セメント

最も一般的なセメントは水硬性セメントで、クリンカー鉱物の水和（水を加えること）によって硬化します。水硬性セメント（ポルトランドセメントなど）はケイ酸塩と酸化物の混合物でできており、クリンカーの主要な4つの鉱物相は、セメント化学の表記法では次のように略記されます。

C ₃ S:アライト(3CaO·SiO ₂ );

C ₂ S:ベライト(2CaO·SiO ₂ );

C ₃ A:三カルシウムアルミネート(3CaO·Al ₂ O ₃ ) (歴史的には、そして現在でも時折セライトと呼ばれる)

Ｃ_４ＡＦ：カルシウムアルミノフェライト（４ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・Ｆｅ_２Ｏ_３）。

ケイ酸塩はセメントの機械的特性に関与しており、三カルシウムアルミネートとブラウンミラライトは、窯内での高温でのクリンカーの焼結（焼成）プロセス中に液相を形成するために不可欠です。これらの反応の化学は完全には解明されておらず、現在も研究対象となっています。^{[ 8 ]}

まず、石灰石（炭酸カルシウム）を焼いて炭素を除去し、焼成反応と呼ばれる反応で石灰（酸化カルシウム）を生成します。この単一の化学反応は、地球規模の二酸化炭素排出量の主要な発生源です。^{[ 9 ]}

CaCO₃ → CaO _{+ CO₂}

石灰は二酸化ケイ素と反応して、ケイ酸二カルシウムとケイ酸三カルシウムを生成する。

2CaO + _{SiO₂ →} 2CaO_・SiO₂

3CaO + _{SiO₂ →} 3CaO_・SiO₂

石灰は酸化アルミニウムとも反応して、アルミン酸三カルシウムを生成する。

3CaO _{+ Al₂O₃} → 3CaO_・Al₂O₃​​_​

最終段階では、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、および酸化鉄が反応して、アルミノフェライトカルシウムが生成される。

4CaO + Al ₂ O ₃ + Fe ₂ O ₃ → 4CaO _。 Al2O3・_Fe2O3​​_​​_​

あまり一般的ではないセメントの形態としては、消石灰（酸化カルシウムと水を混合したもの）のような非水硬性セメントがあり、これは空気中に存在する二酸化炭素（約412体積ppm≃0.04体積%）と接触することで炭酸化して硬化します。まず、炭酸カルシウム（石灰石またはチョーク）を大気圧下で825 ℃（1,517 °F）以上の温度で約10時間焼成することにより、酸化カルシウム（石灰）が生成されます。    

CaCO₃ → CaO _{+ CO₂}

酸化カルシウムは、水と混ぜて消石灰（水酸化カルシウム）を作ることで、消石灰化（消石灰化）される。

CaO + H₂O _→ Ca(OH) _₂

余分な水分が完全に蒸発すると（この過程は専門的には「沈殿」と呼ばれる）、炭酸化が始まる。

Ca(OH) ₂ + CO ₂ → CaCO ₃ + H ₂ O

この反応は、空気中の二酸化炭素分圧 が低い（約0.4 ミリバール）ため、ゆっくりと進行します。炭酸化反応には乾燥したセメントを空気にさらす必要があるため、消石灰は非水硬性セメントであり、水中では使用できません。このプロセスは石灰サイクルと呼ばれます。

化学的に言えば、セメントは石灰を主成分とする結合剤ですが、セメントとして最初に使われた材料ではありません。バビロニア人やアッシリア人は、焼いたレンガやアラバスターの板を結合するために瀝青（アスファルトまたはピッチ）を使用しました。古代エジプトでは、石のブロックは砂と粗く焼いた石膏（CaSO ₄ · 2H ₂ O）で作られたモルタルで結合されました。これは、しばしば炭酸カルシウム（CaCO ₃）を含む石膏です。 ^{[ 11 ]}

石灰（酸化カルシウム）はクレタ島と古代ギリシャで使用されていました。クレタ島のミノア人が砕いた陶片を水硬性セメントの人工ポゾランとして使用していたという証拠があります。^{[ 11 ]}水和した非水硬性石灰とポゾランの組み合わせが水硬性混合物を生成することを最初に発見した人は誰も知りませんが（ポゾラン反応も参照）、そのようなコンクリートはギリシャ人、特に古代マケドニア人によって使用され、^{[ 12 ] [ 13 ]} 3世紀後にはローマの技術者によって大規模に使用されました。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

