石灰（材料）

石灰は、主に酸化カルシウムと水酸化カルシウムからなる無機物です。また、工業用鉱物として使用される酸化カルシウムの名称でもあり、炭酸カルシウムを窯で加熱することによって作られます。酸化カルシウムは、炭層火災の生成物として、また火山噴出物中の変質した石灰岩の捕獲岩として存在することがあります。 ^[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の初期の使用に由来し、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、鉄鋼の製造、建築・土木材料（石灰石製品、セメント、コンクリート、モルタルなど）、化学原料、砂糖精製、その他の用途で現在も大量に使用されています。石灰産業と、そこから得られる多くの製品の使用は、旧世界と新世界の両方で先史時代にまで遡ります。石灰は、硫酸第一鉄とともに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（典型的には石灰岩やチョーク）は、主に炭酸カルシウムで構成されています。これらは切断、粉砕、または粉末化され、化学的に変化します。炭酸カルシウムを石灰窯で900 ℃（1,650 °F）以上で焼成（焼成）すると^[⁴^] 、非常に腐食性が高く反応性の高い焼石灰、生石灰、または生石灰（酸化カルシウム）に変化し、その後水を加えることで、腐食性は低い（ただし依然として強いアルカリ性）消石灰または水酸化カルシウム（水酸化カルシウム、Ca(OH) ₂）に変化します。このプロセスは消石灰と呼ばれます。

農業の文脈で「石灰」という言葉が出てくる場合、通常は農業用石灰を指し、今日では一般的に砕石灰岩であり、石灰窯で焼成されたものではありません。それ以外の場合は、ほとんどの場合消石灰を意味し、より反応性の高い形態は通常、生石灰または焼石灰とより具体的に呼ばれます。

生産

石灰産業では、石灰岩は、大理石、チョーク、オオライト、泥灰岩など、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す。さらに、組成によって、高カルシウム、粘土質、珪質、礫岩、マグネシウム質、ドロマイト、その他の石灰岩に分類されます。^[⁵^]石灰の珍しい供給源としては、サンゴ、貝殻、方解石、アンケライトなどがあります。

石灰石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基づいて選別され、石灰窯で約900 ℃（1,650 °F）で焼成され、次の反応に従って生石灰が生成されます。^[⁴^]

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

生石灰は使用前に水和（水と混ぜ合わせる、消石灰化）されます。消石灰は消石灰とも呼ばれ、次の反応によって製造されます。

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

乾式消石灰とは、生石灰を水和させるのに必要なだけの水で消石灰化する方法です。この方法は、生石灰を粉末状に保つために行われ、消石灰と呼ばれます。湿式消石灰では、生石灰を水和させて石灰ペースト状にするために、やや多めの水を加えます。

石灰は、レンガや石との接着性が高いため、石積み工事における結合モルタルとして一般的に使用されています。また、壁の漆喰塗りにおいて、漆喰が壁にしっかりと密着するように下塗り材としても使用されます。

サイクル

石灰石（炭酸カルシウム）が加熱によって生石灰に、次に水和によって消石灰に変化し、炭酸化によって自然に炭酸カルシウムに戻る過程は、石灰サイクルと呼ばれます。^{[ 6 ]}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強い影響を与え、^{[ 7 ]}そのため石灰製品は複雑で多様な物理的性質を持ちます。

例えば、建築用のモルタルを作るために、消石灰（水酸化カルシウム）を砂と水と混ぜて濃いスラリー状にする場合が挙げられます。石積みが完了すると、モルタル中の消石灰は二酸化炭素とゆっくりと反応し、次の反応式に従って炭酸カルシウム（石灰石）を生成します。

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または雨水に溶けているため^{[ 8 ]}、純粋な石灰モルタルは水中や厚い石積みの壁の中では再炭酸化しない。

ドロマイト石灰とマグネシウム石灰の石灰サイクルはよく理解されておらず^{[ 7 ]}、マグネシウム化合物もペリクレースに消水し、ペリクレースは酸化カルシウムよりも消水が遅く、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、ポートランダイト、ブルサイト、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は、非常に限られた矛盾した研究しかなく、「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」かどうか疑問視されています。 ^{[ 9 ]}硫酸マグネシウム塩は、乾燥して再結晶化するときに、形成される際の結晶の膨張によりモルタルを損傷する可能性があり、これは硫酸塩攻撃として知られています。

建築資材

建築材料に使用される石灰は、「純粋」、「水硬性」、「劣悪」石灰に大別されます。^{[ 10 ]}天然または人工の石灰があり、ドロマイト石灰やマグネシウム石灰など、マグネシウム含有量によってさらに識別されることがあります。用途には、石灰モルタル、石灰プラスター、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、および多くの種類がある石灰岩ブロックなどがあります。加工された多くの種類の石灰の特性は、その使用方法に影響を与えます。ローマ人は、2 種類の石灰モルタルを使用してローマコンクリートを製造し、これにより、コンクリート革命と呼ばれることもある建築に革命をもたらしました。

