石灰モルタル

石灰モルタルまたはトーチング^{[1] [2]}は、石灰と砂などの骨材を水と混ぜて作られた石工用 モルタルです。これは最も古いタイプのモルタルの1つであり、古代ローマとギリシャで使用され、古代エジプトの建築で一般的だった粘土と石膏のモルタルに取って代わりました。 ^[3]

19世紀にポートランドセメントが導入されると、新しい建築物における石灰モルタルの使用は徐々に減少しました。これは主に、ポートランドセメントの使いやすさ、硬化の速さ、高い圧縮強度によるものです。しかし、石灰モルタルの柔らかく多孔質な性質は、天然石やテラコッタなどの柔らかい建築材料を扱う際に一定の利点をもたらします。このため、ポートランドセメントは新しいレンガやコンクリートの建築物では一般的に使用され続けていますが、もともと石灰モルタルを使用して建てられたレンガや石造りの建造物の修理や修復には使用が推奨されていません。 ^[4]

石灰モルタルは何世紀にもわたって使用されてきましたが（ローマのコンクリート）、建築材料としての有効性は十分に理解されていませんでした。昔ながらの慣習は伝統、民間伝承、貿易知識に基づいており、今も残っている膨大な数の古い建物によってその正当性が証明されています。20世紀後半の実証的テストにより、その驚くべき耐久性が科学的に理解されました。^[5]専門家もDIYの住宅所有者も、歴史的保存を専門とし、少量でプレミックスモルタルを販売している会社から石灰パテモルタル（色と内容の両方で歴史的モルタルにマッチしたもの）を購入することができます。^[6]

石灰は古英語のlim（「粘着性物質、鳥石灰、モルタル、セメント、グルテン」）に由来し、ラテン語のlimus（「スライム、泥、ぬかるみ」）およびlinere（「塗りつける」）と関連があります。^[7] モルタルはセメントとの混合物であり、13世紀後半の古フランス語mortier （「建築者のモルタル、石膏、混ぜるためのボウル」）およびラテン語mortarium（「モルタル」）に由来しています。^[7]石灰はセメント^[8]であり、物をまとめる結合剤または接着剤ですが、セメントは通常ポートランドセメントを指します。

石灰モルタルは古代に登場しました。古代エジプト人は約6,000年前に初めて石灰モルタルを使い、ギザのピラミッドを石灰で塗りました。さらに、エジプト人はさまざまな石灰を宗教的な寺院や家にも取り入れました。^[9]インドの伝統的な構造物は石灰モルタルで建てられており、その中には4,000年以上前のものもあります（パキスタンのインダス文明の遺産であるモヘンジョダロなど）。^[10]

ローマ帝国では石灰を主成分とするモルタルが広く使用されていました。ローマの建築家ウィトルウィウスは、石灰モルタルの配合に関する基本的なガイドラインを提供しました。ローマ人は、石灰とレンガの粉や火山灰などのポゾランを含む水硬性モルタルを発明しました。これらのモルタルは、水の存在によりモルタルが適切に硬化（炭酸化）されない用途で使用することを目的としていました。^[11]

石灰モルタルは今日、主に石灰モルタルを使用して建てられた建物の保存に使用されていますが、通常のポルトランドセメントの代替品として使用することもできます。石灰モルタルは主に石灰（水硬性または非水硬性、以下に説明）、水、砂などの骨材から作られています。ポルトランドセメントは石灰モルタルと相性が悪いことが証明されています。これは、石灰モルタルの方が硬く、柔軟性が低く、不浸透性があるためです。これらの性質は、柔らかい歴史的レンガの早期劣化につながります^[12]。そのため、伝統的に、低温焼成石灰モルタルは、同様のタイプの既存のモルタルと併用するか、歴史的に正しい方法を使用して建物を再建する場合に推奨されています。過去には、石灰モルタルは現場で地元で入手できる砂と混合される傾向がありました。砂は石灰モルタルの色に影響を与えるため、目地モルタルの色は地域によって大きく異なる場合があります。^[13]

