第四部：無機化学の基礎　生活と無機(建築材料)

　セメント（ cement ）
　広義には，物と物を結合する接着剤（adhesion bond , adhesive agent , adhesive cement , adhesive material , bond , cement , glue など）全般を意味する。
　一般的には，建築・土木で用いるモルタルやコンクリートを作るために骨材を結合する材料をいう。セメントは，水や液剤などで水和，重合し硬化（水硬性：hydraulicity ）する粉体として供給されている。
　JIS A 0203 「コンクリート用語：Concrete terminology 」では，
　セメントを“水と反応して，硬化する鉱物質の微粉末。一般にはポルトランドセメント，混合セメントなどをいう。”と定義している。
　ポルトランドセメント（ portland cement ）
　水硬性のカルシウムシリケートを主成分とするクリンカーに適量のせっこうを加え，微粉砕して製造されるセメント。
　混合セメント（ blended cement ）
　ポルトランドセメントに，高炉スラグ微粉末，シリカ質混合材，フライアッシュなどの混合材をあらかじめ混合したセメント。

　ポルトランドセメントの製造方法
　一般的な製造工程は，下図に示すように，原料工程，焼成工程，仕上げ工程に分けられる。
　原料工程
　石灰石（ CaCO₃ ），粘土，けい石，酸化鉄原料（銅や鉄の精錬時のスラグなど）などを調合し，粉砕機（原料ミル）で粉砕する。一般的には，セメント 1トンの製造には，石灰石 1,100kg，粘土 200kg，その他原料 100～200kg が用いられる。
　焼成工程
　混合された粉体原料は，段階的に乾燥・余熱を行い，ロータリーキルン（回転窯）に送り込み焼成する工程をいう。ロータリーキルンでは 1450℃以上の高温で焼成され，水硬性の化合物の凝集体（クリンカー）が得られる。
　仕上げ工程
　クリンカーは，一般的な組成（ xCaO・yAl₂O₃・zSiO₂・wFe₂O₃ ）の複数の鉱物（クリンカー鉱物という）で構成される軽石状の集合体として得られる。
　冷却されたクリンカーを予備的に粉砕しながら，石膏（ CaSO₄・2H₂O ）を添加し，仕上げ粉砕機（仕上げミル）を用いて，平均粒径 10μｍ程度まで微粉砕し，製品として梱包される。
　なお，混合セメントは，予備粉砕時に石膏の他に，混合材（品質調整用）を添加したものである。

　ポルトランドセメントの組成範囲
　クリンカー鉱物の組成（質量％）
　けい酸三カルシウム（ 3CaO・SiO₂ ： エーライト 記号 C3S ） 45～75％
　けい酸二カルシウム（ 2CaO・SiO₂ ：ビーライト 記号 C2S ） 7～32％
　アルミン酸三カルシウム（ 3CaO・Al₂O₃ ：アルミネート層 記号 C3A ） 0～13％
　鉄アルミン酸四カルシウム（ 4CaO・Al₂O₃ ･ Fe₂O₃ ：フェライト層 記号 C4AF ） 0～18％
　硫酸カルシウム二水和物（ CaSO₄・2H₂O ：石膏） 2～10％
　化合物組成（質量％）
　酸化カルシウム（ CaO ：記号 C ） 61～67％
　二酸化ケイ素（ SIO₂ ：記号 S ）19～23％
　酸化アルミニウム（ Al₂O₃ ：記号 A ） 2.5～6％
　酸化鉄（Ⅲ）（ Fe₂O₃ ：記号 F ） 0～6％
　三酸化硫黄（ SO₃ ：記号 Ŝ ） 1.5～4.5％

　ポルトランドセメント（ JIS R 5210 「ポルトランドセメント」）
　土木・建築構造物用として，用いられるポルトランドセメントには，用途により，普通ポルトランドセメント，早強ポルトランドセメント，超早強ポルトランドセメント，中庸熱ポルトランドセメント，低熱ポルトランドセメント耐硫酸塩ポルトランドセメントの 6種がある。なお，それぞれには，アルカリ骨材反応（ alkali aggregate reaction ）による劣化抑制を目的とした低アルカリ型の規定があるので，ポルトランドセメントの種類は合計 12種となる。
　普通ポルトランドセメント
　土木・建築構造物用として，最も汎用性の高い（使用セメントの 70％）セメントである。
　早強ポルトランドセメント
　ポルトランドセメントの一種で，エーライトの含有率を高め，水と接触する面積を増やすため微粉砕し，短期間で高い強度（普通ポルトランドセメント 3日分を 1日で発揮）を発現するようにしたセメントで，緊急工事，寒冷期の工事，コンクリート製品に用いられる。
　超早強ポルトランドセメント
　早強ポルトランドセメントより短期間（普通ポルトランドセメント 7日分を 1日で発揮）で強度を発揮するセメントで，緊急補修用途で使用されることがある。
　中庸熱ポルトランドセメント
　反応熱（水和熱）を抑えるため，エーライト，及びアルミネート層の含有量を少なくしたセメントで，結果としてビーライトの多い組成になる。
　発熱が少なく，強度発現は遅れるが，長期強度に優れ，乾燥収縮が小さく，硫酸塩に対する抵抗性が大きいなどの特徴があり，ダム，大規模橋脚工事などに用いられる。
　低熱ポルトランドセメント
　ビーライト含有率 40％以上で，中庸熱ポルトランドセメントより水和熱が低いセメントである。材齢初期の強さは低いが，長期で強さを発揮し，高流動性のセメントである。
　耐硫酸塩ポルトランドセメント
　硫酸塩に対する抵抗性が弱いアルミネート層の含有量を極力少なくしたセメントで，護岸，温泉地付近，化学工場など硫酸塩の影響の大きい環境での工事に用いられる。
　低アルカリ形ポルトランドセメント
　使用する骨材がアルカリシリカ反応性について「無害」であると判定できない場合に，セメント成分中の全アルカリ量を 0.6％以下に抑えたセメントで，アルカリ骨材反応が起きる可能性がある場合に使用される。

