廃コンクリにCO2を固定する製造技術を東大院らが開発 半永久的にコンクリブロックを利用可：脱炭素

東京大学大学院 工学系研究科 教授の丸山一平氏らの研究チームは、空気中のCO2を廃コンクリートに固定するカルシウムカーボネートコンクリートブロックの製造技術を開発した。製造したコンクリブロックは、建築物の解体後の再利用や粉砕して再度固化できるため、半永久的に繰り返し使える。

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　東京大学大学院 工学系研究科 教授 丸山一平氏、特任研究員 Kien Ngoc Bui（キエン ゴック ブイ）氏、教授 野口貴文氏ら、東京理科大学 教授 兼松学氏、太平洋セメントの研究チームは2024年7月24日、建築物や土木構造物の解体時にでてくるコンクリートの廃棄物にCO2を固定した上で、ブロック状に固化する技術を開発したと発表した。

　CO2固定化の手法は、既存の手法に比べてより多くのCO2を固定するだけでなく、低エネルギーで固化するのが特長だ。さらに、ブロックの製造メカニズムは炭酸カルシウムを用いたコールドシンタリング（冷間焼結）により、製造したブロックをそのまま再利用もできる。また、解体後に粉砕した場合でも再利用できる点が、従来の他の建築材料とは大きく異なる。

空気中のCO2を廃コンクリートに固定し、その上で圧力をかけて固化

新手法で製造されたカルシウムカーボネートコンクリートブロックと従来のレンガブロック　出典：東京大学大学院 プレスリリース

　現在、世界では年間45億トン（2015年時点）のセメントが生産され、1トンのセメントを作るのに約800キロのCO2が排出されている。このうち50〜60％がカルシウムを得るための炭酸カルシウム分解によるもので、その他が輸送や焼成に関わる燃料とされている。人類の活動由来のCO2排出量のうち、5〜8％がセメント生産でカーボンニュートラルへの移行が必要不可欠とされている。

　セメント製造に伴うCO2排出量に対応するカーボンオフセット技術としては、これまでセメントの反応にCO2を用いるものや廃材中のカルシウムにCO2を結合させて、その上でコンクリート用材料の一部として用いる手法が検討されてきた。具体的には、セメントの一部分を置換する粉体として用いたり、骨材の一部をCO2を固定した造粒物に置き換えたりする手法だ。セメントの反応にCO2を用いる場合は、できあがった部材やブロックに対し外側から高濃度のCO2ガスを用いて反応を促進させる炭酸化養生があるが、材料の内部まで反応が進まずCO2の固定量を上げるには大きなハードルがあった。また、コンクリート用材料の一部をCO2を固定した材料に置き換えても、一般的なセメントを用いる際は、その使用に伴いCO2が排出されることになる。

　こうした世界的なコンクリートによる脱炭素の潮流の中、丸山氏らの研究チームは、NEDOムーンショット型研究開発事業「C4S（Calcium Carbonate Circulation System for Construction）研究開発プロジェクト」（プロジェクトマネジャー：東京大学 野口貴文氏）の材料開発担当として、空気中のCO2とコンクリートの廃材から建築材料となる固化体の製造開発を行ってきた。その過程で今回、建設廃材を粉砕し、空気中のCO2を固定した後、効率的に固化体とする加圧成形による製造方法を開発し、カルシウムカーボネートコンクリートブロックの製造に成功した。

　コンクリートに高い圧力をかけて固化体にする技術は以前から存在していたが、新技術では空気中のCO2を固定して炭酸カルシウムができた後に、固化体の強度がより高くなる。

一般的なセメントペーストと空気中のCO2と反応し、炭酸化した後のセメントペーストの粉末を用いて、今回提案した手法で成形した固化体の圧縮強度の比較　出典：東京大学大学院 プレスリリース

　固化体の形成メカニズムは、炭酸カルシウムが溶けやすい溶液とともに加圧される場合に発現することが分かった。また、走査型電子顕微鏡による分析から、加圧によって圧力が生じている結晶の一部が溶解することで、結晶同士が結合するコールドシンタリングだと明らかになった。

炭酸化したセメントペースト粒子の接合面で生じる炭酸カルシウム結晶の結合　出典：東京大学大学院 プレスリリース

炭酸化したコンクリート廃材粒子の接合面で生じる反応の模式図　出典：東京大学大学院 プレスリリース

　今回の手法では、材料となるコンクリートを粉砕して表面積を大きくし、効率的にCO2を固定して固化するため、従来の手法とは異なりブロックの内部に多くのCO2を固定できる。原材料に、廃コンクリートと排ガスや空気中のCO2を用いるため、原材料の製造に関わるCO2排出量も大幅に抑制される。

　人口減少が進む日本では、今後取り壊される建築物のコンクリートを再利用してCO2を固定し、新しい建築物の一部として再利用することも見込める。実現すれば、いままでセメント製造時に排出されていたCO2を、安定かつ永続的に固定する炭酸カルシウムに戻して利用可能になる。