自然の力で驚くべき効果を発揮する粉末状の物質がある。それはバイアエ近郊や、ベスビオ山周辺の町々が属する地域で産出される。この物質を石灰や砕石と混ぜ合わせると、他の種類の建物の強度を高めるだけでなく、海に杭を打った場合でも、水中でもしっかりと固まる。

ギリシャ人はテラ島の火山凝灰岩をポゾランとして使用し、ローマ人は石灰とともに砕いた火山灰（活性化アルミニウムケイ酸塩）を使用しました。この混合物は水中で固まり、錆などの腐食に対する耐性を高めます。 ^{[ 17 ]}この材料は、火山灰が採掘されたナポリの西にあるポッツォーリの町にちなんでポゾランと呼ばれました。 ^{[ 18 ]}ポゾラン灰がない場合、ローマ人は代替品として粉末状のレンガや陶器を使用し、ローマ近郊で天然の供給源を発見する前は、この目的で砕いたタイルを使用していた可能性があります。^{[ 11 ]}ローマのパンテオンの巨大なドームや巨大なカラカラ浴場は、これらのコンクリートで作られた古代の建造物の例であり、その多くは今も残っています。^{[ 19 ] [ 2 ]}広大なローマ水道システムも水硬性セメントを広く使用しました。^{[ 20 ]}ローマ時代のコンクリートは、建物の外側にはほとんど使用されなかった。通常の工法は、レンガの化粧材を型枠として使用し、砕石、レンガ、陶器の破片、再生コンクリートの塊、またはその他の建築廃材の骨材を混ぜたモルタルを充填することであった。 ^{[ 21 ]}

軽量コンクリートは、メキシコのメキシコシティ近郊のエル・タヒンに住んでいた高度な文明を持つコロンブス以前の建築家によって、構造要素の建設のために設計され、使用されました。骨材と結合材の組成の詳細な研究によると、骨材は軽石で、結合材は火山灰と石灰で作られたポゾランセメントでした。^{[ 22 ]}

中世の文献にこの知識が保存されているかどうかは不明だが、中世の石工や一部の軍事技術者は、運河、要塞、港、造船施設などの構造物で水硬性セメントを積極的に使用していた。^{[ 23 ] [ 24 ]}石灰モルタルと骨材をレンガや石の化粧材と混ぜたものは、東ローマ帝国だけでなく、西ローマ帝国でもゴシック時代まで使用されていた。ドイツのラインラントでは、トラスと呼ばれる地元のポゾラン鉱床があり、中世を通じて水硬性モルタルが使用され続けた。^{[ 21 ]}

タビーは、牡蠣殻石灰、砂、牡蠣殻をそのまま混ぜてコンクリートを作る建築材料です。スペイン人は16世紀にアメリカ大陸とフィリピンにタビーを導入しました。^{[ 25 ]}

水硬性セメントの製造に関する技術的知識は、18世紀にフランスとイギリスの技術者によって体系化された。^{[ 23 ]}

ジョン・スミートンは、現在スミートンズ・タワーとして知られるイギリス海峡のエディストーン灯台（1755～59年）の建設を計画していた際に、セメントの開発に重要な貢献をした。彼は、連続する満潮の間の12時間の間に硬化してある程度の強度を発揮する水硬性モルタルを必要としていた。彼は、トラスやポゾランなどの添加剤とさまざまな石灰石の組み合わせで実験を行い^{[ 11 ]}、入手可能な水硬性石灰について徹底的な市場調査を行い、生産現場を訪れ、石灰の「水硬性」は、それを作るのに使用される石灰石の粘土含有量に直接関係していることに気づいた。スミートンは土木技師であり、このアイデアをそれ以上発展させることはなかった。

アメリカ合衆国の南大西洋沿岸では、 1730年代から1860年代にかけて、先住民が築いた牡蠣殻の貝塚を利用したタビーが家屋の建設に用いられた。 ^{[ 25 ]}