石灰は建築材料として、凝集性、接着性、空気含有量、水分含有量、結晶形状、板材寿命、塗布性、流動性などの作業性、結合強度、圧縮強度、凝結時間、砂運搬能力、水硬性、遊離石灰含有量、水蒸気透過性、柔軟性、硫酸塩耐性など、多くの複雑な特性を持っています。これらの特性は、製造および設置の各段階で、石灰の原料、焼成前および焼成中に添加される成分（燃料排ガスからの化合物の混入を含む）、焼成温度と時間、消和方法（ホットミックス（生石灰を砂と水に加えてモルタルを作る）、乾式消和、湿式消和を含む）、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、職人技、養生中の乾燥速度など、多くの要因によって影響を受けます。^{[ 11 ]}

純石灰は、リッチ石灰、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も呼ばれます。主に生石灰（酸化カルシウム）を消石灰化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水分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。純石灰は純白で、白塗り、漆喰、モルタルに使用できます。純石灰は炭酸を含む水（二酸化炭素が水に溶けた天然の弱酸）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、溶解した石灰が材料のひび割れに流れ込み、再沈着して自動的にひび割れを修復する自己修復プロセスも発生します。

半水硬性石灰（部分水硬性石灰、灰色石灰とも呼ばれる）は、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％）とアルミン酸塩が少なく、水中で固まりますが、決して硬化しません。^{[ 12 ]}

水硬性石灰は、水石灰とも呼ばれます。水硬性石灰は、石灰とシリカまたはアルミナを含み、水に触れると硬化し、水中でも硬化します。^{[ 13 ]}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ます。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ます。^{[ 12 ]}水硬性石灰は、その強度によって、弱水硬性、中水硬性、および非常に強い水硬性石灰に分類されます。弱水硬性石灰は、5～10%の粘土を含み、数分で崩壊し、約3週間で硬化します。これは、より安価な作業や温暖な気候で使用されます。中水硬性石灰は、11～20%の粘土を含み、1～2時間で崩壊し、約1週間で硬化します。これは、より高品質の作業や、凍結気候の外壁に使用されます。水硬性石灰は粘土を21～30％含み、非常にゆっくりと消和し、約1日で硬化します。湿った場所や海水付近などの過酷な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を与えます。適切な粘土と石灰石の比率を選択することで、硬化時間、強度、色、耐久性、耐凍害性、作業性、水が存在する場合の硬化速度、蒸気透過性など、さまざまな程度で炭酸化または水硬性で硬化するモルタルを特定の用途要件に合わせて設計できます。」^{[ 13 ]}

貧弱石灰は、貧弱石灰または乏石灰とも呼ばれます。貧弱石灰は固まりや硬化が非常に遅く、結合力が弱いのが特徴です。色は灰色です。

マグネシウム石灰は、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）を含有します。^{[ 14 ]}ドロマイト石灰は、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を有します。^{[ 14 ]}ドロマイト石灰は、イタリアとオーストリアのアルプスにあるドロミテ山脈にちなんで名付けられました。^{[ 15 ]}

米国で最も一般的に使用されている石積み用石灰は、可塑性、保水性、その他の特性を向上させるためにポルトランドセメントに添加することを目的としたS型水酸化カルシウムです。S型のSは特殊を意味し、Nが通常を意味するN型水酸化カルシウムと区別されます。S型の特別な特性は、「...高い早期可塑性と高い保水性を発現する能力、および未水酸化物含有量の制限」です。^{[ 16 ]} S型という用語は、1946年にASTM C 207「石積み用水酸化カルシウム」で初めて使用されました。S型石灰は、ほとんどの場合、オートクレーブで熱と圧力の下で水和されたドロマイト石灰であり、モルタル、左官材、スタッコ、およびプラスターに使用されます。S型石灰は、製造時の高温のため、モルタルの純粋な結合材としては信頼できないと考えられています。

カンカー石灰とは、炭酸カルシウムの一種であるカンカーから作られた石灰のことである。

セレナイト石灰は、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、ライアス層群などの灰色のチョークまたは類似の石灰に、約5%の石膏プラスター（焼成石膏）を添加したセメントです。^{[ 12 ]}セレナイトは石膏の一種ですが、セレナイトセメントはあらゆる形態の硫酸塩または硫酸を使用して製造できます。^{[ 17 ]}硫酸塩は消和を抑制し、セメントを素早く強く固めます。

ローマコンクリート

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、コンクリートを作った。これを火山凝灰岩と混ぜて海水に浸すと、海水が発熱反応で石灰を水和させ、混合物が固まった。^[¹⁸^]

参考文献

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さらに読む

JAH Oates、Projet de。石灰と石灰石 – 化学と技術、生産と用途。Wiley-VCH、ISBN 3-527-29527-5（1998年）
米国地質調査所

外部リンク

全米ライム協会（米国およびカナダ）
英国ライム協会
建築石灰フォーラム（英国）
欧州ライム協会（EULA）
用語集作成者：ロバート・W・ピワルジク、サンタクルーズ公共図書館、カリフォルニア州
usgs.gov：石灰（鉱物資源概要2025）

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石灰（材料）

生産

サイクル

建築資材

ローマコンクリート

関連項目

参考文献

さらに読む

外部リンク

関連するトピック

ノルウェー

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、主に

酸化カルシウム