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ポルトランドセメントは、コンクリート、モルタル、スタッコ、および特殊ではないグラウトの基本成分として世界中で一般的に使用されている最も一般的なセメントです。これは、 19 世紀初頭にイギリスでジョセフ・アスプディンによって他の種類の水硬性石灰から開発され、通常は石灰石から作られています。これは、石灰石と粘土鉱物を窯で加熱してクリンカーを形成し、数パーセント (多くの場合 5 パーセント程度) の石膏を加えてクリンカーを粉砕することによって製造される微粉末です。ポルトランドセメントにはいくつかの種類があります。最も一般的なものは、歴史的に普通ポルトランドセメント (OPC) と呼ばれ、灰色ですが、白色のポルトランドセメントも入手可能です。
このセメントは、1824年に特許を取得したジョセフ・アスプディンによってその名が付けられました。硬化すると、ドーセット州ポートランド島の風の強い崖から採掘される、ポートランド石として知られるきめ細かく淡い石灰岩に似ていたためです。ポートランド石は何世紀にもわたりイギリス建築で重宝され、セント・ポール大聖堂や大英博物館といった象徴的な建造物にも使用されました。
彼の息子であるウィリアム・アスプディンは、1840年代の開発により「近代的な」ポートランドセメントの発明者とみなされている。[ 1 ]
ポルトランドセメントに使用される石灰石、頁岩、その他の天然材料は低コストで広く入手可能であるため、比較的安価な建築材料となっています。2023年には44億トンが製造され、ポルトランドセメントは製造材料のリスト（質量ベース）で砂と砂利に次いで3位にランクされています。これら3つは水と混ぜ合わせて、最も多く製造されている材料であるコンクリートになります。これがポルトランドセメントの最も一般的な用途です。[ 2 ]
ポートランドセメントは、18世紀半ばからイギリスで製造された天然セメントから開発されました。その名前は、イングランドのドーセット州ポートランド島で採掘される建築用石材の一種であるポートランド石に似ていることに由来しています。[ 3 ]現代のポートランドセメント（普通または標準ポートランドセメントと呼ばれることもあります）の開発は、1756年にジョン・スミートンが灯台の建設を目的として、トラスやポゾランなどのさまざまな石灰石と添加物の組み合わせを実験したことから始まりました。 [ 4 ]この灯台は現在、スミートンの塔として知られています。18世紀後半には、ローマセメントが開発され、1796年にジェームズ・パーカーによって特許が取得されました。[ 5 ]ローマセメントはすぐに人気を博しましたが、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ました。[ 4 ] 1811年、ジェームズ・フロストは、ブリティッシュセメントと呼ばれるセメントを製造しました。[ 5 ]ジェームズ・フロストは1826年に人工セメント製造工場を建設したと伝えられている。[ 6 ] 1811年、サザークのエドガー・ドブスは、7年後にフランスの技師ルイ・ヴィカによって発明された種類のセメントの特許を取得した。ヴィカのセメントは人工水硬性石灰であり、ポートランドセメントの「主要な先駆者」 [ 4 ]と考えられている。
ポートランドセメントという名前は、1823年に発行された名簿にウィリアム・ロックウッドやその他数名と関連付けられて記録されている。[ 7 ]ジョセフ・アスプディンは、1824年のセメント特許で、ポートランド石に似ていることから、自身の発明を「ポートランドセメント」と呼んだ。[ 3 ]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似ていなかったが、現代のポートランドセメント開発の第一歩であり、「プロト・ポートランドセメント」と呼ばれている。[ 4 ]