水硬性石灰には水和によって固まる物質が含まれているため、水中で固まります。非水硬性石灰は炭酸化によって固まるため、空気中の二酸化炭素にさらされる必要があります。この物質は水中や厚い壁の内側では固まりません。天然水硬性石灰 (NHL) モルタルの場合、石灰は十分な割合のシリカやアルミナを自然に含む石灰岩から得られます。人工水硬性石灰は、焼成プロセス中に特定の種類と量の添加剤を石灰源に導入するか、非水硬性石灰にポゾランを追加することで生成されます。非水硬性石灰は、白亜、石灰岩、カキ殻など の高純度の炭酸カルシウム源から生成されます。

非水硬性石灰は、主成分が（通常 95% 以上）水酸化カルシウムCa(OH) _{2 です}。非水硬性石灰は、まず十分に純粋な炭酸カルシウムを 954° ～ 1066 °C に加熱し、二酸化炭素を飛ばして生石灰（酸化カルシウム）を生成することによって製造されます。これは石灰窯で行われます。次に生石灰を消石灰します。つまり、スラリー（石灰パテ）を形成するのに十分な水と完全に混合するか、乾燥粉末を生成するために少ない水と完全に混合して水和させます。この消石灰（水酸化カルシウム）は、空気中の二酸化炭素と反応して自然に炭酸カルシウムに戻ります。このプロセス全体を石灰サイクルと呼びます。

石灰パテを作る際に行われる消和プロセスは発熱反応で、最初にクリーム状の粘稠度の液体を生成します。その後、環境条件に応じて 2 ～ 3 か月間熟成させ、凝縮して石灰パテに成熟するまで待ちます。

熟成した石灰パテはチキソトロピー性があり、石灰パテを撹拌するとパテからより液体の状態に変化します。これによりモルタルの作業が容易になるため、モルタルに使用すると便利です。撹拌後に放置すると、石灰パテはゆっくりと濃い液体からパテの状態に戻ります。^{[引用が必要]}

カルシウムベースの石灰岩と同様に、炭酸カルシウムマグネシウムをベースにしたドロマイト石灰も生産できます。

石灰モルタルに関してよくある混乱の原因は、「水硬性」と「水和性」という用語の類似性に起因します。

• 消石灰は生石灰以外の石灰であり、水硬性（水中で硬化する）石灰または非水硬性（水中で硬化しない）石灰のいずれかを指します。
• 石灰パテは非水硬性で、水中に保管すれば無期限に保存できます。名前が示すように、石灰パテは石灰と水だけで作られたパテの形をしています。

生石灰を過剰な水で消石灰すると、パテまたはスラリーが生成されます。適切な量の水を使用すると、乾燥した材料になります (加熱中に余分な水が蒸気として逃げます)。これを粉砕して消石灰粉末を作ります。

水和した非水硬性石灰粉末を水と混ぜて石灰パテを作ることができます。パテは通常、使用前に二酸化炭素のない状態（通常は水中）で熟成させます。パテは 24 時間ほどで熟成させることも、何年も熟成させることもできます。熟成時間を長くするとパテの品質が向上します。長期間（12 か月以上）熟成させた石灰パテは硬くなりすぎて作業が困難になるという意見もあります。

乾燥した消石灰から作られたパテと消石灰処理時にパテとして作られたパテとの品質の比較については、議論があります (ローマのコンクリート)。一般的に後者の方が好ましいとされています。消石灰は、加工時に滑らかなバターのような質感を持つ化合物の一般的な用語である「脂っこい」材料を生成しません。多くの場合、長期間の不適切な保管により、消石灰によって生成された石灰は、炭酸化期間が長くなり、圧縮強度が低くなります。

非水硬性石灰は硬化に時間がかかり、水硬性石灰よりも弱いため、十分に硬化する前に凍結させないでください。硬化プロセスは遅くなる可能性がありますが、石灰モルタルの乾燥時間は、最終硬化を確実にするためにゆっくりとした速度で調整する必要があります。急速に乾燥した石灰モルタルは、強度が低く品質の悪い最終モルタルになり、収縮亀裂が発生することがよくあります。実際には、石灰モルタルは、湿らせたヘシアンシートで直射日光や風から保護するか、水を噴霧して乾燥速度を制御することがよくあります。しかし、石灰モルタルには自己治癒（自己治癒）の性質もあり、一部の遊離石灰は水に溶解し、形成された小さな亀裂に再堆積します。