特にイギリスでは、急速な成長期に良質の建築用石材がますます高価になり、新しい工業用レンガで高級な建物を建て、石を模したスタッコで仕上げるのが一般的になった。このために水硬性石灰が好まれたが、速乾性の必要性から新しいセメントの開発が促された。最も有名なのはパーカーの「ローマセメント」である。^{[ 26 ]}これは1780年代にジェームズ・パーカーによって開発され、最終的に1796年に特許が取得された。実際にはローマ人が使用した材料とは全く似ておらず、特定の粘土鉱床で見つかる粘土鉱物と炭酸カルシウムの両方を含むセプタリア（塊）を焼いて作られた「天然セメント」であった。焼いた塊は細かく粉砕された。この製品を砂と混ぜてモルタルにすると、5～15分で固まった。「ローマセメント」の成功により、他のメーカーは粘土とチョークの人工水硬性石灰セメントを焼いて競合製品を開発するようになった。ローマセメントはすぐに人気を博したが、1850年代にはポートランドセメントにほぼ取って代わられた。 ^{[ 11 ]}

スミートンの研究を知らなかったと思われるが、同じ原理は19世紀初頭の10年間にフランス人のルイ・ヴィカによって発見された。ヴィカはその後、チョークと粘土を密接に混ぜ合わせる方法を考案し、これを焼成して1817年に「人工セメント」を製造した^{[ 27 ]。}これはポートランドセメントの「主要な先駆者」^{[ 11 ]}と考えられており、「…サザークのエドガー・ドブスは1811年にこの種のセメントの特許を取得した」^{[ 11 ]。}

ロシアでは、エゴール・チェリエフが石灰と粘土を混ぜて新しい結合材を開発した。彼の研究成果は、1822年にサンクトペテルブルクで出版された著書『良質なモルタルを作る技術に関する論文』に掲載された。数年後の1825年には、セメントやコンクリートのさまざまな製造方法、建物や堤防の建設におけるセメントの利点について記述した別の本を出版した。^{[ 28 ] [ 29 ]}

世界中でコンクリート、モルタル、スタッコ、非特殊グラウトの基本成分として一般的に使用されている最も一般的なタイプのセメントであるポートランドセメントは、19 世紀半ばにイギリスで開発され、通常は石灰岩から作られています。ジェームズ・フロストは、ほぼ同時期に同様の方法で「英国セメント」と呼ばれるものを製造しましたが、1822 年まで特許を取得しませんでした。^{[ 31 ]} 1824 年、ジョセフ・アスプディンは、同様の材料の特許を取得しました。彼はそれをポートランドセメントと呼びましたが、それは、その材料で作られた左官材の色が、イギリスのドー​​セット州ポートランド島で採掘される名高いポートランド石に似ていたためです。しかし、アスプディンのセメントは現代のポートランドセメントとは全く異なり、その開発の第一歩であり、プロトポートランドセメントと呼ばれていました。^{[ 11 ]}ジョセフ・アスプディンの息子ウィリアム・アスプディンは父の会社を離れ、セメント製造中に1840年代に偶然にもケイ酸カルシウムを製造したようで、これはポートランドセメント開発の中間段階にあたる。ウィリアム・アスプディンのこの革新は、「人工セメント」の製造業者にとっては直感に反するものであった。なぜなら、混合物に石灰をより多く必要とし（これは彼の父にとって問題であった）、窯の温度をはるかに高くする必要があり（したがって燃料も多く必要）、結果として得られるクリンカーは非常に硬く、当時唯一利用可能であった粉砕技術であるミルストーンを急速に摩耗させたからである。そのため製造コストはかなり高くなったが、製品は適度にゆっくりと固まり、強度を急速に発現したため、コンクリートへの使用市場が開かれた。1850年以降、建設におけるコンクリートの使用は急速に増加し、すぐにセメントの主要な用途となった。こうしてポートランドセメントは主要な役割を担うようになった。アイザック・チャールズ・ジョンソンは、メソポートランドセメント（開発の中間段階）の製造をさらに改良し、自分がポートランドセメントの真の父であると主張した。^{[ 32 ]}