　混合セメント
　建築・土木工事に用いる混合セメントで，JIS規格には，JIS R 5211「高炉セメント」，JIS R 5212「シリカセメント」，JIS R 5213「フライアッシュセメント」がある。それらは，混合比率により A種，B種，C種に区分される。
　高炉セメントとは，高炉スラグ（金属精錬時に分離された鉱物成分）を混合したセメントで，セメントの水和反応で生じた水酸化カルシウム（ Ca(OH)₂ ）の刺激で徐々に水和反応を起こす性質（潜在水硬性といわれる）を持つ。耐海水性，化学抵抗性に優れ，ダム，港湾などの大型土木工事に用いられる。
　シリカセメントとは，天然のシリカ（ SiO₂ ）を 60 ％以上混合したセメントで，初期強度の発揮に時間はかかるが，ポゾラン反応が起きやすく耐薬品性に優れ，主にコンクリート製品に用いられる。
　フライアッシュセメントとは，火力発電所で石炭の燃焼時に発生する灰（フライアッシュ）を混合したセメントで，主成分の二酸化けい素（ SiO₂ ）が，水酸化カルシウムと反応し水和物（けい酸カルシウム水和物）を生成（ポゾラン反応という）し，緻密で耐久性に優れたコンクリートが得られる。ダム，港湾などの大型土木工事，水密性を要求する構造物に用いられる。

　エコセメント（ JIS R 5214「エコセメント」）
　都市ごみ焼却灰，下水汚泥を主原料とするセメントで，通常のセメントに近いものが開発されている。鉄筋を使わないコンクリート分野での利用例がある。

　その他
　他に特殊セメントと呼ばれる膨張性のセメント（セメントに膨張材を加えたもの），低発熱セメント（高炉スラグ，フライアッシュなどを混合したセメント），白色ポルトランドセメント（顔料等を加えて任意に着色できるように，酸化第二鉄（ Fe₂O₃ ）の含有量を低減したセメント），セメント系固化材（ジオセメントなどとも言われ，土壌の改質を目的に用いられるセメント），超微粒子セメント，高ビーライト系セメント，超速硬セメント，アルミナセメント超微粒子セメント，高ビーライト系セメント，超速硬セメント，アルミナセメントなどがある。

　セメントは，製造方法で紹介したように，約 1500℃と高温度で焼成されており，常温では不安定な結晶構造を持つ。水との接触で，成分の溶解と，難溶性の水和生成物（セメント水和物という）の析出で硬化する性質を持つ。
　析出する水和生成物は，微細で表面積が著しく大きく，水和物間の水素結合やファンデルワールス力などにより，大きい凝集力と骨材との接着力を発現すると考えられている。

　一般的には，各クリンカー鉱物の水和反応は，発熱反応（自発的に起きる）で，その速度は，アルミネート層 C3A（アルミン酸三カルシウム；3CaO・Al₂O₃） ＞ エーライト C3S（けい酸三カルシウム；3CaO・SiO₂） ＞ フェライト層 C4AF（鉄アルミン酸四カルシウム；4CaO・Al₂O₃ ･ Fe₂O₃） ＞ ビーライト C2S（けい酸二カルシウム；2CaO・SiO₂）といわれている。

　C3S ，C2Sの反応
　水との反応で，ゲル状のけい酸カルシウム水和物（ nCaO・SiO₂・mH₂O ，n＝1.2～2.0 ，m＝4.0 ，記号 CSH ）と積層構造の六角板状水酸化カルシウム（ Ca(OH)₂ ，記号 CH ）を生成する。
　CSH の形態は，水和反応初期に現れる網状のType Ⅱ，水和反応数時間後に現れる繊維状のType Ⅰ，水和反応後数日して現れる等寸法状のType Ⅲ及び密実なType IV に分類されるが，出現する形態や量は，コンクリートの水・セメント比，養生温度，経過時間などの条件で変化する。

　C3A ，C4AFの反応
　石膏（硫酸カルシウム）が存在すると，水和生成物として CH の他に針状のエトリンガイド AFt （ 3CaO・Al₂O₃・3CaSO₄・32H₂O ）を生成する。
　石膏の消費で未水和の C3A や C4AF と AFt が再反応し，六角板状のモノサルフェート水和物 AFm （ 3CaO・Al₂O₃・CaSO₄・12H₂O ）が生成する。
　次いで，エトリンガイドの消費で，未水和の C3A や C4AF は，すでに生成していた CH と反応し，アルミン酸カルシウム水和物（ 4CaO・Al₂O₃・13H₂O ）を生成する。これらの水和物の組成や形態も，コンクリートの水・セメント比，固化までの環境条件などで変化する。

　結果として，セメントと水の混合により，下図に模式的に示すように，種類，大きさおよび形態の異なる水和生成物が互いに絡み合い，様々な径および形状の空隙を有する複雑な硬化体を形成する。

　【参考】
　水セメント比（ water-cement ratio ）
　フレッシュコンクリート又はフレッシュモルタルに含まれるセメントペースト中の水とセメントとの質量比（ JIS A 0203 「コンクリート用語」）。