石灰（材料）

石灰は、主に酸化カルシウムと水酸化物からなる無機物質です。また、石炭層の火災の産物として、また火山噴出物中の変質した石灰岩捕獲岩中に発生する酸化カルシウムの名称でもあります。 ^[1]国際鉱物学協会は、石灰を化学式CaOの鉱物として認識しています。^[2]石灰という言葉は、建築用モルタルとして最も古くから使われており、くっつく、付着するという意味があります。^[3]

これらの材料は、建築資材や土木資材（石灰岩製品、セメント、コンクリート、モルタルを含む）、化学原料、砂糖精製、その他の用途として現在でも大量に使用されています。石灰産業とそこから得られる製品の多くは、旧世界と新世界の両方で先史時代から使われてきました。^{[要出典]石灰は、}硫酸鉄による廃水処理に広く使用されています。

これらの材料の原料となる岩石や鉱物は、典型的には石灰岩や白亜で、主に炭酸カルシウムで構成されています。これらは切断、破砕、粉砕され、化学的に変化させられることがあります。炭酸カルシウムを石灰窯で900℃（1,650℉）以上で燃焼（か焼）すると^{[4] 、非常に}腐食性の高い生石灰、消石灰、または生石灰（酸化カルシウム）に変換され、その後水を加えると、腐食性の低い（ただし、依然として強いアルカリ性である）消石灰または水和石灰（水酸化カルシウム、Ca(OH) ₂）に変換されます。このプロセスは石灰の消和と呼ばれます。

この用語が農業の文脈で使われる場合、通常は農業用石灰を指しますが、今日ではこれは石灰窯で生産されたものではなく、砕いた石灰岩を指すのが一般的です。それ以外の場合は、より危険な形態は通常、より具体的には生石灰または焼石灰と呼ばれるため、この用語は消石灰を意味することが最も一般的です。

石灰産業において、石灰岩は、炭酸カルシウムまたは炭酸マグネシウムを80%以上含む岩石の総称であり、大理石、白亜、ウーライト、泥灰岩が含まれます。さらに、成分によって、高カルシウム、粘土質、珪質、礫岩、マグネシウム、ドロマイト、その他の石灰岩に分類されます。^[5]まれに、サンゴ、貝殻、方解石、アンケライトなどが石灰の供給源となります。

石灰岩は採石場や鉱山から採掘されます。採掘された石の一部は、化学組成と光学粒度分布に従って選択され、石灰窯で約900℃（1,650℉）で焼成され、次の反応に従って生石灰が生成されます。^[6]

${\displaystyle {\ce {{\overset {カルシウム~炭酸塩}{CaCO3}}->[][{\text{熱}}]{\overset {カルシウム~酸化物}{CaO}}+{\overset {炭素~二酸化物{CO2}}}}}$

生石灰は使用前に水和され、つまり消和と呼ばれ、水と混合されます。そのため、水和石灰は消石灰とも呼ばれ、次の反応に従って生成されます。

${\displaystyle {\ce {{CaO}+{\overset {水}{H2O}}->{\overset {水酸化カルシウム}{Ca(OH)2}}}}}$

乾式消石灰法では、生石灰を水和させるのに十分な量の水で消石灰しますが、粉末状のままです。これは消石灰と呼ばれます。湿式消石灰法では、生石灰を水和させて石灰パテと呼ばれる形状にするために、 わずかに過剰な水が追加されます。

石灰はレンガや石と接着する性質があるため、石工工事の結合モルタルとしてよく使用されます。また、しっくい塗りの壁にしっくいを密着させるための壁用塗料としても使用されます。

石灰石（炭酸カルシウム）が加熱によって生石灰に変わり、次に水和によって消石灰になり、そして炭酸化によって自然に炭酸カルシウムに戻るプロセスを石灰サイクルと呼びます。^[7]石灰サイクルの各段階で存在する条件と化合物は最終製品に大きな影響を与えます。^[8]そのため、石灰製品の物理的性質は複雑で多様です。

一例として、消石灰（水酸化カルシウム）を砂と水と混ぜて建築用のモルタルを作る場合が挙げられます。石積みが終わると、モルタルの中の消石灰は二酸化炭素とゆっくりと反応し始め、次の反応に従って炭酸カルシウム（石灰岩）を形成します。

Ca(OH) ₂ + CO ₂ → CaCO ₃ + H ₂ O.