ウィリアム・アスプディンは父の会社を離れ、自身のセメント製造会社を設立した。1840年代、ウィリアムは偶然にも、ポートランドセメント開発の中間段階であるケイ酸カルシウムを製造した。1843年、彼はロンドン南東部のロザーハイズに製造工場を設立し、そこで間もなくロンドンのユーザーの間でセンセーションを巻き起こすセメントを製造し始めた。[ 8 ] 1848年、ウィリアムはセメントをさらに改良した。そして1853年、彼はドイツに移り、そこでセメント製造に携わった。[ 7 ]ウィリアムは「メソポートランドセメント」（ポートランドセメントと水硬性石灰の混合物）と呼ばれるものを製造した。[ 9 ]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、ポートランドセメントの真の父であると主張した。[ 10 ]
1859 年、メトロポリタン・ボード・オブ・ワークスのジョン・グラントは、ロンドン下水道プロジェクトで使用するセメントの要件を定めた。これがポートランドセメントの仕様となった。ポートランドセメント製造における次の発展は、 1885 年 (英国) および 1886 年 (米国) にフレデリック・ランサムによって特許取得された回転窯の導入であり、これにより、より強く均質な混合物と連続製造プロセスが可能になった。[ 4 ]「燃焼を完全に制御できる」とされていたホフマン「エンドレス」窯は 1860 年に試験され、優れたグレードのセメントを生産できることが示された。このセメントは、ホフマン窯を最初に使用したシュテッティンのポートランドセメント工場シュテルンで製造された。 [ 11 ]ドイツセメント製造業者協会は 1878 年にポートランドセメントの規格を発行した。[ 12 ]
ポルトランドセメントはイギリスとドイツからアメリカに輸入されていましたが、[ 13 ] 1870年代と1880年代には、ミシガン州カラマズー近郊のイーグル・ポルトランドセメント社で生産されていました。1875年には、アメリカ合衆国ペンシルベニア州コプレイにあるコプレイセメント社の窯で、デイビッド・O・セイラーの指揮の下、最初のポルトランドセメントが生産されました。 [ 14 ] 20世紀初頭までに、アメリカ製のポルトランドセメントは輸入ポルトランドセメントのほとんどに取って代わりました。
ASTM C219 [ 15 ]では、ポルトランドセメントを次のように定義しています。
クリンカーを粉砕して製造される水硬性セメントで、主に結晶性水硬性ケイ酸カルシウムからなり、通常、水、硫酸カルシウム、最大5％の石灰石、および加工添加物のうち1つ以上を含む。
欧州規格EN 197-1では、以下の定義が用いられています。
ポルトランドセメントクリンカーは、質量比で少なくとも3分の2がケイ酸カルシウム（3 CaO·SiO 2および2 CaO·SiO 2）で構成され、残りがアルミニウムおよび鉄を含むクリンカー相およびその他の化合物からなる水硬性材料である。CaOとSiO 2の比率は2.0以上でなければならない。酸化マグネシウム（MgO）含有量は質量比で5.0%を超えてはならない。
（最後の2つの要件は、 1909年に発行されたドイツ規格に既に規定されていた。）
セメントの90%以上はクリンカーで構成され、少量の硫酸カルシウム（CaSO₄ 、凝結時間を制御する）と、各種規格で認められている最大5%の微量成分（充填材）が含まれています。クリンカーは、所定の組成の原料混合物を高温に加熱したときに生成される焼結材料の塊（直径0.2～1.0インチ[5.1～25.4ミリメートル]）です。ポルトランドセメントを他の水硬性石灰と区別する重要な化学反応は、これらの高温（> 1,300 °C（2,370 °F））で、ベライト（Ca₂SiO₄ ）が酸化カルシウム（CaO）と結合してアライト（Ca₃SiO₅ ）を形成するときに起こります。[ 16 ]
ポルトランドセメントクリンカーは、セメント窯で原料の混合物を600 ℃（1,112 °F）以上の焼成温度まで加熱し、その後、現代のセメントの場合は約1,450 ℃（2,640 °F）の融解温度まで加熱して、原料を焼結してクリンカーにすることで作られます。
