コンクリートは二酸化炭素の主要な排出源であり、世界の排出量のおよそ8%を占めています。
MITの研究者らは、コンクリートをより効果的な炭素吸収源にできる新たな手法を開発しました。これにより、コンクリートの製造に伴う排出量の一部を相殺できる可能性があります。
この知見は「コンクリートの持続可能性における重要な進展を示すもの」であると、ある専門家は述べています。
Damian Stefaniuk氏は、MITコンクリート持続可能性ハブ（CSHub）のポストドクターフェローです。同氏は、MITのFranz-Josef Ulm教授およびAdmir Masic教授とともに、MIT土木環境工学科（CEE）において多機能コンクリートの研究に取り組んでいます。
同氏は本稿で、セメント系製品における炭酸化の概要、ライフサイクルの観点から炭酸化を理解することが環境影響評価において重要である理由の簡単な説明、そしてこのプロセスを強化するための最新の研究動向を紹介しています。
Q: 炭酸化とは何か、また、コンクリートをライフサイクルの視点で捉える上でなぜ重要なのですか？
A: 炭酸化とは、二酸化炭素（CO2）と、セメント系製品に含まれる特定の化合物との間で起こる反応であり、製品の使用段階および廃棄段階で生じます。炭酸カルシウム（CaCO3）が生成され、コンクリートのライフサイクルにおける温室効果ガス（GHG）排出の中和と炭素中立の達成において重要な意味を持ちます。
まず、炭酸化によりセメント系製品は自然の炭素吸収源として機能し、空気中のCO2を吸収して恒久的に貯蔵します。これにより、セメントの製造に伴う炭素排出を緩和し、全体的な炭素足跡の削減に役立ちます。
次に、炭酸化はコンクリートの特性に影響を与えます。初期段階の炭酸化は、セメント系製品の圧縮強度を高める可能性があり、耐久性と構造性能の向上につながります。一方で、後期段階の炭酸化はアルカリ性の低下により、鉄筋コンクリートの耐食性に影響を及ぼす可能性があります。
セメント系製品のライフサイクルにおける炭酸化を考慮することは、環境影響を正確に評価するうえで極めて重要です。炭酸化を理解し活用することで、産業界は炭素排出を削減し、炭素隔離の潜在能力を最大化できます。設計プロセスにおいてこれに十分な注意を払うことは、耐久性と耐食性に優れた構造物の創出に役立ち、長寿命化と全体的な持続可能性に貢献します。
Q: 炭酸化を人為的に促進するための、現在進行中の世界的な取り組みにはどのようなものがありますか？
A: コンクリートの炭酸化を人為的に促進する現在の取り組みの一部は、コンクリートの初期水和の段階で存在するCO2ガスの量を人為的に増やすことを伴います。このプロセスは「強制炭酸化」として知られ、炭酸化反応およびそれに伴う効果を加速させることを目的としています。
強制炭酸化は、通常、人為的にCO2濃度の高い環境で製造されるプレキャストコンクリート部材に適用されます。養生中に新鮮なコンクリートをより高濃度のCO2にさらすことで、炭酸化プロセスを促進でき、その結果、潜在的な改善が得られます。具体的には、強度の向上、吸水率の低減、塩化物浸透に対する抵抗性の向上、および凍結融解に対する性能の向上が期待されます。同時に、このプロセスによってどの程度のCO2が吸収・放出されるかを定量化することは困難な場合があります。
強制炭酸化により初期段階の炭酸化を誘発するこれらの取り組みは、コンクリートの性能と環境影響の最適化に対する業界の関心を反映しています。炭酸化プロセスを強化する方法を模索することで、研究者や実務者は、強度の向上やCO2の隔離といったその効果をより効率的に活用しようとしています。
強制炭酸化では、望ましい結果を確実に得るために、慎重な実施と監視が必要である点に留意することが重要です。具体的な手順や条件は用途や目的によって異なり、専門知識と管理された環境の必要性が浮き彫りになります。
全体として、強制炭酸化に関する現在の取り組みは、コンクリート技術の継続的な発展に寄与しており、その性能を向上させ、材料のライフサイクル全体にわたる炭素足跡を削減することを目指しています。
Q: 化学的に誘発される養生前炭酸化とは何であり、それはどのような意味を持ちますか？
A: 化学的に誘発される養生前炭酸化（CIPCC）は、MIT CSHubが開発した手法で、セメント中のCO2を鉱物化し、恒久的に貯蔵するものです。従来の強制炭酸化手法とは異なり、CIPCCではCO2を固体粉末、具体的には重炭酸ナトリウムの形でコンクリートの配合に導入します。このアプローチは、現行の炭素回収・利用技術が抱えるいくつかの制約に対処するものです。
CIPCCの意義は大きいものです。まず、現場打ちコンクリートへの適用が容易であり、コンクリート工事においてCO2利用を取り入れやすくします。他の手法とは異なり、CIPCCではコンクリートに隔離されるCO2の量を精密に制御できます。これにより正確な炭酸化が確保され、貯蔵プロセスのより適切な管理が可能になります。また、CIPCCは非晶質水和相に関する従来の研究をもとに発展したものであり、セメント系製品におけるCO2隔離の追加的な仕組みを提供します。これらの相はCIPCCを通じて炭酸化し、材料全体の炭素隔離能力に寄与します。
さらに、初期段階の養生前炭酸化は、コンクリートが制御された精密な量のCO2を恒久的に隔離するための経路として有望であることが示されています。当研究室の最近の論文（PNAS Nexus）では、低排出型の重炭酸ナトリウム製造における進歩を見込んだ場合、セメント製造に伴う焼成排出の少なくとも40%を理論上相殺できる可能性が示唆されています。また、セメントの最大15%（重量比）を、与えられた配合の機械的性能を損なうことなく重炭酸ナトリウムで置換できることも確認しました。このプロセスの長期的な影響を評価し、炭酸化によるライフサイクルでの削減効果や影響を検討するには、さらなる研究が必要です。
CIPCCは、炭素排出の削減による環境面での利点だけでなく、実用上の利点ももたらします。実際の用途で確認された初期段階の強度向上により、コンクリートがより速く全強度に到達できるため、建設工程の短縮につながる可能性があります。
全体として、CIPCCは、コンクリートにおけるより効率的かつ制御された CO2隔離の可能性を示しています。これはコンクリートの持続可能性における重要な進展を示すものであり、さらなる研究の必要性と、材料のライフサイクル影響を考慮することの重要性を強調しています。
本研究は、Concrete Advancement FoundationおよびPortland Cement Associationの支援を受けるMITコンクリート持続可能性ハブ（CSHub）によって実施されました。