この反応に関与する二酸化炭素は主に空気中に存在するか、雨水に溶解している^[9]ため、純粋な石灰モルタルは水中や厚い石積み壁の内側では再炭酸化しません。

ドロマイト石灰と苦土石灰の石灰サイクルはよくわかっていませんが^[8]、マグネシウム化合物も消和してペリクレースになり、ペリクレースは酸化カルシウムよりも消和が遅く、水和すると他のいくつかの化合物を生成するため、より複雑です。したがって、これらの石灰には、ポートランド石、ブルーサイト、マグネサイト、およびその他のマグネシウム水酸化炭酸塩化合物の包有物が含まれています。これらのマグネシウム化合物については、非常に限られた矛盾した研究があり、「...酸性雨と著しく反応し、硫酸マグネシウム塩の形成につながる可能性がある」かどうかが疑問視されています^[10] 。硫酸マグネシウム塩は、結晶の形成時に膨張するため、乾燥して再結晶化するときにモルタルを損傷する可能性があります。これは硫酸塩攻撃として知られています。

建築資材として使用される石灰は、一般的に「純粋」、「水硬性」、「貧弱」の3つに分類されます。[11] 天然または人工の石灰で、^さらにマグネシウム含有量によってドロマイト石灰やマグネシウム石灰などに分類されることもあります。用途には、石灰モルタル、石灰漆喰、石灰レンダリング、石灰灰床、タビーコンクリート、白塗り、ケイ酸塩鉱物塗料、石灰岩ブロックなどがあり、これらには多くの種類があります。加工された石灰の種類によって、その品質が使用方法に影響します。ローマ人は2種類の石灰モルタルを使用してローマのコンクリートを製造し、これにより建築に革命をもたらしました。 これはコンクリート革命と呼ばれることもあります。

石灰は建築製品として、凝集性、接着性、空気含有量、水分含有量、結晶形状、ボード寿命、展延性、流動性などの作業性、結合強度、総合強度、凝結時間、砂運搬能力、水硬性、遊離石灰含有量、蒸気透過性、柔軟性、硫酸塩に対する耐性など、多くの複雑な特性を持っています。これらの特性は、製造と設置の各段階で、石灰源の元の成分、燃焼前と燃焼中に添加される成分（燃料排気からの化合物の含有を含む）、燃焼温度と期間、ホットミックス（モルタルを作るために砂と水に生石灰を加える）、乾式消石灰、湿式消石灰などの消石灰方法、骨材と水の混合物の比率、骨材のサイズと種類、混合水中の汚染物質、仕上がり、硬化中の乾燥速度など、多くの要因によって影響を受けます。^[12]

純石灰は、濃厚石灰、普通石灰、空気石灰、消石灰、スラック石灰、酸洗石灰、水和石灰、高カルシウム石灰としても知られています。主に生石灰（酸化カルシウム）を消石灰して得られる水酸化カルシウムで構成され、最大 5% の他の成分を含む場合があります。純石灰は、空気中の二酸化炭素と湿気との接触により非常にゆっくりと固まります。水硬性石灰で​​はないため、水中では固まりません。純石灰は真っ白で、しっくい、漆喰、モルタルに使用できます。純石灰は、炭酸（二酸化炭素を水中に溶解した天然の弱酸）を含む水や酸性雨に溶けるため、ゆっくりと洗い流されますが、この特性により自己治癒プロセスも生成され、溶解した石灰が材料の亀裂に流れ込んで再堆積し、亀裂を自動的に修復します。

半水硬性石灰は、部分水硬性石灰や灰色石灰とも呼ばれ、最初は水で固まり、その後空気で固まり続けます。この石灰は水硬性石灰に似ていますが、溶解性シリカ（通常最低6％）とアルミナが少なく、水中で固まりますが、決して硬化しません。^[13]