セメントクリンカー中に存在する4つの鉱物相は、アライト（セメント化学者の表記ではC 3 Sと略記）、ベライト（C 2 S）、三カルシウムアルミネート（C 3 A）、および四カルシウムアルミノフェライト（C 4 AF）です。アルミニウム、鉄、マグネシウムの酸化物は、カルシウムケイ酸塩がより低い温度で形成されることを可能にするフラックスとして存在し、 [ 17 ]強度にはほとんど寄与しません。低熱（LH）セメントや硫酸塩耐性セメントなどの特殊セメントの場合、形成される三カルシウムアルミネート（ C 3 A ）の量を制限する必要があります。
クリンカー製造の主要原料は通常、石灰石（CaCO₃ ）と、アルミノケイ酸塩源として粘土を含む第二の原料を混合したものです。通常、粘土またはSiO₂を含む不純な石灰石が使用されます。これらの石灰石のCaCO₃含有量は80%程度まで低くなることがあります。二次原料（原料混合物中の石灰石以外の材料）は、石灰石の純度によって異なります。使用される材料には、粘土、頁岩、砂、鉄鉱石、ボーキサイト、フライアッシュ、スラグなどがあります。セメントキルンを石炭で焼成する場合、石炭灰が二次原料として使用されます。
最終製品で望ましい凝結特性を得るために、クリンカーに一定量（2～8%、通常は5%）の硫酸カルシウム（通常は石膏または無水石膏）を添加し、混合物を微粉砕して最終セメント粉末を製造します。これはセメントミルで行われます。粉砕工程は、粒径範囲の広い粉末が得られるように制御され、通常、質量比で15%が 直径5μm未満の粒子、5%が45μmを超える粒子で構成されます 。通常使用される細かさの尺度は「比表面積 」であり、これは単位質量のセメントの総粒子表面積です。セメントが水を加えたときの初期反応速度（最大24時間）は、比表面積に正比例します 。一般的なセメントの典型的な値は320～380 m 2 ·kg −1、早強セメントの典型的な値は450～650 m 2 ·kg −1です。セメントはベルトコンベアまたは粉体ポンプでサイロに搬送され、貯蔵されます。セメント工場は通常 、地域の需要サイクルに応じて1週間から20週間分の生産量を貯蔵できる十分なサイロ容量を備えています。セメントは袋詰め、または加圧車両から顧客のサイロに吹き込まれるバルク粉末として最終消費者に届けられます。工業国では、セメントの80%以上がバルクで配送されます。
セメントは水と混ぜると、まだ完全には解明されていない複雑な一連の化学反応を経て固まる。[ 18 ]簡単にまとめると次のようになる。
クリンカー相（ケイ酸カルシウムとアルミン酸塩）はセメントと混合された水に溶解し、その結果、比較的高い濃度の溶解イオンを含む流体が生成される。これは特定の鉱物相に対して過飽和状態に達する。通常は最初にエトリンガイト、次にケイ酸カルシウム水和物（CSH）が新たに形成された固体として沈殿する。CSH（結晶学的に無秩序で、針状またはしわくちゃの箔状の形態をとることがある）とエトリンガイト結晶の相互結合によりセメントの初期硬化が起こり、流体が固体に変化し、水の大部分がこれらの新しい相に化学的に組み込まれる。[ 19 ]
セメントには、急速凝結を防ぐための抑制剤として石膏が添加されています。石膏が存在しない場合、（針状の）エトリンガイトの初期形成は不可能となり、代わりに（板状の）ハイドロカルマイト群（「AFm」）カルシウムアルミネート相が形成されます。AFm相の早期形成は流動性の急速な低下を引き起こし、セメントやコンクリートの打設が非常に困難になるため、一般的には望ましくありません。 [ 20 ]
セメントの硬化は、さらにCSHが形成されることによって進行します。これは、（まだ溶解している）セメント粒子間の空間を新たに形成された固体相で満たします。ポートランダイトも細孔溶液から沈殿し、固体の微細構造の一部を形成します。最初に形成されたエトリンガイトの一部はAFm相に変換され、その構造から硫酸塩の一部を放出し、残りの三カルシウムアルミネートと反応し続けます。[ 21 ]
普通ポルトランドセメント（OPC）コンクリートは、ラドンなどのガスに対するバリアとして機能し、その有効性はコンクリートの厚さと拡散特性に依存します。セメント中のラドン拡散係数を直接測定することは複雑ですが、実験的に容易に得られる酸素拡散係数から推定することができます。OPCのラドンに対する透過性が比較的低いため、住宅や地下構造物など、ラドン被ばくの軽減が必要な構造物で有用です。 [ 22 ]
