セメントは強度が高く、低コストで製造が容易なため、現代建設の基幹材料となっています。
しかし、その製造は環境に負荷をかけており、セメントは現在、世界の二酸化炭素排出量の約8%を占めています。
MITは、研究者らが主にベーキングソーダなどの新素材を配合に加えることで、この排出量を抑制する方法を見出した可能性があると説明しています。
実験室での試験では、コンクリートが固まる前に二酸化炭素の15%を鉱物化できたとしています。
コンクリートは、高い強度、低コスト、製造の容易さといった現代建設材料としての多くの利点がある一方で、その製造は現在、世界の二酸化炭素排出量の約8%を占めています。
MITのチームによる最近の発見により、既存のコンクリート製造工程に新素材を導入することで、コンクリートの体積的な機械的特性を変えることなく、この炭素排出量を大幅に削減できる可能性が明らかになりました。
今回の研究結果は本日、学術誌「PNAS Nexus」に掲載されました。掲載論文は、論文で、MITの土木・環境工学教授であるAdmir Masic氏およびFranz-Josef Ulm氏、MITのポスドク研究員Damian Stefaniuk氏、博士課程学生のMarcin Hajduczek氏、ハーバード大学ワイス研究所のJames Weaver氏によるものです。
水に次いで、コンクリートは世界で2番目に多く消費される材料であり、現代のインフラの礎となっています。しかし、その製造過程では、セメント製造時の化学副生成物として、またこれらの反応を進めるために必要なエネルギーとして、大量の二酸化炭素が排出されます。
コンクリート製造に関連する排出量のおよそ半分は、石油や天然ガスなどの化石燃料の燃焼によるものです。これらの燃料は、石灰石と粘土の混合物を加熱するために使用され、その混合物が最終的に普通ポルトランドセメント（OPC）として知られる、おなじみの灰色の粉末になります。この加熱プロセスに必要なエネルギーは、いずれ再生可能な太陽光や風力由来の電力で代替される可能性がありますが、残りの半分の排出量は素材そのものに内在しています。鉱物の混合物が1,400摂氏度（華氏2,552度）を超える温度に加熱されると、炭酸カルシウムと粘土がクリンカー（主にケイ酸カルシウムで構成）と二酸化炭素の混合物へと化学変化し、後者は大気中へ放出されます。
製造過程で、OPCが水、砂、砂利と混ぜ合わされると、高いアルカリ性を示すようになります。これは、炭酸塩材料の形で二酸化炭素を隔離し長期間貯蔵するための、一見理想的な環境を作り出します（この過程は炭酸化として知られています）。コンクリートは大気中の二酸化炭素を自然に吸収する潜在能力を持っていますが、通常、これらの反応は主に硬化後のコンクリート内で起こり、材料の強度を低下させるとともに内部のアルカリ性を下げ、補強鉄筋の腐食を加速させます。これらのプロセスは最終的に建物の耐荷重性を損ない、長期的な機械的性能に悪影響を及ぼします。このように、数十年単位で進行しうるこれらの緩慢な後期炭酸化反応は、コンクリートの劣化を加速させる望ましくない経路として長く認識されてきました。
「硬化後のこれらの炭酸化反応の問題点は」とMasic氏は述べます。「鋼材の腐食防止に非常に効果的なセメント質マトリックスの構造と化学的性質を損なうことであり、それが劣化につながるのです。」
これに対し、著者らが発見した新たな二酸化炭素隔離の経路は、コンクリートの混合・打設時、材料が固まる前の非常に早い段階で炭酸塩が形成されることに依存しています。これにより、材料が硬化した後の二酸化炭素吸収による悪影響を大部分取り除ける可能性があります。
新たなプロセスの鍵は、安価でシンプルな原料を一つ加えることです。それは重炭酸ナトリウム、一般にベーキングソーダとして知られるものです。重炭酸ナトリウムを代替として用いた実験室での試験において、研究チームは、セメント製造に伴う二酸化炭素総量の最大15%を、これらの初期段階で鉱物化できることを実証しました。これは、材料の世界的な炭素排出量を大きく削減できる可能性を示すのに十分な数値です。
「非常にわくわくする内容です」とMasic氏は述べます。「当研究は、製造および打設の際に二酸化炭素の鉱物化による付加的な利点を取り入れることで、多機能コンクリートという概念を前進させるものだからです。」
さらに、これまで報告されていなかった複合相が形成されることにより、得られるコンクリートは機械的性能に影響を与えることなく、はるかに速く固まります。この工程により、建設業界の生産性向上も可能になります。型枠をより早く取り外せるため、橋梁や建物の完成までに要する時間を短縮できます。
炭酸カルシウムとケイ酸カルシウム水和物の混合物である複合体について、Masic氏は「まったく新しい材料です」と述べています。「さらに、その形成を通じて、初期段階のコンクリートの機械的性能を2倍にできます。」ただし、同氏は、この研究は依然として進行中の取り組みであると付け加えています。「これら新たな相の形成が、コンクリートの長期的な性能にどのような影響を与えるかはまだ不明ですが、これらの新たな発見は、炭素中立型建設材料の開発に明るい未来を示唆しています。」
初期段階でコンクリートを炭酸化させるという考え方は新しいものではなく、型に流し込んだ後のコンクリートによる二酸化炭素の吸収を促進するためにこの手法を検討している既存企業もいくつかあります。しかし、MITチームによる今回の発見は、コンクリートが二酸化炭素を隔離する前硬化の能力が、これまで大きく過小評価され、十分に活用されてこなかったという事実を浮き彫りにしています。
「当社の新たな発見は、炭素排出量の少ないコンクリート混和剤の開発における他の最近の技術革新と組み合わせることで、さらに環境に配慮した、さらには炭素を削減する建設材料を生み出すことができます。これにより、コンクリートは問題の一部から解決策の一部へと変わります」とMasic氏は述べています。
本研究は、MITのコンクリート持続可能性ハブ（Concrete Sustainability Hub）の支援を受けて実施されました。同ハブは、Portland Cement Associationおよびコンクリート研究・教育財団（Concrete Research and Education Foundation）から支援を受けています。