凝結時間と「初期強度」はセメントの重要な特性です。水硬性石灰、「天然」セメント、「人工」セメントはすべて、強度発現のためにベライト（2 CaO · SiO ₂、略称 C ₂ S）の含有量に依存しています。ベライトは強度をゆっくりと発現します。これらは1,250 °C (2,280 °F)未満の温度で焼成されたため、現代のセメントの初期強度を担うアライト（3 CaO · SiO ₂、略称 C ₃ S）を含んでいませんでした。アライトを一貫して含む最初のセメントは、1840 年代初頭にウィリアム・アスプディンによって作られました。これが今日私たちが「現代」ポルトランドセメントと呼んでいるものです。ウィリアム・アスプディンが自身の製品を謎めいた雰囲気で包み込んでいたため、他の人々（例えば、ヴィカットやジョンソン）がこの発明の先例を主張したが、彼のコンクリートと生セメントの両方の最近の分析^{[ 33 ]}により、ケント州ノースフリートセメント工場で製造されたウィリアム・アスプディンの製品は真のアライトベースのセメントであることが示された。しかし、アスプディンの方法は「経験則」であった。ヴィカットはこれらのセメントの化学的基礎を確立し、ジョンソンは混合物を窯で焼結することの重要性を確立した。  

米国でセメントが大規模に使用された最初の例は、ニューヨーク州ローゼンデール近郊で19世紀初頭に発見されたドロマイトの巨大な鉱床から採掘された天然セメントであるローゼンデールセメントでした。ローゼンデールセメントは、建物の基礎（自由の女神像、国会議事堂、ブルックリン橋など）や水道管の内張りに非常に人気がありました。^{[ 34 ]}ソレルセメント、またはマグネシアベースのセメントは、1867年にフランス人のスタニスラス・ソレルによって特許を取得しました。^{[ 35 ]}ポルトランドセメントよりも強度がありましたが、耐水性（浸出）と腐食性（浸出可能な塩化物アニオンの存在と細孔水の低いpH（8.5～9.5）による孔食）が劣っていたため、建築用鉄筋コンクリートとしての使用は制限されました。^{[ 36 ]}

ポルトランドセメント製造における次の発展は、ロータリーキルンの導入でした。ロータリーキルンは、より高い温度（1450℃）でより多くのアリット（C3S _）が生成されるため、より強度が高く、より均質なクリンカー混合物を製造しました。原料はロータリーキルンに絶えず供給されるため、低容量のバッチ生産プロセスに代わって連続製造プロセスが可能になりました。^{[ 11 ]} 

カルシウムアルミネートセメントは、硫酸塩に対する耐性を向上させるため、1908年にフランスでジュール・ビエによって特許が取得されました。^{[ 37 ]}また、1908年には、トーマス・エジソンがニュージャージー州ユニオンの住宅でプレキャストコンクリートの実験を行いました。^{[ 38 ]}

アメリカでは第一次世界大戦後、ローゼンデールセメントは硬化に少なくとも1ヶ月かかるため、高速道路や橋梁の建設には不向きとなり、多くの州や建設会社がポートランドセメントに切り替えた。ポートランドセメントへの切り替えにより、1920年代末までに15社あったローゼンデールセメント会社のうち、生き残ったのはわずか1社だけとなった。しかし1930年代初頭、建設業者はポートランドセメントは硬化が速いものの、特に高速道路においては耐久性が劣ることを発見し、一部の州ではセメントを使った高速道路や道路の建設を中止するに至った。ニューヨーク市のキャッツキル水道の建設に携わった会社のエンジニア、バートレイン・H・ウェイトは、ローゼンデールセメントの耐久性に感銘を受け、ローゼンデールセメントとポートランドセメントの長所を兼ね備えた混合セメントを開発した。このセメントは高い耐久性を持ち、硬化時間もはるかに速かった。ウェイトはニューヨーク州高速道路局長を説得し、ニューヨーク州ニューパルツ近郊に、ロゼンデールセメント1袋に対しポートランドセメント6袋の割合で実験的な高速道路区間を建設させた。これは成功し、数十年にわたり、ロゼンデールセメントとポートランドセメントの混合物はコンクリート高速道路やコンクリート橋の建設に使用された。^{[ 34 ]}

セメント系材料は、半世紀以上にわたり核廃棄物の固定化マトリックスとして使用されてきました。^{[ 39 ]}廃棄物セメント化技術は、多くの国で工業規模で開発・導入されています。セメント系廃棄物形態は、長期保管および処分に関する厳格な廃棄物受入基準を満たすために、廃棄物の種類ごとに適応した慎重な選択と設計プロセスを必要とします。^{[ 40 ]}