炭酸アルカリ性産業廃棄物（白鋼スラグ、バイオマス灰、建設・解体廃棄物など）を含む混合セメントの放射線安全性もガンマ線スペクトロメトリーによって評価されている。バイオマス灰は²¹⁰Pbと⁴⁰Kの濃度が高い（約5,000 Bq·kg⁻¹）可能性があるが、結果として得られる建築材料の外部放射線からの吸収線量率は、自然背景放射線レベル84 nGy·h⁻¹を下回っている。さらに、これらの炭酸補助セメント材料を20%含むセメントペーストの²²²Rn放出率と放出率は、普通ポルトランドセメントのものと同等であり、建築用途での使用における放射線安全性が確認されている。[ 23 ]
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。[ 25 ]コンクリートは、骨材（砂利と砂）、セメント、水からなる複合材料です。建設材料として、コンクリートはほぼあらゆる形状に成形でき、硬化すると構造（耐荷重）要素になります。コンクリートは、パネル、梁、街路設備などの構造要素の建設に使用したり、道路やダムなどの上部構造のために現場で打設したりできます。これらは、現場で混合されたコンクリートで供給される場合もあれば、常設の混合場所で製造された「既調合」コンクリートで供給される場合もあります。ポルトランドセメントは、モルタル（砂と水のみ）、プラスターやスクリード、グラウト（基礎、路盤などを固めるために隙間に押し込まれるセメント/水の混合物）にも使用されます。
ポルトランドセメントに水を加えると、製品は数時間で固まり、数週間かけて硬化します。これらのプロセスは、使用する混合物や製品の養生条件によって大きく異なりますが、 [ 26 ]一般的なコンクリートは約6 時間で固まり、24時間で8MPaの圧縮強度を発現します。強度は3日で15MPa、1週間で23MPa、4週間で35MPa、3か月で41MPaに上昇します。原則として、水が水和を継続するために利用できる限り、強度はゆっくりと上昇し続けますが、コンクリートは通常数週間後に乾燥させるため、強度の上昇は停止します。
ポルトランドセメントには5種類あり、ASTM C150によると最初の3種類にはバリエーションがある。[ 27 ] [ 28 ]
I型ポルトランドセメントは、一般セメントまたは汎用セメントとして知られています。特に指定がない限り、一般的にこのセメントが使用されます。土壌や地下水と接触しないプレキャストコンクリートやプレキャストプレストレストコンクリートの製造など、一般的な建設工事に広く用いられています。このタイプの代表的な配合組成は以下のとおりです。
組成に関する制限として、（C 3 A）は15％を超えてはならない。
タイプIIは中程度の硫酸塩耐性を持ち、水和時の発熱量も少ない。このタイプのセメントの価格はタイプIとほぼ同じである。その典型的な組成は以下のとおりである。
組成上の制限として、(C 3 A) の含有量が 8% を超えないことが挙げられ、これにより硫酸塩に対する脆弱性が低減されます。このタイプは、中程度の硫酸塩攻撃にさらされる一般的な建設工事向けです。特に米国西部では土壌の硫黄含有量が高いため、コンクリートが土壌や地下水と接触する場合に使用されます。タイプ II はタイプ I と価格がほぼ同じであるため、汎用セメントとして広く使用されており、北米で販売されているポルトランドセメントの大部分はこの仕様を満たしています。
タイプIIIは比較的高い初期強度を有する。その典型的な化合物組成は以下の通りである。
このセメントはタイプIに似ていますが、より細かく粉砕されています。一部のメーカーはC3Sおよび/またはC3A含有量の高いクリンカーを別途製造していますが、これはますます稀になっており、通常は汎用クリンカーが使用され、比表面積は通常50～80%増加します。石膏レベルもわずかに増加する場合があります。これにより、このタイプのセメントを使用したコンクリートの3日圧縮強度は、タイプIおよびIIの7日圧縮強度と同等になります。7日圧縮強度は、タイプIおよびIIの28日圧縮強度とほぼ同等です。唯一の欠点は、タイプIIIの6か月強度がタイプIおよびIIと同じか、わずかに低いことです。したがって、長期強度は犠牲になります。これは通常、プレキャストコンクリートの製造に使用され、高い1日強度により型枠の回転が速くなります。また、緊急建設および修理、機械基礎およびゲート設置の建設にも使用できます。