メリーランド州とバージニア州の潮間帯では、植民地時代にカキの殻が生石灰の製造に使用されていました。石灰の製造に使用される他の材料と同様に、カキの殻も焼かれます。これは窯の代わりに石灰の山で行うことができます。石灰の山で貝殻を焼くことは、コロニアル・ウィリアムズバーグとフェリー・ファームの再現では推測と現場での学習から開発しなければなりませんでした。彼らが建設した石灰の山は、円形に立てられた丸太で構成されており、ゆっくりと燃えて、木の山に含まれるカキを灰の粉末に変えます。^{[14] [15]}フェリー・ファームの石灰の山の建設方法を説明したビデオは、こちらでご覧いただけます。焼かれた貝殻は消石灰されて石灰パテになります。

カキの殻を使ったモルタルは、露出したモルタル目地に小さな貝殻の破片があることで判別できる場合があります。修復工事では、本物らしさを印象付けるために貝殻の破片を誇張して表現することがあります。残念ながら、こうした現代の試みでは、ポートランドセメントの比率が必要以上に高い場合が多くあります。モルタル目地がレンガの要素よりも強い場合、レンガが破損する可能性があります。

水硬性石灰は水和と呼ばれる水との反応によって固まります。

外装や構造目的など、より強力な石灰モルタルが必要な場合は、ポゾランを追加できます。これにより、圧縮強度が向上し、風化による損傷から保護されます。ポゾランには、粉末レンガ、熱処理粘土、シリカフューム、フライアッシュ、火山性物質が含まれます。付与される化学セットは、非常に弱いものからポートランドセメントとほぼ同等の強度のものまであります。

また、ポゾランは水硬性硬化を起こすため、モルタルの硬化時間をより規制するのにも役立ちます。これは、時間スケールと最終的にはコストを監視および維持する必要がある修復プロジェクトで役立ちます。

水硬性石灰は、特性と製造の両面で、非水硬性石灰とポートランドセメントの中間に位置するものと考えられます。使用される石灰岩には、十分な量の粘土および/またはシリカが含まれています。結果として得られる製品には、ポートランドセメントとは異なり、二ケイ酸カルシウムが含まれますが、三ケイ酸カルシウムは含まれません。

消石灰は、酸化カルシウムを水酸化カルシウムに変換するのに十分な消石灰ですが、二ケイ酸カルシウムと反応するほどの水分は含まれていません。この二ケイ酸カルシウムが水と組み合わさることで、水硬性石灰の硬化特性が生まれます。

アルミニウムとマグネシウムも水硬性物質を生成し、一部のポゾランにはこれらの元素が含まれています。

天然水硬性石灰には、欧州規格EN459で定められた3つの強度等級、NHL2、NHL3.5、NHL5があります。数字は28日後の最小圧縮強度をニュートン毎平方ミリメートル（N/mm ²）で表します。たとえば、NHL 3.5の強度は3.5 N/mm ²（510 psi）から10 N/mm ²（1,450 psi）の範囲です。^[16]これらは、弱水硬性、中水硬性、著しく水硬性の古い分類に似ており、異なっているにもかかわらず、一部の人々はそれらを互換的に呼び続けています。水硬性石灰モルタルの用語は、1830年代に熟練したフランスの土木技師ルイ・ヴィカットによって、古いシステムである水石灰と弱く、中程度に、著しくから改良されました。ヴィカットは、橋や道路の建設中に石灰モルタルを使用する研究に続いて、自分の研究を発表しました。フランスの会社Vicatは現在でも天然セメントと石灰モルタルを生産しています。^[17]石灰モルタルの名称はヨーロッパ大陸全体で多様で矛盾していたため、再分類により石灰モルタルの理解と使用が大幅に改善されました。