水硬性石灰は水石灰とも呼ばれる。水硬性石灰はシリカまたはアルミナを含む石灰を含み、水に触れると固まり、水中で固まる。^[14] 天然水硬性石灰（NHL）は、天然に粘土を含む石灰岩から作られる。人工水硬性石灰は、焼成中に石灰岩に粘土などのシリカまたはアルミナの形態を加えるか、純粋な石灰にポゾランを加えることによって作られる。 ^{[13]水硬性石灰は、その強度によって、}弱く、中程度に、そして著しく水硬性石灰に分類される。弱く水硬性石灰は5～10％の粘土を含み、数分で消石灰し、約3週間で固まる。安価な作業や温暖な気候で使用される。中程度に水硬性石灰は11～20％の粘土を含み、1～2時間で消石灰し、約1週間で固まる。より高品質な作業や凍結気候の外壁に使用される。極めて水硬性の高い石灰は粘土を 21～30% 含み、消石灰は非常にゆっくりで、約 1 日で固まります。湿気の多い場所や海水の近くなどの厳しい環境で使用されます。水硬性石灰はオフホワイト色です。「モルタルの水硬性の程度は多くの特性に影響します。粘土と石灰石の適切な比率を選択することで、さまざまな程度に炭酸化または水硬性で固まるモルタルを、固まる時間、強度、色、耐久性、耐凍害性、作業性、水の存在下での固まる速度、蒸気透過性など、特定の用途要件に合わせて設計できます。」^[14]

貧弱な石灰は、貧弱な石灰とも呼ばれます。貧弱な石灰は、固まるのに非常に時間がかかり、結合力が弱いです。貧弱な石灰は灰色です。

苦土石灰には、5%以上の酸化マグネシウム（BS 6100）または5～35%の炭酸マグネシウム（ASTM C 59-91）が含まれています。^[15] ドロマイト石灰には、35～46%の炭酸マグネシウム（ASTM C 59-91）という高いマグネシウム含有量があります。^[15]ドロマイト石灰は、イタリアとオーストリアのアルプス山脈にあるドロマイト山脈にちなんで名付けられました。 ^[16]

米国で最も一般的に使用されている石工用石灰は、S型水和石灰で、可塑性、保水性、その他の品質を改善するためにポートランドセメントに添加されるものです。S型のSは特殊を意味し、N型水和石灰（Nは通常を意味する）と区別します。S型の特別な属性は、「...高い可塑性と高い保水性を早期に発現する能力と、未水和酸化物含有量の制限」です。^[17] S型という用語は、1946年にASTM C 207石工用水和石灰で生まれました。S型石灰は、ほとんどの場合ドロマイト石灰で、オートクレーブで熱と圧力をかけて水和させ、モルタル、レンダリング、スタッコ、プラスターに使用されます。S型石灰は、製造中の燃焼温度が高いため、モルタルの純粋な結合剤としては信頼できないと考えられています。

カンカール石灰は、炭酸カルシウムの一種であるカンカールから作られた石灰です。

亜セレン酸石灰は、ヘンリー・ヤング・ダラコット・スコットにちなんでスコッツセメントとも呼ばれ、灰色チョークまたはリアス群などの類似の石灰に約5%の石膏プラスター（焼石膏）を加えたセメントです。^[13] 亜セレン酸は石膏の一種ですが、亜セレン酸セメントは硫酸塩または硫酸のあらゆる形態を使用して作ることができます。^[18]硫酸塩は消和を阻止し、セメントを素早く強く固めます。

ローマ人は、石灰と火山灰を混ぜてポゾラン反応を起こしてコンクリートを作りました。これを火山凝灰岩と混ぜて海水の下に置くと、海水が発熱反応で石灰を水和させ、混合物を固めました。^[19]

• 農業用石灰および石灰施用（土壌）
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• 石灰処理（皮革加工）
• 漆喰細工
• サスカブ：建築および舗装の材料（中央アメリカ）
• ソーダ石灰ガラス
• ニシュタマリゼーション：食品加工法（メキシコ）

• JAH Oates, Projet de. Lime and Limestone – 化学と技術、生産と用途。Wiley-VCH、ISBN 3-527-29527-5 (1998) 
• 米国地質調査所

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