タイプIVポルトランドセメントは、一般的に水和熱が低いことで知られています。その典型的な組成は以下のとおりです。
(C 2 S) と (C 4 AF)の割合は比較的高く、(C 3 S) と (C 3 A) の割合は比較的低い。このタイプの制限は、(C 3 A) の最大割合が 7%、(C 3 S)の最大割合が35% である。これにより、水和反応によって放出される熱の発生速度が遅くなる。結果として、コンクリートの強度はゆっくりと発現する。1～2年後には、完全硬化後の他のタイプの強度よりも高くなる。このセメントは、表面積対体積比が低いダムなどの巨大なコンクリート構造物に使用される。このタイプのセメントは一般的にメーカーが在庫していないが、一部のメーカーは大量の特別注文を検討するかもしれない。このタイプのセメントは、ポルトランドポゾランセメントと高炉スラグ微粉末添加物の方が安価で信頼性の高い代替品となるため、長年製造されていない。
タイプVは、硫酸塩耐性が重要な用途に使用されます。その典型的な化合物組成は以下のとおりです。
このセメントは (C 3 A) の含有量が非常に低く、そのため硫酸塩に対する耐性が高い。タイプ V ポルトランド セメントで許容される (C 3 A) の最大含有量は 5% である。もう 1 つの制限は、(C 4 AF) + 2(C 3 A) の組成が 20% を超えてはならないことである。このタイプは、アルカリ土壌や地下水の硫酸塩にさらされるコンクリートに使用される。硫酸塩は (C 3 A) と反応して破壊的な膨張を引き起こす。多くの場所では入手できないが、米国西部とカナダではよく使用されている。タイプ IV と同様に、タイプ V ポルトランド セメントは、粉砕した高炉スラグを添加した普通セメント、またはスラグとフライアッシュを含む三次混合セメントの使用によって大部分が置き換えられている。
タイプIa、IIa、およびIIIaは、タイプI、II、およびIIIと同じ組成です。唯一の違いは、Ia、IIa、およびIIIaでは、空気連行剤が混合物に粉砕されている点です。空気連行剤は、ASTMマニュアルに記載されている最小および最大オプション仕様を満たす必要があります。これらのタイプは、米国東部およびカナダでのみ、限られた範囲で入手可能です。これらは、低温下での凍結耐性を向上させる空気連行剤としては不十分な方法です。
タイプII(MH)とII(MH)aは、タイプIIとIIaと同様の組成を持つが、発熱量は穏やかである。
欧州規格EN 197-1は、ポルトランドセメントを主成分とする一般的なセメントを5つのクラスに分類している。これらのクラスはASTMのクラスとは異なる。
*ポルトランド複合セメントに使用できる成分は、人工ポゾラン（高炉スラグ（潜在性水硬性結合材）、シリカフューム、フライアッシュ）または天然ポゾラン（火山灰ガラス、焼成粘土、頁岩などの珪質または珪質アルミナ質材料）です。
カナダの規格では、セメントは主に6つの種類に分類されており、そのうち4種類は粉砕石灰石を含む混合物としても供給可能である（種類名に接尾辞「L」が付いている）。
白色ポルトランドセメント、または白色普通ポルトランドセメント（WOPC）は、白色度が高い点を除けば、通常の灰色ポルトランドセメントとあらゆる点で類似しています。この色を得るには、Fe₂O₃含有量が十分に低い原料と、製造方法の変更が必要です。例えば、通常のクリンカーでは融剤として作用する酸化鉄が存在しないため、クリンカーを焼結するために必要な窯の温度を高くする必要があります。Fe₂O₃はクリンカーの融点（通常1450 ℃）を下げるため、白色セメントはより高い焼結温度（約1600℃）を必要とします。その結果、灰色製品よりも若干高価になります。主な要件は鉄含有量が低いことであり、白色セメントの場合はFe₂O₃として0.5重量％未満、オフホワイトセメントの場合は0.9重量％未満である必要があります。酸化鉄を酸化第一鉄（FeO）にすることも有効です。これは、窯内でわずかに還元的な条件、つまり窯出口で過剰酸素をゼロにして運転することで得られます。これにより、クリンカーとセメントに緑色がかった色合いが生まれます。微量に含まれるCr₂O₃（緑色）、MnO（ピンク色）、TiO₂ （白色）などの他の金属酸化物も色味を帯びる可能性があるため、特定のプロジェクトでは、同一バッチのセメントを使用するのが最善です。