伝統的な石灰モルタルは、石灰パテと骨材（通常は砂）を組み合わせたものです。現代の典型的な石灰モルタルの配合は、石灰パテ1に対して、洗浄したよく粒度の細かい砂3の割合です。砂の代わりに他の材料が骨材として使用されてきました。理論上は、砂粒子間の空隙が砂の体積の1/3を占めます。石灰パテを1対3の割合で混ぜると、これらの空隙が埋まり、コンパクトなモルタルが作られます。歴史的建造物から採取したモルタルのサンプルを分析すると、通常、石灰パテ1に対して骨材/砂1.5 ^[18]という高い比率が一般的に使用されていたことがわかります。これは、乾燥生石灰約1に対して砂3に相当します。伝統的な粗い漆喰混合物には、補強と収縮の抑制のために馬の毛も加えられていました。これは、木製の下地材に漆喰を塗るときや、石壁などの凹凸のある表面に下塗り（またはダビング）するときに重要です。石壁では、凹凸のある表面のレベルを補うためにモルタルを厚く塗ることがよくあります。

石灰モルタルの収縮やひび割れが発生した場合、それは次のいずれかの結果である可能性があります。

• 砂の粒度分布が悪かったり、粒子の大きさが小さすぎたりする
• モルタルが厚く塗られている（厚く塗ると収縮、ひび割れ、沈下の可能性が高くなります）
• 基板からの吸引力が強すぎる
• モルタルを乾燥させる高温や直射日光
• 石灰モルタル混合物の水分含有量が高い
• 品質の悪い、または未熟な石灰パテ

石灰モルタルと粉末石灰を混合する一般的な方法は次のとおりです。

• 材料、砂、石灰、水を用意します
• 砂と石灰の比率を測ります。たとえば、3:1 の比率の場合は、砂 3 バケツと石灰 1 バケツです。
• 乾燥した材料をよく混ぜて、砂全体が石灰で覆われ、砂や石灰の塊が見えないようにする。
• 乾燥した材料の一部を、混ぜる容器から取り出して取っておきます。取っておく量はさまざまですが、安全な出発点は、バッチの約 1/4 です。これは、ミックスの乾燥度を微調整するために後で追加されます。
• 水を計量します。水の量は、混ぜ合わせた砂の湿り具合と砂の湿り具合によって異なります。まずは砂 1 ガロンに対して水 1 クォートから始めましょう。
• 乾燥した材料に約 2/3 の水を加え、均一になるまで混ぜます。
• 残しておいた乾燥材料と残りの水を加えて、好みの配合にします。何がうまくいくかを知るには時間がかかり、配合は温度、湿度、砂の水分、レンガの種類、手元の作業に応じて変わることがあります (レンガを敷く場合は湿った配合が適しているかもしれませんが、目地付けの場合は乾燥した配合が必要になるかもしれません)。
• 混ぜ合わせている途中の状態をテストするには、こてを使うか、手でモルタルを軽くたたいて、表面にどのくらいの水分と「クリーム」が出てくるかを確認します。
• 石灰モルタルを使用する前に、レンガを完全に濡らすことを忘れないでください。古いレンガは非常に多孔質であるため、4 ポンドのレンガには 1 パイントの水が入ります。レンガは、敷き詰めたり目地を付ける前は、水に浸す必要がありますが、表面は乾いている必要があります。水が多すぎると、石灰が流れ出て筋が残ることがあります。

毛髪補強は石灰漆喰によく見られ、多くの種類の毛髪やその他の有機繊維が歴史的な漆喰に見られます。^[19]しかし、石灰に含まれる有機物は、特に湿った外部レンダリングでは湿った環境で劣化します。^[20]この問題により、新しい石灰レンダリングにはポリプロピレン繊維が使用されるようになりました。 ^[19]