ポルトランドセメントは水硬性セメントの一種で、世界中で最も一般的に使用されているセメントです。ポルトランドセメントの最も一般的な用途はコンクリートの製造です。ポルトランドセメントの色は灰色または白色です。

ポルトランドセメント混合物は、セメントメーカーから粉砕済みの混合物として入手できることが多いが、同様の配合は、コンクリート混合工場で粉砕された成分から混合されることもよくある。

ポルトランド高炉スラグセメント、または高炉セメント（ASTM C595およびEN 197-1の表記法）は、最大95%の粉砕粒状高炉スラグを含み、残りはポルトランドクリンカーと少量の石膏で構成されています。すべての組成において高い最終強度が得られますが、スラグ含有量が増加するにつれて初期強度は低下し、硫酸塩耐性は向上し、発熱量は減少します。ポルトランド硫酸塩耐性セメントおよび低発熱セメントの経済的な代替品として使用されます。

ポルトランドフライアッシュセメントは、ASTM規格（ASTM C595）では最大40% 、EN規格（EN 197-1）では最大35%のフライアッシュを含みます。フライアッシュはポゾラン性であるため、最終強度が維持されます。フライアッシュを添加することでコンクリートの水分量を減らすことができるため、初期強度も維持できます。良質で安価なフライアッシュが入手できる場合は、通常のポルトランドセメントの経済的な代替品となります。^{[ 44 ]}

ポルトランドポゾランセメントには、フライアッシュがポゾランの一種であるため、フライアッシュセメントが含まれますが、その他の天然または人工ポゾランから作られたセメントも含まれます。火山灰が入手可能な国（イタリア、チリ、メキシコ、フィリピンなど）では、これらのセメントが最も一般的な形態としてよく使用されています。最大置換率は、一般的にポルトランド・フライアッシュセメントの場合と同様に定義されています。

ポルトランドシリカフュームセメント。シリカフュームを添加すると非常に高い強度が得られ、シリカフュームを5～20％含むセメントが製造されることもあるが、EN 197-1では10％が最大許容添加量となっている。しかし、シリカフュームは通常、コンクリートミキサーでポルトランドセメントに添加される。^{[ 45 ]}

石積み用セメントは、レンガ積みモルタルやスタッコの調製に使用され、コンクリートには使用してはなりません。通常、これらはポートランドクリンカーと、石灰石、消石灰、空気連行剤、遅延剤、防水剤、着色剤などを含む多数の成分からなる複雑な独自配合です。迅速かつ均一な石積み作業を可能にする作業性の高いモルタルが得られるように配合されています。北米では、石積み用セメントの微妙なバリエーションとして、プラスチックセメントとスタッコセメントがあります。これらは、石積みブロックとの接着を制御するように設計されています。

膨張性セメントは、ポルトランドクリンカーに加えて膨張性クリンカー（通常はスルホアルミン酸クリンカー）を含み、水硬性セメントで通常発生する乾燥収縮の影響を相殺するように設計されています。このセメントを使用すると、 収縮目地のない床版（最大60平方メートル）用のコンクリートを製造できます。

白色混合セメントは、白色クリンカー（鉄分をほとんど含まない、または全く含まないもの）と、高純度メタカオリンなどの白色補助材料を用いて製造される。着色セメントは装飾目的で使用される。一部の規格では、着色ポルトランドセメントの製造に顔料の添加が認められている。一方、他の規格（例：ASTM）では、ポルトランドセメントへの顔料の添加は認められておらず、着色セメントは混合水硬性セメントとして販売されている。

超微粉砕セメントは、セメントに砂、スラグ、またはその他のポゾランタイプの鉱物を極めて微粉砕して混合したものです。このようなセメントは、通常のセメントと同じ物理的特性を持ちながら、セメントの使用量を減らすことができます。これは特に、化学反応のための表面積が増えるためです。集中的に粉砕しても、通常のポルトランドセメントよりも製造に必要なエネルギー（したがって二酸化炭素排出量）を最大50%削減できます。^{[ 46 ]}

ポゾラン石灰セメントは、粉砕したポゾランと石灰を混合したものです。これはローマ人が使用したセメントであり、ローマのパンテオンなど、現存するローマ時代の建造物にも使用されています。強度発現はゆっくりですが、最終的な強度は非常に高くなります。強度を生み出す水和生成物は、基本的にポルトランドセメントのものと同じです。