セメントの袋には、セメントが非常にアルカリ性であるだけでなく、硬化過程が発熱反応であるため、健康と安全に関する警告が印刷されているのが一般的です。そのため、湿ったセメントは非常に腐食性が高く、すぐに水で洗い流さないと、重度の皮膚の火傷を引き起こす可能性があります。同様に、乾燥したセメントの粉末が粘膜に接触すると、重度の目や呼吸器の刺激を引き起こす可能性があります。[ 29 ] [ 30 ]副鼻腔や肺の水分とセメントの粉塵が反応すると、化学火傷のほか、頭痛、疲労[ 31 ]、肺がん[ 32 ]を引き起こす可能性もあります。
比較的アルカリ度の低いセメント（pH < 11）の製造は、現在も研究が続けられている分野である。[ 33 ]
スカンジナビア、フランス、および英国では、毒性があり主要な皮膚刺激物質と考えられている六価クロムの濃度は、百万分率（ppm）の2倍を超えてはならない。
米国では、労働安全衛生局（OSHA）が、職場でのポルトランドセメントへの曝露の法的制限（許容曝露限界）を、8時間労働で50 mppcf（百万粒子/立方フィート）に設定しています。国立労働安全衛生研究所（NIOSH）は、8時間労働で総曝露10 mg/m 3 、呼吸器曝露5 mg/m 3の推奨曝露限界（REL）を設定しています。5000 mg/m 3のレベルでは、ポルトランドセメントは生命と健康に直ちに危険です。[ 34 ]
ポルトランドセメントの製造は、工程のあらゆる段階で環境への影響を引き起こす可能性があります。これには、粉塵やガスなどの大気汚染物質の排出、機械の稼働時や採石場での発破時の騒音や振動、製造時の大量の燃料消費、CO2の放出などが含まれます。2.製造工程における原材料からの粉塵発生、および採石による田園地帯への被害。採石およびセメント製造時の粉塵発生を抑制する装置は広く使用されており、排ガスを捕捉・分離する装置の使用も増加している。環境保護には、閉鎖後の採石場を自然に還したり、再耕作したりして田園地帯に再統合することも含まれる。
ポルトランドセメントは腐食性があるため、化学火傷を引き起こす可能性があります。[ 27 ]粉末は刺激を引き起こしたり、重度に曝露すると肺がんを引き起こしたりする可能性があり、結晶性シリカや六価クロムなどのいくつかの有害成分を含む可能性があります。環境上の懸念は、セメントの採掘、製造、輸送に必要なエネルギー消費量が多いこと、および二酸化炭素、ダイオキシン、NOx、SO2、粒子状物質などの温室効果ガスの放出を含む関連する大気汚染です。ポルトランドセメントの生産は、世界の二酸化炭素排出量の約10%を占めています。[ 35 ]国際エネルギー機関は、世界の人口増加のニーズを満たすために、セメント生産量が2050年までに12～23%増加すると推定しています。[ 36 ]補助セメント系材料によるポルトランドセメントの適切な代替を目的としたいくつかの種類の研究が進行中です。[ 37 ]
米国疾病対策センター（CDC）の疫学ノートおよび報告書「ポルトランドセメント工場における二酸化硫黄曝露」には、次のように記載されている。
ポートランドのセメント工場、特に硫黄を含む燃料を燃焼する工場の労働者は、 SO₂への曝露による急性および慢性の影響を認識しておく必要がある。2 [二酸化硫黄]、およびSOのピーク濃度と全シフト濃度2は定期的に測定する必要がある。 [ 38 ]
AEA Technologyによるセメント業界にとって重要な課題を特定するための独立調査の結果、セメント業界が直面する最も重要な環境、健康、安全に関するパフォーマンス問題は、大気放出（温室効果ガス排出、ダイオキシン、NOx、SOxを含む）であると結論付けられました。2、および粒子状物質）、事故、および粉塵への労働者の曝露。 [ 39 ]