• 石灰モルタルは、ポートランドセメントベースのモルタルほど圧縮強度は高くありませんが、どちらも高層ではない住宅の建設には十分な強度があります。
• 石灰モルタルは、ポルトランドセメントほど石積みに強く接着しません。これは、より柔らかい石積みの場合に有利です。セメントを使用すると、多くの場合、寿命が尽きるとセメントが石積み材料の一部を剥がしてしまうことになります。モルタルは犠牲要素であり、レンガよりも弱いため、レンガよりも先にひび割れます。ひび割れたモルタルを交換する方が、ひび割れたレンガを交換するよりも安価です。
• ひび割れが発生する状況では、ポートランドセメントは破壊されますが、石灰は動きが小さい場合、多数の微小なひび割れを生じます。これらの微小なひび割れは、「遊離石灰」の作用によって再結晶化し、影響を受けた領域を効果的に自己修復します。
• 歴史的建造物は、比較的柔らかい石積みユニット（柔らかいレンガや多くの種類の石など）で建設されることが多く、基礎の性質上、そのような建物では小さな動きが頻繁に発生します。この動きにより壁の最も弱い部分が破壊されますが、ポートランド セメント モルタルの場合、これは通常石積みです。石灰モルタルを使用すると、石灰が弱い要素となり、モルタルが石積みよりも優先してひび割れます。これにより、損傷が大幅に軽減され、修復も比較的簡単になります。
• 石灰モルタルはセメントモルタルよりも多孔質で、壁の湿気を表面に吸い上げ、そこで蒸発させます。そのため、水中の塩分は石灰上で結晶化し、石灰を傷め、石積みを保護します。一方、セメントは柔らかいレンガよりも水分を蒸発させにくいため、湿気の問題によりレンガの表面に塩分が形成され、剥がれが生じ、結果としてレンガが崩壊しやすくなります。^{[21] [22]}この湿気の蒸発能力は、一般的に「通気性」と呼ばれています。
• 石灰モルタルは 5 °C (41 °F) 未満の温度では使用しないでください。また、固まるまでに時間がかかるため、3 か月間は凍結から保護する必要があります。水硬性石灰は固まるのに時間がかかるため、凍結温度に達するまでにそれほど長い時間を必要としない場合があります。

通常、壁が少しでも湿ると、石灰モルタルの色が変わり、湿気があることを示します。この効果により、石灰塗りの壁は斑点模様になることがよくあります。壁内の水分レベルが変化すると、石灰塗りの色合いも変化します。石灰塗りの色合いが濃いほど、この効果は顕著になります。

混合された石灰モルタルは、乾燥せずにしばらく塊のまま放置されることがあります (薄い皮ができる場合があります)。使用準備ができたら、この塊を再度混合 (「叩き上げ」) してから使用できます。伝統的に、機械式ミキサーが使用される前の建築現場では、石灰パテ (現場でピットで消石灰化) は、労働者が「ラリー」(大きな穴の開いた幅広の鍬) で混合物を「叩き、突き固める」ことで砂と混合されていました。次に、これを砂で覆い、しばらく (数日から数週間) 放置します。これは「バンキング」と呼ばれるプロセスです。この塊は、必要に応じて再度混合して使用されました。このプロセスは、ポートランドセメントでは実行できません。

ポルトランドセメントと石灰の組み合わせは、石灰セメント柱の確立または上部の塊全体の安定化を通じて、地盤の安定化と固化に使用されます。^{[さらに説明が必要] [23]} この方法は、振動、安定性、沈下に関して強度を高めます。道路や鉄道を建設する場合、この方法はより一般的で広く普及しています（オスロ中心部のクイーンエウフェミアス通り、トンスベルグのE18など）。^{[引用が必要]}

保存目的では、N型モルタルとO型モルタルがよく使用されます。N型モルタルは、ポートランド1部、石灰1部、砂またはその他の骨材6部（1:1:6）です。O型モルタルは、ポートランド1部、石灰2部、砂またはその他の骨材9部（1:2:9）です。純粋な石灰モルタルにはポートランドは含まれておらず、石灰1部に対して砂またはその他の骨材3部です。硬化時間を短縮するためにセメントまたはその他のポゾランを追加することを「ゲージング」と呼びます。ポートランド以外に、灰やレンガの粉がモルタルのゲージングに使用されています。^[24]

