ポルトランドセメント
ポルトランドセメントは、石灰石と粘土を主原料として焼成したクリンカーに少量の石膏を加え、細かく粉砕して作る水硬性のセメントである。水と練り混ぜると水和反応によって硬化し、砂や砂利と組み合わせてコンクリートやモルタルの結合材として使われる。日本ではJIS R 5210で品質が規定されており、普通・早強・超早強・中庸熱・低熱・耐硫酸塩の6種類がある。国内で販売されるセメントのおよそ7割を普通ポルトランドセメントが占め、土木・建築の両分野で最も多く使われている。
名称の由来と歴史
1824年、イギリスのレンガ職人ジョゼフ・アスプディンが製法の特許を取得した。硬化した後の色合いが、英国南部のポートランド島で採れる建築用石材「ポートランドストーン」に似ていたことが名前の由来とされる。当時の焼成温度は現在よりかなり低く、今日の製品に近い高温焼成品が確立したのは、アイザック・ジョンソンらが改良を重ねた19世紀半ばのことである。日本では1875年（明治8年）に東京・深川の官営工場で国産化に成功した。明治後期から大正期にかけて各地に工場が建設され、鉄道・港湾・発電用ダムの整備を支える基幹資材となった。
原料と製造工程
原料は、化学成分ごとに大きく4つの系統に分けられる。工場の多くが石灰石鉱山の近くに立地しているのは、製品1tあたり約1.1〜1.2tの石灰石を使うためで、原料の輸送コストを抑える狙いがある。
焼成からクリンカーの粉砕まで
調合して粉砕した原料は、サスペンションプレヒーターで予熱された後、ロータリーキルンに送られる。キルン内の最高温度はおよそ1450℃に達する。原料の一部が溶けながら化合して、直径数mm〜数cmの塊であるクリンカーができる。これを急冷し、凝結を調整するための石膏を3〜4%程度加えて仕上げミルで粉砕すると製品になる。石膏を加えないと、練り混ぜてすぐに固まる「急結」が起こり、打設作業ができない。
クリンカー鉱物の組成
製品の性質を大きく左右するのは、クリンカーを構成する4種類の鉱物の割合である。強度の発現速度や水和熱の大きさは、主にこの比率で決まる。普通ポルトランドセメントの代表的な組成は次のとおり。
| 鉱物名 | 化学式（略号） | 含有率の目安 | 主な特性 |
|---|---|---|---|
| エーライト | 3CaO·SiO2（C3S） | 約50〜60% | 早期から長期まで強度を担う。水和熱は中程度 |
| ビーライト | 2CaO·SiO2（C2S） | 約15〜25% | 反応は遅いが長期強度が伸びる。水和熱は小さい |
| アルミネート相 | 3CaO·Al2O3（C3A） | 約8〜10% | 反応が非常に速く、水和熱が大きい。硫酸塩に弱い |
| フェライト相 | 4CaO·Al2O3·Fe2O3（C4AF） | 約8〜10% | 強度への寄与は小さい。製品の灰色の元になる |
エーライトの水和と鉄筋の防錆
代表的な反応はエーライトの水和で、次の式で表される。
2(3CaO·SiO2) + 6H2O → 3CaO·2SiO2·3H2O + 3Ca(OH)2
このとき生じるケイ酸カルシウム水和物（C-S-H）が組織を緻密にし、強度を生み出す。副産物の水酸化カルシウムは、硬化体のpHを12〜13程度の強アルカリに保つ。鉄筋の表面に不動態皮膜ができて錆びにくくなるのは、このアルカリ性のおかげである。空気中の炭酸ガスによって中性化が進むと防錆効果が失われ、鉄筋が腐食してひび割れや剥落の原因になる。
JIS R 5210に定められた6品種
鉱物組成と粉末度を変えることで、用途に合わせた品種が作り分けられている。粉末度はブレーン法による比表面積で表す。JISでは普通品を2500cm²/g以上と定めているが、市販品の実測値はおおむね3200〜3400cm²/gである。また、各品種には全アルカリ量を0.6%以下に抑えた「低アルカリ形」も規定されている。
| 品種 | 設計上の特徴 | 主な用途 |
|---|---|---|
| 普通 | 材齢28日の圧縮強度42.5N/mm²以上 | 一般建築、土木構造物、二次製品 |
| 早強 | C3Sが多く粉末度が高い。1日強度10.0N/mm²以上 | 冬期工事、プレストレストコンクリート、工期短縮 |
| 超早強 | さらに細かく粉砕。1日強度20.0N/mm²以上 | 緊急補修、グラウト |
| 中庸熱 | C3S 50%以下、C3A 8%以下 | ダム、マスコンクリート |
| 低熱 | C2S 40%以上 | 高強度コンクリート、超高層建築の柱、大型基礎 |
| 耐硫酸塩 | C3A 4%以下 | 温泉地、海洋構造物、下水処理施設 |
現場での使い分けとコスト
品種を選ぶときは、性能だけでなく工程と価格のバランスを考える。最も安く流通量も多いのは普通品で、特殊な品種ほど割高になり、生コン工場で常時扱っていないことも多い。プレキャスト製品の工場では早強品を使って蒸気養生の時間を短くし、型枠の脱型サイクルを早めて1日あたりの生産数を増やすのが一般的である。逆に、土木学会の示方書でマスコンクリートの目安とされる厚さ80〜100cm以上のスラブなどに普通品を使うと、内部と表面の温度差によって温度ひび割れが起きやすい。このため中庸熱品や低熱品を指定する。公共土木工事では、高炉スラグやフライアッシュを混ぜた混合セメントが標準になっている発注機関もあるので、設計図書の指定を事前に確認しておく必要がある。
製造時の二酸化炭素排出
セメント産業は、エネルギー多消費型産業の代表格である。製品1tあたり約0.7〜0.8tの二酸化炭素が出るが、燃料の燃焼によるものは一部にすぎない。全体の約6割は、石灰石が分解する脱炭酸反応 CaCO3 → CaO + CO2 から生じる。原料そのものから出る排出なので、燃料を替えるだけでは大きく減らせない。そこで、クリンカーの一部を高炉スラグなどで置き換える方法が広く採用されている。高炉セメントB種ではスラグの置換率を30%超〜60%以下とすることで、ポルトランド単体よりも排出量を大幅に抑えている。廃タイヤや廃プラスチックを熱エネルギー源として使う工場も多く、廃棄物の受け入れ先としての役割も担っている。
保管時の風化と取り扱い
袋詰めの製品は国内では25kg入りが主流で、保管中に空気中の水分や炭酸ガスと少しずつ反応する「風化」が進む。風化すると強熱減量が増え、凝結が遅くなったり、圧縮強度が低下したりする。そのため、倉庫では袋を床から30cm以上離し、積み重ねは13袋以下にするのが基本とされる。入荷から長期間たったものや、手で触って塊が感じられるものは、試験で品質を確かめてから使うのが望ましい。ばら車（バルク車）で納入されるサイロ保管の製品でも、サイロ内の結露は塊ができる原因になるため、定期的な点検が欠かせない。
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