MIT、コンクリートに二酸化炭素を固定化する手法を開発

マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究チームが、コンクリートの養生の早期段階で炭酸ガス（CO₂）を吸収させることで、構造物の機械的信頼性を損なうことなく、セメント製造に伴う温室効果ガス大量排出による環境負荷を軽減する手法を考案した。CO₂源として重炭酸ナトリウム（NaHCO₃）添加剤を使ったシミュレーション実験で、セメント製造に伴って排出されるCO₂の最大15%を、コンクリート中に分離固定化できることを実証した。研究成果が、2023年3月28日に『PNAS Nexus』誌に論文公開されている。

コンクリートは、高強度、低コスト、施工容易性など、現代の建設材料として多くのメリットを持っているが、セメント製造プロセスにおいて世界のCO₂排出量の約8%を発生させる原因でもある。セメントを製造する際、石灰石と粘土の混合物を1400℃以上に加熱するが、その際に燃焼させる石油と天然ガスなどから発生するものが排出量の約半分となっている。この加熱プロセスに必要なエネルギーは、将来的には再生可能エネルギーによる電気に代替することができるが、セメントの原料となる混合鉱物を燃焼してクリンカーを生成する際、副産物として大気中に放出される大量のCO₂が残りの半分の排出量になっており、これを削減する有効な手法が見つかっていない。

一方で、セメントが使用時に水と砂、砂利と混合される水和反応の結果、コンクリートは強アルカリ性になり、本質的に外部からCO₂を吸収しやすくなり、数10年の長い期間に渡って大気からCO₂を自然に吸収することが知られている。日本のNEDOでは、廃コンクリートを用いた加速炭酸塩化プロセスにより、CO₂を吸収分離する研究が進められている。

しかしながら、コンクリート構造物においては、硬化したコンクリート内部にCO₂が吸収されると、アルカリ性を弱めるとともに材料収縮によるひび割れを生じ、鉄筋の腐食を加速して材料強度を弱め、構造物の信頼性を劣化させるという欠点がある。そこで研究チームは、養生段階の早期においてCO₂吸収を加速する場合、硬化する前のコンクリートが材料収縮を緩和し、新たに生成する水和反応生成相が健全に形成されて、鉄筋の腐食の原因である塩化物イオンの侵入などを防止できるのではないかと考えた。

養生段階におけるCO₂吸収の加速をシミュレートするため、NaHCO₃添加剤を使った実験を行った結果、最終的に炭酸カルシウム（CaCO₃）とケイ酸カルシウム水和物（C-S-H）の混合物である複合相が形成され、炭素が固体炭酸塩として固定されることを確認した。計算によれば、セメント製造に関連するCO₂排出量の最大15%を、コンクリート内部に分離固定できることが明らかになった。更に、コンクリートの養生プロセスも短縮され、型枠を早く撤去して橋や建物の完成までの工期を短縮できることもわかった。研究チームは、「生成される複合相がコンクリートの長期性能に、どう影響するかは未だ明確ではなく、研究は未だ進行中だが、カーボンニュートラルな建設材料として多機能コンクリートという新しい概念に道を拓くものだ」と、期待している。

MIT、コンクリートに二酸化炭素を固定化する手法を開発