歴史的修復目的、および再補修やレンガの交換を伴う修復作業では、石工は元のレンガとモルタルを発見し、同様の材料で修復する必要があります。国立公園局は、保存概要 2 を通じて適切な石積みの再補修に関するガイダンスを提供しています。 ^[25]一般的に、概要 2 では、再補修は同等またはより弱いモルタルで行う必要があると示唆しています。したがって、まっすぐな石灰モルタルのジョイントは、同じ方法で再補修する必要があります。ポートランドセメントが普及しているため、これは当てはまらないことがよくあります。壁システムでは、モルタルがユニットの弱い部分になるように、モルタルとレンガのバランスが必要です。

モルタルがレンガよりも強い場合、壁の自然な動きが妨げられ、レンガの表面が劣化し始めます。これは剥離と呼ばれるプロセスで、レンガの外面が劣化し、剥がれたり粉になったりすることがあります。また、石積みの壁を通して水が自然に動きます。強力なポートランドセメント混合物は、湿った場所から乾いた場所への水の自由な流れを防ぎます。これにより、上昇する湿気が壁内に閉じ込められ、システム障害が発生する可能性があります。湿気が空気中に逃げることができない場合、壁の構造に損傷が発生します。壁の中で水が凍結することも剥離の原因です。

20 世紀以前の建造物の修復作業では、ポートランドに対する石灰と骨材の比率を高くする必要があります。これにより、モルタルの圧縮強度は低下しますが、壁システムの機能が向上します。石灰モルタルは、レンガから水分を引き出す芯として機能します。これにより、古いレンガが剥がれるのを防ぐことができます。レンガが現代のより硬い要素である場合でも、石灰モルタルの比率を高めて再接合すると、湿気の上昇を軽減できる場合があります。

すべての消費者が純粋な石灰モルタルを使用することはお勧めできません。混合物にポートランドが含まれていないため、モルタルの硬化を制御できません。場合によっては、凍結融解サイクルでモルタル接合部が破損するほどです。純粋な石灰モルタルは完全に硬化するのに長い時間がかかるため、作業はモルタルが適切に硬化するのに適した気象条件の時期に行う必要があります。これらの条件とは、氷点以上の気温だけでなく、より乾燥した季節です。硬化が遅いモルタルを湿気から保護するために、表面にシロキサンを追加することができます。歴史的建造物の場合、これは歴史的な構造に悪影響を与える可能性があるため、物議を醸す戦略になる可能性があります。

ポートランドの存在により、モルタルの安定性が向上します。安定性と予測可能性により、混合モルタルは、特に壁全体を敷設する用途で、より使いやすくなります。請負業者や設計者は、純粋な石灰モルタルよりも圧縮強度が増すため、ポートランドを含む混合物を好む場合があります。ポートランド混合以前の建物の多くは、今でも元のモルタルが残っているため、圧縮強度と使いやすさの向上を求める議論は、現在の慣行と古い技術に対する理解不足の結果である可能性があります。

• エネルギー的に改質されたセメント
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さらに読む

• バーネル、ジョージ・ロウドン;石灰、セメント、モルタル、コンクリート、マスチック、左官などに関する初歩的な論文
• ディブディン、ウィリアム・ジョセフ;石灰モルタルとセメント: その特性と分析。人造石とアスファルトの説明付き
• ギルモア、クインシー A.;ライムズ水硬性セメントおよびモルタル
• ホジソン、フレッド T.;コンクリート、セメント、モルタル、人工大理石、石膏、スタッコ：使用方法と準備方法
• ラゼル、エリス・ウォーレン著「石灰モルタルとセメント：その特性と分析。人造石とアスファルトの説明付き」

• 以下は、石灰モルタル、小規模のセメント製造、大規模のセメント製造、モルタルというそれぞれの主題に関する 19 世紀半ばの技術記事です。
• ジェラルド・リンチ、「混合物の神話：石灰と砂の 1:3 の比率」、建築保存ディレクトリ、2007 年