スラグ石灰セメント（高炉スラグを粉砕した粒状セメント）は、それ自体では水硬性を持たないが、アルカリ（最も経済的な使用法は石灰）を添加することで「活性化」される。その性質はポゾラン石灰セメントに類似している。セメント成分として有効なのは、粒状スラグ（すなわち、水冷されたガラス質スラグ）のみである。

超硫酸塩セメントは、約80%の高炉スラグ微粉末、15%の石膏または無水石膏、そして活性剤として少量のポルトランドクリンカーまたは石灰から構成されます。エトリンガイトの生成によって強度を発現し、その強度成長は緩徐なポルトランドセメントに類似しています。硫酸塩を含む腐食性物質に対する耐性も優れています。

カルシウムアルミネートセメントは_、主に石灰石とボーキサイトから作られる水硬性セメントです。有効成分は、一カルシウムアルミネートCaAl₂O₄ （_CaO・Al₂O₃ _{、セメント}化学表記ではCA 、CCN）とメイエナイトCa₁₂Al₁₄O₃₃ （12CaO・7Al₂O₃ _、 CCNでは_{C₁₂A₇ ）}です。強度は、水和してカルシウムアルミネート水和物を_形成することによって得られます。耐火コンクリート（高温耐性コンクリート）への使用に適しており、例えば炉の内張りなどに用い_られます。

カルシウムスルホアルミネートセメントは、主成分としてイェーリマイト（セメント化学表記ではCa₄(AlO₂)₆SO₄またはC₄A₃S）を含むクリンカーから製造されます_。膨張性セメント、_超高_強度早期_セメント、および「_{低エネルギー」セメントに使用されます。水和によりエトリンガイトが生成され、カルシウムイオン}と硫酸イオンの利用可能性を調整することで、膨張性や急速反応性などの特殊な物理的特性が得られます。ポルトランドセメントの低エネルギー代替品としての使用は中国で先駆的に行われ、年間数百万トンが生産されています。^{[ 47 ] [ 48 ]}反応に必要な窯の温度が低く、混合物中の石灰石（吸熱脱炭酸が必要）の量が少ないため、エネルギー要件が低くなります。さらに、石灰石含有量の減少と燃料消費量の減少により、CO₂排出量も削減されます。₂排出量は、ポートランドクリンカーに関連する排出量の約半分である。ただし、SO₂排出量は通常、かなり高くなる。

ポルトランドセメント以前の時代の特定のセメントに相当する「天然」セメントは、粘土質石灰岩を中程度の温度で焼成することによって製造されます。石灰岩中の粘土成分の含有量（約30～35％）は、遊離石灰が過剰に生成されることなく、ベライト（ポルトランドセメントに含まれる、初期強度が低く後期強度が高い鉱物）が大量に生成される程度です。他の天然素材と同様に、このようなセメントの特性は非常に多様です。

ジオポリマーセメントは、水溶性のアルカリ金属ケイ酸塩と、フライアッシュやメタカオリンなどのアルミノケイ酸塩鉱物粉末の混合物から作られる。

ポリマーセメントは、重合する有機化学物質から作られます。製造業者はしばしば熱硬化性材料を使用します。これらは一般的にかなり高価ですが、十分な引張強度を備えた防水性材料を提供できます。

ソレルセメントは、酸化マグネシウムと塩化マグネシウム溶液を混合して作られる、硬くて耐久性のあるセメントです。

電気セメントは、製鋼工程の一部として電気アーク炉で解体廃棄物からセメントをリサイクルして製造することが提案されている。リサイクルされたセメントは、製鋼に使用される石灰の一部または全部を置き換えるために使用され、ポルトランドセメントと鉱物学的に類似したスラグ状の材料となり、関連する炭素排出量の大部分が削減される。^{[ 49 ]}

中国は世界最大のセメント生産国であり、消費国でもある。

2006年には、中国で12億3500万トンのセメントが生産されたと推定されており、これは世界のセメント生産量全体の44%に相当します。^{[ 59 ]}「建設支出の伸びは鈍化しているものの健全な成長に牽引され、中国におけるセメント需要は年間5.4%増加し、2008年には10億トンを超える見込みです。中国で消費されるセメントは世界の需要の44%を占め、中国は依然として世界最大のセメント消費国であり続けるでしょう。」^{[ 60 ]}