COポルトランドセメントの製造に関連する2つの物質は、主に4つの供給源から得られます。
全体として、原子力発電や水力発電、そして効率的な製造により、CO2排出量は減少します。第2世代のCO2排出量はセメント1kg0.7kg （1.5 ポンド）まで削減できます将来のイノベーションの方向性は、セメントの化学組成の変更、廃棄物の利用、より効率的なプロセスの採用によって、第1世代と第2世代のCO2排出量を削減することです。セメント製造は膨大なCO22排出源であるコンクリート（セメントが約 15% を占める）は、この点で他のいくつかの現代的な建築システムと比べて優れている。石灰ベースのモルタルなどの伝統的な材料や、木材や土をベースにした建築方法も、CO2 の。 [ 40 ]
クリンカー含有量を減らすアプローチの一つは、工業副産物や天然のポゾランに頼るのではなく、補助セメント材料として機能するように特別に設計されたアルミノケイ酸塩材料を実験室で合成することです。これらの合成材料は、化学組成と構造を精密に制御して製造できるため、反応性を最適化できます。ハイブリッドアルカリ活性化セメント（超低クリンカー含有量セメント（ULCC）として知られる）の主成分（67%以上）として使用した場合、これらの合成アルミノケイ酸塩は、28日間の養生後に50 MPaを超える圧縮強度を示し、従来の構造用セメントに匹敵します。この機械的性能の原因となる主な反応生成物は、アルカリ活性化セメントで形成されるものと同様の（N）-CASH型ゲルです。このアプローチは、特定の工業廃棄物ストリームの入手可能性に依存せず、制御された組成の材料から製造された、クリンカー含有量が最小限のセメントへの道筋を提供します。[ 41 ]
セメントのカーボンフットプリントを削減するもう1つのアプローチは、アルカリ性産業廃棄物を炭酸化処理によって前処理することである。つまり、補助セメント系材料として使用する前にCO₂に曝露させる。この戦略では、CO₂を単なる汚染物質として扱うのではなく、廃棄物を化学的に安定化させるために使用し、炭素を大気中に放出する代わりに製品内に効果的に固定する。セメント代替材として最大20%の炭酸化廃棄物を含むモルタルは、通常のポルトランドセメントモルタルよりも自然炭酸化深度が低く、100年間の予測では、鉄筋を腐食から保護するために必要な耐久性基準を満たしていることが示されており、構造用途での実現可能性が確認されている。[ 42 ]
代替補助セメント材料の探索は、フライアッシュや高炉スラグなどの従来の工業副産物が不足しているか、経済的に入手困難な開発途上国では特に喫緊の課題となっている。サハラ以南のアフリカに多く生息する侵略的外来植物であるオオヨシ（Phragmites sp.）を制御された方法で焼成して得られる灰は、シリカフュームや籾殻灰に匹敵する92%以上のシリカを含み、28日以内に利用可能な石灰の94%を固定する高いポゾラン活性を示す。オオヨシ灰を10%および20%置換したセメントモルタルは、基準セメントの強度クラスを維持し、欧州規格EN 197-1の機械的およびレオロジー的要件を満たしており、従来の鉱物添加物が不足している地域での低炭素セメントの現地生産への道筋を示している。[ 43 ]
セメントキルン内部は高温で、酸化性（酸素が豊富な）雰囲気と長い滞留時間を持つため、様々な種類の廃棄物処理方法として利用されています。セメントキルンは多くの有害な有機化合物を効率的に分解します。また、廃棄物には可燃性物質が含まれていることが多く、これにより、処理工程で一般的に使用される化石燃料の一部を代替することが可能になります。
セメント窯の燃料補助として使用される廃棄物: [ 44 ]
ポルトランドセメントの製造においても、廃棄物から得られる産業副産物を利用することで恩恵を受ける可能性がある。[ 45 ]具体的には以下の通りである。
ポートランドセメントは、もともと18世紀から19世紀初頭にかけてイギリスで開発されたものであり…当時、アメリカ人はイギリスとドイツからポートランドセメントを輸入していた。
工業副産物の約50％は、ポルトランドセメントの製造原料として利用できる可能性がある。