Presentation Information
[R2-10]Carbonation Mechanisms of Cement Constituent Phases: An Investigation Using Synchrotron X-ray Diffraction and Raman Spectroscopy
*Shumpei Tatsunami1, Atushi Kyono2, Koudai Shibuya1 (1. University of Tsukuba, Degree Programs in Life and Earth Sciences, 2. University of Tsukuba, Faculty of Life and Environmental Sciences)
Keywords:
Calcium silicate
【はじめに】 近年の地球を取り巻くさまざまな環境問題の中で，地球温暖化は最も規模の大きな課題の一つである．2015年にパリ協定が採択されて以降，温室効果ガス排出削減や脱炭素化技術の開発が行われている．中でもセメント産業は，コンクリートの原料であるセメントを製造する過程で石灰岩を高温焼成し，脱炭酸塩反応により大量のCO2を発生する．そのため，セメント産業に由来するCO2排出量は世界のCO2排出量の約7～8％を占めるとされる．したがって，コンクリートおよびセメント系材料を利用して大気中のCO2を固定する技術の開発は，環境負荷低減に向けた重要な課題である．普通ポルトランドセメント(OPC)は，Alite（Ca3SiO5）50∼70%，Belite（Ca2SiO4）15～30％，Aluminate（Ca3Al2O6）5～10％，Ferrite（Ca2AlFeO5）5∼15％の割合で構成されている．Sun et al. (2025)は，Alite， Belite，Aluminate，Ferriteの4相について，炭酸塩化反応に伴う組織変化，空隙率，反応率およびCaCO3多形の違いを比較した．その結果，AliteおよびBeliteでは主にcalciteが生成し，vateriteは中間生成物として少量認められる一方，AluminateおよびFerriteではvateriteが主要なCaCO3相として生成することを報告した．しかしながら，vateriteからcalciteへの転移メカニズムについてや，各相における水和相を経由したCaCO3の形成メカニズムについては十分に明らかにされていない．そこで本研究では，放射光粉末X線回折（XRD）およびRaman分光を用いて，セメント主要4相の炭酸塩化反応に伴う時間変化を追跡し，反応経路の詳細を検討した．【実験方法】 本研究では，焼成したAlite，Belite，Aluminate，Ferriteを粉末化し，温度20℃，相対湿度100％，100％CO2雰囲気下で静置した．回収試料について，高エネルギー加速器研究機構（KEK）放射光実験施設（Photon Factory）BL-8Bにおいて，放射光粉末X線回折（XRD）測定を行い，さらに，Raman分光分析を実施した．【結果と考察】放射光粉末XRDの結果，Aliteは・・・・した．Beliteは・・・・した．Aluminateは・・・・した．Ferriteは・・・・した．Sun et al. (2025)は4相すべてでCaCO3が形成されていたが，本研究では・・・であった．さらに，Sun et al. (2025)は，AliteとBeliteを比較しAliteでは急速に炭酸塩反応が進行し生成物が緻密な表層を形成しCO2の内部拡散を妨げていたのに対し，Beliteでは炭酸塩化生成物の組織が比較的疎であるため，CO2が試料内部まで浸透し，試料全体が炭酸塩化したことを報告している．しかし，本研究ではAlite，Beliteともにvateriteの形成は観察されず，Ca(OH)2もBeliteのみで観察された．この結果から，本実験条件下におけるAliteおよびBeliteの水和・炭酸塩化反応は，以下の反応式で表すことができる．Alite2Ca3SiO5+6H2O→3CaO⋅2SiO2⋅3H2O+3Ca(OH)2 3Ca(OH)2+3CO2→3CaCO3+3H2O Belite2Ca2SiO4+4H2O+xCO2 →3CaO⋅2SiO2⋅3H2O+(1-x)Ca(OH)2+ xCaCO3+xH2O (0<x<1)本実験条件では，AliteではCa(OH)2の明瞭な回折ピークが確認されなかったのに対し，BeliteではCa(OH)2の生成とcalciteの生成が確認された．このことから，Beliteの水和・炭酸塩化反応は，Ca(OH)2を経由して進行したことが示唆される．一方，AliteではCa(OH)2を主要相として経由しない，あるいは生成したCa(OH)2が速やかに消費される反応経路をとった可能性が考えられる． ラマン分光分析の結果，Aliteでは1hから72hまでOH伸縮振動のピークが連続的に鋭くなる傾向を示したのに対し，Beliteでは12hまでOH伸縮振動のピークが確認され，その後消失した．BeliteにおけるOH伸縮振動ピークの消失は，生成したCa(OH)2がCO2と反応しcalcite が形成された結果である．一方，Aliteの場合は，炭酸塩化反応の過程でCa(OH)2とは異なる水和相が形成している可能性が示唆される． 放射光XRDの結果，AliteではAlite，Beliteのピーク強度が時間経過に伴って減少しcalciteのピークが卓越した．しかし，Ca(OH)2のピークは確認されなかった．一方で，Beliteでは時間経過に伴ってBeliteとCa(OH)2のピークが減少しcalciteが析出した．また，2相ともに24h程度で明らかな反応が停止した．