2010年には、世界中で33億トンのセメントが消費された。そのうち、中国が18億トンを占めた。^{[ 61 ]}

セメント中の炭素濃度は、セメント構造物では約5%、セメント道路では約8%に及ぶ。^{[ 62 ]}セメント製造では、炭酸カルシウムを加熱して石灰と二酸化炭素を生成する際に直接的に、また製造過程でCO2が排出される場合はエネルギーの使用を通じて間接的に、大気中に_CO2が放出される。^{[ 63 ] [ 64 ]}_2．セメント産業は、世界の人為的な二酸化炭素排出量₂排出量のうち、60%は化学プロセスによるもので、40%は燃料の燃焼によるものである。 ^{[ 65 ]} 2018年のチャタムハウスのCO2の8%を占めると推定されている。₂排出量。 ^{[ 5 ]}

約900kg のCO_{ポルトランドセメント1000kgの生産につき、 2gのCO2}が排出されます 。欧州連合では、セメントクリンカーの生産に必要なエネルギー消費量は1970年代以降約30%削減されています。この一次エネルギー需要の削減は、年間約1100万トンの石炭に相当し、CO2₂排出量。これは人為的なCO 排出量の約 5% を占める。_2. ^{[ 66 ]}​

ポルトランドセメントの製造における二酸化炭素排出量の大部分（約60％）は、ポルトランドセメントクリンカーの成分である石灰石の化学分解による石灰の生成に由来します。これらの排出量は、セメントのクリンカー含有量を減らすことで削減できます。また、セメントを砂やスラグ、その他のポゾラン系鉱物と混合して非常に細かい粉末にするなど、代替の製造方法によっても削減できます。^{[ 67 ]}

重い原材料の輸送を減らし、関連コストを最小限に抑えるためには、セメント工場を消費地よりも石灰石採石場の近くに建設する方が経済的である。^{[ 68 ]}

2025年現在二酸化炭素回収・貯留は、セメント生産の脱炭素化の方法として注目されています。フランスのエア・リキード社は、ポーランドのクヤヴィにおける2つのCCSプロジェクトと、フランスのランブルでヨーロッパ初のカーボンニュートラルセメントを生産することを目的としたK6プログラムに対し、EUの資金援助を受けました。これらのプロジェクトは2028年までに稼働を開始し、10年間で18.1 MtCO2の排出量を回収する予定です。^{[ 69 ]}

ポルトランドセメントの水和生成物であるコンクリートやモルタルは、窯での焼成中に放出された大気中のCO₂ガスをゆっくりと再吸収します。この自然プロセスは、焼成とは逆のプロセスであり、炭酸化と呼ばれます。_[ ^{70 ]炭酸}化はコンクリート内部へのCO₂拡散に依存するため、その速度は環境条件や大気にさらされる表面積など、多くのパラメータに左右されます。_[ 71 ^{] [ 72 ]炭酸化}は、コンクリートの寿命の後半段階、つまり解体や破砕後の段階で特に顕著になります。大気中のCO₂の約30%が炭酸化されると推定されています。_{セメント製造によって発生する二酸化炭素2は}、セメント製品のライフサイクル中に再吸収される。 ^{[ 72 ]}

炭酸化プロセスはコンクリートの劣化メカニズムと考えられています。コンクリートのpHを低下させ、鉄筋の腐食を促進します。^{[ 70 ]}_{しかし、Ca(OH) 2の}炭酸化生成物である_CaCO3はより大きな体積を占めるため、コンクリートの多孔性が低下します。これにより、コンクリートの強度と硬度が増加します。^{[ 73 ]}

水硬性セメントの二酸化炭素排出量を削減するために、特定の用途で非水硬性セメントである石灰モルタルを採用するという提案がある。これは二酸化炭素の一部を再吸収する。_{硬化中は2で}あり、ポルトランドセメントよりも製造時のエネルギー要件が低い。 ^{[ 74 ]}

二酸化炭素の吸収量を増やすための他の試みとしては、マグネシウムをベースとしたセメント（ソレルセメント）などがある。^{[ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]}

