリートを一新する方法を探っている。
科学者たちは、CO2を閉じ込める曲げられるコンクリートを開発した。
気候変動の大きな要因の一つは足元にあり、それを変えることは温室効果ガスを大気中に放出させないための有力な解決策となり得る。
コンクリートの結合材であるセメントの生産は、世界の二酸化炭素排出量全体の7%を占めた2018年に。コンクリートは地球上で最も広く使われる資源の一つで、推定で年間260億トンが生産されている世界中で。その生産量は、少なくとも今後20年間は減少しないと予想されている。
産業の規模と温室効果ガス排出量を踏まえると、コンクリートを一新する技術は気候変動に大きな影響をもたらす可能性がある。
インフラと建設に関わる課題に取り組むエンジニアとして 取り組み ている に関する私たちは、インフラのカーボンフットプリントを削減し、耐久性を高める次世代のコンクリート技術を設計してきた。その中には、温室効果ガスを閉じ込め、より強く、さらには曲げられるコンクリートを実現できる、CO2を取り込んだコンクリートも含まれる。
この業界は大きな変革を迎える機が熟している。特にバイデン政権が、インフラに大規模な投資を行うプロジェクトを約束し、同時に米国の排出量を削減するとしている。しかし、排出量を大幅に削減する形でコンクリートにCO2を広く活用するには、関連する排出量をすべて考慮しなければならない。
コンクリートを考え直す
コンクリートは、主に岩石や砂などの骨材に、セメントと水を加えて作られる。
コンクリートのカーボンフットプリントの約80%はセメントに由来するため、研究者たちは代替材料を探してきた。
次のような産業副産物、鉄鋼スラグや石炭フライアッシュは、必要なセメント量を減らすために、現在よく使われている。その結果、排出量を大幅に削減できる。石灰石焼成粘土などの代替結合材も、セメント使用量を減らせる。ある研究では、石灰石と焼成粘土を使うことで排出量を石灰石焼成粘土削減できると分かった。削減幅は少なくとも20%で、生産コストも抑えられる。
混合セメントの開発に加え、研究者や企業は、回収したCO2をコンクリート自体の原料として使い、閉じ込めて大気中への放出を防ぐ方法に注目している。CO2は骨材の形で加えることも、混合時に注入することもできる。炭酸化養生はCO2養生とも呼ばれ、コンクリートを打設した後にも用いることができる。
こうした工程では、CO2を気体から鉱物に変え、固体の炭酸塩を生成する。これによりコンクリートの強度も高まる可能性がある。その結果、構造物に必要なセメント量を減らし、関連する排出量を削減できる。CarbonCureのような企業やSolidiaは、建設現場で打設するコンクリートや、コンクリートブロックなどのプレキャストコンクリート製品、その他の建材にこうした工程を活用する技術を開発している。
ミシガン大学で、私たちは取り組んでいる複合材料の開発に。これにより、曲げられるコンクリート材料を実現し、より薄く、もろさが少なく、鉄筋による補強も少なくて済む構造物を可能にし、関連する炭素排出量をさらに削減する。この材料は、CO2と容易に反応する小さな粒子を用いて鉱物化させることで、貯蔵できるCO2量を最大化するよう設計できる。
CO2を利用した曲げられるコンクリートは、一般建築物のほか、水・エネルギーインフラ、交通インフラにも使用できる。曲げられるコンクリートは、日本の大阪にある地上61階建ての北浜タワーや、ミシガン州イプシランティの道路橋の床版に使われた。
ライフサイクル排出量の課題
こうした最先端技術は、コンクリートインフラのカーボンフットプリントへの対処に着手できるが、依然として障壁がある。
2月8日付で発表された研究では、私たちのうち3人が、コンクリートにCO2を取り込む際のライフサイクル排出量を調べた。その結果、CO2の回収、輸送、利用に伴う排出量が、推計に必ずしも含まれていないことが分かった。私たちは同僚とともに、炭酸化養生が大きな排出削減効果をもたらすようにするための方策を考案した。
総じて、標準的なCO2養生手順の策定を推奨する。実験室での実験では、CO2養生によってコンクリートの強度と耐久性が高まることが示されているが、結果は具体的な養生手順やコンクリートの配合によって異なる。研究により、養生工程の条件や各段階のタイミングを改善し、コンクリートの性能を高められる。養生中の最大の排出源である電力使用量も、工程の効率化や、場合によっては廃熱の活用によって削減できる。
先進的なコンクリート配合、特に曲げられるコンクリートは、耐久性を高めることで、すでにこうした課題への対処に着手している。
インフラ政策と気候政策の統合
2020年には、幅広い企業が排出量削減に向けた取り組みを発表した。しかし、建設業界を変革するには、政府による投資と調達政策も依然として必要だ。
地方自治体が第一歩を踏み出している。コンクリートのセメント量を減らすための「内包炭素の少ないコンクリート」に関する規則やプロジェクトが各地で始まっており、たとえばカリフォルニア州マリン郡、ニューヨーク州ヘイスティングス・オン・ハドソン、そしてオレゴン州のポートランドでの歩道実証事業がある。
ニューヨーク州とニュージャージー州では、コンクリート由来の排出量が最も少ない提案に対し、入札で価格上の優遇措置を設ける州レベルの政策が議員らによって提案されている。こうした政策は、コンクリート生産やその他の建材からの炭素排出量を削減する際のひな型になり得る。
全米では、連邦政府が管理するインフラの老朽化が進み、危機が着実に深刻化している。バイデン政権は、戦略的なインフラ計画を通じて、こうした問題や気候変動への対処に着手するとともに、雇用を創出できる可能性がある。
ピート・ブティジェッジ運輸長官は最近、大きな機会が雇用創出、公平性、気候変動対策の実現にあり、それらは米国のインフラ整備を進めるうえで重要だと述べた。低炭素コンクリートを全国規模の気候変動対策として推進する政策が、これに続く可能性がある。