状況によっては、主に原料の起源と組成に応じて、石灰石や粘土鉱物の高温焼成プロセスにより、タリウムなどの揮発性重金属を豊富に含むガスや粉塵^{が大気中に放出されることがあります。[78]}カドミウム^と水銀は最も毒性が高いです。重金属（Tl、Cd、Hgなど）やセレンは、ほとんどの原料に二次鉱物として存在する一般的な金属硫化物（黄鉄鉱（FeS2 _）、閃亜鉛鉱（ZnS）、方鉛鉱（PbS）など）の微量元素としてよく見られます。多くの国では、これらの排出を制限するための環境規制が存在します。2011年現在、米国ではセメントキルンは「有害廃棄物焼却炉よりも多くの毒素を大気中に排出することが法的に認められている」のです。^{[ 79 ]}

クリンカー中の重金属の存在は、天然原料とリサイクル副産物または代替燃料の使用の両方に起因します。セメント間隙水の高いpH（12.5 < pH < 13.5）は、溶解度を低下させ、セメント鉱物相への吸着を増加させることで、多くの重金属の移動を制限します。ニッケル、亜鉛、鉛は、セメント中に無視できない濃度で一般的に見られます。クロムは、原料からの天然不純物として直接発生する場合もあれば、クリンカーを粉砕する際にボールミルで使用される硬質クロム鋼合金の摩耗による二次汚染として発生する場合もあります。クロム酸塩（CrO ₄ ²⁻）は有毒であり、微量濃度でも重度の皮膚アレルギーを引き起こす可能性があるため、硫酸第一鉄（FeSO ₄ ）の添加によって三価のCr(III)に還元されることがあります。

セメント工場では、原料や製造工程によって異なるものの、クリンカー1トンあたり3～6ギガジュールの燃料を消費します。現在、ほとんどのセメントキルンは、主燃料として石炭と石油コークスを使用し、天然ガスや重油も少量使用しています。回収可能な発熱量を持つ特定の廃棄物や副産物は、厳格な仕様を満たせば、セメントキルンの燃料として使用でき（共処理と呼ばれる）、石炭などの従来の化石燃料の一部を置き換えることができます。カルシウム、シリカ、アルミナ、鉄などの有用な鉱物を含む特定の廃棄物や副産物は、粘土、頁岩、石灰石などの原料の代わりに、キルンの原料として使用できます。有用な鉱物含有量と回収可能な発熱量の両方を持つ材料もあるため、代替燃料と原料の区別は必ずしも明確ではありません。例えば、下水汚泥は低いながらも重要な発熱量を有し、燃焼するとクリンカーマトリックスに有用な鉱物を含む灰を生成する。^{[ 80 ]}廃自動車タイヤやトラックタイヤは発熱量が高く、タイヤに含まれる鉄分が原料として有用であるため、セメント製造に有用である。^{[ 81 ] : p. 27}

 クリンカーは、窯の主バーナー内で原料を1,450 ℃まで加熱することによって製造されます。炎は1,800  ℃に達します。原料は1,200  ℃で12～15秒間、1,800  ℃で12～15秒間、または場合によっては5～8秒間（滞留時間とも呼ばれます）保持されます。クリンカー窯のこれらの特性は多くの利点をもたらし、有機化合物の完全な分解、酸性ガス、硫黄酸化物、塩化水素の完全な中和を保証します。さらに、重金属の痕跡はクリンカー構造に埋め込まれ、灰や残留物などの副産物は生成されません。^{[ 82 ]}

EUのセメント業界は、グレークリンカー製造工程への熱エネルギー供給において、すでに40%以上を廃棄物やバイオマス由来の燃料で賄っています。こうしたいわゆる代替燃料（AF）の選択は一般的にコスト重視ですが、他の要因も重要性を増しています。代替燃料の使用は、社会と企業の両方にメリットをもたらします。CO2排出量の削減などです。₂ - 排出量は化石燃料よりも少なく、廃棄物は効率的かつ持続可能な方法で共同処理でき、特定のバージン材料の需要を減らすことができます。しかし、欧州連合（EU）加盟国間では、代替燃料の使用割合に大きな差があります。より多くの加盟国が代替燃料の割合を増やせば、社会的な利益は向上する可能性があります。Ecofysの研究^{[ 83 ]}は、14のEU加盟国における代替燃料のさらなる普及に対する障壁と機会を評価しました。Ecofysの研究では、セメント産業自体の技術的および経済的な実現可能性よりも、地域的要因が市場の可能性をはるかに大きく制限していることがわかりました。